程宪平-机电传动与控制(第三版)2第二章

1、目录 第2章,第2章 交流电动机 2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理 2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路 2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性 2-4 三相异步电动机的启动性能与方法 2-5 三相异步电动机的调速方法 2-6 三相异步电动机的制动 2-7 单相异步电动机 2-8 同步电动机,第2章 交流电动机,了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生； 掌握异步电动机的工作原理，机械特性， 以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用； 学会用机械特性 的四个象限来分析异步电动机的运行状态； 掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法； 了解同步电动机 的结构特点、工作原理、运行特

2、性及启动方法。,第2章 交流电动机,异步电动机的机械特性，它是基于异步电动机的工作原理 而推导出来的；特别是异步电动机的人为机械特性，因为 它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据； 对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉； 异步电动机直接启动和Y-降压启动的条件和优缺点， 线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动， 以及各种启动方法的应用场合； 异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。,定子旋转磁场与转子运动的相对性。 电动机的制动过程。,第2章 交流电动机,三相鼠笼式 异步电动机 三相特殊鼠笼式 异步电动机 三相绕线式 异步电动机,概 述,交 流 电 动 机,异步

3、 电动机,单相异步电动机,同步 电动机,单相同步电动机 三相同步电动机,三相双鼠笼式 异步电动机 三相深槽式 异步电动机 三相高转差率 鼠笼式 异步电动机,三相异步 电动机,交流电动机的类型:,第2章 交流电动机,概 述,交流电动机的用途: 交流电动机 在各行各业和日常生活等，都得到了广泛的应用。 鼠笼式异步电动机 在机电传动控制系统中使用得最为广泛。 绕线式异步电动机 与鼠笼式相比，其转子结构稍复杂，价格稍贵， 一般用于要求起动电流小、起动转距大的场合。 交流电动机的优缺点: 结构简单，制造、使用和维护方便， 运行可靠，成本低，效率高。 但是，功率因数低、起动和调速性能差。,第2章 交流电动

4、机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,一. 三相异步电动机的基本结构,铁心:由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,第2章 交流电动机,铁心:由导磁性能很好的硅钢片叠成(导磁部分)。 绕组:放在定子铁心内圆槽内(导电部分)。 机座:固定定子铁心及端盖。,定 子 静止部分,转 子 旋转部分,三 相 异 步 电 动 机,转子铁心的每个槽内 插入一根裸导条， 形成一个多相对称短路绕组。,转子绕组为三相对称绕组， 嵌放在转子铁心槽内。, 绕线式：,绕组:,转轴、轴承、风扇, 鼠笼式：,一. 三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,三相绕线式 异步电

5、动机 结构图,一. 三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,三相对称 交流绕组模型,圆形 定子冲片,定子 铁心,一. 三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,鼠笼型转子绕组,一. 三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,绕线式异步电机 定子转子绕组接线方式,一. 三相异步电动机的基本结构,绕线式转子绕组 形式与定子绕组 基本相同； 3个绕组的末端 连接在一起构成 星形连接； 3个始端连接在 3个铜滑环上； 电刷引出线连接 起动调速变阻器。,2-1

6、 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二. 三相异步电动机的工作原理,在定子的三相对称绕组中通入三相对称交流电流， 可以产生在空间旋转的圆形合成磁场。 磁场旋转方向与电流相序一致。 电流相序为A-B-C时，磁场顺时针方向旋转； 电流相序为A-C-B时，磁场逆时针方向旋转。 旋转磁场的转速 n0称为同步转速： n0决定于 电流的频率 f 电机的磁极对数 p,（r/min）, 旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二. 三相异步电动机的工作原理,同步转速 no与磁场磁极对数 p 的关系：（ f

7、50Hz时） 磁极对数 p分别为 1、 2、 3， 每个电流周期磁场转过空间角度360、180、120， 同步转速no分别为 3000、 1500 、 1000 r/min 如下定子绕组的接法，合成磁场只有一对磁极，即 p1。, 旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二. 三相异步电动机的工作原理,磁极对数 p 的改变 定子每相绕组由两个 相等圈数的“半绕组”组成。 若如右图示将每相两个 “半绕组”串联，形成的磁场则 是两对磁极，即 p2或2p4。, 旋转磁场的产生,若改变接法将每相两个 “半绕组”并联，形成的磁场则 是一对磁极，即 p1或2p2。 （

8、详见变极调速）,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,将每相两个“半绕组” 并联形成 的磁场是 一对磁极 即 p1 或2p2,将每相两个 “半绕组” 串联形成 的磁场是 两对磁极 即 p2 或2p4,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,将每相两个“半绕组” 并联形成 的磁场是 一对磁极 即 p1 或2p2,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,将每相两个 “半绕组”

9、串联形成 的磁场是 两对磁极 即 p2 或2p4,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,磁场n0 旋转,两极旋转磁场示意图,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,以iA0为起动点,第2章 交流电动机,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,以iAIM 为起动点,两极旋转磁场示意图,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,以iAIM 为起动点,四极旋转磁场示意图,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.

10、三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,两极与四极旋转磁场的比较,转速,第2章 交流电动机,二. 三相异步电动机的工作原理, 旋转磁场的产生,思考 上述分析均为磁场顺时针方向旋转的情况，若要求旋转方向改为反时针，则应该如何分析？,转向,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,电流 相序 A-C-B,2.磁生电 (右手定则) 旋转磁场切割转子导体， 转子感应电动势和电流。,1.电生磁 (右手定则) 定子三相绕组通入三相对 称电流产生圆形旋转磁场。,3.电磁力 (左手定则) 转子载流（有功分量电流） 体在磁场作用下受电磁力 作用，形成电磁转矩，驱动 电动机旋转，将电能转化为机械能。,第2章

11、 交流电动机,二. 三相异步电动机的工作原理, 转动原理,逆时针 方向 旋转,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,n,第2章 交流电动机,二. 三相异步电动机的工作原理,磁力线切割 转子绕组,转子绕组产 生感应电势,转子绕组产 生感应电流,电流与磁场作 用产生电磁力,电磁力产生 电磁转矩,转子运转 转速nn0,定子绕组通入 三相交流电流, 转动原理,旋转磁场 同步转速n0,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n0， 故称为异步电动机； 又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应

12、所产生的， 也称为感应电动机。,二. 三相异步电动机的工作原理, 转差率,转差率是异步电动机一个非常重要的参数， 它反映了电动机的各种运行情况。,异步电动机同步转速和转子转速的 差值与同步转速之比称为转差率， 用 S 表示，即：,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,三相异步电机转速及转差率与运行状态的关系, 转差率,电动机,二. 三相异步电动机的工作原理,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,第2章 交流电动机,转子静止时的电路,转子静止时的T形等效电路,转子转动后的电路 (频率折算后的电路),转子转动后的电路 (频率折算前的电路),一. 定子转子电路示意图,

13、第2章 交流电动机,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,一. 定子转子电路示意图,转子静止时的电路,转子转动后的T形等效电路,转子静止时的T形等效电路,转子转动后的电路 (频率折算后的电路),第2章 交流电动机,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,转子转动后的T形等效电路,感应电动机的 简化形等效电路 (转子转动后),一. 定子转子电路示意图,第2章 交流电动机,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,转子每相电路 的功率因数为：,转子每相绕组 的电流为：,二. 定子电路与转子电路中的几个主要电量,异步电动机工作时，其定子每相绕组的感应电势为： E1 = 4.44 f1 N

14、1 而且，定子每相绕组上施加的电压U1E1，可见U1。 转子每相绕组的感应电势为： E2 = 4.44 f2 N2 = S E20 （因转子电势的频率f2 = S f1 , E20 = 4.44 f1 N2 为转子不动时转子每相的电势）,可见，转子电路的各物理量都与转差率S即与转速n 有关。,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,第2章 交流电动机,异步电动机所产生的电磁转矩为,一. 三相异步电动机的电磁转矩,转矩特性指电动机的电源电 压和频率一定时，电磁转矩 与转差率(转速)之间的关系。,机械特性 n = f（T）,转矩特性 T = f（s）,实际生产中把电磁转矩与转速的 关系称异步电动机

15、的机械特性。,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,转子电路功率因数,一. 三相异步电动机的电磁转矩,机械特性 n = f（T）,异步电动机所产生的电磁转矩为,转矩特性 T = f（S）,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,1、固有机械特性 四个重要特殊点： 理想空载点A T = 0，n = n0（S =0） 额定工作点B T = TN，n = nN（S=SN） 启动工作点D T = Tst，n = 0（S =1） 临界工作点C T = Tmax，n = nm（S = Sm）,机械特性 n = f（T）,二. 三相异步电动机的机械特性,第2章 交流

16、电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,2、人为机械特性,可以作出改变U、f 以及 在定子、转子电路串接电阻或电抗的人为机械特性。 异步电动机定子降压的人为机械特性 异步电动机定子串接电阻(电抗)的人为机械特性 异步电动机定子变频的人为机械特性 绕线式异步电动机转子串接电阻(电抗)的人为机械特性,根据电磁转矩关系式,二. 三相异步电动机的机械特性,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,二. 三相异步电动机的机械特性,2、人为机械特性,三相异步电动机的人为机械特性 异步电动机定子降压的人为机械特性 异步电动机定子串接电阻(电抗)的人为机械特性 异步电动机定子变频的人

17、为机械特性 绕线式异步电动机转子串接电阻(电抗)的人为机械特性,直流他励电动机的人为机械特性 电枢串电阻的人为机械特性 降低电枢电压的人为机械特性 减弱励磁磁通的人为机械特性,比较,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,二. 三相异步电动机的机械特性,2.人为机械特性,定子降压, 定 子 串 电 抗, 转 子 串 电 阻,定子变频,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,二. 三相异步电动机的机械特性,2.人为机械特性,定子降压,定子串电抗,转子串电阻,定子变频,参考：直流他励电动机的人为机械特性,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械

18、特性,三. 三相异步电动机的稳定运行问题,三相异步电动机 稳定运行分析,1异步电动机的特性 2恒转矩型负载特性 3恒功率型负载特性 4, 5通风机型负载特性,第2章 交流电动机,概 述,三相异步电动机的额定值,额定值的关系：,第2章 交流电动机,定子绕组用绝缘的铜 （或铝）导线绕成， 嵌在定子槽内。 通常把定子三相绕组 的六根出线头都引出， 根据实际使用的需要， 可接成Y形或形， 如图所示。,三相异步电动机的引出线,一. 三相异步电动机的基本结构,形接法,Y形接法,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-42-6 三相异步电动机的启动调速制动特性,三相异步电动机的调

19、速特性 改变磁极对数 p调速（变极调速） 改变转差率S调速 改变频率 f 调速（变频调速） 三相异步电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,三相异步电动机的启动特性 1.直接启动 2.非直接启动 鼠笼式电动机降压启动法 线绕式电动机启动法,定子串电阻 定子串电抗 自耦变压器 Y- 软启动器 转子串电阻 转子串频敏变阻器,改变电压调速 转子串电阻调速 串级调速 电磁转差离合器,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,三相异步电动机的启动特性 鼠笼式电动机降压启动法 定子串电阻

20、定子串电抗 Y-转换 自耦变压器转换 软启动器 线绕式电动机启动法 转子串电阻 转子串频敏变阻器,直流他励电动机的启动特性 降压启动 电枢电路串电阻启动,比较,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,定子串电阻启动 定子串电抗启动,鼠笼式电动机降压启动法,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,Y-降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,起动电流,起动转矩,绕组电压,Y形和形接法时 的电压和电流 (a) Y接法(降压起动) (b) 接法(全压运行),第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,Y-降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,Y形和形接法时

21、 的电压和电流 (a) Y接法(降压起动) (b) 接法(全压运行),异步电动机 星-三角起动原理图,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,异步电动机用自耦变压器 降压起动原理图,自耦变压器T 的一相绕组,自耦变压器降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,接至 电动机 一相绕组,来自 一相电源,起动时接入 运行时断开,软启动器（略）,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,附：延边三角形降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,延边三角形起动的接线图 (a)延边三角形(起动)； (b)三角形(运行),异步电动机 延边三角形 起动原理图,第2章 交流电动机,2-4 三

22、相异步电动机的启动性能与方法,异步电动机的转子电路及起动特性图,线绕式电动机启动法,转子串电阻启动,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,转子串频敏变阻器时的机械特性 1固有机械特性； 2串频敏变阻器的人为机械特性,转子串频敏变阻器启动,线绕式电动机启动法,（三相）频敏变阻器,转子电路,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,根据交流异步电动机转速的关系式： n n0(1S ) 60 f (1S )/p n0n 可知，交流异步电动机的调速方法大致可分为三种： 改变磁极的极对数p 改变转差率S 改变频率f 其中，改变转差率S的方法， 又可以通过调定子电压、转子

23、电阻、转子电压 以及定转子供电频率等方法来实现。 从而派生出很多种调速方法。,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,三相异步电动机的调速特性 改变磁极对数 p 调速（变极调速） 改变转差率 S 调速 改变电压调速 串级调速 转子串电阻调速 电磁转差离合器 改变频率 f 调速（变频调速）,直流他励电动机的调速特性 改变电枢电压调速 改变励磁磁通调速 电枢电路串电阻调速,比较,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法, 改变磁极对数调速（变极调速）,将每相两个 “半绕组”串联， 形成的磁场 是两对磁极， 即 p2或2p4。,将每相两个 “半绕组”并联， 形成的磁场 是一

24、对磁极， 即 p1或2p2。,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,双速电动机的极对数变换 （a）Y/YY （b）/YY, 改变磁极对数调速（变极调速）,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法, 改变磁极对数调速（变极调速）,Y型接法 半绕组串联 p2,型接法 半绕组串联 p2,YY型接法 半绕组并联 p1,高速： KM1断 KM2通 KM3通,低速： KM1通 KM2断 KM3断,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,Y-YY变极调速 的机械特性,-YY变极调速 的机械特性, 改变磁极对数调速（变极调速）,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动

25、机的调速方法, 改变转差率S调速, 调压调速,当异步电动机 定子与转子的参数恒定时， 在一定的转差率下， 电动机的电磁转矩T与加在 定子绕组上的电压U的平方成正比。 因此，通过改变异步电动机的 定子电压，从而改变电动机 在一定输出转矩下的转速， 是一种简单而方便的调速方法。,普通 异步电动机 的特性,高转差率 异步电动机 的特性,（如：交流力矩电机）,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法, 改变转差率S调速,优点： 控制电路简单、 价格低、使用维修方便等， 缺点： 损耗大、效率低、调速特性软， 低速时稳定性差、调速范围窄。 若加入转速负反馈构成闭环系 统，就可使低速特性变得较硬

26、、 稳定性变好，调速范围加宽。, 调压调速,（如：交流力矩电机）,高转差率 异步电动机 的特性,普通 异步电动机 的特性,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法, 改变转差率S调速, 调压调速,高转差率 异步电动机 的特性,（如：交流力矩电机）,采用晶闸管反并 联电路调压调速 （可逆运行）,采用双向晶闸管 交流调压器调速 （单向运行）,普通 异步电动机 的特性,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法, 转子串电阻调速, 改变转差率S调速,线绕式异步电动机的转子电路 串电阻，可以用于启动和调速。,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变频率f 调速

27、(变频调速),交-交变频器,交-直-交变频器,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,三相异步电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,直流他励电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,比较,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动, 反馈制动,正向 电动运行,反向 电动运行,反向 反馈制动 运行,正向 反馈制动 过程,正向反馈制动,重物下放,降压调速,反向反馈制动,反接 制动 过程

28、,重物下放,重物提升,正向 电动运行,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动, 反馈制动,正向 反馈 制动 过程,正向反馈制动,反向反馈制动,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动, 反馈制动,正向反馈制动 反向反馈制动,参考： 直流他励 电动机 的制动特性,第2章 交流电动机, 反接制动,电源 反接制动,倒拉 反接制动,正向 电动运行,反接 制动 过程,倒拉 反接制动 运行,2-6 三相异步电动机的制动,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动, 反接制动,参考： 直流他励电动机的制动特性,电源反接制动 倒拉反接制动,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动, 能耗制动,正向 电动运行,位能性 恒转矩负载,反抗性 恒转矩负载,能耗 制动 运行,能耗 制动 过程,第2章 交流电动机