三相交流異步電動機2

第8章三相交流電動機內(nèi)容提要三相異步電動機的根本結(jié)構(gòu)三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)三相異步電動機的起動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動本章重點與難點三相異步電動機的根本結(jié)構(gòu)三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩特性和機械特性三相異步電動機的控制方法〔起動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動〕電動機：電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置本章分析：三相交流異步電動機（感應電機）電動機分類：異步機同步機直流交流單相三相異步機同步機……其優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運行可靠，維修方便等8.1三相交流異步電動機的結(jié)構(gòu)機殼(機座)—支承定子鐵心、固定端蓋定子繞組—接電源，獲得電能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場可以星形獲三角形連接，作為三相負載鐵心—磁路的一局部，0.35或0.5mm硅鋼片疊成。內(nèi)外表有凹槽，放置繞組1.定子〔不動的局部〕：2.轉(zhuǎn)子〔轉(zhuǎn)動的局部〕：

轉(zhuǎn)軸—支承轉(zhuǎn)子、驅(qū)動機械負載鐵心—磁路的一局部，0.35或0.5mm硅鋼片外表有凹槽，放轉(zhuǎn)子導體轉(zhuǎn)子導體導條—鼠籠式繞組—繞線式：可改變轉(zhuǎn)子電阻作用：產(chǎn)生感應電動勢和感應電流來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

定轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，也是磁路的一局部，它的大小對電機的性能有很大的影響過大：所需勵磁電流大，功率因數(shù)小所以空隙要適宜3.氣隙〔看不見的局部〕：三相異步機的結(jié)構(gòu)演示YBZXAC轉(zhuǎn)子定子鐵心定子繞組（三相）機座空隙轉(zhuǎn)軸(1)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生1.旋轉(zhuǎn)磁場8.2三相異步電動機的工作原理AXBYCZ三相定子繞組在空間上互差120度放置，并通入三相對稱電流AXYCBZ設(shè)每相電流為正時，從首端流入，尾端流出，為負時尾端入，首端出，如圖。且流入時標“〞，流出“〞AXYCBZ1nAXYCBZ1n產(chǎn)生兩極磁場，且旋轉(zhuǎn)同理分析，可得其它角度下的磁場位置及方向：AXYCBZAXYCBZ1nXBZ1nAYC旋轉(zhuǎn)方向：取決于三相電流的相序。1n1n改變磁場的旋轉(zhuǎn)方向：換接其中任意兩相電源旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大小分）轉(zhuǎn)/(601fn=如上分析，當電流變化一周（頻率為f1）時，兩極磁場（磁極對數(shù)P=1）在空間轉(zhuǎn)過360°，也完成一個周期。則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）為：極對數(shù)〔P〕的概念AXBYCZ如前所示，此種接法下，旋轉(zhuǎn)磁場只有一對磁極，則極對數(shù)為1。AXYCBZ極對數(shù)〔P〕的改變C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'將每相繞組分成兩段，按右以下圖放入定子槽內(nèi)。形成的磁場那么是兩對磁極。AXBYCZ極對數(shù)C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'分）轉(zhuǎn)/(

601pfn=1n極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速r/min

601pfn=極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速1n1n磁鐵閉合線圈2.電動機的轉(zhuǎn)動原理磁極旋轉(zhuǎn)導線切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢導線長磁感應強度切割速度〔右手定那么〕閉合導線產(chǎn)生電流i（左手定則）通電導線在磁場中受力1n1.線圈跟著磁鐵轉(zhuǎn)→兩者轉(zhuǎn)動方向一致結(jié)論：異步2.線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢1nn<1nT定子繞組通電轉(zhuǎn)子導體〔閉合〕切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢及感應電流帶電的轉(zhuǎn)子導體在磁場中受力〔左手定那么〕旋轉(zhuǎn)磁場〔轉(zhuǎn)速為n1〕轉(zhuǎn)子導體受到電磁轉(zhuǎn)矩T的作用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來，且與旋轉(zhuǎn)磁場同方向，轉(zhuǎn)速為n，n<n1異步電動機的轉(zhuǎn)動原理：電動機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動機轉(zhuǎn)速:nn=電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但

異步電動機1nn<無轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動無轉(zhuǎn)子電動勢（轉(zhuǎn)子導體不切割磁力線）轉(zhuǎn)子無電流提示：如果1轉(zhuǎn)子慢下來轉(zhuǎn)差率的概念：轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速的比值。即：%10011????è?-=nnnS

一般地以額定轉(zhuǎn)速運行時:轉(zhuǎn)差率s是異步電動機運行的一個重要物理量。根據(jù)s的正負和大小可以判斷出異步電動機的運行狀態(tài)。當0＜s＜1時，為電動機電動運行狀態(tài)；當s=1時，為電動機的起動狀態(tài)；當s＜0時，為電動機的發(fā)電機運行狀態(tài)；當s＞1時，為電磁制動狀態(tài)。轉(zhuǎn)速〔轉(zhuǎn)差率〕與電動機運行狀態(tài)之間關(guān)系可如下圖電磁轉(zhuǎn)矩T：轉(zhuǎn)子中各載流導體在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉(zhuǎn)距之總和。常數(shù)每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)8.3.1電磁轉(zhuǎn)矩其物理表達式為：8.3三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性i2定、轉(zhuǎn)子電路R1R2i1u1e1e

1e2e

2：漏磁通產(chǎn)生的感應電動勢。：主磁通產(chǎn)生的感應電動勢。e1e2、e

1e

2、設(shè)：則：定子邊：該表達式不方便測量和計算，推導實用公式R1R2i1u1e1e

1e2e

2同理得轉(zhuǎn)子邊：：轉(zhuǎn)子感應電動勢的頻率：轉(zhuǎn)子線圈匝數(shù)取決于轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度1111126060SfPnnnnPnnf=-=-=其中i1R1R2u1e1e

1e2e

2i2分別為n＝0時的轉(zhuǎn)子電抗X2和電動勢E2轉(zhuǎn)子功率因數(shù)：將其中參數(shù)代入：得到轉(zhuǎn)矩的實用公式：描述了電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，即轉(zhuǎn)矩特性T=f〔s〕在0＜s＜sm范圍內(nèi)，s值很小，sX20＜＜R2，忽略sX20的影響，那么在這一范圍內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s成正比。在sm＜s＜1范圍內(nèi)，sX20＞＞R2，忽略R2的影響，那么在這一范圍內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s成反比特性曲線：Tmax：最大轉(zhuǎn)矩，對應s＝sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率Tst：起動轉(zhuǎn)矩，對應s＝1，起動點TN：額定轉(zhuǎn)矩，對應s＝sN額定運行點8.3.2機械特性把轉(zhuǎn)矩特性曲線順時針旋轉(zhuǎn)90度，并將s軸改為n軸可得機械特性曲線(是分析電動機運行特性的重要依據(jù)〕10n0Tn三個重要轉(zhuǎn)矩n1Tn電機在額定電壓下，以額定轉(zhuǎn)速運行，輸出額定功率

時，電機轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。額定轉(zhuǎn)矩：(1)nN單位：N?m〔牛頓?米〕如果電機將會因帶不動負載而停轉(zhuǎn)。最大轉(zhuǎn)矩：(2)電機帶動最大負載的能力。n1Tn求解過載系數(shù)：三相異步機工作時，一定令負載轉(zhuǎn)矩，否則電機將停轉(zhuǎn)。致使注意：（1）三相異步機的和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。（2）電機嚴重過熱起動轉(zhuǎn)矩：(3)電機起動時的轉(zhuǎn)矩。n1Tn即時的轉(zhuǎn)矩體現(xiàn)了電動機帶載起動的能力。若電機能起動，否則將起動不了。起動系數(shù)：籠型電機一般為1.0~2.0電動機的自適應負載能力

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負載的變化而自動調(diào)整，這種能力稱為自適應負載能力。由其特性曲線決定常用特性段nn1T自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點。（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載。）直至新的平衡。此過程中，時，電源提供的功率自動增加。自行分析非穩(wěn)定運行區(qū)在常用特性段〔穩(wěn)定運行區(qū)〕，T隨n的減小而增大機械特性和電路參數(shù)的關(guān)系和電壓的關(guān)系結(jié)論：

1)0(nns==和轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系R2的

改變

：鼠籠式電機轉(zhuǎn)子導條的金屬材料不同，線繞式電機外接電阻不同。

令：得：結(jié)論：

但最大轉(zhuǎn)矩與R2無關(guān)，大小不變機械特性的軟硬硬特性：負載變化時，轉(zhuǎn)速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加轉(zhuǎn)速下降較快，但起動轉(zhuǎn)矩大，起動特性好。

硬特性（R2?。┸浱匦裕≧2大）不同場合應選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電機。例:Y225M-2三相異步電動機輸出功率PN=45kW，電源頻率f=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=2970r/min，額定效率

N=91.5%起動能力Kst為2.0，過載系數(shù)KM=2.2求:額定轉(zhuǎn)差率S、額定轉(zhuǎn)距TN、起動轉(zhuǎn)距Tst、最大轉(zhuǎn)距Tmax、額定輸入功率P1解：n1=3000r/minP1N=PN/N=45/0.915=49.18kWSN=〔n1-nN〕/nN=〔3000-2970〕/3000=0.01TN=9550PN/n=955045/2970=144.7N·mTst=KstTN=2TN=2144.7=289.4N·mTmax=KMTN=2.2144.7=318.3N·m8.4三相異步機的起動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動轉(zhuǎn)子感應電勢轉(zhuǎn)子電流定子電流原因：起動時，轉(zhuǎn)子導條切割磁力線速度很大n1。電動機的起動1.起動性能：起動過程：從n＝0接通電源到穩(wěn)定運行的過程起動電流Ist，起動轉(zhuǎn)矩Tst，起動時間，起動發(fā)熱等起動要求：小的起動電流Ist，足夠大的起動轉(zhuǎn)矩Tst實際性能：起動電流很大，為額定電流的5~7倍起動轉(zhuǎn)矩較小，一般為額定轉(zhuǎn)矩的1～2倍影響：大電流使電網(wǎng)電壓降低，影響其他負載工作2.電動機的起動方法：〔1〕直接起動，也稱全壓起動。但是要滿足以下條件之一〔2〕鼠籠型異步機的降壓起動。串頻敏變阻器起動串電阻起動〔3〕繞線式異步機的起動。Y－

起動自耦降壓起動①電動機和照明共用同一電網(wǎng)，電動機起動時產(chǎn)生的電網(wǎng)壓降不超過額定電壓的20%；②電動機由專用變壓器獨立供電，且電動機不經(jīng)常起動，電動機的功率不超過變壓器容量的30%；③電動機由專用變壓器獨立供電，但電動機起動頻繁，所以電動機的功率不超過變壓器容量的20%；④電動機由專用發(fā)電機直接供電，電動機的功率不超過發(fā)電機容量的10%。Y－

換接降壓起動：

正常運行AZBYXC

起動ABCXYZ設(shè)：電機每相阻抗為手動Y－

降壓起動控制原理圖AZBYXC正常運行UPABCXYZ起動UP'（2）Y－

起動應注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機。所以降壓起動適合于空載或輕載起動的場合Y－

起動。自耦變壓器降壓起動：采用自耦變壓器降壓起動，〔自耦變壓器的變比為K，原邊電壓為U1，副邊電壓為U2，原邊電流為Ist1，副邊電流為Ist2〕電動機定子繞組的電壓為副邊電壓U2=U1/K，定子繞組的輸入電流即為副邊電流Ist2那么：設(shè)直接起動時電動機的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩分別為Ist和Tst，可見，用自耦變壓器降壓起動時電網(wǎng)供給的起動電流為直接起動時的1/K2倍。起動電流大大減小了但相應地，降壓后的起動轉(zhuǎn)矩也降低了，也為直接起動時的1/K2倍。又根據(jù)變壓器的變電流功能有：采用自耦變壓器降壓起動，自耦變壓器的副繞組通常有幾個獨立的抽頭，使副邊電壓按不同的變壓比提供低電壓給用戶選用，例如選用60%的抽頭〔即1/K〕作為起動電壓，起動電流只為直接起動時的36%，相應起動轉(zhuǎn)矩也降為直接起動時的36%。降壓起動是根據(jù)起動電流與端電壓成正比來實現(xiàn)的,如以上兩種起動方法。異步電動機欲能穩(wěn)定運行，必須滿足TN=TL，而異步電動機欲能起動，則必須滿足Tst≥TL。設(shè)直接起動時，加在定子繞組上的端電壓和電動機的起動轉(zhuǎn)矩分別為U1和Tst，而降壓起動時端電壓和起動轉(zhuǎn)矩分別為因為T∝所以：僅適用于空載或輕載起動。轉(zhuǎn)子串電阻起動起動時將適當?shù)腞st串入轉(zhuǎn)子繞組中，起動后將Rst逐漸切除直至短路掉，過程如圖。轉(zhuǎn)子串電阻起動的特點：適于轉(zhuǎn)子為線繞式的電動機起動。（1）〔2〕R2選的適當，轉(zhuǎn)子串電阻既可以降低起動電流，又可以增加起動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動頻敏變阻器是一種三相鐵心電抗器在起動瞬間，n=0，s=1，f2=f1，渦流等效電阻Rp最大，等效感抗Xp也最大，電流最小。隨著轉(zhuǎn)速的升高，s減小，f2減小，Rp和Xp自動減小，電流逐漸增大到運行狀態(tài)適中選取頻敏變阻器的參數(shù)，可以使Tst＞TN。缺點：起動過程中由于感抗影響，功率因數(shù)較低，起動轉(zhuǎn)矩也不太高?！纠?/p>

已知某三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)如下：PN=55kW，nN=1460r/min，UN=380V，KM=2.0，Kst=1.8，ηN=92.6%，，Ist/IN=7.0。求：⑴該電動機的額定轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、額定電流；⑵當電動機帶額定負載運行時，電源電壓短時間降低，最低允許降低到多少伏？〔3〕假設(shè)要滿足滿載起動，電源電壓至少應為多少伏？〔4〕采用Y－△降壓起動時的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流；〔5〕帶70%額定負載能否采用Y—△降壓起動？解：(1)

所以不能在帶動70%額定負載時采用Y—△降壓起動?！?〕Y-△降壓起動時⑵當電源電壓降低，電磁轉(zhuǎn)矩會隨之成平方倍數(shù)下降，為使電動機維持運轉(zhuǎn)和不堵轉(zhuǎn)停車，必須使Tmax≥TN，設(shè)最低允許電壓為，對應的最大轉(zhuǎn)矩為,則，即(3)設(shè)電源電壓至少為，對應的起動轉(zhuǎn)矩為,則即（5）帶70%額定負載時上例中的電動機〔額定數(shù)據(jù)如下：PN=55kW，nN=1460r/min，UN=380V，KM=2.0，Kst=1.8，ηN=92.6%，，Ist/IN=7.0?！城螅喝绻捎米择钭儔浩鹘祲浩饎?，使電動機的起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的70%，試求？〔1〕自耦變壓器的變壓比；〔2〕供電線路上的起動電流解：（1）自耦變壓器的變壓比設(shè)自耦變壓器副邊電壓為為了方便用戶選用，自耦變壓器往往做出若干抽頭，如73%、64%、55%或80%、60%、40%等規(guī)格。（2）供電線路中的起動電流Ist1上題中，IN=102.55AIst=7.0×102.55=717.85A所以自耦變壓器的抽頭比為方法：和電源相接的任意兩相互換，就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。8.4.2三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)ABCM3~電源ABCM3~電源原理：互換任意兩相電源線，即改變了相序，也就改變了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。8.4.3三相異步電動機的調(diào)速()()pfsnsn116011-=-=1.變極(P)調(diào)速2.

變轉(zhuǎn)差率S調(diào)速調(diào)速方法：調(diào)速：人為地改變電機轉(zhuǎn)速〔負載不變〕3.變頻（）調(diào)速

P=2P=1假設(shè)每相定子繞組由兩個線圈組成，以A相為例，如圖。當兩個線圈串聯(lián)時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場磁極對數(shù)P=2；當兩個線圈并聯(lián)時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場磁極對數(shù)P=1。1.變極(P)調(diào)速，即改變磁極對數(shù)P特點：簡單、運行可靠、機械特性較硬，但P成對變化，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能實現(xiàn)有級調(diào)速2.

變轉(zhuǎn)差率S調(diào)速所以改變轉(zhuǎn)子回路電阻R2的大小也就改變了轉(zhuǎn)差率s，從而實現(xiàn)調(diào)速n1n2TL特點：設(shè)備簡單、操作方便，平滑性較好，起重機械上廣泛應用但機械特性變軟，穩(wěn)定性差，電阻耗能大變頻電源可變特點：調(diào)速范圍大，平滑性好，可實現(xiàn)無級調(diào)速但是變頻電源比較復雜，價格較貴。3.變頻（）調(diào)速

要求：變頻器在變頻同時也要改變電壓大小，使U1/f1=const，這是恒磁通變頻調(diào)速的協(xié)調(diào)控制條件制動方法：除機械制動外，電氣制動方法有

1.反接制動：停車時，將電動機接電源的兩相反接，使旋轉(zhuǎn)磁場由原來的旋轉(zhuǎn)方向反過來，得到反方向的電磁轉(zhuǎn)矩，以達制動的目的；8.5.4三相異步電動機的制動1.反接制動時，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速很大。為限制電流，在制動時要在定子或轉(zhuǎn)子中串電阻。即切割磁力線的速度很大，造成，引起。注意:2.制動即將結(jié)束時〔轉(zhuǎn)速很低〕，要及時切斷電源，防止又反方向轉(zhuǎn)動起來M3~+-運行制動n

F轉(zhuǎn)子2.能耗制動：停車時，斷開交流電源，接至直流電源上，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；特點：能耗制動方法準確、平穩(wěn)、耗能少。但需直流電源，且電動機停轉(zhuǎn)后，要立即切斷直流電源3.發(fā)電反響制動：令電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，便會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。n

Fn1例：起重機快速下放重物時，重物拖動轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n超過旋轉(zhuǎn)磁場