郝用兴主编-华中科技大学出版社-第二版-机电传动控制课件--第4章

第四章交流电动机的工作原理及特性交流电动机分为异步电动机和同步电动机。本章重点：1.三相异步电动机工作原理2.三相异步电动机的机械特性，掌握三相异步电动机的启动、调速和制动的方法及应用场合4.1三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的基本结构均可分为定子和转子两大部分定子绕组的接线方式图4.5出线端排列图4.6定子星形接法图4.7定子三角形接法三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号额定功率额定频率额定电压额定电流额定接法额定转速绝缘等级工作方式4.1.2三相异步电动机的工作原理旋转磁场图4.8定子三相绕组旋转磁场的产生mIsinAitm2Isin3Bitm2Isin3Cit图4.9三相电源的电流波形图磁场旋转方向图4.10两极旋转磁场旋转磁场的旋转速度三相异步电动机三相定子绕组每相只有一个线圈，三相绕组的首端之间在空间上相差120°，所产生的旋转磁场具有一对磁极（磁极对数用P表示）即P=1。若P1，则060nf060/nfp三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转磁场和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。图4.15三相异步电动机的工作原理转子的转速和旋转磁场的转速之间要有差值，这是电动机工作的前提，正因如此这种电动机称为异步电动机。在异步电动机中常用转差率（用S表示）来表示转子转速n与旋转磁场的转速n0相差的程度00nnSn三相异步电动机的工作原理是：1）三相定子绕组中通入对称三相电流产生旋转磁场。2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流。3）转子载流导体在磁场中受电磁力的作用，从而形成电磁转矩，进而驱动电动机转子旋转。4.2三相异步电动机的定子电路和转子电路图4.16三相异步电动机的一相电路11deNdt22deNdt222LLdieLdt4.2.1定子电路定子每相绕组的感应电动势E1感应电动势的频率f1111114.44,1dpdpfNkk0160nfp4.2.2转子电路转子感应电动势E2转子电动势的频率f2转子绕组的漏感抗X2每相绕组的阻抗为22224.44dpEfNk000210p()6060nnnnpnfSfn222122022LLXfLSfLSX21dpkZ2=R2+jX2=R2+jSX202.222..L22.22.)E(XIjRIRIEX20：在n=0,即S=1时的转子感抗转子绕组的电流I2转子电路的功率因数222222222220cos()RRRXRSX2202222222220()ESEIRXRSX4.3三相异步电动机的转矩与机械特性4.3.1三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩为22costTKI201222222220220(4.44)()()SESfNIRSXRSX转子电流222122222220220()()SRUSRUTKKRSXRSX111111114.44,1,4.44dpdpfNkkfN2222220cos()RRSX22114.44tNKKfN4.3.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性也分为固有机械特性和人为机械特性图4.17三相异步电动机的固有机械特性固有机械特性（1）理想空载转速点（亦称同步转速点）（2）额定运行点（3）临界工作点（亦称最大转矩点）（4）启动工作点2222220stRUTKRXmax/mNTT2max202UTKX00NNnnSn人为机械特性人为地改变电动机的参数或外加电源电压、电源频率，异步电动机的机械特性将发生变化，这时得到的机械特性称为异步电动机的人为机械特性。得到人为机械特性常用的方法有：（1）降低电动机定子电压（2）改变定子电源频率（3）转子电路串电阻图4.18改变电源电压时的人为机械特性图4.19改变定子电源频率时的人为机械特性图4.20改变转子电阻时的人为机械特性4.4三相异步电动机的启动特性异步电动机对启动的要求：（1）要求异步电动机有足够大的启动转矩。（2）在满足生产机械能启动的情况下，启动电流越小越好。（3）启动过程中，平滑性越好对生产机械的冲击就越小；启动设备可靠性越高，电路越简单，操作维护就越方便。异步电动机启动的瞬间，由于转子的转速为零，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流，一般启动电流Ist可达额定电流IN的4～7倍；而启动时由于转子功率因数很低，启动转矩却不大，一般(0.8～1.5)。解决这些矛盾，其核心问题就是减小启动电流和增大启动转矩。4.4.1鼠笼式异步电动机的启动方法有直接启动和降压启动直接启动又称全压启动，就是将电动机的定子绕组接在额定电压下启动。344stNII启动电流电源总容量额定电流电动机功率定子回路串对称三相电阻或电抗器降压启动采用电阻或电抗器降压启动时，若电压下降到额定电压的K倍（K1），则启动电流也下降到直接启动电流的K倍，但启动转矩却下降到直接启动矩的K2倍。这表明串电阻或电抗器降压启动虽然降低了启动电流，但同时启动转矩也大为降低。星-三角形降压启动对于电动机正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，在启动时将定子绕组接成星形，这时定子每相绕组上的电压为正常运行时定子每相绕组上的电压的0.58倍，起到了降压的作用；待转速上升到一定程度后再将定子绕组接成三角形，电动机启动过程完成而转入正常运行。图4.23星-三角形降压启动的原理图软启动软启动是一种近年来发展起来用于控制鼠笼式异步电动机的全新启动方式。它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机启动控制装置，通过控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同功能的启动方式。由于电动机启动时电压和电流都可以从零连续调节，对电网电压无浪涌冲击，电压波动小，而电动机的转矩亦连续变化，对电动机及机械设备的机械冲击也几乎为零。4.4.2线绕式异步电动机的启动方法逐级切除启动电阻法转子回路串频敏变阻器法频敏变阻器的主要优点是：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的良好启动特性，且结构简单，运行可靠。4.5三相异步电动机的调速特性4.5.1调压调速图4.28调压调速时的机械特性这种调速方法能够实现无级调速，但当降低电压时，转矩也按电压的平方比例减小，电动机在低速时的机械特性太软，其静差率和运行稳定性往往不能满足生产工艺要求。因此，现代的调压调速系统通常采用速度反馈的闭环控制，以提高低速时机械特性的硬度。从而在满足一定的静差率条件下，获得较宽的调速范围，同时也能保证电动机具有一定的过载能力。4.5.2转子电路串电阻调速转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速，不能实现连续平滑调速。随转速降低，特性变软，影响了系统的稳定性。转子电路电阻损耗与转差率成正比，随着串入电阻的增大而增大，低速时损耗大，是一种不经济的调速方法。所以，这种调速方法大多用在重复短期运转对调速性能要求不高的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。4.5.3变极调速变极对数调速就是在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，就可以改变电动机的同步转速n0，电动机的转速也变化，从而实现电动机转速的有级调节。4.5.4变频调速图4.29额定频率fN以上变频调速的机械特性4.6三相异步电动机的制动特性4.6.1反接制动1．电源反接制动图4.30电源反接时反接制动的机械特性电源反接时会在转子回路中感应出很大的电流，为了限制转子电流，对鼠笼型异步电动机可在定子电路中串接电阻；对线绕型异步电动机可在转子电路中串接电阻，限制电流的同时增大制动转矩2.倒拉反接制动图4.31倒拉反接制动时的机械特性在重物下降过程中，重物下降时减小的位能转化为电动机轴上的机械功率，机械功率通过电动机转化为电功率，电动机把转化的电功率及从电源吸收的电功率均消耗在线绕型异步电动机转子所串电阻上。异步电动机的转速高于它的同步速度，即n＞n0，S＜0，转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时相反，转子电流的方向也发生了变化，电动机的转矩变为与转速方向相反，电动机处于制动状态，这种制动称为回馈制动。这时电动机处于发电机运行状态，把系统的机械能转化为电能，一部分消耗在转子回路的电阻上，剩余的大部分电能则反馈回电网。4.6.2回馈制动图4.32重物下放时回馈制动机械特性图4.33变极调速时回馈制动机械特性4.6.3能耗制动异步电动机正在运行时，把定子绕组从三相交流电源上断开，将其中两相绕组接到直流电源上，就构成了能耗制动图4.34异步电动机能耗制动时的电路图及机械特性（a）电路图（b）机械特性4.7单相异步电动机4.7.1单相异步电动机结构和工作原理1.单相异步电动机的结构单相异步电动机的转子通常做成笼型结构，定子的铁芯也是由硅钢片叠压而成，定子铁芯内有定子工作绕组。而单相绕组通以单相交流电流时产生的磁场是脉动的，并不旋转，因此单相异步电动机在通电后没有启动转矩。2.单相异步电动机的工作原理图4.36单相异步电动机单相绕组时的机械特性（1）当转速n=0（S=1）时，电磁转矩为零，（2）n＞0时T＞0,n＜0时T＜0,因而这时电动机的电磁转矩为拖动转矩，可以拖动负载运行。（3）由于同时存在正反向电磁转矩，使电动机总转矩减小，最大转矩也减小。因此单相异步电动机过载能力降低，即输出功率较小，效率较低，运行性能下降。4.7.2单相异步电动机常用的启动方式1.电容分相式异步电动机AX为运行绕组（或工作绕组），BY为启动绕组BY绕组电流iB在相位上超前AX绕组中的电流iA图4.37电容分相式异步电动机接线图2.罩极式单相异步电动机图4.38罩极式电动机