88第五章 三相异步电动机及其控制电路

89第5章三相异步电动机及其控制线路5.1三相异步电动机实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。5.1.1三相异步电动机的结构与工作原理1．三相异步电动机的构造三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。图5-1三相电动机的结构示意图1）．定子三相异步电动机的定子由三部分组成：定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组90AX、BY、CZ。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组2）．转子三相异步电动机的转子由三部分组成：转子转子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组转子绕组有两种形式：鼠笼式--鼠笼式异步电动机。绕线式--绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。2．三相异步电动机的转动原理1）．基本原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。图5-2三相异步电动机工作原理91(1)．演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。(2)．现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。(3)．结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）．旋转磁场（1）．产生图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。00sinsin(120)sin(120)UmVmWmiItiItiIt图5-3三相异步电动机定子接线当t=00时，0Ai，AX绕组中无电流；Bi为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；Ci为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。当t=1200时，0Bi，BY绕组中无电流；Ai为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；Ci为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。当t=2400时，0Ci，CZ绕组中无电流；Ai为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；Bi为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地AiAiBiCXBYCZ92旋，因此称为旋转磁场。图5-4旋转磁场的形成（2）．旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。3）．三相异步电动机的极数与转速（1）．极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为：0120pωtiiAiBiCO120°240°360°×××××······(a)ωt=0°(b)ωt=120°(c)ωt=240°AAAXXXBBBYYYCCCZZZ×93（2）．转速n三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：1060fnp（5-1）由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1表5-1p123456n0300015001000750600500（3）．转差率s电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：000nnnsnn(5-2)转差率是异步电动机的一个重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式01nsn(5-3)94例有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：001000975100%100%2.5%1000nnsn（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。总结：1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；5、三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：1060fnp6、转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：000nnnsnn转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。955.1.2三相异步电机的转矩特性与机械特性1．电磁转矩（简称转矩）异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通与转子电流I2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。经理论证明，它们的关系是：22cosTTKI（5-4）其中T为电磁转矩KT为与电机结构有关的常数为旋转磁场每个极的磁通量I2为转子绕组电流的有效值2为转子电流滞后于转子电势的相位角若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为：22122220()TsRUTKRsX（5-5）其中TK为常数U1为定子绕组的相电压S为转差率R2为转子每相绕组的电阻X20为转子静止时每相绕组的感抗由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。2．机械特性曲线图5-5三相异步电动机的机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲aOTnn0TmaxTqTNnNbcTNTqTmaxTssm1O(a)T=f(s)曲线(b)n=f(T)曲线96线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：1）．额定转矩TN额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。29550NPTn（5-6）式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛·米。当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T=TL。额定负载时，则有TN=TL。2）．最大转矩TmTm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图5-5（a）最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数，即=Tm/TN一般三相异步的过载系数在1.82.2之间。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。3）．起动转矩Tst，Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：TstTN，一般的三相异步电动机有Tst/TN=12.2。3．电动机的负载能力自适应分析电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。2LTnSIT直至新的平衡。此过程中，2I时，1I电源提供的功率自动增加。97总结：1、电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。22cosTTKI转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。2、在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。其特性见图5-53、三个转矩：1）．额定转矩TN额定