Transcript 第10讲三相异步电动机及其控制

第四章 异步电动机及其控制
4.1 三相异步电动机的构造
4.2 异步电动机的工作原理
4.3 异步电动机的机械特性
4.4 异步电动机的启动和调速
4.5 异步电动机的铭牌数据和选择
4.6 常用低压电器
4.7 常用电动机控制线路
电动机的分类
交流电动机
异步机
同步机
鼠笼式
绕线式
电动机
直流电动机 他励、异励、串励、复励
鼠笼式异步交流电动机授课内容：
基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法
§4.1 三相异步电动机的结构
分析
磁铁
磁场旋转
n1
N
f
n
e i
S
e方向用
右手定则
确定
F方向用
左手定则
确定
闭合
线圈
导线切割磁力线产生感应电动势
磁极旋转
e  B l v
磁感应强度
导线长
（右手定则）
切割速度
闭合导线产生电流 i
N
通电导线在磁场中受力
f  B l i
（左手定则）
n1 f
n
e i
S
结论：1. 线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致
2. 线圈比磁场转得慢
n  n1
异步
n1 f
n
N
e i
S
从结构上说，包
括固定线圈部分
—定子，转动线
圈部分--转子
三相异步机的结构
定子绕组
（三相）
三相定子绕组：产生旋转
磁场。
A
转子：在旋转磁场作用下，
产生感应电动势或
电流。
线绕式
鼠笼式
定子
转子
鼠笼转子
Z
Y
B
C
X
机 座
§4.2 异步电动机的工作原理
§4.2
异步电动机的工作原理
旋转磁场的产生
异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极
(•)电流出A
n1
iB  I m sin t  120
iC  I m sin t  240
Z
Y
i A  I m sin t
iA
B
C
iB
iC
Im
X
()电流入+
动画1
t
A
iA
iC
iA
t
B
iB
A
Y
N
Z
t  0
合成磁场方向：
B
C
S
X
iC
Im
Z X
Y
C
iB
向下
同理分析，可得
其它电流角度下
的磁场方向：
iA
iB
iC
Im
t
动画2
n1
n1
60 
n1
A
A
Z
Y
Z
Y
A
Y
Z
N
CS
B
X
t  60 
C
B
X
t  120 
C
B
X
t  180 
旋转磁场的旋转方向
旋转方向：取决于三相电流的相序。
iA
iB
iA
iC
iC
iB
Im
Im
t
t
n1
n1
改变电机的旋转方向：换接其中两相。
动画3
旋转磁场的转速大小
一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°
电流频率为 f Hz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋
转f圈。每分钟旋转：
n1  60 f (转/分）
n1称为同步转速
f  50Hz, n1  3000转/ 分
极对数（P）的概念
iA
iC C
A
A
Y
Z X
Y
Z
B
C
B
iB
N
S
X
此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。
即：
p 1
极对数（P）的改变
将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形
成的磁场则是两对磁极。
A
iA
Y'
C'
X'
B'
X A'
Z'
C'
iC
iB
C
X'
Y'
Z
B'
Y
B
Z
A
A'
Z'
Y
B
X
C
iA
iC
A
A
X A'
Z' X'
C'
Y
Y'
Z
B'
B
C
Z'
Y'
N
C'
X'
iB
S
S

i A i B iC
t  0
t
B

B'
Im


Z
极对数
N
A'
X
C
Y
p2
极对数和转速的关系
A
A
Z
Y'
N
C'

B
NZ

S
X'
B'

N
Z'
X'
A'
X
t  0
60 f
n1 
(转/分）
p



C
Y

C
S'
S

动画4
n0
30 
SC
ZN'
A'
Im
X
t  60 
i A i B iC
t
结论
三相异步电动机的同步转速
60 f
n1 
(转/分）
p
同步转速
n1
每个电流周期
磁场转过的空间角度
( f  50Hz)
p 1
360 
3000(转/分）
p2
180 
1500(转/分）
p3
120 
1000(转/分）
极对数
电动机转速和旋转磁场同步转速的关系
电动机转速（额定转速）:
n
电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，
但
n  n1
提示：如果
异步电动机
n  n1
转子与旋转磁场间没有相对运动
无转子电动势（转子导体不切割磁力线）
无转子电流
无转距
转差率
(s ) 的概念：
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：
 n1  n 
  100 %
s  
 n1 
电动机起动瞬间: n  0, s  1（转差率最大）
转子最大转速n  n1，s  0(转差率最小）
s范围：
0s  1
异步电机运行中:
s  1 ~ 9%
60 f1
n1 
(转/分）
p
n1
f1 
p
60
 n1  n 
  100 %
s  
 n1 
转子感生电流的频率：
n1  n
n1  n n1
f2 
p 

p  sf1
n1
60
60
例1：三相异步电动机 p=3，电源f1=50Hz，电机额定
转速n=960r/min。
求：转差率s，转子电动势的频率f2
60 f1 60 50

 1000r / min
同步转速： n1 
p
3
转差率：
n1  n 1000 960
s

 0.04
n1
1000
f 2  sf1  0.04 50  2Hz
结论：
(1)在对称的三相绕组中通入三相电流，可
以产生在空间旋转的合成磁场。
(2)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。
(3)磁场转速(同步转速)与电流频率有关，
改变电流频率可以改变磁场转速。对两极(一
对磁极)磁场，电流变化一周，则磁场旋转一
周。同步转速no与磁场磁极对数p的关系为：
60 f1
no 
r/min
p
§4.3 三相异步电动机的机械特性
一、三相异步电动机的“电－磁”关系
R1
e1 、e2 ：主磁通产
i1
生的感应电动势。
u1
e1
定子电路
i2
e2
R2
转子电路
d
定子边： u1  i1 R1  e1  e1  N1
dt
设：   Φmsin1t 则：u1  N1Φm1cos1t
R1
u1  N1Φm1cos1t
U1  N1Φm1 /
 4.44 f1 N1Φm
i1
u1
e1
2  N1Φm 2f1 /
i2
e2
R2
2
U1
Φm 
4.44 f1 N1
E1  U1  4.44 f1 N1Φm
R1
E1  U1  4.44 f1 N1Φm
同理可得：
i1
u1
e1
i2
e2
R2
E2  4.44 f 2 N2Φm
f 2 ：转子感应电动势的频率
N 2 ：转子线圈匝数
f2
取决于转子和旋转磁场的相对速度
f 2  sf1
I2 
i2
R1
1.转子电流
i1
E2
R X
2
2
2
2
u1
e1
e2
R2
∵
E2  4.44 f 2 N 2Φm  4.44 sf1 N 2Φm  sE20
E20  4.44 f1 N 2Φm , s  1时的E（
2 E2的最大值）
X 2  2 f 2 L2  2 sf1L2  sX 20
∴
I2 
sE20
R  (sX 20 )
2
2
2
2.转子功率因数
cos  2 
R2
R22  X 22

R2
R22  ( sX 20 ) 2
I2 ， cos  2
I2
cos  2
O
1
s
例2：三相异步电动机，p=2，n=1440 r/min，转子
R2=0.02，X20=0.08 ， E20=20V， f1= 50Hz。
启动时I2（st） 
s=1

E20
R22  ( X 20 ) 2
20
(0.02)  (0.08)
2
额定转速下的I2（N） 
1500  1440
s
 0.04
1500
I2 
sE 20
R22  (sX 20 ) 2

2
 242 A
sE 20
R  ( sX 20 )
2
2
2
0.04  20
(0.02) 2  (0.04  0.08) 2
 40A
3.电磁转矩
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,
受到电磁力所形成的转距之总和。
T  KTΦm I 2 cos2（牛顿米）
常数
转子电流
每极磁通
转子电路的
cos2
转矩公式的推导
将其中参数代入：
E20  4.44 f1N2Φm
得到转矩公式
T  KT mI 2 cos2
I2 
sE20
R  (sX 20 )
R2
cos2 
2
2
R2  (sX 20 )
2
2
2
U1
Φm 
4.44 f1 N1
sR2
2
T K 2

U
1
2
R2  ( sX 20 )
二、 三相电动机的机械特性
sR2
2
T K 2
 U1
2
R2  (sX 20 )
根据转矩公式
n1  n
s
n1
得特性曲线：
T
T  f (S )
n
s
0
最大转速n=n1时
1
启动时n=0
n n  f (T )
1
T
分析
(1)
三个重要转矩
额定转矩
TN：
n
nN
n
1
电机在额定电压下，以额
定转速
定功率
nN
PN
T
运行，输出额
时，电机转轴
上输出的转矩。
TN
PN
PN (千瓦 )
TN 
 9550
2n N
n N (转 / 分)
60
（牛顿•米）
( 2 ) 最大转矩 T ：
max
T
Tm
电机带动最大负载的能力。
如果 TL  Tmax电机将会
因带不动负载而停转。
sR2
2
T K 2
 U1
2
R2  (sX 20 )
求解
T
0
S
s
0 s
m
Tmax
1
1
 KU
2 X 20
2
1
R2
sm 
X 20
过载系数：
Tmax

TN
三相异步电动机
Tmax
1
 KU
2 X 20
2
1
  1.8 ~ 2.2
I2 ， cos  2
注意：
I2
（1）三相异步机的 Tmax 和电压的平方成正比，所
以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。
（2）工作时，一定令负载转矩
T2L
cos 
电机将停转。致使
O
1
 Tmax，否则
s
n  0 (s  1)  I 2  I1  电机严重过热
(3)
起动转矩：
Tst
电机起动时的转矩。
sR2
2
T K 2
 U1
2
R2  (sX 20 )
其中 n  0 (s  1)
则
n
n
1
T
Tst
R2
2
Tst  K 2
 U1
2
R2  ( X 20 )
Tst体现了电动机带载起动的能力。若 Tst  TL
起动，否则将起动不了。
电机能
机械特性曲线的讨论
n  f (T )
电动机的自适应负载能力
s=0
电动机的电磁转矩可以随负
载的变化而自动调整，这种 s=1
能力称为自适应负载能力。
n
n
b
常用特
性段
c
1
T
TL Tst Tm
启动： Tst>TL (负载转矩)，电机启动
转速n，转矩T 
c点：转矩达最大Tm ，转速n继续，T，沿cb走
b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行
若TL ，暂时T< TL,n  s  I2  T  n 
例3：三相异步电动机，额定功率PN=10kW，
额定转速nN=1450r/min，启动能力Tst/TN=1.2，过载
系数=1.8。
（1）额定转矩TN
P (千瓦)
10
TN  9550 N
 9550
 65.9牛顿  米
nN (转 / 分)
1450
（2）启动转矩Tst Tst  1.2TN  79
（3）最大转矩Tm
Tm  TN  1.8  65.9  118.6
#（4）用Y－  方法起动时的Tst'
Tst (Y )  Tst ( ) / 3  79 / 3  26.3（牛顿•米）
机械特性和电路参数的关系
讨论
 1.和电压的关系
sR2
2
T K 2

U
1
2
R2  (sX 20 )
(s  0)
n  n0
0
T ~U
2
1
n
结论：
U1  U   T 
1
max
T
 TST 
 2.和转子电阻的关系
n
R2  R'2
R2
结论：
sm
R '2
s'm
0
T st  Tst
sm  s ' m
T
Tst Tst
达到最大
转矩时的
转差率
R2的 改变 ：
鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电
机外接电阻不同。
 3.机械特性的软硬
硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。
软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起
动特性好。
硬特性
（R2小）
n
软特性
（R2大）
T
0
不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性
电机；重载起动则选软特性电机。