三相異步電動機的工作原理及特性

1、第一章第一章 機電傳動斷續(xù)控制機電傳動斷續(xù)控制 學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù) 了解三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；了解三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理； 掌握三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性和機械特性；掌握三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性和機械特性； 掌握三相異步電動機的連接方法和額定參數(shù)；掌握三相異步電動機的連接方法和額定參數(shù)； 掌握三相異步電動機啟動、調(diào)速和制動等各種特性；掌握三相異步電動機啟動、調(diào)速和制動等各種特性； 掌握實現(xiàn)三相異步電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法及掌握實現(xiàn)三相異步電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法及 它們的使用場所。它們的使用場所。 1.1 三相異步電機三相異步電機一、三相異步電動機的基本結(jié)

2、構(gòu)一、三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu) 三相異步電動機主要由三相異步電動機主要由定子定子和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子兩個部分組成，定子是不動兩個部分組成，定子是不動的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙氣隙。如圖。如圖所示。所示。1. .定子定子 定子由定子由定子鐵心定子鐵心、繞組繞組以及以及機座機座組成。組成。 定子鐵心是磁路的一部分，定子鐵心是磁路的一部分，它由它由0.5mm的的硅鋼片硅鋼片疊壓而成，疊壓而成，片與片之間是絕緣的，以減少片與片之間是絕緣的，以減少渦流損耗渦流損耗。定子鐵心的硅鋼片。定子鐵心的硅鋼片的內(nèi)圓沖有的內(nèi)圓沖有定子槽定子槽，槽中安

3、放，槽中安放線圈（繞組）線圈（繞組），如圖所示。硅，如圖所示。硅鋼片鐵心在疊壓后成為一個整鋼片鐵心在疊壓后成為一個整體，固定于機座上。體，固定于機座上。 定子繞組是電動機的電定子繞組是電動機的電路部分。三相電動機的定子路部分。三相電動機的定子繞組分為三個部分對稱繞組分為三個部分對稱(互成互成120度度)地分布在定子鐵心上，地分布在定子鐵心上，稱為稱為三相繞組三相繞組，分別用，分別用AX、BY、CZ表示，其中，表示，其中，A、B、C稱為稱為首端首端，而，而X、Y、Z稱稱為為末端末端。 機座機座主要用于固定與支撐定子鐵心。中小型異步電動機一般主要用于固定與支撐定子鐵心。中小型異步電動機一般采用鑄鐵

4、機座。根據(jù)不同的冷卻方式采用不同的機座型式。采用鑄鐵機座。根據(jù)不同的冷卻方式采用不同的機座型式。 三相繞組接入三相繞組接入三相交流電源三相交流電源，三相繞組中的電流在定子鐵心中，三相繞組中的電流在定子鐵心中產(chǎn)生產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場。 2. .轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機磁也是電動機磁路的一部分，由路的一部分，由硅鋼片疊壓硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子鐵心裝在而成。轉(zhuǎn)子鐵心裝在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸上。上。硅鋼片沖片如圖所示。硅鋼片沖片如圖所示。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子由鐵心鐵心與與繞組繞組組成。組成。 線繞式線繞式和和鼠籠式鼠籠式兩種電動機的轉(zhuǎn)子構(gòu)造雖然不同，但工作原理兩種電動機的轉(zhuǎn)子構(gòu)造雖然不同，但工作原理是一致的。轉(zhuǎn)

5、子的作用是是一致的。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 鼠籠式鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子繞異步電動機轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入組是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成，如圖所示。端環(huán)上而組成，如圖所示。 線繞式線繞式異步電動機轉(zhuǎn)異步電動機轉(zhuǎn)子繞組是由子繞組是由線圈繞組線圈繞組放入轉(zhuǎn)放入轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，并分為子鐵心槽內(nèi)，并分為三相對三相對稱繞組稱繞組，與定子產(chǎn)生的磁極，與定子產(chǎn)生的磁極數(shù)相同。線繞式轉(zhuǎn)子通過軸數(shù)相同。線繞式轉(zhuǎn)子通過軸上的上的滑環(huán)滑環(huán)和和電刷電刷在轉(zhuǎn)子回路在轉(zhuǎn)子回路中接入外加電阻，用以改善中接入外

6、加電阻，用以改善啟動性能與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，啟動性能與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速， 鼠籠式鼠籠式繞線式繞線式二、三相異步電動機的工作原理二、三相異步電動機的工作原理 1定子旋轉(zhuǎn)磁場定子旋轉(zhuǎn)磁場 假設(shè)每相繞組只有一個線匝，分別嵌放在定子內(nèi)圓周的假設(shè)每相繞組只有一個線匝，分別嵌放在定子內(nèi)圓周的6個凹個凹槽之中?，F(xiàn)將三相繞組的槽之中?，F(xiàn)將三相繞組的末端末端X、Y、Z相連，相連，首端首端A、B、C接三相接三相交流電源。且三相繞組分別叫做交流電源。且三相繞組分別叫做A、B、C相繞組。如圖所示。相繞組。如圖所示。 假定假定定子繞組定子繞組中電流的正方向規(guī)定為從首端流向末端，且中電流的正方向規(guī)定為從首端流向末端，且A相相繞組的電流作

7、為參考正弦量，即繞組的電流作為參考正弦量，即 iA的初相位為零，則三相繞組的初相位為零，則三相繞組A、B、C的的電流（相序為電流（相序為ABC）的瞬時值為：）的瞬時值為：tIi sinmA )32sin(mB tIi)34sin(mC tIi 如圖所示是這些電流隨時間變化的曲線。如圖所示是這些電流隨時間變化的曲線。 時時01 t iB為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到端流到B端；端； iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到端流到Z端。端。 按按右手螺旋法則右手螺旋法則確定確定三相電流產(chǎn)生

8、的合成磁場，三相電流產(chǎn)生的合成磁場，如圖（如圖（a）箭頭所示。）箭頭所示。 iA=0 時時62Tt iB為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到端流到B端；端； iA為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從A端流到端流到X端。端。 此時的合成磁場如圖（此時的合成磁場如圖（b）所示，合成磁場已從所示，合成磁場已從t=0 瞬間瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了 /3。 iC=0 時時33Tt iC為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從Z端流到端流到C端

9、；端； iA為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從A端流到端流到X端。端。 此時的合成磁場如圖此時的合成磁場如圖（c）所示，合成磁場已從）所示，合成磁場已從t=0 瞬間所在位置順時針方瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了向旋轉(zhuǎn)了2 /3。 iB=0 時時24Tt 0A i iC為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從Z端流到端流到C端；端； iB為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從B端流到端流到Y(jié)端。端。 此時的合成磁場如圖此時的合成磁場如圖（d）所示，合成磁場已從）所示，合成

10、磁場已從 t=0 瞬間所在位置瞬間所在位置順時針方順時針方向旋轉(zhuǎn)了向旋轉(zhuǎn)了 。 按以上分析可以證明：當(dāng)三相電流隨時間不斷變化時，合成磁按以上分析可以證明：當(dāng)三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場也在不斷旋轉(zhuǎn)，故稱場也在不斷旋轉(zhuǎn)，故稱旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場。2旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向 A相繞組內(nèi)的電流超前相繞組內(nèi)的電流超前B相繞組內(nèi)的電流相繞組內(nèi)的電流2 /3，而，而B相繞組內(nèi)的相繞組內(nèi)的電流又超前電流又超前C相繞組內(nèi)的電流相繞組內(nèi)的電流2 /3，當(dāng)三相交流電的當(dāng)三相交流電的ABC ，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向為從旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向為從ABC，即向，即向順時針方向旋轉(zhuǎn)順時針方向旋轉(zhuǎn)。 如果將定子繞組

11、接至電源的三根導(dǎo)線中的如果將定子繞組接至電源的三根導(dǎo)線中的任意兩根線對調(diào)任意兩根線對調(diào)，例，例如，將如，將B，C兩根線對調(diào)，使兩根線對調(diào)，使B相與相與C相繞組中電流的相位對調(diào)，如相繞組中電流的相位對調(diào)，如圖所示。圖所示。 此時此時A相繞組內(nèi)的電流超前相繞組內(nèi)的電流超前C相繞組內(nèi)的電流相繞組內(nèi)的電流2 /3，而，而C相繞相繞組內(nèi)的電流又超前組內(nèi)的電流又超前B相繞組內(nèi)的電流相繞組內(nèi)的電流2 /3，用上述同樣的分析方法，用上述同樣的分析方法可知，此時旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒆優(yōu)榭芍藭r旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒆優(yōu)锳CB，即向即向逆時針方向逆時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖所示，即與未對調(diào)前的旋轉(zhuǎn)方向相反。旋轉(zhuǎn)，如圖所示

12、，即與未對調(diào)前的旋轉(zhuǎn)方向相反。 由此可見，要改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，只要把定子繞組接到由此可見，要改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，只要把定子繞組接到電源的三根導(dǎo)線中的電源的三根導(dǎo)線中的任意兩根對調(diào)即可任意兩根對調(diào)即可。 3. .旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度 在交流電動機中，在交流電動機中，旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場相對相對定子定子的旋轉(zhuǎn)速度被稱為的旋轉(zhuǎn)速度被稱為同步速同步速度，度，用用n0表示。表示。 以上討論的旋轉(zhuǎn)磁場，具有一對磁極（磁極對數(shù)用以上討論的旋轉(zhuǎn)磁場，具有一對磁極（磁極對數(shù)用p表示）即表示）即p=1。 從上述分析可以看出，電流變化經(jīng)過一個周期（變化從上述分析可以看出，電流變化經(jīng)

13、過一個周期（變化360電角電角度），旋轉(zhuǎn)磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)了度），旋轉(zhuǎn)磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)了360機械角度），若電機械角度），若電流的頻率為流的頻率為f，旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘將旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘將旋轉(zhuǎn)60f 轉(zhuǎn)，即：轉(zhuǎn)，即：fn600 fn600 如果把定子鐵心的槽數(shù)增加如果把定子鐵心的槽數(shù)增加1倍（倍（12個槽），制成如圖所示的個槽），制成如圖所示的三相繞組。三相繞組。 其中，每相繞組由其中，每相繞組由兩個部分串聯(lián)組成兩個部分串聯(lián)組成，再將這三相繞組接到對，再將這三相繞組接到對稱三相電源使通過對稱三相電流，便產(chǎn)生具有兩對磁極稱三相電源使通過對稱三相電流，便產(chǎn)生具有兩對磁極(p=2)

14、的旋的旋轉(zhuǎn)磁場。如圖所示。轉(zhuǎn)磁場。如圖所示。 從圖可以看出，對應(yīng)于不同時刻，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)到不同位從圖可以看出，對應(yīng)于不同時刻，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)到不同位置，此情況下電流變化半個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)過了置，此情況下電流變化半個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)過了 /2，即即1/4轉(zhuǎn)，電流變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)，電流變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)了1/2轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。 由此可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對磁極（由此可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對磁極（p=2）時，其旋轉(zhuǎn)速度）時，其旋轉(zhuǎn)速度僅為一對磁極時的一半。依次類推，當(dāng)有僅為一對磁極時的一半。依次類推，當(dāng)有p對磁極時，其轉(zhuǎn)速為：對磁極時，其轉(zhuǎn)速為：pf

15、n600 所以，所以，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的頻率成正比而與磁級對數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的頻率成正比而與磁級對數(shù)成反比。成反比。4工作原理工作原理 三相異步電動機的工作原三相異步電動機的工作原理是基于理是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場定子旋轉(zhuǎn)磁場和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子電流電流的相互作用。的相互作用。 假設(shè)定子只有一對磁極，轉(zhuǎn)假設(shè)定子只有一對磁極，轉(zhuǎn)子只有一匝繞組。子只有一匝繞組。 在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線（其方向與旋轉(zhuǎn)磁（其方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反），因而在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生場的旋轉(zhuǎn)方向相反），因而在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢e從而從而產(chǎn)生感產(chǎn)生感應(yīng)電流應(yīng)電流

16、i。根據(jù)。根據(jù)安培電磁力安培電磁力定律，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生定律，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力電磁力F（其方向用（其方向用左手定則決定左手定則決定），這力在轉(zhuǎn)子的軸上形成電磁），這力在轉(zhuǎn)子的軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩作用方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同轉(zhuǎn)矩作用方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)子受此轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子受此轉(zhuǎn)矩的作用，按旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)起來。的作用，按旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)起來。 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度稱為電動機的轉(zhuǎn)速，用轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度稱為電動機的轉(zhuǎn)速，用n表示。表示。5. .轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率差率 S 由工作原理可知：由工作原理可知：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n（電動機的轉(zhuǎn)速）恒比旋轉(zhuǎn)磁（電動機的轉(zhuǎn)速）恒比旋轉(zhuǎn)磁場的場的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)速度n0（同步速度）要小。因為如果兩種速度相等時，轉(zhuǎn)（同步速度）要小。因為如果兩種速度相等時，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場沒有子和旋轉(zhuǎn)磁場沒有相對運動相對運動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切