郝用興主編 華中科技大學(xué)出版社 第二版 機(jī)電傳動(dòng)控制課件第4章概要

1、第四章第四章 交流電動(dòng)機(jī)的交流電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性工作原理及特性 交流電動(dòng)機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。 4.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)均可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)均可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分 定子繞組的接線方式定子繞組的接線方式 n圖圖4.5 出線端排列出線端排列 圖圖4.6定子星形接法定子星形接法 圖圖4.7 定子三角形接法定子三角形接法 三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌n三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào) n額定功率額定功率n額定頻率額定頻率 n額定電壓額定電壓n額定電流額定電流n額定接法額定

2、接法n額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n絕緣等級(jí)絕緣等級(jí)n工作方式工作方式 4.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 圖圖4.8 定子三相繞組定子三相繞組 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 mI sinAitm2I sin3Bitm2I sin3Cit圖圖4.9 三相電源的電流波形圖三相電源的電流波形圖 磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向n圖圖4.10 兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度 n三相異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組每相只有一個(gè)線圈，三相繞組的首端之間在空間上相差120，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有一對(duì)磁極（磁極對(duì)數(shù)用P表示）即P=1。n若P1，則060nf060/nfp三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相

3、異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 n三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流）的相互作用。 n圖圖4.15三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速之間要有差值，這是電動(dòng)機(jī)工作的前提，n正因如此這種電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。在異步電動(dòng)機(jī)中常用轉(zhuǎn)差率（用S表示）來(lái)表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0相差的程度00nnSnn三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是：n1）三相定子繞組中通入對(duì)稱三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。n2）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。n3）轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 4.2三相異步電

4、動(dòng)機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路圖圖4.16三相異步電動(dòng)機(jī)的一相電路三相異步電動(dòng)機(jī)的一相電路 11deNdt 22deNdt 222LLdieLdt 4.2.1定子電路定子電路 n定子每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1n感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f1 111114.44,1dpdpf N kk 0160nf p4.2.2 轉(zhuǎn)子電路轉(zhuǎn)子電路 n轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2 n轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率f2 n轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗X2 n每相繞組的阻抗為 22224.44dpEf N k000210p()6060nnnn pnfSfn222122022LLXf LSf

5、LSX21dpkZ2=R2+jX2=R2+jSX202.222.L22.22.)E(XIjRIRIEX20：在n=0,即S=1時(shí)的轉(zhuǎn)子感抗 n轉(zhuǎn)子繞組的電流轉(zhuǎn)子繞組的電流I2 n轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù) 222222222220cos()RRRXRSX2202222222220()ESEIRXRSX4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性 n4.3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為22costTKI 201222222220220(4.44)()()SESf NIRSXRSX轉(zhuǎn)子電流 222122222220

6、220()()SR USR UTKKRSXRSX111111114.44,1,4.44dpdpf N kkf N 2222220cos()RRSX22114.44tNKKf N4.3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 n三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也分為固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性 圖圖4.17 三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性 固有機(jī)械特性n（1）理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn) （亦稱同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)）n（2）額定運(yùn)行點(diǎn) n（3）臨界工作點(diǎn) （亦稱最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)） n（4）啟動(dòng)工作點(diǎn) 2222220stR UTKRXmax/mNTT2max202UTKX00NNnnSn人為機(jī)械特性

7、 n人為地改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電源電壓、電源頻率，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將發(fā)生變化，這時(shí)得到的機(jī)械特性稱為異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。 n得到人為機(jī)械特性常用的方法有：（1）降低電動(dòng)機(jī)定子電壓（2）改變定子電源頻率（3）轉(zhuǎn)子電路串電阻 圖圖4.18改變電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性 n圖圖4.19改變定子電源頻率時(shí)的人為機(jī)械特性改變定子電源頻率時(shí)的人為機(jī)械特性 n 圖圖4.20改變轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的人為機(jī)械特性改變轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的人為機(jī)械特性 4.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性 n異步電動(dòng)機(jī)對(duì)啟動(dòng)的要求：n（1）要求異步電動(dòng)機(jī)有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。n（2）在滿足生

8、產(chǎn)機(jī)械能啟動(dòng)的情況下，啟動(dòng)電流越小越好。n（3）啟動(dòng)過(guò)程中，平滑性越好對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊就越??；啟動(dòng)設(shè)備可靠性越高，電路越簡(jiǎn)單，操作維護(hù)就越方便。 n異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為零，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出很大的轉(zhuǎn)子電勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流，從而引起很大的定子電流，一般啟動(dòng)電流Ist可達(dá)額定電流IN的47倍；而啟動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大，一般(0.81.5)。n解決這些矛盾，其核心問(wèn)題就是減小啟動(dòng)電流和增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 4.4.1鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法n有直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng) 直接啟動(dòng)又稱全壓?jiǎn)?dòng)，就是將電動(dòng)機(jī)的定子繞組接在額定電壓下啟動(dòng)。 344stNII啟動(dòng)電流電源總?cè)萘款~定電流電

9、動(dòng)機(jī)功率定子回路串對(duì)稱三相電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)定子回路串對(duì)稱三相電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng) n采用電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，若電壓下降到額定電壓的K倍（K1），則啟動(dòng)電流也下降到直接啟動(dòng)電流的K倍，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻下降到直接啟動(dòng)矩的K2倍。這表明串電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)雖然降低了啟動(dòng)電流，但同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大為降低。 星星-三角形降壓?jiǎn)?dòng)三角形降壓?jiǎn)?dòng) n對(duì)于電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形，這時(shí)定子每相繞組上的電壓為正常運(yùn)行時(shí)定子每相繞組上的電壓的0.58倍，起到了降壓的作用；待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將定子繞組接成三角形，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程完成而轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。 n

10、圖圖4.23 星星-三角形降壓?jiǎn)?dòng)的原理圖三角形降壓?jiǎn)?dòng)的原理圖軟啟動(dòng)軟啟動(dòng) n軟啟動(dòng)是一種近年來(lái)發(fā)展起來(lái)用于控制鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的全新啟動(dòng)方式。它是一種集電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制裝置，通過(guò)控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同功能的啟動(dòng)方式。由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓和電流都可以從零連續(xù)調(diào)節(jié)，對(duì)電網(wǎng)電壓無(wú)浪涌沖擊，電壓波動(dòng)小，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦連續(xù)變化，對(duì)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備的機(jī)械沖擊也幾乎為零。 4.4.2 線繞式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法線繞式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法 n逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻法逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻法 n轉(zhuǎn)子回路串

11、頻敏變阻器法轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器法n頻敏變阻器的主要優(yōu)點(diǎn)是：具有自動(dòng)平滑調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的良好啟動(dòng)特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。 4.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性 n4.5.1 調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速 圖圖4.28 調(diào)壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 這種調(diào)速方法能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但當(dāng)降低電壓時(shí)，轉(zhuǎn)矩也按電壓的平方比例減小，電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的機(jī)械特性太軟，其靜差率和運(yùn)行穩(wěn)定性往往不能滿足生產(chǎn)工藝要求。因此，現(xiàn)代的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)通常采用速度反饋的閉環(huán)控制，以提高低速時(shí)機(jī)械特性的硬度。從而在滿足一定的靜差率條件下，獲得較寬的調(diào)速范圍，同時(shí)也能保證電動(dòng)機(jī)具有一定的過(guò)載能力。 4

12、.5.2 轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速 n轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速簡(jiǎn)單可靠，但它是有級(jí)調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑調(diào)速。隨轉(zhuǎn)速降低，特性變軟，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子電路電阻損耗與轉(zhuǎn)差率成正比，隨著串入電阻的增大而增大，低速時(shí)損耗大，是一種不經(jīng)濟(jì)的調(diào)速方法。所以，這種調(diào)速方法大多用在重復(fù)短期運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機(jī)械中，如在起重運(yùn)輸設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。 4.5.3 變極調(diào)速變極調(diào)速 n變極對(duì)數(shù)調(diào)速就是在電源頻率不變的條件下 ，改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù) ，就可以改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也變化，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的有級(jí)調(diào)節(jié)。 4.5.4 變頻調(diào)速變頻調(diào)速 n圖圖4.29 額定頻率額定頻率

13、fN以上變頻調(diào)速的機(jī)械特性以上變頻調(diào)速的機(jī)械特性 4.6 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性 n4.6.1 反接制動(dòng)反接制動(dòng) 1電源反接制動(dòng) 圖圖4.30 電源反接時(shí)反接制動(dòng)的機(jī)械特性電源反接時(shí)反接制動(dòng)的機(jī)械特性 電源反接時(shí)會(huì)在轉(zhuǎn)子回路中感電源反接時(shí)會(huì)在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出很大的電流，為了限制轉(zhuǎn)應(yīng)出很大的電流，為了限制轉(zhuǎn)子電流，對(duì)鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)子電流，對(duì)鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)可在定子電路中串接電阻；對(duì)可在定子電路中串接電阻；對(duì)線繞型異步電動(dòng)機(jī)可在轉(zhuǎn)子電線繞型異步電動(dòng)機(jī)可在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻，限制電流的同路中串接電阻，限制電流的同時(shí)增大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)增大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 n2. 倒拉反接制動(dòng) 圖圖4.

14、31 倒拉反接制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性倒拉反接制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性 在重物下降過(guò)程中，重物下降時(shí)減小的位能轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械功率，機(jī)械功率通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電功率，電動(dòng)機(jī)把轉(zhuǎn)化的電功率及從電源吸收的電功率均消耗在線繞型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所串電阻上。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于它的同步速度，即nn0 ，S0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，轉(zhuǎn)子電流的方向也發(fā)生了變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，這種制動(dòng)稱為回饋制動(dòng)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，把系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，一部分消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，剩余的大部分電能則反饋回電網(wǎng)。 4.6.2 回饋制動(dòng)回饋制動(dòng) 圖圖4.32 重物

15、下放時(shí)回饋制動(dòng)機(jī)械特性重物下放時(shí)回饋制動(dòng)機(jī)械特性 圖圖4.33 變極調(diào)速時(shí)回饋制動(dòng)機(jī)械特性變極調(diào)速時(shí)回饋制動(dòng)機(jī)械特性 4.6.3 能耗制動(dòng)能耗制動(dòng) 異步電動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行時(shí)，把定子繞組從三相交流電源上斷開(kāi)，將其中兩相繞組接到直流電源上，就構(gòu)成了能耗制動(dòng) 圖圖4.34 異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的電路圖及機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的電路圖及機(jī)械特性（a）電路圖 （b）機(jī)械特性 4.7單相異步電動(dòng)機(jī)單相異步電動(dòng)機(jī) n4.7.1 單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成籠型結(jié)構(gòu)，定子的鐵芯也是由硅鋼片疊壓而成，定子鐵芯內(nèi)有定子工作繞組。 n而單相繞組通以單相交流電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)是脈動(dòng)的，并不旋轉(zhuǎn)，因此單相異步電動(dòng)機(jī)在通電后沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 2. 單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 圖圖4.36 單相異步電動(dòng)機(jī)單相繞單相異步電動(dòng)機(jī)單相繞組時(shí)的機(jī)械特性組時(shí)的機(jī)械特性 （1）當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0（S=1）時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，（2）n0時(shí)T0, n0時(shí)T0,因而這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以