《機(jī)電傳動控制》講義(5)

1、第三章 交流異步電機(jī)第一節(jié) 三相異步電機(jī) v一、三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1、定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的互相絕緣的硅鋼片疊成導(dǎo)磁部分。2、定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)導(dǎo)電部分。3、機(jī)座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。問題：為什么問題：為什么定子要用互相定子要用互相絕緣的硅鋼片絕緣的硅鋼片疊成？疊成？按結(jié)構(gòu)分類：按結(jié)構(gòu)分類： 鼠籠式鼠籠式異步電動機(jī)：結(jié)構(gòu)簡單，堅固，成本低，運行性能不如繞線式。 繞線式繞線式異步電動機(jī)：通過外串電阻改善電機(jī)的起動，調(diào)速等性能。VVWUUW三相異步機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步機(jī)的結(jié)構(gòu)定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子v轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊

2、成，也是磁路的一部分。2、轉(zhuǎn)子繞組：籠型繞組籠型繞組的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組大不相同，它是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組大不相同，它是在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條。再將全部銅條焊接在兩個端銅環(huán)上，如果將轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，。再將全部銅條焊接在兩個端銅環(huán)上，如果將轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞組形狀象個籠子，對于中小功率，多采用鋁離心澆鑄而成。剩下來的繞組形狀象個籠子，對于中小功率，多采用鋁離心澆鑄而成。繞線式繞組繞線式繞組的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽里，轉(zhuǎn)子可以通過電刷和集電環(huán)外串電阻以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小

3、和相位的里，轉(zhuǎn)子可以通過電刷和集電環(huán)外串電阻以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位的方式進(jìn)行調(diào)速。方式進(jìn)行調(diào)速。v氣隙：異步電動機(jī)的氣隙是均勻的。對電機(jī)的性能影響很大，對電機(jī)的性能影響很大，大小為機(jī)械條件所能允許達(dá)到的最小值， 0.2-1mm ?；竟ぷ髟?、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2、磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢和電流。3、電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。4、轉(zhuǎn)動方向：轉(zhuǎn)動方向與輸入繞組的三相電流的相序有關(guān)，只要任意調(diào)換兩相就可改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。BlvBliU1U2V2W1V1W2FvF0nNS1600f

4、np轉(zhuǎn)分 120sin120sinsintIitIitIimWmVmUViAXBYCZUiWiiWiVimIotUiiWiVimIotUi600結(jié)論：電流變化一周，磁場旋轉(zhuǎn)結(jié)論：電流變化一周，磁場旋轉(zhuǎn)3600 (p=1）。）。定子通入三相電流，定子通入三相電流，定子內(nèi)產(chǎn)生定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場t=0t=60t=120t=180極對數(shù)極對數(shù)2p旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關(guān)與三相繞組的排列有關(guān)iWiVimIotUi極對數(shù)極對數(shù)2p 四極旋轉(zhuǎn)磁場四極旋轉(zhuǎn)磁場在電流變化一周時，在電流變化一周時， 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn) 180。 1060 fnp旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)

5、速旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與定子電流頻率與定子電流頻率f1、磁極對數(shù)、磁極對數(shù)p有關(guān)。有關(guān)。（4-2）式中式中: n0旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，又稱同步轉(zhuǎn)速，單位為旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，又稱同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min； f1定子電流的頻率，單位為定子電流的頻率，單位為Hz，市電頻率為，市電頻率為50Hz； p旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和極對數(shù)的對應(yīng)關(guān)系（異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和極對數(shù)的對應(yīng)關(guān)系（f1=50Hz z) )p1234n0(r/min) 3000150010007500nn如果如果:0nn轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的一個基本物理量,它反映電機(jī)的各種運行情況:轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動時，; 1,0sn電機(jī)理想空載時

6、，0,0.nns作為電動機(jī)，轉(zhuǎn)速在00 n范圍內(nèi)變化，轉(zhuǎn)差率在01范圍內(nèi)變。負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大；反之，轉(zhuǎn)差率越小。轉(zhuǎn)差率的大小能夠反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小或負(fù)載大小。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：0(1)ns n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1060()1)1fns nsp(00nnsn例例1 1：一臺三相異步電動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速一臺三相異步電動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速 n= =975 r/min，電源頻率，電源頻率 f1 1= =50 Hz。試求電動機(jī)的。試求電動機(jī)的極對數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。極對數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。解：解：0010009750.0251000nnns由于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)接近且略小于同步轉(zhuǎn)速由于電動機(jī)的

7、額定轉(zhuǎn)速應(yīng)接近且略小于同步轉(zhuǎn)速 n0，而，而 n0 對應(yīng)于磁極對數(shù)對應(yīng)于磁極對數(shù)p有一系列固定值。所有一系列固定值。所以，以，n0=1000 r/min , 例例2 2 一臺三相四極一臺三相四極50Hz異步電動機(jī)，已知額定轉(zhuǎn)速為異步電動機(jī)，已知額定轉(zhuǎn)速為 1440 r/min。求額定轉(zhuǎn)差率。求額定轉(zhuǎn)差率SN。 解解: : 該電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為該電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 因而電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率為因而電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率為106060 501500 /min2fnrp001500 14400.041500Nnnsn三相異步電機(jī)的三種運行狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負(fù),異步電機(jī)有三種運行狀態(tài)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茈娔?/p>

8、和機(jī)械能變成內(nèi)能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能能量關(guān)系制動制動驅(qū)動電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)速外力使電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)外力使電機(jī)沿磁場反方向旋轉(zhuǎn)定子繞組接對稱電源實現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁制動電動機(jī)狀態(tài)00nn0n0nn10 s1s0s定子繞組連接方式3三角形接法電機(jī)輸出功率是星形接法輸出功率的三角形接法電機(jī)輸出功率是星形接法輸出功率的 倍，及倍，及1.732倍。倍。 三相交流異步電機(jī)在啟動的瞬間需要電網(wǎng)饋給的功率是三相交流異步電機(jī)在啟動的瞬間需要電網(wǎng)饋給的功率是5到到10倍，例如倍，例如55KW的電機(jī)直接用三角形接法啟動需要至少的電機(jī)直接用三角形接法啟動需要至少250KW電網(wǎng)驅(qū)動容量，電網(wǎng)驅(qū)動容量，當(dāng)電網(wǎng)無法滿足這些要求時，電網(wǎng)的電

9、壓就會嚴(yán)重下降。如正常的電網(wǎng)電當(dāng)電網(wǎng)無法滿足這些要求時，電網(wǎng)的電壓就會嚴(yán)重下降。如正常的電網(wǎng)電壓是壓是380V，當(dāng)有大電機(jī)啟動時電壓會降抵到，當(dāng)有大電機(jī)啟動時電壓會降抵到300V以下，這樣就會嚴(yán)重干以下，這樣就會嚴(yán)重干擾電網(wǎng)中的其它用電設(shè)擾電網(wǎng)中的其它用電設(shè) 備。備。而改用星形啟動就會減少電網(wǎng)需要饋給的功率，減少對電網(wǎng)的干擾。而改用星形啟動就會減少電網(wǎng)需要饋給的功率，減少對電網(wǎng)的干擾。 銘牌，型號中小型電機(jī)大型電機(jī)額定值關(guān)系有：NNNNNIUPcos3)(VkVUN或額定電壓額定運行狀態(tài)時加在定子繞組上的線電壓.)(kWPN額定功率額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率。)(AIN額定電流在額定運行狀

10、態(tài)下流入定子繞組的線電流.min)/(rnN額定轉(zhuǎn)速額定運行時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速.NNf額定效率額定頻率額定功率因數(shù)Ncos二、額定值額定參數(shù)值二、異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性二、異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性u定子線圈的感應(yīng)電動勢電動勢頻率:0160pnf 每相繞組的磁通：單個線圈的最大電動勢:每相所有線圈的電動勢:1114.44effmEf N課外作業(yè)：推導(dǎo)這些公式課外作業(yè)：推導(dǎo)這些公式u轉(zhuǎn)子線圈的感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子電流頻率 與定子繞組類似，與定子繞組類似， 轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢E2的有效值為的有效值為 E2eff= 4.44 f2N2m 式中：式中： f2轉(zhuǎn)子電動勢頻率；轉(zhuǎn)

11、子電動勢頻率； N2轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)。轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)。112mmef111124.4422mmeffmefef有效值：sinmt 三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩22TICTcos 常數(shù)，與電常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)功率因數(shù)ilBF 22 , ,cosTI22122220()TsRTCURsX22 TICTcos 22022202)( XREIss 2202222XRRs)(cos mNfU11144.4 分析知：分析知：課外作業(yè)：與教材上的公式對比，推導(dǎo)電磁轉(zhuǎn)矩公式課外作業(yè)：與教材上的公式對比，推導(dǎo)電

12、磁轉(zhuǎn)矩公式提示提示：（：（1）阻抗的概念：電壓相量與電流相量之比）阻抗的概念：電壓相量與電流相量之比RURI ; XR阻性元件： c11UI ; Xj Cj C容性元件： LUI ; Xj Lj L感性元件： （2）阻抗的并聯(lián)和串聯(lián)：）阻抗的并聯(lián)和串聯(lián)：12XXX串聯(lián)：12111XXX并聯(lián)：21U21220222TUsXRsRCT )(maxTmSNSOTS根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式22022212T)sX(RUsRCT 得特性曲線：得特性曲線：NnmaxTstTOnTNT0nstT1NT異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線cnNnNT電機(jī)在額

13、定電壓下，以額定轉(zhuǎn)電機(jī)在額定電壓下，以額定轉(zhuǎn)速速nN 運行，輸出額定功率運行，輸出額定功率PN 時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。)/()(9550NNN分分轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)千瓦千瓦nPT TN、Tm、TstOnT0n(N m) 例如某普通機(jī)床的主軸電機(jī)例如某普通機(jī)床的主軸電機(jī)(Y132M-4型型) 的額定的額定功率為功率為7.5kw, 額定轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速為1440r/min, 則額定轉(zhuǎn)矩則額定轉(zhuǎn)矩為為m.N7 .4914405 . 795509550NNN nPTTbTmax0nn0TstaTNnN 正常情況下，電動機(jī)都工作在特性曲線的正常情況下，電動機(jī)都工作在特性曲線的 ab 段，當(dāng)

14、負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速要降低，但段，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速要降低，但對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻要增加，因為對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩卻要增加，因為 ab 段比較平坦，段比較平坦，所以電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大。這種特征稱為所以電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大。這種特征稱為硬的硬的機(jī)械特性。機(jī)械特性。21220222UsXRsRKT)(21202mTUTCXd0dsT令：令：求得求得2c20RXss臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率On0nTmax將將sc代入轉(zhuǎn)矩公式，可得代入轉(zhuǎn)矩公式，可得scncn m121mTUUT )1,(2021TmX2UCT NmTTT 一般三相異步電動機(jī)的過載系數(shù)為一般三相異步電動機(jī)的過載系數(shù)為2281T.

15、12 II(2) sc與與 R2 有關(guān)，有關(guān)， R2 sc n 。繞線式電機(jī)。繞線式電機(jī)改變轉(zhuǎn)子附加電阻改變轉(zhuǎn)子附加電阻R 2 可實現(xiàn)調(diào)速?？蓪崿F(xiàn)調(diào)速。 （4-19）22022212)(sXRUsRKT 22022212stXRURKT 電動機(jī)起動時的轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)起動時的轉(zhuǎn)矩。起動時起動時n= 0 時時，s =1 st121st, ) 1 (TUUT(2) Tst與與 R2 有關(guān)，有關(guān)， 適當(dāng)使適當(dāng)使 R2 Tst 。對繞線式。對繞線式 電機(jī)改變轉(zhuǎn)子附加電阻電機(jī)改變轉(zhuǎn)子附加電阻 R 2 , 可使可使Tst =Tm 。體現(xiàn)了電動機(jī)帶體現(xiàn)了電動機(jī)帶載起動的能力。載起動的能力。 0nOnTNstst

16、TTK 起動能力起動能力一般一般 Kst=1.02.2。 TL sTL TT =TLn T T L達(dá)到新的平衡達(dá)到新的平衡TL0nnTOn由電動機(jī)的機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式可見：異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T 的數(shù)值是在某一轉(zhuǎn)速 n（或 s ）下，由定子電壓 U1、電源頻率 f1、定子極對數(shù) p、定子及轉(zhuǎn)子電路的電阻 R1、R2及電抗 X1、X2 等參數(shù)決定的。人為地改變電源電壓、電源頻率、定子極對數(shù)、定子和轉(zhuǎn)子電路的電阻及電抗等參數(shù)，可得到不同的人為機(jī)械特性。最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 Tm 及起動轉(zhuǎn)矩及起動轉(zhuǎn)矩 Tst 與與 Ux2 成正比地降低；成正比地降低；sc 與與 U1 的降低無關(guān)的降低無關(guān)降低電網(wǎng)電壓對電

17、動機(jī)的影響降低電網(wǎng)電壓對電動機(jī)的影響過載能力下降負(fù)載電流上升原因： 電動機(jī)帶一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，差轉(zhuǎn)率長高，轉(zhuǎn)子電動勢增加，轉(zhuǎn)子電流增加。最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 Tm 不變；不變；sc 隨串聯(lián)電阻增大而增加隨串聯(lián)電阻增大而增加轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)對稱電阻用途轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)對稱電阻用途:(1)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動(2)調(diào)速同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n0改變改變: 當(dāng)同步轉(zhuǎn)速增大時最大轉(zhuǎn)矩當(dāng)同步轉(zhuǎn)速增大時最大轉(zhuǎn)矩Tm和啟和啟動轉(zhuǎn)矩動轉(zhuǎn)矩Tst將變小，而臨界轉(zhuǎn)差將變小，而臨界轉(zhuǎn)差Sc率將變率將變大大; 當(dāng)同步轉(zhuǎn)速降低時最大轉(zhuǎn)矩當(dāng)同步轉(zhuǎn)速降低時最大轉(zhuǎn)矩Tm和啟和啟動轉(zhuǎn)矩動轉(zhuǎn)矩Tst將變大，而臨界轉(zhuǎn)差將變大，而臨界轉(zhuǎn)差Sc率

18、將變率將變小小;如果如果f1不變，則同步轉(zhuǎn)速不變，則同步轉(zhuǎn)速n0改變。改變。最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 Tm 隨串聯(lián)電隨串聯(lián)電抗增大而減?。豢乖龃蠖鴾p??；sc 隨隨串聯(lián)電抗增大而減小串聯(lián)電抗增大而減小最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 Tm 隨串聯(lián)電阻增大隨串聯(lián)電阻增大而減??；而減小；sc 隨串聯(lián)電阻增大隨串聯(lián)電阻增大而減小而減小用途：用于籠型異步電動機(jī)的降壓起動，以限制電動機(jī)的起動電流 問題：問題：。 一般中小型鼠籠式電機(jī)起動電流為額定電流的一般中小型鼠籠式電機(jī)起動電流為額定電流的4 7 倍倍; 電電動機(jī)的起動動機(jī)的起動 二、三十千瓦以下的異步電動機(jī)一般都采用二、三十千瓦以下的異步電動機(jī)一般都采用直接起動。直接起動。(

19、3) 轉(zhuǎn)子串電阻起動轉(zhuǎn)子串電阻起動星形星形-三角形三角形(Y ) 換接起動換接起動自耦降壓起動自耦降壓起動定子串電抗器起動定子串電抗器起動UV WQS1FUM3直接起動線路 串電抗器起動 這種起動方法是在電這種起動方法是在電動機(jī)定子繞組的電路中串動機(jī)定子繞組的電路中串入一個三相電抗器，其接入一個三相電抗器，其接線如圖線如圖 所示。所示。 其目的就是要減小起動其目的就是要減小起動電流，但同時也限制了起動電流，但同時也限制了起動轉(zhuǎn)矩，因此只適用于輕載或轉(zhuǎn)矩，因此只適用于輕載或空載情況下起動?？蛰d情況下起動。ZUIll3:Y 星形聯(lián)結(jié)時星形聯(lián)結(jié)時ZUIll3 三三角角形形聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)時時：31Y llI

20、I31YlIZlU+U1U2V1V1W1W2 lIlU+ZU1U2V1V2W1W2Z圖 4 - 21Y-起動線路圖U V WQS1FUU1W1W2U2V1V2QS2(運行)Y(起動)lUU31P (a) 僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結(jié)的電機(jī)。僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結(jié)的電機(jī)。 )(2StUT (b) Y 起動起動 ststTIY 換接起動適合于空載或輕載起動的場合換接起動適合于空載或輕載起動的場合SYtst31TT UlU1W2V2W1+U2V1UP+Ul+U1W2V2W1U2V1L1L3L2FUQQ2R 12220220)(st2IIRXREIRR滑環(huán)滑環(huán)電刷電刷定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子起動電阻起動電阻4-23繞線式電動機(jī)的啟動線路AB CR2 Tst 22022212TstXRURCT 22RR stTTOn0nmaxT2R2R stT M3M3制動方法制動方法機(jī)械制動：加機(jī)械抱閘機(jī)械制動：加機(jī)械抱閘電氣制動電氣制動能耗制動能耗制動反接制動反接制動發(fā)電反饋制動發(fā)電反饋制動 在斷開三相電源的同時，給電動機(jī)其中兩相在斷開三相電源的