控制電機(jī)第六章

控制電機(jī)第六章第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1）定子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（同同步電動(dòng)機(jī)）2）轉(zhuǎn)子為“鼠籠”：籠形導(dǎo)體的圓柱形軟磁鐵心構(gòu)成。只有在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的情況下（異步），當(dāng)外部磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其磁力線才能切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，并因而在導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感生電流；感生電流進(jìn)而受到電磁力的作用，轉(zhuǎn)子才能旋轉(zhuǎn)。正是因?yàn)閮烧咿D(zhuǎn)速有差異才能工作，所以這種電機(jī)稱為“異步”電機(jī)。異步（鼠籠）電動(dòng)機(jī)工作原理：6-1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，且某時(shí)刻為：上為北極N下為南極S，如圖所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)和電流方向由里向外，用☉表示；在下半部則由外向里，用?表示。流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會(huì)加速到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1。因?yàn)橹挥羞@樣，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間才會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見n1≠n且n<n1,是異步電動(dòng)機(jī)工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6-1-2交流電機(jī)的主要類型及基本結(jié)構(gòu)

1主要類型

按能量轉(zhuǎn)換：電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)按供電：?jiǎn)蜗?、（兩相）、三相按原理：同步、異步（感?yīng)）電機(jī)2基本結(jié)構(gòu)異步電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件（下頁(yè)）第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一與直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較1）定子磁場(chǎng)不旋轉(zhuǎn)，由換向器得到“被整流”后的脈動(dòng)電壓電流；2）采用左、右手定則就可分析原理。第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子按結(jié)構(gòu)不同可分為鼠籠型和繞線型兩種。第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一以定子繞組為例：

(1)流入定子電流，建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；

(2)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：無論是定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，還是轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)，其磁力線都必然會(huì)切割固定不動(dòng)的定子繞組.

一.交流電機(jī)繞組的分布

6-2三相交流繞組及其相電動(dòng)勢(shì)

1交流電機(jī)繞組的基本作用第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)定子三相繞組的模型星、三角接法2最簡(jiǎn)單的三相繞組(定子為例)

(1)三相繞組的外觀圖和基本特點(diǎn)構(gòu)成：線圈邊：嵌入定子鐵心的槽中那一部分（有效部分）；端接部分；特點(diǎn)：空間位置及其對(duì)應(yīng)出線端的位置彼此錯(cuò)開120度，A、B、C三相繞組在圓周上排列的順序。

第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)三相繞組的簡(jiǎn)化模型(以定子繞組為例)第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3關(guān)于交流繞組的更多的知識(shí)（了解）

(1)電角度極對(duì)數(shù)p、機(jī)械角度am

、電角度a機(jī)械角度（機(jī)械角速度）:1周為360度，在地面上看到的轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)的角度和速度；電角度（電角頻率）:1周為360度，是以電、或磁信號(hào)的角度表示的。第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例：直流電流形成的磁極以及極距。第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一槽數(shù)第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ABCXYZq=1q=12/6=2第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二.相電動(dòng)勢(shì)第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在對(duì)稱三相繞組流過對(duì)稱三相電流后，所產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì)的性質(zhì)為：①旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形狀:每一相繞組產(chǎn)生脈振磁動(dòng)勢(shì)，但三相合成后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。每相的脈振磁動(dòng)勢(shì)，它們的振幅大小隨時(shí)間不同而變化的；但三相合成磁動(dòng)勢(shì)幅值恒定不變、是一相脈振磁動(dòng)勢(shì)最大振幅的3/2倍。因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是圓形的.②旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向:合成磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)方向順著A.B.C三相電流的正相序方向;當(dāng)某相電流達(dá)到最大值時(shí)，三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的矢量也正好轉(zhuǎn)到該相的相軸上,且與該相軸方向一致,因此,在三相繞組空間排序不變的條件下,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向由電流的相序決定,若要改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向,只要將三相電流進(jìn)線的任意兩相對(duì)調(diào)即可.第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

③旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速:如圖6-4所示可知電流在時(shí)間上變化一個(gè)周期,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間也轉(zhuǎn)過3600電角度.在二極的情況下,轉(zhuǎn)過的機(jī)械角也是3600,即,在空間正好轉(zhuǎn)過一周.電流每秒變化f周期,則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1為每秒f轉(zhuǎn)或每分鐘60f轉(zhuǎn)即從電磁觀點(diǎn)看,經(jīng)過N.S一對(duì)極時(shí),磁場(chǎng)的空間分布曲線或線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正好變化一周期,這種角度稱為電角度,對(duì)于四極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),磁場(chǎng)的空間曲線或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化一周時(shí),但以電角度計(jì)算只是1800,所以電角度是機(jī)械角度的兩倍,當(dāng)電流在時(shí)間變化一周期時(shí)即3600(一對(duì)極),但以機(jī)械角度計(jì)算只是1800,因此四極電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為并由此推斷,對(duì)于P對(duì)極三相交流電機(jī)來說其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式為第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

通過上式可知，改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種

1．變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：改變s實(shí)現(xiàn)調(diào)速；

2．變極調(diào)速：改變p來實(shí)現(xiàn)調(diào)速

3．變頻調(diào)速：改變f1實(shí)現(xiàn)調(diào)速第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法很多，常用的方案有改變異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓調(diào)速，采用電磁轉(zhuǎn)差（或滑差）離合器調(diào)速，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速以及串極調(diào)速。前兩種方法適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，后者適合于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。這些方案都能使異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但共同的缺點(diǎn)是在調(diào)速過程中存在轉(zhuǎn)差損耗，即在調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)子繞組均產(chǎn)生大量的鋼損耗（）(又稱轉(zhuǎn)差功率)，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，系統(tǒng)效率降低；主要存在調(diào)速范圍窄、效率低，對(duì)電網(wǎng)污染較大，不能滿足交流調(diào)速應(yīng)用的廣泛需求；

改變電機(jī)的極數(shù)的調(diào)速，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，并且接線麻煩，應(yīng)用的場(chǎng)合少；但價(jià)格便宜；改變頻率進(jìn)行調(diào)速是最理想的，但這個(gè)夢(mèng)想經(jīng)歷了百年之久，直至20世紀(jì)70年代，大功率晶體管（GTR）的開發(fā)成功，才實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，應(yīng)用得越來越廣泛了第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.三相異步電動(dòng)機(jī)的降定子電壓調(diào)速.調(diào)速原理及機(jī)械特性第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一其特點(diǎn)和性能為：a）三相異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速方法比較簡(jiǎn)單；b）對(duì)于一般的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，調(diào)速范圍很小，沒多大實(shí)用價(jià)值；c）若拖動(dòng)泵類負(fù)載時(shí)，如通風(fēng)機(jī)，降壓調(diào)速有較好調(diào)速效果，但在低速運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率增大，消耗在轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重；d）低速時(shí)，機(jī)械性能太軟，其調(diào)速范圍和靜差率達(dá)不到生產(chǎn)工藝的要求；若要使調(diào)速范圍大一點(diǎn)，可在轉(zhuǎn)子回路串入電阻。其機(jī)械特性右圖所示。由于低速下轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，多采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，使大部分轉(zhuǎn)差功率消耗在電機(jī)外部的電阻上。第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

1）.調(diào)速原理及機(jī)械特性由三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機(jī)械特性在同步轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩不變的條件下，臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子回路串電阻值成正比，即,改變轉(zhuǎn)子回路串入的電阻值R，可以改變臨界轉(zhuǎn)差率，即降低了轉(zhuǎn)速，其機(jī)械特性如下圖所示。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載一定時(shí)，轉(zhuǎn)子回路串入電阻（）越大，臨界轉(zhuǎn)差率越大（）,則轉(zhuǎn)速越低（）,從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）.調(diào)速方法的特點(diǎn)和性能轉(zhuǎn)子回路串電阻屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，其特點(diǎn)和性能為：a）繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單，調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn);b）調(diào)速方法為分段多級(jí)調(diào)節(jié)，為有級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，且調(diào)速的平滑性較差;c）不利于空載或輕載調(diào)速，表現(xiàn)于轉(zhuǎn)速變化很小;d）低速時(shí)轉(zhuǎn)差率大。轉(zhuǎn)差功率大，效率低，經(jīng)濟(jì)性差;e）調(diào)速范圍不大，一般為（2～3）︰1，負(fù)載小時(shí)，調(diào)速范圍更小。這種調(diào)速方法多用于起重機(jī)一類的對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，對(duì)泵類負(fù)載也能應(yīng)用。

第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.改變電機(jī)極對(duì)數(shù)的調(diào)速

通過改變定子繞組的連接方式來實(shí)現(xiàn)。變極調(diào)速是改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速所以一般稱變極調(diào)速的電動(dòng)機(jī)為多速異步電動(dòng)機(jī)。第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速1).串級(jí)調(diào)速原理繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生轉(zhuǎn)差功率損耗，且轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，效率就越低，而且完全消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速，就是在轉(zhuǎn)子回路中不串入電阻，而是串入一個(gè)可控的轉(zhuǎn)子外加電壓，其頻率與轉(zhuǎn)子頻率相同，其相位與轉(zhuǎn)子電勢(shì)反向或同相。工作原理圖如左圖所示。第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)某一瞬間電勢(shì)的極性與反相或同相時(shí)，有轉(zhuǎn)子回路電流為式中“–”號(hào)表示與反相，

“+”號(hào)表示與同相。異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩都保持不變時(shí)，轉(zhuǎn)子電流可看成常數(shù)；同時(shí)考慮到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)s很小，sx2《r2

忽略sx2

則：在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的條件下，若轉(zhuǎn)子串入與反相，則在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的條件下，若轉(zhuǎn)子串入與同相，則

第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1).串級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)和性能為(1)串級(jí)調(diào)速的控制設(shè)備較復(fù)雜，成本較高，控制困難。因?yàn)檗D(zhuǎn)子回路串入了一個(gè)頻率與轉(zhuǎn)子電壓頻率相同的外加電壓，且要隨頻率變化，是相當(dāng)困難的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常是將轉(zhuǎn)子外加電壓用整流器整流成可控的直流電壓來代替交變電壓；(2)串級(jí)調(diào)速的機(jī)械特性較硬，調(diào)速平滑性好，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率較高；(3)低速時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因數(shù)較低，過載能力較弱；(4)串級(jí)調(diào)速范圍一般為，適用于大容量的通風(fēng)機(jī)，提升機(jī)等泵類負(fù)載。第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5.變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時(shí)性能最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉(zhuǎn)速n1

，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子每相電壓為如果降低頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)鐵芯磁路飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)，這是不允許的。因此，降低電源頻率時(shí)，必須同時(shí)降低電源電壓，以達(dá)到控制磁通的目的。對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一.基頻以下變頻調(diào)速A),保持為常數(shù)上式對(duì)s求導(dǎo)，即

有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為

第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一.基頻以下變頻調(diào)速B),保持為常數(shù)

為防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率時(shí)，保持為常數(shù)，使氣隙每極磁通為常數(shù)，應(yīng)使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為上式對(duì)s求導(dǎo)，即

有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為

第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二.基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，也按比例升高電源電壓時(shí)不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相