第2講 異步電動機(jī)基礎(chǔ)

第2講：異步電動機(jī)基礎(chǔ)知識內(nèi)容簡介：回顧異步電動機(jī)的工作原理和機(jī)械特性，介紹異步電動機(jī)的起動、制動和調(diào)速方法。通過比較各種調(diào)速方法的特點(diǎn)，說明變頻調(diào)速是異步電動機(jī)的最佳調(diào)速方式。2-1異步電動機(jī)的工作原理2-2異步電動機(jī)的機(jī)械特性（矩速特性）2-3異步電動機(jī)的起動方法2-4異步電動機(jī)的制動方法2-5異步電動機(jī)的調(diào)速方法1一、異步電機(jī)結(jié)構(gòu)1236457891011121-軸承蓋；2-端蓋；3-接線盒；4-定子鐵心；5-定子繞組；6-散熱筋；7-轉(zhuǎn)軸；8-轉(zhuǎn)子；9-風(fēng)扇；10-罩殼；11-軸承；12機(jī)座2-1異步電動機(jī)的工作原理2由于它的轉(zhuǎn)子電路不需要和外電路相聯(lián)接，轉(zhuǎn)子繞組由兩側(cè)端部互相短接的銅條或鋁條(俗稱鼠籠條)構(gòu)成，可以自成回路，形狀象個“鼠籠”，故常稱為籠形電動機(jī)。

籠形異步電動機(jī)本質(zhì)上可被看成一個具有旋轉(zhuǎn)和短路的次級繞組的三相變壓器。3二、異步電動機(jī)的工作原理1、磁場旋轉(zhuǎn)定子三相對稱繞組，加三相電壓后流過三相交流電流。AXBYCZo4

i>0:

首端流入，尾端流出。AYCBZX規(guī)定

i<0:

尾端流入，首端流出。o××t=0時刻：iC為正，從C端流入，從Z端流出iB為負(fù)，從Y端流入，從B端流出5iA>0,iB<0,iC<0iA>0,iB<0,iC=0iA=0,iB<0,iC>0AXYCBZAXYCBZAXYCBZ合成磁場方向向下合成磁場旋轉(zhuǎn)60°合成磁場旋轉(zhuǎn)90°三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉(zhuǎn)的磁場，一個電周期旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360°。62、旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)np當(dāng)定子每相一個繞組時，產(chǎn)生一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場AXBYCZAXYCBZ7若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)，形成兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，則np=2；同理若定子每相繞組由m個線圈串聯(lián)則，形成m對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，則np=m。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC×●×●×●×●83、電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)—?dú)庀洞沛溑c轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。定子三相繞組通入三相交流電切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動勢E20旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場左手定則電磁力F電磁轉(zhuǎn)矩T轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n94、等效電路102-2異步電動機(jī)的機(jī)械特性（矩速特性）自然機(jī)械特性：額定工況下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。人為機(jī)械特性：通過改變電動機(jī)的定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻、定子頻率等得到。機(jī)械特性主要指電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。n，sTeTemTeQsms=0s=1異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性11n，sTemTeQs=0s=1異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性反接制動運(yùn)行s>1回饋制動運(yùn)行s<0電動運(yùn)行0<s<112負(fù)載的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性nTL位能負(fù)載的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性TL恒定nTL風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性TL∝n213穩(wěn)定工作點(diǎn)與不穩(wěn)定工作點(diǎn)Te風(fēng)機(jī)負(fù)載TL位能負(fù)載TL穩(wěn)定工作點(diǎn)不穩(wěn)定工作點(diǎn)Tn14異步電動機(jī)的起動方法：小容量電動機(jī)直接起動5~7倍起動電流。中、大容量電動機(jī)的起動電流大，常用降壓起動。繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻起動。2-3異步電動機(jī)的起動方法15一、降壓起動傳統(tǒng)的降壓起動方法星-三角（Y-Δ）起動定子串電阻（或電抗）起動自耦變壓器（又稱起動補(bǔ)償器）降壓起動軟起動器下面分析各種起動方式的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩：設(shè)：直接起動的起動電流為Isd，起動轉(zhuǎn)矩為Tsd，采取起動措施后的起動電流為Is，起動轉(zhuǎn)矩為Ts。161、星-三角（Y-Δ）起動+－

起動U1U2V1V2W1W2

+－正常運(yùn)行U1U2V1V2W1W2起動時，定子繞組接成Y形，起動結(jié)束時接成Δ形。17+－U1U2V1V2W1W2設(shè)：電機(jī)每相阻抗為︱Z︱星—三角起動時的起動電流、起動轉(zhuǎn)矩均為直接起動時1/3。+－U1U2V1V2W1W2182、自耦變壓器起動ABP+–+–ilis193、軟起動器起動M3~~TVC20軟起動器可以限制起動電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動降下來。主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器，用連續(xù)地改變其輸出電壓來保證恒流起動，穩(wěn)定運(yùn)行時可用接觸器給晶閘管旁路，以免晶閘管不必要地長期工作。21異步電動機(jī)的起動過程與電流沖擊降壓起動

軟起動器

直接起動22二、繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻起動RRR滑環(huán)電刷定子轉(zhuǎn)子起動電阻?起動時將電阻R串入轉(zhuǎn)子電路中，起動后將R短路。23注：轉(zhuǎn)子電路串電阻起動不僅可以減小起動電流，而且還可以提高起動轉(zhuǎn)矩。24制動是一邊吸收負(fù)載的能量、一邊運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行方式。按制動目的分類減速制動：目的是讓電動機(jī)減速或停轉(zhuǎn)，制動過程中要吸收負(fù)載及電動機(jī)所具有的能量，例如，列車停車過程。制動運(yùn)行：目的是一邊制動、一邊以一定轉(zhuǎn)速保持運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，例如，電動機(jī)吊著物體下放就是這種制動，此時要吸收負(fù)載所具有的能量。2-4異步電動機(jī)的制動方法25按吸收能量的方法分類機(jī)械制動：制動器制動，負(fù)載能量轉(zhuǎn)換為熱能。機(jī)械制動的特征是即使在停止時也有制動轉(zhuǎn)矩作用，其缺點(diǎn)是摩擦部分要產(chǎn)生損耗。電氣制動：這是一種從電氣上吸收能量的制動方法。這種制動方法適用于頻繁制動，或連續(xù)制動，但在停止時，保持制動轉(zhuǎn)矩較為困難。下面主要討論電氣制動。26電氣制動又可分為：1、回饋制動（再生制動）：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子n轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速n0，電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。其基本特征是：

⑴n與n0同方向；⑵n>n0。Ten原矩速特性頻率下降后的矩速特性TBn0nn0’272、反接制動：電動機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向相反時的狀態(tài)即為反接制動狀態(tài)。其基本特征是：n與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相反。（1）磁場反轉(zhuǎn)的反接制動：這種制動方法是在電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，將其與電源的接線反接(或相序反接)而進(jìn)行制動。Ten原矩速特性磁場反轉(zhuǎn)時的矩速特性TB28（2）倒拉式反接制動：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的起重機(jī)在緩慢下放重物時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩力圖使重物上升，但因“帶不動”，結(jié)果轉(zhuǎn)子的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向被重物倒拉成反轉(zhuǎn)。Ten原矩速特性轉(zhuǎn)子串電阻后的矩速特性TBn293、直流制動（能耗制動）方法和原理：在定子繞組中通入直流電流，從而產(chǎn)生一個固定磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時切割該磁場，從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。Ten原矩速特性直流制動時的矩速特性TB直流制動的原理與再生制動類似，其矩速特性實(shí)際上就是f=0Hz時再生制動的矩速特性。302-5異步電動機(jī)的調(diào)速方法異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速：一、異步電動機(jī)的調(diào)速方法分類31因此異步電動機(jī)的調(diào)速方法可以大致分為：變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速（5）變極np調(diào)速（6）變頻fs調(diào)速（1）定子調(diào)壓調(diào)速（2）繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（4）繞線轉(zhuǎn)子串級調(diào)速交-直-交變頻交-交變頻（3）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速主電路電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法V/F控制轉(zhuǎn)差頻率控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制32異步電動機(jī)中從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可以分為兩部分：Pd=(1-s)Pm

－拖動負(fù)載的有效功率Ps=sPm

－轉(zhuǎn)差功率按轉(zhuǎn)差功率處理方式不同，異步電動機(jī)調(diào)速方法又可分為三大類：轉(zhuǎn)差功率消耗型（不改變同步轉(zhuǎn)速）

：調(diào)壓調(diào)速；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；電磁離合器調(diào)速轉(zhuǎn)差功率回饋型（不改變同步轉(zhuǎn)速）

：串級調(diào)速轉(zhuǎn)差功率不變型（改變同步轉(zhuǎn)速）：變極對數(shù)np調(diào)速；變頻調(diào)速33二、電力傳動系統(tǒng)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)調(diào)速范圍：電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。靜差率：電動機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時，由理想空載增加到額定負(fù)載所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比。靜差率與系統(tǒng)的機(jī)械特性有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性越高。34動態(tài)性能指標(biāo)跟隨性能指標(biāo)：通常指在階躍輸入下系統(tǒng)的響應(yīng)。35抗擾性能指標(biāo)：在給定值不變時，突加某一使輸出量變化的階躍擾動后，輸出量的變化過程被稱作抗擾過程。36（一）變極調(diào)速如何改變定子繞組的極對數(shù)？三、異步電動機(jī)的調(diào)速方法的原理及特點(diǎn)1、變極調(diào)速原理改變電動機(jī)的定子極對數(shù)np便可改變同步轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。372、變極對數(shù)的方法

通過改換定子繞組的連接來改變異步機(jī)的極對數(shù)。若將U相繞組中的一半相繞組a2x2反向，由兩對極變成一對極電機(jī)。383、變極調(diào)速過程分析當(dāng)增大極對數(shù)時，電機(jī)速從nA變換到nB轉(zhuǎn)矩變化曲線為：A→C→Bnn2n1TeBAC4、變極調(diào)速的特點(diǎn)：①調(diào)速范圍有限（只有有限個穩(wěn)速點(diǎn)）②屬于有級調(diào)速，轉(zhuǎn)速改變時轉(zhuǎn)矩沖擊很大。③機(jī)械特性較硬，電機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載的影響比較??；④屬于轉(zhuǎn)差功率不變型，效率高。

39（二）定子調(diào)壓調(diào)速1、調(diào)壓調(diào)速原理根據(jù)異步電動機(jī)的機(jī)械特性，當(dāng)異步電動機(jī)定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)一定時，在一定的轉(zhuǎn)差率s下，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此改變電動機(jī)的定子電壓就可以改變其機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。402、調(diào)壓調(diào)速的方法常用的調(diào)壓調(diào)速方法主要有三種：自耦變壓器調(diào)壓調(diào)速，飽和電抗器調(diào)壓調(diào)速，晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速。（1）自耦變壓器調(diào)壓調(diào)速（2）晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速41（3）飽和電抗器調(diào)壓調(diào)速飽和電抗器是利用直流磁化電流控制鐵心的飽和程度，來改變串接在定子回路中的交流電抗,從而調(diào)節(jié)電機(jī)定子繞組上的電壓。鐵心飽和時，交流電抗小，加在電機(jī)定子上的電壓高；不飽和時，交流電抗大，因此加在定子上的電壓低，通過改變直流磁化電流,實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。MWWW飽和電抗器423、調(diào)壓調(diào)速過程分析當(dāng)降低電壓時，電機(jī)轉(zhuǎn)速從nA變化到nB轉(zhuǎn)矩變化曲線為：A→C→B穩(wěn)定區(qū)TeBAnBnAnC不穩(wěn)定區(qū)4、特點(diǎn)：①調(diào)速范圍有限（電機(jī)只能在穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行）；②在低電壓情況下，機(jī)械特性變軟，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響較大；③效率低（Us↓→s↑→η↓）；④用可控硅調(diào)壓時，電動機(jī)電壓和電流畸變嚴(yán)重。43注：為了擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況下的調(diào)速范圍，并使電機(jī)能在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行而不致過熱，要求電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的電阻值，這樣的電機(jī)在變電壓時的機(jī)械特性如右圖。增大了變壓調(diào)速范圍，堵轉(zhuǎn)工作也不致燒壞電機(jī)，這種電機(jī)又稱作交流力矩電機(jī)。5、應(yīng)用場合

通常用于調(diào)速范圍要求不寬，較長時間在高速區(qū)運(yùn)行的中小容量的異步電機(jī)傳動場合。Ten0n，sUs0.5Us0.8UsTL恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載44（三）繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速1、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速原理根據(jù)異步電動機(jī)的機(jī)械特性，當(dāng)異步電動機(jī)定子電壓一定時，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻Rr也可以改變其機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。452、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速過程分析當(dāng)增大轉(zhuǎn)子電阻時，電機(jī)轉(zhuǎn)速從nA變化到nB轉(zhuǎn)矩變化曲線為：A→C→BnTenBnACAB3、特點(diǎn)①調(diào)速范圍有限（有限個穩(wěn)速點(diǎn)）②一般通過多級電阻切換實(shí)現(xiàn)調(diào)速，因此也屬于有級調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化時存在轉(zhuǎn)矩沖擊；③增大轉(zhuǎn)子電阻后，機(jī)械特性變軟，電機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載的影響比較大；④速度越低，效率越低。⑤起動轉(zhuǎn)矩大。464、應(yīng)用場合升降系統(tǒng)等。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速起動轉(zhuǎn)矩大，在變頻調(diào)速技術(shù)推廣以前，它幾乎是解決恒轉(zhuǎn)矩重負(fù)載起動和調(diào)速的唯一手段。47（四）繞線式串級調(diào)速1、串級調(diào)速的基本思想：在轉(zhuǎn)子回路中設(shè)法接入一個與轉(zhuǎn)子電勢sE20同頻率(f2)的附加電勢Ef，調(diào)節(jié)Ef的大小和方向便可改變轉(zhuǎn)子電流I2和電磁轉(zhuǎn)矩Te的值，從而使電動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。48492、串級調(diào)速的基本原理三相異步電動機(jī)M以轉(zhuǎn)差率s運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子相電動勢經(jīng)三相不可控整流電路整流，輸出電壓Ed。三相有源逆變電路將經(jīng)整流后輸出的電動機(jī)轉(zhuǎn)差功率逆變回饋到電網(wǎng)。U2E2s50異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子相電壓為：經(jīng)三相整流器后變?yōu)橹绷麟妷簽椋耗孀兤髦绷鱾?cè)直流電壓為：U2E2s51于是直流回路電流為：上式可寫為：忽略R后，上式變?yōu)椋篣2E2s52當(dāng)整流器、逆變器都為三相橋式電路時，k1=k2=2.34，得轉(zhuǎn)差率s為：改變逆變角β的大小，就能改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。U2E2s53電網(wǎng)送入異步電動機(jī)的功率電動機(jī)輸出的功率為總效率為采用串級調(diào)速能把其中大部分轉(zhuǎn)差功率Ps回饋給電源，因此總效率較高。3、功率傳遞關(guān)系544、串級調(diào)速的特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)差功率回饋，效率高；②

屬無級調(diào)速，調(diào)速過程平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩沖擊；③在低速區(qū)，最大轉(zhuǎn)矩降低，機(jī)械特性較軟，故電機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響較大；④調(diào)速范圍與調(diào)速系統(tǒng)的容量有關(guān)，調(diào)速范圍越大，要求調(diào)速系統(tǒng)的容量越大，因此調(diào)速范圍受系統(tǒng)容量限制，一般用在大容量且調(diào)速范圍比較小的場合；⑤電機(jī)和系統(tǒng)的功率因數(shù)低。55（五）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速1、電磁轉(zhuǎn)差離合器的結(jié)構(gòu)電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞與磁極兩個部分組成。電樞部分與調(diào)速異步電動機(jī)連接，在運(yùn)行時隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，是主動部分；磁極部分與所拖動的負(fù)載連接，是從動部分。562、電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理當(dāng)磁極內(nèi)勵磁電流If為零時，磁極與電樞無任何電磁聯(lián)系，磁極不動；當(dāng)磁極內(nèi)通入勵磁電流時，磁極產(chǎn)生磁場，電樞繞組因與該磁場有相對運(yùn)動而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流與磁極磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動磁極旋轉(zhuǎn)。改變勵磁電流If便可改變轉(zhuǎn)矩，從而改變磁極（負(fù)載）轉(zhuǎn)速。電磁轉(zhuǎn)差離合器原理與異步電動機(jī)很相似，機(jī)械特性也相似，但理想空載點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速n，而不是同步轉(zhuǎn)速n1。573、機(jī)械特性曲線勵磁電流If越大，磁極內(nèi)磁通越大，轉(zhuǎn)矩越大。當(dāng)勵磁電流If過小時，磁場太弱，轉(zhuǎn)矩很小，從動部分將無法運(yùn)轉(zhuǎn)而失控。注：電磁轉(zhuǎn)差離合器與異步電動機(jī)做成一體，稱為滑差電機(jī)或電磁調(diào)速異步電動機(jī)。Tnn，sIf1If2If3If4If1>If2>If3>If4失控區(qū)584、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速特點(diǎn)①可平滑調(diào)速。②機(jī)械特性較軟，所以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差，調(diào)速范圍較小。③低速時，效率也較低。59（六）變頻調(diào)速1、變頻調(diào)速原理改變