汽車電工電子課件 模塊4 交流電動機及其控制

模塊4交流電動機及其控制項目4.1分析三相異步電動機的運行

項目4.2分析三相異步電動機的控制電路項目4.1分析三相異步電動機

的運行4.1.1交流電動機概述4.1.2三相異步電動機的機械特

性分析4.1.3三相異步電動機的運行知識學(xué)習(xí)一、

三相異步電動機的結(jié)構(gòu)二、三相異步電動機的銘牌三、三相異步電動機的工作原理4.1.1交流電動機概述它們的工作原理都是建立在電與磁的相互轉(zhuǎn)化與相互作用的基礎(chǔ)上，所依據(jù)的電磁定律都是電磁力定律和電磁感應(yīng)定律。分類組成原理1.按照功能用途分類，可分為發(fā)電機、電動機、變壓器和控制電動機4大類。2.按照用電性質(zhì)分類，可分為直流電動機和交流電動機兩大類。所有電動機都是由電路和磁路兩個基本部分組成。4.1.1交流電動機概述圖4-1三相異步電動機的構(gòu)造1—接線盒2—定子鐵芯3—定子繞組4—轉(zhuǎn)軸5—轉(zhuǎn)子6—風(fēng)扇7—罩殼8—軸承9—機座10—端蓋11—軸承蓋一、

三相異步電動機的結(jié)構(gòu)（1）外殼外殼包括機座、端蓋、軸承蓋及接線盒等部件。（2）定子鐵芯定子鐵芯是電動機磁路的一部分。（3）定子繞組定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。1．定子部分圖4-2定子鐵芯及沖片示意圖圖4-3定子繞組的連接（1）籠型轉(zhuǎn)子2．轉(zhuǎn)子部分圖4-4轉(zhuǎn)子鐵芯沖片圖4-5籠型轉(zhuǎn)子示意圖1—轉(zhuǎn)子鐵芯2—風(fēng)葉3—鑄鋁條（2）繞線式轉(zhuǎn)子圖4-6繞線式轉(zhuǎn)子示意圖1—轉(zhuǎn)軸2—集電環(huán)3—轉(zhuǎn)子繞組4—變阻器5—電刷

其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用來支撐轉(zhuǎn)軸。風(fēng)扇則用來通風(fēng)冷卻電動機

3．其他部分二、

三相異步電動機的銘牌（1）型號

三相異步電動機的型號主要包括產(chǎn)品系列號、規(guī)格代號等?，F(xiàn)以Y系列異步電動機為例，說明型號中各字母及數(shù)字代表的含義。（2）額定電壓

額定電壓（UN）是指接到電動機繞組上的線電壓。三相異步電動機要求所接的電源電壓值上下波動一般不應(yīng)超過額定電壓的±5%。（3）額定電流

額定電流（IN）是指三相異步電動機在額定電源電壓下，輸出額定功率時，流入定子繞組的線電流。若超過額定電流過載運行，三相異步電動機就會過熱乃至燒毀。（4）額定功率

額定功率（PN）是指電動機在額定工作狀態(tài)下運行時，轉(zhuǎn)軸上輸出的額定機械功率，單位是千瓦（kW）或瓦（W）。三相異步電動機的額定功率為（4-1）

（5）額定頻率

額定頻率（fN）是指電動機所接的交流電源每秒鐘內(nèi)周期變化的次數(shù)。我國規(guī)定標準電源頻率為50Hz。（6）額定轉(zhuǎn)速

額定轉(zhuǎn)速（nN）是指三相異步電動機在額定工作情況下運行時每分鐘的轉(zhuǎn)速，一般是略小于對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速（n1）。（7）絕緣等級

緣等級是指三相電動機所采用的絕緣材料的耐熱能力，它表明三相電動機允許的最高工作溫度。（8）接法

三相電動機定子繞組的連接方法有星形（Y）和三角形（△）兩種。定子繞組的連接只能按規(guī)定方法連接，不能任意改變接法，否則會損壞三相電動機。三、

三相異步電動機的工作原理1．旋轉(zhuǎn)磁場圖4-7三相異步電動機的三相繞組圖4-8三相繞組的星形聯(lián)結(jié)

電流變化一個周期，合成磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一周。圖4-9對稱三相電流波形圖4-10旋轉(zhuǎn)磁場的分布情況從上述分析可知如下幾點。①三相電流通過定子繞組所產(chǎn)生的合成磁場，是隨電流的交變而在空間旋轉(zhuǎn)的磁場，即為旋轉(zhuǎn)磁場。②旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速—同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（n1）為 （4-2）式中，n1單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）。表4-1 同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)對應(yīng)表（f1

=

50Hz）極對數(shù)（p）123456同步轉(zhuǎn)速（n1）/（r/min）300015001000750600500③旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是由通入三相繞組的三相電流的相序決定的。①當(dāng)三相異步電動機定子的三相繞組通入三相對稱電流后，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。②設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速（n1）沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，這時靜止的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)的磁場之間有了相對運動，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)右手螺旋定則，可判斷出轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的方向。2．轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理③由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合回路，因此在感應(yīng)電動勢的作用下，形成感應(yīng)電流。④感應(yīng)電流又在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下而產(chǎn)生電磁力（F）。根據(jù)左手定則，可以確定電磁力（F）的方向，如圖4-11轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖所示。圖4-11轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖

（4-3）根據(jù)式（4-3）可以得到電動機的轉(zhuǎn)速常用公式為 （4-4）3．轉(zhuǎn)差率【例4-1】一臺三相異步電動機，額定功率PN

=

11kW，額定頻率fN

=

50Hz，額定電壓UN

=

380V，額定效率ηN

=

0.89，額定功率因數(shù)

=

0.77，額定轉(zhuǎn)速nN

=

975r/min。試求：（1）同步轉(zhuǎn)速（n1）；（2）極對數(shù)（p）；（3）額定電流（IN）；（4）額定轉(zhuǎn)差率（sN）。4.1.2三相異步電動機的機械特性分析一、三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩二、

三相異步電動機的機械特性電磁轉(zhuǎn)矩（T）表達式為 （4-5）式中，KT

—

與電動機本身結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。式（4-5）是分析異步電動機轉(zhuǎn)矩特性的重要依據(jù)。一、三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系T=f(s)，稱為電動機的轉(zhuǎn)矩特性。通過分析可以推得 或?qū)懗? （4-6）

當(dāng)電源電壓（U1）和轉(zhuǎn)子電路參數(shù)為定值時，轉(zhuǎn)速（n）和電磁轉(zhuǎn)矩（T）的關(guān)系n=f（T）稱為三相異步電動機的機械特性。二、三相異步電動機的機械特性圖4-12三相異步電動機的機械特性1．額定工作點（C）（4-7）

最大轉(zhuǎn)矩時的臨界轉(zhuǎn)差率（sm）為 （4-8）將sm值代入式（4-6），即可求得最大轉(zhuǎn)矩為 （4-9）2．臨界工作點（B）圖4-13改變定子電壓的人為機械特性曲線圖4-14轉(zhuǎn)子回路外串電阻的人為機械特性曲線

電動機剛接通電源的瞬間，轉(zhuǎn)速n

=

0（s

=

1），這時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩（Tst），對應(yīng)啟動工作點（A）。3．啟動工作點（A）

Tst與電源電壓（U1）的平方成正比啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst一般籠型異步電動機的Kst為0.8～24.1.3三相異步電動機的運行一、

三相異步電動機的啟動二、

三相異步電動機的調(diào)速三、

三相異步電動機的反接制動

和反轉(zhuǎn)一、

三相異步電動機的啟動1．籠型異步電動機直接啟動

啟動時，電動機定子繞組直接接入額定電壓的電網(wǎng)上的啟動方法，稱為直接啟動或者全壓啟動。

啟動開始時，旋轉(zhuǎn)磁場與靜止的轉(zhuǎn)子之間有很大的相對轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子電路的感應(yīng)電動勢很大。因此轉(zhuǎn)子電流也很大，為額定情況時的5～8倍。轉(zhuǎn)子電流很大時，定子電流也相應(yīng)增大，即啟動電流（Ist）也很大，一般約為額定電流（IN）的4～7倍。

一般規(guī)定，三相異步電動機的功率低于7.5kW時允許直接啟動。如果功率大于7.5kW，而供電變壓器容量較大，能符合下列經(jīng)驗公式要求的異步電動機也可采用直接啟動法： （4-12）

在啟動時將電源電壓適當(dāng)降低加到電動機定子繞組上，以限制電動機的啟動電流，等電動機的轉(zhuǎn)速升高后，再使電動機定子繞組上的電壓恢復(fù)到額定值，這就是降壓啟動。常用的降壓方法有Y-△啟動法。2．籠型異步電動機降壓啟動—Y-△啟動法

圖4-15I2=f（s）、cosφ2=f（s）的曲線圖

圖4-16籠形電動機Y-Δ啟動接線圖表4-2 繞組Y形和△形聯(lián)結(jié)時的電壓、電流比較

Y-△啟動法只適用于正常工作時定子繞組為三角形連接的電動機。采用Y-△啟動法，減小啟動電流的同時，啟動轉(zhuǎn)矩按與電源電壓平方成正比的比例大為下降。因此，Y-△啟動法僅適用于空載或輕載啟動。注意：

由轉(zhuǎn)差率公式和同步轉(zhuǎn)速公式，可得出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（n）為

由式可見，改變p、f1、s三者中的任一物理量，都能改變電動機的轉(zhuǎn)速。下面分別介紹3種調(diào)速方法。二、三相異步電動機的調(diào)速1．變極調(diào)速圖4-17變極調(diào)速原理圖（2p=4）圖4-18變極調(diào)速原理圖（2p=2）變極調(diào)速只適用于籠型異步電動機。(籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)能自動跟隨定子磁極對數(shù)的改變而改變)

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，改變異步電動機的供電頻率（f1）就可改變電動機的轉(zhuǎn)速（n1和n），達到調(diào)速目的。但f1的升高或降低影響到異步電動機的其他參數(shù)，如定子繞組中的輸入電流（I1）和磁通（Φ）等。2．變頻調(diào)速

圖4-19變頻調(diào)速在fN以下，常采用定子電壓補償?shù)腢1/f1為常數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，保持

不變。在fN以上，常采用U1

=

U1N

且為常數(shù)的恒功率調(diào)速方式，f

m不變。變頻調(diào)速具有優(yōu)異的性能:①調(diào)速范圍大。②平滑性好。連續(xù)改變供電頻率，可以實現(xiàn)無級調(diào)速。③穩(wěn)定性好。調(diào)速時機械特性的硬度基本不變，所以轉(zhuǎn)矩波動時，轉(zhuǎn)速變化不大。④能適應(yīng)各種不同負載的要求。

⑤運行效率高。由于機械特性較硬，運行時轉(zhuǎn)差率小、效率高。

圖4-20轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機的改變轉(zhuǎn)子電路電阻的調(diào)速方法3．變轉(zhuǎn)差率（s）三、三相異步電動機的反接制動和反轉(zhuǎn)制動可分為機械制動和電氣制動電氣制動是通過改變電動機線路或某些參數(shù)值，使電動機產(chǎn)生一種與實際旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩的方法，此時的電磁轉(zhuǎn)矩即制動轉(zhuǎn)矩電動機在電動狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩是拖動轉(zhuǎn)矩；而工作在制動狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩。電動狀態(tài)和制動狀態(tài)是電動機運行的兩種方式。三相異步電動機的制動方法有反接制動、能耗制動、回饋制動等。1.

三相異步電動機的反接制動圖4-21反接制動對調(diào)任意兩根電源線,產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。任意對調(diào)兩根電源線—即改變電源相序，就可改變旋轉(zhuǎn)磁場方向，從而改變電動機旋轉(zhuǎn)方向。需要注意的是：若希望改變電動機旋轉(zhuǎn)方向，一般應(yīng)在停車之后換接。

2.三相異步電動機的反轉(zhuǎn)一、任務(wù)目的1．掌握三相異步電動機基本參數(shù)的計算方法。2．掌握直接啟動、Y-△啟動法的分析與計算方法。二、任務(wù)內(nèi)容

一臺三相籠型異步電動機，額定功率PN=30kW，額定頻率fN

=

50Hz，額定電壓UN=380V，額定效率

N

=92%，額定功率因數(shù)=

0.87，額定轉(zhuǎn)速nN

=1470r/min，定子繞組采用三角形連接。啟動電流倍數(shù)Ki=Ist/IN=7，啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst=Tst/TN=2，過載系數(shù)

=Tm/TN=2.2。項目實施任務(wù)分析與計算三相異步電動機

基本參數(shù)和啟動二、任務(wù)內(nèi)容PN=30kW，fN=50Hz，UN=380V，

N=92%，=0.87，

nN

=1470r/min，三角形連接。啟動電流倍數(shù)Ki=Ist/IN=7，啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst=Tst/TN=2，過載系數(shù)

=Tm/TN=2.2。（1）求同步轉(zhuǎn)速（n1）、磁極對數(shù)（p）、額定轉(zhuǎn)差率（sN）。（2）求額定電流（IN）、啟動電流（Ist）。（3）求額定轉(zhuǎn)矩（TN）、啟動轉(zhuǎn)矩（Tst）、最大轉(zhuǎn)矩（Tm）。（4）電源容量為50kV·A時，電動機能否直接啟動？（5）負載轉(zhuǎn)矩TL=112N·m時，采用Y-△啟動法，電動機能否帶負載啟動？若負載轉(zhuǎn)矩TL=150N·m，又如何？

三、分析與計算過程項目4.2分析三相異步電動機

的控制電路4.2.1三相交流電動機的控制電路4.2.2三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)

控制電路知識學(xué)習(xí)以三相異步電動機的起?？刂齐娐窞槔?，如圖4-22所示。介紹低壓電器的應(yīng)用。電路由刀開關(guān)（QS）、熔斷器（FU、FU1）、熱繼電器（FR）、啟動按鈕（SB2）、停止按鈕（SB1）、交流接觸器（KM）和三相異步電動機（M）組成。4.2.1三相交流電動機的控制電路圖4-22三相異步電動機的啟動、停止電路圖1—刀開關(guān)2—熔斷器3—熱繼電器4—控制按鈕5—交流接觸器主電路是指直接給電動機供電的電路?？刂齐娐肥侵笇χ麟娐穼嵤﹦幼骺刂频碾娐?，由單相電源、控制按鈕、熱繼電器觸點、交流接觸器線圈及輔助觸點組成。（1）刀開關(guān)：手動電器（2）熔斷器：短路保護。一般情況下，要求通過熔體的電流等于或小于熔體額定電流的1.25倍。（3）熱繼電器：過載保護。利用電流熱效應(yīng)動作1．低壓電器圖4-23熱繼電器原理示意圖及圖形符號1—熱元件2—雙金屬片3—扣板4—彈簧5—動斷觸點6—復(fù)位按鈕（4）控制按鈕圖4-24控制按鈕結(jié)構(gòu)示意圖及符號1、2—動斷靜觸點3、4—動合靜觸點5—動觸點6—復(fù)位彈簧7—按鈕帽（5）交流接觸器圖4-25交流接觸器結(jié)構(gòu)圖及圖形符號1、3—輔助觸頭2—主觸頭4—動鐵芯5—靜鐵芯6—線圈7、8—彈簧圖4-22三相異步電動機的啟動、停止電路圖1—刀開關(guān)2—熔斷器3—熱繼電器4—控制按鈕5—交流接觸器

閉合刀開關(guān)（QS），引入電源，按下啟動按鈕（SB2），交流接觸器（KM）線圈