第3章三相异步电动机电工学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 3 章 三相异步电动机,3.1,概述,3.2,三相异步电动机的结构,3.3,三相异步电动机的工作原理,3.4,三相异步电动机的功率与转矩,3.5,三相异步电动机的使用,3.6,三相异步电动机的选择,异步电动机的应用非常广泛：,在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机,械，矿山机械等。,在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。,在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的分类：,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能, 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。,1.,按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、,单相异步电动机。,2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.,3.1,概述,3.1 .1,异步电动机的分类与用途,3.1 .2 三相,异步电动机的型号与主要技术数据,规格代号：中心高132,mm，,短机座2号铁心，2极,产品型号：异步电动机,Y 132S2,电动机的额定技术数据：,（1）额定电压,U,N,电动机额定状态下运行时定子绕组上应 加的线电压，单位为,V,或,KV。,（2）,额定电流,I,N,电动机在额定状态下运行时，定子绕组的线电流，单位为,A,或,KA。,（3）额定功率,P,N,电动机在额定状态下运行时，其轴上输,出的机械功率，单位为,W,或,KW。,（4）频率,f,1,电动机交流电源的频率，我国规定为50,H,Z,。,（5）额定转速,n,N,电动机在额定状态下（,U,N,、,I,N,、,P,N,）,运行时电动机转子的转速，单位为,rmin。,（6）额定功率因数,cos,N,在额定负载下，,N,是定子相电流与相电压的相位差，三相异步电动机的,cos,随负载的变化 而变化，其范围为0.20.9，轻载时,cos,较低。,（7）额定效率,N,额定输出功率,P,N,与额定输入功率之,比,P,N1,，,即,额定输入功率,电动机的额定技术数据：,电动机铭牌上还标明绕组的接法,如有的电动机铭牌上标识出电压为220380,V，,接法,标识为,Y,时，则表明，当电源电压为220,V,时，电动机,定子绕组采用,形方式联接，而当电源电压为380,V,时，电,动机定子绕组采用,Y,形方式联接。,例3.1.1,：已知一台三相异步电动机的额定功率,P,N,3.8KW，,额定电压,U,N,380V，,额定功率因数,cos,N,0.7，,额定效率,N,0.85，,额定转速,n,N,950rmin，,求额定输入功率,P,1N,和额定电流,I,N,。,解 根据,额定输入功率,额定电流,这是电动机的外形,3.2,三相异步电动机的结构,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。,此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,端盖,机座,这,是三,相异步电动机的基本结构,示意,图,这,是三,相异步电动机的基本结构,示意,图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。,此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,这,是三,相异步电动机的基本结构,示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。,此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,转子,轴承,端盖,机座,1. 定子,三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕,组组成。,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,定子绕组,机座,铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,这是定子硅钢片,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,U,1,V,1,W,1,W,2,U,2,V,2,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,U,1,V,1,W,1,W,2,U,2,V,2,定子绕组,星接,定子绕组,角接,端子,这,是,饶,线,型,转,子,铁,心,与,绕,组,2. 转子,根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子,笼型转子的电机称笼型电动机,饶线型转子的电机称饶线型电动机,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,这,是,转,子,硅,钢,片,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，,在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条,连接起来。,这,是,笼,型,转,子,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,设：,电流的流入端用 表示,电流的流出端用 表示,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,定子绕组,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,i,A,i,B,i,C,u,A,u,B,u,C,i,A,i,B,i,C,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,转子绕组,S,N,n,0,n,e,( i ),F,F,转子,导体,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,3.3,三相异步电动机的工作原理,3. 3 .1,异步电动机的转动原理,i,A,=,I,m,sin, t,i,B,=,I,m,sin,(, t-,120,),i,C,=,I,m,sin,(, t+,120,),i,A,i,B,i,C,相序,A-B-C-A,对称三相电流,流入,对称三相绕组。,t,i,0,设：,电流的流入端用 表示,电流的流出端用 表示,3. 3 .2,三相绕组产生的旋转磁场,i,A,i,B,i,C,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,i,A,1 两极旋转磁场,t,= 0,t,i,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,i,A,=,0,i,B,为,负,值,i,C,为,正,值,N,S,0,设：,电流的流入端用 表示,i,B,i,C,电流的流出端用 表示,t,t,= 60,i,N,S,60,i,C,=,0,i,B,为,负,值,i,A,为,正,值,i,A,i,B,i,C,0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,t,= 90,N,S,90,i,A,为,正,值,i,B,为,负,值,i,C,为,负,值,t,i,i,A,i,B,i,C,0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,t,= 180,i,A,= 0,i,B,为,正,值,i,C,为,负,值,180,N,S,t,i,i,A,i,B,i,C,0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,t,=,60,N,S,60,t,=90,N,S,t,=0,N,S,90,t,=,180,N,S,180,0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,空间相差120,角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周 (在空间旋转的角度为360,)。,综上分析可以得出：,t,i,i,A,i,B,i,C,0,2,旋转磁场的转向,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,i,A,i,C,90,60,0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,N,S,0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,N,S,60,相序,A-C-B-A,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,V,2,N,S,90,i,B,改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向, 也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,综上分析可以得出：,3,四极旋转磁场,i,A,i,B,i,C,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,60,0,t,= 0,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,N,S,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,V,2,0,S,N,t,= 60,N,S,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,V,2,30,S,N,0,t,i,i,A,i,B,i,C,0,t,i,i,A,i,B,i,C,0,90,180,t,= 90,N,S,45,S,N,t,=180,N,S,90,S,N,90,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,V,2,U,1,W,2,V,1,U,2,W,1,U,2,W,1,V,2,U,1,W,2,V,1,V,2,i,A,i,B,i,C,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,当定子每相中有两个绕组串联, 且每相绕组在空间相差60时, 通入对称三相交流电后, 也产生一个旋转磁场, 但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周, 旋转磁场在空间只转了半周(180 空间角), 旋转速度较两极磁场慢了一半。,4 旋转磁场的速度及转差率,p,n,0,=,60,f,1,综上分析可以得出：,电源的频率,磁极对数,n,0,s,= = ,n,0,n,n,0,n,P,=1,n,0,=3000 r/min,P,=2,n,0,=1500 r/min,P,=3,n,0,=1000 r/min,n,= (1,s,),n,0,定义: 转差率,0,s,U,1,T,m,U,1,T,m,U,1,s,m,R,2,R,2,T,n,0,R,2,T,st,不能起动, 可,空载,或,轻载,起动,负载转矩,T,2,T,2,时,电机起动,在,cb,段,n,s,T,ba,段,在,ab,段,n,s,T,T,=,T,2,T,2,=,T,N,(在,d点,),ab,段为稳定运行区域，,bc,段为不 稳定运行区域,s,直到,T,=,T,2,电机稳定运行在新的,转速下,工作于,d,点,则,:,n,n,=(1,s,),n,0,T,n,0,n,0,T,a,b,c,T,st,T,m,T,2,d,n,n,N,T,N,=,T,2N,d,转矩平衡方程式,T,=,T,2,+,T,0,=,负载转矩+空载转矩,转速平衡过程：,电动机工作在稳定运行区时, 具有自适应能力。例如, 原来在额定负载下稳定运行(工作于,d,点),若负载转矩突然增大为,T,2,T,2,T,N,，,例3.4.1 已知某台三相异步电动机的额定数据为：,P,N,4.5kW，,n,N,950rmin，,效率,N,84.5，,U,N,380V,，,cos,N,0.84，,接成星形（,Y），,f,1,50H,Z,，,过载系数,m,2，,起动转矩倍数,st,1.7。,求：,（1）磁极对数,P,； （2）,额定转差率,s,N,；,（3）,额定转矩,T,N,；（4）,额定输入功率,P,1N,；,（5）,定子的额定电流,I,N,；（6）,最大转矩,T,max,；,（7）,起动转矩,T,st,。,解（1）,根据,n,N,950r,min，,可以得出,n,0,1000r,min,磁极对数,（2）额定转差率为,（3）额定转矩为,=45.24,N,m,（4） 额定输入功率,（5）根据,额定电流,（7）,最大起动转矩,T,st,st,T,N,1.7,45.24=76.91N,m,（6）最大转矩,T,max,m,T,N,2,45.24=90.48N,m,例：已知,P,N,=4.5 KW，,n,N,=950r/min，,N,=84,.5%，,U,1,=380 V，Y,接，,f,1,=50Hz，,m,=2， ,st,=1,.7。,求：,（1）磁极对数,P；（2）,S,N,；,（3）,T,N,；,（4）,输入功率,P,1,；（5）,最大转矩,T,m,；（6）,起动转矩,T,st,解：,（,1）,P=3,S,N,=,n,1,n,N,n,1,1000,950,1000,=,=,0.05,（2）,（,3）,T,N,=9.55,P,N,n,N,=9.55,450,10,3,950,=,45.24,N,m,（4）P,1,=,P,N,N,4.5,0,.845,=,=,5.33,kW,（,5）,T,m,=,m,T,N,=2,45,.24=90 .48Nm,（,6）,T,st,=,st,T,N,=1 . 7,45,.24=76 .91Nm,1 .起动过程存在的问题,起动初始瞬间，,n,=0，,s,=1,（1）,起动电流,I,ST,大，57,I,N,。,频繁起动会使电动机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电,压降落，影响邻近负载的正常工作。,（2）,起动转矩,T,ST,不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子感抗大，使转子的 功率 因数很低, 不能带动较大负载起动。,3.5,三相异步电动机的使用,3.5.1三相异步电动机的起动,（1）,直接起动,直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：,起动转矩小；起动电流大，比额定值大47倍； 影响同一电网上其它负载的正常工作。,优点：,简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机,（2）,降压起动,起动时降低电动机的电源电压，以限制起动电流，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,2 .起动方法,起动转矩与外加电压平方成正比，降压的同时也大大的,降低了起动转矩，因此这种方法使用于轻载或空载起动。,a,星形三角形（,Y-,）,转换,降压起动,FU,W,2,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,Q,1,转子,定子,绕组,只适用于正常运行时,为,接法,的电动机,Q,2,Y,U,1,U,2,V,1,W,1,V,2,W,2,Y,型,W,1,V,1,U,1,U,2,V,2,W,2,型,FU,W,2,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,Q,1,转子,定子,绕组,Q,2,Y,起动电流和起动转矩都降,低到直接起动时的三分之一,型,Y,型,I,l,Y,/,I,l,=1,/,3,T,st,Y,/,T,st,=,U,P,Y,2,/,U,P,2,=,(,U,l,/,3 ),2,(,U,l,),2,=,1,/,3,I,l,Y,=,I,PY,=,U,PY,/,|,Z,|=,U,l,/,(3 |Z |),I,l,=,3,I,P,=,3,U,P,/,|,Z,|,= 3,U,l,/,|Z |,a,星形三角形（,Y-,）,转换,降压起动,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,Q,1,Q,2,起动,三相自耦变压器,M,3,b,自耦变压器降压起动,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,Q,1,Q,2,运转,起动,三相自耦变压器,M,3,b,自耦变压器降压起动,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,Q,1,Q,2,运转,起动,三相自耦变压器,M,3,b,自耦变压器降压起动,I,st,=,(0.55),2,I,st,自耦变压器抽头有 0.55, 0.64, 0.73 等,I,st,=,(0.55),I,st,I,st,I,st,I,st,如:,变压器变比,则变压器副方电流,为 = 0.55,1,n,而变压器原方电流,电动机起动转矩,T,st,=,(0.55),2,T,st,结论:,电动机起动,电流,I,st,和起动转矩,T,st,均为直接起动的1/,n,2,。,绕线式电动机起动时，在转子绕组中串电阻，减小起动电流。,c,转子串电阻起动,2,R,2,+,X,S2,E,2,I,2,= ,2,起动时先将起动变阻器的阻值置于最大位置，随着,转速的上升，逐渐减小起动电阻，直到电动机转速接近额定值时，再全部切除起动电阻，使电动机进入正常运行状态。,转子串电阻起动，不但减小了起动电流而且增大了,cos,2,，,提高了起动转矩。,起动电阻,Q,定子绕组,转子绕组,滑环,电刷,例,3.5.1,一台笼型三相异步电动机定子绕组为三角形联接，,P,N,28KW，,U,N,380V，,I,N,58A，,cos,N,0.88，,n,N,=,1455r/min,，,st,=1.2,I,st,/I,N,=6, ,m,=2.3，,起动负载转矩为71.5,N,m,，,要求起动电流不大于150,A。,（1）,该电动机能否采用星形三角形转换方法进行起动？,（2）若采用自耦变压器降压起动，当自耦变压器的抽头为64 ,（ ）时，能否满足起动要求？,解,（1）电动机额定转矩为,直接起动时的起动转矩为,星形三角形起动时的起动转矩,星形三角形起动时的起动电流,直接起动时的起动电流为,可以采用星形三角形转换起动方法。,（2）,用自耦变压器降压起动时,能满足要求。,p,=,(1,s,),60,f,1,n,= (1,s,),n,1,调速方法,3.5.1三相异步电动机的调速,在某一确定负载下，人为的改变电动机转速称为调速。,改变电动机转速有三种方法：,改变磁极对数,P,、,改变转差率,s,、,改变电源频率,f,1,。,改变定子绕组所形成的磁极对数与改变电源频率的调速方法适用于笼型异步电动机，它们是改变旋转磁场转速,n,0,的调速方法。,改变电动机转差率的方法只适用于绕线式异步电动机，它不改变旋转磁场的转速,n,0,，,而是在转子绕组电路中串联电阻，改变转差率，实现对电动机的调速。,变频调速是通过改变电动机电源频率得到的平滑调速。,1.,变频调速,若电源电压,U,1,不变，则磁通随频率而变。通常电机在设计中，将磁通,的数值选择在接近饱和值上。,在改变,f,1,的同时要同步调节电源电压,U,1,，,以保持,U,1,/,f,1,比值为恒定，从而维持磁通恒定不变。,异步电动机变频调速的控制方式主要有：,（1）保持,U,1,/,f,1,比值恒定的恒转矩变频调速方式,这种方式是将频率,f,1,从额定值往下调，,U,1,同时减小。,这种调速方法的机械特性较硬，调速范围较宽，但低速性能较差。如果电源频率,f,1,能实现连续调节，就能实现无级变频调速。,T,n,0,f,1,f,1,f,1,f,1,f, ,f,1,n,n,N,n,T,N,调速过程中，由于,U,1,=4.44,f,1,N,1,，,T,=C,T,I,2,cos,2,，,如果负载转矩不变磁通又是恒定的，则转子电流不变，电动机输出转矩也不变，故为,恒转矩调速,。,（1）保持,U,1,/,f,1,比值恒定的恒转矩变频调速方式,在电源电压,U,1,不变的情况下，提高电源频率会使磁通,减小，输出转矩随之减小。对于恒功率负载，使电动机转速升高，从而异步电动机的电磁功率基本保持不变，,属恒功率变频调速方式,。,（2）恒功率变频调速方式,这种方式是将频率从额定值向上调,T,n,0,f,1,f,1,f,1,f,1,f,1,f,1,n,n,N,n,T,N,这种恒功率变频调速方式（也称为恒压弱磁变频调速方式）的机械特性较软。,a.,大范围无级平滑调速；,b.,需要专门的变频调速设备， 且成本较高。,特点：,变频器简介,实现变频调速就要有变频电源，变频电源是由变频器提供的。,变频器的基本结构：主电路包括,整流、滤波和逆变,三个部分。,交流,电源,整 流,滤 波,逆 变,M,电动机,主电路,驱动电路,运算电路,保护电路,检测电路,控制电路,频率和电,压可调的,交流电源,控制电路的功能是向主电路提供控制信号，它包括进行电压和频率运算的运算电路、对主电路进行电流电压检测的检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路以及主电路和控制电路的保护电路。,交流,电源,整 流,滤 波,逆 变,M,电动机,主电路,驱动电路,运算电路,保护电路,检测电路,控制电路,频率和电,压可调的,交流电源,在现代变频器中，普遍采用,正弦波脉宽调制,（,SPWM）,方式将直流电转换为频率和电压可调的交流电。它是,通过改变输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波,。即，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小。如果脉冲间的间隔小，相应的输出电压大；反之，脉冲间的间隔较大，相应的输出电压也较小。,0,t,T,u,0,t,T,u,变频调速器应用实例：变频供水控制系统,压力设定,可编程序,控制器,变频调速器,接触器,压力传感器,水泵,机组,用户管网,各种控制,信号,系统以可编程序控制器为控制核心，实现系统要求的控制。通过压力传感器检测到用户水压的大小，将这一信号送入,PLC，PLC,与压力的设定值比较后，将按编制好的程序进行处理，然后向变频调速器发出速度调节信号，调节水泵的旋转速度，从而实现恒压供水。,3.5.1 三相异步电动机的调速,调速方法,n,= (1,s,),n,1,p,=,(1,s,),60,f,1,2.,改变极对数,p,调速,有级调速,变极调速是通过改变异步电动机定子旋转磁场磁极对数来改变旋转磁场转速,n,0,，,从而实现调速。当极对数增加一倍时，旋转磁场的转速,n,0,就降低一半，转子转速也将降低一半，显然这种调速方法是有级调速。,S,U,1,U,2,U,1,U,2,S,N,S,N,S,N,N,S,U,1,U,1,U,2,U,2,U,1,U,2,U,1,U,2,U,2,S,N,U,1,S,N,U,1,U,1,U,1,U,1,U,2,U,2,n,1,=,1500,3000 r/m,P,=2,P,=1,p,=,(1,s,),60,f,1,n,= (1,s,),n,1,调速方法,3.,改变转差率,s,调速,绕线式电动机在转子绕组,中串入电阻,R,2,可改变转,差率,s,和转速,n,。,a.,小范围无级调速,特点:,b.,R,2,大,特性变软,3.5.1 三相异步电动机的调速,T,N,R,2,R,2,T,n,0,R,2,n,0,当转子的转速,n,超过,旋转磁场的转速,n,1,时，,这时的转矩是制动转矩。,F,例：已知,T,N,=260 N,m,，,I,N,=75 A，,N,=84,.5%，,U,N,=380 V，,接，,f,1,=50Hz，,I,st,/,I,N,=7， ,st,=1,.2。,求：,（1）负载转矩为280,N,m,，,在,U,=,U,N,和,U,=0,.9,U,N,两种,情况下电动机能否直接起动,；（2）,采用,Y,起动求起动电流及起动转矩；（3）当负载转矩为额定转矩的50%时和30%时，利用,Y,起动，电动机能否起动？,解,： （1）,U,=,U,N,T,s,t,=,1,.2,T,N,=1.2,260=312,N,m 280,N,m,可以起动,U,= 0,.,9,U,N,T,s,t,=,0,.9,2,T,st,= 0,.9,2,312,=252.7,N,m 104,N,m,电动机,不能起动,T,=,30%,T,N,= 0,.3,260,=78,N,m 104,N,m,电动机能起动,解,：,T,N,=,260,N,m,T,stY,=104,N,m,本章结束！,