机电传动控制第(8)解析

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1、第五章 交流电动机的工作原理及特性 电动机的分类： 鼠笼式异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法机械特性、控制方法 电动机电动机 交流电动机交流电动机 直流电动机直流电动机 三相电动机三相电动机 单相电动机单相电动机 同步电动机同步电动机 异步电动机异步电动机 他励、并励电动机他励、并励电动机 串励、复励电动机串励、复励电动机 5.1三相异步电动机的基本结构和工作原理 51 三相异步电动机的基本结构和工作原理 一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要 由定子和转子两个部分组 成，定子是不动的部分， 转子是旋转部分，在定子 和转子之间有一定

2、的气隙 。如图所示。 1.定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 定子铁心是磁路的一部 分，它由0.5mm的硅钢片叠 压而成，片与片之间是绝缘 的，以减少涡流损耗。定子 铁心的硅钢片的内圆冲有定 子槽，槽中安放线圈，如图 所示。硅钢片铁心在叠压后 成为一个整体，固定于机座 上。 定子绕组是电动机的电 路部分。三相电动机的定子 绕组分为三个部分对称地分 布在定子铁心上，称为三相 绕组，分别用AX、BY、CZ 表示，其中，A、B、C称为 首端，而X、Y、Z称为末端 。 机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采 用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。 三相绕组接入三相交流

3、电源，三相绕组中的电流定子铁心中产 生旋转磁场。 2.转子 转子铁心也是电动机磁 路的一部分，由硅钢片叠压 而成。转子铁心装在转轴上 。硅钢片冲片如图所示。 转子由铁心与绕组组成。 线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理 是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。 鼠笼式异步电动机转子绕 组是在转子铁心槽里插入铜条 ，再将全部铜条两端焊在两个 铜端环上而组成，如图所示。 线绕式异步电动机转 子绕组是由线圈绕组放入转 子铁心槽内，并分为三相对 称绕组，与定子产生的磁极 数相同。线绕式转子通过轴 上的滑环和电刷在转子回路 中接入外加电阻，用以改善 启动性能与调节转速， 鼠

4、笼式电动机与绕线式电动机的的比较： 鼠笼式：鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改 变电动机的机械特性。 绕线式：绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。 二、三相异步电动机的工作原理 1定子旋转磁场 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹 槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端A、B、C接三相 交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图所示。 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相 绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组A、B、C的 电流（相序为ABC）的瞬时值为：

5、如图所示是这些电流随时间变化的曲线。 iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端； iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。 按右手螺旋法则确定三 相电流产生的合成磁场，如 图（a）箭头所示。 iA=0 iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端； iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。 此时的合成磁场如图（b ）所示，合成磁场已从t=0 瞬 间所在位置顺时针方向旋转 了 /3。 iC=0 iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端； iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。 此时的合成磁场如图

6、（c）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方 向旋转了2 /3。 iB=0 iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端； iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到Y端。 此时的合成磁场如图（ d）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋 转了 。 按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁 场也在不断旋转，故称旋转磁场。 2旋转磁场的旋转方向 A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2 /3，而B相绕组内的 电流又超前C相绕组内的电流2 /3，当三相交流电的ABC ， 旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方向旋转。 如果将定子绕组接至

7、电源的三根导线中的任意两根线对调，例 如，将B，C两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位对调，如 图所示。 此时A相绕组内的电流超前C相绕组内的电流2 /3，而C相绕 组内的电流又超前B相绕组内的电流2 /3，用上述同样的分析方法 可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为ACB，即向逆时针方向 旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。 由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到 电源的三根导线中的任意两根对调即可。 3.旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速 度，用n0表示。 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即 p=1。

8、 从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角 度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电 流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即： 如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的 三相绕组。 其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对 称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场 。如图所示。 从图可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位 置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 /2， 即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。 由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，

9、其旋转速度 仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为： 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数 成反比。 旋转磁场转速旋转磁场转速n n 0 0 与极对数与极对数 p p 的关系的关系 极对数 每个电流周期 磁场转过的空间角度 同步转速 旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关 。 可见可见: : 4工作原理 三相异步电动机的工作原 理是基于定子旋转磁场和转子 电流的相互作用。 假设定子只有一对磁极，转 子只有一匝绕组。 转动原理 A X Y C B Z 定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电 方向方向: :顺时针顺时针 切割转子导体切割转子导体

10、右手定则右手定则 感应电动势感应电动势 E E20 20 旋转磁场旋转磁场 感应电流感应电流 I I 2 2 旋转磁场旋转磁场 左手定则左手定则 电磁力电磁力F F F 电磁转矩电磁转矩T T n n F 5.转差率 S 由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁 场的旋转速度n0（同步速度）要小。因此，转子与旋转磁场之间的 转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。 定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差 率，用表示S，即 转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。 如果: 无转子电动势和转子电流无转子电动势和转子电流 转子与旋转磁场间没有

11、相对运动，磁通不切转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条割转子导条 无转矩无转矩 异步电动机运行中异步电动机运行中: : 转子转速亦可由转差率求得 例一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的 极对数和额定负载下的转差率。 解： 根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 即即 p p=3=3 额定转差率为额定转差率为 5.2 三相异步电动机的额定参数 一、 三相异步电动机定子绕组的接法 1两种接法 定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上， 一般按图所示的方法排列。 按照我

12、国电工专业标准规定 ：定子绕组出线端的首端为D1、 D2、D3，末端为D4、D5、D6。 三相电动机的定子绕组有星形（Y型）和三角形（形）两种 不同的接法，如图所示。 2线电压与相电压 线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1表示； 相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。 对于星形接法： 对于三角形接法 ： 3线电流与相电流 线电流：电网的供电电流，用I1 表示； 相电流：每相绕组的电流，用I相表示。 对于星形接法 ： 对于三角形接法 ： 4. 电动机的输入功率 二、额定参数 电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定 运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明

13、在 电动机的铭牌上。 1. 额定功率PN： 在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。 输出功率的一般表达式为： 其中： 效率 P1 输入功率 P2输出功率 输出功率和输出转矩的关系为： I2为转子电流 2.额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压 值。 如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用 /Y连接时应加的线电压值。 即： 三角形接法时，定子绕组应接220V的电源电压； 星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。 3.额定频率f ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ Hz）。 如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为 /Y连

14、接的线电流值。 4.额定电流IN ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时 ，定子的线电流值。 即： 三角形接法时，定子电流为10.35A； 星形接法时，定子电流为5.9A。 5.额定转速nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定 功率时，电动机的转速。 与额定转速相对应的转差率称为额定转差率SN。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下 ： 1.额定功率因数 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上 输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。 2.额定效率 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定 功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为 3.额定负载转矩TN ：

15、电动机在额定转速下输出额定功率时轴上 的负载载矩。 4.线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流 。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。 三、定子绕组连线方法的选用 定子三相绕组的连接方式（Y形或形）的选择，和普通三相负 载一样，须视电源的线电压而定。 如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的 绕组应该接成三角形； 如果电源的线电压是电动机额定相电压的 倍，那么，电动 机的绕组就应该接成星形。 通常电动机的铭牌上标有符号 /Y和数字220 /380 ，前者表示 定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。 例 电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭

16、牌数据如下， 试选择定子绕组的连接方式。 1. J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流 4.25/2.45A，转速1420 r/min，功率因数0.79。 2. J02-21-4，功率1.1 kW，连接方法 ，电压380V，电流6.27A ，转速1410 r/min，功率因数0.79。 解： J32-4 电动机应接星形（Y），如图(a) 所示。 J02-21-4 电动机应接成三角形（ ），如图 (b)所示。 5.3 三相异步电动机的电路分析 异步电动机电磁关系同变压器 三相异步电动机与变压器的不同之处。三相异步电动机与变压器的不同之处。 1 1）变压器是静止的。而）变压器是静止的。而异步机是旋转的。 2 2）变压器的磁路是无气隙的。而）变压器的磁路是无气隙的。而异步机中的定子和 转子之间是有气隙。 3 3）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而 异步机中转子感应电动势的