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1、第5章 异步电动机及其控制,5.1 异步电动机的基本知识,5.2 异步电动机的电磁转矩与机械转矩,5.3 三相异步电动机的控制,5.4 常用低压控制电器,5.5 基本电气控制线路,5.6 可编程控制器与传感器简介,学习目的与要求,了解三相异步电动机的结构组成，熟悉异步电动机的工作原理，了解铭牌数据；理解和掌握三相异步电动机机械特性的分析方法；了解单相异步电动机的结构组成及其工作原理；熟悉常用低压电器及在电路中的作用；掌握三相异步电动机基本控制线路的分析方法；理解电动机的起动、制动、调速等概念。,三相异步电动机的基本结构,1. 三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机,5.1 异步电动机的基本知
2、识,定子,转子,三相异步电动机具有结构简单、制造成本低廉、使用和维修方便、运行可靠且效率高等优点，被广泛应用于工农业生产中的各种机床、水泵、通风机、锻压和铸造机械、传送带、起重机及家用电器、实验设备中。,异步电动机的定子指其固定不动部分，主要包括有：,机座,机座是电动机 的支架，通常 用铸铁或铸钢 制成。,定子铁芯,铁芯硅钢片,异步电动机的定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成的。定子铁芯内圆冲有分布的槽。定子铁芯构成异步电动机磁路的一部分。,定子绕组,定子绕组是由 漆包线绕制而 成，嵌入到定子铁芯槽中。构成电机电路的一部分。,一般用45号钢制成，用来传递电磁转矩。,异步电动机的转子指其旋转
3、部分，主要部件包括：,转子铁芯也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成。在其内圆冲有均匀分布的槽，用来嵌放转子绕组。转子铁芯构成电动机磁路的又一部分。,转子铁芯,铁芯硅钢片,转子绕组,转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体。转子绕组构成电动机电路的另一部分。,转轴,绕线式异步电动机的转子结构中，转子铁芯与鼠笼式相类似，但转子绕组与定子绕组相同，也是采用漆包线绕制成对称三相绕组，嵌放到转子铁芯中。绕线式转子三相绕组必须连接成星形，三个向外的引出端子与固定在转轴上的三个相互绝缘的铜环相接，如下图所示：,由于绕线式异步电动机的能采用转子绕组串电阻起动和调速，因此起动性能和调速性能均比
4、鼠笼式异步机优越。,转轴,转子铁芯,固定在转轴 上的三个铜 滑环。,Y接三相转子绕组分别与三个铜滑环相联。,变阻器,电刷,电刷与滑环紧压，并通过输电线与变阻器相联。,显然，三相绕线式异步机的转子绕组是闭合的。,2. 三相异步电动机的工作原理,三相异步电动机是如何转动起来的？,设三相异步电动机模型的定子磁极是顺时针转动的。,固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势。,转子绕组是闭合的，因此感应电动势在绕组中产生感应电流。感应电流的方向与感应电动势的方向相同。,载流的转子绕组处在磁场中，必定受到电磁力的作用。,两个电磁力的大小相等、方向相反，因此对电动机转轴形成了电磁转矩。于是转子就顺
5、着定子磁场的方向转动起来。,模型电机的 定子磁极,模型电机的 转子绕组,e,e,i2,n0,电机转动的关键是：旋转的定子磁场！,用右手定则 判断,用左手定则 判断,实际三相电动机的旋转磁场是如何产生的呢？,在电动机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电；,t =0时电流和磁场情况,A、C两相电流t=0时为正，因此首端流入、尾端流出。,B相电流t=0时为负，尾端流入、首端流出。,N,S,相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场，方向为：,t =120,t =120时电流和磁场情况,N,S,n0,显然，电流随时间变化120电角，电动机的气隙磁场在空间的位置也随之旋转了120。,观察电流波形图及电
6、机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序，ABC正序时气隙磁场顺时针旋转。,t =240,t =240时电流和磁场情况,N,S,n0,电流随时间继续变化，经历了120电角的同时，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了120。,t =360,t =360时电流和磁场情况,N,S,n0,电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360。,可见，工程实际中，三相异步电动机定子和转子之间的气隙旋转磁场代替了模型电机定子的转动磁极。,归纳：,只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。,n0
7、,三相异步电动机工作原理概括,在电动机对称三相定子绕组 中通入对称三相交流电流,产生气隙旋转磁场,转子导体与磁场相切割感应电 动势，由于闭合生成感应电流,载流导体受电磁力的作用形成力偶,力偶对电机转轴形成电磁转矩,从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。,F,F,若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可。,三相电动机旋转磁场的转速与哪些因素有关？,设电动机各相定子绕组有四个 线圈，各相首尾相接顺串后分别 构成三相定子绕组时，其磁极对 数：,当电动机各相定子绕组的四个线圈 首接首、尾接尾连接后分别构成三相 定子绕组时，其磁极对数：,显然，频率不变时，电动机旋转磁
8、 场的转速取决于电动机的极对数p。,四极旋转磁场转速的分析,相邻线圈电流的流向一致，其合 成磁场的分布情况为：,t =0时,t =120时,电流变化120，旋转磁场在空间 的位置仅转过了60；当电流变化 360时，四极电动机的旋转磁场才 能旋转180。显然，四极旋转磁场 的转速是二极电机的1/2。,依此类推，可得电动机旋转磁场的转速与极对数之间的关系为：,电动机通常工作在50Hz的工频情况下，因此：,即：异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电机的极对数(出厂时就已经确定)成反比。显然，改变电机的极对数，可以得到不同的转速。,有关转差率的讨论,电动机的转差速度与磁场转速之比称为转差率，用
9、s表示：,显然，电动机的转差率随着电动机转速的升高而减小。,(1) 电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s =1；,(2) 电动机转速最高时，转速nn0，转差率s 0；,(3) 电动机运行过程中，转速0nn0，转差率0s1；,问题与讨论,电动机的转速n能等于旋转磁场的转速n1吗？,分析,如果二者相等，则转子与旋转磁场之间,产生感应电流成为载流导体不是载流导体就无法在磁场中,nn1，异步！,就没有了相对切割转子不切割磁场就不能,受力不受力电动机就永远转运不起来。,例,解,有一台三相异步电动机，其额定转速为975r/min。试求工频情况下电动机的磁极对数和电动机的额定转差率。,由于电动机的额定
10、转速接近于旋转磁场的转速，所以,即该电动机的极对数p=3，同步转速n0=1000r/min。额定转差率为：,3. 三相异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机 型号 Y132M-4 功率 7.5KW 频率 50Hz 电压 380V 电流 15.4A 接法 转速 1440r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续 标准编号 工作制 S1 B级绝缘 年 月 编号 电机厂,Y表示异步机，132(mm)表示机座中心高；M代表中机座(L长机座、S短机座)，-4代表4极电机。,额定功率指的是电动机输出的机械功率。,额定电压、电流均指电动机额定运行情况下的定子线电压、线电流的数值。,额定转速指的是电动机转子的转速
11、n 。,三相异步电动机的定子绕组有两种接法：Y形和形 。,三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出，如图示：,Y形接线,形接线,4. 单相异步电动机简介,实验室、家庭及办公场所通常是单相供电，因此实验室的很多仪器、各种电动小型工具、家用洗衣机、电冰箱、电风扇等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75KW以下。,电容运转单相机,洗衣机电动机,电风扇电动机,制冷压缩机,单相异步电动机产品图,三相异步电动机只所以能够转动，是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场。那么，单相异步电动机通入单相交流电后，产生的是一个什么样的磁场呢？,单相异步电动机的定子磁场,单相
12、机定子,单相机转子,在定子绕组中通入单相交流电,电流正半周，线圈导体中通过 的电流始终为正值，如图示：,相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。,合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。,电流的负半周，线圈导体中通 过的电流方向始终为负，如图：,相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。,合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。,显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场。,单相异步电动机脉动磁场的分析,脉动磁场可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的旋转磁场B1和B2。,顺时针方向旋转的磁场B1
13、对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向旋转的磁场B2对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。,如何使单相异步电动机旋转起来呢？,电容分相法可让单相异步机转动,电容分相式异步电动机的定子有两个,绕组：一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕,组在空间对称嵌放。起动绕阻与电容C串联，使起动,绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90的相位差，即：,加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。这时两绕组中的电流磁场为：,可见，单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一个随时间空间位置不
14、断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。,单相异步电动机如果没有起动绕组能否转动起来？为什么？,你会做吗？,能否说出三相鼠笼式异步电动机名称的由来？为什么异步电动机常常称之为感应电动机 ？,检验学习结果,你能否从异步电动机结构上识别出鼠笼式和绕线式？二者的工作原理相同吗 ？,1. 异步电动机的电磁转矩,5.2 异步电动机的电磁转矩和机械转矩,电动机的结构常数,每极下工作主磁通,转子电流,转子电路功率因数,异步电动机的电磁转矩等于转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩之总和。,上式中各参数：,每极下工作主磁通 遵循主磁通原理。,转子电路的功率因数 和转子电流均随转差
15、率的变化而变化。,将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式，即可得到电磁转矩的另一种表达形式：,电磁转矩T正比电源电压U12 的平方，反映了电动机的电磁转矩在负载不变情况下，其大小取决于电源电压的高低。但这并不意味电动机的工作电压越高，电动机实际输出的电磁转矩就越大。,上式说明，只要电机参数不发生变化，电磁转矩,电动机拖动机械负载运行时，输出机械转矩的大小，实际上决定于来自于电动机轴上负载阻转矩的大小。换言之，当电磁转矩T等于负载阻转矩TL时，电动机就会在某一速度下稳定运行；若TTL，电动机就会加速运行；若TTL，电动机则要减速运行直至停转。,异步电动机电磁转矩特性,电磁转矩有三个重要值，分别为：
16、,n=0,n=n0,根据公式,可得异步机的电磁转矩特性曲线：,最大电磁转矩,对应最大电磁转矩的临界转差率。,(1)额定转矩TN,电动机额定电压下以额定转速nN运,功率单位若为W时，9550改为9.55,行，输出额定机械功率 PN时，电机转轴上对应输出的机械转矩为额定电磁转矩TN。,最大转矩反映了电动机带最大负载的性能，我们把它与额定转矩的比值称为电动机的过载能力，即：,最大电磁转矩,起动电磁转矩,(2)最大转矩TM,起动转矩反映了异步机带负载起动时的性能。起动转矩与额定电磁转矩之比称作电动机的起动能力，即：,(3)起动转矩Tst,m通常在1.62.0之间。如果负载转矩超过了最大转矩，电动机将停转。,st通常在1.41.8之间。如果电机的起动 转矩Tst小于电动机轴上的负载阻转矩TL时，电动机将无法起动。,2. 异步电动机的机械特性,机械特性
