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1、交流电机、变频器基本原理概述交流电机、变频器基本原理概述商用车事业部商用车事业部焊接二车间机电技术组焊接二车间机电技术组 目 录 一、三相交流异步电机的基本原理 二、三相交流异步电机的基本应用 三、变频器的基本原理 四、变频器的基本应用 五、电动机与变频器的应用一、三相交流异步 电动 机的基本原理1.右手螺旋定 则磁 场 是由 电 流 产 生，磁 场 的情况可形象地用磁感 线 来描述。右手螺旋定 则 的用法是：在 图 （ a）中用右手大拇指表示 电 流的方向，其他四指的回 转 方向待 变 磁感 线 的方向；在（ b） 图 中有右手四个手指的回 转 方向代表 电 流的方向，大拇指表示 线 圈内部
2、磁感 线 的方向。 c（ a）直导线电流的磁场 （ b）线圈电流的磁场（ a）三相绕组 （ b）三相电流一、三相交流异步 电动 机的基本原理2.旋 转 磁 场 的 产 生在匝数相同，形状尺寸一 样 ， 轴线 在空 间 互差 120。 的三相 绕组上通以三相 电 流。U1、 V1 、 W1为绕组 的首段， U2、 V2 、 W2为绕组 的末段， i1、 i2 、 i3为 相 应电 流。（ a） t=00 （ b） t=900一、三相交流异步 电动 机的基本原理2.旋 转 磁 场 的 产 生三相 电 流通 过 三相 绕组 是所 产 生的合成旋 转 磁 场 是个空 间 旋 转 磁场当 t=00时 ，
3、 i1=0， i2 0 ， i3 0，根据右手螺旋定 则 ，产 生合成磁 场 如虚线 所示。当 t=900时 ， i1 0， i2 0 ， i3 0，根据右手螺旋定 则， 产 生合成磁 场 如虚 线 所示。（ a）转子电流有功分量与旋转磁场的相互作用 （ b）转子电流无功分量与旋转磁场的相互作用（ c）右手定则 （ d）左手定则一、三相交流异步 电动 机的基本原理3.电 磁 转 矩的 产 生一、三相交流异步 电动 机的基本原理4.三相交流 电动 机工作原理由此可 见 ，三相异步 电 机的工作原理可以 简 述如下：定子三相 电压 U1产 生定子三相 电 流 I1，三相 电 流通 过 定子三相 绕
4、组产生旋 转 磁 场 ，由于 转 子与磁 场 存在着相 对 运 动 ，在 转 子 绕组中 产 生了感 应电动势 E2。由于 转 子 绕组 是 闭 合的，因而 产 生了感 应电 流 I2， I2与旋 转 磁 场 相互作用 产 生了 电 磁 转 矩 T，从而使转 子拖 动 生 产 机械以 转 速 n运 转 。 这 一工作 过 程可以表示成：U1 I1 E2 I2 T n名称 符号 名称 符号额 定功率 PN 同步 转 速 n0额 定 电压 UN 磁极 对 数 p额 定 电 流 IN 转 差率 s额 定 频 率 fN 电 磁 转 矩 T额 定 转 速 nN 槽距角 额 定功率因数 N 极距 额 定效
5、率 N 节 距 y一、三相交流异步 电动 机的基本原理5.三相交流 电动 机基本公式符号一、三相交流异步 电动 机的基本原理6.三相交流 电动 机基本公式（ a） 转 差率转 子 转 速 n与同步 转 速 n0之差，与同步 转 速 n0的比 值 称作 转 差率（ slip），用 s表示，即 s=（ n0 -n） / n0。因此 转 子 转 速：n=（ 1-s） n0（ b）三相异步 电动 机的功率其中m1为 定子 绕组 的相数； U1为 定子 电压 ； I1为 定子 电 流；cos1为 功率因数 一、三相交流异步 电动 机的基本原理6.三相交流 电动 机基本公式（ c）槽距角其中 p为 磁极
6、对 数z为电 机的槽数 （ d）极距其中 p为 磁极 对 数z为电 机的槽数 一、三相交流异步 电动 机的基本原理6.三相交流 电动 机基本公式（ c）定子 铜损 耗 （ d）定子 铁损 耗（ e） 电 磁功率利用 T形等效 电 路可知继续转 化（ f） 转 子 铜损 耗由（ e）和（ f）可以得出一、三相交流异步 电动 机的基本原理6.三相交流 电动 机基本公式（ g） 电动 机 转轴 上的机械功率由（ e）和（ g）可得出由（ f）和（ g）可得（ h） 电动 机的 输 出功率其中机械 损 耗 Pme，附加 损 耗 Pad空 载损 耗总损 耗铜损 耗平衡方程一、三相交流异步 电动 机的基本
7、原理6.三相交流 电动 机基本公式（ i） 电动 机的效率（ j） 电动 机 电 磁 转 矩（ k） 电 磁 转 矩的物理公式一、三相交流异步 电动 机的基本原理6.三相交流 电动 机基本公式令其中 CT由 电 机 结 构决定的常数 m为 磁通最大 值I2cos2为转 子每相 电 流的有功分量（ l） 电 磁 转 矩的参数公式其中异步 电 机的各种运行状 态状态 制动状态堵转状态 电动机状态 理想空载状态发电机状态转 子 转 速 n 0 n 0 0 n n0 n n0 n n0 转 差率 s 1 s 1 1 s 0 s 0 s 0二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用1.三相交流异步 电动
8、机工作状 态转 子 转 速 n与同步 转 速 n0之差，与同步 转 速 n0的比 值 称作 转 差率（slip），用 s表示，即 s=（ n0 -n） / n0。因此 转 子 转 速： n=（ 1-s） n0二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用1.三相交流异步 电动 机工作状 态电动 机 转 子 绕组的 结 构有 笼 型（又称鼠 笼 型）和 绕线 型两种。因而三相异步 电动 机也分 为笼 型异步电动 机和 绕线 型异步电动 机两种。二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用1.三相交流异步 电动 机工作状 态笼 型 绕组为 自行 闭 合的 对 称多相 绕组 。 额 定功率在 100kw以上的
9、 笼 型异步 电动 机， 转 子 铁 心槽内嵌放的是 铜 条， 铜 条的两端各用一个 铜欢焊 接起来，形成 闭 合回路。 100kw以下的 笼 型异步 电动 机， 转 子 绕组 以及作冷却用的 风 扇 则 常用 铝 一起 铸 成。二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用1.三相交流异步 电动 机工作状 态绕线 型异步 电动 机的 转 子 绕组 与定子 绕组 一 样 也是三相 绕组 ，都是采用星形 联结 。它的首端分 别 与 转轴 上的三个彼此 绝缘 的 铜质 滑 环 （集电环 ）相 连 接。每个滑 环 上都用 弹 簧 压 着一个固定不 动 的 电 刷， 转 子 转动时 滑 环 与滑刷之 间 保
10、持滑 动 解除。 转 子 绕组 的三个首端通 过电 刷引到接 线 盒中，以便在 转 子 电 路中串入附加 电 阻，改 变电动 机的起 动 和 调 速性能。电机类型 起动方式笼 型异步 电动 机 直接起 动减 压 起 动1.定子串 电 阻或 电抗减 压 起 动2.星形 -三角形减压 起 动3.自耦 变压 器减压 起 动4.软 启 动 器起 动绕线 型异步 电动机转 子 电 路串 联电阻起 动1.无 级 起 动2.有 级 起 动二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用2.三相交流异步 电动 机起动二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用2.三相交流异步 电动 机起 动 直接起 动直接起 动 又称全
11、 压 起 动 ，就是将 电动 机的定子 绕组 直接加上 额 定 电压 起动 。直接起 动 缺点：短 时电 流 过 大、 频 繁起 动 引起 电动 机 过热 ，引起供 电电压 下降。直接起 动 要求： 电 源容量足 够 大、 电 源 额 定 电 流 远 大于 电动 机的起 动电流，起 动转 矩 满 足。一般 规 定， 7.5kw一下的 笼 型异步 电动 机可以直接起 动 。 7.5kw以上， 电源容量能 满 足下述条件者可以直接起 动 ，即起 动电 流倍数：（ a）定子串电阻起动 （ b）定子串电抗起动二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用2.三相交流异步 电动 机起 动 减 压 起 动 （定
12、子串 联电 阻或 电抗）通 过 开关断开 闭 合，定子 电 流在 电 阻和 电 抗上 产 生 电压 降，使定子 电压降低，减小起 动电 流。起 动 后开关 闭 合，切除 电 阻或 电 抗。起 动 方法 简单 ，但定子串 电 阻起 动 耗能 较 多，主要用于低 压 小功率 电动机。定子串 电 抗起 动 投 资较 大，主要用于高 压 大功率 电动 机。（ a）星形 -三角形减压起动项目 等式定子 线电压 比定子相 电压 比定子相 电 流比起 动电 流比电 源 电 流比起 动转 矩比二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用2.三相交流异步 电动 机起 动 减 压 起 动 （星形 -三角形减 压 起
13、动）星形 -三角形减 压 起 动 只适用于正常运行是 为 三角形 联结 的 电动 机。起 动时 ，定子 绕组 先按星形 联结 ，起 动 后再 换 成三角形 联结 。（ a）自耦变压器减压起动项目 等式定子 线电压比定子相 电压比定子相 电 流比起 动电 流比电 源 电 流比起 动转 矩比二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用2.三相交流异步 电动 机起 动 减 压 起 动 （自耦 变压 器减 压 起 动）自耦 变压 器起 动 又称 为 自耦减 压 起 动 或自耦 变压 器起 动 。起 动时 ，先通过 三相自耦 变压 器将 电动 机的定子 电压 降低。起 动 后再将 电压 恢复到 额定 值 。
14、（ a）接线图 （ b）限压起动模式的起动过程（ c）限流起动模式的起动过程二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用2.三相交流异步 电动 机起 动 减 压 起 动 （ 软 启 动 器起动 ）随着 电 力 电 子技 术 和微机控制技 术 的 发 展出 现 了 软 启 动 器。 软 启 动 器是一种集成器件，利用 软 起 动 器起 动 可以在 电动 机的起 动过 程中，通 过 自动调节电动 机的 电压 ，得到期望的起 动 性能。 软 启 动 器通常有限 压 起 动和限流起 动 两种模式。电机类型 调速方式笼 型异步 电动 机 变频调 速变 极 调 速变压调 速绕线 型异步 电动 机 转 子串 联
15、电 阻 调 速二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用3.三相交流异步 电动 机 调 速（ a） f1fN二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用3.三相交流异步 电动 机 调 速 变频调 速（加速）当 变频调 速加速 时 ， U1UN是不被允 许 的，因此只能保持 U1=UN不 变 ，最大 转 矩与 f12成反比。因此增加后的机械特性曲 线 如 图 所示。（ a） Y-YY变极时 （ b） -YY变极时二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用3.三相交流异步 电动 机 调 速 变 极 调速通 过 改 变绕组 的 联结 方式改 变 旋 转 磁 场 的磁极 对 数，而磁极 对 数的改变导 致其 转 速， 电 磁 转 矩的改 变 。（ a）恒转矩负载 （ b）恒功率负载 （ c）通风机负载二、三相交流异步 电动 机的基本 应 用3.三相交流异步 电动 机 调 速 变压调速变压调 速通 过 降低定子 电压 ，改 变电动 机的机械特性，使得工作点由a点 变 到 b点，从而降低了 电动 机的 转 速。但是
