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1、交流电机、变频器基本原理概述,商用车事业部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磁感线的方向。,（a）直导线电流的磁场,（b）线圈电流的磁场,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，
2、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。,（a）三相绕组,（b）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。,一、三相交流异步电动机的基本原理,2.旋转磁场的产生,（a）t=00,（b）t=900,当t=00时，i1=0， i20 ，i30，根据右手螺旋定则，产生合成磁场如虚线所示。,当t=900时，i10， i20 ，i30，根据右手螺旋定则，产生合成磁场如虚线所示。,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。,一、三相交流异步电动机的基本原理,3.电磁转矩的产生,（a）转子电流有功分
3、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,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,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、
4、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
5、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,（f）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原理,6.三相交流电动机基本公式,（h）电动机的效率,（i）电动机电磁转矩,（j）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,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,令,（k）电
6、磁转矩的参数公式,其中,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,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,异步电机的各种运行状态,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以上的笼型异步电动机，转子铁心
7、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。,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
8、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：,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（定子串联电阻或电抗）,（a）定子串电阻起动,（b）定子串电抗起动,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
9、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。,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）星形-三角形减压起动,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（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
10、降低。起动后再将电压恢复到额定值。,（a）自耦变压器减压起动,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（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。,（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,3.三相交流异步电动机调速,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变频调速（减速）,（a）f1fN,当变频调速加速
11、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。,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,（a）Y-YY变极时,（b）-YY变极时,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。,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,（a）恒转矩负载,（b）恒功率负载,（c）通风机负载,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。但是对于恒转矩负载和恒功率负载来说只有转速大于nM运行才稳定
12、，调速范围过小，通风机调速范围大，但需注意电流不可超过额定值。,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转子串联电阻调速,（a）转子串联电阻调速,增加转子电阻R2便可改变电动机的机械特性，使得工作点由a点变到c点，从而降低了转速。R2越大，n越低。通过公式的推导，可推出其为恒转矩调速。,二、三相交流异步电动机的基本应用,4.三相交流异步电动机制动,二、三相交流异步电动机的基本应用,4.三相交流异步电动机制动能耗制动,（a）能耗制动电路图,（b）制动转矩的原理图,二、三相交流异步电动机的基本应用,4.三相交流异步电动机制动反接制动（转子反相的反接制动）,（a）制动前电路,（b
13、）制动时电路,（c）机械特性,二、三相交流异步电动机的基本应用,4.三相交流异步电动机制动反接制动（定子反相的反接制动）,（a）制动前电路,（b）制动时电路,（c）机械特性,二、三相交流异步电动机的基本应用,4.三相交流异步电动机制动回馈制动,（a）调速中的回馈制动,（b）下放重物时的回馈制动,三、变频器的基本原理,1.变频器的基本概念,改变频率的电路称为变频电路。变频电路有交交变频电路和交直交变频电路两种形式。前者直接把一种频率的交流便哼另一种频率或可变频率的交流，也称为直接变频电路。后者先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流，这种通过直流中间环节的变频电路也称为间接变
14、频电路。直接变频电路中又包含晶闸管交交变频和矩阵式变频电路。,三、变频器的基本原理,2.晶闸管交交变频单相交交变频电路,单相交交变频电路是由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。电流器P和N都是相控整流电路，P组工作时负载电流为正，N组工作是负载电流为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变变流电路工作时的控制角就可以改变交流输出电压的幅值。其中甲流电路通常采用6脉波的三相桥式电路或12脉波变流电路。,图4-8,三、变频器的基本原理,2.晶闸管交交变频三相桥式全控整流电路,图2-7,三相桥式全控整流电路的原理如图所示，将阴极连在一起的3个晶闸管称为共阴极组；将阳极连
15、在一起的3个晶闸管称为共阳极组。晶闸管导通的顺序为1-2-3-4-5-6。,三、变频器的基本原理,2.晶闸管交交变频晶闸管的结构,晶闸管是晶体闸流的简称，又称为可控硅整流器。其内部是PNPN四层半导体结构。晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释。,图1-7,三、变频器的基本原理,2.晶闸管交交变频晶闸管的基本特性,静态特性1.当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会道童2.当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通3.晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，进闸管都保持导通。4.若要使已导通的进闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值一下。,
