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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
2、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。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，i1=0， i20 ，i30，根 据右手螺旋定则， 产
3、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。（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，
4、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极距额定效率N节距y一、三相交流异步电动电动 机的基本原理5.三相交流电动机基本公式符号一、三相交流异步电动电动 机的基本原理6.三相交流电动机基本公式（a）转转差率 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
5、异步电动电动 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）定子铜损铜损 耗 （d）定子铁损铁损 耗（e）电电磁功率利用T形等效电路可知继续转 化（f）转转子铜损铜损 耗由（e）和（f）可以得出一、三相交流异步电动电动 机的基本原理6.三相交流电动机基本公式（g）电动电动 机转轴转轴 上的机械功率由（e）和（g）可得出由（f）和（g）
6、可得（h）电动电动 机的输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、三相交流异步电动电动 机的基本原理6.三相交流电动机基本公式（i）电动电动 机的效率（j）电动电动 机电电磁转转矩（k）电电磁转转矩的物理公式一、三相交流异步电动电动 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）电电磁转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n0n00nn0 nn0 nn0 转差率s1s11s0s0s0二、三相交流异步电动电动 机
7、的基本应应用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） n0二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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
8、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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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。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
9、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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用2.三相交流异步电动机起 动二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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：（a）定子串电阻
10、起动（b）定子串电抗起动二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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）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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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
11、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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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。（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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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
12、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电阻调速二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用3.三相交流异步电动机调速（a）f1fN二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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）
13、-YY变极时二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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，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。（a）转子串联电阻调速二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用3
14、.三相交流异步电动机调速转子串联电阻调 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。制动类动类 型制动动特点能耗制动1.能耗制动过程迅速停机2.能耗制动运行下放重物反接制动1.定子反相的反接制动迅速停 机2.转子反向的反接制动下放重 物回馈制动1.调速过程中的回馈制动2.下放重物的回馈制动二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用4.三相交流异步电动机制 动（a）能耗制动电路图（b）制动转矩的原理图二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用4.三相交流异步电动机制动能耗制 动（a）制动前电路（b）制
15、动时电路（c）机械特性二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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）制动时电路（c）机械特性二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用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）调速中的回馈制动（b）下放重物时的回馈制动二、三相交流异步电动电动 机的基本应应用4.三相交流异步电动机制动回馈制 动三、变频变频 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。图4-8三、变频变频 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2-7三、变频变
