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1、,普通高等教育“十-五”国家级规划教材 电工电子技术（高职高专版）,主 编： 陈 新 龙,第5章三相异步电动机的原理及其应用,本章从感应电动机的原理出发，介绍了三相异步电动机的工作原理、结构、机械特性、使用及其控制方法。读者学习本章应深入理解电磁感应是电动机的运转基础，理解交流电动机的工作原理；深入理解电动机电磁转矩、转差率等概念，进而理解电动机的机械特性；理解电动机使用过程中起动、制动、反转、调速等概念及方法，理解常见控制电器特点，掌握三相异步电动机控制的初步知识。,本章建议学时数：8学时其中，原理、结构及其使用： 4学时控制：4学时学时数较少时也可用4学时左右做个简单介绍,5.1 感应电动
2、机,理解并掌握一定的电动机方面的知识对理解各种生产机械在生产过程中的应用有十分重要的意义,电动机属于电机学研究范畴，为电工电子技术课程的提高章节,目前，绝大多数电动机均为感应电动机，可通过如上所示示意图来理解。,上图中，线圈中的感应电动势与旋转磁场相互作用，将使线圈受到电磁力，产生电磁转矩，使线圈随着旋转磁场旋转。旋转磁场旋转越快，线圈旋转也就越快；旋转磁场反转，线圈也跟着反转。这便是感应电动机的运转原理。,在左图中，若假定线圈与旋转磁场转速相同，那么，线圈也就不会切割磁力线，也就不可能生产感应电动势，线圈也就不可能旋转。,因此，线圈的转速总是略小于旋转磁场的转速，因此，感应电动机又叫异步电动
3、机。异步电动机的分类,显然，图5-1-1示电动机缺乏实用性。由于直接旋转实际的磁极不太现实，也难以保证电动机运行足够的功率和稳定性，因此，以某种方式产生旋转的磁场是电动机走向实用的关键。实际三相电动机的运动部分是转子，而产生旋转磁场的电气部件是静止不动的，称它为定子。定子中嵌有三相绕组，具体如图5-1-2。当三相绕组中流过三相对称电流（解释）时，将产生旋转磁场。可通过图5-1-4来理解。可见，当定子绕组中通入上述三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转，即三相电源可产生旋转磁场,5.2 三相异步电动机的结构及主要特性,三相异步电动机的工作原理和感应电动机的原理相同，
4、外观如图5-2-1，内部结构如上,三相异步电动机的结构包括两个基本部分：定子（静止部分）、转子（运动部分）。 定子是电动机的静止部分，主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心、转子绕组和转轴三者组成。 根据转子绕组的形式，可分为鼠笼式（解释）和绕线式（解释）两大类,三相电源产生旋转磁场，带动转子转动。但转子的转速n总是要略小于旋转磁场的转速（用n0表示，常称为三相异步电动机的同步转速）。,电动机是驱动生产机械的电器设备，其主要特性便是机械特性,异步电动机的转差率s用于描述转子转速与旋转磁场的转速之间的差别，定义为转子转速n与旋转磁场转速n0相差的程度，定
5、义式如上,转差率是异步电动机的一个重要物理量。一般情况下，转子转速只是略小于电动机的同步转速。在额定负载下，电动机的转差率约为1%9%。,理解电动机的机械特性应理解电动机的转差率、转矩等概念,一般情况下，三相电流的频率是个常数，为工频。在我国，工频f=50Hz。可见，旋转磁场的转速决定于磁场的极对数（和三相绕组的安排有关）,计算转差率需要计算电动机的同步转速n0。对某一电动机而言，同步转速是个常数，由上式确定式中，p为旋转磁场的极对数，f为通入绕组的三相电流的频率。,【例5.2.1】 有一台三相异步电动机，其额定转速n=1425 r/min，请计算电动机的磁极对数和额定负载时的转差率（工频f=
6、50Hz）,可对照变压器的电路模型 理解,在三相异步电动机中，既存在磁路，也存在电路。可画出三相异步电动机的每相电路如右,比较上图与图4-2-2（变压器的电路模型），不难发现，三相异步电动机机中的电磁关系与变压器的电磁关系类似，三相异步电动机的定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于变压器的副绕组，只是电动机的转子绕组一般是短接的。,式中，f2为转子电流i2的变化频率；f1为磁通的变化频率；m为磁通的最大值；N2为转子绕组的匝数；S为转差率,可导出三相异步电动机的转子电路的各个物理量。,令R2、X2为转子每相绕组的电阻和感抗（漏磁感抗），可得出转子每相电路的转子电流I2和功率因素cos2如
7、上,式中，X20为在n=0，即s=1时的转子感抗，X2=sX20；E20为在n=0，即s=1时的转子电动势，E2=sE20,转子绕组中的感应电动势e2为,可见，转子电路的各个物理量，如电动势、电流、频率、感抗及功率因素等都与转差率有关。,电磁转矩表达式如上式中，KT为转矩系数，与电动机的结构有关；m为磁通的最大值；I2为转子电流；cos2为 转子电路功率因素。,电动机输送给生产机械的是电磁转矩T（简称转矩）和转速。,直接利用上式计算转矩很不方便，可利用电动机的电路模型来寻找计算转矩更为简便的公式。可导出电磁转矩的另一个表达式如上（式中，K为一常数）,理解电动机的转矩的对更好地使用电动机意义深远
8、,电磁转矩是反映电动机做功能力的物理量,电磁转矩反映了电动机做功能力，反映了电动机的机械特性。,电动机的T=f（s）的关系曲线的一个实例如上图。由图可直观看出电磁转矩随转差率之间的变化关系,T=f（s）特性曲线只是间接地表示了电磁转矩与转速之间的关系。若把T=f（s）特性曲线的s轴变成n轴，然后把T轴平行移动到n=0，s=1处，将换轴后的坐标轴顺时钟旋转90，便可得到电动机机械特性曲线的另一种形式（转速n与转矩T的关系曲线）如上图,把转矩T与转差率s的关系曲线T=f（s）或转速n与转矩T的关系曲线n=f（T）称为电动机的机械特性曲线,ab区间为电动机的稳定运行区间电动机运行在稳定区间不需借助其
9、它机械和人为调节，自身具有自动适应负载变化的能力。电动机的稳定工作区间直线较平坦，电动机转速变化不大，这种特性称为电动机硬的机械特性。,对某些电动机，为满足某些应用要求，可在转子电路中串接电阻，这时电动机在稳定区工作时，电动机转速可变化较大，这种特性称为电动机的软特性。,在上面的图中，有三个值有特殊意义：额定转矩TN、最大转矩TMAX、起动转矩Tst,【例5.2.2】 有两台三相异步电动机，其功率均为10kW，额定转速nN1=2930 r/min，nN2=1450 r/min，它们的过载系数均为2，请计算它们的额定转矩和最大转矩？,【例5.2.3】 有一台绕线式三相异步电动机，转子每相绕组电阻
10、R2=0.02，漏磁电抗X20=0.04。现在要使起动转矩等于最大转矩，在转子绕组的电路中应串接多大的起动电阻？,可导出电磁转矩的另一个表达式如上（解释）,电磁转矩表达式如右（解释）,在三相异步电动机的机械特性曲线上，有三个值有特殊意义：额定转矩TN、最大转矩TMAX、起动转矩Tst可查看其相关公式。采用上面的公式可计算出三相异步电动机的转矩，但由于电动机的铭牌（解释）及产品手册上一般并不给出转子绕组每相的电阻及电抗等数值因此，采用上面的公式计算转矩依旧不方便,可导出电磁转矩的另一个表达式如上（解释）,电磁转矩表达式如右（解释）,在三相异步电动机的机械特性曲线上，有三个值有特殊意义：额定转矩T
11、N、最大转矩TMAX、起动转矩Tst可查看其相关公式。不加证明地给出计算转矩的两个实用公式式中，S为转矩为T时对应的转差率。Sm为转矩为TMAX时对应的转差率；为过载系数。,【例5.2.4】 有一台绕线三相异步电动机，从手册上查得额定功率为30kW，额定转速nN=722 r/min，过载系数为3.08，试求额定转矩、最大转矩及起动转矩？,63 三相异步电动机的使用,由三相异步电动机的机械特性可以看出，要更好更高效地使用电动机，应根据生产机械的负载特性选择合适的电动机。此外，还应考虑电动机的起动、制动、散热、调速、效率等实际问题。,电动机起动时，起动电流要比额定电流大得多，转子功率因素却又非常低
12、，因此，应采用适当的方法起动电动机,电动机的转子由静止不动到达稳定转速的过程称为电动机的起动。简单地说，就是把电动机开动起来,可总结出电动机起动时应满足的两点,能产生足够大的起动转矩Tst，使电动机很快转起来,起动电流Ist不要太大，以免影响电网上的其它电气设备的正常工作,绕线式电动机的起动接线图如下图,可见，绕线式异步电动机起动性能好，可通过适当地增大转子电阻来提高电动机的起动转矩的同时又达到减小起动电流的目的。,对鼠笼式电动机，其起动方式有两种：直接起动和降压起动两种,直接起动就是起动时利用闸刀开关或接触器直接将电动机接到具有额定电压的电源上，方法最为简单 在不允许直接起动的场合，应采用降
13、压起动，就是在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。 降低加在电动机定子绕组上的电压的方法有多种，如星形三角形(Y-)转换起动、自耦变压器降压起动等。,【例5.3.1】 有一台额定功率为25kW的三相异步电动机，其起动电流与额定电流比为6倍，问在600kVA（千伏安）的变压器下能否直接起动？一台40kW的三相异步电动机，其起动电流与额定电流比为5.5倍，问能否直接起动？,【例5.3.2】 有一台定子绕组接法为三角形的鼠笼式异步电动机，其额定电流为77.5A，额定转矩TN为290.4（Nm），起动转矩Tst为551.8（Nm），最大转矩TMAX为638.9（Nm），额定转速为97
14、0。 （1）假定负载转矩为510.2（Nm），请问在U1=UN、U2=0.9UN两种情况下电动机能否直接起动（电动机运行在额定负载，下同）？ （2）负载转矩为260（Nm），要求起动电流不超过350A，应如何起动？ （3）如果负载转矩为160（Nm），要求起动电流不超过250A，应如何起动。,可见，电动机的转速改变，与电动机的调速是两个不同的概念。,用人为的方法，在同一负载下使电动机转速改变以满足生产机械需要称为电动机的调速,由式5-2-2、5-2-3，有,由电动机机械特性曲线可看出，电动机运行时不需借助其它机械和人为调节，自身具有自动适应负载变化的能力，这种情况称为电动机的转速改变,2、三相
15、异步电动机的调速与制动,可见，三相异步电动机的转速由电源频率、旋转磁场极对数、转差率确定,由式5-2-2、5-2-3，有,相应地，改变三相异步电动机的转速有三种方法：变频调速、变极调速、变滑差调速,可见，三相异步电动机的转速由电源频率、旋转磁场极对数、转差率确定,【例5.3.3】 有一台绕线式三相异步电动机，转子每相绕组电阻R2=0.022，额定转速nN=1450 r/min。现要将其调速到1200 r/min，请问应在转子绕组的电路中应串接多大的调速电阻？,电动机电源断开后，由于惯性的作用，电动机尚需一段时间才能完全停下来。在某些应用场合下，要求电动机能够准确停位和迅速停车，以提高生产效率，
16、保证生产安全。在电动机断开电源后，采用一定措施使电动机停下来称为电动机的制动（俗称刹车）。制动的方法有机械制动和电气制动两种。常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、发电反馈制动等,其他类型电动机简介,5.4 三相异步电动机的控制,一 自动控制的两种类型,电子控制经历了手动控制到自动控制两个阶段；自动控制大致可分为顺序控制、反馈控制两种类型,控制是一个古老的话题，是为了达到某种目的而进行的操作，是电工电子技术的主要应用方向,把这种“按照预先设定的操作次序逐一进行各阶段的控制”称为顺序控制。可通过洗衣机自动洗衣的控制过程来理解。具体如上图,由上图可知，自动洗衣是用某种方式将手工洗衣过程（解释）存储并使机器按照存储的过程自动运行来实现的。这便是顺序控制。,当然，要使机器按照预先设定的操作次序自动操作并不是一件容易的事。,顺序控制历史悠久，适合于控制顺序比较清楚、各阶段控制操作较明确的控制对象，典型的代表系统有：自动售货机、全自动洗衣机、自动电梯等,从动作特点的角度，顺序控制主要有触点控制和无触点控制两大类,
