交流电动机及其控制

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1、第四章 交流电动机及其控制,4.1.1 电动机概述 4.1.2 三相异步电动机的结构 4.1.3 三相异步电动机的铭牌 4.1.4 三相异步电动机的工作原理,4.1 交流电动机概述,一种是按照功能用途分类，可分为发电机、电动机、变压器和控制电动机4大类。 另一种是按照用电性质分类，可分为直流电动机和交流电动机两大类。 所有电动机都是由电路和磁路两个基本部分组成。 它们的工作原理都是建立在电与磁的相互转化与相互作用的基础上，所依据的电磁定律都是电磁力定律和电磁感应定律。,4.1.1 电动机概述,图4-1 三相异步电动机的构造 1接线盒 2定子铁芯 3定子绕组 4转轴 5转子 6风扇 7罩壳 8轴

2、承 9机座 10端盖 11轴承盖,4.1.2 三相异步电动机的结构,（1）外壳 外壳包括机座、端盖、轴承盖及接线盒等部件。 （2）定子铁芯 定子铁芯是电动机磁路的一部分。 （3）定子绕组 定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。,1定子部分,图4-2 定子铁芯及冲片示意图,图4-3 定子绕组的连接,（1）笼型转子,2转子部分,图4-4 转子铁芯冲片,图4-5 笼型转子示意图 1转子铁芯 2风叶 3铸铝条,（2）绕线式转子,图4-6 绕线式转子示意图 1转轴 2集电环 3转子绕组 4变阻器 5电刷,其他部分包括端盖、风扇等。 端盖除了起防护作用

3、外，在端盖上还装有轴承，用来支撑转轴。 风扇则用来通风冷却电动机,3其他部分,4.1.3 三相异步电动机的铭牌,（1）型号,三相异步电动机的型号主要包括产品系列号、规格代号等。 现以Y系列异步电动机为例，说明型号中各字母及数字代表的含义。,（2）额定电压,额定电压（UN）是指接到电动机绕组上的线电压。 三相异步电动机要求所接的电源电压值上下波动一般不应超过额定电压的5%。,（3）额定电流,额定电流（IN）是指三相异步电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流。 若超过额定电流过载运行，三相异步电动机就会过热乃至烧毁。,（4）额定功率,额定功率（PN）是指电动机在额定工作状态下

4、运行时，转轴上输出的额定机械功率，单位是千瓦（kW）或瓦（W）。 三相异步电动机的额定功率为 （4-1）,（5）额定频率,额定频率（fN）是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数。 我国规定标准电源频率为50Hz。,（6）额定转速,额定转速（nN）是指三相异步电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，一般是略小于对应的同步转速（n1）。,（7）绝缘等级,缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。,（8）接法,三相电动机定子绕组的连接方法有星形（Y）和三角形（）两种。 定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电动机。,4.

5、1.4 三相异步电动机的工作原理,1旋转磁场,图4-7 三相异步电动机的三相绕组,图4-8 三相绕组的星形联结,电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。,图4-9 对称三相电流波形,图4-10 旋转磁场的分布情况,从上述分析可知如下几点。 三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场，是随电流的交变而在空间旋转的磁场，即为旋转磁场。 旋转磁场的转速同步转速。 旋转磁场的转速（n1）为 （4-2） 式中，n1单位为转/分（r/min）。,表4-1 同步转速与极对数对应表（f1 = 50Hz）, 旋转磁场的旋转方向。 旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组的三相电流的相序决定的。, 当三相异步电动机定子

6、的三相绕组通入三相对称电流后，产生了旋转磁场。 设旋转磁场在气隙中以同步转速（n1）沿顺时针方向旋转，这时静止的转子与旋转的磁场之间有了相对运动，根据电磁感应定律，转子导体受到旋转磁场的磁力线切割，就会在导体中产生感应电动势，根据右手螺旋定则，可判断出转子导体感应电动势的方向。,2转子转动原理, 由于转子绕组是闭合回路，因此在感应电动势的作用下，形成感应电流。 感应电流又在旋转磁场的作用下而产生电磁力（F）。 根据左手定则，可以确定电磁力（F）的方向，如图4-11转子转动原理图所示。,图4-11 转子转动原理图,（4-3） 根据式（4-3）可以得到电动机的转速常用公式为 （4-4）,3转差率,

7、【例4-1】 一台三相异步电动机，额定功率PN = 11kW，额定频率fN = 50Hz，额定电压UN = 380V，额定效率N = 0.89，额定功率因数 = 0.77，额定转速nN = 975r/min。试求：（1）同步转速（n1）；（2）极对数（p）；（3）额定电流（IN）；（4）额定转差率（sN）。,4.2 三相异步电动机的机械特性分析,4.2.1 电磁转矩 4.2.2 三相异步电动机的机械特性,电磁转矩（T）表达式为 （4-5） 式中，KT 与电动机本身结构有关的常数。 式（4-5）是分析异步电动机转矩特性的重要依据。,4.2.1 电磁转矩,电磁转矩与转差率之间的关系T=f(s)，称

8、为电动机的转矩特性。 通过分析可以推得 或写成 （4-6）,当电源电压（U1）和转子电路参数为定值时，转速（n）和电磁转矩（T）的关系n=f（T）称为三相异步电动机的机械特性。,4.2.2 三相异步电动机的机械特性,1额定工作点（C）,（4-7）,最大转矩时的临界转差率（sm）为 （4-8） 将sm值代入式（4-6），即可求得最大转矩为 （4-9）,2临界工作点（B）,图4-12 三相异步电动机的机械特性,图4-13 改变定子电压的人为机械特性曲线,图4-14 转子回路外串电阻的人为机械特性曲线,电动机刚接通电源的瞬间，转速n = 0（s = 1），这时的电磁转矩称为启动转矩（Tst），对应启

9、动工作点（A）。,3工作点（A）,4.3 三相异步电动机的运行,4.3.1 三相异步电动机的启动 4.3.2 三相异步电动机的调速 4.3.3 三相异步电动机的反接制动 4.3.4 三相异步电动机的反转,4.3.1 三相异步电动机的启动,1笼型异步电动机直接启动,启动时，电动机定子绕组直接接入额定电压的电网上的启动方法，称为直接启动或者全压启动。,启动开始时，旋转磁场与静止的转子之间有很大的相对转速，转子电路的感应电动势很大。 因此转子电流也很大，为额定情况时的58倍。 转子电流很大时，定子电流也相应增大，即启动电流（Ist）也很大，一般约为额定电流（IN）的47倍。,一般规定，三相异步电动机

10、的功率低于7.5kW时允许直接启动。 如果功率大于7.5kW，而供电变压器容量较大，能符合下列经验公式要求的异步电动机也可采用直接启动法： （4-12）,在启动时将电源电压适当降低加到电动机定子绕组上，以限制电动机的启动电流，等电动机的转速升高后，再使电动机定子绕组上的电压恢复到额定值，这就是降压启动。 常用的降压方法有Y-启动法。,2笼型异步电动机降压启动Y-启动法,图4-15 I2 = f（s）、cos2 = f（s）的曲线图,图4-16 笼形电动机Y-启动接线图,表4-2 绕组Y形和形联结时的电压、电流比较,由转差率公式和同步转速公式，可得出转子转速（n）为 由式可见，改变p、f1、s三

11、者中的任一物理量，都能改变电动机的转速。 下面分别介绍3种调速方法。,4.3.2 三相异步电动机的调速,1变极调速,图4-17 变极调速原理图（2p = 4）,图4-18 变极调速原理图（2p = 2）,根据转速公式，改变异步电动机的供电频率（f1）就可改变电动机的转速（n1和n），达到调速目的。 但f1的升高或降低影响到异步电动机的其他参数，如定子绕组中的输入电流（I1）和磁通（）等。,2变频调速,图4-19 变频调速,图4-20 转子电路串电阻调速,4.3.3 三相异步电动机的反接制动,图4-21 反接制动,根据前面所学知识，知道任意对调两根电源线即改变电源相序，就可改变旋转磁场方向，从而

12、改变电动机旋转方向。 需要注意的是：若希望改变电动机旋转方向，一般应在停车之后换接。 因为如果电动机正在高速旋转时突然将电源反接，这实际上成为反接制动，不但制动冲击强烈，而且电流较大，如无防范措施，容易发生事故。,4.3.4 三相异步电动机的反转,4.4 三相异步电动机的控制,4.4.1 低压电器的基本知识 4.4.2 三相异步电动机的基本控制电路,现以三相异步电动机的起停控制电路为例，如图4-22所示。,4.4.1 低压电器的基本知识,图4-22 三相异步电动机的启动、停止电路图 1刀开关 2熔断器 3热继电器 4控制按钮 5交流接触器,（1）刀开关 （2）熔断器 （3）热继电器,1低压电器

13、,图4-23 热继电器原理示意图及图形符号 1热元件 2双金属片 3扣板 4弹簧 5动断触点 6复位按钮,（4）控制按钮,图4-24 控制按钮结构示意图及符号 1、2动断静触点 3、4动合静触点 5动触点 6复位弹簧 7按钮帽,（5）交流接触器,图4-25 交流接触器结构图及图形符号 1、3辅助触头 2主触头 4动铁芯 5静铁芯 6线圈 7、8弹簧,闭合刀开关（QS），引入电源，按下启动按钮（SB2），交流接触器（KM）线圈通电，使得对应动合主触点闭合，电动机接通电源启动。同时，与启动按钮（SB2）并联的接触器（KM）常开辅助触点闭合，当松开SB2时，KM线圈通过自身的常开辅助触点保持通电状态

14、，称为自锁，而此常开辅助触点称为自锁触点。,2电路工作过程,需要电动机停转时，可按下停止按钮（SB1），接触器（KM）线圈失电，KM常开主触点与常开辅助触点都断开，切断电动机的主电路和控制电路，电动机停止转动。,（1）短路保护 （2）过载保护 （3）欠压（或零压）保护,3电路保护,4.4.2 三相异步电动机的基本控制电路,1电路组成,图4-26 三相异步电动机的正转-停-反转电路图, 闭合刀开关（QS），按下正转按扭（SB2）时，正转接触器（KM1）线圈通电，主触点闭合，电动机正转，与此同时，由于KM1的动断辅助触点断开而切断了反转接触器（KM2）的线圈电路。 因此，即使按反转启动按钮（SB3

15、），也不会使反转接触器的线圈通电工作。,2工作原理分析,同理，在反转接触器（KM2）动作后，正转接触器（KM1）的线圈电路也不能再工作。 这使得两个接触器在同一时间内只允许一个处于工作状态，称为电气联锁或互锁，此时这两个接触器常闭辅助触点亦称为互锁触点。, 在正转过程中要求反转时，必须先按下停止按钮（SB1），让KM1线圈断电，互锁触点（KM1）闭合，然后按下反转按钮（SB3），KM2线圈得电，电动机反转，反之亦然。 从而实现电动机的“正转-停-反转”控制，这种操作方式适用于大功率电动机及一些频繁正、反转的电动机。,4.5 车用交流发电机,4.5.1 车用交流发电机的分类 4.5.2 车用交流

16、发电机的结构 4.5.3 车用交流发电机的工作原理,图4-27 十一管交流发电机的电路图,4.5.1 车用交流发电机的分类,图4-28 普通硅整流发电机的结构 1带轮 2风扇 3前端盖 4定子 5转子 6后端盖 7电刷及架 8防护罩 9整流器组件 10前后端盖连接螺栓,4.5.2 车用交流发电机的结构,1转子 2励磁方法,图4-29 交流发电机装置接线图 1交流发电机 2整流器 3电压调节器 4点火开关 5电流表 6蓄电池,图4-30 点火开关的结构及表示方法,图4-31 交流发电机的工作原理示意图,4.5.3 车用交流发电机的工作原理,硅整流发电机由三相交流发电机和整流电路组成。,1简述三相异步电动机的基本结构，定子铁芯和转子铁芯为什么要用硅钢片叠成？ 2一台三相异步电动机铭牌上写明“电压380V/220V，接法Y/”。定子绕组分别接成Y或时，电源电压各为