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1、第5章 交流异步电动机和控制电机,5.1 三相异步电动机的结构和原理 5.2 异步电动机的工作特性 5.3 三相异步电动机的电力拖动 5.4 单相异步电动机 5.5 伺服电动机和步进电动机 5.6 自整角机和旋转变压器 5.7 测速发电机,学 习 要 求,1.掌握三相异步电动机的构造和工作原理。 2.熟悉三相异步电动机铭牌数据的意义，并了解其运 行特性。 3.理解三相异步电动机的起动、反转、制动和调速的 基本原理与基本方法。 4.了解单相异步电动机的构造、工作原理和应用。 5.理解常用的几种控制电机的结构、工作原理、特点 和应用。,5.1 三相异步电动机的结构和原理,交流异步电动机在电力拖动系
2、统的动力装置中占有绝对的主导地位，是学习和应用的重点。 异步电动机按转子结构的不同分为鼠笼式和绕线式电动机。 三相异步电动机属于交流电动机，之所以称为异步电动机是因为转子的转速低于旋转磁场的同步转速。又因为三相异步电动机是基于电磁感应原理而工作的，又称之为异步电动机。,5.1.1 三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机由定子和转子两部分构成。定子和转子都有铁心和绕组。定子的三相绕组为AX、BY、CZ。转子分为笼型和绕线式两种结构。鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。绕线式转子绕组的形式与定子绕组基本相同，3个绕组的末端连接在一起构成星形连接，3个始端连接在3个铜集电环上，起动变阻器和调速变阻
3、器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。 下图5-1就是异步电动机的结构示意图，图5-2、图5-3分别为定子、转子结构示意图：,图5-1 异步电动机结构示意图,图5-2 异步电动机定子结构示意图,图5-3 异步电动机转子结构示意图,异步电动机定子,在定、转子之间有一定的间隙，称之为气隙，在中、小型异步电动机中，一般为0.21mm。定子的作用是利用定子绕组的励磁电流产生旋转磁场和作电机的机械支撑，主要由机座、定子铁心和定子绕组等装置组成 定子铁心： 是一个中空圆柱体，外壁与机座配合，内壁开有均匀的槽；它一方面用于嵌放和固定定子绕组，同时也是电动机磁路的一部分 定子绕组：定子绕组是电动机电路的一部分，
4、用以产生异步电动机工作所需的旋转磁场,异步电动机转子,转子的作用是利用转子绕组切割磁力线产生感应电动势而实现能量转换，它主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成 转子铁心 ：转子铁心一方面作为磁路的一部分，另一方面用来安放转子绕组 转子绕组： 分为绕线型和鼠笼型两种，相应异步电动机也分为绕线转子异步电动机和笼型异步电动机 转轴：用于传递机械功率,5.1.2 三相异步电动机的旋转磁场,三相异步电动机是在三相对称定子绕组中通入三相对称电流，产生旋转磁场与转子绕组的感应电流相互作用产生电磁力和电磁转矩，而使电动机旋转实现电能转换为机械能。下面在介绍旋转磁场的基础上，再分析电动机的转动原理。,1. 一对磁极
5、的旋转磁场 三相绕组中的三相电流波形如图5-4所示。根据电磁效应，即电流在其周围产生磁场，且磁场与电流的分布遵循右手螺旋定则，由于绕组的导体通以交变电流，其磁场也是交变的。为了研究磁场的变化规律及便于说明问题，在图4中所示的电流波形曲线的横坐标上取t=0、120、240三个特殊点瞬间，依次来分析不同瞬间的合成磁场 。,图5-4 三相对称电流波形示意图,在t=0、120、240三个特殊点瞬间，所分析的合成磁场 变化规律示意如下图5-5： 图5-5 三相异步电动机旋转磁场 总之，在定子三相对称绕组中通入三相对称电流时所产生的磁场是一个旋转磁场；旋转磁场的方向由电源的相序所决定，若改变电源的相序，旋
6、转磁场的旋转方向也随之改变 。,2. 二对磁极旋转磁场,按照上述一对磁极旋转磁场的分析方法，可分析在下图的定子绕组中通入三相对称交流电时，定子绕组的合成磁场产生四极(p=2)的旋转磁场，在t=0和t=60时的旋转磁场形成示意如图5-6所示 。,图5-6 两对旋转磁场形成示意,3. 极数和同步转速n0,对于定子绕组产生一对磁极的旋转磁场，记为p=1。此时，当定子电流变化一个周期，旋转磁场在空间位置上也正好旋转一周。 对于2对磁极，当电流变化一个周期时，四极磁场在空间只转半圈。类推到p对磁极，电流变化一个周期时，其磁场将转1/p圈，f1为电源的频率，即p对磁极旋转磁场的转速应为,5.1.3 三相异
7、步电动机的转动原理,静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致，如图5-7所示。,图5-7 异步电动机转动原理示意,电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速no，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为异步电动机。 异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：,转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下
8、运行时的转差率约为1%9%。,5.2 异步电动机的工作特性,5.2.1 电动势和电磁转矩 1. 定转子的电动势 三相异步电动机中电磁关系的分析方法和 原理及有关电动势关系式与变压器类似，两者都 实现电能和磁场能量的转换及传递，可把电动机 的定、转子绕组对应于变压器的原、副边绕组。 由变压器的电动势关系式，可得到异步电动机定 子电路的电动势有效值E1的关系式：,2 . 三相异步电动机的电磁转矩,5.2.2 铭牌数据,铭牌上标有电动机的型号和额定值，异步电动机的铭牌数据和直流电动机的铭牌数据既类似也有一定的区别，它们是选用和使用电动机的基本依据。电动机上铭牌数据的内容主要包括型号和额定值。型号表示
9、电动机的类型、结构、规格及性能等特点的代号。型号是为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用各种型号表示，型号由代表一定意义的字母和数字所组成。下面对额定值的有关内容作简单介绍：,三相异步电动机的铭牌示例,1) 额定功率PN： 是指电动机在规定的额定运行情况 下，电动机转轴所允许输出的机械功率。注意输出功率 与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率 2) 额定电压UN ： 是指电动机额定运行时，在三相定 子绕组上所加的线电压。 3) 额定电流IN ：是指电动机额定运行时，在定子绕 组的线电流值。 4) 额定频率fN ：是指电动机所接电源的频率，我国 的工频是5
10、0H。 5) 额定转速nN ： 是指电动机在额定运行时，电动机 转子的转速。,5.2.3 机械特性,机械特性是电力拖动系统运行规律外在的直观体现，是分析各种运行状态的重要基础。三相异步电动机的机械特性是在电源电压U1和转子电阻R2一定的情况下，三相异步电动机的转速n与电磁转矩T的关系曲线n=f(T)或s=f(T)，称之为机械特性，前面的关系式就是对应的机械特性方程式。三相异步电动机的机械特性也可通过实验和查手册的方法获得，示意如下图5-8：,1起动转矩,电动机刚起动（n=0，s=1）时的转矩称为起动转矩。,机械特性曲线上几个关健点：,图5-8 异步电动机特性曲线示意图,2额定转矩,电动机在额定
11、负载下工作时的电磁转矩称为额定转矩，忽略空载损耗转矩，则额定转矩等于机械负载转矩。,式中PN是电动机的额定功率，单位为kW；nN是电动机的额定转速，单位是r/min。,3最大转矩,5.2.4 工作特性,工作特性是衡量电动机在一定条件运行时有关参数之间的相互关系，为便于分析，在坐标系中用直观的曲线来描述它们，工作特性对正确的分析和应用及维护电动机有重要的指导意义。工作特性曲线可以通过实验直接测得，也可以利用等值电路间接计算及查阅有关手册获得。,异步电动机的工作特性是指在额定电压U1N、额定频率时f1N，电动机的转速n、定子电流I1、功率因数cos、电磁转矩T、效率与输出功率P2之间的关系曲线。即
12、n、I、cos、T、=f(P2)，示意如下图5-9。下面结合图9对工作特性作简要说明：,图5-9 异步电动机特性曲线示意图,1. 转速特性n=f(P2),空载时，电动机转速n接近同步转速n0，随着负载增大，转速下降，转差率s增大，转子绕组感应电动势E2和电流I2增大，以产生更大的电磁转矩T去平衡增大了的负载转矩TL。特别注意，如果负载转矩继续增大直至大于电动机的最大输出转矩Tm，这时，将导致电动机停转，并可能由于过载而烧毁电动机。,2. 定子电流特性I1=f(P2) 空载时，电动机的定子电流I1很小，随着负载增大，转子电流I2增大，输出功率P2增大，输入功率P1也相应增大，定子电流I1也随之增
13、大。 3. 定子功率因数特性cos=f(P2) 异步电动机是从电网吸取滞后的无功功率进行励磁的，其功率因数总是小于1的。空载时，定子电流基本上是个励磁电流，功率因数很低，仅为0.10.2；随着负载的增加，定子电流的有功分量增加，功率因数逐渐上升，在额定负载附近，功率因数达到最大值 。,4. 电磁转矩特性T=f(P2) 空载时，电磁转矩T仅与电动机很小的空载转矩T0相平衡；随着负载转矩TL的增大，电磁转矩T随之增大，以达到平衡 5. 效率特性=f(P2) 空载时，P=0，则效率=0。负载增大时，效率随之增大，并在接近额定负载时达到最大值；另外，电动机有一个显著的特点，就是各种类型的电动机，其效率
14、特性形状是完全相同的。,5.3 三相异步电动机的电力拖动,5.3.1 三相异步电动机的起动 异步电动机由静止状态过渡到稳定运行状态的过程称为异步电动机的起动，电动机在使用过程中，总是需要起动和停机，所以起动是电动机应用中重要的物理过程之一。 交流异步电动机起动的要求主要有：起动电流Ist(47)IN；起动转矩Tst(1.11.2)TL；起动时间尽可能短。 起动方法：直接、减压和串电阻起动三种方法。,1直接起动,直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。 优点：起动简单。 缺点：起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。 适用范围：电动机功率在10
15、kW以下，并且小于供电变压器功率的20。,2减压起动,Y-换接起动：在起动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形，接线如图5-10。 适用范围：正常运行时定子绕组是三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。 优点：起动电流为全压起动时的13。 缺点：起动转矩均为全压起动时的13。,图5-10 Y-换接起动接线示意图,自耦减压起动：利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的，示意如图5-11。自耦变压器备有40、60、80等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。,图5-11 自耦减压起动接线示意图,
16、3. 绕线转子电动机转子回路串电阻起动：绕线转子异步电动机转子绕组串入附加电阻后，既可以降低起动电流，又可以增大起动转矩。另外也可采用中频敏变阻器。串电阻起动示意如下图5-12所示。,图5-12 转子回路串电阻接线示意图,5.3.2 异步电动机的制动,制动就是电动机的电磁转矩与电动机转速的方向相反，使电动机减速。制动在加快停止、提高工作效率、安全运行等方面应用广泛，制动是电力拖动中非常重要的物理过程。异步电动机的电磁制动方法也分为能耗制动、反接制动和回馈制动。,1能耗制动,电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源，如图5-13。感应电流与直流电产生的固定磁场相互作用，产生电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。 特点：是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。,图5-13 异步电动机能耗制动示意图,2反接制动,电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，成为制动转矩。 注意：当电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止电动机反转。
