機電控制技術第三章課件

1、機電控制技術第三章 三相交流異步電動機24 七月 2022機電控制技術目 錄3.3三相交流異步電動機的啟動3.4三相交流異步電動機的制動3.5三相交流異步電動機的調速3.6三相交流異步電動機的使用3.2三相交流異步電動機的運行特性3.1三相交流異步電動機的基本結構及工作原理24 七月 2022機電控制技術3.1 三相交流異步電動機的基本結構及工作原理3.1.1 三相交流異步電動機的基本結構 就結構而言，三相交流異步電動機和直流電動機基本相似，主要由定子和轉子兩大部分組成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間存在一定的氣隙，如圖3-1所示為三相籠型交流異步電動機的結構示意圖。2

2、4 七月 2022機電控制技術1.定子部分 定子部分是用來產生旋轉磁場的。三相交流異步電動機的定子部分主要由三相交流異步電動機的外殼、定子鐵芯和定子繞組等組成。1)三相交流異步電動機的外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件2）定子鐵芯定子鐵芯為圓桶形，由于定子鐵芯是三相交流異步電動機主磁通磁路的一部分，為了減少旋轉磁場的交變磁通通過鐵芯所產生的渦流損耗，一般采用內周有槽的硅鋼片疊成，硅鋼片的導磁性能很好，厚約為0.350.5 mm，在硅鋼片的兩面涂有絕緣漆。如圖3-2所示為三相交流異步電動機的定子鐵芯及硅鋼片。3）定子繞組定子繞組是三相交流異步電動機的電路部分，當通入三相對稱電流時，定

3、子繞組內就會產生旋轉磁場。24 七月 2022機電控制技術24 七月 2022機電控制技術2.轉子部分 三相交流異步電動機的轉子主要由轉子鐵芯和轉子繞組組成。1）轉子鐵芯轉子鐵芯用0.5 mm的硅鋼片疊成后，套在轉軸上，其作用與定子鐵芯相同，一方面可作為三相交流異步電動機主磁通磁路的一部分，一方面可用來安放轉子繞組。2）轉子繞組由于三相交流異步電動機的轉子繞組分為籠型轉子繞組和繞線型轉子繞組，因而三相交流異步電動機也相應地分為三相籠型交流異步電動機和三相繞線型交流異步電動機。24 七月 2022機電控制技術（1）籠型轉子繞組 籠型轉子繞組是在轉子鐵芯的槽中放入銅條，并將其兩端用環(huán)連接而成的，因

4、此，也稱為銅排轉子，如圖3-3(a)所示。目前，100 kW以下的三相籠型交流異步電動機，一般采用鑄鋁繞組，這種轉子繞組是將熔化了的鋁液直接澆注在轉子槽內，并連同其兩端的短路環(huán)和風扇澆鑄在一起，因此，稱為鑄鋁轉子，如圖3-3(b)所示。24 七月 2022機電控制技術 （2）繞線型轉子繞組 繞線型轉子繞組與定子繞組相似，也稱為三相對稱繞組，嵌放在轉子槽內。繞線型轉子繞組通常采用星形聯(lián)結，即3個末端連在一起，3個首端分別與轉軸上的3個滑環(huán)（滑環(huán)與軸絕緣且滑環(huán)間相互絕緣）相連，通過滑環(huán)和電刷接到外部的變阻器上，三相繞線型交流異步電動機啟動時，為改善其啟動性能，應使轉子繞組與外部變阻器相連；在其正常

5、運轉時，應將外部變阻器調到零位或短接。24 七月 2022機電控制技術 3.1.2 三相交流異步電動機的工作原理 1.三相定子繞組 三相交流異步電動機的三相定子繞組既可采用星形聯(lián)結又可采用三角形聯(lián)結，如圖3-4所示。三相定子繞組分別為AX、BY、CZ，其末端連接在一起構成星形聯(lián)結，如圖3-4（a）所示；其首尾依次連接在一起構成三角形聯(lián)結，如圖3-4（b）所示。24 七月 2022機電控制技術2.旋轉磁場 三相交流異步電動機的轉子之所以可以旋轉，實現(xiàn)能量轉換，是因為轉子氣隙內存在一個交變的磁場，通過電磁感應在轉子繞組中產生感應電流，由于轉子（相當于通電導體）在旋轉磁場中會受到電磁力的作用，從而產

6、生電磁轉矩使轉子旋轉，因此，通常又把三相交流異步電動機稱為感應電動機。 當三相交流電源不斷地隨時間做周期變化時，各相共同產生的合成磁場將隨著電流的交變而在空間中不斷旋轉，即形成所謂的旋轉磁場，如圖3-5所示（虛線部分）。24 七月 2022機電控制技術24 七月 2022機電控制技術3.轉子的受力分析 由于旋轉磁場中的轉子切割磁力線，因而便會產生感應電動勢和感應電流，如圖3-6所示。靜止的轉子與旋轉磁場之間有相對運動，在轉子中產生感應電動勢，并在形成閉合回路的轉子中產生感應電流，其方向用右手定則判定。轉子在旋轉磁場中受到磁場力F的作用，F(xiàn)的方向用左手定則判定。電磁力在轉軸上形成電磁轉矩，電磁轉

7、矩的方向與旋轉磁場的方向一致。24 七月 2022機電控制技術3.1.3三相交流異步電動機的銘牌參數(shù) 在三相交流異步電動機的銘牌上注明了這臺三相交流異步電動機的主要技術參數(shù)，是選擇、安裝、使用和修理三相交流異步電動機的重要依據。三相交流異步電動機銘牌的示意圖如圖3-7所示。 24 七月 2022機電控制技術 三相交流異步電動機的運行特性是指其在額定狀態(tài)下運行時的轉速特性、轉矩特性、定子電流特性、效率特性和功率因素特性。運行特性是三相異步電動機的重要特性，通過對它進行分析可以了解三相交流異步電動機運行性能的優(yōu)劣以及設計和工藝制造水平的高低。 三相交流異步電動機每相繞組的電路圖如圖3-8所示，圖中

8、u1為定子相電壓，R1和X1分別為定子繞組的電阻和漏磁感抗，R2和X2分別為轉子繞組的電阻和漏磁感抗。3.2 三相交流異步電動機的運行特性24 七月 2022機電控制技術3.2.1 三相交流異步電動機的固有機械特性 三相交流異步電動機的固有機械特性是指在額定電壓和額定頻率下，定子電路和轉子電路按規(guī)定的接線外接的電阻和電抗為零時，其轉速n與電磁轉矩Tem之間的關系，用n=f(Tem)表示。三相交流異步電動機的固有機械特性曲線如圖3-10所示。24 七月 2022機電控制技術3.2.2 三相交流異步電動機的人為機械特性 由式（3-17）可知，人為地降低定子電壓、改變定子電源頻率、在轉子電路中串入電

9、阻和改編磁極對數(shù)，可得到各種不同的機械特性。 1.降低定子電壓時的人為機械特性 由于三相交流異步電動機受磁路飽和、絕緣以及溫升等因素的限制，因而只有采用降低定子電壓時的人為機械特性。將s=1代入式（3-17）中，得到三相交流異步電動機啟動轉矩的表達式為24 七月 2022機電控制技術2.改變定子電源頻率時的人為機械特性 若保持三相交流異步電動機的磁極對數(shù)p不變，改變定子電源頻率時，同步轉速n0將隨定子電源頻率的變化而變化。定子電源頻率越大，同步轉速n0越大；反之，則同步轉速n0越小。 3.轉子電路串入電阻時的人為機械特性 在三相繞線型交流異步電動機的轉子電路中分別串入阻值相等的電阻后，人為機械

10、特性曲線是一組過同步轉速點的曲線簇，如圖3-12所示。24 七月 2022機電控制技術 4.改變磁極對數(shù)時的人為機械特性 在保持定子電源頻率f1不變的情況下，改變磁極對數(shù)p，同步轉速n0將隨著磁極對數(shù)p的增大而減小。一個普通的三相交流異步電動機的磁極對數(shù)是固定不變的，但是為了滿足某些生產機械實現(xiàn)多級變速的要求，專門生產磁極對數(shù)可變的變極多速三相交流異步電動機。變極多速三相交流異步電動機是利用改變繞組的接法來改變其磁極對數(shù)的。如圖3-13所示為雙速三相交流異步電動機中定子繞組的連接方式。24 七月 2022機電控制技術3.3 三相交流異步電動機的啟動 三相交流異步電動機從接通電源開始加速到穩(wěn)定運

11、行狀態(tài)的過程稱為啟動過程。一般中小型三相交流異步電動機啟動過程的時間很短，通常是幾秒到幾十秒。 三相交流異步電動機按照啟動方式的不同，可分為直接啟動和降壓啟動。3.3.1 三相交流異步電動機的直接啟動 直接啟動就是直接加額定電壓啟動，也稱為全壓啟動。這是一種簡便的啟動方法，不需要復雜的啟動設備，但啟動電流大，一般可達額定電流的47倍，所以只適用于小容量三相交流異步電動機的啟動。這里所指的“小容量”，不僅取決于三相交流異步電動機本身的容量，還與供電電源的容量有關。供電電源的容量越大，允許直接啟動的三相交流異步電動機的容量也就越大。24 七月 2022機電控制技術3.3.2 三相交流異步電動機的降

12、壓啟動 降壓啟動就是在定子電路中串聯(lián)電阻或電抗，用降低每相定子繞組上電壓的方法來限制啟動電流的一種啟動方法。降壓啟動的目的是減小啟動電流對電網的不良影響。由圖3-8可知，定子電流近似等于轉子電流的折算值，即24 七月 2022機電控制技術 三相交流異步電動機切斷電源后，由于其轉動部分具有一定的慣性，因而還會繼續(xù)轉動一定時間。為了縮短輔助工時，提高機械的生產率，并為了生產安全，往往要求三相交流異步電動機能夠迅速停車和反轉，這就需要對三相交流異步電動機制動，也就是要求施加于轉子上的轉矩與轉子的轉動方向相反，這種反向轉矩稱為制動轉矩。制動時三相交流異步電動機將轉軸上吸收的機械能轉換成電能，該電能將消

13、耗于轉子電路或反饋回電網。 制動的方法有電磁抱閘機械制動和電氣制動。這里只介紹電氣制動的原理。所謂電氣制動，就是使三相交流異步電動機產生一個與轉動方向相反的電磁轉矩，以實現(xiàn)快速停車。3.4 三相交流異步電動機的制動24 七月 2022機電控制技術3.4.1 三相交流異步電動機的 能耗制動 所謂能耗制動是指在切斷三相交流異步電動機定子繞組的三相電源后，在其中通入直流電，以形成恒定磁場。感應電流與直流電產生的恒定磁場相互作用，產生電磁轉矩的方向與三相交流異步電動機轉子轉動的方向相反，從而起到制動作用。 由于旋轉磁場中的轉子切割磁力線，因而產生與轉軸轉動方向相反的制動力矩，使得轉速急速下降。如圖3-

14、15所示為三相交流異步電動機能耗制動的特性曲線。24 七月 2022機電控制技術3.4.2 三相交流異步電動機的反接制動 反接制動有兩種情況：一種是保持定子電路中的旋轉磁場不變，使轉子反轉，這種方法稱為轉子反轉的反接制動；另一種是保持轉子的轉向不變，使定子電路中所產生的旋轉磁場方向改變，這種方法稱為定子兩相反接制動。 1.轉子反轉的反接制動 三相交流異步電動機帶有位能負載，如果加大轉子電路中的電阻，使其反接制動的特性曲線的斜率絕對值增大。如圖3-16所示。24 七月 2022機電控制技術2.定子兩相反接制動 三相交流異步電動機在電動狀態(tài)運行時，若將其兩相定子繞組的出線端對調，則定子電路中旋轉磁

15、場的方向將改變，使得三相交流異步電動機的轉矩和轉速方向相反，進而起到制動作用。如圖3-17所示，三相交流異步電動機工作在電動狀態(tài)時的工作點為A。24 七月 2022機電控制技術3.4.3 三相交流異步電動機的反饋制動 反饋制動是指當三相交流異步電動機的轉速超過同步轉速時，電磁轉矩的方向與轉子的運動方向相反，從而限制了轉子的轉速，起到了制動作用。如圖3-18所示為三相交流異步電動機反饋制動的特性曲線。圖中隨著制動轉距增大，轉速一直在減小到零。24 七月 2022機電控制技術 3.5 三相交流異步電動機的調速三相交流異步電動機的調速是指通過改變其參數(shù)來進行調速。為了滿足生產過程的要求，三相交流異步

16、電動機在調速時要依據的公式為3.5.1三相交流異步電動機的變極調速 通過變換三相交流異步電動機定子繞組的聯(lián)結方法來改變同步轉速的方法稱為變極調速。變極調速就是通過改變三相交流異步電動機旋轉磁場的磁極對數(shù)來調節(jié)轉速的。其轉速只能按階躍方式變化，不能連續(xù)變化，因此，也稱為有極調速。由上式可知，通過改變電源頻率f1、磁極對數(shù)p以及轉差率s都可以實現(xiàn)對三相交流異步電動機的轉速的調節(jié)，具體可歸納為變極調速、變轉差率調速和變頻調速三類。24 七月 2022機電控制技術1.變極調速的基本原理 變極調速的基本原理是在電網頻率不變的情況下，三相交流異步電動機的同步轉速與它的磁極對數(shù)成反比。如圖3-19（a）所示

17、，若將A相繞組兩個線圈串聯(lián)，則將產生4極磁場，即p=2；如圖3-19（b）所示，若將A相繞組兩個線圈并聯(lián)，則將產生2極磁場，即p=1。24 七月 2022機電控制技術2.雙速三相交流異步電動機 雙速三相交流異步電動機的定子繞組的聯(lián)結方式常有兩種：一種是繞組從三角形聯(lián)結變換成雙星形聯(lián)結，如圖3-20(a)所示的聯(lián)結方式變換成如圖3-20(c)所示的聯(lián)結方式，另一種是繞組從單星形聯(lián)結變換成雙星形聯(lián)結，如圖3-20(b)所示的聯(lián)結方式變換成如圖3-22(c)所示的聯(lián)結方式，這兩種聯(lián)結方式都能使雙速三相交流異步電動機產生的磁極對數(shù)減少一半，即使其轉速提高一倍。24 七月 2022機電控制技術1.變壓調

18、速變壓調速是三相交流異步電動機調速系統(tǒng)中比較簡便的一種。當三相交流異步電動機的等效電路參數(shù)不變時，在相同的轉速下，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子電壓就可以改變機械特性的函數(shù)關系，從而改變三相交流異步電動機在一定輸出轉矩下的轉速。3.5.2 三相交流異步電動機的變轉差率調速2.轉子電路串入電阻調速轉子電路串入電阻調速是在三相繞線型交流異步電動機轉子電路串入可變電阻，通過調節(jié)可變電阻，來改變三相交流異步電動機的機械特性曲線的斜率，從而實現(xiàn)調速的一種方式。3.串級調速三相繞線型交流異步電動機的轉子繞組能通過集電環(huán)與外部電氣設備相連接，可在其轉子側引入控制變量（如附加電動勢）進行調速。

19、24 七月 2022機電控制技術3.5.3 三相交流異步電動機的變頻調速 為了實現(xiàn)無級調速，可采用頻率可調的變頻電源。目前，應用較多的是晶交交變頻器和交直交變頻器。 交交變頻器是將某一固定頻率（如50 Hz）、固定電壓的交流電源，變換成電壓和頻率都可調的交流電源，所以又稱為直接變頻器。如圖3-21所示為交交變頻器調速的原理示意圖。24 七月 2022機電控制技術交直交變頻器則是將交流電源先整流成幅值可變的直流電源，再將此直流電源變換成頻率可調的交流電源，所以又稱為間接變調器。如圖3-22所示為交直交變頻器調速的原理示意圖。24 七月 2022機電控制技術若在圖3-22中的直流輸出端并聯(lián)一個大電

20、容元件，該電容元件能起到儲能和濾波的作用，這時交直交變頻器的輸出阻抗小，具有電壓源特性，稱為電壓型變頻器，如圖3-23（a）所示；若在圖3-22中的直流輸出端串聯(lián)一個大電感元件，用電感濾波來限制電流的變化，這時交直交變頻器的輸出阻抗大，具有電流源特性，稱為電流型變頻器，如圖3-23（b）所示。24 七月 2022機電控制技術3.6 三相交流異步電動機的使用1.三相交流異步電動機使用前的檢查 對新安裝或久未運行的電動機，在通電使用之前必須先進行下列檢查工作，以驗證其能否通電運行。(1)看三相交流異步電動機是否清潔，內部有無灰塵或臟物等，一般可用不大于0.2 MPa(2個大氣壓)的干燥壓縮空氣吹凈

21、各部分的污物。如圖3-24所示為采用壓縮空氣清潔電動機的示意圖。24 七月 2022機電控制技術(2)拆除三相交流異步電動機出線端上的所有外部接線，用兆歐表測量其各相繞組之間及每相繞組與地(機殼)之間的絕緣電阻，看是否符合要求。(3)除檢查三相繞線型交流異步電動機定子繞組的絕緣電阻外，還要檢查轉子繞組、集電環(huán)對地及集電環(huán)之間的絕緣電阻(4)對照三相交流異步電動機銘牌參數(shù)，檢查其定子繞組的連接方法是否正確，電源電壓、頻率是否合適。(5)檢查三相交流異步電動機軸承的潤滑脂(油)是否正常，觀察是否有泄漏的跡象，轉動其轉軸，看轉動是否靈活，有無摩擦聲或其他異聲。(6)檢查三相交流異步電動機接地裝置是否良好。(7)檢查三相交流異步電動機的啟動設備是否完好，操作是否正常，所帶的負載是否良好。24 七月 2022機電控制技術 (1)三相交流異步電動機在通電試運行時必須提醒在場人員注意，不應站在三相交流異步電動機及被拖動設備的兩側，以免旋轉物切向飛出造成傷害事故。 (2)接通電源之前就應做好切斷電源的準備，以防接通電源后三相交流異步電動機出現(xiàn)不正常的情況(如三相交流異步電動機不能啟動、啟動緩慢、出現(xiàn)異常聲音等)時能立即切斷電源。 (3)三相籠型交流異步電動機采用全壓啟動時，啟動次數(shù)不宜過于頻繁，尤其是功率較大時要隨時注意它的溫升情況。 (