控制電機第六章

控制電機第六章第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1）定子形成旋轉(zhuǎn)磁場（同同步電動機）2）轉(zhuǎn)子為“鼠籠”：籠形導體的圓柱形軟磁鐵心構成。只有在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等于磁場轉(zhuǎn)速的情況下（異步），當外部磁場旋轉(zhuǎn)時，其磁力線才能切割轉(zhuǎn)子導條，并因而在導條中產(chǎn)生感應電動勢及感生電流；感生電流進而受到電磁力的作用，轉(zhuǎn)子才能旋轉(zhuǎn)。正是因為兩者轉(zhuǎn)速有差異才能工作，所以這種電機稱為“異步”電機。異步（鼠籠）電動機工作原理：6-1三相異步電動機的工作原理第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導體切割，根據(jù)電磁感應原理，轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導體有電流流過。設旋轉(zhuǎn)磁場按順時針方向旋轉(zhuǎn)，且某時刻為：上為北極N下為南極S，如圖所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導體的電動勢和電流方向由里向外，用☉表示；在下半部則由外向里，用?表示。流過電流的轉(zhuǎn)子導體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導體上，對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因為只有這樣，轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間才會有相對運動而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導體中才能產(chǎn)生感應電動勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見n1≠n且n<n1,是異步電動機工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日6-1-2交流電機的主要類型及基本結(jié)構

1主要類型

按能量轉(zhuǎn)換：電動機，發(fā)電機按供電：單相、（兩相）、三相按原理：同步、異步（感應）電機2基本結(jié)構異步電機的主要結(jié)構部件（下頁）第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日與直流電機的結(jié)構比較1）定子磁場不旋轉(zhuǎn)，由換向器得到“被整流”后的脈動電壓電流；2）采用左、右手定則就可分析原理。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日異步電動機的轉(zhuǎn)子按結(jié)構不同可分為鼠籠型和繞線型兩種。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日以定子繞組為例：

(1)流入定子電流，建立旋轉(zhuǎn)磁場；

(2)產(chǎn)生感應電動勢：無論是定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場，還是轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)，其磁力線都必然會切割固定不動的定子繞組.

一.交流電機繞組的分布

6-2三相交流繞組及其相電動勢

1交流電機繞組的基本作用第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日(2)定子三相繞組的模型星、三角接法2最簡單的三相繞組(定子為例)

(1)三相繞組的外觀圖和基本特點構成：線圈邊：嵌入定子鐵心的槽中那一部分（有效部分）；端接部分；特點：空間位置及其對應出線端的位置彼此錯開120度，A、B、C三相繞組在圓周上排列的順序。

第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日(3)三相繞組的簡化模型(以定子繞組為例)第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日3關于交流繞組的更多的知識（了解）

(1)電角度極對數(shù)p、機械角度am

、電角度a機械角度（機械角速度）:1周為360度，在地面上看到的轉(zhuǎn)子實際旋轉(zhuǎn)的角度和速度；電角度（電角頻率）:1周為360度，是以電、或磁信號的角度表示的。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日例：直流電流形成的磁極以及極距。第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日槽數(shù)第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日ABCXYZq=1q=12/6=2第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日二.相電動勢第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日在對稱三相繞組流過對稱三相電流后，所產(chǎn)生的氣隙磁動勢的性質(zhì)為：①旋轉(zhuǎn)磁場的形狀:每一相繞組產(chǎn)生脈振磁動勢，但三相合成后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。每相的脈振磁動勢，它們的振幅大小隨時間不同而變化的；但三相合成磁動勢幅值恒定不變、是一相脈振磁動勢最大振幅的3/2倍。因此旋轉(zhuǎn)磁場是圓形的.②旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向:合成磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向順著A.B.C三相電流的正相序方向;當某相電流達到最大值時，三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢的矢量也正好轉(zhuǎn)到該相的相軸上,且與該相軸方向一致,因此,在三相繞組空間排序不變的條件下,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向由電流的相序決定,若要改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向,只要將三相電流進線的任意兩相對調(diào)即可.第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

③旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速:如圖6-4所示可知電流在時間上變化一個周期,旋轉(zhuǎn)磁場在空間也轉(zhuǎn)過3600電角度.在二極的情況下,轉(zhuǎn)過的機械角也是3600,即,在空間正好轉(zhuǎn)過一周.電流每秒變化f周期,則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1為每秒f轉(zhuǎn)或每分鐘60f轉(zhuǎn)即從電磁觀點看,經(jīng)過N.S一對極時,磁場的空間分布曲線或線圈中的感應電動勢正好變化一周期,這種角度稱為電角度,對于四極旋轉(zhuǎn)磁場,磁場的空間曲線或感應電動勢變化一周時,但以電角度計算只是1800,所以電角度是機械角度的兩倍,當電流在時間變化一周期時即3600(一對極),但以機械角度計算只是1800,因此四極電機的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為并由此推斷,對于P對極三相交流電機來說其旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的一般表達式為第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日三相異步電動機的調(diào)速根據(jù)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為

通過上式可知，改變交流電機轉(zhuǎn)速的方法有三種

1．變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：改變s實現(xiàn)調(diào)速；

2．變極調(diào)速：改變p來實現(xiàn)調(diào)速

3．變頻調(diào)速：改變f1實現(xiàn)調(diào)速第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日三相異步電動機的調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法很多，常用的方案有改變異步電動機的定子電壓調(diào)速，采用電磁轉(zhuǎn)差（或滑差）離合器調(diào)速，轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速以及串極調(diào)速。前兩種方法適用于鼠籠式異步電動機，后者適合于繞線式異步電動機。這些方案都能使異步電動機實現(xiàn)平滑調(diào)速，但共同的缺點是在調(diào)速過程中存在轉(zhuǎn)差損耗，即在調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)子繞組均產(chǎn)生大量的鋼損耗（）(又稱轉(zhuǎn)差功率)，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，系統(tǒng)效率降低；主要存在調(diào)速范圍窄、效率低，對電網(wǎng)污染較大，不能滿足交流調(diào)速應用的廣泛需求；

改變電機的極數(shù)的調(diào)速，無法實現(xiàn)連續(xù)調(diào)速，并且接線麻煩，應用的場合少；但價格便宜；改變頻率進行調(diào)速是最理想的，但這個夢想經(jīng)歷了百年之久，直至20世紀70年代，大功率晶體管（GTR）的開發(fā)成功，才實現(xiàn)變頻調(diào)速，隨著電子技術和計算機技術的日益發(fā)展變頻調(diào)速技術日益成熟，應用得越來越廣泛了第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1.三相異步電動機的降定子電壓調(diào)速.調(diào)速原理及機械特性第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日其特點和性能為：a）三相異步電動機降壓調(diào)速方法比較簡單；b）對于一般的鼠籠式異步電動機，拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，調(diào)速范圍很小，沒多大實用價值；c）若拖動泵類負載時，如通風機，降壓調(diào)速有較好調(diào)速效果，但在低速運行時，由于轉(zhuǎn)差率增大，消耗在轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率增大，電機發(fā)熱嚴重；d）低速時，機械性能太軟，其調(diào)速范圍和靜差率達不到生產(chǎn)工藝的要求；若要使調(diào)速范圍大一點，可在轉(zhuǎn)子回路串入電阻。其機械特性右圖所示。由于低速下轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重，多采用繞線式異步電動機，使大部分轉(zhuǎn)差功率消耗在電機外部的電阻上。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速

1）.調(diào)速原理及機械特性由三相異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻的人為機械特性在同步轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩不變的條件下，臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子回路串電阻值成正比，即,改變轉(zhuǎn)子回路串入的電阻值R，可以改變臨界轉(zhuǎn)差率，即降低了轉(zhuǎn)速，其機械特性如下圖所示。對于恒轉(zhuǎn)矩負載一定時，轉(zhuǎn)子回路串入電阻（）越大，臨界轉(zhuǎn)差率越大（）,則轉(zhuǎn)速越低（）,從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2）.調(diào)速方法的特點和性能轉(zhuǎn)子回路串電阻屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，其特點和性能為：a）繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速方法簡單，調(diào)速設備簡單，易于實現(xiàn);b）調(diào)速方法為分段多級調(diào)節(jié)，為有級調(diào)速系統(tǒng)，且調(diào)速的平滑性較差;c）不利于空載或輕載調(diào)速，表現(xiàn)于轉(zhuǎn)速變化很小;d）低速時轉(zhuǎn)差率大。轉(zhuǎn)差功率大，效率低，經(jīng)濟性差;e）調(diào)速范圍不大，一般為（2～3）︰1，負載小時，調(diào)速范圍更小。這種調(diào)速方法多用于起重機一類的對調(diào)速性能要求不高的場合，對泵類負載也能應用。

第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日3.改變電機極對數(shù)的調(diào)速

通過改變定子繞組的連接方式來實現(xiàn)。變極調(diào)速是改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速所以一般稱變極調(diào)速的電動機為多速異步電動機。第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日4繞線式異步電動機的串級調(diào)速1).串級調(diào)速原理繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時，在轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生轉(zhuǎn)差功率損耗，且轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)差功率損耗越大，效率就越低，而且完全消耗在轉(zhuǎn)子電阻上。三相繞線式異步電動機的串級調(diào)速，就是在轉(zhuǎn)子回路中不串入電阻，而是串入一個可控的轉(zhuǎn)子外加電壓，其頻率與轉(zhuǎn)子頻率相同，其相位與轉(zhuǎn)子電勢反向或同相。工作原理圖如左圖所示。第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日當某一瞬間電勢的極性與反相或同相時，有轉(zhuǎn)子回路電流為式中“–”號表示與反相，

“+”號表示與同相。異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為當電動機定子電壓及負載轉(zhuǎn)矩都保持不變時，轉(zhuǎn)子電流可看成常數(shù)；同時考慮到電動機正常運行時s很小，sx2《r2

忽略sx2

則：在負載轉(zhuǎn)矩一定的條件下，若轉(zhuǎn)子串入與反相，則在負載轉(zhuǎn)矩一定的條件下，若轉(zhuǎn)子串入與同相，則

第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1).串級調(diào)速的特點和性能為(1)串級調(diào)速的控制設備較復雜，成本較高，控制困難。因為轉(zhuǎn)子回路串入了一個頻率與轉(zhuǎn)子電壓頻率相同的外加電壓，且要隨頻率變化，是相當困難的。因此，在實際應用中，通常是將轉(zhuǎn)子外加電壓用整流器整流成可控的直流電壓來代替交變電壓；(2)串級調(diào)速的機械特性較硬，調(diào)速平滑性好，轉(zhuǎn)差功率損耗小，效率較高；(3)低速時，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因數(shù)較低，過載能力較弱；(4)串級調(diào)速范圍一般為，適用于大容量的通風機，提升機等泵類負載。第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日5.變頻調(diào)速異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時性能最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。變頻調(diào)速原理及其機械特性改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉(zhuǎn)速n1

，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。三相異步電動機運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為如果降低頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，以達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日一.基頻以下變頻調(diào)速A),保持為常數(shù)上式對s求導，即

有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為

第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日一.基頻以下變頻調(diào)速B),保持為常數(shù)

為防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持為常數(shù)，使氣隙每極磁通為常數(shù)，應使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為上式對s求導，即

有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為

第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日二.基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時，也按比例升高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，