第4章交流電動(dòng)機(jī)的基本原理及拖動(dòng)

第4章交流電機(jī)基本原理及拖動(dòng)范國偉安徽工業(yè)大學(xué)4.1三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最多的電動(dòng)機(jī)之一，學(xué)習(xí)三相異步電動(dòng)機(jī)的有關(guān)知識有利于職業(yè)技術(shù)工作人員更好地掌握生產(chǎn)技能，維護(hù)和管理好生產(chǎn)設(shè)備，能夠降低損耗和提高企業(yè)的產(chǎn)出效益。在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中了解三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，有利于運(yùn)用三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行。4.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成，三相異步電動(dòng)機(jī)的分拆圖如下圖所示。4.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電動(dòng)機(jī)的外殼上都有一塊銘牌，標(biāo)出了電動(dòng)機(jī)的型號以及主要技術(shù)數(shù)據(jù)，以便能正確使用電動(dòng)機(jī)。表4-1所示為一臺三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌。表4-1三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌4.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)是指由三相交流電源供電，利用電磁感應(yīng)原理，輸出轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵是旋轉(zhuǎn)磁場的形成。由此可見，隨著定子繞組中三相對稱電流的不斷變化，所產(chǎn)生的合成磁場也在空間不斷地旋轉(zhuǎn)。從兩極旋轉(zhuǎn)磁場可以看出，電流變化一周，合成磁場在空間旋轉(zhuǎn)360°（一轉(zhuǎn)），且旋轉(zhuǎn)方向與線圈中電流的相序一致。通常轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示的，所以旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

4.1.4三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率和運(yùn)行狀態(tài)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n低于同步轉(zhuǎn)速n1，兩者的差值(n1-n)稱為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差就是轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差率就是相對轉(zhuǎn)速（即轉(zhuǎn)差）與同步轉(zhuǎn)速之比，用S表示，即：S=4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在一定條件下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。把電磁轉(zhuǎn)矩作為橫坐標(biāo)，把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為縱坐標(biāo)，將它畫成曲線，如右圖所示，這就是三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)過渡到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程稱為起動(dòng)過程。對三相異步電動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)定子繞組接通三相電源后，轉(zhuǎn)子就開始轉(zhuǎn)動(dòng)，其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小、起動(dòng)電流的大小以及由靜止到穩(wěn)定運(yùn)行所需的起動(dòng)時(shí)間的長短，標(biāo)志著電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。衡量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的兩個(gè)主要指標(biāo)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流。對起動(dòng)性能的要求是：第一，起動(dòng)電流要小；第二，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大。4.3.1.籠型異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)一般規(guī)定，額定功率低于7.5kW的三相異步電動(dòng)機(jī)允許直接起動(dòng)；在用電單位有獨(dú)立變壓器且電動(dòng)機(jī)容量小于變壓器容量的20%時(shí)，也允許直接起動(dòng)。若大些電機(jī)想直接起動(dòng)，須滿足經(jīng)驗(yàn)公式：KI=≤[]4.3.2.籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)所謂降壓起動(dòng)，是利用起動(dòng)設(shè)備將電壓適當(dāng)減小后，加到電動(dòng)機(jī)定子繞組上進(jìn)行起動(dòng)，待電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完畢后，再使電壓恢復(fù)到額定值。此時(shí)降壓起動(dòng)電流隨電壓降低成正比例減小，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓降低成平方減小，所以降壓起動(dòng)只適用于空載或輕載下起動(dòng)的電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)的方法主要有：自耦變壓器降壓起動(dòng)、星-三角（Y/△）降壓起動(dòng)和在定子電路中串電阻（或電抗）降壓起動(dòng)。4.3.3.繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)對于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，采用降壓起動(dòng)方法來減小起動(dòng)電流的同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小了。所以對于既要求起動(dòng)電流小，又要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的生產(chǎn)機(jī)械，如：卷揚(yáng)機(jī)、鍛壓機(jī)、起重機(jī)等，可以采用起動(dòng)性能好的繞線式異步電動(dòng)機(jī)。4.4三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)所謂制動(dòng)是指使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械時(shí)，經(jīng)常要求電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，如：當(dāng)切斷電動(dòng)機(jī)電源時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)快速停車；起重機(jī)下放重物時(shí)，為了安全，要控制重物下放速度等等。在制動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)吸收軸上的機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?.4.1.反接制動(dòng)反接制動(dòng)的方法是把正在運(yùn)行中的異步電動(dòng)機(jī)三相供電線的任意兩相互換改接。此時(shí)由于相序反了，其磁場的轉(zhuǎn)向也反了，但因轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子此時(shí)仍按原轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)轉(zhuǎn)差率S=＞1，因此電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子相反，電機(jī)工作在電磁制動(dòng)狀態(tài)。故反接制動(dòng)亦稱為電磁制動(dòng)。這時(shí)產(chǎn)生的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降下來，在轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即從電源上斷開，否則它將會向著反方向重新起動(dòng)。4.4.2.能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)的方法是將正在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的定子繞組從電源斷開的同時(shí)，換接一個(gè)直流電源上。直流電源通入定子繞組，在氣隙中建立一個(gè)靜止不動(dòng)的磁場，而轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)沿原方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手定則和左手定則不難斷定，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，因而起制動(dòng)作用。這時(shí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能全部消耗于轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗中，故稱為能源制動(dòng)。4.4.3.回饋制動(dòng)所謂回饋制動(dòng)是指三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速的一種制動(dòng)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)的條件是在電動(dòng)機(jī)軸上機(jī)械能，使其轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)?；仞佒苿?dòng)又稱為再生制動(dòng)或發(fā)電反饋制動(dòng)。4.5三相異步電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)一般來說，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)整性能比直流電動(dòng)機(jī)差，但異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，應(yīng)用極為廣泛。由式4-3可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法大致分為如下幾種：變極調(diào)速、變頻調(diào)速和改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三種。4.5.1.變極調(diào)速變極調(diào)速是一種通過改變定子繞組極對數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的調(diào)速方式。在一定電源頻率下，由于同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，因此，改變定子繞組極對數(shù)便可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。原則上，定子可以通過兩套獨(dú)立的繞組實(shí)現(xiàn)極對數(shù)的改變。但實(shí)際應(yīng)用中，定子繞組極對數(shù)的改變大都是通過一套定子繞組、幾種不同的接線方式來實(shí)現(xiàn)的.4.5.2.變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)通過改變轉(zhuǎn)差率S可以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的，具體調(diào)速方法包括改變定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速和電磁滑差離合器調(diào)速等。1、改變定子電壓調(diào)速改變定子電壓調(diào)速又稱為變壓調(diào)速，它適合于籠型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，對于不同的定子電壓，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線。2、轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速又稱為變阻調(diào)速，它適合于繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。3、電磁滑差離合器調(diào)速滑差離合器電動(dòng)機(jī)又稱電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它是在鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械軸上裝一電磁滑差離合器，通過調(diào)節(jié)離合器的勵(lì)磁電流，來調(diào)節(jié)離合器的輸出轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)速。滑差離合器電動(dòng)機(jī)的