學習情景3-異步電機

學習情景3異步電機

異步電動機的工作原理1.工作原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉子導體右手定則感應電動勢E20旋轉磁場感應電流I2旋轉磁場左手定則電磁力FF電磁轉矩TnF2、轉差率

旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率。由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。異步電動機運行中:轉子轉速亦可由轉差率求得轉差率s

例1：一臺三相異步電動機，其額定轉速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機的極對數(shù)和額定負載下的轉差率。解：根據(jù)異步電動機轉子轉速與旋轉磁場同步轉速的關系可知：n0=1000r/min,即p=3額定轉差率為二、

旋轉磁場

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZ1.旋轉磁場的產(chǎn)生oo規(guī)定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出(

)電流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相電流合成磁

場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°600oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉的磁場

即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°取決于三相電流的相序2.旋轉磁場的旋轉方向結論：任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。任意調換兩根電源進線(電路如圖)AXCZBY0

to3.旋轉磁場的極對數(shù)P當三相定子繞組按圖示排列時，產(chǎn)生一對磁極的旋轉磁場，即：o

tAXBYCZAXYCBZ

若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC極對數(shù)旋轉磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'04.旋轉磁場的轉速工頻：旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數(shù)p=1時0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2時0旋轉磁場轉速n0與極對數(shù)p的關系極對數(shù)每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速旋轉磁場轉速n0與頻率f1和極對數(shù)p有關?？梢?15

2.異步電機的基本結構及銘牌數(shù)據(jù)異步電機外形圖異步電機結構圖

一、異步電機的基本結構1.定子定子鐵心：電機主磁路的組成部分，并嵌放定子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成。為了嵌放定子繞組，在定子沖片內圓周上均勻地沖制若干個形狀相同的槽。一、異步電機的基本結構定子鐵心的槽形主要有三種：半閉口槽適用于小型異步電機，其繞組是用圓導線繞成的。半開口槽適用于低壓中型異步電機，其繞組是成型線圈。開口槽適用于高壓大中型異步電機，其繞組是用絕緣帶包扎并浸漆處理過的成型線圈。

一、異步電機的基本結構2.定子定子繞組：構成電路部分。其作用是感應電動勢、流過電流、實現(xiàn)機電能量轉換。機座：固定和支撐定子鐵心。因此要求有足夠的機械強度。一、異步電機的基本結構2.轉子轉子鐵心：電機主磁路的組成部分，并放置轉子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成，在轉子外圓周上沖制均勻分布的形狀相同的槽。轉子繞組：構成電路部分。有兩種結構型式：籠型繞組和繞線型繞組。轉軸：支撐轉子鐵心和輸出、輸入機械轉矩。20

一、異步電機的基本結構2.轉子

籠型繞組：在轉子鐵心均勻分布的每個槽內各放置一根導體，在鐵心兩端放置兩個端環(huán)，分別把所有的導體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián)接起來。這種籠型繞組一般為鋁澆鑄的，對中大型電機為減小損耗、提高效率，往往采用銅條焊接而成。Y.Q.Xiong2005-5第5章異步電機21

一、異步電機的基本結構2.轉子

繞線型繞組：與定子繞組相似、極數(shù)相同的三相對稱繞組。一般接成星形。將三相繞組的三個引出線分別接到轉軸上三個滑環(huán)上，再通過電刷與外電路接通。繞線型轉子的特點是可以通過滑環(huán)電刷在轉子回路中接入附加電阻，以改善電動機的起動性能、調節(jié)其轉速。一、異步電機的基本結構

3.氣隙定、轉子之間的間隙，也是電機主磁路的組成部分。氣隙大小對異步電機的性能影響很大。為了減小電機主磁路的磁阻，降低電機的勵磁電流，提高電機的功率因數(shù)，氣隙應盡可能小。異步電機氣隙長度應為定、轉子在運行中不發(fā)生機械摩擦所允許的最小值。中、小型異步電機中，氣隙長度一般為0.2～1.5mm。二、三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)1.型號

磁極數(shù)(極對數(shù)p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機下列表中列出了各種電動機的系列代號。異步電動機產(chǎn)品名稱代號產(chǎn)品名稱異步電動機繞線式異步電動機防爆型異步電動機高起動轉矩異步電動機新代號漢字意義老代號Y異異繞異爆異起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接線盒定子三相繞組的聯(lián)接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y聯(lián)結W1U1V1W2U2V2聯(lián)結3.電壓例如：380/220V、Y/

是指線電壓為380V時采用Y聯(lián)結；線電壓為220V時采用

聯(lián)結。說明：一般規(guī)定，電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5%。因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值,從而使電動機過熱。電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V,

及6000V等多種。4.電流例如：Y/

6.73/11.64A

表示星形聯(lián)結下電機的線電流為6.73A；三角形聯(lián)結下線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。

5.功率與效率鼠籠電機

=72~93％電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。注意：實用中應選擇容量合適的電機，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。6.功率因數(shù)PN三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負載時約為0.7~0.9?？蛰d時功率因數(shù)很低，只有

0.2~0.3。額定負載時，功率因數(shù)最高。7.額定轉速電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉速。P2cos

O如：n

N=1440轉/分

sN

=0.048.絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為A、E、B、F、H五級，A級最低(105oC)，H級最高(180oC)。機械特性（一）

固有機械特性

固有機械特性

：

異步電動機工作在額定電壓及額定頻率下，電動機按規(guī)定的接線方法接線，定子及轉子電路中不外接電阻(電抗或電容)時的機械特性。4．同步轉速點是電動機的理想空載點。此時：n=n1s=0，Tem=0，轉子電流I2=0，異步電動機本身不可能達到同步轉速點。固有機械特性（一）

固有機械特性

1．起動點A定子電流I1=Ist

=（4～7）IN（IN為額定電流）2．最大轉矩點Ps=sm，Tem=Tm

是電動機穩(wěn)定運行的臨界點

3．額定運行點B（二）人為機械特性人為機械特性

：改變U1和f1或定子和轉子回路串附加電阻和電抗某一參數(shù)(或物理量)時，所得Tem=f（n）或Tem=f（s）的關系曲線。（二）人為機械特性1．降低U1時的人為機械特性電動機長期低壓運行，會使電機過熱甚至燒壞。（二）人為機械特性2．定子回路串接三相對稱阻抗時的人為機械特性

1.串電阻前

2.串電阻后

（二）人為機械特性3．轉子回路串入三相對稱電阻的人為機械特性轉子回路串接對稱電阻適用于繞線式異步電動機的起動和調速。

4．改變電源頻率的人為機械特性

調速時介紹1.三相異步電動機的啟動I1st很大，其值約為額定電流的4～7倍。盡管啟動電流很大，但因功率因數(shù)甚低，所以啟動轉矩Tst較小。

啟動時：n=0，s=1引起電網(wǎng)電壓明顯降低，而且還影響接在

同一電網(wǎng)的其他用電設備的正常運行。

頻繁起動，不僅使電動機溫度升高，還會

產(chǎn)生過大的電磁沖擊，影響電動機的壽命。

過大的起動電流

的危害1.三相異步電動機的起動滿足Ist/IN≤3/4+PH*/4PN可允許直接起動一、

籠型異步電動機的起動

（一）直接起動利用刀開關或接觸器將電動機定子繞組直接接到額定電壓的電流上，又稱全壓起動。優(yōu)點：起動設備和操作都比較簡單。缺點：起動電流大、起動轉矩小。電源總容量電動機功率（二）降壓起動1．定子電路串接電阻起動

調節(jié)電阻Rst的大小可以將起動電流限制在允許的范圍內。采用定子串電阻降壓起動時，雖然降低了起動電流，但也使起動轉矩大大減小。

U1/U/1=I1st/I/1st=Ku>1則T/st=T/st/K2u顯然起動轉矩大大減小只適用于空載和輕載起動

（二）降壓起動2．星-三角降壓起動結論:I/st=Ist/3T/st=Tst/3（二）降壓起動2．星-三角降壓起動說明:高電壓電動機引出六個出線端子有困難，故星-三角起動一般僅用于500V以下的低壓電動機，且又限于正常運行時定子繞組作三角聯(lián)結。星—三角降壓起動的優(yōu)點:起動設備簡單，成本低，運行比較可靠，維護方便。（二）降壓起動3．自耦變壓器降壓起動

結論:I/2st/I1st=U2/U1=1/Ku

I/2st=KuI/1stI/1st/I1st=1/K2u

T/st/Tst=1/K2u（二）降壓起動3．自耦變壓器降壓起動

說明:自耦變壓器的二次側上備有幾個不同的電壓抽頭，以供用戶選擇電壓。例如，QJ3型有三個抽頭，分別為40%、60%、80%。Ku=2.5、1.67、1.25。適合于星形連接帶負載起動的電機。說明:自耦變壓器的體積大、重量重，價格較高，維修麻煩，且不允許頻繁移動。自耦變壓器容量的選取，一般等于電動機的容量。（二）降壓起動3．自耦變壓器降壓起動

二、

繞線型轉子異步電動機的起動（一）轉子電路串接起動電阻器使起動電流減小，起動轉矩增大。如使轉子回路的總電阻R2與電動機漏感抗X20相等，則起動轉矩可達到最大值。

起動過程（一）轉子電路串接起動電阻器特點：

減小起動電流，增大起動轉矩?？梢栽谛》秶鷥冗M行調速。結構比籠型異步電動機復雜，造價高，效率也稍低。在起動過程中，當切除電阻時，轉矩

突然增大，會在機械部件上產(chǎn)生沖

擊。電動機容量較大時，轉子電流很大，

起動設備也將變的龐大，操作和維

護工作量大（一）轉子電路串接起動電阻器特點：

（二）繞線轉子電動機轉子串接頻敏變阻器頻敏變阻器結構圖

E形鋼板或鐵板迭裝

30～50mm等效電阻隨頻率增大而增大。等效電阻剛起動時，最大，起動完畢，很小。（二）繞線轉子電動機轉子串接頻敏變阻器特點：

頻敏變阻器在工作時總存在著一定的阻

抗，使得機械特性比固有機械特性軟一

些，因此，在起動完畢后，可用接觸器將頻敏變阻器短接，使電動機在固有特性上

運行

頻敏變阻器是一種靜止的無觸點變阻器，它具有結構簡單、起動平滑、運行可靠、

成本低廉、維護方便等優(yōu)點。

2.異步電動機的調速可得三相異步電動機調速方法：

改變電機極對數(shù)

改變電源頻率改變轉差率一、變極調速電源頻率恒定改變磁場極對數(shù)p同步轉速n1改變。轉子轉速n改變只適用于籠型電動機，因為籠型轉子繞組的極對數(shù)是感應產(chǎn)生的，隨定子磁場極對數(shù)改變而自動改變，使兩磁場極對數(shù)保持一致，從而形成有效的平均電磁轉矩。原

理：改變繞組連接

改變電流方向

改變極對數(shù)

2P=42P=2一、變極調速二、

變頻調速U1≈E1=4.44f1N1kw1Φ0

單一地調節(jié)電源頻率，將導致電動機運行性能的惡化

。兩種結果：1.鐵心嚴重飽和

2.電機得不到充分利用∴要求在調節(jié)f1的同時，改變定子電壓U1，以維持磁通不變，或者保持電動機的過載能力不變

。電力電子技術的發(fā)展，使變頻調速得到了廣泛的應用。（一）從基頻向下調的變頻調速，

保持U1/f1=恒值，即恒轉矩調速應設法保證Φ0不變。若保持U1/f1=恒值，電動機最大電磁轉矩Tm在基頻附近可視為恒值，在頻率更低時，隨著頻率f1下調，最大轉矩Tm將變小。

（二）從基頻向上調的變頻調速電動機端電壓不允許升高，因此f升高時，其U應保持不變。則f1增加，磁通降低，屬減弱磁場調速類型。運行段近似是平行的，此調速方式，可近似認為是恒功率調速類型。

異步電動機變頻調速控制特性1-不帶定子電壓

補償；2-帶定子電壓補償如果f1是連續(xù)可調的，則變頻調速是無級調速。（一）改變電壓U1調速三、改變轉差率調速方法：

改變電源電壓.改變轉子回路電阻.電磁轉差離合器等

Tm∝

如圖：負載TL不變，電壓降低時，運行點將從A轉至B。B電阻越大，曲線越偏向下方。T2一定時，電阻越大，轉速越低。這種調速方法損耗較大，調整范圍有限，主要應用于小型電動機調速中。（二）改變轉子電阻調速（三）電磁轉差離合器調節(jié)電磁離合器的組成

感應子上的勵磁線圈沒有電流通過時，即使主動軸旋轉，從動軸也不動，相當于離合器脫開。

通入勵磁電流以后，感應子連同負載按與電樞相同方向旋轉。

電磁轉差離合器的調速系統(tǒng)

3.三相異步電動機的制動電動狀態(tài)

:電磁轉矩Tem與轉速n方向相同電機運行于機械特性的一、三象限

Tem與轉速n的方向相反電機運行于機械特性的二、四象限快速減速或停車和勻速下放重物

制動運行狀態(tài):一、能耗制動斷開交流接通直流在慣性作用下旋轉，根據(jù)左手定則，轉子導體受力，產(chǎn)生制動力矩。轉速為零，轉矩為零，易于實現(xiàn)準確停車改變電阻，改變制動轉矩.改變直流電流，改變制動轉矩.二、反接制動（一）倒拉反接制動

Tst<TL，在重物G的作用下，迫使電機反T的方向旋轉，并在重物下放的方向加速。其轉差率s為：s=

隨|-n|的增加，s、I2及Tem都增大，直到滿足T=TL

轉速反向反接制動適用于低速勻速下放重物

二、反接制動（二）定子兩相反接的反接制動

帶反抗性負載時，電動機將進入第四象限。調換相序，n1反向1

n

n

n

n

n

n

s

1

1

1

>

+

=

-

-

-

=

E2、sE2、I2及Tem都與電動狀態(tài)時相反，即電機轉矩變負，產(chǎn)生制動作用。轉速降至0后，若不切除電源，電機將反向起動運行于第三象限。（二）定子兩相反接的反接制動

兩相反接制動的優(yōu)點：

制動效果好

缺點：能耗大，制動準確度差

要停車時，還須及時切除電源

這種制動適用于要求迅速停車或迅速反轉的生產(chǎn)機械。三、回饋制動異步電動機由軸上輸入(即吸收)機械功率。為了避免因轉速高而損壞電機，在回饋制動時，轉子回路中不串電阻

。常用于高速且要求勻速下放重物的場合。

1.單相異步電動機特點：接單相交流電源運行其結構簡單、成本低廉功率從幾瓦到幾百瓦效率和功率因數(shù)比三相異步電動機稍低

應用

：廣泛應用于家用電器、電動工具、醫(yī)療器械等方面，一、單相異步電動機的工作原理（一）運行繞組單獨通電時的機械特性脈振磁勢

脈振磁動勢F可以分解為兩個轉向相反、轉速相同、幅值相等的旋轉磁動勢F+和F-t1時（一）運行繞組單獨通電時的機械特性脈振磁動勢對應的轉矩Tem為F+和F-對應的T+和T-的疊加。

F+對應的T+F_對應的T_合成轉矩T一、單相異步電動機的工作原理（一）運行繞組單獨通電時的機械特性特點：啟動時，正負轉矩大小相等，方向相反，合成轉矩為零。即單相異步電動機不能自行啟動在S=1的兩邊，合成轉矩是對稱于原點的曲線，因此單相異步電動機沒有固定的轉向，用某一啟動措施，使啟動時轉子得到某一方向的啟動轉矩，轉子即按該方向旋轉。單相異步電動機如果只有運行繞組，可以運行但不能自行起動。

一、單相異步電動機的工作原理（二）

兩相繞組通電時的機械特性在電機內部布置兩套繞組稱之為主繞組和副繞組，這兩套繞組在空間相差90°電角度；流過的電流相差90°相位。對其產(chǎn)生的磁勢進行分析：主繞組磁勢FA軸線方向

輔繞組磁勢FB軸線方向tiFB

FA

t1

t2

t3

t4

FA-

FA+

FB+FB-

F合成

FA-FA+FB+FB-F合成

FA-

FA+

FB+FB-

F合成

FA-

FA+

FB-

FB+F合成

t1時刻t2時刻t3時刻t4時刻結論：

合成磁勢幅值不變，其位置隨時間按角度而變。即為一圓形旋轉磁勢。起動轉矩大于

0旋轉磁場是從電流超前相轉向滯后相；轉子也從電流超前相轉向滯后

相。調換主繞組或輔繞組的頭

尾磁場特點：電機旋轉方向：改變電機轉向：

橢圓旋轉磁動勢時的機械特性

如果兩套繞組流過的電流相位相差不為900