運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試（第2版）課件 3.2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 b2

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試主講：南工機(jī)電教學(xué)團(tuán)隊(duì)高等教育出版社3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理定子1

三相異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種交流電動(dòng)機(jī)，其負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。還隨著負(fù)載的大小發(fā)生變化。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低。電機(jī)外形及接線端子如圖3-7所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理定子由機(jī)座、鐵芯及繞組組成。機(jī)座通常用鑄鐵或鑄鋼制成。是電動(dòng)機(jī)的支架，用來固定和支撐定子鐵芯。電機(jī)結(jié)構(gòu)及機(jī)座如圖3-8所示。定子鐵芯由0.5mm個(gè)硅鋼片疊壓而成，用于嵌放繞組，提供磁路。如圖3-9所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

定子繞組是對稱的三相繞組，分別用U1U2、V1V2、W1W2表示。其中U1、V1、W1是首端，U2、V2、W2是末端。定子接線盒外部如圖3-7右圖所示，定子接線盒內(nèi)部如圖3-11所示3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)子由鐵芯、繞組和轉(zhuǎn)軸組成。在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子鐵芯：由硅鋼片疊壓而成，嵌放繞組，提供磁路，是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。硅鋼片如圖3-12所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成電動(dòng)機(jī)電路的另一部分，有繞線式和鼠籠式。繞線式的異步電動(dòng)機(jī)能采用轉(zhuǎn)子繞組串電阻起動(dòng)和調(diào)速，因此起動(dòng)性能和調(diào)速性能比鼠籠式異步電機(jī)優(yōu)越。但由于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單易于維護(hù)，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組大部分是澆鑄鋁籠型（如圖3-13左），大功率也有銅條制成的籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)體（如圖3-13右）。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理轉(zhuǎn)軸一般用45號鋼制成，用來傳遞電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)軸上面安裝轉(zhuǎn)子繞組，安裝繞線式轉(zhuǎn)子繞組和鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)軸如圖3-14所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理異步電機(jī)的原理模型3利用線圈在旋轉(zhuǎn)到磁場中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流，產(chǎn)生感應(yīng)電流的線圈在磁場中受力的原理，使線圈旋轉(zhuǎn)。模型如圖3-15所示。鼠籠會(huì)隨著磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)當(dāng)磁鐵N-S以n0轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈會(huì)切割磁力線，由右手定則（如圖2-17所示），拇指為線圈相對磁力線運(yùn)動(dòng)方向（向右），磁場穿過掌心，四指方向?yàn)楫a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e方向，i為感應(yīng)電流方向。產(chǎn)生感應(yīng)電流i的線圈的運(yùn)動(dòng)由左手定則（圖2-16所示）確定。四指為通電電流方向，磁場穿過掌心，拇指為受力方向F。所以，產(chǎn)生感應(yīng)電流i的線圈在磁場的作用下，轉(zhuǎn)速為n，其轉(zhuǎn)向與磁鐵轉(zhuǎn)向一致。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理4（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生三相異步電動(dòng)機(jī)中，旋轉(zhuǎn)磁場代替了旋轉(zhuǎn)磁鐵N-S。為了簡便起見，假設(shè)每相繞組只有一個(gè)線匝，分別嵌在定子內(nèi)圓周的6個(gè)凹槽之中。如圖3-16所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理把三相繞組圖繪制成示意圖，如圖3-17所示規(guī)定：電流正方向?yàn)椋菏锥薃到末端X，首端B到末端Y，首端C到末端Z且A相繞組電流iA作為參考正弦量。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理規(guī)定：電流正方向?yàn)椋菏锥薃到末端X，首端B到末端Y，首端C到末端Z且A相繞組電流iA作為參考正弦量。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理三相交流電的方程為：3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)t=0，ωt=0°時(shí)，如圖3-20左圖。由3.1方程：iA=0，iB=-0.87Im，iC=0.87Im。B端為負(fù)，電流流出，Y端電流流入；C端為正，電流流入，Z端電流流出；所以為合成磁場方向根據(jù)安培定則（右手螺旋定則），拇指指向電流方向，四指環(huán)繞方向?yàn)榇帕€方向，如圖3-20右圖所示。所以N-S方向向下。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)t=T/6，ωt=60°時(shí)，如圖3-21左圖。由3.1方程：iA=0.87，iB=-0.87Im，iC=0。A端為正，電流流入，X端電流流出；B端為負(fù)，電流流出，Y端電流流入；所以為合成磁場方向根據(jù)安培定則，N-S方向與豎直方向夾角向下60度，如圖3-21右圖所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)t=T/3，ωt=120°時(shí)，如圖3-22左圖。由3.1方程：iA=0.87，iB=0，iC=-0.87Im。A端為正，電流流入，X端電流流出；C端為負(fù)，電流流出，Z端電流流入；所以為合成磁場方向根據(jù)安培定則，N-S方向與豎直方向夾角向上60度，如圖3-22右圖所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)t=T/2，ωt=180°時(shí)，如圖3-23左圖。由3.1方程：iA=0，iB=0.87Im，iC=-0.87Im。B端為正，電流流入，Y端電流流出；C端為負(fù)，電流流出，Z端電流流入；所以為合成磁場方向根據(jù)安培定則，N-S方向向上，如圖3-23右圖所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理同理分析，可得其它電流角度下的磁場方向。所以可以得到如下結(jié)論：1）當(dāng)三相電流隨時(shí)間的變化而不斷變化時(shí)，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。2）旋轉(zhuǎn)磁場的方向與三相電流的相序一致。要改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只需換接其中兩相即可。如圖3-24所示。相續(xù)由A、B、C變?yōu)閳D3-24左圖中的A、C、B，則磁場轉(zhuǎn)向則由順時(shí)針變?yōu)閳D3-24最右端的逆時(shí)針。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大小一個(gè)電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360°。則同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場相對定子的旋轉(zhuǎn)速度稱為同步轉(zhuǎn)速，用n0表示。）為：其中，f為交流電的頻率。工頻時(shí)，f=50Hz。（3）極對數(shù)對轉(zhuǎn)速的影響當(dāng)三相定子繞組按圖3-18右圖所示排列時(shí)，產(chǎn)生一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，此種接法下，合成磁場只有一對磁極，則極對數(shù)為1，即：p=1。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理將每相繞組分成兩段，按圖3-25所示放入定子槽內(nèi)。形成的磁場則是2對磁極。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)t=0，ωt=0°時(shí)，如圖3-26左圖。由3.1方程：iA=0，iA'=0；iB=-0.87Im，iB'=-0.87Im

；iC=0.87Im，iC'=0.87Im

。B端、B'端為負(fù)，電流流出，Y端、Y'端電流流入；C端、C'端為正，電流流入，Z端、Z'端電流流出；所以為合成磁場方向根據(jù)安培定則（右手螺旋定則），如圖3-26右圖所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)t=T/6，ωt=60°時(shí)，由3.1方程：iA=0.87，iA'=0.87；iB=-0.87Im，iB'=-0.87Im；iC=0，iC'=0。A端、A'端為正，電流流入，X端、X'端電流流出；B端、B'端為負(fù)，電流流出，Y端、Y'端電流流入；所以為合成磁場方向根據(jù)安培定則，可知磁場順時(shí)針轉(zhuǎn)過30度，如圖3-27右圖所示。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理所以，可知旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于磁場的極對數(shù)。（3）工作原理總結(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子之所以能夠旋轉(zhuǎn)，是因?yàn)榻?jīng)過了如下過程：1）三相交流電源接通三相定子繞組；2）定子繞組產(chǎn)生三相對稱電流；3）三相對稱電流在電機(jī)內(nèi)部建立旋轉(zhuǎn)磁場；4）旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)；5）轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流；6）感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子繞組(感應(yīng)電流)在磁場中受到電磁力的作用；7）在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n。由此可知，三相異步電動(dòng)機(jī)是通過載流的轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受力而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，而轉(zhuǎn)子繞組中的電流由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，并非外部輸入，故異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理（4）轉(zhuǎn)差率由前面分析可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不可能與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等。如果二者相等，則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運(yùn)動(dòng)，磁通不切割轉(zhuǎn)子；無轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子電流，進(jìn)而無轉(zhuǎn)矩；因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須小于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）與轉(zhuǎn)子（電動(dòng)機(jī)）的轉(zhuǎn)速之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：s是一個(gè)沒有單位的數(shù)。正常運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率s很小，一般s=0.015~0.06。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦可由轉(zhuǎn)差率求得：3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理利用轉(zhuǎn)差率還可以計(jì)算轉(zhuǎn)子電流頻率，即轉(zhuǎn)子繞組電流頻率轉(zhuǎn)子繞組電流頻率符號表示為f2。設(shè)定電源頻頻率為f1，轉(zhuǎn)差率為S，f2=S×f1。

（3.6）轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，由定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子繞組的速度與相對于定子繞組的速度完全一樣。于是，轉(zhuǎn)子電流的頻率f2與定子電流的頻率f1相等。當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間沒有相對運(yùn)動(dòng)