交流异步电机及其控制ppt课件.ppt
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1、3.1 三相异步电动机的结构与铭牌 2课时 3.2 三相异步电动机的工作原理 4课时 3.3 三相异步电动机的电路分析 2课时 3.4 三相异步电动机的工作特性 2课时 3.5 三相异步电动机的起动 2课时 3.6 三相异步电动机的调速 2课时 3.7 三相异步电动机的制动 2课时 3.8 单相异步电动机 4课时,第三章 三相异步电动机,第三章 三相异步电动机,第三章 三相异步电动机,3.1 三相异步电动机的结构与铭牌,第三章 三相异步电动机,电动机的分类:,一、 三相异步电动机概述,第三章 三相异步电动机,三相异步电机主要用作电动机,拖动各种生产机械。容量从几十瓦到几千千瓦,由于其结构简单、
2、体积小、重量轻、效率较高,不仅在工业生产中使用非常广泛,在农业方面也大都是用异步电动机来拖动的。据统计,在整个电能消耗中,电动机的耗能占总电能的65%左右,而在整个电动机的耗能中,三相异步电动机又居首位。随着变频技术的发展,三相异步电动机的平滑调速性能越来越凸显其优势,三相异步电动机将在更多的领域代替直流电动机的应用。,一、 三相异步电动机概述,第三章 三相异步电动机,三相异步电动机结构分类,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,三相异步电动机主要由定子部分、转子部分、气隙及其它附件构成。,1 定 子 部 分,(1)定子铁心导磁部分 定子铁心是电机磁路的一部分,并起固定定子绕组的
3、作用。为了增强导磁能力和减小铁耗,定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成,片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽,用以嵌放定子绕组。,(2)定子绕组放在定子铁心内圆槽内导电部分 定子绕组是异步电动机的电路部分,其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组,大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式,三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上,可根据需要将三相绕组接成Y形或形。,(3)机座 机座是电动机的外壳,支撑电机各部件,并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁,故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用
4、铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,(1)定子铁心的结构,二、 三相异步电动机的结构,定子铁心,定子冲片,定子冲片,第三章 三相异步电动机,(2)定子绕组,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,(3)定子机座,二、 三相异步电动机的结构,定子机座,定子机座,第三章 三相异步电动机,转 子 部 分,(1)转子铁心 转子铁心也是电机磁路的组成部分,并用来固定转子绕组。铁心材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成,故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上,其外圆上开有槽,用来嵌放转子绕组
5、。,(2)转子绕组根据转子绕组的结构型式可分为 1)鼠笼式转子:转子铁心的每个槽内插入一根裸导条,形成一个多相对称短路绕组。 2)绕线式转子:转子绕组为三相对称绕组,嵌放在转子铁心槽内。,2、转子部分 在旋转磁场作用下,产生感应电动势或电流。,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,(1)转子铁心,二、 三相异步电动机的结构,绕线型转子铁心,笼型转子铁心,第三章 三相异步电动机,(2)转子绕组,二、 三相异步电动机的结构,三相绕线式 转子绕组结 构示意图,鼠笼型转子绕组结构示意图,第三章 三相异步电动机,绕线式转子 实物图片,碳刷,二、 三相异步电动机的结构,3、气隙 异步电动机的
6、气隙是均匀的,大小为机械条件所能允许达到的最小值。异步电机气隙比同容量的直流电动机气隙小得多,在中小型异步电机中,约为0.20.5mm。,第三章 三相异步电动机,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,鼠笼式: 结构简单、价格低廉、工作可靠;不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式: 结构复杂、价格较贵、维护工作量大;转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,鼠笼式电动机与绕线式电动机的比较:,二、 三相异步电动机的结构,第三章 三相异步电动机,1) 型号,例如: Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,异步电动机产品
7、名称代号,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,2)接法,定子三相绕组的联接方法:,通常,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,三、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,5) 功率与效率,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率 P2,它不等于从电源吸取的电功率 P1。,6) 绝缘等级,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级,分为A、E、B、F、H五级,A级最低(105C),H级最高(180C)。,二、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,7) 功率因数,三相异步电动机的功率因数较低,在额定负载时约为 0.7 0.9。空载时功率因数更低,只有 0.2 0.
8、3。额定负载时,功率因数最高。,8) 额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,二、三相异步电动机铭牌,第三章 三相异步电动机,3.2 三相异步电动机的工作原理,第三章 三相异步电动机,3.2 三相异步电动机的工作原理,一.异步电动机转动演示,点击演示,第三章 三相异步电动机,定子三相对称绕组通入对称三相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,电流方向规定,()电流出,()电流入,当三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时,将在电机气隙空间产生旋转磁场;(动画1,动画2),二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,三相电
9、流合成磁场的分布情况,A,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,由以上分析可知:三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场, 即:一个电流周期,旋转磁场在空间转过360,2.旋转磁场的旋转方向,结论: 旋转磁场的方向取决于三相电流的相序,任意调换两根电源进线,则旋转磁场反转。,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,当三相定子绕组按图示排列时,产生一对磁极的旋转磁场,即:P=1,3.旋转磁场的极对数P,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,若定子每相绕组由两个线圈串联 ,绕组的始端 之间互差60,将形成两对磁极的旋转磁场。,结论:旋转磁场的磁极对数与三相
10、绕组的排列有关,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,4.旋转磁场的转速,p=1时,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,p=2时,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,二.三相异步电动机的旋转磁场,第三章 三相异步电动机,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,三.三相异步电动机转动原理,1、转动原理,第三章 三相异步电动机,转动原理,电生磁,磁生电,产生电磁力,旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流,三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,转子载流体在磁场作
11、用下受电磁力作用,形成电磁转矩,驱动电动机旋转,将电能转化为机械能。,三.三相异步电动机转动原理,第三章 三相异步电动机,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,由前面分析可知,电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致,但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等,即,如果 n=n0,因此,转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,2. 转差率,三.三相异步电动机转动原理,第三章 三相异步电动机,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例1:一台三相异步电动机,其额定转速 n=975 r/min,电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对
12、数和额定负载下的转差率。,解:,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知:n0=1000 r/min , 即,p=3,三.三相异步电动机转动原理,第三章 三相异步电动机,3.3 三相异步电动机的电路分析,一、定子绕组各物理量 二、转子绕组各物理量 三、三相异步电机的空载运行 四、三相异步电动机的负载运行 五、三相异步电动机的等效电路 六、三相异步电动机与变压器的对比,第三章 三相异步电动机,异步电动机:旋转磁场切割导体 e U1 E1= 4.44 f 1N1,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ,所以,感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f 1= 电源频率 f,一、定子
13、电路各物理量,1)旋转磁场的磁通,2)定子感应电势的频率 f1,第三章 三相异步电动机,定子导体与旋转磁场间的相对速度固定,而转子 导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而 变化,所以转子感应电势频率 f 2:,所以定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,异步电机运行时,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,二、转子电路各物理量,1)转子感应电势频率 f 2,第三章 三相异步电动机,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时, f 2最高,且 E2 最大,有,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时 的感应电势,即E2= s
14、E20,转子转动时 的感应电势,当转速 n = 0(s =1)时, f 2最高,且 X2 最大,有,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,2)转子感应电动势E 2,3)转子感抗X 2,二、转子电路各物理量,第三章 三相异步电动机,4)转子绕组的感应电流I2,5) 转子电路的功率因数 cos2,二、转子电路各物理量,第三章 三相异步电动机,结论:转子转动时,转 子电路 中的各量均与转差率 s有 关, 即 与转速n有关。,二、转子电路各物理量,第三章 三相异步电动机,异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。,与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势,1)空载电流,2)感应电动势,
15、三、三相异步电机的空载运行,第三章 三相异步电动机,与变压器一样,根据基尔霍夫电压定律,可列出空载时定子每相电压方程式:,同样也有:,根据上两式,可以作出空载时等效电路。,3)电压平衡方程与等效电路,三、三相异步电机的空载运行,第三章 三相异步电动机,根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程:,1)电动势平衡方程,四、三相异步电机的负载运行,第三章 三相异步电动机,物理意义:定子电流一部分为励磁电流,另一部分为负载电流,负载电流的作用是抵消转子电流所产生的磁场效应。,2)基本方程式,异步电动机的电流比,四、三相异步电机的负载运行,第三章 三相异步电动机,2)基本方程式,四、三相异步电
16、机的负载运行,下图为异步电机负载运行时的等效电路,根据此等效电路,可以进行频率及绕组各物理量的折算。折算时要求不改变转子磁动势以及功率关系。频率归算后,就将旋转的电机等效为转子静止时的状态。,第三章 三相异步电动机,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。,在折算的过程中,要保持电机的电磁效应不变,所以要保证:一保持转子磁动势不变;二是转子回路的功率不变。,转子回路电流,五、三相异步电动机的等效电路,1)频率折算,第三章 三相异步电动机,实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频
17、率折算后,转子静止,没有机械损耗和机械功率输出,但电路中多了一个附加电阻 。根据能量守恒关系,该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。,从等效电路角度,可以把 看成是异步电动机的”电阻负载”,其上的压降可以看成是转子回路的端电压:,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,绕组折算后的基本方程,五、三相异步电动机的等效电路,2)绕组折算,第三章 三相异步电动机,3、T型等效电路和简化等效电路,由基本方程可以作出等效电路:,T型等效电路,简化等效电路,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,从等效电路分析可知:,3)三相异步电动机的功率因数永远滞后;,4
18、)附加电阻不能用电感或电容来代替。,5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的,五、三相异步电动机的等效电路,第三章 三相异步电动机,变压器原、副绕组是与同一主磁通相交链,异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。,变压器: 变化 e U1 E1=4.44 f N1 异步电机: 旋转 e U1 E1=4.44 f N1,1)磁通与电势的对比,通过上面的分析,我们可以得出结论:三相异步电动机的电磁关系与变压器类似:,六、异步电动机与变压器的对比,第三章 三相异步电动机,变压器:I2增大 I1 增大,以保持基本不变,以达到传递能量的
19、目的。 异步电机:当负载增加时,转子电流增大 增大,以保持基本不变,以达到传递能量的目的。,(1)变压器是静止的;而异步机是旋转的。,(2)变压器的磁路是无气隙的;而异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙。,(3)变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的;而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。,2)原副边电流关系对比,3) 三相异步电动机与变压器的不同之处,六、异步电动机与变压器的对比,第三章 三相异步电动机,3.4 三相异步电动机的工作特性,一、电磁转矩 二、功率平衡与转矩平衡方程 三、固有机械特性 四、人为机械特性 五、异步电机拖动系统稳定运行分析 六、三相异步电机转矩与转差率
20、的关系,第三章 三相异步电动机,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数,与电 机结构有关,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路的 功率因数,一、电磁转矩,第三章 三相异步电动机,由此得电磁转矩公式,一、电磁转矩,第三章 三相异步电动机,T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T , 当电源电压 U1 一定时,T 是 s 的函数。, R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ,从而改变转距。,一、电磁转矩,第三章 三相异步电动机,异步电动机的功率和损耗有:,1)功率平衡,输入功率,定子铁损,电磁功率,机械功率,输出功率,定子铜
21、损,转子铜损,二、功率平衡和转矩平衡 方程,第三章 三相异步电动机,在等效电路上表 示功率和损耗:,二、功率平衡和转矩平衡方程,功率流程图,三相异步电机等效电路,第三章 三相异步电动机,2)转矩平衡,即,或,电磁转矩,在式 的两边同时除以机械角速度 得,电磁转矩从转子方面看,它等于总机械功率除以转子机械角速度;从定子方面看,它又等于电磁功率除以同步机械角速度。,二、功率平衡和转矩平衡方程,第三章 三相异步电动机,根据转矩公式,可得特性曲线:,三、固有机械特性曲线,固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下,按规定的接线,定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,第三章 三相异步电动机,电动机在额
22、定负载时的转矩。,1)额定转矩TN,额定转矩,(N m),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为,三、固有机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,2)最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ,否则将 造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式,可得,三、固有机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,当 U1 一定时,Tmax为定值,过载系数,一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2 Tmax ,否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,三、固有机械特性曲线,第三
23、章 三相异步电动机,3) 起动转矩 Tst,起动时n= 0 时,s =1,(2) Tst与 R2 有关, 适当使 R2 Tst 。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R2 , 可使Tst =Tmax 。,Tst体现了电动机带载起动的能力。 若 Tst T2电机能起动,否则不能起动。,起动能力,三、固有机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,1)降压时的人为机械特性,下降后, 和 均下降, 但 不变, 和 减少。,如果电机在定额负载下运行, 下降后, 下降, 增大, 转子电流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热,减少使用寿命。,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的
24、机械特性。,四、人为机械特性曲线,第三章 三相异步电动机,R2,Tst ,n,硬特性:负载变化时,转速变化不大,运行特性好。,软特性:负载增加时转速下降较快,但起动转矩大,起动特性好。 ,2) 转子绕组串电阻的人为机械特性,第三章 三相异步电动机,或,根据上式可分析电动机的工作状态如下:,由上面的分析可知,系统在稳定运行时,一旦受到外界的干扰,系统的平衡状态将被打破。,五、异步电机拖动系统的稳定运行分析,电机运行于直线段:当负载发生变化时,由电磁转矩公式可知:,第三章 三相异步电动机,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整,这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动
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