第3章交流异步电机运行控制 -2017

• 三相异步电机定子和转子某一相可用下 图来模拟：
• 右图为异步电动机转子和定子等效电路 图。
• 若令转子不动时，转子电路具有电阻R2/s 时，转子电路内通过频率为f1的转子电流。 该电流在数值等于转子以转差率s旋转时 转子电路中的电流，并且转子电路的功 率因素也等于转子以s旋转时的功率因素。 此时，I2大小和相位皆未改变。 • 可以证明：I1大小、相位也未改变。因而 定子取自电源的功率及定子传递给转子 的功率均保持在原来转子实际转动情况 下的数值。
经整理后得：
• • 式中， 矩常数。
KTφI2cosψ2 称为异步电动机的转
• 将I2、cosψ2和 可得：
代入T，
• 式中，
• 上式表明，三相异步电机的电磁转矩T与 每相电压有效值U1的平方成正比。 • 当U1变化时，对电磁转矩影响很大 • 当电压U1一定时，转子参数R2和Xσ20一定 时，电磁转矩与转差率s有关，T=f（s） 关系就称为异步电机的机械特性。
• 由等效电路图可看出： • 与纯电阻负载的变压器等效电路相同 • 向量图与变压器向量图一样。异步电机 向量图如下图所示：
• 转子电路的电压平衡方程：
• 转子电动势有三个分量： • ①转子电阻压降I2R2与I2同相 • ②负载等效电阻压降I2 R2 （（1-s）/s） 与I2同相 O • ③转子漏抗压降jI2Xσ20超前90 • 转子回路的功率因素为：
• 起动电流倍数：
• ㈡笼形异步电机的起动控制 • 1.直接起动
• 2.降压起动
• ㈢ 绕线异步电机的起动 控制
• 前述笼型异步电动机降压起动的各种控 制方案均能达到降低起动电流的目的； 但由于起动转矩正比于电压的平方，相 应的起动转矩也降低，故降压起动方法 一般只用于大型三相异步电动机的空载 或轻载起动。 • 如果既要减小起动电流，又要求较大的 起动转矩——绕线转子异步电动机。
• 二、三相异步电机的转速 • n0=60f1/p • 对一台固定的三相异步电机，f1和p通常 固定，则n0固定。
• 转差率s： s =（ n0 -n）/n0 一般s =1%~9% 启动瞬间，n=0，s具有最大值=1
三相异步电机的结构
绕线转子异步电机剖面图 1—转子绕组 2—段盖 3—轴承 4—定子绕组 6—定子 7—集电环 8—出线盒
• 五、异步电机的工作特性和额定值 • （一）、异步电机的工作特性
• 忽略电机的机械损耗，则输出功率
• • • • • • • • • •
（二）、异步电机的额定值 ⑴.额定功率PN ⑵.额定电压UN ⑶.额定频率f1 ⑷.额定电流IN ⑸.额定转速nN ⑹.额定功率因数cosψN ⑺.额定效率ηN ⑻. 工作方式 ⑼.绝缘等级
• 当电机空载运行时，转子电流I2很 O 小，所以定子电流I1=Io， φ1 ≈90 ， 故空载异步电动机cos φ1 ≈0.2~0.3， 很低。 • 当I2增加时， cos φ1 增加，额定负 载时， cos φ1 =0.7~0.9。由于I1在 相位上滞后外加电压U1 ，故异步 电动机相对于电源而言，是感性 负载。
• X σ20表示转子不动时，每相转子绕组的 漏感抗。 • 当转子转动时，转子绕组每相电流有效 值为： • 转子电路的功率因素为： • 异步电机正常运行时，由于转子短路， 其电压平衡方程式为：
• 将E2= sE20 和 Xσ2=s Xσ20带入，可得：
• I2和cosφ2随s变化的关系曲线如图所示：
• 电动机空载电流Io：Io超前φ为α。当转子 电路中有电流时，由磁势平衡方程决定 定子电流：
式中
称为异步电动机的电压比，m1、m2分别 为定子和转子相数，k1、k2为绕组系数， N1、N2为绕组匝数。
• 定子电路电压平衡方程式为：
• • • •
外加电压由三个分量平衡： ①定子电阻压降I1R1与I1同相 O ②定子漏抗压降jI1Xσ1超前I1 90 ③定子电动势E1的电压分量-E1，它超前 O φ90 • 外加电压U1与定子电流I1的夹角（φ1）的 余弦，即cos φ1为异步电动机回路的功率 因素。
n1
sm
Rr
Rr R1
Rr R1 R2
Te
转子回路串三相对称电阻的人为机械特性
（一）、额定转矩TN
• 额定转矩是电机在额定负载时输出的转 矩。额定转矩TN可从电机铭牌数据（额 定功率P2N和额定转速）求得：
• 功率单位——Kw • 转速单位——r/min • 转矩单位——N· m
（二）、最大转矩Tmax
第六节 起动、正反转、制动
• 一、起动及其控制 • ㈠异步电机起动性能 • 起动时，n=0，s=1，此时E20最大，设nN 时的转差率SN=0.05，则由E2N= SN E20可 知， E20是E2N的20倍。 • 起动时转子漏抗X σ20也较大，故起动 时转子电流为 约为额定 转子电流的5~8倍，I1st约为额定定子电 流I1N的4~7倍
• 在转子回路中串入电阻后：
二、机械特性
• 以s为自变量，T为因变量可做出T=f（s） 曲线：
• 由T=f（s）曲线可得出n=f（T）曲线：
人为机械特性 三相异步电动机在改变电 源电压、电源频率、定子极 对数或增大定、转子阻抗的 情况下， 所得到的机械特性 称为人为机械特性。
1. 降低定子端电 n 压的人为机械特性 在电磁转矩的参 数表达式中，保持其 它量都不变，只改变 定子电压Us的大小。 s m 由于异步电动机的磁 路在额定电压下工作 于近饱和点，故不宜 再升高电压，所以只 讨论降低定子电压Us O 时的人为机械特性。
一、定子电路分析
• • • • 电压加于定子绕组，产生合成旋转磁场。 该磁场在空气隙中呈正弦分布； 以转速为n0旋转。 该磁场切割定子和转子导体，在定子绕组某 相中产生的感应电势为：
• 此电势也按正弦规律变化，相位滞后Φ90
o
• E的大小为：
• 式中N1为定子绕组每相串联的匝数。 • 由于定子中同一相绕组是嵌放在不同分 布的槽中，考虑到绕组分布的情况，上 式中应乘一个小于1的绕组系数k1，即： • 同样对于绕线转子电动势中也有绕组系 数k2，（一般取0.9），对笼形k2取1。
• 最大转矩可通过下面求得：
• Tmax与U1平方成正比，与X σ20成反比， 与R2无关；而Sm与R2成正比，与X σ20成 反比。
• 当负载转矩超过Tmax时，电机将发生 “堵转”现象，此时，电机电流升高几 倍，如果时间较长，电机会过热损坏。 • 电机负载达到Tmax称为过载。 • 用过载系数λ来标定电机的过载能力。
• 可以把一个转动的异步电动机转换为一个 等效的不转动的异步电动机，从而把转子 机械功率转换成等效电功率来讨论，即把 异步电动机按变压器原理来分析。 • R2/s可以写成R2/s= R2 + R2 (（1-s）/s）， 即把转子电路的电阻R2/s由转子每相电阻 R2和负载等效电阻R2 （（1-s）/s）两部分 之和表示。 • R2 （（1-s）/s）和转差率有关，是随机械 负载的变化而变化。
从图看出，在转子回路中串入合适的电阻，可以增大起动 转矩，当所串入的电阻满足 Rr' R ' n sm 1 X s X r'
则有 Tst Tem，即起动转矩为最 大电磁转矩，其中 R ' ke ki R 。 但是若串入转子回路的电阻再 Tst Tem 。因 增加，则 s 1 ， 此，转子回路串电阻增大起动 转矩并非是电阻越大越好，而 是有一个限度。
• f2为转子每相绕组所感应的电动势和转子电流 的频率；k2为转子绕组系数；N2为转子绕组匝 数。 • 转子绕组导体切割旋转磁场的速率为n’=n0-n 有：
• 当转子在0＜n＜n0 转动时：
• 式中，E20表示当转子不动时，旋转磁场 在转子绕组中产生的感应电势 • 转子绕组中的漏磁通φσ2也引起感抗压降 -Eσ2，即： • 式中：
n1 sm
R2 R1
Rs R2 Rs R1
Rs
Te
定子串三相对称电阻的人为机械特性
3. 定子回路串三相对称电抗的人为机械特性 定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相 似，只是这种情况下电抗不消耗有功功率， 而串电阻时电阻消 耗有功功率。 4. 转子回路串三相对称电阻的人为机械特性 绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串 入转子回路后再三相短路。转子回路串入电阻并不影响同步转 速n1。又因为最大电磁转矩与转子回路电阻无关，即转子串入 电阻后，Tem不变。 由于临界转差率与转子回路电阻成正比，当转子串入电阻 后sm增大。转子回路串三相对称电阻的人为机械特性如下图所 示。
4KW
380V 接法 2890r/min LW 50HZ B级绝缘
8.2A
79dB（A） ××Kg
××年××月

防护等级IP44
ZBK2007-88
工作制 ××电机厂
第三节、定子和转子电路分析
三相异步电机的电磁关系与变压器相似，
• 定子绕组相当于变压器的一次绕组；
• 转子绕组相当于变压器的二次绕组
• 一、电磁转矩 • 电磁力对转轴构成了转矩——电磁转矩。 • 在电磁转矩的作用下，电动机带动负载而 输出功率。 • 设电机旋转的角速度为Ω。转子的电磁转 矩为T，则转子输出的机械功率为：
• 消耗在负载等效电阻R2 （（1-s）/s）上 的功率即等于P2’ 。
• 由于转子角速度 旋转磁场的角速度为： 故有：
• 一般λ=1.6~2.5
（三）、启动转矩Tst
• 启动时，n=0、s=1，可得：
• Tst与U1平方成正比，与R2有关，当R2 = X σ20时，Tst=Tmax，sm=1，但当R2继续 增大，Tst将会减小。
第五节、三相异步电机的技术参数
• 一、输入功率p1
• 对三相异步电机，m1=3
• 二、输出功率p2
• 定子绕组漏磁通φσ1，转子绕组漏磁通φσ2； 定子绕组漏磁通φσ1产生的感应电势为： Xσ1=2πf1L σ1 再考虑每相绕组的电阻R1，可写出定子回 路的电势平衡方程式为：
• 由于定子绕组电阻R1和定子绕组漏抗Xσ1 一般都很小，其压降和E1相比可忽略：
二、转子电路分析
• 旋转磁场在转子每相绕组中的感应电势为： • 其有效值为：
U sN U s1 U s2
U s2 U s1 U sN
Te
图9-2 改变定子电压的人为机械特性
2. 定子回路 串三相对称电阻 的人为机械特性 定子回路串 入电阻并不影响 同步转速n1，但 是最大电磁转矩 Tem、起动转矩Tst 和临界转差率 sm 都随着定子回路 电阻值的增大而 减小。
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• 三、异步电机的损耗 • ㈠.定子绕组的铜损Pcu1 • ㈡.定子铁心铁损PFe1 • ㈢.转子绕组的铜损Pcu2、铁损PFe2 • 转子铁心铁损PFe2 很小，忽略不计
• 四、异步电机的效率η
• 空载或轻载时，η很低，η=20%~30% • 满载时，η=75%~92% • 电机容量越大，效率越高
5—转子
1、定子 异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成。
定子冲片
定子线圈
铁心和机座
2、转子
异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 1）笼型绕组
铜条笼 型转子
铸铝笼 型转子
笼型转子
绕线转子照片
• 转子在结构上分为两种： • 笼形 • 绕线形。
三相异步电动机 型号Y112M-2 编 号 ××××
第三章交流异步电机运行控制
本章主要介绍： ⑴.三相异步电机的启动 ⑵.三相异步电机的制动 ⑶.三相异步电机的调速 ⑷.三相异步电机的可逆运行 ⑸.三相异步电机的变频调速
第一节三相异步电机的转动原理
• 一、转子转动原理
二、旋转磁场的产生
第二节、三相异步电机的基本知识
• 一、三相异步电机的极对数
• 消耗在负载等效电阻R2 （（1-s）/s）上 的电功率与电动机发出的机械功率P2’ 等 值，即： • 式中：m2为转子绕组的相数。 • 从三相异步电动机转子电路分析可知， 转子电路中的电动势、电流、频率、漏 感抗及功率因数等均与转差率有关，即 与转速有关。
第四节、三相异步电机的电磁转 矩和机械特性