异步电动机与控制

异步电动机与控制【重点】电动机的结构、工作原理、机械特性。

【难点】电动机的工作原理、机械特性。

5.1 三相异步电动机三相异步电动机是由三相交流电供电的电动机，又称异步电动机。

5.1.1 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构主要包括定子（固定部分）和转子（旋转部分）两大部件，1.定子定子是指电动机中静止不动的部分，有定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件。

转子是电动机的旋转部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。

转子绕组的构造分为笼式和绕线式两种。

笼式转子绕组是用铜条和铜环焊接成的笼形闭合电路，由于转子绕组的形状像鼠笼，故称笼式转子。

绕线式转子的铁芯与笼式一样，不同的是在转子的铁芯槽内嵌置对称三相绕组，并按星形连接，绕组的另外三个接线端分别接至固定在转轴且彼此绝缘的三个铜质滑环上，通过与滑环接触的电刷引到相应的接线盒里。

绕线式转子的特点是可以通过滑环和电刷，在转子电路中接入附加的电阻，以便电动机启动时调节电动机的转速。

5.1.2 三相异步电动机的工作原理定子绕组接通三相交流电源后，在定子绕组内形成三相对称电流，在电动机内产生旋转磁场，转子绕组与旋转磁场产生相对运动并切割磁力线，使转子绕组产生感应电流，两者互相作用产生电磁转矩，使转子旋转起来。

1.旋转磁场的产生每相绕组分别相差120°并对称。

在三相绕组中分别通入以下三相对称电流，取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。

在电流的正半周，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在电流的负半周，其值为负，其实际方向与参考方向相反。

当t I i ωsin m U =)120sin(o m V -=t I i ω)120sin(o m W +=t I i ω在对称三相绕组中分别通入三相交流电后，将产生各自的交变磁场，其三个交变磁场将合成一个两极旋转磁场当电流完成了一个周期的变化时，它们所产生的合成磁场在空间也旋转了一周。

三相电流随时间周而复始地变化，合成磁场也在空间不停地旋转起来了。

三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又与磁极的对数有关。

旋转磁场的方向是由线圈中电流的相序决定的。

如果将电源接到定子绕组的三根引线中的任意两根对调，这时三相定子绕组中的电流相序就按逆时针方向排列，将使旋转磁场按逆时针方向旋转。

2.转子转动原理U 、V 、W 为定子绕组。

a 、b 组成转子绕组，设转子不动，旋转磁场以转速 n 1顺时针旋转，可以等效于磁场不动，而转子中的闭合导体 ab 以逆时针方向切割磁力线。

在 ab 中将产生感应电动势和感应电流，感应电流方向用右手螺旋法则判断出 a 向外、b 向里。

由于闭合导体ab 中有电流通过，用左手螺旋法则判断出a 受电磁力F 向右， b 受电磁力F 向左，电磁力对转轴产生力矩，称电磁转矩T ，使转子沿顺时针方向转动。

转子转速小于旋转磁场的转速。

160n f把旋转磁场的转速n 1与转子转速n 的差值与旋转磁场转速n 1之比称为异步电动机的转差率。

一般异步电动机的转差率为0.02～0.06 。

【例】 有一台三相异步电动机，其额定转速 n N =975 r/min ，试求电动机的磁极对 数和额定 负载时的转差率。

电源频率 f 1=50Hz 。

由于电动机的额定转速接近而略小于旋转磁场的转速，而同步转速对应于不同的磁极对数，显然975 r/min 与1000 r/min 最相近，从而确定磁极对数 p =3。

5.1.3 机械特性电动机产生的电磁转矩 T 与转子转速n 的关系曲线，称为电动机的机械特性曲线。

.在电动机启动时，即 n =0时，对应于机械特性曲线上的 D 点，电动机的电磁转矩称为启动转矩（又称为堵转转矩），用T st 表示。

当电动机带额定负载时，对应于机械特性曲线上的 B 点，此时的电磁转矩为额定转矩，用 T N 表示，对应的转速为额定转速，用 n N 表示。

电动机在运行中对应的最大转矩用T m 表示，对应图中的 C 点。

11n n s n -=111000975100%100% 2.5%1000n n s n --=⨯=⨯=当启动转矩大于负载转矩时，转子在电磁转矩的作用下逐渐加速，转速沿 DC 段上升，电磁转矩也随之增加，一直增加到最大转矩。

以后转速沿 CA 段增加而电磁转矩开始减小，当电磁转矩等于负载转矩时，电动机就以某一转速稳定运行。

电动机正常运行过程中，由于外界因素而使电动机转速发生变化，电动机在 AC 段自动调节电磁转矩与负载转矩平衡，并在新的转速上稳定运行。

显然，AC 段电动机的机械特性较硬，这种特性适合大多数生产机械对拖动的要求。

但为了使电动机安全可靠地工作，电动机一般工作在 AB 段。

电动机的启动转矩与额定转矩之比称为电动机的启动能力。

启动能力= 过载能力=定子绕组加不同工作电压时的几条机械特性曲线。

当电动机在额定状态运行时，有电动机的效率为5.1.4 三相异步电动机的铭牌数据与选择1.三相异步电动机的铭牌数据在三相异步电动机的外壳上有一块铭牌，铭牌上记载着这台电动机的型号及主要技术数据。

要正确使用电动机，必须要看懂铭牌。

（1）型号Y -112M -4，Y 表示异步电动机，中心高度为112 mm ，机座类型为中机座（L 表 示长机座，S 表示短机座，M 表示中机座），4表示磁极数为4极。

（2）额定功率表示电动机在额定工作状态下运行时，转轴上输出的机械功率，单位是kW 。

（3）额定电流st NT T mNT T N N N9550P T n =221111100%100%3cos P P U I ηφ=⨯=表示电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组的线电流。

定子绕组有星形接法和三角形接法，故额定电流就有两种。

（4）额定电压表示电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组所加的线电压。

通常有两种电压值220 V/380 V，当定子绕组采用星形接法时为220 V，采用三角形接法时为380 V。

（5）额定转速表示电动机在额定工作状态下运行时的转速。

（6）接法△表示定子绕组与三相电源的连接方法，接错会烧毁电动机。

（7）保护等级IP 44，表示电动机和外壳防护的方式为封闭式电动机。

（8）频率:表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。

（9）工作制S1表示电动机在额定工作状态下连续运行。

S2为短时运行，S3为短时重复运行。

（10）绝缘等级根据绝缘材料允许的最高温度，分为Y、A、E、B、F、H、C级，2.三相异步电动机的选择（1）功率的选择选择电动机最重要的就是功率。

必须依据生产机械的要求来确定。

功率选择过大，设备费用增加，不经济；功率选择过小，电动机易过载发热导致烧毁。

（2）种类的选择主要考虑电动机的性能应满足生产机械的要求，如启动、调速等指标，然后再优先选择结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。

功率小于100 kW且不要求调速的生产机械可选用笼式电动机，如泵类、风机、压缩机等；需要大启动转矩或要求有一定调速范围的情况下，可选用绕线式电动机，如起重机、卷扬机等。

在一些特殊场合，还要注意电动机的外形结构。

潮气、灰尘多的场所应选择封闭式电动机；有爆炸性气体的场所应选择封闭式电动机。

（3）转速的选择三相异步电动机的额定转速是根据生产机械的要求决定的。

功率相同的电动机，转速越高，体积越小，价格越便宜。

但高速电动机的转矩小，启动电流大。

选择时应使电动机的转速尽可能与生产机械的转速相一致或接近，以简化传动装置。

【重点】三相异步电动机的启动、制动、反转、调速；单相异步电动机结构、工作原理；常用控制电动机工作原理。

【难点】常用控制电动机工作原理。

5.2 三相异步电动机的运行5.2.1 启动电动机从接通电源到稳定运行的过程称为启动过程。

1.直接启动（全压启动）直接启动是给定子绕组直接加额定电压启动。

直接启动的异步电动机要受到供电变压器的限制，当电动机由单独的变压器作为它的电源时，电动机的容量不超过变压器容量的20%～30%便可采用，以电动机启动时电源电压降低不超过额定电压的5%为原则。

2.降压启动电动机启动时，降低加在电动机定子绕组上的电压，待启动结束时再恢复额定电压运行。

由于启动转矩将明显减小，所以降压启动适用于容量较大的笼式三相异步电动机及对启动转矩要求不高的生产机械负载。

笼式三相异步电动机常用的降压启动方法有定子绕组串电阻（或电抗）降压启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形降压启动。

（1）定子绕组串电阻（或电抗）降压启动启动时将QS闭合，电阻R与定子线圈串联，起到分压作用。

电动机启动后，电阻R 被切掉不起作用，电源直接与定子绕组相连，正常运行。

（2）自耦变压器降压启动启动时将QS闭合，这时启动电压小于额定电压，启动完成后转换为全压，电动机正常运行。

（3）星形-三角形降压启动如果电动机在工作时其定子绕组接成三角形，启动时接成星形，这时启动电流为全压启动电流的1/3，启动转矩为全压启动转矩的1/3。

启动完成后再转换成三角形连接。

3.绕线式异步电动机的启动对于绕线式异步电动机的启动，只要在转子电路中接入大小适当的启动电阻，转子电流减小，定子电流也减小，同时转子电路电阻增加，电动机的启动转矩随之增加，既可以达到减小启动电流的目的，同时启动转矩也提高了。

启动后，将转子电阻调到零值。

该启动方法适用于启动转矩较大的机械，如卷扬机等。

5.2.2 制动电动机切断电源后，阻止电动机转动，使之停转或限制转速的措施称为制动。

三相异步电动机常用的制动方法有以下几种：1.能耗制动这种方法是在切断三相电源的同时，在任意两相定子之间接入直流电源，使直流电流流入一组线圈，产生一个稳定磁场，转子由于惯性继续在原方向转动，并切割磁力线产生感应电流。

根据右手螺旋法则和左手螺旋法则不难确定转子受力矩方向与转动方向相反，起制动作用，电动机迅速停转。

在制动过程中转子的动能转变为电能，再转变为热能消耗掉，所以称为能耗制动。

2.反接制动为了快速停机，将电源三根导线中的任意两根对调，这时电动机内的旋 转磁场反向旋转，转子受到一个与原转动方向相反的制动力矩，使电动机转速迅速降低。

在电动机的转速接近零时，必须由控制电器将电动机的电源及时切断，以防止电动机反转。

5.2.3 反转将三根电源线中的任意两根对调，就可使转子的转动方向改变，实现电动机反转。

5.2.4 调速1.变极调速改变电动机定子绕组的磁极对数来改变电动机的转速。

要求电动机的定子有几套绕组或绕组有多个抽头引到外部，通过转换开关改变绕组接法，以改变磁极对数，形成多速 电动机，如双速电动机等。

2.变频调速改变电动机定子绕组的电源频率来实现调速。

三相交流电先经整流器变成直流电，再 经逆变器输出电压和频率可调的三相交流电，作为电源给电动机供电，实现三相异步电动机的无级调速。