第4章 三相异步电动机及控制讲解

4.4.1 三相异步电动机起动 1. 三相鼠笼式异步电动机的起动
（1）直接起动
直接起动是利用刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上 的起动方式，又叫全压起动。 优点：起动简单。 缺点：起动电流较大，而起动转矩不大，还会引起网压波动。 适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器 容量的20％；还可以用下面的经验公式来判断，若电动机的 起动电流倍数 ( Ist I N ) 满足 I st 电网容量（kV A） 3＋ I N 电动机容量（kW） 则电动机便可直接起动，否则应采用降压起动
Ist 7.0I N 7.0 30.7A 214.9A
Tst 2.0TN 2.0 147.68N m 295.36N m
Tmax 2.1TN 2.1147.68N m 310.03N m
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第4章 汽车中的电机 2. 人为机械特性
(1)降低定子电压时的人为机械特性
图4-2 定子铁心
转子铁心是也是由 0.5mm厚的硅钢片叠 压制成，在其外圆冲 有分布的槽。 转子铁心可嵌放转子 绕组，构成电机磁路 的另一部分。
定子绕组是由铜导线绕制而成。构成 电动机电路的一部分。 机座是电动机的支架，一般用铸铁 或铸钢制成。
转子铁心冲片
铸铝笼形转子 铜条笼形转子
转子绕组大部分由浇铸铝构成，大功率 也有由由铜条制成的笼型转子导体，构 成电机电路的一部分。由转轴输出机械 能。
4.2 三相异步电动机的工作原理
4.2.1 三相异步电动机的转动原理
(1)旋转磁场的产生
i
i1
i2
i3
i1 ωt
电流流入 S N
合成磁场的轴线与U相 绕组的轴线重合 0
图4-7 三相对称交流电流的波形
电流流出
N
S S N
同理可分析出其他时刻电流的磁场方 向。 可见，电流变化一个周期，合成 磁场逆时针旋转了一周。
定子铁心 定子绕组 机座 转子铁心 转子绕组 转轴
图4-1 三相异步电动机的外形和内部结构
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第4章 汽车中的电机 问题与讨论
定子铁心是由 0.5mm厚的硅钢片 叠 压制成，在其内 圆冲有分布的槽。
鼠笼型电动机定子 各部分的结构和作 用如何？ 鼠笼型异步机转 子各部分的结构 和作用是什么？
定子铁心的作用： 一是槽内可用来嵌 放定子绕组；二是 定子铁心构成电动 机磁路的一部分。
一般Y系列、Y2系列三相异步电动机的过载系数为1.8～2.3
TN
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第4章 汽车中的电机
Tst (3) 起动转矩（又称堵转转矩）
它是电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生的转矩的最小测得 值。这时定子绕组中的电流最大，称为起动电流（又称堵转电流），一般 Ist =(4.0～7.0) IN。 只有起动转矩大于负载转矩（Tst ＞TL ）时，电动机才能起动，常用起动 Tst TN 来表示，称为起动系数，即 转矩与额定转矩的比值
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第4章 汽车中的电机 4.2.2 三相异步电动机的转速
(1)电动机的旋转方向 电动机的旋转方向与旋转磁场的转向一致，旋转磁场 的转向与三相电源接入定子绕组的相序有关。如果把任 两根接线端子对调位置，就会改变接入电流的相序，则 旋转磁场反向，转子反转。
图4-9 旋转磁场的反转
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第4章 汽车中的电机
U2
W1
U1 W2
V2 V1 U2
起 动
1 UP UP 3
TstY
1 TstΔ 3
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第4章 汽车中的电机 自耦减压起动：
利用三相自耦变压器将电动机 在起动过程中的端电压降低，以达 到减小起动电流的目的。自耦变压 器备有40％、60％、80％等多种抽 头，使用时要根据电动机容许的起 动电流和起动转矩要求具体选择。
再用左手定则判断出 转子导体的受力方向 为上左下右，因此转 子顺着同步磁场n1的 方向转动。
ωt
=90o时转子电流和转子旋转情况
问题与讨论
电动机的转速n 能等 于同步转速n1吗？
n n1
结论： n ≠n 1 异步！
转子与旋转磁场间没有相对运动 转子不切割磁场不能生成感应电流 转子不是载流导体则不能受力转动
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第4章 汽车中的电机
（2）减压起动
Y-Δ减压起动： 起动时定子绕组连成星形，通电后电动机运转，
当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。
适用范围：正常运行时定子绕组为三角形联结，且
每相绕组都有两个引出端子的电动机。
优点：
缺点：
起动电流为全压起动时的1／3。 起动转矩均为全压起动时的1／3。
Δ 运行时，首尾相接构成闭环
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第4章 汽车中的电机 2. 绕线式
图4-5 绕线式转子
绕线式转子绕组采用绝缘导线嵌放在转子铁心槽内， 一般采用星形联结，三个绕组的尾端接在一起，首端三根 引出线分别接到转轴上的三个铜集电环上，转子绕组可以 通过集电环、电刷与变阻器连接，用以改善三相异步电动 机的起动性能或调节电动机的转速 。
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第4章 汽车中的电机
最大转矩Tmax与转子电阻无关，串入电阻增大时， 起动转矩Tst增大。绕线式异步电动机可以采用加 大转子电路电阻的办法来增大起动转矩。另外串 电阻后，还可以减小起动电流，并提高转子功率 因素。
图4-13 绕线式异步电动 机转子电路串接对称电 阻时的人为机械特性
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第4章 汽车中的电机
4.4 三相异步电动机的控制
图4-10 1对磁极和2对磁极的旋转磁场
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第4章 汽车中的电机
(3) 转差率
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机实际转速的差值 与同步转速的比值。
n1 n s n1
电动机起动瞬间:
n 0，s 1（转差率最大）
n n1 , s 0 （转差率最小）
转子最大转速: 电动机运行之中:
0 n n1 , s 0.01 ~ 0.09
第4章 汽车中的电机
目
录
4.1 三相异步电动机的基本构造 4.2 三相异步电动机的工作原理 4.3 三相异步电动机的机械特性 4.4 三相异步电动机的控制
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.5 三相异步电动机的铭牌数据 4.6 常用低压电器 4.7 实际应用举例 本章小结
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第4章 汽车中的电机
【本章学习要求】
理论：掌握三相异步电动机工作原理、控制方法
B
A 0 TL TN Tst Tmax
Tm
负载转矩 额定转矩
起动转矩 最大转矩
图4-11 三相异步电动机的固有机械特性
电动机若要迅速起动起来，起动转矩Tst 必须大于转 轴上的负载转矩TL。
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第4章 汽车中的电机
(1) 额定转矩 TN
PN 10 PN TN 9550 2 π nN N nN 60 PN
(2)旋转磁场的极对数和同步转速
每相绕组 只有一段 合成磁场只 有一对磁极 即 2p 2
60 f p 60 50 r/ min 1 3000r/ min n1
每相绕组 有两段
合成磁场 有两对磁 极，即 2 p 4
60 f p 60 50 r/ min 2 1500r/ min n1
优点： 不受电动机绕组接线方式的限制，具
有不同的抽头，可以根据起动转矩的 要求，比较方便地得到不同的电压。
图4-15 自耦变压器减压起动 起动时六刀双掷开关 向下扳，与自耦变压 器相连，减压起动。
缺点： 设备费用高，且易发生故障，不允
许频繁起动。 的鼠笼式三相异步电动机。
适用范围：适用于容量较大的电动机或不能用Y-Δ 减压起动
S
N
图4-8 旋转磁场的产生
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第4章 汽车中的电机 (2)转动原理
用右手定则可判断出 转子导体中感应电流 的方向如图示；
异步电动机的转动原理 三相对称定子绕组中 通入对称三相交流电，即 在气隙中形成一个在时间 上、空间上都随时间变化 的一个旋转磁场。静止不 动的转子导体与旋转磁场 相切割后感应电流成为载 流导体。载流导体又和旋 转磁场相互作用，对轴生 成电磁转矩，于是电动机 就顺着同步转速的方向转 动起来。 提示：如果
Y起动时，绕组尾端连成一点
图4-14 Y-Δ换接起动
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第4章 汽车中的电机
Y－ 起动应注意的问题：
（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。 （2） Y－ 起动Ist↓时Tst↓
(Tst U12 )。
所以减压起动适合于空载或轻载起动的场合。
正常 运行
UP
W2
W1 V2
U1 V1
UP'
运行时六刀双 掷开关向上扳， 与电机直通， 全压下运行。
采用自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩都降低到直接 起动时的 1 k 2
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第4章 汽车中的电机 2. 三相绕线式异步电动机的起动
（1）转子串电阻起动 起动前，将起动电阻全部接入，起动电阻值为最 大，然后合上电源开关；在起动过程中，依次闭 合接触器触头，逐级切除起动电阻；电动机进入 正常运行后，接触器触头处于长期闭合状态。 大、中容量异步电动机的重载起动、频 繁起动。
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当常数为9550时，PN的单位是千瓦[kW]；若常 数为9.55时，PN的单位用瓦[W]。nN单位为 r min； TN 的单位为 rad s ; N 为额定机械角速度，单位为 N m
(2) 最大转矩 Tmax 表征电机的过载能力，通常用最大转矩与额定转矩的比值Tmax TN 来表示，称为过载系数，即 T max max
Tst st TN
一般Y系列、Y2系列值约为1.4～2.4，高转矩电动机可达到3.0，可见一般 三相鼠笼式异步电动机起动转矩是不大的，而绕线式异步电动机由于转子可以 通过集电环外接电阻器起动，起动转矩可达最大转矩值。