马昕教授电力拖动与运动控制课件三相交流异步电动机.ppt
第五章 三相交流异步电动机,马昕,北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,2,交流电动机的分类,感应电动机,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,3,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,4,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,5,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,6,三相交流异步电动机的结构,保护和固定定子绕组,防护，支撑转子,支撑转子轴,固定转子,保护和固定绕组引出端,通风冷却电动机,起吊搬抬电动机,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,7,三相交流异步电动机的结构,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,8,三相交流异步电动机的结构定子绕组,定子铁心：参与电动机磁路嵌放定子线圈定子绕组：三个彼此独立的绕组空间相差120电角度,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,9,三相交流异步电动机的结构定子绕组接线方式,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,10,三相交流异步电动机的结构转子绕组,各相引出线连到滑环上，滑环套在转轴上并与之绝缘，通过电刷与外电路相连,有可能在转子电路中串接电阻，改善电动机运行性能,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,11,三相交流异步电动机的结构转子绕组,铜条转子 铸铝转子,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,12,三相交流异步电动机的铭牌参数,额定功率PN：满负载运行时三相电动机轴上输出的机械功率 额定电压UN：接到电动机绕组上的线电压 额定电流IN：三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流 额定频率fN：电动机所接交流电源每秒钟内周期变化的次数 额定转速nN：三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，一般略小于对应的同步转速 其它包括：型号、绝缘等级、定额、接法、防护等级,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,13,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,14,三相交流异步电动机的工作原理,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,15,三相交流异步电动机的工作原理,三相电流波形,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,16,三相交流异步电动机的工作原理,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,17,定子绕组的连接形成一对磁极时，电流变化一个周期，旋转磁场转动一圈若有p对磁极，交流电流每变化一个周期，旋转磁场在空间中转动1/p圈,三相交流异步电动机的工作原理,如何改变旋转磁场的转向？最简单的方法：改变三相交流电流的通入方向,动画演示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,18,三相交流异步电动机的工作原理,同步转速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,19,异步电动机靠电磁感应作用工作，其转子电流感应产生，故异步电动机又称为感应电动机,转动原理概述,三相交流异步电动机的转动原理,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,20,三相交流异步电动机的转动原理,异步电动机名称的来历,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,21,三相交流异步电动机的转动原理,转差率,动画演示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,22,三相交流异步电动机的转动原理,动画演示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,23,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,24,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,25,转子漏磁通,参见负载运行电磁关系,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,26,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,27,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,28,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,29,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,30,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,31,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,32,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,33,三相交流异步电动机的负载运行,三相异步电动机负载运行时，轴上机械负载转矩增加，原空载电磁转矩无法平衡负载转矩。电动机开始降速，旋转磁场与转子之间的相对运动速度加大。转子感应电动势增加，转子电流和电磁转矩增加。当电磁转矩增加到与负载转矩和空载转矩相平衡时，电动机以低于空载时的转速稳定运行,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,34,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,35,动画演示,动画演示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,36,异步电动机负载运行时的电磁关系示意图,Back to 电压平衡方程式,动画演示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,37,转子转速n或转差率s随负载转矩变化，s的变化会引起电动机内部许多物理量的变化,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,38,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,39,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,40,电磁关系示意图,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,41,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,42,目的：将转子电路与定子电路作直接的电的连接原则：不改变定子绕组的物理量（定子电动势、定子电流、定子侧功率因数等）且转子电路对定子电路的影响不变（折算前后转子磁动势和各功率不变）具体操作：转子频率折算转子绕组折算,三相交流异步电动机的等效电路,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,43,将频率为f2的旋转转子电路折算为与定子频率f1相同的等效静止转子电路,转子折算值加/表示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,44,经过频率折算后的异步电动机的电路示意图,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,45,方法：人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为m2，每相串联匝数为N2，绕组系数为KN2且经过频率折算的转子绕组。原则：保证折算前后转子对定子的电磁效应不变，即转子的磁动势、总的视在功率、铜耗以及转子漏磁场储能均保持不变,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,46,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,47,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,48,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,49,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,50,经过绕组折算后的异步电动机的电路示意图,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,51,型等效电路,反映F1,反映F2,反映Fm,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,52,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,53,简化等效电路,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,54,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,55,异步电动机的功率流图,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,56,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,57,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,58,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,59,物理表达式,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,60,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,61,三相交流异步电动机的机械特性,参数表达式,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,62,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,63,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,64,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,65,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,66,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,67,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,68,（）降低电源电压时的人为机械特性,动画演示,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,69,（）降低电源电压时的人为机械特性,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,70,（）转子电路串对称电阻的人为机械特性,在一定范围内增加转子电阻，可以增加电动机启动转矩,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,71,实用表达式,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,72,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,73,三相交流异步电动机的启动和制动,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,74,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,75,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,76,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,77,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,78,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,79,三相交流异步电动机的主要内容,结构工作原理和转动原理空载运行负载运行等效电路功率和电磁转矩机械特性启动和制动 调速,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,80,交流调速的基本方法,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,81,变极调速是在定子频率一定时，改变定子的极对数来改变同步转速，从而达到调速目的。变极方法：1.电动机运行时改变定子绕组接线方式 2.定子上独立缠绕23套极对数不同的绕组优点：设备简单，操作方便，机械特性较硬，效率高 既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速缺点：有级调速，只适用于鼠笼型异步电动机,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,82,（1）转子串电阻调速特点：1.同步转速不变，最大转矩也不变；2.串接电阻越大，机械特性越软；3.调速时如果定子电压不变，电动机主磁通不变；4.若保持转子电流为额定值，属于恒转矩调速 缺点：效率低，有级调速，调速精度差,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,83,（2）定子调压调速特点：1.同步转速不变，最大转矩对应的转差率也不变；2.转矩与定子电压平方成正比；3.定子电压越低，机械特性越软；4.可实现平滑的无级调速；5.既非恒功率调速，又非恒转矩调速 低速时效率低，更适用于风机水泵类负载,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,84,（3）串极调速原理框图,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,85,（3）串极调速 在转子上串入与转子电动势同频率的附加电动势，并通过改变其幅值和相位来实现调速，同时将转差功率返回到电源。优点：效率高，机械特性较硬，可实现无级平滑调速缺点：功率因数较低,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,86,优点：不同转速时转差率不变，转差损耗小，机械特性硬，调速范围宽，调速精度高缺点：变频装置成本较高，变频调速原理较复杂,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,87,变频调速机械特性曲线,调速方法的比较,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,89,变频调速方法,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,90,本章小结,三相异步电动机是靠电磁感应作用来工作的，其转子电流是感应产生的，故也称异步电动机为感应电动机转差率是异步电动机的重要物理量，它的大小反映了电动机负载的大小，它的存在是异步电动机旋转的必要条件。转差率的大小可区分异步电动机的运行状态异步电动机按转子结构不同，分为鼠笼型和绕线型转子异步电动机两种，它们的定子结构相同，而转子结构不同 为求作异步电动机的等效电路，除了对转子绕组各量进行折算外，还需对转子频率进行折算。频率折算的实质就是用转子静止的异步电动机去代替转子旋转的异步电动机异步电动机的电磁转矩和功率反映了能量传递过程中的功率分配,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,91,本章小结,三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。电磁转矩表达式有三种形式：物理表达式、参数表达式和实用表达式 电动机的最大转矩和启动转矩是反映电动机过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越强，启动性能越好 三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区 固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率和启动转矩这三个量随参数的变化规律,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,92,本章小结,小容量的三相异步电动机可以采用直接启动，容量较大的笼型电动机可以采用降压启动，降压启动分为定子串接电阻或电抗降压启动和自耦变压器降压启动绕线转子异步电动机可采用转子串接电阻启动，其启动转矩大、启动电流小，适用于中、大型异步电动机重载启动三相异步电动机的调速方法有变极调速、变频调速和变转差率调速，其中变转差率调速包括绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速、串极调速和降压调速。变频调速是现代交流调速技术的主要方向，它的调速性能好,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,93,本章重点内容,异步电动机的工作原理、转动原理 同步转速&转差率的概念、表达式以及相关计算 异步电动机T型等效电路的绘制 功率、电磁转矩方程式以及相关计算 固有机械特性曲线的绘制、曲线上关键点的物理意义 异步电动机的各种调速方法、为什么变频调速是当今 交流调速的主流,2023/7/5,第五章三相交流异步电动机,94,本章作业,END,什么是三相交流异步电动机的旋转磁场？旋转磁场产生的条件是什么？旋转磁场的转向由什么决定？如果三相交流电源的一相断线，三相异步电动机能否产生旋转磁场？为什么？什么叫做三相交流异步电动机的同步转速？同步转速与什么因素有关？什么叫做三相交流异步电动机的转差率？异步电动机的额定转差率一般为多少？转差率等于0对应什么情况？这在实际中存在吗？一台6极三相异步电动机的同步转速为多少？一台额定转速为1450r/min的三相异步电动机有多少对磁极？其同步转速为多少？额定转差率为多少？四极绕线转子异步电动机，PN=150kW，UN=380V，额定负载时的转子铜耗PCu2=2210W，机械损耗Pjs=2640W，杂散损耗Pfj=1kW，试求额定负载时：（1）电磁功率Pem、转差率s、转速n各位多少？（2）电磁转矩Tem、负载转矩Tl、空载转矩T0各位多少？（3）当负载转矩为1000Nm时，与额定转差率相比，s增加还是减少？,
