交流电动机及电气控制课件.ppt

1、项目项目3 三相异步电动机的拖动控制三相异步电动机的拖动控制 任务任务3.1 三相交流异步电动机的结构、原理与维修 任务任务3.2 三相异步电动机的启动控制三相异步电动机的启动控制任务任务3.3 三相异步电动机的制动控制三相异步电动机的制动控制任务任务3.4 三相交流异步电动机的制动控制三相交流异步电动机的制动控制 三相异步电动机的特点三相异步电动机的特点n优点：优点：结构简单、运行可靠、坚固耐用、维护方结构简单、运行可靠、坚固耐用、维护方便、价格便宜、效率较高便、价格便宜、效率较高。n缺点：缺点：1.调速、起动性能较差。调速、起动性能较差。随着晶闸管元器随着晶闸管元器件及件及交流调速系统的发

2、展，调速性能已大大改善。交流调速系统的发展，调速性能已大大改善。2.功率因数低。功率因数低。运行运行时从电网中吸收感性时从电网中吸收感性无功功率，以建立旋转磁场，使电网功率因素下无功功率，以建立旋转磁场，使电网功率因素下降；受电网电压波动影响较大。降；受电网电压波动影响较大。3.1.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 n定子：产生旋转磁场v转子：感应出电磁转矩输出机械能v基本结构 1定子主要部分定子主要部分 (1)定子铁心定子铁心 结构：结构：0.5mm厚的硅钢片叠压而成。厚的硅钢片叠压而成。作用：行成磁路；放置定子绕组。作用：行成磁路；放置定子绕组。（2）定子绕组）定子绕组

3、 结构：结构：三相对称绕组三相对称绕组 作用：产生旋转磁场作用：产生旋转磁场（3）机座：固定和支撑定子铁心和端盖。）机座：固定和支撑定子铁心和端盖。下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。(2)定子绕组定子绕组 三相绕组的六个出线端都引至接线三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别为盒上，首端分别为U1、V1、W1，尾端分别为尾端分别为U2、V2、W2。b）三角形连接a）星形连接三相异步电动机定子绕组接线图 2转子部分：转子部分：感应电流并产生电磁转矩。感应电流并产生电磁转矩。(1)转子铁心转子铁心 结构：用结构：用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。厚的硅钢片叠压而成。作用：构成主

4、磁路；放置定子绕组。作用：构成主磁路；放置定子绕组。(2)转轴转轴 转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件。转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件。(3)转子绕组转子绕组 笼型转子笼型转子 绕线转子绕线转子笼型转子笼型转子:在转子铁心的每个槽内插入一根在转子铁心的每个槽内插入一根导体，在铁心的两端分别用两个导电端环所导体，在铁心的两端分别用两个导电端环所有的导条联结起来，形成一个有的导条联结起来，形成一个自行闭合的自行闭合的短路绕组短路绕组。绕线转子：绕线转子：绕线转子绕组与定子绕组一样，是对称三相绕组。绕线转子绕组与定子绕组一样，是对称三相绕组。联结成联结成Y后，其三根引出线分别接到轴上的三个后，其

5、三根引出线分别接到轴上的三个集电环，再经电刷引出而与外部电路接通。集电环，再经电刷引出而与外部电路接通。3气隙气隙 三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，比同容量直流电动机的气隙要小得多，一般仅为比同容量直流电动机的气隙要小得多，一般仅为0.21.5mm。气隙的大小气隙的大小对三相异步电动机的性能影响很对三相异步电动机的性能影响很大大。气隙大气隙大，则磁阻大，由电网提供的励磁电流，则磁阻大，由电网提供的励磁电流(滞后的无功电流滞后的无功电流)大，使电动机运行时的大，使电动机运行时的功率因功率因数降低数降低。但是气隙过小时，将使装配困难，运行。但是气隙过

6、小时，将使装配困难，运行不可靠；高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增不可靠；高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使起动性能变差。加以及使起动性能变差。3.1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生旋转磁场是三相异步电动机工作的基础。旋转磁场是三相异步电动机工作的基础。电机是利用电与磁的相互转化和相互作用制成的电机是利用电与磁的相互转化和相互作用制成的。旋转磁场由三相电流通过三相旋转磁场由三相电流通过三相对称对称绕组产生。绕组产生。对称：对称：三相对称负载三相对称负载空间对称分布空间对称分布

7、 120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi BiU1U2V1V2W1W2AiCiCiAiBiitmIo3.1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理iCiAiBitmIo0n规定规定 i:“+”首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。i:“”尾端流入，首端流出。尾端流入，首端流出。U1V2W1V1W2U2()电流出电流出()电流入电流入BiAiU1U2V2W1V1W2UIU2V2W1V1W2UIU2V2W1V1W2NS0 t 60t 0n60 90t Cii t600mIoSNSN旋转方向：取决于三相电流的相序。旋转方向：取决于三相电流的相序。2.旋转磁场的旋

8、转方向旋转磁场的旋转方向旋转磁场是沿着：旋转磁场是沿着：U1V1W1U1U2V1V2W2W1i1i2上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节L1L2L3U1U2V1V2W1W2i3i1i2ImOti3i1U1，i2V1，i3W1 与三相绕组中的三相电流的相序：与三相绕组中的三相电流的相序：L1 L2 L3 一致，通入导前电流的绕组一致，通入导前电流的绕组通入滞后电流的绕组。通入滞后电流的绕组。旋转磁场是沿着：旋转磁场是沿着：U1W1V1U1U2V1V2W2W1L1L2L3U1U2V1V2W1W2i2i1i3i1U1，i2W1，i3V1任意对调两根电源进线，磁场反转。任意对调两

9、根电源进线，磁场反转。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一下一节节 极对数极对数（p）的概念：的概念：3.旋转磁场的旋转速度旋转磁场的旋转速度旋转磁场转速旋转磁场转速 n1 同步转速同步转速如何改变旋转磁场的转速？如何改变旋转磁场的转速？以以 Y 型接法为例，当每相型接法为例，当每相绕组只有一个线圈时，按右图绕组只有一个线圈时，按右图放入定子槽内，合成的旋转磁放入定子槽内，合成的旋转磁场只有一对磁极，则极对数为场只有一对磁极，则极对数为 1。即即 p=1U1U2V1V2W2W1上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节U1U2V1V2W1W2i3i1i2 以以 Y

10、型接法为例，将型接法为例，将每相绕组都改用两个线圈每相绕组都改用两个线圈串联组成。串联组成。按下图放入定子按下图放入定子槽内。槽内。形成的磁场则是形成的磁场则是两对磁极。两对磁极。即即 p=2 U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节i2W2V4U1V1W1U2V2W3U3U4V3W4i1i3 三相绕组三相绕组 四极旋转磁场四极旋转磁场上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈电流每秒钟变化电流每秒钟变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 50 圈圈 旋转磁场转旋

11、转磁场转 3000 圈圈电流每分钟变化电流每分钟变化(5060)周周p=1 时：时：电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转半圈旋转磁场转半圈电流每秒钟变化电流每秒钟变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 25 圈圈 旋转磁场转旋转磁场转 1500 圈圈电流每分钟变化电流每分钟变化(2560)周周p=2 时：时：上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节三相异步电动机的同步转速三相异步电动机的同步转速601pf1n min）r/(p12 3456n1/(r/min)300015001000750600500 f 1=50 Hz 时时,不同极对数时的同步转速如下不同极对数时的同步转速如

12、下:同步转速同步转速p 为任意值时：为任意值时：上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节NS4.电动机旋转原理电动机旋转原理 用右手定则判断转用右手定则判断转子绕组中感应电流的子绕组中感应电流的方向方向 用左手定则判断转用左手定则判断转子绕组受到的电磁力子绕组受到的电磁力的方向的方向电磁力电磁力电磁转矩电磁转矩 TT 与与 n1 同方向。同方向。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节 工作原理示意图工作原理示意图工作原理简述工作原理简述对称三相绕组对称三相绕组通入对称三相电流通入对称三相电流旋转磁场旋转磁场(磁场能量磁场能量)磁场切割磁场切割转子绕组转子绕组

13、转子绕组中转子绕组中产生产生 e 和和 i转子绕组在磁场中转子绕组在磁场中受到电磁力的作用受到电磁力的作用转子旋转起来转子旋转起来机械负载机械负载旋转起来旋转起来三相交流电能三相交流电能输出机械能量输出机械能量上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一下一节节电动机转速电动机转速 n 和旋转磁场同步转速和旋转磁场同步转速 n1的关系：的关系：电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但但 n n1时，电动机自动进行回馈制动。如图3.100所示。图3.100 变极调速回馈制动过程n综上所述，异步电动机可以工作在电动运行状态，也可以工作在制动状态，这些运行

14、状态处于机械特性的不同象限内，如图3.101所示。图图9 9-3 37 7 异异步步电电动动机机各各种种运运转转状状态态的的四四象象限限特特性性 n1 1 1-n1 1 1 2 2 3 3 3 3 n Te O 2 2 图3.101 电动机的电动状态与制动状态特性n拓展阅读n生产机械的负载转矩特性。n在运动方程式中，负载转矩TL与转速n的关系TL=f（n）即为生产机械的负载转矩特性。负载转矩TL的大小与多种因素有关。以车床主轴为例，当车床切削工件时，主轴转矩和切削速度、切削量大小、工件直径、工件材料及刀具类型等都有密切关系。大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为下列三种类型。n1.恒转矩负载特性

15、n所谓恒转矩负载特性，就是指负载转矩TL 与转速n无关的特性，即当转速变化时，负载转矩TL保持常值。恒转矩负载特性又可分为反抗性负载特性和位能性负载特性两种：n1）反抗性恒转矩负载特性n反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒值转矩TL总是反对运动方向。根据正负符号的规定，当正转时，n为正，转矩TL为反向，应取正号，即为+TL；而反转时，n为负转矩TL为正向，应变为 TL，如图3.102所示。n TL O 图3.102 反抗性恒转矩负载特性 n2）位能性恒转矩负载特性n位能性恒值负载转矩则与反抗性的特性不同，其特点是转矩TL具有固定的方向，不随转速方向改变而改变。n。由图3.103可见，提升时，转矩T

16、L反对提升；下放时，TL却帮助下放，这是位能性负载的特点。n TL O 图3.103 位能性恒转矩负载特性n2.通风机负载特性n 通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比，即。通风机负载特性如图3.104所示。n O TL 图3.104 通风机负载特性 n有些生产机械，比如车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，切削阻力小，往往开高速。如图3.105所示。n O TL 3.105 恒功率负载 n4.实际生产机械的负载特性n实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩

17、擦转矩Tf，因而实际通风机负载特性应为，其特性曲线如图3.106所示。而实际起重机的负载特性如图3.107所示，除了位能负载特性外，还应考虑起货机传动机构等部件的摩擦转矩。n TL O n O TL Tf 图3.106 实际通风机负载特性图3.107 实际起重机负载特性任务任务3.4 三相异步电动机的调速控制三相异步电动机的调速控制n任务引入任务引入n2007年4月18日零点起，中国铁路第六次大提速上线运行的动车组名称为“和谐号”，这标志着我国已经掌握了世界先进成熟的铁路机车车辆制造技术。2008年底，国内首列时速300公里动车组问世，据预测，2010年我国动车组列车将达700组。列车速度的提

18、高，其中采用的调速技术起着很关键的作用。n任务分析任务分析n根据三项异步电动机的转速公式可以看出，异步电动机的调速可分通过以下方法来实现：n1.变极调速：改变极对数p，以改变电动机的同步转速n1；n2.变频调速：改变电源频率f，以改变；n3改变转差率s：保持同步转速n1不变，改变转差率的方法有变压调速、串变阻器调速及串极调速等。n相关知识相关知识 n3.4.1感应电动机的变极调速感应电动机的变极调速n1.变极原理n在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。n相关知识相关知识 n

19、3.4.1感应电动机的变极调速感应电动机的变极调速n1.变极原理n在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。a）正向串联 b）四极磁场图3.93 四极异步电动机定子U相绕组连接原理a）反向串联 b）反向并联 c）两极磁场图3.94 两极异步电动机U相绕组连接原理根据上述，说明三相笼型异步电动机改变定子极数时，只要将每相绕组的半相绕组电流方向改变，即把半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化。n2.变极调速常用的接线方法n目前，在我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：一种是

20、从星形改成双星形，记作Y/YY，Y是低速，YY是高速，如图3.95所示；另一种是从三角形改成双星形，记作/YY，是低速，YY是高速，如图3.96所示，由图可见，这两种接线方式都使每相绕组的半相绕组内电流改变了方向，因而定子磁场的极对数减少一半。图3.95三相笼型异步电动机Y/YY变极调速接线图3.96三相笼型异步电动机/YY变极调速接线3.变级调速的机械特性n1）Y/YY变极调速时的机械特性n由于Y连接时的极对数是YY连接极对数的两倍，因此YY连接时的速度是Y连接速度的两倍。两种连接方法的相电压相等，所以YY连接时的相电流是Y连接的两倍，YY连接时的功率是Y连接的两倍。为了使电动机得到充分利用

21、，假定改接前后使电动机绕组通入额定电流，效率和功率因数近似不变，则由公式得，有YYY连接后，转矩保持不变。所以，这种连接方式的变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。n2）/YY变极调速的机械特性n当改接成YY连接后，极数减少一半，速度增加一倍。相电压减小到1/，相电流增加为2/,所以功率近似不变，输出转矩减小一半，这种变极调速属于恒功率调速方式，适用于车床切削等恒功率负载，如粗车时，进给量大、速度低；精车时，进给量小，转速高，但两者的功率近似不变。n综上所述，变极调速的优点是：操作简单，运行可靠；既可以使用与恒功率负载，又可以适用于恒转矩负载。优点是：转速几乎是成倍地变化，因此调速的平滑

22、性差。该方法比较广泛的应用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、通风机、升降机等。n4双速电动机控制电路n图3.97中KMl的主触头闭合，连接；KM2和KM3的主触头闭合,YY连接。控制电路有三种，图a）由复合按钮SB2接通KM1，KMl主触点闭合，电动机低速运行。SB3接通KM2和KM3，其主触点闭合，电动机高速运行。为防止两种接线方式同时存在，KMl和KM2的常闭触点构成电气互锁，SB2和SB3的常闭触点在控制电路中构成机械互锁。n图b）采用选择开关SA，即选择低速运行或者高速运行。n图a）和图b）的控制电路用于小功率电动机。n图c）是用于较大功率的电动机，选择开关SA选择低速运行或

23、高速运行。选择高速运行时，首先接通KMl低速起动，然后由KT切断KM1的线圈，同时接通KM2和KM3的线圈，电动机的转速自动由低速切换到高速。电器元件具体动作关系如下：3.4.2变频调速变频调速n改变三相异步电动机的电源频率，可以改变旋转磁场的同步转速，达到调速的目的。电源频率提高，电动机转速提高；电源频率下降，则电动机转速下降。若电源频率可以做到匀速调节，则电动机的转速就能平滑改变。这是一种较理想的调速方法，能满足无级调速的要求，且调速范围大，调速性能与直流电动机近似。1.变频调速的条件n三相异步电动机的每相电压，若电源电压Ul不变，当降低电源频率调速时，则磁通将增加，使铁心饱和，从而导致励

24、磁电流和铁损耗的大量增加，电动机温升过高等，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通不变，就必须降低电源电压，使=常数。n电动机的额定频率为基准频率，称为基频，变频调速时有两种方法，既可以从基频向上调，也可以从基频向下调。2.从基频向下变频调速n降低电源频率时，必需同时降低电源电压。降低电源电压，有以下两种控制方法：11fE3.从基频向上变频调速 n从基频向上变频调速时，升高电源电压是不允许的。因此，升高频率向上调速时，只能保持电压为额定不变，调速过程中，随着频率升高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。其机械特性如图3.99所示。保持电压不变升速，近似为

25、恒功率调速方式。n综上所述，三相异步电动机变频调速具有良好的调速性能，可与直流电动机媲美，具有以下特点：n从基频向下变频调速，为恒转矩调速方式；从基频向上变频调速，近似为恒功率调速方式。n调速范围大，且为无级调速，调速平滑。n机械特性“硬”，转速稳定性好。n该调速方法的缺点是必须有专用的变频电源。恒转矩调速时，低速段电机的过载能力大为降低，可能出现带不动负载的情况。3.4.3改变转差率调速改变转差率调速 n1.改变定子电压调速 n对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点a1、a2、a

26、3，如图3.100所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。n2转子串电阻调速 绕线型转子异步电动机转子串电阻的机械特性如图3.101所示。为转子本身绕组，R1、R2分别为串入的调速电阻，转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，运行段特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行的b点上，转速由na变为nb，依此类推。3.串级调速 n所谓串级调速，就是在异步电动机的转子回路串入一个三相对称的附加电动势，其频率与转子电动势相同，改变的大小和相位，就可以调节电动机的

27、转速。它也是适用于绕线转子异步电动机，靠改变转差率s调速。调速方法比较项目变极变频变转差率转子串电阻调压调速串极调速是否改变同步转速变变不变不变不变调速指标静差度（转速相对稳定时）小（好）小（好）大（差）开环时大闭环时小小（好）调速范围较小（D=24）较大（D=10）小（D=2）闭环较大（D=10）较小（D=24）调速平滑性差（有级调速）好（无级调速）差（有级调速好（无级调速）好（无级调速）适应负载类型恒转矩恒功率恒转矩恒功率恒转矩恒转矩通风机恒转矩设备投资少多少较少较多电能损耗小较小大大较小适用电动机类型多速电动机（笼型）笼型电动机绕线型电动机一般为绕线型电动机，小容量时可采用特殊笼型电动机绕线型电动机