《電工與電子技術(shù)》課件 項(xiàng)目7 三相異步電動(dòng)機(jī)及其控制

項(xiàng)目7三相異步電動(dòng)機(jī)及其控制7.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)7.3三相異步電動(dòng)機(jī)的控制7.4電氣控制電路7.2三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理(a)直流電機(jī)

(b)交流發(fā)電機(jī)

(c)單相交流電動(dòng)機(jī)

(d)三相交流電動(dòng)機(jī)

7.1異步電動(dòng)機(jī)的基本知識(shí)1.

三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)繞線式定子轉(zhuǎn)子定子鐵芯機(jī)座定子繞組轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子繞組風(fēng)罩風(fēng)葉轉(zhuǎn)子定子端蓋

三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

2、定子三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座等組成。定子鐵心是電動(dòng)機(jī)的磁路部分，一般由厚度為0.5mm，其內(nèi)圓沖成均勻分布的槽的硅鋼片疊成，如下圖所示。槽內(nèi)嵌入三相定子繞組，繞組和鐵心之間有良好的絕緣。定子沖片

定子鐵芯

（a）定子沖片(b)轉(zhuǎn)子沖片鐵心沖片定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分，由三相對(duì)稱繞組組成，并按一定的空間角度依次嵌入定子槽內(nèi)，三相繞組的首、尾端分別為U1、V1、Wl和U2、V2、W2接線方式與電源電壓不同可接成星形(Y)或三角形(△)。機(jī)座一般由鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定定子鐵心和定子繞組，封閉式電動(dòng)機(jī)外表面還有散熱筋，以增加散熱面積。機(jī)座兩端的端蓋，用來支承轉(zhuǎn)子軸，并在兩端設(shè)有軸承座。3、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)子鐵心是由厚度為0.5mm，外圓周圍沖有槽的硅鋼片疊成。疊壓后壓裝在轉(zhuǎn)軸上，一般為斜槽，并嵌入轉(zhuǎn)子導(dǎo)體。轉(zhuǎn)子繞組有籠型和繞線型兩種，籠型轉(zhuǎn)子繞組一般用鋁澆入轉(zhuǎn)子鐵心的槽內(nèi)，并將兩個(gè)端環(huán)與冷卻用的風(fēng)扇翼澆鑄在一起。而繞線型轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相似，相繞組一般接成星形，三個(gè)出線頭通過轉(zhuǎn)軸內(nèi)孔分別接到三個(gè)銅制集電環(huán)上，而每個(gè)集電環(huán)上都有一組電刷，通過電刷使轉(zhuǎn)子繞組與變阻器接通來改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。問題與討論鼠籠型電動(dòng)機(jī)的定子各部分結(jié)構(gòu)和作用如何？鼠籠型異步機(jī)轉(zhuǎn)子各部分的結(jié)構(gòu)和作用是什么？定子鐵芯是由0.5mm厚的硅鋼片疊壓制成，在其內(nèi)圓沖有分布的槽。定子鐵芯的作用：一是槽內(nèi)可用來嵌放定子繞組；二是定子鐵芯構(gòu)成電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。定子繞組是由銅導(dǎo)線繞制而成。構(gòu)成電動(dòng)機(jī)電路的一部分。機(jī)座是電動(dòng)機(jī)的支架，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。轉(zhuǎn)子鐵芯沖片鑄鋁籠形轉(zhuǎn)子籠形轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子鐵芯是也是由0.5mm厚的硅鋼片疊壓制成，在其外圓沖有分布的槽。轉(zhuǎn)子鐵芯可嵌放轉(zhuǎn)子繞組，構(gòu)成電機(jī)磁路的另一部分。轉(zhuǎn)子繞組大部分是澆鑄鋁籠型，大功率也有銅條制成的籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，構(gòu)成電機(jī)電路的一部分。由轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能。4.三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y132M-4功率7.5KW頻率50Hz電壓380V

電流15.4A

接法Δ轉(zhuǎn)速1440r/min絕緣等級(jí)B工作方式連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)工作制S1

B級(jí)絕緣年月編號(hào)××電機(jī)廠Y表示異步機(jī)，132（mm）表示機(jī)座中心高度；M代表中機(jī)座（L長(zhǎng)機(jī)座、S短機(jī)座）。額定功率指的是電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率。額定電壓、電流均指電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行情況下的定子線電壓、線電流的數(shù)值。額定轉(zhuǎn)速指的是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。

三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組有兩種接法：Y形和Δ形

。三相定子繞組由機(jī)殼外面的接線盒引出，左下圖為Y接連線圖；右下圖為Δ接連線圖。7.2三相交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理為了更好地理解三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和掌握旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0的計(jì)算，我們需要進(jìn)一步分析旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生情況。最簡(jiǎn)單的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，如圖所示，每相繞組只有一個(gè)線圈，當(dāng)三相繞組接成星形并與三相對(duì)稱電源相接后，三相繞組中就有三相對(duì)稱電流通過，即iu=Imsinωt

iv＝Imsin(ωt—120°)iw＝Imsin(ωt+120°)其波形圖如圖所示。圖三相交流異步電動(dòng)機(jī)最簡(jiǎn)單的定子繞組圖三相電流的波形圖三相交流異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入對(duì)稱三相電流后，就會(huì)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與三相電流的相序方向一致的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這時(shí)，靜止的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子繞組中就有感應(yīng)電流通過。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁力作用，相對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速略小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0，所以稱為“異步”電動(dòng)機(jī)。通過分析我們可以得出結(jié)論：對(duì)稱三相交流電iu、iv、iw分別通入定子三相繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子每相繞組只有一個(gè)線圈時(shí)，產(chǎn)生二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)正弦交流電的電角度變化360°時(shí)，二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間也正好旋轉(zhuǎn)360°，即磁極對(duì)數(shù)p=1時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與正弦電流同步變化。對(duì)工頻交流電來說，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每秒鐘在空間旋轉(zhuǎn)50周。以r／min為單位，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0＝50x60＝3000r／min。若交流電的頻率為f，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速

n0＝（6.4）如果定子的每相繞組由兩個(gè)線圈串聯(lián)而成，則各繞組的始端之間相差60°，通入對(duì)稱三相交流電后產(chǎn)生四個(gè)磁極(磁極對(duì)數(shù)p=2)，稱為四極電動(dòng)機(jī)。同理可知，若定子每相繞組由三個(gè)線圈串聯(lián)而成，則各繞組始端之間相差40°，能產(chǎn)生三對(duì)磁極(p＝3)，稱為六極電動(dòng)機(jī)。用分析二極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同樣方法可以得出結(jié)論：當(dāng)磁極對(duì)數(shù)p＝2時(shí)，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)動(dòng)二分之一周；當(dāng)磁極對(duì)數(shù)p＝3時(shí)，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)動(dòng)三分之一周。由此類推，磁極對(duì)數(shù)為p的電動(dòng)機(jī)(2p極電動(dòng)機(jī))，交流電每變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)動(dòng)p分之一周。當(dāng)交流電頻率為f、磁極對(duì)數(shù)為p時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為n0＝旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0又稱為同步轉(zhuǎn)速，單位是r／min。如改變通入定子繞組中任意兩相交流電的相序后，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就反向，三相異步電動(dòng)機(jī)就隨之反轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用字母S表示：

x100％

S＝轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)，可以表明異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速n＝0，此時(shí)轉(zhuǎn)差率最大，S＝1。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近于同步轉(zhuǎn)速n0，此時(shí)轉(zhuǎn)差率最小，S≈0。所以轉(zhuǎn)差率的變化范圍為0<S≤1，三相異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)差率一般為(3～6)%左右?？赏茖?dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

n=(1—S)n0=(1—S)60f)7.3三相異步電動(dòng)機(jī)的控制6.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1．直接起動(dòng)

直接起動(dòng)是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓上的起動(dòng)方式，又叫全壓起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：起動(dòng)電流較大，將使線路電壓下降，影響負(fù)載正常工作。直接起動(dòng)一般只用于小容量電動(dòng)機(jī)(如7.5kW以下電動(dòng)機(jī))。

對(duì)較大容量電動(dòng)機(jī)，電源容量又較大，若電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)KI、容量和電網(wǎng)容量滿足下列經(jīng)驗(yàn)公式：KI≤（）

則電動(dòng)機(jī)可直接起動(dòng)，否則應(yīng)采用降壓起動(dòng)。適用范圍：2．降壓起動(dòng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。Δ運(yùn)行時(shí)，首尾相接構(gòu)成閉環(huán)Y起動(dòng)時(shí)，繞組尾端連成一點(diǎn)適用范圍：正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為三角形連接，且每相繞組都有兩個(gè)引出端子的電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：起動(dòng)電流為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。QS1L3V2L2L1QS2FUV1U1U2W1W2V1U1W1W2U2V2Y-Δ降壓起動(dòng)：起動(dòng)時(shí)定子繞組連成星形，通電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形。AZBYXC正常運(yùn)行UPABCXYZ起動(dòng)UP'Y－

起動(dòng)應(yīng)注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機(jī)。

所以降壓起動(dòng)適合于空載或輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。（2）Y－

起動(dòng)Ist↓時(shí)Tst↓。

三相異步電動(dòng)機(jī)，電源電壓=380V，三相定子繞組接法運(yùn)行，額定電流IN=20A，啟動(dòng)電流Ist/IN=7，求：

（1）接法時(shí)的啟動(dòng)電流Ist

（2）若啟動(dòng)時(shí)改為Y接法，求IstY（1）Ist=7IN=720=140A（2）IstY=Ist/3=140/3=47A例：解：

利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的端電壓降低，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。自耦變壓器備有40％、60％、80％等多種抽頭，使用時(shí)要根據(jù)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求具體選擇。自耦降壓起動(dòng)：運(yùn)行時(shí)開關(guān)上打與電機(jī)直通起動(dòng)時(shí)開關(guān)向下打，與自耦變壓器相連。QS1L3V1L2L1QS2FUV1U1U1W1W1L2L1L3優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：具有不同的抽頭，可以根據(jù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，比較方便的得到不同的電壓。體積大、成本高。適用范圍：適用于容量較大的電動(dòng)機(jī)或不能用Y-Δ降壓起動(dòng)的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串入附加電阻后，既可以降低起動(dòng)電流，又可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和調(diào)速性能都優(yōu)于鼠籠式異步機(jī)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不易且造價(jià)較高。1.改變極對(duì)數(shù)p由上式可看出，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有三種：7.3.2

三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速2.改變轉(zhuǎn)差率s3.改變電源頻率f1（變頻調(diào)速）

第三種調(diào)速方法發(fā)展很快，且調(diào)速性能較好。其主要環(huán)節(jié)是研制變頻電源（常由整流器、逆變器等組成）。7.3.3三相交流異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)許多生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí)，為提高生產(chǎn)力和安全起見，往往需要快速停轉(zhuǎn)或由高速運(yùn)行迅速轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行，這就需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。所謂制動(dòng)就是要使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩(即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩)，可見電動(dòng)機(jī)制動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。三相異步電動(dòng)機(jī)常用的制動(dòng)方法有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。1.能耗制動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)接線如下圖所示。制動(dòng)方法是在切斷電源開關(guān)Q1同時(shí)閉合開關(guān)Q2觸點(diǎn)，在定子兩相繞阻間通人直流電流。于是定子繞組產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子因慣性而旋轉(zhuǎn)切割該恒定磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體與恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用，因此轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至零時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流也降至為零，制動(dòng)過程結(jié)束。制動(dòng)期間，運(yùn)轉(zhuǎn)部分所儲(chǔ)藏的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路的電阻上，故稱能耗制動(dòng)。

能耗制動(dòng)接線對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)，可調(diào)節(jié)直流電流的大小來控制制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，對(duì)繞線型異步電動(dòng)機(jī)，還可采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法來增大初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。能耗制動(dòng)能量消耗小，制動(dòng)平穩(wěn)，廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場(chǎng)合，也可用于起重機(jī)一類機(jī)械上，用來限制重物下降速度，使重物勻速下降。2.反接制動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)接線如下圖所示。制動(dòng)時(shí)將電源開關(guān)Q由“運(yùn)轉(zhuǎn)”位置切換到“制動(dòng)”位置，把它的任意兩相電源接線對(duì)調(diào)。由于電壓相序反了，所以定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向反了，而轉(zhuǎn)子由于慣性仍繼續(xù)按原方向旋轉(zhuǎn)，這時(shí)轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。反接制動(dòng)若制動(dòng)的目的僅為停車，則在轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，可利用某種控制電器將電源自動(dòng)切除，否則電機(jī)將會(huì)反轉(zhuǎn)。反接制動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相對(duì)于反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速較大(n+n1)，因此電流較大。為限制起動(dòng)電流，較大容量電動(dòng)機(jī)通常在定子電路(籠型)或轉(zhuǎn)子電路(繞線型)串接限流電阻。這種方法制動(dòng)比較簡(jiǎn)單，制動(dòng)效果較好，在某些中型機(jī)床主軸的制動(dòng)中常采用，但能耗較大。

3.回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)發(fā)生在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n大于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1的時(shí)候，如當(dāng)起重機(jī)下放重物時(shí)，重物拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)速n>n1。這時(shí)轉(zhuǎn)子繞組切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與原電動(dòng)機(jī)狀態(tài)相反，則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流方向也隨之相反，電磁轉(zhuǎn)矩方向也反了，即由與轉(zhuǎn)向同向變?yōu)榉聪?，成為制?dòng)轉(zhuǎn)矩，使重物受到制動(dòng)而勻速下降。實(shí)際上這臺(tái)電動(dòng)機(jī)已轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，它將重物的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏仞伒诫娋W(wǎng)，故稱回饋制動(dòng)。7.4電氣控制電路1.點(diǎn)動(dòng)控制電路B'C'KMSB動(dòng)作過程按下按鈕（SB）→線圈

（KM）通電→主觸頭（KM）閉合→電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

控制電路主電路M3~L1KMFUQSL2L3松開按鈕（SB）→線圈

（KM）斷電→主觸頭（KM）打開→電機(jī)停轉(zhuǎn)。

M3~L1L2L3KMFUQSFR發(fā)熱元件熱繼電器常閉觸頭KMSB1KMSB2FR2、電動(dòng)機(jī)單向連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)控制電路主電路控制電路簡(jiǎn)單的接觸器控制原理L1L2L3M3~刀閘起隔離作用輔助常開自鎖停止按鈕接常閉起動(dòng)按鈕接常開三對(duì)主觸頭主電路通斷復(fù)位彈簧銜鐵鐵芯通電線圈

下面控制電路能否實(shí)現(xiàn)既能點(diǎn)動(dòng)、又能連續(xù)運(yùn)行

思考不能點(diǎn)動(dòng)！KMSB1KMSB2FRSB3

在正、反轉(zhuǎn)控制電路中串聯(lián)上正、反轉(zhuǎn)接觸器的互鎖常閉觸頭可以避免兩相短路：KM1KM1SB1SB2KM2KM2S