5-4异步电动机的工作原理
电机与拖动基础教学课件第五章异步电动机的原理和仿真
5.1 异步电动机的基本结构、分类及铭牌
4. 其他部件
（1）端盖。端盖安装在机座的两端，它的材料加工方法与机座 相同，一般为铸铁件。端盖上的轴承室里安装了轴承来支撑转子，以 使定子和转子得到较好的同心度，保证转子在定子内膛里正常运转。
（2）轴承。轴承用于连接转动部分与不动部分，目前都采用滚
（3）轴承端盖。轴承端盖用于保护轴承，使轴承内的润滑油不
5.2
交流绕组
6）槽距角 槽距角(α)是指相邻的两个槽之间的电角度，可
α
360 p Z1
7）极相组
极相组是指一个磁极下属于同一相的线圈按一定 方式串联成的线圈组。
5.2
交流绕组
2. 交流绕组的基本要求
（1）在一定的导体数下，绕组的合成电势和磁势在波形上 应尽可能为正弦波，在数值上尽可能大，而绕组的损耗要小，用
5.1 异步电动机的基本结构、分类及铭牌
3. 气隙
异步电动机的气隙是很小的，中小型电动机的气隙一般为 0.2～2 mm。气隙越大，磁阻越大，要产生同样大小的磁场，就 需要较大的励磁电流。由于气隙的存在，异步电动机的磁路磁阻 远比变压器大，因而异步电动机的励磁电流也比变压器的大得多。 变压器的励磁电流约为额定电流的3%，异步电动机的励磁电流约 为额定电流的30%。励磁电流是无功电流，因而励磁电流越大， 功率因数越低。为提高异步电动机的功率因数，必须减小它的励 磁电流，最有效的方法是尽可能缩短气隙长度。但是，气隙过小 会使装配困难，还有可能使定子、转子在运行时发生摩擦或碰撞， 因此，气隙的最小值由制造工艺及运行安全可靠等因素来决定。
图5-1 三相笼型异步电动机的组成部件
5.1 异步电动机的基本结构、分类及铭牌
1. 定子
定子由定子三相绕组、定子铁心和
《三相异步电动机》PPT课件优选全文
t
()电流入
2024年10月8日星期二
8
三相对称绕组通入三相对称电流就形成
旋转磁场。
2024年10月8日星期二
wt 0
9
2024年10月8日星期二
10
旋转磁场的转速大小
一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。则 同步转速（旋转磁场的速度）为：
I m iA iB iC
t
A YN Z
CS
B
2024年10月8日星期二X
16
电动机转速和旋转磁场同步转速的关系
2024年10月8日星期二
17
转差率 (s) 的概念：
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：
2024年10月8日星期二
18
旋转磁场的旋转方向
旋转方向：取决于三相电流的相序。
iA iB iC
iA iC
Im
Im
t
iB t
n0
n0
改变电机的旋转方向：换接其中两相
转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。 线绕式
定子绕组 （三相）
A
Y
定子
Z
C
B
鼠笼式
转子
X
2024年10月8日星期二
鼠笼转子
机座
3
三相定子绕组：产生旋转磁场。 组成：定子铁心、定子绕组和机座。
2024年10月8日星期二
4
转子：在旋转磁场作用下，产生 感应电动势或电流。
组成：转子铁心、转子绕组和转轴。
u1
e1
e 1
产生的感应电动
i2
e2
e 2 R2
势。
转、定子电路
2024年10月8日星期二
第5章 异步电动机电压-频率协调控制
u an = 2U d 1 1 1 1 sin ω1t + sin 5ω1t + sin 7ω1t + sin 11ω1t + sin 13ω1t + ... π 5 7 11 13
它的相电压有效值Ua=0.471Ud， U 相电压基波有效值Ua1=0.45Ud（√2Ud /π ）。 对图5-2所示逆变器线电压uab进行傅立叶分析，得
图5-6 给定积分器原理电路
2.函数发生器（GF）
函数发生器的功能是实现调速时V/f协调所需要的函 数关系，它的工作原理示于图5-7 中。 对运算放大器A的虚地点列电流平衡方程式，可推导 出函数发生器输出Uo和输入Ui之间的关系式为
R2 + R p 2 R2 + R p 2 U o = −U i +Uk R1 R5
5.4 谐波的影响 电动机期望有正弦电压和正弦电流，但是 前述方波或者准方波逆变器所产生的却不是正 弦波，这对电动机的运行有什么影响呢？应用 傅立叶分析的方法对方波或准方波进行分解， 可以得到有用的基波和不期望的谐波。一般说 来，谐波有四个有害的影响，它们是： 转矩脉动 谐波发热 参数变化 噪音
1.转矩脉动(torque pulsation)
图5-7 函数发生器原理电路
3.电压频率转换器（GVF）
电压频率转换器的功能是将与速度给定对应的电压 Ui输入信号转换成相应频率f0的输出脉冲信号。对它的基 本要求是：有比较好的稳定性；有满足要求的线性控制 范围。
图5-8 电压频率转换器原理电路
4.环形分配器（DRC）
图5-9 环形分配器原理电路
D端输入状态 Qn Qn+1 ----------------------------------------1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 ------------------------------------------
异步电动机基本知识
异步电动机基本知识异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。
异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。
作电动机运行的异步电机。
因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。
异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。
在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。
基本特点转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。
以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。
异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。
它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。
其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。
此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。
因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。
应用由于异步电动机生产量大,使用面广,要求其必须有繁多的品种、规格与各种机械配套。
因此，异步电动机的设计、生产特别要注意标准化、系列化、通用化。
在各类系列产品中，以产量最大、使用最广的三相异步电动机系列为基本系列；此外还有若干派生系列（在基本系列基础上作部分改变导出的系列）、专用系列（为特殊需要设计的具有特殊结构的系列）。
异步电动机的种类繁多，有防爆型三相异步电动机、ys系列三相异步电动机、y、y2系列三相异步电动机、YVP系列变频调速电动机等等. 新中国第一台异步电动机于50年代初在合肥工业大学诞生。
第五章异步电机
原因：起动时 n=0 ，转子导条切割磁力线速度很大。
转子感应电势
转子电流
定子电流
影响： 频繁起动时造成热量积累 大电流使电网电压降低
电机过热
影响其他负载工作
二、三相异步机的起动方法：
（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。
（2） 降压起动。 Y－ 起动
自耦降压起动 （3）转子串电阻起动。
T U2
单位 （N .m）
5.3.2 机械特性
T
K
sR2 U12 R22 (sX 2s )2
在U1 及R 2 一定时， T 仅随 S 变化
将 s n1 n 代入上式 n1
得特性曲线：
得特性曲线：
T T f (S)
n n f (T )
n
s1
0
1
T
最大转速n=n1时
启动时n=0
三个重要转矩
启动前的漏磁感抗
5 转子功率因数
cos2
R2
R22 X 22
R2 R22 (sX 2s )2
6 定子电流和定子功率因数
空载时，转子电流约为零，定子电流很小主要用来励磁。 当带上负载后，转子电流增加，定子电流随之增加，这 一点与变压器类似。
电动机的功率因数即为定子功率因数，功率因数角即为 U1 与 I1 的夹角。
Tst
K
R2U
2 1
R22
X
2 20
R2 Tst
第五章 异步电机
5.1 三相异步电动机的结构与工作原理 5.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 5.3 三相异步电动机的启动、调速和制动
5.1 三相异步电动机的结构及工作原理
电动机的分类 交流电动机
老电工实例讲解三相异步电动机启停控制电路设计方案
老电工实例讲解三相异步电动机启停控制电路设计方案1、三相异步电动机点动控制线路点动控制指需要电动机作短时断续工作时，只要按下按钮电动机就转动，松开按钮电动机就停止动作的控制。
实现点动控制可以将点动按钮直接与接触器的线圈串联，电动机的运行时间由按钮按下的时间决定。
点动控制是用按钮、接触器来控制电动机运转的最简单的正转控制线路，生产机械在进行试车和调整时通常要求点动控制，如工厂中使用的电动葫芦和机床快速移动装置、龙门刨床横梁的上、下移动，摇臂钻床立柱的夹紧与放松，桥式起重机吊钩、大车运行的操作控制等都需要单向点动控制。
01电气控制原理图点动控制电路由电源开关QS、熔断器FU、按钮SB、接触器KM 和电动机M组成。
如图5－4、图5－5所示。
想一想：点动!连续运行怎么办?在图5-4和5-5电路中，其主要原理是当按下按钮SB时，交流接触器的线圈KM得电，从而使接触器的主触点闭合，使三相电进入电动机的绕组，驱动电动机转动。
松开SB时，交流接触器的线圈失电，使接触器的主触点断开，电动机的绕组断电而停止转动。
实际上，这里的交流接触器代替了闸刀或组合开关使主电路闭合和断开的。
02电路控制动作过程（1）启动：先合上电源开关QS，按下按钮SB→交流接触器KM 线圈得电→KM主触点闭合→电动机M转动。
（2）停止：松开按钮SB→交流接触器KM线圈失电→KM主触点断开→电动机M停止。
03电动机的转动特点按下SB，电动机转动；松开SB，电动机停止转动，即点一下SB，电动机转动一下，故称之为点动控制。
2、三相异步电动机单方向连续控制线路生产机械连续运转是最常见的形式，要求拖动生产机械的电动机能够长时间运转。
三相异步电动机自锁控制是指按下按钮SB2，电动机转动之后，再松开按钮SB2，电动机仍保持转动。
其主要原因是交流接触器的辅助触点维持交流接触器的线圈长时间得电，从而使得交流接触器的主触点长时间闭合，电动机长时间转动。
这种控制应用在长时连续工作的电动机中，如车床、砂轮机等。
chap5 第5章 三相异步电动机原理2-1
第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程 当三相异步电动机的定子绕组接到对 称三相电源时，定子绕组中就通过三相 交流电流。若不计谐波和齿槽影响，这 个对称三相交流电流将在气隙内形成按 正弦规律分布、并且以同步转速ns旋转 的旋转磁动势F1，由旋转磁动势F1建立 旋转的气隙主磁场Bm。 这个旋转磁场切割定子、转子绕组， 分别在定子、转子绕组内感应出定子电 动势和转子电动势。在转子电动势作用 下转子回路中有对称三相电流流过。于 是，在气隙磁场和转子电流的相互作用 下，产生了电磁转矩，转子就顺着旋转 磁场的方向转动。
异步电动机 的电流比
励磁电流
m1 N1kW 1 m2 N 2 kW 2 F2 0.9 I 2 0.9 I2 2 p 2 p
（二）电动势平衡方程式
U1 ( E1 ) ( E1 ) I1r1 E2 s ( E2 s ) I 2 (r2 R )
异步电动机带有负载后，转子转速降低，设转子以 转速 旋转，此时显然，旋转磁场的同步转速和转 子转速之间有一个同方向的相对运动，即旋转磁场 以转速差 n n 在切割转子绕组，电磁关系也将发 s 生变化。
n
I2 负载时，不再认为 E 2s 0 ， 0 ，且 I 2 也形成 了磁动势 F 2 ，要弄清异步电机负载的物理情况，首 先要分析转子磁动势的性质。
m1 N1kW 1 m2 N 2 kW 2 m1 N1kW 1 0.9 I1 0.9 I 2 0.9 Im 2 p 2 p 2 p
ki
令 I 1 I 则 2 2
I1 I m ( I 2 )
负载电流
m1 N1kW 1 ki m2 N 2 kW 2
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt5-交流拖动控制系统
但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求 都不高，只需要一般的调速性能。
电力拖运动控自制动控系制统系统
7
许多在工艺上需要调速的生产机械过去多 用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结 构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、 惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显 然能够带来不少的效益。
在同步电机的变压变频调速方法中，从频
率控制的方式来看，可分为他控变频调速 和自控变频调速两类。
电力拖运动控自制动控系制统系统
20
自控变频调速 利用转子磁极位置的检测信 号来控制变压变频装置换相，类似于直流电 机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作 无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。
开关磁阻电机 是一种特殊型式的同步电机， 有其独特的比较简单的调速方法，在小容量 交流电机调速系统中很有发展前途。
n
n0
恒转矩负载特性
A
B
0.5UsN C
UsN
0.7UsN
O
TL
Te
图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）
在不同电压下的机械特性
电力拖运动控自制动控系制统系统
39
5.3 闭环控制的变压调速系统及其 静特性
采用普通异步电机的变电压调速时，调速范 围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增 大调速范围，但机械特性又变软，因而当负 载变化时静差率很大，开环控制很难解决这 个矛盾。
2%——交流可调速传动
电力拖运动控自制动控系制统系统
3
直流电机的不足
具有电刷和换向器，必须经常检查 维修。
换向火花使其应用环境受到限制。 换向能力限制电机的容量和速度 （极限容量转速约为106 kW r / min ）。
第5章 三相异步电动机的基本原理(电机及拖动基础)
第五章三相异步电动机的基本原理主要讲授内容：三相异步电动机的工作原理、结构、运行特性、等效电路、参数测量、转矩转差的关系等，是必须掌握的内容，使本课程的重点。
是在现代工业中正被大量应用的机电能量转换装置，是后续课程《电力拖动》课程的基础。
讨论：三相异步电动机What？三相异步电动机的用途、结构？How？三相异步电动机的工作原理？第一节三相异步电动机的结构及额定参数一、异步电动机的主要用途和分类用途：异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。
异步电动机的优点：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。
采用现代电力电子功率器件和计算机技术可得到良好的调速性能。
已经取代直流电动机，成为应用广泛的调速系统。
异步电动机的缺点：功率体积比较小。
功率因数较差。
直接接电网运行时，必须从电网里吸收滞后的励磁电流，使它的功率因数总是小于１。
通过控制器可以使这一缺点得到改善。
异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。
所以，异步电机又叫感应电机。
二、异步电动机的分类从不同角度看，有不同的分类法：（1）按定子相数分有①单相；②三相异步电动机。
（2）按转子结构分有①绕线式；②鼠笼式。
后者又包括单鼠笼、双鼠笼和深槽式异步电动机。
此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压、低压异步电动机之分。
从其它角度看，还有高起动转矩、高转差率、高转速异步电机等等。
异步电机也可作为异步发电机使用。
单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又没有同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。
在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。
风叶铁心绕组轴承滑环绕线电动机转子笼型绕组导条端环1、异步电动机的定子：异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。
（1）定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。
第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机
异步电动机空载运行时，建立气隙磁场Bm的励磁磁场Fm0就是定 子绕组产生的三相基波合成磁动势F10即Fm0=F10
第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 空载的情况下：n≈ns, I2≈0
当电机带有机械负载后：n<ns, I2增大。 （一）转子磁动势分析 不论转子是绕线型还是笼 型，转子磁动势F2都是一种旋 转磁动势。
f2 60 60 ns sf1
f2为转差频率，转子电流形成的转子磁 动势F2的旋转方向与F1的旋转方向相同， 它相对于转子的转速为Δ n，而相对于 定子的转速为Δ n+n=ns
第五章 三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机 （二）磁动势平衡 转子磁动势F2与定子磁动势F1相对静止，得到合成磁动势F1+F2 负载时 F1 F2 Fm Bm (m )
RΩ 为转子电阻的外加电阻
E1 Im Zm Im (Rm jXm )
Zm为表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数，称为励磁阻 抗；Xm称为励磁电抗；Rm为反映铁耗的励磁电阻。 E1 jI1 X1 E2s jI2 X 2s
定子漏电抗 转子漏电抗
E2s j4.44 f 2 N2kW 2m j4.44 f1N2kW 2m s
异步电动机的负载运 行时的电磁关系
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
转差率。
一般三相异步电动机的λ 为1.8~2.5；特殊用 途电动机的过载能力较大，λ 可达3.4。
三相异步电动机 的机械特性
（4）机械特性曲线上的d 点
机械特性曲线上d 点是(Tst，0)点，该点出现
在三相异步电动机接通电源启动瞬间，由于机械 惯性，电动机转子的转速为零，产生的电磁转矩
产生旋转磁场的必要条件：对称三相定子绕组中通入对称三 相交流电流。
2）旋转磁场的方向。 三相异步电动机旋转磁场的旋转方向取决于三相定子 绕组中流入的三相交流电流的相序,改变三相交流电流的相 序,旋转磁场的旋转方向随之改变。
旋转磁场转向的改变
2．三相异步电动机的工作原理
感应电动势e 的方向 电磁力F 的方向 三相异步电动机的转动原理
三、三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 1.三相异步电动机的电磁转矩T
电磁转矩T 是旋转磁场与转子电流相互作用而产生的。
电磁转矩T 计算公式为：
2.三相异步电动机的机械特性
机械特性可分为两部分，其中a 点到c 点
之间的曲线段为电动机稳定运行区，c 点到d
点之间的曲线段为电动机不稳定运行区。c 点 为电动机稳定运行区和不稳定运行区的临界点，
§5—4 三相异步电动机的工作原理
一、三相异步电动机的工作原理 1.旋转磁场的产生
三相异步电动机的定子绕组通入对称三相交流电流后,产生旋转
磁场必须具备以下两个条件： (1)三相定子绕组必须对称,即每相定子绕组在定子铁心空间上互 差120°电角度。 (2)通入三相对称绕组的三相交流电流也必须对称,即iU、iV、iW
二、转差率
异步电动机的转差率s——旋转磁场转速n1与转子转速n之差
与同步转速n1之比。即：
（1)三相异步电动机启动瞬间,n=0、s=1,转子绕组切割磁 力线的相对速度最大,所以产生的感应电动势和感应电流最大,
反映在定子绕组上,三相异步电动机的启动电流就很大,一般可
达4~7倍的额定电流。
（2）三相异步电动机空载运行时,三相异步电动机的转速很 高,接近同步转速,即n≈n1，这时候，s很小，一般在0.005左右,转 子感生电动势、电流也较小；反映在定子绕组上，电动机的空载 电流也较小，一般在0.3~0.5倍额定电流。 （3）三相异步电动机在额定状态下运行，电动机转速为额定 转速nN，对应的转差率为额定转差率sN。sN一般为0.01~0.07，通 常为0.05左右。 转差率s是三相异步电动机的一个重要参数，在正常运行状态 下，0<s≤1。
1）同步转速
1
n＝
60 f p
n1 ——三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速 f ——定子电流频率 p ——磁极对数
常见的同步转速 磁极对数P 旋转磁场转速n1 1对 3000r/min 2对 1500 r/min 3对 1000 r/min
产生4极旋转磁场时 定子绕组的分布 4对 750 r/min 5对 600 r/min
也是出现最大电磁转矩的点。
三相异步电动机 的机械特性
（1）机械特性曲线上的a 点 机械特性曲线上a 点是三相异步电动机理想的 空载运行状态。
（2）机械特性曲线上的b 点
机械特性曲线上的b 点出现在稳定运行区， 是三相异步电动机稳定工作点。
三相异步电动机 的机械特性
（3）机械特性曲线上的c 点
机械特性曲线上的c 点为三相异步电动机稳定
三相电流大小和频率相同、相位互差120°。
定子绕组的分布
三相对称绕组的电流波形
对称三相交流电流产生旋转磁场的过程是:假设三相异步电动机定
子绕组接成星形连接,定子绕组的首端接三相对称电源,每相定子绕组分
别通入对称三相交流电流iU、iV、iW ,其参考方向由首端流到尾端。 各相电流的表达式如下:
交流电流在一个周期内五个瞬间所产生的合成磁场的情况
为启动转矩Tst。
Y系列三相异步电动机的启动转矩倍数Km一般为 1.7~2.三相异步电动机 的机械特性
（5）关于三相异步电动机机械特性的两个结论
1）当三相异步电动机的参数和交流电源频率一定时,三相异 步电动机的电磁转矩(包括最大电磁转矩和启动转矩)与电源电压 有效值的平方成正比。
降低电源电压时机械特性曲线
2）加大转子电路的电阻可以增大三相异步电动机的启动 转矩和临界转差率,但对最大电磁转矩没有影响。 绕线式异步电动机可以在转子回路中串联电阻来增加启 动转矩。
增大转子电阻时机械特性