第三章三相异步电动机的电力拖动
第3章三相异步电动机原理与维修1节
第一节 三相异步电动机的工作原理与结构
一、基本工作原理：
三相异步电动机定子接三相 电源后，电机内便形成圆形 旋转磁动势，旋转磁场转速 n1，设其方向为逆时针转， 如图所示。若转子不转，转 子导条与旋转磁密有相对运 动，导条中有感应电动势e， 方向由右手定则确定。
由于转子导条彼此在端部 短路，于是导条中有电流， 不考虑电动势与电流的相 位差时，电流方向同电动 势方向。这样，导条就在 磁场中受电磁力f，用左手 定则确定受力方向，如图 所示。
3、三相绕组应对称，结构相同、阻抗相等，空 间位置互差120°电角度；
4、用材省，绝缘性能好，机械强度高和散热条 件好；
5、制造工艺简单，维修方便。
（二）基本概念 1、电角度与机械角度 电机圆周在几何上分为360°，这个角度称为机械
角度。
导体切割按正弦规律变化的一对磁极磁场，其中感 应的电动势也按正弦变化一周，即经过360°电角 度，因而一对磁极占有360°电角度，若电机有p对 磁极，电机圆周按电角度计算为p× 360°。
A
ZX
iB C
Y
B
iC
i
iA
iB
iC
ωt
O
120° 240°
360°
首端流入为正，末端流入为负
A
A
A
×
·
Y×
·Z Y
× Z Y·
Z
× C
· BC · ·
X (a) ω t = 0°
X (b) ω t = 120°
BC
×B ×
X (c) ω t = 240°
结论： (1)在对称的三相绕组中通入三相对称电流，可以产
静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导 体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导 体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子 电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用 左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩，电 磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。
《电机与应用》习题答案思考题与习题及答案3
思考题与习题三（参考答案）P102 第三章3—1 什么叫电力拖动系统?电力拖动系统通常需由哪些部分组成?答：p 79,由电动机拖动生产机械或工作机构，并按一定的程序工作的系统，电力拖动系统通常需由电源、电动机、控制设备、生产或工作机构等部分组成。
3—2 举出五种常见的电力拖动实例。
答：p79，电风扇、洗衣机、水泵、生产机床、电梯、电动吊车等3—3 以最常见的吊扇为例，说明该电力拖动由哪些部分组成。
答：由电源一220v单相电源、电动机一中间为定子部分，外部为转子部分，、控制设备—调速开关、生产或工作机构—风叶等部分组成。
3—4 家用电器中的日光灯、电视机、电热水瓶能称为电力拖动系统吗?为什么? 答：不是，都没有电动机拖动。
3—5电力拖动系统中电动机产生的拖动转矩T与负载的负载转矩T L，在方向上有什么关系？若电动机在起动瞬间T=TL,则情况如何？若T>T L，则情况如何？若T<TL,则情况如何?答：p79,拖动转矩T与负载的负载转矩T L，在方向上刚相反。
由T= T L，d Q /dt= 0，系统静止或匀速运动状态T>TL，d Q /dt >0,系统处于加速状态T v TL，d Q /dt v 0 ,系统处于减速状态可判断电动机在起动瞬间T=T-,则电动机不能起动；若T>T-，则可以起动；若T<TL, 也不能起动。
3—6 从机械特性上看生产或工作机械负载可分为哪几类?各有什么特点?答：p80,可分为恒转矩负载、（包括反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载）、恒功率负载、通风机型负载。
恒转矩负载特点是负载转矩的大小不随转速的变化而变化，恒功率负载特点是所需的转矩与转速成反比，功率近似不变，通风机型负载特点是转矩与转速的平方成正比。
3—7 什么叫三相异步电动机的机械特性曲线?答：p81，在以转矩T为横坐标，以转速n为纵坐标的直角坐标系中表示转矩T和转12速n 之间关系的曲线叫三相异步电动机的机械特性曲线。
电机及拖动PPT课件
A、增大励磁电流
B、减小励磁电流
C、保持励磁电流不变 D、使励磁电流为零
答案： C
2.2.2 反接制动
*电压反接制动 电压反接制动时接线如图所示。
开关S投向“电动”侧时，电枢接正极
电压，电机处于电动状态。进行制动时，开
关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电R阻B 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内
定义：当 U 、U N I f时，I fN n f(I a )
由方程式可得
n
UN CeΦ
Ra CeΦ
Ia
Tn
Tem
n
T2
T0
0
Ia
)。 A、n=(U-IaRa)/Ceφ B、n=(U+IaRa)/Ceφ C、n=Ceφ/(U-IaRa) D、n=Ceφ/(U+IaRa) 答案： A
第二章直流电动机的电力拖动
电机及拖动
绪论 第一章 直流电机 第二章 直流电动机的电力拖动 第三章 三相异步电动机 第四章 三相异步电动机的电力拖动
为什么要学电机？
请同学们就电机的相关应用举例。
绪论
电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类是按功能分，有发电机、电动机、变压器和 控制电机四大类；
归纳如下：
电机
变压器 直流电机
把电刷A、B接到直流电源 力形成逆时针方向的电磁转矩。
上，电刷A接正极，电刷B接负 当电磁转矩大于阻转矩时，电机
极。此时电枢线圈中将电流流过。转子逆时针方向旋转。
当电枢旋转到右图所示位置时
原N极性下导体ab转到S极下， 受力方向从左向右，原S 极下 导体cd转到N极下，受力方向 从右向左。该电磁力形成逆时 针方向的电磁转矩。线圈在该 电磁力形成的电磁转矩作用下 继续逆时针方向旋转。
电机及拖动基础 第5版 第五章 三相异步电动机的电力拖动
r1 r2'
s2
X1
X
' 2
2
当s， s0区间，Ts 当s继续至s1区间，T1/s
最 大 转 矩 点
临界转差率
sm
r2,
X1
X
' 2
最大转矩倍数
最大转矩
Tmax
m1 pU12
4f1
X1
X
' 2
过载能力
m
Tmax TN
一般：2.0～2.2
起动时，s=1，代入公式：
起动
转矩
Tst
m1 pU12 r2,
《电机及拖动基础》(4版) 三相异步电动机的电力拖动
例5-1 为何在农村用电高峰期间，作为动力设备的三 相异步电动机易烧毁？
解 电动机的烧毁是指绕组过电流严重，绕组的绝 缘因过热损坏，造成绕组短路等故障。由于用电高峰 期间，水泵、打稻机等农用机械用量大，用电量增加 很多，电网线路电流增大大，线路压降增大，使电源 电压下降较多，这样影响到农用电动机，使其主磁通 大为下降，在同样的负载转矩下，由电磁转矩的物理 表达式可知转子电流大为增加，尽管主磁通下降，空 载电流会下降，但它下降的程度远为转子电流增加的 程度大，根据磁通势平衡方程式，定子电流也将大为 增加，长期超过额定值就会发生“烧机”现象。
据题意
sm
r2, Rs't
X1
X
' 2
1
得
Rs' t
X1
X
' 2
r2,
(3.12
4.25
1.4)
5.97
《电机及拖动基础》(4版) 三相异步电动机的电力拖动
三、电磁转矩的实用表达式
第一章变压器
四、变压器的基本结构
由铁心、绕组、油箱、Байду номын сангаас缘套管及附件组 成。 1.铁心 铁心是变压器的磁路,由铁心柱和铁轭两 部分组成.铁心柱上安放绕组,铁轭使磁路闭 合. 由两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成.有心式 和壳式两种结构.
2.绕组 绕组是变压器的电路,它由绝缘扁导线或圆 导线绕成,多为铜或铝线.高低压绕组均绕在 同一铁心 柱上,低压绕组在里侧靠铁心,以利 绝缘.
电能
(U1、I1)
磁场能
(变化的磁场)
电能
( U2、I2)
理想变压器的规律
原、副线圈中产生的感应电 动势分别是： E1=n1/ t E2=n2/ t U1=E1 U2=E2
I1
I2 n2 U2
U1 n1
E1 n1 E2 n2
U1 n1 U 2 n2
若不考虑原副线圈的内阻
(1) 理想变压器原副线圈的端电压之 比等于这两个线圈的匝数之比
变压器一次和二次绕组的电压比可认为是二者的 匝数比k U1 E1 N1 k U 20 E2 N 2
(三)空载电流i0 I0的主要作用是在磁路中产生磁动势建立磁通. 故又称励磁电流. i0的波形:
差900相位角,是纯无功分量.为磁化电流. Iμ与 E 1
Ih与
E 1
同相位,是一个有功分量,对应铁损.
U1 n1 U 2 n2
n2 >n1 U2>U1 ---升压变压器
n2 <n1 U2 <U1 ---降压变压器
理想变压器输出功率应等于输入功率
即:
P 出 = P入
U1I1=U2I2
I 1 U 2 n2 I 2 U 1 n1
(2)理想变压器原副线圈的电流跟它 们的匝数成反比
电力拖动与控制课后答案
第二章 直流电机的电力拖动2-23 一台他励直流电动机，铭牌数据为P N =60kW ，U N =220V ，I N =305A ，n N =1000r/min ，试求：（1） 固有机械特性并画在坐标纸上。
（2） T =0.75T N 时的转速。
（3） 转速n =1100r/min 时的电枢电流。
解：（1）Ω=⨯-⨯=-=038.0)30530560000305220(21)(212N N N N a I P I u R ， =-=ΦNa N N N e n R I U C min 208.01000038.0305220⋅=⨯-r V min 1058208.02200r C U n N e N ===φ m N I C T N N e N ⋅=⨯⨯==8.605305208.055.955.9φ∴通过（1058，0）及（1000，605.8）可以作出固有机械特性（2）时N NT N e Na N e N T T C C T R C U n 75.0=∴-=φφφ min 1016208.0208.055.98.60575.0038.0208.0220r n =⨯⨯⨯⨯-=（3）n=1100r/minN Ne a N e N I C RC U n φφ-=A R C n C U I a N e N e N N 9.229038.0208.0)11001058()(-=-=-=∴φφ 2-24 电动机的数据同上题，试计算并画出下列机械特性：（1） 电枢回路总电阻为0.5R N 时的人为机械特性。
（2） 电枢回路总电阻为2R N 的人为机械特性。
（3） 电源电压为0.5U N ，电枢回路不串电阻时的人为机械特性。
（4） 电源电压为U N ，电枢不串电阻，ф=0.5фN 时的人为机械特性。
注：R N =U N /I N 称为额定电阻，它相当于电动机额定运行时从电枢两端看进去的等效电阻。
解：（1）Ω===721.0305220N N N I U R 当外串后总电阻为0.5R n 时：T T C C R C U n NT N e nN e N 874.010585.0-=⋅-=φφφ （2）当电枢总电阻为Ω=442.12n R 时：T T C C R C U n NT N e nN e N 49.310582-=⋅-=φφφ （3）N U U 5.0=T T C C R C U n N T e aN e N 092.0529)(5.02-=-=φφ （4）N φφ5.0=T T C C R C U n N T e aN e N 368.02116)(25.05.02-=-=φφ2-25 Z2—71型他励直流电动机,P N =7.5kW ， U N =110V ， I N =85.2A ， n N =750r/min ，R a =0.129Ω。
第六章：三相异步电动机的电力拖动
图6-6 定子串三相对称电阻人为机械特性
4、改变极对数时的人为机械特性 5、改变频率时的人为机械特性
图6-4 三相异步电动机变频时的人为机械特性
三、三相笼型异步电动机的起动方法
1、生产机械对异步电动机起动性能的要求 起动电流要小；起动转矩大。
2、直接起动——全压起动
起动一瞬间，相当于堵转运行，S=1；
结论
可以看成是Y-Δ起动的推广； 起动转矩大于Y-Δ起动，适用于重载起动；
采用不同的抽头比例，可以改变相电压；
体积小、质量小、可以经常起动、价格低廉，将 取代自耦变压器起动；
内部接线复杂。
仅适用于正常运行时定子绕组为Δ连接的电动机， 即额定电压为380/660V的笼型异步电动机。
在确定起动方法时，应根据电源允许的最大起动电流、 负载对起动转矩的要求及起动设备的复杂程度、价格 等条件综合考虑。
2）最大转矩Tm与定子电压的平方成正比，与频率的 平方成反比，与r2无关；
③ 过载倍数
m
Tm TN
④ 起动转矩
1.6-2.2（普通异步电动机）
2.2-2.8（起重、冶金用异 步电动机）
开始起动时，电机转速n=0，转差率s=1。
s=1
Tem
2
f1[(r1
m1 pU12r2' / s r2' / s)2 (x1
Ist =
U1
= U1
(r1 r2' )2 (x1 x2' )2 Zk
中大容量的笼型异步电动机若不满足直接起动的条 件，则必须通过降压，把Ist降到电源的允许电流值。
① 定子回路串电阻或电抗起动
•
Ist
rst xst rk
xk
•
电机及拖动基础第三章
第二节 生产机械的负载转矩特性
生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机 械转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的 转速n与负载转矩TL之间的关系n=f(TL)。各种生产机械特性大致可分 为以下三种类型。 一、恒转矩负载特性
恒转矩负载是指负载转矩TL的大小不随转速变化，TL=常数，这 种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种： 1.反抗性恒转矩负载
为恒定值，即
就是说，负载转矩与转速成反比。例如，一些机床切削加工， 车床粗加工时，切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小 (TL小)，用高速档。恒功率负载特性曲线如图3-7所示。
三、通风机型负载特性 通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的二次方成正比，
即
式中K——比例常数。 常见的这类负载如鼓风机、水泵、液压泵等，通风机型负载特性
本章中首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍生产机械 的转矩特性和三相异步电动机的机械特性，最后主要研究三相异步电 动机拖动应用的三大问题——起动、制动、调速。
第一节 电力拖动系统的运动方程式
电力拖动系统中所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不 相同。因此，需要找出它们普遍的运动规律，予以分析。从动力学的 角度看，它们都服从动力学的统一规律。所以，我们首先研究电力拖 动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。 一、单轴电力拖动系统的运动方程式
曲线如图3-8所示。 必须指出，以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特
性常为几种类型负载的综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到 的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载 转矩，所以电动机轴上的负载转矩TL应是上述两个转矩之和。
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化简后可得
Rst r (a 1) x rk
2
当s 1时
' r 1 2 1 2 T m1 p( ) 2 2 ' 2 1 s[r1 1 ( L1 L2 ) ] s
u1
2．最大转矩和临界转差率
Sm
pm1
r2'
' r12 （x1 x 2 )2
Tmax
1
u
2 1
1
' 2 2[ r1 r12 ( x1 x 2 )
I1ST 1 电源总容量（ KVA ) 3 I N 4 起动电机容量 KW
I1St / I N K I 为笼型异步电动机的起动电流倍数
2、降压起动——大中容量电动机轻载起动方法
定子电路串电阻器或电抗器降压起动 （1）起动线路
笼型异步电动机电阻减压起动原理图
（2）起动电流和起动转矩
三、机械特性的实用表达式
由
r 2Tmax (1 sm 1 ) r2 T sm s r 2 sm 1' sm s r2
如忽略 r1 ，得到机械特性的实用表达式为：
2Tmax T sm s sm s
机械特性的近似计算公式：
2Τ max Τ s sm
其中：
sm 2T s N
曲线的形状可分析如下。
' s r 1 2 T m1 p( ) 2 1 (sr1 r2' ) 2 s 212 ( L1 L'2 ) 2
u1
L1
1
' x2
x1
—定子的漏电感。
L'2
1
—转子的漏电感。
当很s 小时
s1 T m1 p ( ) s ' 1 r2 u1
第二节 三相异步电动机的起动
一、对异步电动机起动性能的要求
（1）具有足够大的起动转矩 Tst 。 （2）在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起 动电流 I1st 越小越好； （3）起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便； （4）起动过程的能量损耗越小越好，起动时间越短好。
二、异步电动机的固有起动特性
rK r1 r2 , x K x1 x2 , 分别为每相的短路电阻 式中， 和电抗。
（3）起动电阻或电抗的计算
设起动时，定子绕组串入的电阻为 Rst
则
将
uN ' I 1st
I1st ,
2 ( Rst rk ) 2 xk
I1st
2
代入上式
uN 2 ( Rst rk ) x a a rk2 xk I1st
p pM
PM
为电磁功率它有两种表达式
1 2f1
' ' P m E M 1 2 I 2 cos 2 ' r PM m1I 2' 2 2 s ' 分别为折算到定子边的转子电阻和漏抗 r2' 和x2 cos 2 为转子边的功率因数。
一、机械特性表达式
1、物理表达式
pm1 cos 2 CT m I 2 cos 2 T N1K w1 m I 2 2 pm1 CT N1 K 1 —是常数。 2
0.64Tst
Tst
异步电动机降压时的人为机械特性
Tmax
（2）转子电路中串对称电阻时的人为特性
sm sm1
绕线转子异步电动机转子电路串接对称电阻 a）电路图 b）人为机械特性
sm2
（3）定子电路串接电阻或电抗的人为特性
s'm sm Xst≠0
Xst=0
T'max Tmax
异步电动机定子电路串接对称电抗 a）电路图 b）人为机械特性
不论是鼠笼电机还是绕线式电机，如果不采取措施 直接接入电源起动，这样的起动特性称为固有起动特性， 主要指起动电流 和起动转矩 。 I1st KT
I1st u1 (r1 r ) ( x1 x )
' 2 2 ' 2 2
KT 0.9 1.3
三、 鼠笼式异步电动机的起动
直接起动 降压起动 1、直接起动——小容量电动机起动方法 直接起动也称为全压起动。若能满足下列要求，就允 许直接起动。
三相异步电动机的固 有机械特性是指异步 电动机在额定电压和 额定频率下，按规定 的接线方式接线，定、 转子外接电阻为零时 的转速n与电磁转矩T 的关系。 三相异步电动机的固有特性
人为机械特性 （1）降低定子电压时的人为机械特性
sm
0.5UN
0.8UN
UN
0.25Tmax
0.64Tmax
0.25Tst
2 1
' 2
Tst 与 TN 之比称为起动转矩倍数 K T ，即
Tst KT TN
4．稳定运行范围 负 载 转 矩 特 性 1 为 恒 转 矩 负 载
n
n0
1
A
n f (T )
B
2
C
o
TZ
T
异步电动机拖动系统稳定运行点
负 载 转 矩 特 性 ２ 为 通 风 机 类 负 载
5．固有机械特性和人为机械特性
式中（+）为电动状态，（-）为发电状态。
通常
ห้องสมุดไป่ตู้
r1 ( x1 x ) ，则有：
' 2
Sm
' r2 x1 x 2
Tmax
pm 1
1
1 u ' 2( x1 x2 )
2 1
3．起动转矩
Tst
pm1
1
r u ' 2 ' 2 (r1 r2 ) ( x1 x2 )
UN 设加在定子绕组上的电压为 U1 ，并令 U 1
令
(r1 r ) ( x1 x )
' 2 2 ' 2 2
r x zk
2 k 2 k
直接起动时， 降压起动时， 由式
I 1st
I
' 1st
uN zk
UN I1st U1 zk z k
Tst
2
' Tst
第三章 三相异步电动机的电力拖动
第一节 三相异步电动机的机械特性 第二节 三相异步电动机的起动 第三节 三相异步电动机的制动 第四节 第五节 三相异步电动机的四象限运行(应用实例) 三相异步电动机拖动系统的调速
第一节 三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的电磁转矩
1 式中: p为极对数，
T
N1
—定子绕组每相串联匝数。
K w1 —为基波绕组系数。
二、机械特性的参数表达式
1、机械特性参数表达式的推导
异步电动机的T形等效电路
、
异步电动机的机械特性
第一象限，n＜n1， T 0
，为电动机运行状态
第二象限，n n1 , T 0 ，为发电回馈制动状态
S m 称为临界转差率
T s