《電機控制》課件-任務二 三相異步電動機的工作原理

學習目標任務二三相異步電動機的工作原理1.掌握三相異步也動機旋轉磁場產生的條件。2.掌握三相異步電動機的工作原理。3.掌握三相異步電動機轉差率的計算。4.了解二相異步電動機轉差率與轉子電路各物理量之間的關系。

一、三相異步電動機的工作原理1．旋轉磁場的產生當電動機定子繞組通以三相交流電流時，三相定子繞組中的電流都將產生各自的磁場。由于電流隨時間變化，其產生的磁場也將隨時間變化，而三相電流產生的總磁場(合成磁場)是在空間旋轉的，故稱旋轉磁場。現以2極三相異步電動機為例分析旋轉磁場的產生過程。在三相異步電動機的定子鐵芯中放置三相結構完全相同的繞組U1U2、V1V2、W1W2，各相繞組在空間互差120°電角度，如圖(a)所示；U1、V1、W1和U2、V2、W2分別代表三相定子繞組的首端和末端。三相定子繞組接成星形連接，即將三相繞組的末端接到一起，再將三相繞組的首端接在三相對稱交流電源上，如圖(b)所示:繞組內便通入三相對稱交流電流iU、iV、iW時，其波形圖如圖(c)所示，各相電流為：現用一個周期的五個特定瞬時來分析三相交流電流通入后，電動機氣隙磁場的變化況。規定:三相交流電為正半周時，電流由繞組的首端流入(用“×”表示)，由末端流出(用“·”表示)；三相交流電為負半周時，電流由繞組的末端流入(用“×”表示)，由首端流出（用“·”表示)。(1)當ωt=0時，iU=0，U相繞組中沒有電流，不產生磁場；iV是負值，V相繞組中的電流由V2端流入，V1端流出，

iW是正值，W相繞組中的電流由W1端流入，W2端流出；用安培定則可以確定此瞬間V、W兩相電流的合成磁場如圖(d)中圖①所示。此時磁力線穿過定子、轉子的間隙部位時，磁場恰好合成一對磁極，上方是N極，下方是S極。(2)當ωt=π/2時，iV和iW是負值，V相繞組中的電流由V2端流入，V1端流出，W相繞組中的電流是由W2端流入，W1端流出；iU是正值，U相繞組中的電流是由U1端流入，U2端流出。用安培定則可以確定此瞬間的磁場方向，如圖(d)中圖②所示，可見磁場方向己較ωt=0時順時針轉過90°。(3)當ωt=π時，iU=0，U相繞組中又沒有電流，不產生磁場；iV是正值，V相繞組中的電流由V1端流入，V2端流出；

iW是負值，W相繞組中的電流由W2端流入，W1端流出：用安培定則可以確定此瞬間的磁場方向，如圖(d)中圖③所示，可見磁場方向己較ωt=0時順時針轉過180°。同理，當ωt=3π/2、ωt=2π時的磁場方向，如圖(d)中圖④、⑤所示。從圖

(d)所示的幾個圖中可以看出，隨著交流電一周的結束，三相合成磁場剛好順時針旋轉了一周。因此，三相異步電動機旋轉磁場產生必須具備以下兩個條件:三相繞組必須對稱，在定子鐵芯空間上互差120°電角度：通入三相對稱繞組的電流也必須對稱，即大小、頻率相同，相位相差120°2．旋轉磁場的旋轉方向上圖中三相交流電按正序U-V-W接入電動機U相、V相、W相繞組，三個電流相量的相序是順時針的，由此產生的旋轉磁場的轉向也是順時針，即由電流相位超前的繞組轉向電流相位落后的繞組。如果任意調換上圖中電動機兩相繞組所接交流電的相序，假定U相繞組仍接U相交流電，V相繞組接W相交流電，W相繞組接V相交流電，畫出ωt=0、ωt=π/2時的合成磁場如圖所示。可見三個電流相量的相序是逆時針的，由此產生的旋轉磁場的轉向是逆時針的，也是由電流相位超前的繞組轉向電流相位落后的繞組。

由此可以得出:電動機的轉向是由接入三相繞組的電流相序所決定的，只要調換電動機任意兩相繞組所接的電源接線(相序)，旋轉磁場即反向轉動，電動機也隨之反轉。3．旋轉磁場的轉速如上圖所示，三相異步電動機的旋轉磁場合成的只是一對磁極，該電動機稱為2極電動機。當三相交流電變化一周時，磁場在空間旋轉一周，若交流電的頻率為f1(50Hz)，則旋轉磁場轉速為n1=60f1r/min=60x50r/min=3000r/min。如果將各相繞組分成由兩個線圈串聯而成，各相線圈排列順序如下圖(a)所示，畫出交流電一個周期五個瞬間的合成磁場，如下圖

(b)所示。從圖中可以看出合成磁場有兩對磁極，三相交流電完成一周交變時，合成磁場只旋轉了半圈。故4極電動機旋轉磁場轉速只有2極電動機旋轉磁場轉速的一半，即n1=(60f1/2)r/min=(60×50/2)r/min=1500r/min。

依此類推，具有p對磁極的電動機，旋轉磁場的轉速為式中 n1——旋轉磁場的轉速(r/min)；f1——交流電源的頻率(Hz)；p——電動機定子繞組的磁極對數。若電源頻率為50Hz，電動機磁極個數與旋轉磁場的轉速關系見下表磁極（個）2極4極6極8極10極12極n1(r/min)300015001000750600500磁極個數與旋轉磁場轉速的關系4．三相異步電動機的轉動原理下圖所示為一臺三相籠型異步電動機定子與轉子剖面圖。轉子上的6個小圓圈表示自成閉合回路的轉子導體。當向三相定子繞組中通入三相交流電后，由前面分析可知，將在定子、轉子及其空氣隙內產生一個同步轉速為n1，在空間按順時針方向旋轉的磁場。該旋轉的磁場將切割轉子導體，在轉子導體中產生感應電動勢，由于轉子導體自成閉合回路，因此該電動勢將在轉子導體中形成電流，其電流方向可用右手定則判定。在使用右手定則時必須注意，右手定則的磁場是靜止的，導體在做切割磁感線的運動，而這里正好相反。為此，可以相對地把磁場看成不動，而導體以與旋轉磁場相反的方向(逆時針)去切割磁感線，從而可以判定出在該瞬間轉子導體中的電流方向，如下圖所示，即電流從轉子上半部的導體中流出，流入轉子下半部導體中。有電流流過的轉子導體將在旋轉磁場中受電磁力F的作用，其方向可用左手定則判定，如下圖中箭頭所示，該電磁力F在轉子軸上形成電磁轉矩，使異步電動機以轉速n旋轉。三相異步電動機的旋轉原理為:在定子三相繞組中通入三相交流電時，在電動機氣隙中即形成旋轉磁場:轉子繞組在旋轉磁場的作用下產生感應電流:載有電流的轉子導體受電磁力的作用，產生電磁轉矩，驅動轉子旋轉，與定子的旋轉磁場方向相同。二、轉差率

雖然轉子在電磁轉矩作用下與旋轉磁場同方向轉動，但轉子的轉速不可能與旋轉磁場的轉速相等，因為如果兩者相等，則轉子與旋轉磁場之間便沒有相對運動，轉子導體不切割磁力線，不能產生感應電動勢和感應電流，轉子就不會受到電磁轉矩的作用。所以，轉子的轉速應始終小于旋轉磁場的轉速(又稱同步轉速)這就是異步電動機名稱的由來。通常將同步轉速n1和轉子轉速n之差與同步轉速n1之比稱為轉差率，即

轉差率是分析三相異步電動機工作特性的重要參數之一。它對分析三相異步電動機的運行有著至關重要的意義。（1）電動機啟動瞬間，n=0（轉子未動），S=1，轉子切割相對速度最大，轉子中的感應電動勢和電流最大，反映在定子上，啟動電流最大，可達4~7倍的額定電流。（2）空載運行時，n≈n1，S很小，一般在0.005左右，轉子和定子中的感應電動勢和電流也較小，反映在定子上，電動機的空載電流也較小，一般為0.3~0.5倍的額定電流。（3）電動機在額定狀態下運行時，有額定轉速nN，額定轉差率SN，SN一般在0.01~0.07之間，通常為0.05左右。（4）電動機處于運行狀態下時,，0<S<1。電動機的轉速n與電源頻率f1、磁極對數p和轉差率S的關系式為【例4-2】有一臺三相異步電動機，額定轉速為1440r/min，求該電動機的額定轉差率。解:同步轉速為:由于異步電動機的額定轉速略小于同步轉速，所以n1=1500r/min，

p=2，為4極電

動機，即2p=4。則:三、三相異步電動機的各物理量之間的關系三相異步電動機的工作原理與變壓器的工作原理相似，都是利用電磁感應原理制成的。因此，三相異步電動機的定子繞組和轉子繞組可以等效為變壓器的一次側繞組和二次側繞組。但是，三相異步電動機是旋轉的電氣設備，與變壓器相比又有不同之處，如下圖所示。1．定子電路在電動機三相定子繞組通入三相交流電后，即產生旋轉磁場，旋轉磁場的轉速n1=60f1/p，而定子繞組固定不動，所以定子本身會產生頻率為f1的感應電動勢，大小為:E1=4.44K1N1f1Φm式中 E1——定子繞組每相的感應電動勢(V)

；K1——定子繞組系數，K1<1，約為0.9；N1——定子繞組每相的匝數：f1——定子中交流電的頻率，等于所加電源頻率(Hz)；Φm——定子繞組中的主磁通的幅值(Wb)。

上式與前面變壓器中的感應電動勢公式相比，多了一個繞組系數K1這是因為三相異步電動機的定子繞組嵌放于定子鐵芯各槽內，是分布繞組，各槽導體相位不一樣，合成電動勢要乘以繞組系數K1，定子繞組電阻r1和漏電抗XS1比較小，因此可近似地認為:U1≈E1=4.44K1N1f1Φm從上式可知：電源電壓不變時，定子繞組中的主磁通基本不變。2．轉子電路（1）轉子繞組的感應電動勢和頻率。旋轉磁場轉速n1與轉子旋轉速度n之間的速度差決定了轉子中感應電動勢頻率f2

由上式可知:轉子中感應電流的頻率與轉差率成正比。轉子繞組的感應電動勢為:E2=4.44K2N2f2Φm=4.44K2N2Sf1Φm=SE20式中E20——轉子不轉時的感應電動勢(V)；K2——轉子繞組系數：N2——定子繞組每相的臣數。由上式可知:轉子電路中的感應電動勢與轉差率成正比。（2）轉子繞組的阻抗。在啟動過程中電流的頻率是變化的，所以漏電抗也是變化的，其感抗為:X2=2πf2L2=2πSf1L2X2=2πf2L2=2πSf1L2=SX20式中

L2——每相轉子繞組的漏電感(H)；X20——每相轉子未轉時的漏電抗(Ω)；X2——每相轉子轉動時的漏電抗(Ω)。所以轉子阻抗為：（3）轉子電流和功率因數。轉子每相繞組電流12的計算應為:式中

I2——轉子中每相的感應電流(A)；E20——轉子不轉時的感應電動勢(V)；r2——轉子的直流電阻(Ω)；X20——每相轉子未轉時的漏電抗(Ω)。

轉子電路的功率因數為:當S=1時，由于r2<<X20故功率因數很小；當S下降時，功率因數提高，I2和casφ2與轉差率S的關系如下圖所示。可見電動機在剛啟動或堵住不轉時，轉子中的電流最大，大約是額定電流的4~7倍;但功率