三相交流电动机.docx

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三相交流电动机

三相交流异步电动机

1.一、定子（静止部分）

2.二、转子（旋转部分）

3.三、三相异步电动机的其它附件

1.一、定子（静止部分）

2.二、转子（旋转部分）

3.三、三相异步电动机的其它附件

三相异步电动机原理

当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。

由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。

由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。

电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

作电动机运行的三相感应电机，转子的转速n低于旋转磁场的转速n1，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。

因为转子的转速总是与定子旋转磁场转速不一致，故这种电机又叫异步电动机。

通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

定子的旋转磁场

①旋转方向与三相电流的相序有关，电流相序U-V-W,旋转方向也是从U到W。

因此，如需改变三相异步电动机的旋转方向，只要将电源接到定子绕组的三根引线中的任意二根引线对调一下即可。

②哪一相线圈的电流达到最大值，旋转磁场的轴线恰好重合在该相线圈的轴线上。

旋转速度与定子电流的周波（频率）有关。

在极数固定的电动机中，转速与周波成正比，

转子的旋转

结合各项，电动机转速其关系符合下述公式：

式中n—电动机转速（r/min）

F1—定子电流的周波（HZ）

P—电动机极对数。

S—转差率：

同步转速n1与电动机转速n之差叫转速差，转速差与同步转速的比值叫做转差率，通常用百分比表示。

多极电动机的旋转磁场原理与上述一样，只是在两极电动机中，档电流变化一个周期时，磁场沿空间转过一圈；二多极（极对数P大于1的）电动机中，当电流变化一个周期时，磁场沿空间转过两个极距（极距即N极中心线和其相邻S及中心线间的距离），即转过1/P圈。

三相异步电动机的结构

一、定子（静止部分）

1、定子铁心作用：

电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

构造：

定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

定子铁心槽型有以下几种：

半闭口型槽：

电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。

一般用于小型低压电机中。

半开口型槽：

可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。

所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

开口型槽：

用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

2、定子绕组作用：

是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

构造：

由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：

（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。

（1）对地绝缘：

定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

（2）相间绝缘：

各相定子绕组间的绝缘。

（3）匝间绝缘：

每相定子绕组各线匝间的绝缘。

电动机接线盒内的接线：

电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），.将三相绕组接成星形接法或三角形接法。

凡制造和维修时均应按这个序号排列。

3、机座作用：

固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

构造：

机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。

封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

二、转子（旋转部分）

1、三相异步电动机的转子铁心：

作用：

作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

构造：

所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。

通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。

一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

2、三相异步电动机的转子绕组作用：

切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

构造：

分为鼠笼式转子和绕线式转子。

（1）鼠笼式转子：

转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。

若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。

小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

鼠笼转子分为：

阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。

（2）绕线式转子：

绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

特点：

结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。

但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

三、三相异步电动机的其它附件

　　1、端盖：

支撑作用。

2、轴承：

连接转动部分与不动部分。

3、轴承端盖：

保护轴承。

4、风扇：

冷却电动机。

四、测量三相异步电动机六股引出线相同端头

（1）先判别三相绕组的各自的两个首尾端.将万用表调到电阻档进行测量,凡是同一相的线圈就相连接没有阻值，凡不是同一相的线圈就不相通，因此根据万用表可分清两个线端属于同一相绕组引出线。

（2）判别其中两侧线圈引出线的同名端，将指针式万用表调到量程最小的直流电流档，再将任意一相的绕组的两个线端接到表上，然后将另一相绕组的两个线端一同分别瞬时碰触一下干电池的正极和负极，在干电池与线圈接通的一瞬间如果表针摆向大于零的一边（也就是顺时针摆动），则电池正极和万用表黑色表笔为同名端，逆则反矣。

三相异步电动机型号字母表示的含义

　　J—异步电动机；O—封闭；L—铝线缠组；

　　W—户外；Z—冶金起重；Q—高起动转轮；

　　D—多速；B—防爆；R一绕线式；

　　S—双鼠笼；K一高速；H—高转差率。

三相异步电动机的调速方式

　以前老的7种

　一、变极对数调速方法

　　这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：

　　1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；

　　2、无转差损耗，效率高；

　　3、接线简单、控制方便、价格低；

　　4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；

　　5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

　　二、变频调速方法

　　变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。

其特点：

　　1、效率高，调速过程中没有附加损耗；

　　2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；

　　3、调速范围大，特性硬，精度高；

　　4、技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

　　三、串级调速方法

　　串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。

大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：

　　1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；

　　2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%－90%的生产机械上；

　　3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；

　　4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

　　四、绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

串入的电阻越大，电动机的转速越低。

此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。

属有级调速，机械特性较软。

　　五、定子调压调速方法

　　当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。

由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。

为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。

为了扩大稳定运行范围，当调速在2：

1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

　　调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。

晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：

　　1、调压调速线路简单，易实现自动控制；

　　2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

　　六、电磁调速电动机调速方法

　　电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组

　　成。

直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。

　　电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。

电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。

电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。

当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。

当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。

电磁调速电动机的调速特点：

　　·装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；

　　1、调速平滑、无级调速；

　　2、对电网无谐影响；

　　3、速度失大、效率低。

本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

　　七、液力耦合器调速方法

　　液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。

壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。

液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。

在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：

　　1、功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；

　　2、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；

　　3、尺寸小，能容大；

　　4、控制调节方便，容易实现自动控制。

本方法适用于风机、水泵的调速。

现代交流调速的技术基础

早在半个多世纪以前，现在常用的变压、串级、变压变频等主要交流调速方法的原理都已清楚，只是当时必须用电磁元件和旋转变流机组来实现，而控制性能又赶不上直流调速，所以长期得不到推广。

20世纪60~70年代，有了静止的电力电子变流装置以后，逐步解决了调速装置的减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、消除噪声、等问题，才使交流调速系统获得了飞跃的发展。

自从发明矢量控制等高性能调速技术之后，提高了交流调速系统的静、动态性能，但是要用模拟电子电路实现这些高性能的控制技术时，设计、制造和调试都很麻烦，只有采用微机数字控制之后，用软件实现控制算法，而硬件电路又规范化，降低了成本，提高了可靠性，才形成了数字控制的现代交流调速系统。

交流电动机内部的电磁和机电关系比较复杂，具有高阶、非线性、强耦合的数学模型，开始发明矢量控制、直接转矩控制时，还可以从物理概念出发探讨其控制规律，要进一步提高系统的性能，提出更优化的算法，就必须借助于现在的非线性控制、智能控制等理论，并使理论与实际密切结合，才能创造出性能更好、更有实用价值的控制技术。

鉴于现代交流调速系统的复杂性，仅靠数学公式的推导已经不能够很好的完成系统的分析和设计，常常必须采用理论研究和数字仿真相结合的方法进行研究，得出明确的结论后，再用计算机辅助设计，才能设计出优秀的控制系统。

因此，现代交流调速系统的技术基础包含以下4个方面：

（1）电力电子器件和电力电子技术是现代交流调速系统中用弱电控制强电的媒介，它的出现曾经开辟了交流可调传的新纪元，它的发展与更新又引导着交流调速系统的不断前进；

（2）大规模集成电路和微处理器是现代交流调速系统中控制器的物质基础，它的发展与成熟时交流调速系统降低成本、提高可靠性的重要因素；

（3）控制理论是研究新的交流调速系统必备的理论基础，是提出新控制算法的主要保证，但研究理论必须从系统的实际需要出发，新算法的价值也必须通过实际效果来检验；

（4）数字仿真和计算机辅助设计是开发新的交流调速系统的技术手段，通过仿真可以大大提高工作的效率和准确性，仿真模型应尽量接近实际系统，体现出系统的物理本质。

异步电动机的动态数学模型要分析和求解显然是十分困难的。

在实际应用中，必须设法予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。

坐标变换的原则和基本思路

异步电动机这个数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的6×6电感矩阵，它体现了影响磁链盒受磁链影响的复杂关系，因此要简化数学模型，须从简化磁链关系入手。

直流电动机的数学模型比较简单，首先是因为它的磁链关系简单，图7-4中绘出了两极直流电动机的物理模型。

图中，F为励磁绕组，A为电枢绕组，C为补偿绕组。

F和C都在定子上，只有A是在转子上。

把F的轴线称作直轴或d轴（directaxis）,主磁通Ф的方向就是沿着d轴的；A和C的轴线则称为交轴或q轴（quadratureaxis）。

虽然电枢本身是旋转的，但通过换向器盒电刷的作用，使电枢磁动势的轴线始终被限定在q轴位置上，其效果好像是一个在q轴上静止的绕组。

但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不同，通常把这种等效的静止绕组称作“微静止绕组”（Pseudo-sta-tionaryCoils）。

电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与d轴垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电动机的主磁通基本上唯一地由励磁电流决定，这是直流电动机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。

图7-4

若果能将交流电动机的物理模型（见图7-2）等效地变换成类似直流电动机的模型，分析和控制就可以大大简化。

坐标变换正是按照这条思路进行的。

在这里，不同电动机模型彼此等效的原则是：

在不同坐标系下，所产生的磁动势完全一样。

众所周知，在交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C中，通过三相平衡的正弦电流iA、iB、iC时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步角速度w1（即电流的角频率）顺着A-B-C的相序旋转。

这样的物理模型如图7-5a所示。

它就是图7-2中的定子部分。

图7-2

然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，两相、三相、四相等任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。

图7-5b中绘出了两相静止绕组α和β，它们在空间互差90º，通入时间上互差90º的两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势F。

当图7-5b的两相绕组与图7-5a的三相绕组等效。

再看图7-5c中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T,其中分别通过直流电流im和it，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组来说是固定的。

如果认为地让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。

把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图7-5a和图7-5b中的旋转磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。

当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M和T是两个通入直流而相互垂直直流电机物理模型没有本质上的区别了。

这时，绕组M相当于励磁绕组，T相当于伪静止的电枢绕组。

图7-5

由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图7-5a的三相交流绕组、图7-5b的两相交流绕组和图7-5c中整体旋转的直流绕组彼此等效。

或者说，在三相坐标系下的iA、iB、iC和在两相坐标系下的iα、iβ以及在旋转两相坐标系下的直流im、it都是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。

有意思的是：

就图7-5c的M、T两个绕组而言。

当观察者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的的确确是一个直流电动机的物理模型了。

这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电动机模型。

现在的问题是，如何求出iA、iB、iC与iα、iβ和im、it之间准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。

异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统

异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，虽然通过坐标变换，可以使之降价并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。

因此，需要异步电动机调速系统具有高动态性能时，必须面向这样一个动态模型的难题。

经过多年的潜心研究和实践，与几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最多的方案有两个：

①按转子磁链定向的矢量控制系统;②按定子磁链控制的直接转矩控制系统。

本资料讨论第一种控制方案，第二种方案不论述。

矢量控制系统的基本思路

前面已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC，通过三相-两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流iα、和iβ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im、it。

如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电动机。

通过控制，可使交流电动机的转子总磁通Фr就是等效直流电动机的励磁磁通，则绕组M相当于直流电动机的励磁绕组，im相当于励磁电流，绕组T相当于伪静止的电枢绕组，it相当于与转矩成正比的电枢电流。

把上述等效关系用结构图的形式画出来，如图8-1所示。

从整体上看，输入为A、B、C三相电压，输出为角速度ω，是一台异步电动机。

从内部看，经过3/2变换和适量旋转变换，变成一台由im和it输入，由ω输出的直流电动机。

图8-1

既然异步电动机经过坐标变换和可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了，由于进行坐标变换的是直流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（VectorContrloSystem）简称VC系统。

VC系统的基本原理首先是由德国西门子公司的工程师FelixBlaschke发表的论文《异步电机矢量变换（TRANSVECTOR）控制的磁场定向原理》盒美国PCCustman与AAClark申请的专利《感应电机定子电压的坐标变换控制》在20世纪70年代初同时提出的。

FBlaschke的主要贡献是在电动机的物理模型上提出了在磁场定向坐标上控制电流的概念，这样异步电动机便可以和直流电动机一样实现对转矩的控制，而不受其固有特性的限制。

微量实现磁场定向控制，他设计了矢量旋转变换器VR的算法和运算电路，其中确定磁场位子的磁场角φ是一个关键的变量，为了得到这一变量，他提出用霍尔发生器检测气隙磁通，并通过矢量分析器（VA）来计算φ角的三角函数。

很明显，这些论断奠定了矢量控制的基础，但要实现实用的矢量控制系统，还有许多工作要做。

此后，FBlaschke进入德国不伦瑞克技术大学，在W.Leonhard教授的知道下攻读博士学位，并于1973年完成他的博士论文。

在他以后，W.Leonhard教授又指导博士生R.Cabriel、G.Heinemann等人继续研究和开发，最后在他本人1985年出版的著作《ControlofElectricalDrives》中利用空间矢量模型完成了高性能矢量控制系统的论述。

VC系统的原理结构如图8-2所示。

图中的给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号im﹡和电枢电流的给定信号it﹡，经过反旋转变换VR-1得到iα*和iβ*，再经过2/3变换得到iA*、iB*和iC*。

把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号ω1加到电流控制的变频器上，即可输出异步电动机调速所需的三相变频电流。

在设计VC系统时，如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为在控制器后面的反旋转变换器VR-1与电动机内部的旋转变换环节VR相抵消，2/3变换器与电动机内部3/2变换环节相抵消，则图8-2中点划线框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统了。

可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。

以上资料摘选《XX百科》《交流调速系统》《电机维修》等，供车间新员工参考。

需进一步了解，请参阅有关专业书籍和资料。

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