I三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u8717三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理分析綜述 1158911.1三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成 1238411.1.1定子組成 1319431.1.2轉(zhuǎn)子組成 2258121.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 2244161.2.1基本原理 21401.2.2.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 4122341.3交流調(diào)速系統(tǒng)的分類 5230991.3.1交流調(diào)速系統(tǒng) 584691.3.2變頻調(diào)速原理及控制方式分析 6281471.4三相電壓型逆變電路 818641.5整流電路 91.1三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成本次仿真我們采用的交流牽引電動(dòng)機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)，而定子與轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成了我們上述的三相異步電動(dòng)機(jī)，以下我們就分別介紹電動(dòng)機(jī)的這兩部分。圖2.1三相異步電動(dòng)機(jī)1.1.1定子組成定子由三部分組成，分別是機(jī)座繞組以及鐵芯。生產(chǎn)生活中最常用的定子鐵芯是由硅鋼片疊加壓制而成為一個(gè)小的整體體并固定于發(fā)動(dòng)機(jī)座上,定子中為了減少其他無所謂的損耗，各片之間都設(shè)置了間隙，使之隔緣。定子鐵芯是交流牽引電機(jī)極其重要的組成部分，在它本身的槽中裝有許多的繞線組，而在這些繞線組上纏有許許多多的線圈，構(gòu)成了一個(gè)定子線圈繞組。而三相異步電動(dòng)機(jī)的定子線圈繞組均勻的分布在電機(jī)的每一相上。在這個(gè)定子三相繞組中會(huì)通入外接而來的三相交流電。而在通入的交流電的作用下，在定子場(chǎng)中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。機(jī)座主要就是用來安裝固定與撐定子鐵芯的裝置。中小型異步變速電動(dòng)機(jī)般普遍采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵電動(dòng)機(jī)座。1.1.2轉(zhuǎn)子組成 轉(zhuǎn)子由鐵芯與繞組組成。由兩層硅鋼片壓制而成的轉(zhuǎn)子鐵芯與定子鐵芯一樣，也是組成電機(jī)的重要部分之一，它會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)起來，被置于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子線圈鐵芯的內(nèi)方外圓沖孔處有一個(gè)轉(zhuǎn)子槽,槽中即可安放轉(zhuǎn)子線圈。異步交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子大部分分成繞線式和鼠籠式兩種類型。這兩種轉(zhuǎn)子的主要區(qū)別就是內(nèi)部構(gòu)造不相同，也就是所謂的采取纏線方式并不相同，但除了這部分區(qū)別之外，其他都沒有區(qū)別，包括其工作原理。轉(zhuǎn)子1的作用就是通過電機(jī)中輸入的小功率的電流帶動(dòng)轉(zhuǎn)子快速旋轉(zhuǎn)，從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)再通過電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組是指在其中插入銅條，然后再將其焊接在銅環(huán)上面。而線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)放入線圈,并將其分為三相對(duì)稱繞組，由于在回路中存在著電動(dòng)環(huán)以及電動(dòng)毛刷，因此轉(zhuǎn)子鐵芯也就根據(jù)這個(gè)來控制電動(dòng)機(jī)中的電流回路，然后為了調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及為了改善電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的控制調(diào)速能力。會(huì)加以外加電阻。1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1.2.1基本原理通入電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這也是三相異步電機(jī)的基本工作原理。如圖2.2所示,將外接的三相交流電通入電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，定子場(chǎng)中就會(huì)有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)出現(xiàn)，這個(gè)磁場(chǎng)就會(huì)開始沿著一定的方向旋轉(zhuǎn)。圖2.3所示為一個(gè)具有一對(duì)兩個(gè)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),我們此時(shí)可以直接假設(shè)這個(gè)磁極是在處于一個(gè)定子的鐵芯環(huán)境內(nèi)，而在圖中則是具有陰影的部分。圖2.2定子繞組與電源的接線圖e2e2n圖2.3工作原理圖當(dāng)定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體就會(huì)不斷切割定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感線，因此轉(zhuǎn)子中才會(huì)產(chǎn)生新的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2由于產(chǎn)生了新的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，轉(zhuǎn)子繞組中也就會(huì)產(chǎn)生新的感應(yīng)電流i把轉(zhuǎn)速差n0-n與同步轉(zhuǎn)速nS=n0轉(zhuǎn)差率S是分析三相異步電機(jī)的重要參數(shù)。電子轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)著轉(zhuǎn)子導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)，那么電動(dòng)機(jī)就開始了工作，在電動(dòng)機(jī)上增加負(fù)載，電動(dòng)機(jī)就會(huì)按照設(shè)計(jì)將電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，然后輸出，并且這個(gè)機(jī)械能也會(huì)施加到負(fù)載中。異步電動(dòng)機(jī)的工作原理和變壓器相似，電源輸入穩(wěn)定的三相交流電壓源，會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電能，然后再將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將產(chǎn)生的這部分機(jī)械能源源不斷的輸出，三相異步電機(jī)也就慢慢工作起來。1.2.2.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(1).產(chǎn)生定子中的三相繞組會(huì)按照一定的規(guī)律以星形繞組的方式慢慢連接起來，如下圖所示，而三相繞組中每一相的相電流的計(jì)算公式也如下所示：iU=IiAiCiiii圖2.4星型定子三相繞組經(jīng)過以上的敘述就可以知道，定子繞組中通入的電流改變，那么產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化。電動(dòng)機(jī)中通過的電流不斷變化，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)也會(huì)隨之改變，因此在電動(dòng)機(jī)中通入三相交流電，然后定子中產(chǎn)生了磁場(chǎng)，由于產(chǎn)生的這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)隨著電流的的變化而旋轉(zhuǎn)，因此才會(huì)稱產(chǎn)生的這個(gè)磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。(2).旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向經(jīng)過試驗(yàn)論證，我們發(fā)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)中通入的三相電流的相序決定的。只要通入的三相電流的相序發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向也立即變化，這也是決定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向的因素。（3）三相異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)與轉(zhuǎn)速.①極數(shù)(磁極對(duì)數(shù)p)當(dāng)三相繞組中每一相上只纏繞著一個(gè)線圈，那么每個(gè)繞組之間只相互差120度，那么指這個(gè)三相電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)為1，同理也是，每個(gè)繞組上擁有兩個(gè)線圈且每相之間差60度，那相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為2，當(dāng)每個(gè)繞組上所擁有的線圈數(shù)為三個(gè)且每相之間差40度角，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)是3，那么相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)也是3。②轉(zhuǎn)速r三相異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)影響著三相異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)速就會(huì)變小，對(duì)數(shù)少，轉(zhuǎn)速就會(huì)變大，成反比關(guān)系，具體計(jì)算公式如下：n0=由（2.3）可知，磁極對(duì)數(shù)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)電機(jī)工作頻率也會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且一個(gè)是正比關(guān)系，而一個(gè)是反比關(guān)系。同時(shí)，我們知道在日常生活中電機(jī)頻率f1和電機(jī)磁對(duì)數(shù)表2.1電機(jī)極數(shù)與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)表p123456n03000150010007506005001.3交流調(diào)速系統(tǒng)的分類1.3.1交流調(diào)速系統(tǒng)同步電機(jī)以及異步電機(jī)共同組成了交流電機(jī)。對(duì)于最常用的交流異步電機(jī)來說，它的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為:n=60f(1?s)p(r/min)從（2.4）我們就可以得到以下結(jié)論，就是改變輸入的三相交流電的頻率或者轉(zhuǎn)差率就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)來說，它的轉(zhuǎn)速公式為:n1=通過（2.5）我們可以得知可以通過改變電壓或者改變頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。而在日常生活中我們常用到的交流調(diào)速的方法主要有以下幾種：(1)變極調(diào)速系統(tǒng):變極調(diào)速時(shí)能使用到的最簡單的方法，這種方法的工作原理就是通過改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)來進(jìn)行調(diào)速。由于這個(gè)方法操作簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不復(fù)雜，價(jià)格也比較低廉，但是由于電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)比較少，所以所調(diào)控的速度也比較少，只能使一個(gè)電動(dòng)機(jī)擁有一個(gè)或者兩個(gè)速度，不符合日常使用的要求，所以應(yīng)用很少。(2)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng):這種系統(tǒng)的具體操作方法就是在電動(dòng)機(jī)的回路中串入電阻值各不相同的電阻元件，從而會(huì)使電動(dòng)機(jī)有著不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種方法也是一種調(diào)節(jié)速度比較有效的方法，也是最快捷的一種方法。但是正如所說一種事物有好的一面也有不好的一方面，所以這種方法也有一些缺點(diǎn)，因?yàn)槭侵苯釉诨芈分写与娮瑁拥碾娮柚涤写笥行?，所以電?dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)變化幅度太大，速度調(diào)節(jié)不夠平滑。自從上個(gè)世紀(jì)末期晶閘管這種大功率電子器件逐漸出現(xiàn)，就慢慢開始采用串聯(lián)晶閘管功率變換器在轉(zhuǎn)子回路中以達(dá)到改變差率的目的，這種以交流電機(jī)以及類如晶閘管這種大功率電子變換器件構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)也屬于我們介紹的串極調(diào)速系統(tǒng)。而且由于由電阻存在的原因，不僅可以構(gòu)成串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，也可以調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)功率因數(shù)的大小。(3)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)：三相異步電機(jī)中另外一種比較簡單有效的調(diào)速方法就是調(diào)壓調(diào)速。在1950年以前大多數(shù)都采用串聯(lián)的電抗器來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電壓，以此來進(jìn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。而在近代電子器件和電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展中，出現(xiàn)了兩種以晶閘管為主的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，相控和斬波兩種調(diào)壓方法。但是第二種方法也會(huì)是斬波調(diào)壓和以上幾種方法一樣都有調(diào)速不夠平滑的缺陷，因此異步電機(jī)大多數(shù)采用第一種方法，也會(huì)是相控技術(shù)。但是采用這種方法也會(huì)有一些缺陷，會(huì)使電動(dòng)機(jī)承擔(dān)一些不必要的損耗，并且會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。（4）變頻調(diào)速系統(tǒng):由于在上述的各種方法中，都存在著各種各樣的缺點(diǎn)或者劣勢(shì)，因此變頻調(diào)速技術(shù)也就慢慢地出現(xiàn)了。這也是性能最好，利用率最好的調(diào)速方法了，它要求必須要同時(shí)調(diào)節(jié)三相交流電壓源電源的電壓值和頻率值，這樣才能達(dá)到變頻調(diào)速的目的。本文主要進(jìn)行對(duì)交流牽引電機(jī)的對(duì)輸入的基波的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，來觀察電動(dòng)機(jī)的各個(gè)輸出信號(hào)，利用MATLAB建立一個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的模型，然后進(jìn)行仿真分析。1.3.2變頻調(diào)速原理及控制方式分析變頻調(diào)速的工作原理是改變?nèi)喈惒诫姍C(jī)輸入的三相交流電壓源中的三相電流的電壓值以及工作頻率，來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速這個(gè)方法，也是交流電機(jī)獨(dú)有的一種方法。對(duì)于同步電機(jī)：n=n0(1?s)式中：n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位m/minn0S—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1而同步轉(zhuǎn)速則主要取決頻率(2.7)式中：f—輸入頻率，單位為Hzp—電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)由式(2.6)和式（2.7）可以看出：變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理是電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)頻率之間有一定聯(lián)系，頻率增大，則轉(zhuǎn)速也會(huì)增大；頻率減小，轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之降低：(2.8)由式（2.8）可知，在日常生活中，所采用的三相交流電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)無法改變，也就是保持一個(gè)確定的值，因此利用這個(gè)特性，只需要改變輸入的三相交流電的頻率，也就可以改變電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)本文的目的，達(dá)到變頻調(diào)速的要求。但在調(diào)速過程中，還需要考慮到一個(gè)重要的因素，就是電動(dòng)機(jī)的每一對(duì)極上所通過的磁感線也就是磁通時(shí)固定值，而且在電機(jī)運(yùn)行過程中要保持不變。如果磁通不夠大的話，那么電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生欠磁的現(xiàn)象，繼而將會(huì)影響電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩：(2.9)（上式中Tm：電磁轉(zhuǎn)矩，Kt：比例系數(shù)，：主磁通，I2：轉(zhuǎn)子電流)，由以上公式可知，電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩受到磁通的影響，磁通減小，轉(zhuǎn)矩就會(huì)減??；磁通增大，轉(zhuǎn)矩就會(huì)增大。在設(shè)計(jì)制造電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了保證電機(jī)的正常工作，電動(dòng)機(jī)的磁通已經(jīng)被設(shè)置為一個(gè)極其穩(wěn)定飽和的狀態(tài)。擅自改變所設(shè)定的這個(gè)值，電動(dòng)機(jī)的電流就有可能過大，從而會(huì)增加一些無謂的損耗，過于嚴(yán)重時(shí)還有可能會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生生命或者財(cái)產(chǎn)上的損失，影響正常的工作進(jìn)度，降低工作效率。所以，應(yīng)該對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)控，不能過大，也不能過小，保持在一個(gè)穩(wěn)定而又完全利用電動(dòng)機(jī)效率的范圍，保證電動(dòng)機(jī)種產(chǎn)生的磁通不會(huì)太大，以至于對(duì)電動(dòng)機(jī)由損傷行為。在電動(dòng)機(jī)的額定的工作頻率之下進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，由于電動(dòng)勢(shì)E1的大小難以從外部加以控制，而且在電壓較高的時(shí)候定子電阻的阻抗很小甚至可以忽略不計(jì)，因此可以近似的認(rèn)為電機(jī)電壓的值就等于電動(dòng)勢(shì)的值，記作U1E1，以此為出發(fā)點(diǎn)就提出來一種在用電動(dòng)勢(shì)來作為電源電壓代替真正意義上的電源電壓。如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)的頻率保持在一個(gè)比較低的狀態(tài)，由于電源相電壓和電動(dòng)勢(shì)的值都比較小，定子所占的抗壓值就變得比較重要，因此不可以忽略，所以只能人工進(jìn)行補(bǔ)償，以便進(jìn)行交流電機(jī)的恒磁通調(diào)速。如下圖：U1U1NfUUfU圖2.4異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制特性在基頻以上調(diào)速時(shí)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)有額定電壓，因此就不能改變點(diǎn)頂級(jí)的相電壓以此實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，所以在這個(gè)時(shí)候，如果電機(jī)頻率升高，那么電機(jī)的磁通就會(huì)減小。但此時(shí)電動(dòng)機(jī)的利用率就會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，與之成正比的關(guān)系。所以綜上所述，通過改變頻率而調(diào)控速度的過程中，在改變電機(jī)工作頻率時(shí)，電機(jī)電壓也要隨之改變，以便電機(jī)調(diào)速平滑，不傷及電機(jī)，也使得電機(jī)利用率比較大，所以稱之為VVVF(VariablevoltageVariableFrequency)控制。1.4三相電壓型逆變電路在三相交流電壓源進(jìn)行整流后，就要進(jìn)行對(duì)整流后的直流電進(jìn)行逆變處理。而在逆變過程中，應(yīng)用最多的就是三相