电工技术第七章 异步电动机.doc

第七章 异步电动机 一、内容提要电动机是利用电磁原理把电能转换成机械能带动生产机械运转的旋转设备。现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。它的种类很多，按照它们所耗用的电能种类不同，可分为直流电动机和交流电动机，交流电动机又可分为交流异步电动机和交流同步电动机。除此之外还有用于自动控制系统中作为执行元件、检测元件的控制电机。本章重点讲述的是三相异步电动机。介绍了三相异步电动机的基本结构，产生旋转磁场的物理过程及由于电磁感应作用、电磁力作用使用电动机旋转的工作原理。以及三相异步电动机的机械特性、工作特性及额定值，并讨论了三相异步电动机的启动、反转、调速方法。简要地分析了绕线式异步电动机、单相异步电动机工作原理及启动方法。二、基本要求1.了解三相异步电动机的基本结构和转动原理；2.理解三相异步电动机的电磁关系、机械特性及工作特性；3.掌握三相异步电动机的电磁转矩、最大转矩、启动转矩之间的关系；4.了解三相异步电动机的启动、反转和调速方法；5.理解三相异步电动机铭牌数据的意义；6.了解绕线式异步电动机转子回路 接外电阻，提高启动转矩的特点；三、学习指导三相异步电动机是本章的重要内容。单相异步电动机可以从三相当电机单相运行的角度来学习。1.结构与工作原理1）结构三相异步电动机由定子 、转子两个基本部分组成。（1）定子：定子主要由机座、定子铁心和定子绕组构成。机座是用来固定与支撑定子，定子铁心是用硅钢片叠成圆筒形，内圆周有用来安放三相定子绕组的槽。三相定子绕组对称，每相在空间互差，有六个出线端，可接成三角形或星形。（2）转子：转子主要由转轴、转子铁心和转子绕组构成。转子铁心用硅钢片叠成圆柱形，与定子铁心共同构成磁路，外圆周有用来安放转子绕组的槽。转子在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。根据构造的不同，转子绕组有鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式：是将铜条插入槽内，端部用铜环短线接成一体，或用熔铝浇铸而成短路绕组。绕组式：同定子绕组一样，也分为三相，一端接在一起形成星形，另一端引出连接三个星形接法的电阻或直接接通过短路环短接。2）工作原理电动机转动的基本原理是通有电流的导体，在磁场中受力而产生转矩。（1）旋转磁场a、旋转磁场的产生：定子三相对称绕组以星形或三角形接法通入三相对流电流。 三相电流产生的合成磁场随电流的交变而在空间不断旋转，这就是旋转磁场。在一个电流周期内，旋转磁场在空间转过。b、旋转磁场的转向：旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。c、旋转磁场的极数：三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。磁极数与三相每相绕组串联的线圈个数是2倍关系，即一个线圈，磁极数为一对，三个线圈，磁极数为三对，依次类推。磁极对数用p表示。d、旋转磁场的转速：产生旋转磁场，穿过定子、转子铁心并以转速旋转。转子绕组切割旋转磁场产生感应电动势，并在短路绕组内形成转子电流，该电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F，形成转动力矩T，使转子随旋转磁场以转速n转动。旋转磁场的转速为，式中，p 为磁极对数；为电流频率。旋转磁场转动方向取决于电流的相序。转子感应电动势与电流的大小正比于 转子导体与旋转磁场间相对运动速度，即转差；转子频率也正比于转差n。由于转子转向与旋转磁场转向相同，并且，所以称异步。转差率定义为，0s1;转速计算公式为。2.三相异步电动机的电路分析1）定子与转子电路（1）定子：，（2）转子：， ， 2) 电磁转矩与机械特性（1）电磁转矩电磁转矩的计算公式为 将代入得依据为异步电动机的转矩特性曲线，如图7-1 所示。 图7-1T-s曲线图由可得临界转差率最大转矩。由曲线可得出如下结论。由曲线有极值，转子轴上转矩（负载转矩）不能大于，否则造成停车（堵转）。无关。电压不足将造成电动机电流增大，电动机发热，严重时烧坏绕组。（如图7-2所示）。与无关，与有关，在负载转矩不变条件下。改变可以改变转速和市的启动转矩。注意：仅适用于绕线式异步电动机。时，电动机不产生电磁转矩，此时为理想空载。（2）机械特性将曲线转换成曲线，即电磁转矩与转速的关系曲线为机械特性如图7-3所示。 图7-3 n-T曲线图硬特性 ，当时，随着转矩增加而略有下降的性质为硬特性。这时的转差率。额定转矩为，式中，为电动机的额定功率，单位千瓦（kW）; 为电动机额定转速，单位转/分（r/min）。启动转矩，为时的电动机转矩。启动转矩系数为，一般。过载转矩系数为，一般。3工作特性与额定值三相异步电动机称为工作特性。空载时电流，主要用于产生旋转磁场，所以很小。电动机的额定值有：额定功率，轴上输出的机械功率；：额定电压，是指线电压；：额定电流，指线电流；：额定频率，我国工频50；：额定转速；略低于同步转速；：额定功率因数，一般为0.70.90；：额定效率 计算公式如下一般为75%92%额定电动机运行情况有三种基本运行方式，即连续、短时、断续。电动机铭牌上除标明额定值外，还标有接法（三角形或星形）、过载能力等。电动机的接法与额定电压对应，可根据不同的电源线电压采用星形或三角形接法。学习时应认真掌握。4启动、反转及调速（1）启动：三相异步电动机在额定电压下直接启动时，启动电流很大，而启动转矩小，。对于小型电动机启动时间短，不会因过热而烧坏，频繁启动应考虑发热问题。过大启动电流造成电网电压降落增大，影响其它设备工作，使邻近电机转矩下降不能正常工作。启动方法：常用的有四种。直接起动：或为供电变压器容量）的电机均可星形三角形换接启动法： 条件：正常运行应为三角形接法（电源电压=电机三角形接法时额定电压），轻载或空载启动。自耦变压器降压启动： 其中， 为自耦变压器的变比；分别为直接启动电流、启动转矩。条件：正常运行为星形接法，重载启动。转子串电阻启动：适用于绕线式电动机，可获得较小启动电流和最大启动转矩（），常用于起重、冶金及运输设备。（2）反转：调换电源相序。（3）调速：根据可有三种方法。改变磁极对数跳调速：有级调速，制成专用多速电机。改变电源频率调速：无级平滑调速，应保持常数（即磁通不变），采用专用跳速变频电源，如PWM（脉宽调制电源）等。改变转差率调速：绕线式异步电动机转子串电阻,改变，特性软，但可连续平滑跳速，能耗大。线路简单，用于起重、冶金设备。电动机的选择电动机是用来拖动生产机械的，运行时必须经济可靠。选择电动机容量、种类、防护形式、额定电压、额定转速是以发热、价格比、可靠性、维护、供电、工作环境、供电电网电压、生产机械的转速为原则加以确定。P143 练习与思考7.2.1 三相电源的三个电压在相位上互差角，这三个电压出现正幅值的顺序称为相序。按照依次滞后角的顺序称为正相序。三相异步电动机本身无相序，但三个绕组在空间位置上有一定的顺序，也用A,B,C表示，当电源的相序与绕组的相序一致时，电动机转向一定，反之则电动机反转。7.2.2 8极即P=4，7.2.3 因为当时，转子与旋转磁场相对转速为0.不再切割磁力线，既无感性电流为0，也不再受力同向运动。当作电动机时，转子的频率与转差率之间的关系：当作发电机使用时，P145 练习与思考7.3.1 如果正常运行时转子突然被卡住，均增大，定子电流增大到额定电流的47倍，若不及时摘除，电机会被烧坏。7.3.2 起动初时瞬时s=1,转子感应电动势达到最大，转子电流为而转子的功率因数：所以：s=1，转子电流很大，但此时转子电抗也达到很大，故转子电路的功率因数最小。7.3.3 7.3.4 在检修时将转子抽掉后，由公式可知，没有转子铁心就失去主磁电动势，而定子绕组的电阻和漏磁通的电感抗都很小，在定子绕组上加三相额定电压时，定子电流将大大增加，可能烧坏定子绕组。7.3.5 由于可知，改变将改变，改变后，电动机额定值无法满足要求，进而无法正常工作。P149 练习与思考7.4.1 当电源电压380/220V时，指的是电动机定子绕组电压均为220V，不论何种情况下，均相同，所以当电源电压为380V时，定子应Y型联结，当电源电压220V时，定子绕组应联结。7.4.2 若将电动机的三角形连接误接成星形连接，则电动机每相绕组的电压比额定值小倍，由于T正比于，故转矩小了3倍，若负载转矩不变，则电动机转速大大下降，甚至停转，而定子与转子电流则大大增加，电动机将会因发热而烧坏。若将星形误接成三角形，则电动机每相绕组的电压比额定值大倍，磁通也大倍，磁路饱和引起空载磁化电流大大增加，绕组同样会被烧坏。7.4.3 由于三相异步电动机无论是星形还是三角形连接，功率因数总是定子相电压与相电流之间相位差的余弦，它随负载变化而变化。当电动机空载或轻载时，其值很低，选用电动机时，电动机的功率比实际功率大，所以当长期的轻载或者空载运行时，线路的功耗将大大增加。P152 练习与思考7.5.1 三相异步电动机在一定饿负载转矩下运行时，如电源电压降低时，电动机的转矩可知，T减小，使转速下降，转差率增大，转子电流和定子电流都会增大。稳定时，电磁转矩等于机械负载转矩，但转速降低，定子转子电流都增大了。7.5.2 如果正常运行时转子突然被卡住，、及均增大，定子电流增大到额定电流的47倍。若不及时排除，电机会被烧坏。7.5.3 根据三相异步电动机的机械特性可知，最大转矩Tmax又称临时转矩，是三相异步电动机稳定工作区与不稳定工作区的临界点。若异步电动机工作在临界点，当机械负载转矩略微波动，瞬时大于临界转矩Tmax时，电动机就会停转而被卡住，以致损坏电动机。7.5.4 当极对数P=2时，旋转磁场转速为：则额定转差为：由于三相异步电动机在额定转矩以下运行时，机械特性可近似为直线，因此当负载转矩为额定转矩一半时，转差也近似为一半，故此时电动机转速为7.5.5 （1）负载增大时,阻转矩增大,又因,可知下降增大增大增大增大。可见负载增大，引起转速下降，电流过大。（2）电压升高，根据，当不变时，增大增大增大下降，又可知，增大增大增大，故。（3）频率升高，由可知，由可知，可见频率升高时，转速升高，但转差率基本不变。若负载转矩不变，则下降，即达到平衡，此时电动机超载运行，所以频率升高时，应减小负载转矩。P158 练习与思考7.6.1 三相异步电动机的起动电流和起动转矩是由本身结构性能决定的，不受外界机械负载影响。无论是满载还是空载起动，其电流和转矩均一样。但满载时，加速转矩较小，起动时间较长，起动电流稳持时间也较长。7.6.2 绕线型电动机在起动时，采用转子串电阻是为了改变临界转差率，当；当。可见不是串的电阻愈大，就愈大。7.6.3 由可知，当不变时，T基本不变。7.6.4 不可以，因为电源电压380V，三相异步电动机只能星形连接，方使定子绕组电压达到额定值220V。否则，连接，定子绕组电压将达到380V，电磁转矩将扩大3倍。P167 习题六7-1 已知一台三相异步电动机在额定负载下的转速为1425rmin，n0时每相转子感应电动势为130V，每相转子电阻为4，每相转于感抗为3。问起动时转于相电流为多大?它是额定负载时转于每相电流的多少倍? 解： 7-2 有台三相异步电动机，其额定转速为1470 rmin，电源频率为50Hz，在（1）起动瞬间；（2）转于转速为同步转速的4/5时；（3）转差率为0.02时三种情况下，试求：（1）定于旋转磁场对定子的转速。（2）定于旋转磁场对转于的转速。（3）转子旋转磁场对转子的转速。（4）转子旋转磁场对定于的转速。（5）转子旋转磁场对定于旋转磁场的转速。 解： 当极对数为P=2时，旋转磁场转速（同步转速） （a）起动瞬间，时 （1）定子旋转磁场对定子的转速 （2）定子旋转磁场对转子的转速 （3）转子旋转磁场对转子的转速 （4）转子旋转磁场对定子的转速 （5）转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速 （b）转子转速为同步转速的，则有 （1）定子旋转磁场对定子的转速 （2）定子旋转磁场对转子的转速 （3）转子旋转磁场对转子的转速 （4）转子旋转磁场对定子的转速 （5）转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速 （c）转差率时， （1）定子旋转磁场对定子的转速 （2）定子旋转磁场对转子的转速 （3）转子旋转磁场对转子的转速 （4）转子旋转磁场对定子的转速 （5）转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速7-3 有一台四极、50 Hz、1425rmin的三相异步电动机，转子电阻，感抗，当时，试求：（1）电动机起动初始瞬间（，）转子每相电路的电动势E20，电流I20和功率因数；（2）额定转速时转子每相的电动势E2，电流I2和功率因数c。比较在上述两种情况下转子电路的各个物理量（电动势、频率、感抗、电流及功率因数）的大小。 解： 当三相异步电动机的磁极对数为P=2时，旋转磁场转速（同步转速）（1）电机起动瞬间，时 （2）在额定转速4，其额定转差率： 所以， 综上计算结果，转子电路的电动势及感抗与转差率成正比，而额定运行时转差率很小，所以上述两个物理量也很小。在起动时，转子电流很大，但功率因数很低，在额定状态下，转子电流减小很多，功率因数则提高到接近为1。7-4 某三相六极异步电动机，接在频率为50Hz，电压为380v的三相电源上运行，此时电动机的定子输入功率P144.6kW，定子电流I178A，转差率s0.04，轴上输出有效转矩T2392Nm，求此时电动机的转速n、轴上输出机械功率P2、功率因数和效率。解： （1）当三相异步电动机的磁极对数为P=3时，旋转磁场转速（同步转速） 又 由于 ，则 故 又 ，有。7-5 若交流电源的频率f60Hz，求三相异步电动机的磁极数分别为2极、4极、6极和8极时的同步转速各为多少？解： 当时， 当时， 当时， 当时，7-6 有一台三相异步电动机，额定功率为17kW，额定转速为1460rmin，过载能力为2.4，求该电动机的最大转矩。解： 由，得 又 过载能力，所以，7-7 一台三相两极异步电动机，额定功率为7.5kw，额定转速为2890rmin，频率为50Hz，最大转矩为50.96Nm，求该电动机的过载能力。 解： 由，得 又 过载能力，所以，7-8 有两台三相异步电动机，额定功率均为5.5kW，其中第一台电动机的额定转速为980rmin，第二台电动机的额定转速为2960rmin。求这两台电动机在额定功率时的指出转矩各为多少? 解： 由，得 7-9 某三相异步电动机的铭牌数据如下：功率7.5kw、电压380V、电流14.9A、接法、转速1450rmin、功率因数0.87、频率50Hz、绝缘等级B、温升75、工作方式连续。试求：（1）额定效率；（2）额定转矩；（3）额定转差率；（4）额定负载时的转子电流频率。解： （1）由，有（2）由，得 （3）（4）7-10 一台三相异步电动机额定数据如下：PN10kW、UN380V、nNl450rmm、，、。试求：（1）额定电流IN；（2）额定转矩TN，最大转矩Tmax，起动转矩Tst；（3）如果负载转矩为70N.m，试问在和两种情况下电动机能否起动？（4）若用Y降压起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩TN的50和30时，电动机能否起动？（5）若采用自耦变压器降压起动，设起动时，电动机的端电压降到电源电压的55，求线路起动电流（变压器原边）、电动