(上课)第4章 交流电动机的工作原理及特性1

1、第4章 交流电动机的工作原理和特性,4.1 三相异步电动机的构造,4.2 三相异步电动机的转动原理,4.3 三相异步电动机的电路分析,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4.5 三相异步电动机的起动,4.6 三相异步电动机的调速,4.7 三相异步电动机的制动,4.8 单相异步电动机,异步电动机的应用非常广泛： 在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机 械，矿山机械等。 在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。 在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等,电动机的分类,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能, 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类,概 述,1.

2、 按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、 单相异步电动机,2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机,4.1 三相异步电动机的结构,a、b、c三相绕组,a、b、c 三相绕组,电动机的外形,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件,这 是三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件,端盖,机座,这 是三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件,定子,这

3、是三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件,定子,转子,轴承,端盖,机座,这 是三 相异步电动机的基本结构 示意图,1. 定子 三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕 组组成,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,定子绕组,机座,定子铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,这是定子硅钢片,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,定子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成,这 是 转 子 硅 钢 片,2. 转子,这 是 绕 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线

4、型转子,鼠笼型转子的电机称鼠笼式电动机 绕线型转子的电机称绕线式电动机,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子三相绕组接成y型,鼠笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来,这 是 笼 型 转 子,三相异步电动机的基本结构示意图,4.2 三相异步电动机的转动原理,对称三相电流流入 对称三相绕组： i 正方向规定：首端 末端 如： ia ：a x ia 0 x a ia 0,一. 定子旋转磁场,ia=imsin t,ib=imsin( t-120,ic=imsin( t+120,相序a-b-c-a,a,x,b,y,c,z,ia,ib

5、,ic,ia,i,ib,ic,t,二、旋转磁场的方向,当电流相序为 ：a-b-c-a，旋转磁场的方向为顺时针方向,旋转磁场的反转： 改变流入三相绕组的电流相序（即对调 定子绕组接至电源的三根导线中任意 两根,旋转磁场的方向： 由电流超前的线圈转向电流滞后的线圈,结论：空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流，当电流随时间交变时，产生的两极磁场在空间旋转。 定子旋转磁场,结论：改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向,相序a-b -c -a,相序a-c-b-a,三、 旋转磁场的极对数p,t = 0,a,z,b,x,c,x,c,y,a,z,b,y,s,n,p = 2,n,0,s,i

6、a = 0 ib 0 ic 0,四极旋转磁场,60,0,t =6 0,n,s,30,s,n,0,t,i,ia,ib,ic,0,结论：当定子每相中有n个线圈串联, 且每相绕组始端在空间相差120/n 时, 通入对称三相交流电后, 产生一个2n极旋转磁场。 （p = n,四、 旋转磁场的速度 n0,电源的频率,磁极对数,p=1 n0 =3000 r/min,p=2 n0 =1500 r/min,p=3 n0 =1000 r/min,同步转速,p=4 n0 =750 r/min,是定子旋转磁场和转子电流的相互作用的结果,基于电磁感应定律和电磁力定律,五、三相异步电动机的工作原理,六、 转子转速 n

7、和转差率 s,n = (1s) n0,转差率,0 s,启动时： n = 0，s = 1 额定运行时： nn n0 ， sn = 0.015 0.06,转子转速,n n0,异步电动机,结论：通过电磁感应，转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。-异步电动机也称为感应电动机,铭 牌,4.3 三相异步电动机的额定参数,一、 定子绕组的接法,ul = 380 v,ul = 380 v,up= ul = 380 v,接线方式选择：根据电源线电压及电动机的额定电压而定,若电动机铭牌上标有 220/380v两种额定电压，接法标明/y ，则表明： 若电源线电压=220v,接；若电源线电压

8、=380v, y接,每相绕组 的相电压,每相绕组的相电流,线电压,线电流,解,二、三相异步电动机的额定值,额定功率pn - 在额定运行情况下，电动机轴上所输出的 机械功率,型号,额定电压un -电动机在额定运行情况下的定子绕组所 加线电压。 220/380， /y,额定电流in - 电动机在额定情况下运行时定子绕组的线 电流值，也称满载电流。10.25/5.9， /y,额定频率fn - 在额定运行情况下的交流电源频率。我国 工业标准频率为50hz,额定转速nn - 电动机在额定运行情况下的转速，也称满 载转速,额定功率因数cosn -电动机在额定运行情况下的定子电 路功率因数,额定效率n -

9、是指额定运行情况下输出功率与输入功率 的比值,额定负载转矩tn - 在额定运行情况下，电动机轴上负 载转矩,a,z,b,x,c,y,主磁通,4.4 三相异步电动机的电路分析,定子绕组和转子绕组均为交流铁心线圈,三相异步电动机的一相电路图,一、 定子电路,u1 e1=4.44 f1n1,u1 = r1i1 e1 -el1,用向量表示,z1 =r1+jx1 ：定子的内阻抗,一般： r1，x1很小，可忽略,r1：每相定子绕组电阻 x1：每相定子绕组漏磁 感抗 x1=2f1l1 ：旋转磁场每极磁通 n1：每相定子绕组匝数,z2 =r2+ jx2 ：转子的内阻抗,e2=4.44 f2n2,二、 转子电路

10、,0 = r2i2 e2 el2,用向量表示,r2：每相转子绕组电阻 x2：每相转子绕组漏磁 感抗 x2=2f2l2 ：旋转磁场每极磁通 n2：每相转子绕组匝数,三、 转子电路中有关各量,f2 -转子电流的频率 转子和旋转磁场的相对速度 n0n,s f1,2. e2 -转子感应电动势,x20是n=0时的x2,3. x2 -转子漏磁感抗,x2 = 2f2l2,2 s f1l2,s x20,e20是n=0时的e2,e20=4.44 f1n2,x20= 2 f1l2,i2,cos 2,1,4. i2 -转子电流,5. cos 2 -转子功率因数,结论：e2，i2，f2，x2和cos2均与s有关,电磁

11、转矩 t= kt i2cos 2,将,电磁转矩是由旋转磁场和转子电流的有功分量相 互作用而产生的，所以,一 . 转矩公式,常数,i2,4.5 三相异步电动机的转矩与机械特性,cos 2,ts曲线,其中： k -与kt，f1，n1，n2有关的常数。k1/f u1，u -定子绕组的相电压，电源相电压,二 . 机械特性曲线 n = f (t,因为 n=n0(1-s), 可以由转矩特性得到机械特性,1. 固有机械特性,以下分析时忽略空载损耗,条件：u = un，f1 =fn，定子及转子回路中 不串入任何阻抗,n（s,四个特殊点,运行段,非运行段,tn 额定负载转矩,tst 启动转矩,额定转差率,起动瞬

12、间 n=0，s=1,u 2,49,55,tmax 最大转矩,st tst tn,一般 st 1.0 2.2,特殊 st 2.2 2.8,启动系数 st -表征启动能力,由dt/ds =0, 得,临界转差率,u2,过载系数 m -表征过载能力,m tmax t n,注意：tmax tl, 电动机才能正常工作，否则 电动机将停转，造成严重过载,当x20不变时,临界转差率sm随r2增大而增加,c. sm=r2 /x20,a. tmax u2,b. tmax与 r2无关,sm与 u无关,u tmax,工程上采用规格化转矩转差率特性求得t,不易得到,2. 人为机械特性,改变u ，f1 ，或定子及转子回路

13、中串入电阻或电抗,降低电源电压u,条件：u un ，f1 =fn，定子及转子回路中不串入任何 阻抗,a. n0不变,c. 特性变软,49,43,53,63,61,改变电源频率f（=f1,a. n0， sm,d. 不变,以保证不变，从而 保证 tmax不变,定子回路串入电阻r1s,条件：u = un ，f =fn，转子回路中不串入任何阻抗,i1,串入电阻r1s，将使定子每相绕组上的电压u1降低，类似于降低电源电压u的情况,49,转子回路串入电阻r2s,条件：u = un ，f =fn， 定子回路中不串入任何阻抗,e2,i2,43,65,特点,a. n0不变， sm,d.,b. tmax不变,c.

14、 tst,4.6 三相异步电动机的启动特性,启动初始瞬间，n=0，s=1,起动电流ist大，ist= （57） in,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的 电压降落，影响邻近负载的正常工作,2. 起动转矩tst不大 -tst = （0.81.5）tn,直接启动存在的问题,频繁起动会使电动机过热,虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低, 不能满载起动,l1 l2 l3,1. 直接起动（全压启动,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机,一、 鼠笼式异步电动机的启动方法,启动时把电动机的定子绕组直接接入电网,特点： 起动转矩小；起动电流大，比额定值大57倍,2

15、 .降压起动,启动时降低电动机定子绕组的相电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常,1）y-降压起动法,fu,w2,u1,u2,v1,v2,w1,q1,转子,定子 绕组,启动时接成星型y型 启动完毕接成三角形型,特点： 起动电流和起动转矩都降低到直 接起动时的三分之一 2. 只适用于正常运行时为接法的 电动机 3. 空载或轻载启动,启动器,49,2） 自耦变压器降压起动,自耦变压器抽头有 0.55, 0.64, 0.73 等,则变压器副方电流,而变压器原方电流,电动机起动转矩,自耦变压器,结论: 电动机起动电流ist和起动转矩tst均为直接起动的k2,3） 定子绕组串入电阻或电抗降压

16、起动,启动时，开关1km打开，串入rst（xst）降压启动。当电动机的转速接近稳定值时, 再将开关 1km合上,切除rst（xst,特点: 1.起动转矩tst。 2. rst消耗功率。 3.用于不经常启动且空载或轻载的场合,4）延边三角形起动,每相绕组有两个线圈, 将三相绕组中一个线 圈接为 y 形 , 另一个 线圈接为 形 , 电动 机起动电流,isty ist ist,转子回路中串电阻r2st，减小起动电流。当电动机转速接近稳定值时, 再切除rst,二、绕线式异步电动机的启动,n,0,t,s,tl,1. 逐级切除启动电阻,55,2. 利用频敏电阻器启动,频敏电阻器,n = (1s) n0,

17、调速方法:改变s、p、f,4.7 三相异步电动机的调速,一.改变s调速（n0不变,1.调压调速 -通过改变定子绕组的电压u来调速,方法：改变电源电压u或定子回路串入电阻r1s,47,2. 转子回路串电阻r2s调速（用于绕线式电动机,二. 改变极对数 p 调速,通过改变定子绕组的接法来改变p，从而实现调速。 一般用于多速（双速、三速、四速等）电动机的调速,p=1,p=2,将每相绕组分成两半，以a相为例：线圈a1x1和a2x2。若a1x1和a2x2串联，得 p=2,若a1x1和a2x2反并联（头尾相联），得p=1,p =2: 1,2,3接电源；4,5,6 悬空,p =1: 4,5,6接电源；1,2

18、,3 短接,n1=15003000 r/m,如,三. 改变电源频率 f 调速,一、 反馈制动,当转子的转速n超过旋转磁场的转速no时，这时的转矩是制动转矩。电动机进入反馈制动状态,4.8三相异步电动机的制动,制动：在外部条件作用下，电动机的t与n反向，电动 机工作在发电状态,f,e2(i2,n,0,t,n0,电动状态,反馈制动,反馈制动可能发生在： （1）起重机下放重物时,2）变频调速或变极对数调速时,n,t,反馈制动,电动状态,n,0,t,n01,电动状态,反馈制动,a,b,c,na,nc,tl,tl,fn,f1,二、反接制动,将三相中的任意两相对调， 产生制动转矩，使m停机,旋转磁场与转子

19、的相对转速,为 (n0+n) i2 i1,必须在笼型电动机的定子或 绕线式电动机的转子中串入 电阻r，以防止烧坏绕组,f,e,优点：方法简单，制动效果好,缺点：能量消耗大,e2(i2,n,0,t,n0,电动状态,反接制动,断开电源，否则电机将反转,三、 能耗制动,制动时将定子绕组从三相电源断开，然后接入低压直流电源。产生固定磁场, 旋转的转子导条内产生e2及i2 ，i2与固定磁场相互作用，产生与n相反的电磁转矩-制动转矩，使n减速。当 n0, i20,t0,制动: 动能电能热能,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转,缺点：需要另外加直流电源,f,e2(i2,n0,电动状态,能耗制动,n,0,

20、t,a,b,n=0时，切断直流电源,tl,用途：功率不大的电动工具：如电钻、搅拌器等,4.9 单相异步电动机,功率：一般为几 几百瓦,单相异步电动机: 定子只有一相主绕组，转子采用鼠笼式转子,家用电器：如电风扇、电冰箱、洗衣机、 抽油烟机等,一、 单相异步电动机的结构,4 鼠笼式转子绕组,隐极式,凸极式,1 定子,2 定子绕组,3 转子,二. 单相异步电动机的磁场,当定子单相绕组中通入单相交流电后产生的磁场为正弦交变脉振磁场： 轴线固定，幅值随时间正弦交变,可将脉振磁场分解为两个幅值相等、以同一转速 n0向相反方向旋转的磁通,脉振磁场的分解,0,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,

21、t8,t,t（合成转矩,t,0,1,1,s,s,2,2,0,t,1. n = 0 , s+ = s =1时,t = 0，电机不能自行起动,t-s曲线,n,2. 若有外力将转子推一下， t+ t ，电动机可以启 动，转动方向取决于外力方向,n,合成转矩 t = t+ t,若三相异步电动机运行时断了一根线，相当于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相运行，或缺相运行,禁止,例: 三相异步电动机在电源断掉一根线后为什么不能起 动？在运行中断掉一根线为什么还能继续转动？长 时间运行是否可以,三相异步电动机在电源断掉一根线时，就成为 单相电动机运行。在起动时断了一线，因起动 转矩为零而不能起动，只能听

22、到嗡嗡声，这时 电流很大，时间长了，就将电动机烧坏,如果在运行中断了一线，则电动机仍将继续转 动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定 电流。时间一长，也会使电动机烧坏,答,两相绕组形成的旋转磁场,1) 在空间相差90的两个绕组，分别流入在相位上 相差90的两相电流，也能产生旋转磁场,2) 如果两个绕组的参数相同，两相电流的幅值相等， 产生的是圆形旋转磁场,3) 如果两个绕组的参数不对称，两相电流的幅值不 相等，或者两相电流的相位差小于90时，产生 的是椭圆形旋转磁场,4) 旋转磁场的转向是从电流相位超前的绕组的轴线 位置转向电流相位滞后的绕组的轴线位置, 所以, 改变两个绕组中电流的相位关系, 可以改变旋转 磁场的转向,也就改变了电动机的转向,结 论,三、电容分相式异步电动机,适当选择c，使二绕组中的电流ib超前ia 90,即可产生旋转磁场。旋转磁场的方向：从电