船舶电气设备与系统 第四章

1、船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第四章第四章 异步电动机异步电动机 本章概述本章概述 交流电机主要分同步电机和异步电机。交流电机主要分同步电机和异步电机。 交流异步电动机的可将交流电能转换为机械能从而拖交流异步电动机的可将交流电能转换为机械能从而拖 动机械负载。与直流电机及其他电动机相比较，异步电动动机械负载。与直流电机及其他电动机相比较，异步电动 机具有结构简单、起动方便、运行可靠、价格低廉、维护机具有结构简单、起动方便、运行可靠、价格低廉、维护 保养方便等优点。目前船舶上几乎所有的甲板机械及机舱保养方便等优点。目前船舶上几乎所有的甲板机械

2、及机舱 辅机动力电动机都采用三相鼠笼式异步电动机，而对于一辅机动力电动机都采用三相鼠笼式异步电动机，而对于一 些需要进行变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目些需要进行变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目 前也正逐步采用三相异步电动机来替代其它动力设备。异前也正逐步采用三相异步电动机来替代其它动力设备。异 步电动机的主要缺点是必须从电网吸收滞后的无功功率，步电动机的主要缺点是必须从电网吸收滞后的无功功率， 而轻载时功率因数较低，这对船舶电网以及发电机的运行而轻载时功率因数较低，这对船舶电网以及发电机的运行 较为不利。本章主要介绍异步电动机的结构及工作原理。较为不利。本章主要介绍异步电动机

3、的结构及工作原理。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第四章第四章 异步电动机异步电动机 本章主要讲解内容本章主要讲解内容 第一节第一节 三相异步电动机结构与铭牌数据三相异步电动机结构与铭牌数据 第二节第二节 异步电动机的旋转磁场与工作原理异步电动机的旋转磁场与工作原理 第三节第三节 异步电动机的定子与转子电路异步电动机的定子与转子电路 第四节第四节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 第五节第五节 三相异步电动机工作特性与选择三相异步电动机工作特性与选择 第六节第六节 单相异步电动机单相异步电动机 船舶电气设

4、备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第一节第一节 三相异步电动机结构与铭牌数据三相异步电动机结构与铭牌数据 一、三相异步电动机的基本结构一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机按照转子结构形式不同分为鼠笼式和三相异步电动机按照转子结构形式不同分为鼠笼式和 绕线式两种，船舶上大多采用鼠笼式。绕线式两种，船舶上大多采用鼠笼式。图图4-1为一台为一台 三相鼠笼式异步电动机的结构分解图。鼠笼式异步电三相鼠笼式异步电动机的结构分解图。鼠笼式异步电 动机主要由两个基本部分组成：静止不动的定子和可动机主要由两个基本部分组成：静止不动的定子和可 以旋转的转子。定子和转

5、子之间有一很窄的空气隙。以旋转的转子。定子和转子之间有一很窄的空气隙。 此外还有支撑转子的端盖等。此外还有支撑转子的端盖等。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-1 4-1 三相鼠笼式异步三相鼠笼式异步 电动机结构电动机结构 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1.定子定子 三相异步电动机的定子主要是用来产生旋转磁场。它三相异步电动机的定子主要是用来产生旋转磁场。它 由机座（外壳）、定子铁心和定子绕组三部分组成。由机座（外壳）、定子铁心和定子绕组三部分组成。 （1）机座与端盖：机座是用来安装

6、定子铁心和固定整）机座与端盖：机座是用来安装定子铁心和固定整 个电动机用的，一般用铸铁或铸钢制成。机座也是散热个电动机用的，一般用铸铁或铸钢制成。机座也是散热 部件，其外表面有散热片。端盖固定在机座上，端盖上部件，其外表面有散热片。端盖固定在机座上，端盖上 设有轴承室，以放置轴承并支撑转子。设有轴承室，以放置轴承并支撑转子。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （2）定子铁心：定子铁心是电动机磁路的一部分，由）定子铁心：定子铁心是电动机磁路的一部分，由 于异步电动机中产生的是旋转磁场，该磁场相对定于异步电动机中产生的是旋转磁场，该磁场相对定 子以

7、一定的同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大子以一定的同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大 小及方向都是变化的。小及方向都是变化的。 定子、转子铁芯如图定子、转子铁芯如图4-2所示。所示。 异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图4-3示。示。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-3 4-3 定子槽形及槽内线圈布置定子槽形及槽内线圈布置图图4-2 异步电动机定子、转子铁异步电动机定子、转子铁 芯形状芯形状 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （3）定子绕组：定子绕组

8、是定子中的电路部分。定子）定子绕组：定子绕组是定子中的电路部分。定子 绕组为三相绕组，即三个完全相同的独立绕组，一绕组为三相绕组，即三个完全相同的独立绕组，一 般采用漆包线绕制。般采用漆包线绕制。 定子绕组的两种接线方法如图定子绕组的两种接线方法如图4-4所示。所示。 接电源接电源 图图4-4 4-4 三相异步电动机接线盒三相异步电动机接线盒 1U 2U 2W 1W 2V 1V 2W 2U 2V 1U 1U 1V 1V 1W 1W 2W 2U 2V 2W 1U 1W 2V 2U 2U 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.转子转子 转子是电动机

9、的旋转部分，其作用是在旋转磁场的作转子是电动机的旋转部分，其作用是在旋转磁场的作 用下获得一个转动力矩，以带动生产机械一同转动。异步用下获得一个转动力矩，以带动生产机械一同转动。异步 电动机的转子有鼠笼式和绕线式两种型式。两种转子均包电动机的转子有鼠笼式和绕线式两种型式。两种转子均包 括转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、滑环（仅限绕线式括转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、滑环（仅限绕线式 中有）等。中有）等。 （1）转子铁心：转子铁心用厚度为）转子铁心：转子铁心用厚度为0.5mm硅钢片叠硅钢片叠 成，压装在转轴上，转子硅钢片形状如图成，压装在转轴上，转子硅钢片形状如图4-2（b）所示。）所示。 以

10、此片叠成的铁心外圆的表面有均匀分布且与转轴平行的以此片叠成的铁心外圆的表面有均匀分布且与转轴平行的 糟，槽内嵌放转子绕组。糟，槽内嵌放转子绕组。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （2）鼠笼式转子绕组：鼠笼式转子绕组是裸铜条或由）鼠笼式转子绕组：鼠笼式转子绕组是裸铜条或由 铸铝制成。铜条绕组是把裸铜条插入转子铁心槽内，两端铸铝制成。铜条绕组是把裸铜条插入转子铁心槽内，两端 用两个端环焊成通路，参见图用两个端环焊成通路，参见图4-5。铸铝绕组是将铝熔化。铸铝绕组是将铝熔化 后浇铸到转子铁心槽内，两个端环及冷却用的风翼也同时后浇铸到转子铁心槽内，两

11、个端环及冷却用的风翼也同时 铸成。一般小型笼式异步电动机都采用铸铝转子。铸成。一般小型笼式异步电动机都采用铸铝转子。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （3）绕线式转子绕组：绕线式转子绕组是由漆包铜）绕线式转子绕组：绕线式转子绕组是由漆包铜 线绕成的三个完全相同的线圈嵌放到转子铁心的槽口内。线绕成的三个完全相同的线圈嵌放到转子铁心的槽口内。 另一端分别接到固定在转轴上的三个滑环（也称集电环）另一端分别接到固定在转轴上的三个滑环（也称集电环） 上，滑环间和滑环与转轴间要绝缘。滑环上固定着电刷。上，滑环间和滑环与转轴间要绝缘。滑环上固定着电刷。 通

12、过滑环、电刷将转子绕组电路与外电路相连。通常外电通过滑环、电刷将转子绕组电路与外电路相连。通常外电 路是呈星形连接的电阻，如图路是呈星形连接的电阻，如图 4-6 所示。通过转子电路所示。通过转子电路 接接 入适当的附加电阻改善异步电动机的起动性能（增大起动入适当的附加电阻改善异步电动机的起动性能（增大起动 转矩，减小起动电流）或调速性能（通过改变外接电阻的转矩，减小起动电流）或调速性能（通过改变外接电阻的 阻值改变异步电动机的转速）。阻值改变异步电动机的转速）。 图图4-7 为绕线式异步电动机的外形结构图。为绕线式异步电动机的外形结构图。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程

13、学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-5 鼠笼式转子鼠笼式转子 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-6 绕线式异步电动机转子结构绕线式异步电动机转子结构 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-7 绕线式异步电动机的外形结构绕线式异步电动机的外形结构 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 3.气隙气隙 异步电动机的定子与转子之间有一很窄的空气隙。中异步电动机的定子与转子之间有一很窄的空气隙。中 小型异步电动机的气隙一般为小型异步电动机的气隙一

14、般为0.21.0 mm 。气隙的大。气隙的大 小直接关系到电动机的运行性能。通常，气隙越小，电动小直接关系到电动机的运行性能。通常，气隙越小，电动 机磁路中的磁阻越小，产生一定量磁通所需要的励磁电流机磁路中的磁阻越小，产生一定量磁通所需要的励磁电流 就小，电动机运行性能越好。就小，电动机运行性能越好。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 二、三相异步电动机的铭牌数据二、三相异步电动机的铭牌数据 在每台电动机的外壳上都有装有一块铭牌，该铭牌上在每台电动机的外壳上都有装有一块铭牌，该铭牌上 标出这台电动机的主要技术数据。数据主要包括下列几标出这台电动

15、机的主要技术数据。数据主要包括下列几 项：项： 1.型号型号 2.额定电压额定电压 3.额定电流额定电流 4.额定功率因数额定功率因数 5.额定功率额定功率 6.额定频率额定频率 7.额定转速额定转速 8.工作方式工作方式 9.接法接法 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第二节第二节 异步电动机的旋转磁场与工作原理异步电动机的旋转磁场与工作原理 一、三相异步电动机的旋转磁场一、三相异步电动机的旋转磁场 1. 定子旋转磁场的产生定子旋转磁场的产生 以两极三相异步电动机为例，如以两极三相异步电动机为例，如图图4-8所示，三相异所示，三相异 步电动机

16、的定子绕组是结构完全相同的三相绕组，三相绕步电动机的定子绕组是结构完全相同的三相绕组，三相绕 组的首、末端分别用组的首、末端分别用U1 - U2、V1 -V2、W1 -W2表示，表示， 在制作时三相绕组沿定子铁心内圆周均匀而对称地放置在在制作时三相绕组沿定子铁心内圆周均匀而对称地放置在 内。所谓对称，即三相线圈的首端（或末端）在定子内圆内。所谓对称，即三相线圈的首端（或末端）在定子内圆 周上彼此相隔周上彼此相隔120，图图4-8（a）所示。为分析方便，所示。为分析方便， 每相绕组用一匝线圈代替，三相绕组将分布在六个槽口每相绕组用一匝线圈代替，三相绕组将分布在六个槽口 中。三相线圈根据需要可以接

17、成星形或者三角形，中。三相线圈根据需要可以接成星形或者三角形，图图4-8 （b）将它们作星形联接（把三个末端将它们作星形联接（把三个末端U2、V2、W2并接并接 在一起）。在一起）。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-8 异步电动机的三相绕组与三相电流异步电动机的三相绕组与三相电流 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 当对称三相交流电源接入三相绕组的当对称三相交流电源接入三相绕组的U U1 1 、 、V V1 1 、W W1 1 端后，三相定子绕组中便有三相对称电流端后，三相定子绕组中便有

18、三相对称电流i iA A、 i iB B和和i iC C流流 入，三相对称电流分别为入，三相对称电流分别为 其波形及相位关系如图其波形及相位关系如图4-8(c) 4-8(c) 所示。设三相电流的正方所示。设三相电流的正方 向是从绕组的首端流人（用向是从绕组的首端流人（用表示），末端流出（用表示），末端流出（用表表 示）。下面从几个不同瞬间来分析三相交流电流流过定子示）。下面从几个不同瞬间来分析三相交流电流流过定子 绕组所产生的合成磁场。绕组所产生的合成磁场。 )t(Ii )t(Ii tIi 120sin 120sin sin mC mB mA 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机

19、工程学院船电系轮机工程学院船电系 o t t = 0= 0时，时， i iA A = 0 = 0，U U相绕组中没有电流；相绕组中没有电流； i iB B是负是负 值，即值，即V V相绕组中电流由相绕组中电流由 V V2 2端流进，端流进， V V1 1端流出；端流出； i iC C为正为正 值，即电流从值，即电流从 W W1 1端流进，端流进， W W2 2端流出。根据右手螺旋定端流出。根据右手螺旋定 则，可确定合成磁场磁轴的方向则，可确定合成磁场磁轴的方向如图如图4-94-9（a a）所示。所示。 ot t = 60= 60时，时，i iC C= 0= 0； i iA A为正值，电流由为正

20、值，电流由U U1 1 端流 端流 进，进， U U2 2端流出；端流出； i iB B为负值，电流由为负值，电流由V V2 2端流进，端流进， V V1 1 端流端流 出，此时合成磁场出，此时合成磁场如图如图4-94-9（b b）所示。相比所示。相比t t = 0= 0时时 刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了6060。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 ott= 90= 90时，时， i iA A为正值，而为正值，而 i iB B 、 、 i iC C 均为负值，同均为负值，同 理可得合成磁场的方向如理可

21、得合成磁场的方向如图图4-94-9（c c）所示。与所示。与t t = 0= 0时时 刻相比，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了刻相比，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了9090。由此。由此 可见，随着定子绕组中的三相电流随时间不断变化，它所可见，随着定子绕组中的三相电流随时间不断变化，它所 产生的合成磁场则在空间不断地旋转，这就是旋转磁场。产生的合成磁场则在空间不断地旋转，这就是旋转磁场。 这种旋转磁场如同一对磁极在空间旋转所起得作用是一样这种旋转磁场如同一对磁极在空间旋转所起得作用是一样 的。的。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （a）t =

22、 0 （b）t = 60 （c）t = 90 图图4-9 4-9 一对极旋转磁场的形成一对极旋转磁场的形成 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 产生旋转磁场必须满足两个条件产生旋转磁场必须满足两个条件： （1）至少要有两个定子绕组，这些绕组之间要有空间）至少要有两个定子绕组，这些绕组之间要有空间 相位差；相位差； （2）通入这些绕组中的正弦交变电流之间要有时间相）通入这些绕组中的正弦交变电流之间要有时间相 位差。位差。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.2.旋转磁场的转向旋转磁场的转向 将相序

23、为将相序为ABCABC的三相电压对应接入三相绕组的三相电压对应接入三相绕组U U、 V V、W W后，三相绕组中电流达到最大值的顺序是：先是后，三相绕组中电流达到最大值的顺序是：先是 U U 相电流相电流 i iA A 、其次是、其次是V V 相的电流相的电流i iB B ，再次是，再次是 W W 相的电流相的电流 i iC C。由。由图图4-9 4-9 可看出：磁场旋转的转动方向是由可看出：磁场旋转的转动方向是由 U U 相线相线 圈平面（圈平面（ U U1 1 - - U U2 2 ）经 ）经 V V 相线圈平面（相线圈平面（ V V1 1 -V -V2 2 ）转向）转向W W 相线圈平面

24、（相线圈平面（ W W1 1 -W -W2 2 ）。由此可见，旋转磁场转向是与 ）。由此可见，旋转磁场转向是与 三相绕组中电流达到最大值的顺序是一致的，或者说旋转三相绕组中电流达到最大值的顺序是一致的，或者说旋转 磁场转动方向是由三相绕组中所通入电流的相序决定的。磁场转动方向是由三相绕组中所通入电流的相序决定的。 若要改变旋转磁场的转向，只需把接入定子绕组的电若要改变旋转磁场的转向，只需把接入定子绕组的电 源相序改变即可。源相序改变即可。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 （a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90 图图4-9 一

25、对极旋转磁场的形成一对极旋转磁场的形成 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 3.3.旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系 在两极（一对磁极）旋转磁场的分析中我们知道，在两极（一对磁极）旋转磁场的分析中我们知道， 当定子绕组中电流变化一周时，旋转磁场转了一周，若当定子绕组中电流变化一周时，旋转磁场转了一周，若 电流的频率为电流的频率为f f1 1，则电流每秒变化，则电流每秒变化f f1 1周，旋转磁场的转速周，旋转磁场的转速 为为f f1 1转转/ /秒。通常转速是以每分钟转数秒。通常转速是以每分钟转数(r/min)

26、(r/min)计算，若计算，若 以以n n0 0表示旋转磁场的转速，则有表示旋转磁场的转速，则有 当当f f1 1 50 Hz ,50 Hz ,旋转磁场的转速为旋转磁场的转速为 3 000 3 000 r/min r/min 。 01 60nf 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-10 四极异步电动机定子绕组四极异步电动机定子绕组 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 设电流的频率为设电流的频率为 f1 ，电流每分钟变化的周数为，电流每分钟变化的周数为 60 f1,故每分钟旋转磁场转过故每分钟

27、旋转磁场转过（60 f1 ）/p转，故旋转磁场的转，故旋转磁场的 转速为：转速为： 旋转磁场的转速旋转磁场的转速n0又称异步电动机的同步转速，其又称异步电动机的同步转速，其 单位为单位为r/min。因为电源的频率和磁极对数通常是固定。因为电源的频率和磁极对数通常是固定 的，所以一台异步电动机的同步转速的，所以一台异步电动机的同步转速n0 是一个不变的是一个不变的 常数。常数。表表4-1 列出了电源频率为列出了电源频率为 50Hz 和和60 Hz时异步时异步 电动机的同步转速电动机的同步转速 与磁极对数的对应关系。与磁极对数的对应关系。 1 0 60 f n p 船舶电气设备与系统 课 件 20

28、21-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 表表4-1 电源频率为电源频率为50Hz和和60Hz时异步电动机的同步转速时异步电动机的同步转速n0与磁极对数的对应关系与磁极对数的对应关系 p123456 n0 （f =50Hz） 300015001000750600500 n0 （f =60Hz） 360018001200900720600 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 二、异步电动机的转动原理二、异步电动机的转动原理 异步电动机的转动原理可以用图异步电动机的转动原理可以用图4-12说明。说明。 转子转动的方向与旋转磁场方向相同，当旋

29、转磁场方转子转动的方向与旋转磁场方向相同，当旋转磁场方 向反向时，电动机的转子也跟着反转。向反向时，电动机的转子也跟着反转。 异步电动机的转动是基于电磁感应，故又称之为感应异步电动机的转动是基于电磁感应，故又称之为感应 电动机。电动机。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 三、异步电动机的转差率三、异步电动机的转差率 设旋转磁场和转子相对静止的空间的转速分别为设旋转磁场和转子相对静止的空间的转速分别为n0 、 n，则旋转磁场对转子的的相对转速差为，则旋转磁场对转子的的相对转速差为 n= n0 n,它它 与同步转速与同步转速n0的比值称为异步电动机

30、的转差率，用的比值称为异步电动机的转差率，用s表示，表示， 则有则有: 转差率常用百分率表示，即有转差率常用百分率表示，即有 0 0 nn s n % n nn %s100 0 0 % n n n %s100 0 0 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 计算转差率公式还可以改写为或计算转差率公式还可以改写为或 或或 异步电动机还可能工作于其它非电动机状态，如转子异步电动机还可能工作于其它非电动机状态，如转子 转速转速nnnn0 0 , , 转差率为转差率为 s 0s1, s1的电磁制动状态。的电磁制动状态。 00 nnsn 0 1n(s)n 船舶

31、电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 一、定子电路中各电量的关系一、定子电路中各电量的关系 1.定子电路中感应电势定子电路中感应电势 由前一节可知三相定子绕组接通交流电源后，定子三由前一节可知三相定子绕组接通交流电源后，定子三 相对称电流在电动机内的空气隙中形成旋转磁场。其磁场相对称电流在电动机内的空气隙中形成旋转磁场。其磁场 的磁通分两部分，其中大部分同时穿过定子和转子绕组，的磁通分两部分，其中大部分同时穿过定子和转子绕组， 称为主磁通；另有少量漏磁通分别穿过定子绕组和转子绕称为主磁通；另有少量漏磁通分别穿过定子绕组和转子绕 组，组，如图如图 4-1

32、4所示。所示。 主磁通在定子绕组感应电势主磁通在定子绕组感应电势 相位上比主磁通相位上比主磁通 滞后滞后 90 ，其有效值为，其有效值为 1 E 1111 444kNf.E 第三节第三节 异步电动机的定子与转子电路异步电动机的定子与转子电路 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 定子 转子 图图4-14 4-14 主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.定子电路电压平衡方程定子电路电压平衡方程 异步电动机的定子电路的电压平衡方程为异步电动机的定子电路的电压平衡方程为 式中

33、式中 是定子一相绕组漏阻抗。由于是定子一相绕组漏阻抗。由于 和和 很小，在定量分析时，常可忽略不计。因此很小，在定量分析时，常可忽略不计。因此 , 即：即： 图图4-15的左半部分是三相异步电动机定子的等效电路。的左半部分是三相异步电动机定子的等效电路。 1 R 11111 1111111 UEEI R EjI XI REI Z 1111 ()ZI RjX 11 UE 11111 444kNf.EU 1 X 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 二、转子电路中各电量的关系二、转子电路中各电量的关系 三相异步电动机运行时闭合的转子绕组切割旋转磁三相异

34、步电动机运行时闭合的转子绕组切割旋转磁 场，且在转子上产生感应电势场，且在转子上产生感应电势 ，产生转子电流，产生转子电流 ，因，因 转子中还存在转子漏感电势和转子绕组电阻压降，其等效转子中还存在转子漏感电势和转子绕组电阻压降，其等效 电路与变压器副边短路时情况相同。如电路与变压器副边短路时情况相同。如图图4-14的右半部的右半部 分电路所示。分电路所示。 2 E 2 I 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-14 4-14 异步电动机一相等效电路图异步电动机一相等效电路图 1 R1 X 2 X2 R 1 U 1 I 1 E 2 E 2 I

35、 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1.转子电路电势频率转子电路电势频率 当异步电动机转子以转速当异步电动机转子以转速n旋转时，旋转磁场相对于转旋转时，旋转磁场相对于转 子的转速为子的转速为 n = n0 n，即旋转磁场以，即旋转磁场以 n的转速切割的转速切割 转转 子绕组，因此在转子绕组中感应电势，该电势的频率为：子绕组，因此在转子绕组中感应电势，该电势的频率为： 1 0 0 00 2 6060 sf pn n nn)nn(p f 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.转子感应电势转子感应电势

36、 每极磁通每极磁通 切割转子绕组并在其中感应转子电势切割转子绕组并在其中感应转子电势E2， 其大小为其大小为: 当当n=0时，时，s=1，即，即f2= f1 ，设此时转子感应电势，设此时转子感应电势 的有效值为的有效值为: : 定值定值 并且由前两式比较可得并且由前两式比较可得: 2222222 ks444444Nf.kNf.E 20222222 .E4 44f N k4 44s f N k 220 EsE 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 与定子漏磁通一样，转子电流所引起的漏磁通在转与定子漏磁通一样，转子电流所引起的漏磁通在转 子绕组中也要产

37、生漏磁感应电势子绕组中也要产生漏磁感应电势 。 222 EjI X 2 E 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 3.3.转子电流转子电流I I2 2及功率因数及功率因数coscos 2 2 转子电路中的电阻及电抗分别为转子电路中的电阻及电抗分别为 、 ，因而转子，因而转子 电流的有效值为：电流的有效值为： 由于转子电路为感性电路，所以其电流由于转子电路为感性电路，所以其电流I I2 2在相位上将在相位上将 滞后电势滞后电势 ，转子电路的功率因数为，转子电路的功率因数为 202 2 2222 22220 () sEE I RXRsX 2 2 2 2

38、20 cos () R RsX 2 X 2 R 2 E 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 转子电流转子电流I I2 2、功率因数、功率因数coscos 2 2与与s s之间的关系曲线如图之间的关系曲线如图 4-154-15所示。所示。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 4.4.鼠笼式转子的磁极对数鼠笼式转子的磁极对数 绕线式异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相绕线式异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相 同，则定、转子有相同的磁极对数。鼠笼式异步电动同，则定、转子有相同的磁极对数。鼠笼式异步电动

39、机的转子绕组是由导电条组成，其磁极对数由定子磁机的转子绕组是由导电条组成，其磁极对数由定子磁 极对数决定，即恒等于定子的磁极对数。极对数决定，即恒等于定子的磁极对数。 图图4-164-16是是2 2对极鼠笼式转子的展开图对极鼠笼式转子的展开图. . 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 图图4-18 4-18 四极鼠笼转子展开图四极鼠笼转子展开图 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 三、定子和转子各量的相互关系三、定子和转子各量的相互关系 1.定子磁场和转子磁场定子磁场和转子磁场 已知异步电动机定子旋

40、转磁场的同步转速为已知异步电动机定子旋转磁场的同步转速为n0，转，转 子转速为子转速为n，这时转子电流也要产生旋转磁场，设该磁场，这时转子电流也要产生旋转磁场，设该磁场 相当于转子的转速为相当于转子的转速为n2 ，则，则 因为转子相对于定子的转速为因为转子相对于定子的转速为n，所以转子旋转磁场，所以转子旋转磁场 相对静止空间的转速应是：相对静止空间的转速应是： nn n nn n sns p f p f n 0 0 0 0 0 12 2 6060 0022 )(nnnnnnn 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.定子磁势与转子磁势定子磁势与转

41、子磁势 定子磁势定子磁势 转子磁势转子磁势 空载运行磁势空载运行磁势 异步电动机的磁势平衡方程异步电动机的磁势平衡方程 011222111 INkINkINk 1111 INkF 2222 INkF 0110 INkF 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 3.定子电流和转子电流定子电流和转子电流 将磁势平衡方程各项同除将磁势平衡方程各项同除k k1 1 N N1 1后可以得到定、转 后可以得到定、转 子电流的平衡关系式，即子电流的平衡关系式，即 i k I II Nk Nk II 2 02 11 22 01 船舶电气设备与系统 课 件 2021-

42、7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第四节第四节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 一、电磁转矩一、电磁转矩 三相异步电动机的电磁转矩是指电动机的转子受到电三相异步电动机的电磁转矩是指电动机的转子受到电 磁力的作用而产生的转矩，它由旋转磁场的每极磁通磁力的作用而产生的转矩，它由旋转磁场的每极磁通 与与 转子电流转子电流 相互作用产生的。相互作用产生的。 异步电动机电磁转矩为异步电动机电磁转矩为: 转矩的另一个表达式转矩的另一个表达式 22 cos T TKI 2 21 22 220 sR U TK R(sX) 2 I 船舶电气设备与系统 课 件 2

43、021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 二、三相异步电动机的转矩特性与机械特性二、三相异步电动机的转矩特性与机械特性 1.1.电磁转矩特性电磁转矩特性T T = = f f ( (s s ) ) 在一定的转子电阻在一定的转子电阻R R2 2和电源电压和电源电压U U1 1下，电动机的电磁下，电动机的电磁 转矩与转差率的关系曲线称为一部电动机的转矩特性。转矩与转差率的关系曲线称为一部电动机的转矩特性。 图图4-17 4-17 三相异步电动机三相异步电动机 T = f (s )曲线曲线 图图4-18 4-18 三相异步电动三相异步电动 机机械特性曲线机机械特性曲线 T T T max

44、 n S1SS nm 00 TTTTn stmax n n n S n m a m m 0 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.2.机械特性机械特性n = f (T ) 异步电动机的转子的转速异步电动机的转子的转速 n n与电磁转矩与电磁转矩T T的关系称的关系称 为机械特性。而机械特性很容易通过转矩特性获得。为机械特性。而机械特性很容易通过转矩特性获得。 因为：因为： 故：故： 三相异步电动机的机械特性曲线如三相异步电动机的机械特性曲线如图图4-184-18所示。所示。 0 0 n nn s 0 (1)ns n 船舶电气设备与系统 课 件

45、2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点：机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点： （1 1）最大转矩）最大转矩T Tmax max，反映过载能力； ，反映过载能力； （2 2）起动转矩）起动转矩T Tst st ，反映起动性能； ，反映起动性能； （3 3）额定转矩）额定转矩T TN N ，反映稳定运行的负载能力和特，反映稳定运行的负载能力和特 点。点。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 (1) (1)额定转矩额定转矩T TN N 异步电动机在额定负载时轴上输出的转矩称为额定转

46、矩异步电动机在额定负载时轴上输出的转矩称为额定转矩 T TN N。在异步电动机等速转动时，电动机的转矩。在异步电动机等速转动时，电动机的转矩T T必须与阻转必须与阻转 矩相平衡，阻转矩包括负载转矩和空载损耗转矩（电机本矩相平衡，阻转矩包括负载转矩和空载损耗转矩（电机本 身的风阻、摩擦阻力等）身的风阻、摩擦阻力等）T T0 0，所以，所以: : 由于由于T T0 0很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩 平衡方程为：平衡方程为： 0L TTT L TT 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 由于转轴转动时输出

47、机械功率等于角速度与转矩的乘由于转轴转动时输出机械功率等于角速度与转矩的乘 积，因此电动机的输出转矩与输出功率积，因此电动机的输出转矩与输出功率P P2 2的关系是：的关系是： 实用中，实用中， P P2 2的单位常用千瓦（的单位常用千瓦（kWkW）,n,n的单位是转的单位是转/ / 分（分（r/minr/min），则上式为），则上式为: : n PP TT 2 22 L n P n P T 2 3 2 9550 60 2 10 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第五节第五节 三相异步电动机工作特性与选择三相异步电动机工作特性与选择 一、异步电

48、动机的工作特性一、异步电动机的工作特性 三相异步电动机的主要工作特性是指电动机在额定电三相异步电动机的主要工作特性是指电动机在额定电 压和额定频率下运行时，电动机的定子电流压和额定频率下运行时，电动机的定子电流 、效率、效率 及定子绕组功率因数及定子绕组功率因数 随输出功率随输出功率P P2 2的变化关系。的变化关系。 图图4-234-23是一台是一台10kW10kW的三相异步电动机的工作特性曲的三相异步电动机的工作特性曲 线。线。 1 I 1 cos 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 06 图图4-23 4-23 三相异步电动机的工三相异步电

49、动机的工 作特性曲线作特性曲线 024681012 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 . 02 04 . . 08 . 10 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1.1.定子电流特性定子电流特性I I1 1=f(P=f(P2 2) ) 异步电动机空载运行时，定子电流近似为励磁电流异步电动机空载运行时，定子电流近似为励磁电流 I I0 0。随着输出功率。随着输出功率P P2 2的增加，转子电流增大，定子电流的增加，转子电流增大，定子电流I I1 1 也相应增大。所以其特性曲线是一条从也相应增大。所以其特性曲线是一条从I I0

50、 0逐渐增大的曲逐渐增大的曲 线，当输出功率线，当输出功率P P2 2超过额定功率之后，转子电流增大较超过额定功率之后，转子电流增大较 快，定子电流也相应增大很快。快，定子电流也相应增大很快。 异步电动机空载和轻载时，定子电流较大，其空载电异步电动机空载和轻载时，定子电流较大，其空载电 流流I I0 0与额定电流与额定电流I IN N之比约为之比约为20205050。这是因为电动机。这是因为电动机 的磁路存在气隙，磁阻较大，所以产生一定量的磁通所需的磁路存在气隙，磁阻较大，所以产生一定量的磁通所需 要的电流就大。要的电流就大。 2 P 0 I 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机

51、工程学院船电系轮机工程学院船电系 2.2.效率特性效率特性 =f(P2) =f(P2) 电动机轴上输出的机械功率电动机轴上输出的机械功率P P2 2与定子输入功率与定子输入功率P P1 1之比之比 称为效率称为效率 。即。即 通常一般三相异步电动机的额定效率约为通常一般三相异步电动机的额定效率约为0.720.72 0.930.93。电动机容量越大效率相对越高。电动机容量越大效率相对越高。 PP P P P 2 2 1 2 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 3.功率因数特性功率因数特性 因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后因为电动机是电

52、感性负载，定子相电流比相电压滞后 一个一个 角，角，cos 就是电动机的功率因数。就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的空载功率因数很低，约为三相异步电动机的空载功率因数很低，约为0.2左左 右，当输出功率增加时，定子电流中有功分量增大，使功右，当输出功率增加时，定子电流中有功分量增大，使功 率因数提高，当接近额定功率时，功率因数达最大值。如率因数提高，当接近额定功率时，功率因数达最大值。如 果负载继续增大，由于转差率的增加，转子功率因数降低果负载继续增大，由于转差率的增加，转子功率因数降低 较大，定子功率因数开始逐渐减小。较大，定子功率因数开始逐渐减小。 12 cosf P 1 1 船舶电

53、气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 二、三相异步电动机的选择二、三相异步电动机的选择 在船舶上三相异步电动机的使用非常广泛，正确的在船舶上三相异步电动机的使用非常广泛，正确的 选用电动机是关系到船舶安全运行和经济运行的重要保选用电动机是关系到船舶安全运行和经济运行的重要保 障。选择电动机应按照生产机械的实际要求，正确选择障。选择电动机应按照生产机械的实际要求，正确选择 电动机的容量、种类、型式等。电动机的容量、种类、型式等。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 1.1.功率的选择功率的选择 电动机的额定功

54、率等于或稍大于生产机械的功率。若电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率。若 功率选择太小，电动机会因过载而损坏，甚至烧毁；选择功率选择太小，电动机会因过载而损坏，甚至烧毁；选择 得太大，则不但增加投资，而且电动机没有充分发挥它的得太大，则不但增加投资，而且电动机没有充分发挥它的 作用，效率和功率因数都会降低。作用，效率和功率因数都会降低。 一般对连续运行的恒定负载，如果生产机械的功率为一般对连续运行的恒定负载，如果生产机械的功率为 ，则电动机的功率，则电动机的功率P P可按下式算出：可按下式算出： 21 1 P P 1 P 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮

55、机工程学院船电系 2.种类的选择种类的选择 一般选择电动机种类主要从以下几方面考虑：交流一般选择电动机种类主要从以下几方面考虑：交流 还是直流、机械特性（硬特性或软特性）、调速与起动还是直流、机械特性（硬特性或软特性）、调速与起动 性能、维护及价格等。性能、维护及价格等。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 3. 3. 结构型式的选择结构型式的选择 电动机的结构型式主要有：电动机的结构型式主要有： （1 1）开启式：）开启式：这种电动机的带电部分和旋转部分没有任何这种电动机的带电部分和旋转部分没有任何 防护装置。散热好，造价低。用于干燥无灰尘的场

56、所。防护装置。散热好，造价低。用于干燥无灰尘的场所。 （2 2）防护式：）防护式：在机壳或端盖下面有通风罩，可防水滴、铁在机壳或端盖下面有通风罩，可防水滴、铁 屑等杂物从上面或与垂直方向成屑等杂物从上面或与垂直方向成4545 角以内掉入电动机内角以内掉入电动机内 部。部。 （3 3）封闭式：）封闭式：有封闭外壳保护，电动机靠自身风扇或外部有封闭外壳保护，电动机靠自身风扇或外部 风扇冷却，外壳带有散热片。适用于潮湿、尘埃多、水土风扇冷却，外壳带有散热片。适用于潮湿、尘埃多、水土 飞溅的场所。飞溅的场所。 （4 4）防爆式：）防爆式：外壳完全封闭，适用于有爆炸气体的场所，外壳完全封闭，适用于有爆炸

57、气体的场所， 例如船上的蓄电池室。例如船上的蓄电池室。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 4.电压与转速的选择电压与转速的选择 电动机电压的选择是根据使用地点的电源来决定的。电动机电压的选择是根据使用地点的电源来决定的。 电动机额定转速的选择应由生产机械的转速和传动设备的电动机额定转速的选择应由生产机械的转速和传动设备的 情况来决定，通常电动机的转速应尽量与生产机械的转速情况来决定，通常电动机的转速应尽量与生产机械的转速 一致，以便直接传动，避免传动装置复杂化。一致，以便直接传动，避免传动装置复杂化。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-

58、1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 第六节第六节 单相异步电动机单相异步电动机 用单相电源供电，且只有一相定子主绕组的异步电动用单相电源供电，且只有一相定子主绕组的异步电动 机称为单相异步电动机。机称为单相异步电动机。 单相异步电动机也是由转子和定子两部分组成。转子单相异步电动机也是由转子和定子两部分组成。转子 全部采用普通的鼠笼式结构；而定子通常有两个绕组，一全部采用普通的鼠笼式结构；而定子通常有两个绕组，一 个为单相运行绕组（也称为主绕组）；另一个为起动绕组个为单相运行绕组（也称为主绕组）；另一个为起动绕组 （又称为辅助绕组），在空间相隔（又称为辅助绕组），在空间相隔90放置。通常起

59、动绕放置。通常起动绕 组通过一个离心开关组通过一个离心开关S与运行绕组并联接入单相电源，当与运行绕组并联接入单相电源，当 转子转速达到额定转速的转子转速达到额定转速的75左右，此开关在离心力的作左右，此开关在离心力的作 用下把该电路切断。用下把该电路切断。 船舶电气设备与系统 课 件 2021-7-1 轮机工程学院船电系轮机工程学院船电系 一、单相异步电动机的工作原理一、单相异步电动机的工作原理 1.脉动磁场脉动磁场 单相异步电动机的定子运行绕组接入正弦交流电后产单相异步电动机的定子运行绕组接入正弦交流电后产 生一个振幅随时间作正弦变，磁极在绕组轴线方向的空间生一个振幅随时间作正弦变，磁极在绕

60、组轴线方向的空间 保持不变的脉动磁场，如保持不变的脉动磁场，如图图4-24所示。所示。 脉动磁场在转子绕组中产生感应电势和电流，此时转脉动磁场在转子绕组中产生感应电势和电流，此时转 子电流与磁场作用产生的转矩大小相等，方向相反，因此子电流与磁场作用产生的转矩大小相等，方向相反，因此 作用在转子上的合成转矩为零。电动机不能转动。如加一作用在转子上的合成转矩为零。电动机不能转动。如加一 外力预先推一下转子向任意方向转动，则接通电源后电动外力预先推一下转子向任意方向转动，则接通电源后电动 机即可沿着这个方向转动起来，并能带动一定的机械负机即可沿着这个方向转动起来，并能带动一定的机械负 载。载。 船舶