4 交流电动机

1、第四章第四章 交流电动机的工作原理及特性交流电动机的工作原理及特性 1. 1. 了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；了解三相异步电动机的基本结构及工作原理； 2. 2.掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；3.3.掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性； 4. 4.掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；5. 5. 掌握实现三相异步电动机启动、调速和制动的各种方法及它掌握实现三相异步电动机启动、调速和制动的各种方法及它们的使用场所；们的使用场所； 6. 6.

2、 掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；7. 7. 了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。华中科技大学机械学院 冯清秀4.1 4.1 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理 章节内容章节内容4.2 4.2 三相异步电动机的额定参数三相异步电动机的额定参数 45.3 45.3 三相异步电动机的转矩特性和机械特性三相异步电动机的转矩特性和机械特性 4.4 4.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 4.5 4.5 三相异步电动机的调速特性三相异步电

3、动机的调速特性 4.6 4.6 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性 4.7 4.7 单相异步电动机的基本结构和工作原理单相异步电动机的基本结构和工作原理 4.8 4.8 同步电动机的基本结构和工作原理同步电动机的基本结构和工作原理41 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理 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 定子：不动的部分定子：不动的部分; 转子：旋转部分。转子：旋转部分。 在定子和转子之间有一定的气隙。在定子和转子之间有一定的气隙。1. .定子定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 定子

4、铁心由定子铁心由0.5mm0.5mm的硅钢片的硅钢片叠压而成，硅钢片铁心在叠压后叠压而成，硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。成为一个整体，固定于机座上。 定子铁心的硅钢片内圆定子铁心的硅钢片内圆冲有定子槽，槽中安放线圈冲有定子槽，槽中安放线圈定子绕组。定子绕组。 三相电动机的定子绕组分为三个部三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其表示，其中，中，A、B、C称为称为首端首端，而，而X、Y、Z称为称为末端末端。 三相绕组接入三三相绕组接入三相交流电源，三相绕相交流电源，三相绕组中

5、的电流定子在铁组中的电流定子在铁心中产生心中产生旋转磁场旋转磁场。 2. .转子转子 转子铁心也是电动机磁路转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。转子铁心装在转轴上。 转子铁心的硅钢片外转子铁心的硅钢片外圆冲有转子槽，槽中安放线圆冲有转子槽，槽中安放线圈圈转子绕组。转子绕组。 转子由铁心与绕组组成。转子由铁心与绕组组成。 绕线式绕线式和和鼠笼式鼠笼式两种电动机的转子绕组构造虽然不同，但两种电动机的转子绕组构造虽然不同，但工作原理是一致的。工作原理是一致的。 转子的作用：转子的作用：产生转子电流，即产生电磁转矩产生转子电流，即产生电磁转

6、矩。 鼠笼鼠笼 型：型：在转子铁心槽里插入在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜环上。两个铜环上。 绕线式：绕线式：由线圈绕组由线圈绕组放入转子铁心槽内，放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数与定子产生的磁极数相同。绕线式转子通相同。绕线式转子通过轴上的滑环和电刷过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外在转子回路中接入外加电阻，用以改善启加电阻，用以改善启动性能与调节转速。动性能与调节转速。 二、三相异步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理 1定子旋转磁场定子旋转磁场 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周

7、的假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹个凹槽之中。现将三相绕组的末端槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端相连，首端A、B、C接三接三相交流电源。三相绕组分别称为相交流电源。三相绕组分别称为A相、相、B相、相、C相。相。 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即相绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为的电流（相序为ABC）的瞬时值为：）的瞬时值为：tIi sinmA )32sin(mB tIi)34sin(mC

8、 tIi 时时01 t iB为负，电流实际方向与正方向为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从相反，即电流从Y端流到端流到B端；端； iC为正，电流实际方向与正方向为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从一致，即电流从C端流到端流到Z端。端。 按右手螺旋法则确定三相电流产生按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场。的合成磁场。 iA=0 时时62Tt 合成磁场已从合成磁场已从t=0 瞬间所在位置瞬间所在位置顺时针方向旋转了顺时针方向旋转了 /3。 iC=0 iA为正，电流实际方向与正方向为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从一致，即电流从A端流到端流到X端。端。 iB为负，电流实际方向与正方

9、向为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从相反，即电流从Y端流到端流到B端；端； iA为正，电流实际方向与正方向为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从一致，即电流从A端流到端流到X端。端。 时时33Tt iC为负，电流实际方向与正方向为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从相反，即电流从Z端流到端流到C端；端； 合成磁场已从合成磁场已从t=0 瞬间所在位置瞬间所在位置顺时针方向旋转了顺时针方向旋转了2 /3。 iB=0 iA=0 iC为负，电流实际方向与正方向为负，电流实际方向与正方向相反相反,即电流从即电流从Z端流到端流到C端；端； 时时24Tt iB为正，电流实际方向与正方向为正，电流实

10、际方向与正方向一致，即电流从一致，即电流从B端流到端流到Y端；端； 合成磁场已从合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置瞬间所在位置顺时针方向旋转了顺时针方向旋转了 。 按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称场也在不断旋转，故称旋转磁场。旋转磁场。2旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而B相绕组内的相绕组内的电流又超前电流又超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，当三相交流电的相序为当三相交流电的相序为ABC ，旋转磁场的旋

11、转方向为从，旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方向，即向顺时针方向旋转。旋转。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调任意两根线对调，例，例如，将如，将B，C两根线对调，使两根线对调，使B相与相与C相绕组中电流的相位对调。相绕组中电流的相位对调。 此时此时A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而C相绕组相绕组内的电流又超前内的电流又超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3。 用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为ACB，即向逆

12、时针方向旋转。即与未对调前的旋转方向相反。，即向逆时针方向旋转。即与未对调前的旋转方向相反。 由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。电源的三根导线中的任意两根对调即可。 3. .旋转磁场的极数与旋转速度旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用度，用n0表示。表示。 磁极对数：磁极对数：定子磁场定子磁场N-S的个数，用的个数，用p表示。表示。fn600 p1：电流变化经过一个周期（变化电流变化

13、经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为机械角度），若电流的频率为f，旋，旋转磁场每分钟将旋转转磁场每分钟将旋转60f 转，即：转，即： 如果把定子铁心的槽数增加如果把定子铁心的槽数增加1倍（倍（12个槽），制成如图所示的个槽），制成如图所示的三相绕组。三相绕组。 每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流。相电源使通过对称三相电流。 p=2：电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了电流变化一个周期，旋转磁场在空

14、间只转了1/2转。转。 由此可知，当旋转磁场具有两对磁极时，其旋转速度仅为一对由此可知，当旋转磁场具有两对磁极时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：对磁极时，其转速为：pfn600 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁极对数所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁极对数成反比。成反比。 产生具有两对磁极的旋转磁场。产生具有两对磁极的旋转磁场。4工作原理工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。相互作用。 在旋转磁场的作用下，转子

15、导体切在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线，因而在导体内产生感应电动割磁力线，因而在导体内产生感应电动势势e从而产生从而产生感应电流感应电流i； 转子的旋转速度称转子的旋转速度称为电动机的转速，用为电动机的转速，用n表示。表示。 转子电流与旋转磁场相互作用产生转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力电磁力F； 力在转子的轴上形成力在转子的轴上形成电磁转矩电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转。转磁场的旋转方向旋转。5. .转转差率差率 S 由工作原理可知：转子的转速由工作原理可

16、知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度场的旋转速度n0（同步速度）要小。（同步速度）要小。 转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是是异步电动机异步电动机的由来。的由来。 定义：转速差定义：转速差(n0-n)与同步转速与同步转速n0的比值称为异步电动机的转的比值称为异步电动机的转差率，用表示差率，用表示S，即，即00nnnS 转差率转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。是分析异步电动机运行特性的主要参数。 4.24.2 三相异步电动机的额定参数三相异步电动机的额定参数 一、一、

17、 三相异步电动机定子绕组的接法三相异步电动机定子绕组的接法 1两种接法两种接法 定子绕组的首端和末端通常定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，都接在电动机接线盒的接线柱上，一般按图所示的方法排列。一般按图所示的方法排列。 按照我国电工专业标准规定：按照我国电工专业标准规定：定子绕组出线端的首端为定子绕组出线端的首端为D1、D2、D3，末端为，末端为D4、D5、D6。 三相电动机的定子绕组有三相电动机的定子绕组有星形（星形（Y型）型）和和三角形（形）三角形（形）两两种不同的接法。种不同的接法。星形（星形（Y型）接法型）接法三角形（形）接法三角形（形）接法星形（星形（Y型）型）接法

18、：末端相连，接法：末端相连，首端分别接三相交流电源。首端分别接三相交流电源。星形（星形（Y型）型）接法：首末端相接法：首末端相连，分别接三相交流电源。连，分别接三相交流电源。2线电压与相电压线电压与相电压 线电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；表示； 相电压相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用：每相绕组首、尾之间的电压，用U相相表示。表示。 对于星形接法：对于星形接法：相相UU31 对于三角形接法：对于三角形接法： 相相UU 13线电流与相电流线电流与相电流 线电流：电网的供电电流，用线电流：电网的供电电流，用I1 表示；表示； 相电流：每相绕组的电流，

19、用相电流：每相绕组的电流，用I相相表示。表示。 对于星形接法对于星形接法 ：相相II 1 对于三角形接法对于三角形接法 ：相相II31 cosUIP1113 4. . 电动机的输入功率：电动机的输入功率：二、额定参数二、额定参数 电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定额定运行运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。电动机的铭牌上。 1. 额定功率额定功率PN： 在额定运行情况下，在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率电动机轴上输出的机械功

20、率。 NNNPP1 输出功率的一般表达式为：输出功率的一般表达式为： 12PP 其中：其中： 效率；效率； P1 输入功率输入功率 P2输出功率输出功率 输出功率和输出转矩的关系为：输出功率和输出转矩的关系为： cosIKnP.TM222559 I2转子电流转子电流 2. .额定电压额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。值。 如标有两种电压值（例如如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用），这表明定子绕组采用 /Y连接时应加的线电压值。连接时应加的线电压值。即：即： 三角形接法时，定子绕组应接三角形接法时，定子绕

21、组应接220V的电源电压；的电源电压；星形接法时，定子绕组应接星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。的电源电压。 3. .额定频率额定频率f ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ Hz）。）。 50 f 如标有两种电流值（例如如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为），则对应于定子绕组为 /Y连接的线电流值。连接的线电流值。 4. .额定电流额定电流IN ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。定子的线电流值。即：即： 三角形接法时，定子电流为三角形接法时，定子

22、电流为10.35A；星形接法时，定子电流为星形接法时，定子电流为5.9A。 5. .额定转速额定转速nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。功率时，电动机的转速。 与额定转速相对应的转差率称为与额定转速相对应的转差率称为额定转差率额定转差率SN。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下 ： 1.1.额定功率因数额定功率因数 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差

23、的余弦。Ncos 2. .额定效率额定效率 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为N %100cos3NNNN IUPN 3. .额定负载转矩额定负载转矩TN ：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。的负载载矩。 4. 4.绕线式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。绕线式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。通常手册上给出的数据就是

24、电动机的额定值。 三、定子绕组连线方法的选用三、定子绕组连线方法的选用 定子三相绕组的连接方式（定子三相绕组的连接方式（Y形或形或 形）的选择，和普通三相形）的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。负载一样，须视电源的线电压而定。 如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成三角形；绕组应该接成三角形； 如果电源的线电压是电动机额定相电压的如果电源的线电压是电动机额定相电压的 倍，那么，电动倍，那么，电动机的绕组就应该接成星形。机的绕组就应该接成星形。 通常电动机的铭牌上标有符号通常电动机的铭牌上标有符号 /

25、Y和数字和数字220 /380 ，前者表示，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。3 例例 电源线电压为电源线电压为380V380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。试选择定子绕组的连接方式。 1. J32-4，功率，功率1.0kW，连，连接方法接方法 /Y，电压，电压220/380V，电流电流4.25/2.45A，转速，转速1420 r/min，功率因数，功率因数0.79。 2. J02-21-4，功率，功率1.1 kW，连接方法连接方法 ，电压，电压380

26、V，电流，电流6.27A，转速，转速1410 r/min，功率，功率因数因数0.79。 解：解： 1. J32-4 电动机应接星形（电动机应接星形（Y） 2. J02-21-4 电动机应接成三角形（电动机应接成三角形（ ）星形（星形（Y）三角形（三角形（ ）43 三相异步电动机的转矩特性和机械特性三相异步电动机的转矩特性和机械特性 4一、三相异步电动机的定子电路一、三相异步电动机的定子电路 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副

27、绕组。 定子绕组接上三相电源电压定子绕组接上三相电源电压（相电压为（相电压为u1）时，则有三相电流）时，则有三相电流通过（相电流为通过（相电流为i1），定子三相电），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势在转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势应出电动势e1 设定子和转子每相绕组的设定子和转子每相绕组的匝数分别为匝数分别为N1和和N2，如图所示，如图所示电路图是三相异步电动机的一电路图是三相异步电动机的一相电路图。

28、相电路图。 旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦规律变化的。是随时间按正弦规律变化的。t sinm 定子每相绕组中产生的定子每相绕组中产生的感应电动势感应电动势为：为： tNedd11 它也是正弦量，其有效值为：它也是正弦量，其有效值为： 1111444444fN.Nf.E 式中，式中，f1为为e1的频率。的频率。 因为旋转磁场和定子间的相对转速为因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以，所以

29、 6001pnf 它等于定子电流的频率，即它等于定子电流的频率，即 ff 1 定子每相绕组中还要产生定子每相绕组中还要产生漏磁电动势漏磁电动势tiLedd1L1L1 加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 )(j)()(1111111111EXIRIEERIUL 式中：式中： 和和 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。1R1XL11 21LfX 由于由于R R1 1和和X X1 1较小，其上电压较小，其上电压降与电动

30、势降与电动势E E1 1比较起来，常可比较起来，常可忽略，于是忽略，于是 EU111EU 二、三相异步电动机的转子电路二、三相异步电动机的转子电路 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为tNedd22 其有效值为其有效值为 2222444444SfN.Nf.E 式中，式中，f2为转子电动势为转子电动势e2或转子电流或转子电流i2相对于旋转磁场的频率相对于旋转磁场的频率. 因为旋转磁场和转子间的相对转速为因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n1000026060Sfpnnnn)nn(pf 在在 n=0 ，即，即S=1时，转子电动势时，转子电动势 21

31、20444Nf.E 为转子最大电动势为转子最大电动势202SEE 可见转子电动势可见转子电动势E2与转差率与转差率S有关。有关。 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。绕组中还要产生漏磁电动势。tiLedd2L2L2 因此，对于转子每相电路，有因此，对于转子每相电路，有 tiLRieRiedd)(2L222L2222 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 22222222j)(XIRIERIEL 式中，式中，R2和和X2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 L21L22222LS

32、fLfX L21202LfX 202SXX 在在 n=0 ，即，即 S=1 时，转子感抗为时，转子感抗为为转子最大感抗为转子最大感抗 可见转子感抗可见转子感抗E2与转差率与转差率S有关。有关。 转子每相电路的电流为转子每相电路的电流为 2202220222222)(SXRSEXREI 可见转子电流可见转子电流I2也与转差率也与转差率S有关。当有关。当S增大，即转速增大，即转速n降低时，降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是提高，于是E2增加，增加，I2也增加。也增加。 三、转矩特性三、转矩特性 电磁

33、转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是电磁转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要特性。它的主要特性。22mcos IKT 22022212444)SX(RNf.SI 所以所以220222222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT 因为因为转矩特性转矩特性 式中，式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数； U1 、U定子绕组电压，电源电压；定子绕组电压，电源电压； R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻； X20 电动机不动（电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。）时转子每相绕组的感抗。222

34、22222222)(cosSXRRXRR 四机械特性四机械特性 在异步电动机中，转速在异步电动机中，转速 n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。械特性。 1固有机械特性固有机械特性 异步电动机在异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有称为固有（自然）机械特性。（自然）机械特性。 根据根据 22022

35、22)SX(RUSRT 00nnnS 0010 S,nn,T 电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。空载转速。理想工作点理想工作点额定工作点额定工作点临界工作点临界工作点启动工作点启动工作点pfnn600 NNN,2SSnnTT 电动机额定工作点。此时电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为额定转矩和额定转差率为 NnPTNN55. 9 0N0NnnnS 式中式中: PN电动机的额定功率；电动机的额定功率； nN电动机的额定转速，一般电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般电动机的额定转差率，一般 TN电动机的

36、额定转矩。电动机的额定转矩。0N)985. 094. 0(nn 015. 006. 0N S额定工作点额定工作点 1, 0,3st SnTT 将将S=1代入转矩公式中，可得代入转矩公式中，可得2202222stXRURKT 电压降低，启动转矩会明显减小电压降低，启动转矩会明显减小转子电阻适当增大，启动转矩转子电阻适当增大，启动转矩会增大；会增大；而若增大转子电抗则会使启动而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。转矩大为减小。 通常把在固有机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩与额定转矩TN之比之比 st=Tst/TN 称为启动能力系数，是衡量异步电动机启动能力的一称为

37、启动能力系数，是衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。个重要数据。 2 . 10 . 1st 启动工作点启动工作点 mmmax,4SSnnTT 令令 0 dndT得临界转差率得临界转差率 202m/ XRS 再将再将Sm代入转矩公式中得代入转矩公式中得202max2XUKT 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 max=Tmax/TN称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。 鼠笼式

38、异步电动机鼠笼式异步电动机 2 . 28 . 1m 绕线式异步电动机绕线式异步电动机8 . 25 . 2m 临界工作点临界工作点2人为机械特性人为机械特性 由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。 改变改变定子电压定子电压U、定子电源频率定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗定子电路串入电阻或电抗、转转子电路串入电阻或

39、电抗子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。等，都可得到异步电动机的人为机械特性。 （1）降低电动机电源电压时的人为特性）降低电动机电源电压时的人为特性 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn 0n不变不变mS不变不变maxT随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小stT随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小 定子绕组外加电压为定子绕组外加电压为0.8UN:Tb=0.64Tmax 定子绕组外加电压为定子绕组外加电压为UN: Ta=Tmax 定子绕组外加电压为定子绕组外加电压为0.5UN:

40、Tc=0.25Tmax电压愈低，人为特性曲线电压愈低，人为特性曲线愈往左移。愈往左移。 三相交流异步电动机对电三相交流异步电动机对电网的波动非常敏感。网的波动非常敏感。 运行时，如电压运行时，如电压降低太多，会大大降降低太多，会大大降低它的过载能力与启低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或机发生带不动负载或者根本不能启动的现者根本不能启动的现象。象。NN22NNmmax98. 07 . 02TTUUTT 例如，电动机运行在额定负载例如，电动机运行在额定负载 TN 下，即使下，即使 m=2 ，若电网电压，若电网电压下降到下降到 70%UN ，则由于这时，则由于这

41、时 此外，电网电压下降此外，电网电压下降 ，在负载不变的条件下，将使电动机转，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率速下降，转差率S 增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。电动机也会停转电动机也会停转（2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性 在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似

42、这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似.。（3）改变定子电源频率时的人为特性）改变定子电源频率时的人为特性 fKfXTTXRURKTXUKTnnnXRSpfn1,26020Nmax2202222st202max0m0202m0注意到：注意到： 一般变频调速采用恒转矩调速，一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使应的变化，使 U/f =C ，这在实质上，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。是使电动机气隙磁通保持不变。 fn 0fS/1m fT/1st 不不变变ma

43、xT 因此，改变电源频率的机械特性因此，改变电源频率的机械特性如图所示：如图所示：lint4-20.swf（4）转子电路串电阻时的人为特性）转子电路串电阻时的人为特性 在三相绕线式异步电动机的转在三相绕线式异步电动机的转子电路中串入电阻后，转子电路中子电路中串入电阻后，转子电路中的电阻为的电阻为2r2RR NrrstmrmTTXRRURRKTXUKTnnnXRRSpfnmax220222222202max0020220)()(260 NrrstmrmTTXRRURRKTXUKTnnnXRRSpfnmax220222222202max0020220)()(260 0n不变不变maxT不变不变mS

44、随着串接电阻的增加而增大随着串接电阻的增加而增大 此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线。此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线。 stT电阻在一定的范围内时，增加电阻在一定的范围内时，增加 44 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。 （1 1）有足够大的启动转矩，保证生）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。即启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，要求

45、电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。否则电动机不能启动。 （2 2）在满足启动转矩）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流要求的前提下，启动电流越小越好。因为过大启动越小越好。因为过大启动电流的冲击，对于电网和电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。电动机本身都是不利的。 （3）要求启动平滑，即要求）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。产机械的冲击。 （4 4）启动设备安全）启动设备安全可靠，力求结构简单，可靠，力求结构简单，操作方便。操作方便。 （5 5）启动过程中的功率损耗越小越好。）启动过程中的功率损耗越小越好。 其中，（

46、其中，（1）和（）和（2）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。标。 异步电动机本身的启动特性为：异步电动机本身的启动特性为： a. 定子电流大，定子电流大，Ist=(57)IN 异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流子电流 。 b.启动转矩小启动转矩

47、小 NstT).(T5180 启动时启动时 ，转子功率因数，转子功率因数 很低，因很低，因而启动转矩而启动转矩 却不大。却不大。 1 S2202222cosXRR ststmstcosIKT22 异步电动机的固有启动特性：异步电动机的固有启动特性： 显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。一、一、 鼠笼式异步电动机的启动方法鼠笼式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么鼠笼

48、式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。启动方法，要根据实际情况而定。 1直接启动（全压启动）直接启动（全压启动） 直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。接入电源，在额定电压下进行启动。 特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。 直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取什么情况下采用

49、直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。 一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直时允许直接启动；接启动； 若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下

50、，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。列关系则可直接启动。 电电动动机机功功率率电电源源总总容容量量额额定定电电流流启启动动电电流流 443NstII 例例5.2：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其 PN=20kW, Ist/IN=6.5 ，如果供电变压器（电源）容量为，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且，且有照明负载，问可否直接启动？同样的有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN 比值，功率为多大的电比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动

51、？动机则不允许直接启动？ 解：根据经验公式算出解：根据经验公式算出 5675720456043.II.kWkVANst 满足上述关系，故允许直接启动。满足上述关系，故允许直接启动。 kWNPkVA. 45604356 可算出，额定功率大于可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。的电动机不允许直接启动。 2电阻或电抗器降压启动电阻或电抗器降压启动 启动时，接触器启动时，接触器1KM断开，断开，KM闭合，将启动电阻串入定子电闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；路，使启动电流减小； 待转速上升到一定程度后再将待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，闭合，Rst被短接，电动机接上被

52、短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。全部电压而趋于稳定运行。 适用于空载或轻载的场合适用于空载或轻载的场合 启动转矩随定子电压的平方下降启动转矩随定子电压的平方下降 。 不经济不经济 在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。3Y- 降压启动降压启动 启动时，定子绕组接成星形；启动时，定子绕组接成星形； 待转速上升到一定程度后待转速上升到一定程度后再将定子绕组接成三角形，电再将定子绕组接成三角形，电动机启动过程

53、完成而转入正常动机启动过程完成而转入正常运行。运行。 设设U1为电源线电压为电源线电压 IstY 定子绕组分别接成星形定子绕组分别接成星形 Ist 三角形的启动电流（线电流）三角形的启动电流（线电流） Z电动机在启动时每相绕组的等效阻抗电动机在启动时每相绕组的等效阻抗ZUI31stY ZUI1st3 所以所以 3 ststYII Y- 降压启动方法的特点：降压启动方法的特点： 设备简单、经济、启动电流小；设备简单、经济、启动电流小； 启动转矩小，启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或轻载启动的场合；空载或轻载启动的场合； 只适用于正常

54、运行时定子绕组接线为只适用于正常运行时定子绕组接线为 的异步电动机。的异步电动机。4自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动 自耦变压器启动时自耦变压器启动时的一相电路。的一相电路。11212 NNUUK12KUU 而变压器原边电流而变压器原边电流 I1=KI2=K2Ist ，即此时电网供电电流，即此时电网供电电流I1是直是直接启动时电流接启动时电流Ist的的K2倍。倍。即即I2=KIst 特点：特点： 与与Y- 降压启动时情况一样，只是在降压启动时情况一样，只是在Y- 降压启动时的降压启动时的 为定值，而自耦变压器启动时的为定值，而自耦变压器启动时的K是可调节的，这就是此种启动方是可调节的，这就

55、是此种启动方法优于法优于Y-启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的K2倍。倍。 变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于启动频繁的电动机。启动频繁的电动机。二、绕线式异步电动机的启动方法二、绕线式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机的鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大启动转矩小，启动电流大，因此不能满足，因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要

56、求。某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。 绕线式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大绕线式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。 在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电逐级切除启动电阻法阻法和和频敏变阻器频敏变阻器启动法。启动法。 1逐级切除启动电阻法逐级切除启动电阻法 采用逐极切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与他励直流采用逐极切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方

57、法相似，主要是为了使整个启动电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。过程中电动机能保持较大的加速转矩。 2频敏变阻器启动法频敏变阻器启动法 频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到绕线式异步电动机的转有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到绕线式异步电动机的转子电路中，子电路中， 大连理工大学电气工程系4.5 三相异步电动机的

58、调速三相异步电动机的调速1. 改变磁极对数改变磁极对数 p2. 改变转差率改变转差率 s 3. 改变电源频率改变电源频率 f1(变频调速变频调速)调速方法：调速方法： n = (1 s) n0 = (1 s)60 f1 p 有级调速。有级调速。无级调速。无级调速。大连理工大学电气工程系一、电动机的调速指标一、电动机的调速指标1. 调速范围调速范围2. 调速方向调速方向3. 调速的平滑性调速的平滑性 平滑系数平滑系数4. 调速的稳定性调速的稳定性 静差率静差率 D、 nN 的关系的关系 (nN = nmax) D =nmax nmin = ni ni1 = 100% n0n n0 TnOn01n

59、02nNnND =nN nN (1) 大连理工大学电气工程系例如：例如：nN = 1 430 r/min，nN = 115 r/min ， 要求要求30% %、则则 D = 5.3。 要求要求20% %、则则 D = 3.1。 再如：再如： nN = 1 430 r/min， D = 20，5% %， 则则 nN = 3.76 r/min。5. 调速的经济性调速的经济性6. 调速时的允许负载调速时的允许负载 不同转速下满载运行时：不同转速下满载运行时： 输出转矩相同输出转矩相同 恒转矩调速。恒转矩调速。 输出功率相同输出功率相同 恒功率调速。恒功率调速。大连理工大学电气工程系二、笼型异步电动机

60、的变频调速二、笼型异步电动机的变频调速 U、f 可可 变变M33整流电路整流电路逆变电路逆变电路50 Hz控制控制电路电路 直直 流流n0TnOn0f1fNU1L= UN n0TnOn0f1f N ， = =常数常数 U1f1 TLTL大连理工大学电气工程系 1. 调速方向调速方向 f1fN 时：时：n 。 2. 调速范围调速范围 D 较大。较大。 3. 调速的平滑性调速的平滑性 平滑性好（无级调速）。平滑性好（无级调速）。 4. 调速的稳定性调速的稳定性 稳定性好。稳定性好。 5. 调速的经济性调速的经济性 初期投资大；运行费用不大。初期投资大；运行费用不大。 6. 调速时的允许负载调速时的