第五章交流电动机

1、第五章 交流电动机的工作原理及特性 交流电动机分为 异步电动机 同步电动机 本章主要掌握三相异步电动机的结构和工作原理，机械特性、启动、调速、制动等特性。 直流电动机是转子绕组通电流 交流电动机是定子绕组通电流鼠笼式线绕式转子结构不同5.1 三相异步电动机的结构和工作原理5.1.1 三相异步电动机的基本结构定子：由铁心、三相对称绕组组成，产生旋转磁场。转子：由铁心、绕组组成，铁心构成磁路的一部分。对称正弦三相交流电对称正弦三相交流电IIdt)t(iTI)wtsin(Ii)wtsin(IiwtsinIimTmCmBmA21343202幅值有效值瞬时值v5.1.2 三相异步电动机的工作原理 一、旋

2、转磁场的产生电流为正，首端画电流为负，首端画 t=0t=T/6t=T/3t=T/2在正弦交流电的半个周期，磁场旋转了180（顺时针）磁场与转子产生了相对运动转子绕组中产生感应电动势感应电流电磁转矩转子转动二、旋转磁场的方向 三相绕组的通电顺序即为旋转磁场的旋转方向，故将定子绕组上的三根导线任意两根对调，则旋转磁场反向。 所以三相异步电动机的正反转可由调电源的相序改变 旋转磁场的转速n0 转子的转速n两者不同步异步电动机00nnnS转差率三、磁极对数与旋转磁场转速关系1.每相绕组由两个部分串 联构成2.产生的磁极对数就会增 加一倍3.电流变化半个周期，磁 场旋转了1/4个周期（旋 转磁场的转速n

3、0与磁极对 数p成反比pfn600旋转磁场转速正弦交流电的频率f 同步转速n0：指定子产生的旋转磁场的转速。 若电源频率为f, 磁极对数为p, 则定子旋转磁场转速为: 转子转速n：电机输出的转速。 pfn600几个重要参数几个重要参数00nnnS转差率 5.1.4 定子绕组的线端连接方式相线相线IIUU3相线相线I3IUU首首尾尾通常电动机铭牌上标有符号Y/和数字380/220 定子绕组Y接: 线电压接380V； 定子绕组接:线电压接220V。例5.1：电源的线电压值380V，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。Y90S-4，功率1.1kW，电压220/380V，连接方

4、法/YY112M-4 ，功率4.0kW，电压380/660V，连接方法/Y解：Y接 接补充：变压器原理1i1ue1eL12ie2eL2L1L2e1 、 e2 -感应电动势eL1 、 eL2 -漏磁感应电动势e1与 i1 方向一致e2由 i2 方向决定1N2N:主磁通，由N1、N2共同产生L：漏磁通dtdNe11dtdNe22dtdiLdtdNeLL1111dtdiLdtdNeLL22221i1ue1eL12ie2eL2L1L21N2NtUumsin1设：tmsintNdtdNemcos111)90sin(tEmmmmfNNE112mmmfNfNEE1144.42221111LeeRiu根据回路

5、电压方程111ReueL很小和mfNEU11144.45.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路5.2.1定子电路分析 电压平衡方程式为： 11111LeeRiu1Le111144. 4fNEU604442212201112011111111pnffNf.wtdtcosNfEwtcosNfdtdNefwwtsinwtsinm其中：2222LeRiedtdiLiRe22222Le02060Snpfnn2R2i2e一.转子回路电压平衡方程式00nnnS由：转子切割磁力线的相对速度为：n0-n二.f2与f1的关系：10260SfSpnf6001pnf 5.2.2 转子电路分析写成相量式：222222

6、ZIXIjRIE转子内阻抗222jXRZ2L201222244.444.4SESfNfNE应电动势转子不转时转子中的感122044. 4fNE2222222ZIXIjRIE2X转子电路漏磁感抗三.转子电路各量1.10260)(Sfnnpf2202220222222)(SXRSEXREI2f频率2.2E感应电动势02122222SXLSfLfX3.4.2I转子电流5.2cos功率因数的相位差为转子相电压和相电流2220222222222)(cosSXRRXRR结论：转子中各量都与转差率S有关2E2I2刚启动瞬间S=1 n=012ff202EE02XX最大转子电流2I最小2cosS=1时，转子没有

7、转动，S=0时，为旋转磁场转速5.2.3三相异步电动机的额定值（1）额定功率 PN: 在额定运行条件下，电动机轴上输出的机械功率。（2）额定电压 UN: 在额定运行条件下，定子绕组端应加的线电压值。 注意铭牌上标定的定子绕组的接法；外加电压在UN(15%）之间（3）额定频率 f: 在额定运行条件下，定子外加电压的频率。（工频）（4）额定电流 IN:在额定电压、额定频率和电动机轴上输出额定功率时，定 子的线电流值。（5）额定转速 nN:在额定电压、额定频率和电动机轴上输出额定功率时， 电动机的转速。与之对应的转差率为额定转差率SN。（6）额定效率：在额定电压、额定频率和电动机轴上输出额定功率时，

8、电 动机输出功率与输入功率之比。（7）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的负载转矩。%100cos3NNNNNIUPNNNnPT55. 95.3 三相异步电动机的转矩与机械特性5.3.1三相异步电动机的转矩公式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22cosIKTt1122202222444Nf.NKK)SX(RUSRKTt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 n=f(T)电磁转矩将 代入上式得到22cos、IT与S之间的关系可利用n与S之间的关系，将T-S化为T-n5.3.2三相异步电动机的机械特性一：固有机械特性（用

9、四个特征点描述其机械特性曲线）1.理想空载 S=0，n= n0 点（ 0，n0 ）2.额定工作点 S= SN 点（TN，nN)3.启动工作点 S=1 点（Tst，0)4.极值(临界) S=Sm 点（nm，Tmax) 条件：任何电阻，定子及转子中不串入，NNffUU16010pfn NNNnPT55. 92202222XRURKTst202max2XUKT202XRSm 电机固有机械特性的两个重要指标 1 启动能力系数： 2 过载能力系数：NststTT /NmTT/max三相异步电动机的固有机械特性曲线二：人为机械特性 由 电机机械特性与定子绕组相电压U，定子电源频率f, 转子阻值 R2，转子

10、感抗X20有关。将改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗（线绕式电机）时的机械特性称为人为机械特性。2202222)SX(RUSRKT1 降低电机电源电压时的人为机械特性 U降低，n0及Sm不变。Tmax正比于U2。即在同一转差率的情况下，人为特性与固有特性的转矩之比等于电压的平方和之比。因此，异步电动机对电压的波动非常敏感。2 定子电路串电阻或电抗 与降低电源电压时的人为特性类似，所不同的是3 改变电源频率f时的人为机械特性 4 转子串电阻时（只适用于线绕式电机）此时：n0不变，Sm增大，Tmax不变，所串入电阻阻值适当增加时，Tst将增大。5.4 三

11、相异步电动机的启动特性对启动的要求 ：1.足够大的启动转矩 2.较小的启动电流 直接启动的问题： 启动初始瞬间 n=0，S=1 1.启动电流大 频繁启动会使电动机过热（定子绕组电流大） 过大的启动电流在短时间内会在线路上造成较大 的电压降落，影响临近负载的正常工作 2.启动转矩小 虽然启动电流大，但功率因数很低，不能满载启动stTstINstII)75( NstTT)5 .18 .0(stststIKT22cos5.4.1鼠笼式异步电动机的启动方法v在一定条件下，可直接启动（全压启动）v不允许直接启动，可降压启动 串电阻或电抗器启动 星三角降压启动 自耦变压器降压启动 延边三角形启动1 、 直

12、接启动（在额定电压下启动）电动机功率电源总容量额定电流启动电流443NstII现代设计的鼠笼异步电动机都按直接启动时的电 磁力和发热来考虑它的机械强度和热稳定性，因 此从电机本身来说，都允许直接启动对电网而言要求：独立变压器供电，启动频繁的电机：功率小于变压器功率20%的启动不频繁的电机：功率小于变压器功率30%的与照明电共用电源时依据经验公式：可直接启动可直接启动对负载而言，空载或轻载，可直接启动5.6,20NstNIIKWP例5.2 经常启动鼠笼式电动机供电变压器容量560KVA，且有照明负载，问:可否直接启动？同样的 ，功率为多大的电动机不允许直接启动？NstII75. 71020410

13、5604344333电动机功率电源总容量解：75.75.6NstII可直接启动5 . 6410560434433NP电动机功率电源总容量KWPN24)75.05.6(4560不允许直接启动KWPN242 、定子电路串接电阻或电抗降压启动特点：1、启动转距小，适用于空载或轻载启动 2、电阻消耗能量大，不适和于经常启动的场合 如用Xst代替Rst，费用高，设备体积大启动时合KM启动完成合1KM，切除Rst 3 、降压启动v启动时： v启动时：v故Y时：v 降压启动在减小启动电流时，启动转 矩也同时减小ZUIstY313ststYII注；我国规定4kW以上的三相异步电机，其额定电压为380V时，连接

14、方式为线电流、ststYII线电压1U启动时KM、1KM闭合，定子绕组接Y型，启动完成断1KM，合2KMZUIst1333U2121UTstY）（21UTst3ststYTT优点：设备简单，经济，启动电流小；缺点：启动转矩小，启动电压不能按照实际需要调节Y-启动适用于电机正常工作时，定子绕组接成的情况 空载或轻载启动的场合改进：4. 自耦变压器降压启动自耦变压器抽头有0.50、0.65、0.80等122112NNIIUU变压器的变压比K为v启动时：ststIKKIIKII221212KKUUK而：倍时的启动电流也是全压启动倍压是全压启动时的加在定子绕组的每相电全压启动电流变压器副边电流变压器原

15、边电流stIII21ststTKT2结论：启动电流、启动转矩都是全压启动时的 倍2K优点：启动电压可调缺点：变压器体积大、重、价高，启动时处于过电流状态5.延边三角形启动v启动时，将定子绕组的一部分接成Y型，一部分接成型，启动电流在纯Y型与纯型之间。v鼠笼电动机几种常用启动方法比较（见P70）ststBstYTTT5.4.2 线绕式异步电动机启动方法v鼠笼式异步电动机启动转矩小，启动电流大，不能满足有些生产机械要求启动转矩大，启动电流小的要求。v根据 可选用线绕式电动机在转子回路串电阻来提高启动转矩，降低启动电流。线绕式电动机在转子回路串电阻的启动方法有两种：1.逐级切除启动电阻（与直流他励电

16、动机类似）2.采用频敏变阻器2202222XRURKTst1.逐级切除电阻2.频敏变阻器的工作原理v频敏变阻器是一个三相电抗器（铁芯线圈），铁芯是由钢板制造的，铁损较大，因而等效电阻较大；在工作时，转子电流的频率是变化的：在刚启动时，频率高（频敏变阻器的感抗高），随着转速的升高，频率减少（感抗自动减少）。 在启动过程中，随着转速的升高，频率减少，感抗减少，频敏变阻器的阻抗就减少。当电动机转速正常以后,转子转速与定子旋转磁场相差很少,转子内部电流频率很低,电抗器对低频电流阻抗很小,所以对正常工作电流影响很小。v优点：自动平滑调节启动电流和启动转矩，结构简单，运行可靠 v缺点：cos2低，启动转矩

17、的增大受限制，不能用作调速电阻。v用在对调速没要求、经常正反转、对启动转矩要求不大的场合。5.5 三相异步电动机的调速特性1.调压调速通过改变定子绕组电压U来调速方法：改变电源电压；定子回路串电阻R1s特点：调速范围不大 可实现无级调速 最大转矩Tmax 下降 )1 (60)1 (0spfnsn由可采用改变 转差率s、频率f、磁极对数p进行调速一.改变S调速（n0不变）1 调压调速v能够实现无级调速，但转距按U2比减小。且调速范围不大。2. 转子电路串电阻调速（适用于线绕式）特点：串入电阻后转速n 实现有级调速 最大转矩Tmax不变低速时损耗大 适用于短时、重复运行的起重运输设备二. 改变极对

18、数调速v调速时，由于电流改变方向，所以若要维持电机转向不变，应改变三相绕组的相序。通过改变定子绕组的接法改变p，实现调速，一般用于双速、三速、四速电动机方法是将一相绕组分两部分，串联或并联。绕组串联并联，极对数vnYY=2nYvnYY=2nYYYYY三.变频调速条件：定子、转子回路不串任何阻抗，保持U/f=常数特点：调速范围大 可实现无级平滑调速 Tmax、不变 需专门的变频设备，且 成本较高(小功率电机调 速成本较低）fa5.6三相异步电动机的制动特性v反馈制动v反接制动：电源反接、倒拉反接v能耗制动制动：电动机转动的方向与电磁转矩方向相反1、反馈制动(nn0，sn0时，转子导体切割旋转磁场

19、的方向与电动状态相反，因此I2改变方向，从而T=KtI2cos2也改变方向，与电动状态相反，电动机变为发电机，此时的电磁转矩为制动转矩。产生反馈制动的情况（1）起重机下放重物（在第三象限） 电磁转矩与负载转矩同方向，n 当nn0进入第四象限，产生反馈制动电磁转矩变为制动转矩，TM=TN,匀速下降（a点） 在转子电路串入电阻，可得到不同的稳态转速（b点）。（电阻不能太大）（2）变极或变频调速时的反馈制动 当磁极对数突然增多或电源电源频率突然下降，使得旋转磁场的转速n0降低，会产生反馈制动。nan02时，abc（ncna）2、反接制动改变三相电源的任 意两相相序）转子导体切割旋转磁场的方向与电动状

20、态相反，因此I2改变方向，从而T=KtI2cos2也改变方向，产生制动转矩，使得转速下降。注： 当n=0时，应切断电源，否则电机将 反向启动。 由于相对转速为（n0+n）I2 I1故对鼠笼式电动机常在定子回路串接电阻,对于线绕式电动机常在转子回路中串接电阻.反接制动定子回路串电阻反接制动(2)倒拉反接制动倒拉反接制动出现在位能负载转矩超过电磁转矩时，如重物下放的过程。为使下降速度不致过快，在转子电路中串入较大的附加电阻如上升时在a点，下降时加入电阻，转速从abc(n=0)，TLTM,n反向旋转（相当于反接），重物被下放制动时n0方向不变，而n反向，致使转差率1)(00nnns在d点， TL=T

21、M达到平衡，可稳定运行。3、能耗制动能耗制动时，切断三相电源，接入直流电源，产生与旋转磁场方向相反的固定磁场，产生制动转矩电动机转速nn=0，T=0准确停车注：停车后要及时切断直流电源，否则容易烧毁定子绕组。反接制动的问题：容易造成反转，准确停车困难，且能耗大。复习：一.鼠笼式三相异步电动机的起动 1 .直接起动 2.降压起动（定子回路串电阻、Y-、自耦变压器、延边） 1.转子回路串电阻逐级切除 2.转子回路串频敏变阻器二.线绕式三相异步电动机起动三. 三相异步电动机调速1.调压调速； 2.转子回路串电阻调速；3.改变磁极对数（绕组串改并，磁极对数减少）；4.变频调速四. 三相异步电动机制动1

22、.反馈制动； 2.反接制动（电源相序改变旋转磁场方向改变，产生制动转矩）（倒拉制动出现在位能负载转矩电磁转矩时）；3. 能耗制动（切断交流电，接入直流电，产生制动转矩，待电动机停车后，要切断直流电）5.7单相异步电动机单相异步电动机结构 定子：只有一相绕组 转子：采用鼠笼式绕组一、单相异步电动机旋转磁场的产生 当单相异步电动机定子接入单相交流电时，在定子、转子、气隙中产生一个交变脉动磁场，该磁场在空间上并不旋转，只是磁通量或磁感应强度的大小随时间做正弦变化。故单相异步电动机无启动能力。tBBmsin突极式隐极式该磁场可以分解成转速相等但方向相反的两个旋转磁场：同步转速为：2/21mmmBBBp

23、fn/600T+与T-的合成曲线问题：n=0时，T=0，不能自行启动解决：外力推；在定子绕组中产生不同相位的电流S=1，T+=T-T=0即转子静止时，转矩为零T+顺时针旋转二、单相异步电动机的启动方法 1.电容分相式异步电动机（定子上有两个绕组）启动绕组工作绕组旋转磁场的方向：从电流超前的绕组电流滞后的绕组BYAX使两个绕组产生相位差（差90电角度）转子转速正常后，可切断C，也可不切断C。P83单向异步电动机正反转控制 通过改变电容的接法，来改变转向开关接1顺时针转动开关接2逆时针转动图图5-52 单相罩极式异步电动机的结构及矢量图单相罩极式异步电动机的结构及矢量图 2.罩极式单相异步电动机IK：罩极线圈中的感应电流，作用是阻止罩极部分磁通的变化A与B在空间上差一个电角度，在时间上有一个相位差，二者形成一个从未罩极向罩极方向移动的磁场，在转子上产生一个起动转矩，使转子转动。5.8 同步电动机的工作原理、特点及应用 同步电机即可做电动机使用，也可做发电机使用，发电厂用的交流发电机全部采用同步发电机。 同步电机除用于电力传动外，还用于补偿电网的功率因数。一.同步电动机的基本结构定子：铁心、电枢绕组（接对称三相交流电）转子：由