哈尔滨工业大学交流电动机课程

1、1 第第8 8章章 交流电动机返回返回目目 录录3交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、并励、串励、复励他励、并励、串励、复励电动机：电能转换成机械能电动机：电能转换成机械能发电机：其他形式的能量转换成电能发电机：其他形式的能量转换成电能返回返回4使用电动机驱动生产机械可：使用电动机驱动生产机械可： （1 1）简化生产机械的结构）简化生产机械的结构 （2 2）提高生产效率和产品质量）提高生产效率和产品质量 （3 3）能实现自动控制）能实现自动控制 （4 4）实现远距离操纵）实现远距离操纵 （1 1）基本结构）基本结构 （2 2）工作原理）

2、工作原理 （3 3）机械特性）机械特性 （4 4）起动、制动、反转、调速的基本原理）起动、制动、反转、调速的基本原理 （5 5）应用场合和正确使用）应用场合和正确使用 返回返回58.1 8.1 三相异步电动机的构造三相异步电动机的构造鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式转子转子返回返回定子（固定部分）定子（固定部分） 转子（旋转部分）转子（旋转部分）分为两个基本部分分为两个基本部分：6 构成：由机座、铁心和定子绕组组成构成：由机座、铁心和定子绕组组成 机座是用铸铁或铸刚制成，铁心由机座是用铸铁或铸刚制成，铁心由 互相绝缘的硅钢片叠成，内圆周表互相绝缘的硅钢片叠成，内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组；面

3、冲有槽，用以放置对称三相绕组；对称三相绕组有的联接成星形、有对称三相绕组有的联接成星形、有的联接成三角形的联接成三角形 作用：作用： 产生旋转磁场产生旋转磁场 返回返回7机座机座定子绕组定子绕组铭牌数据铭牌数据出线端子出线端子返回返回8返回返回9鼠笼式电动机构造简单、价格低鼠笼式电动机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便廉、工作可靠、使用方便 构成构成：由铁心和绕组两部分构成：由铁心和绕组两部分构成 铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，装在转轴上，轴上加机械负载；因绕组装在转轴上，轴上加机械负载；因绕组不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。不同，可分为鼠笼式和绕线式两种

4、。作用作用：在旋转磁场作用下，产生感：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。应电动势或电流。返回返回10鼠笼式转子鼠笼式转子转轴转轴轴承轴承转子转子返回返回11返回返回12返回返回13绕线式转子绕线式转子 铁心铁心绕组绕组转轴转轴返回返回148.2 8.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理返回返回15vlBe（右手定则右手定则）（左手定则左手定则）ilBfn0neiNSfB:磁感应强度磁感应强度v:切割速度切割速度l :导线长导线长磁极旋转磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线切割磁力线产生感应电动势闭合导线产生电流闭合导线产生电流通电导线在磁场中受力通电导线在磁场中受力返

5、回返回16 1. 线圈跟着磁铁转线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致两者转动方向一致异步异步 2. 线圈比磁场转得慢线圈比磁场转得慢0nn返回返回178.2.1 旋转磁场旋转磁场240sin120sinsintIitIitIimCmBmA1. 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流电流，就可产生一电流，就可产生一“旋转磁场旋转磁场”代替演示实验中代替演示实验中的磁铁的磁铁返回返回180tAXYCBZAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁场

6、方向：合成磁场方向：向下向下参考方向：绕组参考方向：绕组始端到末端的方始端到末端的方向向返回返回19 60tAXYCBZSN0n60A120tXYCBZ0n同理分析，可得同理分析，可得其它电流角度下其它电流角度下的磁场方向的磁场方向AiBiCitmI返回返回20 可见，当定子绕组中通入三相电流后，它可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。2. 旋转磁场的转向旋转磁场的转向 当当通入定子绕组的三相电流的相序为通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-CA-B

7、-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。取决于三相电流的相序。取决于三相电流的相序。返回返回21改变电机旋转方向的方法：换接其中两相改变电机旋转方向的方法：换接其中两相AiBiCimItAiCiBimIt返回返回223. 旋转磁场的极数旋转磁场的极数BiAXBYCZAiCi 此种接法下，绕组的始端之间相差120度空间角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。AXYCBZNS旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关即即：P=1返回返回23CYABC

8、XYZAXBZAiBiCi 将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内，绕组的始端之间相差60度空间角，形成的磁场则是两对磁极。AXX ANSSNZCZCBY BY即即：P=2返回返回244. 4. 旋转磁场的转速旋转磁场的转速AXYCBZNSAXYCBZNS0nAXYCBZSN60AiBiCimIt 旋转磁场的转速决定于磁场的极数，在一对极的情况下，当电流交变一次时，磁场恰好在空间旋转了一周。N0=60f（转/分）返回返回25XNSASNZBX AYCZ BCY0t 60t A0nAZXXC ZCSNSN30 旋转磁场具有旋转磁场具有两对两对极极时，当电流从时，当电流从tt=0=0到到tt=6

9、0=60经历了经历了6060时，时，磁场在空间仅旋转了磁场在空间仅旋转了3030。比比P P=1=1时转速慢了一半，时转速慢了一半，即：即：N0=60f/2（转/分）返回返回26 所以，旋转磁场的所以，旋转磁场的转速转速n0 0决定于决定于电流频率电流频率f1 1和磁场的和磁场的极对数极对数P，可推出：，可推出：2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速)Hz50(f0n3p120分）转/( 0001n分）转/( 600pfn 返回返回275. 5. 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动

10、机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速电动机转速:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但但 异步电动机异步电动机0nn无转距无转距转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流提示提示：如果如果0nn 返回返回288.2.2 8.2.2 电动机的转动原理电动机的转动原理 在电动机定子绕组中通入三相对称交流电流后，产生旋转磁场。 旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。 在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，使

11、转子导条受到电磁力作用。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。返回返回29异步电机运行中异步电机运行中:%91s转差率：转差率：电动机起动瞬间电动机起动瞬间:1 , 0sn（转差率最大转差率最大）8.2.3 8.2.3 转差率转差率%10000nnns同步转速：同步转速： 旋转磁场的转速旋转磁场的转速返回返回301. 1. 三相异步电动机的三相异步电动机的“电磁电磁”关系关系 8.3 8.3 三相异步电动机的电路分析三相异步电动机的电路分析 ：主磁通产生主磁通产生的感应电动势的感应电动势。e1e2、 ：漏磁通产漏磁通产生的感应电动势生的感应电动势。e 1e 2、dtdNeeeRiu111111

12、1 2.2.定子电路定子电路i2定子电路定子电路R1R2i1u1e1e 1e2e 2转子电路转子电路定子绕组相当于变压器原边绕组，转子绕组相当于副绕组定子绕组相当于变压器原边绕组，转子绕组相当于副绕组。返回返回31tNum1111cos设：设：tsin1m11112 fNNUmmmmNfUUE1111144. 42设：设：返回返回322f取决于转子和旋转磁场的相对速度取决于转子和旋转磁场的相对速度1000026060SfPnnnnPnnf（1）转子频率转子频率（2）转子电动势转子电动势mmNSfNfE2122244. 444. 43.3.转子电路转子电路：转子线圈匝数转子线圈匝数2N：转子感应

13、电动势的频率转子感应电动势的频率2f返回返回33其中其中202122222SXLSfLfX202122244. 444. 4SENSfNfEmm（4）转子功率因数转子功率因数 （3）转子电流转子电流2202220222222)(SXRSEXREI220222222222)(cosSXRRXRR返回返回348.4.1电磁转矩电磁转矩 ： 转子中各载流导体在旋转磁场的作用下转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, , 受到电受到电 磁力所形成的转距之总和磁力所形成的转距之总和。22cosIKTmT8.4 8.4 转矩与机械特性转矩与机械特性 TK常数常数m每极磁通每极磁通2I转子电流转子电流2转子电路

14、的功率因数转子电路的功率因数即即返回返回3522cosIKTmT22022202)(SXRSEI2202222)(cosSXRRmNfU11144.4其中其中：代入可得代入可得21220222)(UsXRsRKT返回返回368.4.2 8.4.2 机械特性曲线机械特性曲线 由转矩公式由转矩公式得特性曲线得特性曲线：Ts10n0Tn 一定的电源电压和转子电阻之下，转矩与转一定的电源电压和转子电阻之下，转矩与转差率的关系曲线或转速与转矩的关系曲线差率的关系曲线或转速与转矩的关系曲线21220222)(UsXRsRKT返回返回37NT（1 1）额定转矩）额定转矩 ：电动机在额定电压下，以额电动机在额

15、定电压下，以额定转速定转速 运行，输出额运行，输出额定功率定功率 时，电动机转轴时，电动机转轴上输出的转矩。上输出的转矩。2PNn（牛顿（牛顿米）米）n0TnNTnN)/()(955060222分转千瓦NNNnPnPT返回返回38 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。常用特常用特性段性段n0nT 自适应负载能力是自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）油门，才能带动新的负载。）TISnTL2 直至新的平

16、衡。此过程中， 时， 电源提供的功率自动增加。2 I1 I返回返回39硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。动特性好。 硬特性 （R2小）小）软特性（R2大）大）0Tn 不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电动机性电机；重载起动则选软特性电动机。返回返回40 如果如果 电机将会电机将会因带不动负载而停转因带不动负载而停转。maxTTL（2 2）最大转矩）最大

17、转矩 ：maxT电机带动最大负载的能力电机带动最大负载的能力。n0TnmaxT求求解解0ST2021max21XKUT21220222)(UsXRsRKT返回返回41过载系数过载系数：三相异步机三相异步机2 .28 .1 （1）三相异步机的三相异步机的 和电压的平方成正比，所和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。maxT 工作时，一定令负载转矩工作时，一定令负载转矩 ，否则，否则电机将停转。致使电机将停转。致使maxTTL （2）NTTmax电机严重过热电机严重过热120 IIn返回返回42stT（3）起动转矩起动转矩

18、电动机起动时的转矩。电动机起动时的转矩。n0TnstT21220222)(UsXRsRKT0n1)(s 其中其中LstTT stT体现了电动机带载起动的能力。若体现了电动机带载起动的能力。若 电机能电机能起动，否则将起动不了起动，否则将起动不了。则则21220222)(UXRRKTst返回返回43 结论结论：21220222)(UsXRsRKT1U0Tn0) 0(nns返回返回44R2的的 改变改变 ： 鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同 绕线式电动机外接电阻不同绕线式电动机外接电阻不同 21220222)(UsXRsRKT0ST令：令：得：得：202XRSm

19、2 R0Tn2RmsmsstTstT 返回返回458.5 三相异步机的使用三相异步机的使用stI（1）起动电流起动电流 ：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5-7 5-7 倍。倍。0n原因：原因：起动时起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。，转子导条切割磁力线速度很大。定子电流定子电流转子感应电势转子感应电势转子电流转子电流8 . 5 . 1 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动1.起动性能起动性能返回返回46B 大电流使电网电压降低大电流使电网电压降低 A 频繁频繁起动时造成热量积累起动时造成热量积累 影响影响：（2）起动转矩起动转矩 起动时，虽然转

20、子电流较大，但因转子的功起动时，虽然转子电流较大，但因转子的功率因数很低，因此起动转矩并不是很大的，与额率因数很低，因此起动转矩并不是很大的，与额定转矩之比为定转矩之比为1.0-2.21.0-2.2。 如果起动转矩如果起动转矩过小过小，就不能满载起动，应设，就不能满载起动，应设法提高；如果起动转矩法提高；如果起动转矩过大过大，会使传动机构受到，会使传动机构受到冲击而损坏，应设法减小。冲击而损坏，应设法减小。电机过热电机过热影响其他负载工作影响其他负载工作返回返回472.2.三相异步机的起动方法：三相异步机的起动方法：（1） 直接起动直接起动 20-3020-30千瓦以下的异步电动机一般采用直接

21、起动千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。（2） 降压起动降压起动 在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流，鼠笼式电动机常用的降压起动方法有Y换接起动和自耦降压起动。 方法简单，但起动电流较大，影响电网上其他负载正常工作。返回返回48Y 起动起动 正常正常运行运行lUAZBYXClI 起动起动ABCXYZlUlYIZUIllY33ZUIll设：设：电机每相阻抗为电机每相阻抗为z返回返回49PPUU31（2）Y 起动应注意的问题：起动应注意的问题：（1）仅适用于仅适用于正常正常接法为三角形接法的电动机接法为三角形接法的电动机。 Y 起动时，起动电流减小的同时，起动转起动时，起动电

22、流减小的同时，起动转矩也减小了。矩也减小了。所以降压起动适合于所以降压起动适合于空载或轻载空载或轻载起动的场合起动的场合返回返回50RRR绕线式转子绕线式转子1222202202)(IIRXREIst（3 3）转子串电阻起动（绕线式电动机）。）转子串电阻起动（绕线式电动机）。起动时将适当的起动时将适当的R R串入转子绕组中，串入转子绕组中，起动后将起动后将R R 短路。短路。返回返回51转子串电阻起动的特点：转子串电阻起动的特点：适于转子为适于转子为绕线式绕线式的电动机起动。的电动机起动。（1） （2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流起动电流， 又可以增

23、加又可以增加起动转矩起动转矩。常用于要求起动转矩较大。常用于要求起动转矩较大 的生产机械上，如卷扬机、锻压机、起重机等的生产机械上，如卷扬机、锻压机、起重机等。0Tn2R2R22RR返回返回52方法：方法：和电源相接的任意两相和电源相接的任意两相互换互换，就可实现，就可实现反转反转。 8.5.2 8.5.2 三相异步电动机的正、反转三相异步电动机的正、反转正转正转反转反转A B CM3电电 源源ABCM3电电 源源返回返回53 1. 反接制动反接制动 停车时，将电动机接到电源的三根线中的任意两根的一端对调位置，使旋转磁场反向旋转，电动机的转矩方向与电动机原来的旋转方向相反，起制动的作用。 8.

24、5.3 8.5.3 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。即切割磁力线的速度很大，造成转子电流增大，引起定子电流增大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻简单、效果好简单、效果好但能量消耗大但能量消耗大返回返回542. 能耗制动能耗制动： 停车时，断开交流电源，接至直流停车时，断开交流电源，接至直流 电源上，产生制动转矩。电源上，产生制动转矩。制动转矩的大小与直流电流的大小有关制动转矩的大小与直流电流的大小有关直流电流的大小一般为电动机额定电流直流电流的大小一般为电动机额定电流的的0.5-10.5-1倍倍制动能量消耗小制动能量消耗小制动平

25、稳，但需制动平稳，但需要直流电源要直流电源M3+-运行运行制动制动n F转子转子返回返回55 3.发电反馈制动发电反馈制动： 当电动机转子的转速超过旋转磁场的同步转速当电动机转子的转速超过旋转磁场的同步转速时，这时的转矩也是制动转矩时，这时的转矩也是制动转矩。n Fno当起重机快速下放重物时当起重机快速下放重物时当多速电动机从高速调到当多速电动机从高速调到低速的过程中低速的过程中电动机已转入发电机运行，将重电动机已转入发电机运行，将重物的位能转换为电能而反馈到电物的位能转换为电能而反馈到电网里去，所以称为发电反馈制动网里去，所以称为发电反馈制动返回返回568.5.4 三相异步电动机的调速三相异

26、步电动机的调速1. 改变极对数改变极对数 有级调速有级调速。p2. 改变转差率改变转差率 s无级调速无级调速调速方法调速方法：pfsnsn106011适用于绕线式电动机方法：方法：在绕线式电动机的转子电路中接入调在绕线式电动机的转子电路中接入调速电阻，改变电阻的大小，就可得到平滑调速电阻，改变电阻的大小，就可得到平滑调速。速。返回返回573. 变频调速变频调速 此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。成）。恒转矩调速恒转矩调速：低于额定转速时，保持低于额定转

27、速时，保持U1/f1的比值近似不变，这时磁通的比值近似不变，这时磁通和转矩也都和转矩也都近似不变。近似不变。恒功率调速恒功率调速：高于额定转速时，应保持高于额定转速时，应保持U1=U1N，这时磁通，这时磁通和转矩都减小。转速和转矩都减小。转速增大，转矩减小，使功率近似不变。增大，转矩减小，使功率近似不变。无级调速无级调速返回返回581. 型号型号 Y 132M4 分）转/( 600pfn 转差率转差率0.04 150014401500s8.6 8.6 铭牌数据铭牌数据2. . 转速转速: 电机轴上的转速电机轴上的转速（n)。 如：如： n =1440 转转/分分磁极数磁极数( (极对数极对数

28、p=2) )同步转速同步转速15001500转转/ /分分Y：三相异步电动机三相异步电动机132132：机座中心高：机座中心高（132mm）M：机座长度代号，机座长度代号，M- -中机座；中机座；S- -短机座，短机座，L- -长机座。长机座。返回返回593. 接法接法：Y/ 接法接法 Y 接法接法： W2U2V2U1V1W1V1W1U1U2V2W2指定子三相绕组的接法 接法接法：U2U1W2V1V2U1W2U2V1V2W1W1W2U2V2V1W1U1返回返回604. 电压电压： 一般规定电动机的运行电压不能高于或低于一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的额定值的5 5。例例：380/

29、220 Y/380/220 Y/ 是指：线电压为是指：线电压为380V380V时采用时采用Y Y接法；接法； 当线电压为当线电压为220V220V时采用时采用 接法接法。指电动机在额定运行状态时定子绕组上的指电动机在额定运行状态时定子绕组上的线电压值线电压值.当电压高于额定值时，磁通将增大。当电压高于额定值时，磁通将增大。NfU11144.41U1I即即：返回返回61电压波动对电动机的影响电压波动对电动机的影响s2E2I1I1UI11IU当电压低于额定值时，引起转速下降，电流增加。nnnns0202sEE 11IU返回返回625. 额定电流额定电流：如如： 表示三角接形法下，电机的线电流为11

30、.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。6. 功率与效率功率与效率： 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值（ ），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的 关系为： 2P1PCOSIUPNN31其中其中 =7293指电动机在额定运行状态时定子绕组的线电流。为电动机的效率为电动机的效率返回返回63 额定负载时一般为额定负载时一般为0.7-0.90.7-0.9，空载时功率因数很低，空载时功率因数很低约为约为0.2-0.30.2-0.3。额定负载时，功率因数最大。额定负载时，功率因数最大。 使用中应选择合适容量的电动机，使用中应选择合适容量的电动机，防防止止“大马大马” ”

31、拉拉“小车小车”的现象的现象。7. 功率因数功率因数(cos 1)：P2PNcos 1返回返回648. 绝缘等级绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。时容许的极限温度来分级的。 极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。容许温度。 绝缘等级绝缘等级绝缘等级绝缘等级极限温度极限温度AEBFHC105C120C130C155C180返回返回658.7 8.7 单相异步电动机单相异步电动机 单相异步电动机常用于功率不大的电动工具（如手电钻、搅拌器等）和众多的家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇等）。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结构结构： 定子放单相绕组（也称工作绕组，其中通入定子放单相绕组（也称工作绕组，其中通入 单相交流电）；单相交流电）； 转子一般用鼠笼式转子一般用鼠笼式。返回返回66定子定子转子转子 定子定子绕组绕组定子中通入单相交流电后，形成定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场脉动磁场。其磁。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化感应强度按正弦分