中北大学电气控制与PLC第五章交流电动机的工原理及特性

1、第五章第五章 交流电动机的工原理及特性交流电动机的工原理及特性n5.1 三相异步电动机的结构和工作原理n5.2 三相异步电动机的转矩与机械特性n5.3 三相异步电动机的启动n5.4 三相异步电动机的调速n5.5 三相异步电动机的制动n5.6 单相异步电动机n5.7 同步电动机的工作原理、特点及应用本章主要内容第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理n5.1.1 三相异步电动机的基本结构定子和励磁线圈一转子和转子线圈第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理n

2、5.1.1 三相异步电动机的基本结构三相对称绕组AX，BY，CZ定子和转子硅钢冲片定子和转子硅钢冲片第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理n5.1.1 三相异步电动机的基本结构鼠笼转子结构鼠笼转子结构第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理n5.1.1 三相异步电动机的基本结构ABC外接变阻器外接变阻器（启动和速度（启动和速度调节调节）滑环和电刷滑环和电刷绕线转子结构绕线转子结构第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1 5.1 三相异步电动机的结构和工作

3、原理三相异步电动机的结构和工作原理三相交流电定子三相绕组N-S主磁场以n0顺时针旋转nTFieM顺时针TM产生条件是n0和n相对运动1 . 500nnnS转差率n0同步转速n转子转速第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生34sin32sinsintIitIitIimcmBmA第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生CBAiiit0006CBAiiiTtCBAiiiTt03CBAiiiTt02ttTt

4、t020主磁场N-S顺时针旋转180度（旋转磁场n0在一对极p=1时）第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场2. 旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向三相交流电流最大值到达的顺序（相序）决定电动机转向。ABC 电流ABC 定子绕组（顺时旋转）ABC 电流ACB 定子绕组（逆时旋转）第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场3. 旋转磁场的极对数与旋转速度旋转磁场的极对数与旋转速度第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相

5、异步电动机的旋转磁场3. 四极旋转磁场与旋转速度四极旋转磁场与旋转速度CBAiiit0006CBAiiiTtCBAiiiTt03CBAiiiTt02ttTtt0205 . 5600pfn 旋转磁场转速（同步速）磁场转了90度n0r/minfHZ p极对数（p=1、2、3）第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场3. 四极旋转磁场与旋转速度四极旋转磁场与旋转速度5 . 5600pfn 旋转磁场转速（同步速）n0r/minfHZ p极对数（p=1、2、3）min/9801480288010001500300032150000rnnn

6、nnnPPPHfZPfSnpfnnnnS/601601000第五章 交流电动机的工原理及特性 5.1.4 5.1.4 定子绕组线端连接方式定子绕组线端连接方式短路片线电压相电压铭牌：Y/接线方式 380/220不同接线应加的线电压出线端出线端排列排列第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2 5.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的定子电路和转子电路5.2.1定子电路分析定子每相绕组的感应电势为dtdNetm11sin有效值为1114.44Ef N01160pnfff忽略漏磁11UE第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2 5.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动

7、机的定子电路和转子电路5.2.2转子电路分析转子感应电势有效值为1210ffSnZ12H50f)375. 0%6%5 . 1ZHfS（11. 544. 4222NfE 12. 512Sff 15. 5202SEE E20转子未转动感应电势第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2 5.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的定子电路和转子电路5.2.2转子电路分析转子感应电流有效值为22. 5cos220222222222SXRRXRR21. 52202220222222SXRSEXREIE20转子未转动感应电势X2-转子每相绕组漏磁感抗转子电路功率因素为(I2迟后E2一个2角)第

8、五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.2 转子电路的分析21. 52202220222222SXRSEXREI22. 5cos220222222222SXRRXRR 1cos002220220220 SRSEISXRInnS202220202202/cos01SXRCXSEISXRnS 第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.3 三相异步电动机的额定值n电动机铭牌上的额定数据n型号n额定功率PN (输出的机械功率)n额定电压 UN (220/380V /Y)n额定频率f (50HZ)n额定电流IN (10.35/5.9A /Y)n额定转速nN (额定转差率SN)n工作方式 (定额)n温升(

9、或绝缘等级)n电动机重量第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.3 三相异步电动机的额定值n电动机铭牌上不标的额定数据n额定功率因数cosNn额定效率N%1003NNNNNconIUPn 额定转矩TN n 绕线式异步电动机转子静止时滑环电压和转 子额定电流n 通常手册上给出的数据就是额定值第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.3 三相异步电动机的额定值n例5-1有一台三相四极的异步电动机， Y连接， 其额定技术数据为PN=90kW，UN=380V，IN=229A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=285，定子每相绕组匝N1=320， 转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通0.

10、023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1： (2)转子每相绕组开路电压E20： (3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N。解 (1)E1=4.44f1N1 =4.445O3200.0231634V (2)转子绕组开路时，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压) E20=4.44f2N2 =4.44f1N2 =4.4450200.023=102V (3)求 E2N f2=SNf10.028550Hz=1.43Hz E2N=4.44f2N2 =4.441.43200.023=2.9V 第五章 交流电动机的工

11、原理及特性 5.2.3 三相异步电动机的额定值n例5-2 有一台三相四极的异步电动机， 其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02，X20=0.08 ，电源频率f1=50Hz，E20=20V， 试求：(l)电动机的同步转速n0 ：(2)电动机启动时的转子电流I2st ： (3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N； (4)电动机在额定转速时的转子电流 I2N解 (1) n0=60f1/P=6050/2=1500r/min (2) AXREIst5 .24208. 002. 0202222022202AXSRESINNN4008. 004. 002. 02004. 022220

12、22202(3)SN=(n0-nN) /n0=(1500-1440) /1500=0.04 f2N=SNf10.0450Hz=2Hz(4) 第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.4 三相异步电动机的能流图输入定子的电功率定子电路中的铜损转子电路中的铜损Pcu2=sPcu输入转子的电磁功率铁损(磁滞和涡流损耗)机械损失功率输出的机械功率第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.4 三相异步电动机的能流图23. 51112PPPPP电动机的效率NNNP9 . 07 . 0 TPTPPPemcu2220电动机的输出功率T-电动机的电磁转矩T2-电动机的输出转矩24. 555. 9222nPPT5

13、.2 三相异步电动机的转距与机械特性n5.2.1三相异步电动机的三相异步电动机的转转矩特性方程矩特性方程 直流电动机的转矩直流电动机的转矩taT K I三相异步电动机的三相异步电动机的转转矩矩22costT K I2022222222220SEEIRXRSX222222222220cosRRRXRSX222122222220220SR USR UTKKRSXRSX第五章 交流电动机的工原理及特性转转矩特性方程矩特性方程5.5.2 2.1.1三相异步电动机的转距特性方程222122222220220SR USR UTKKRSXRSXU,U1-定子绕组相电压，电源电压；R2-转子每相绕组的电阻；X

14、20-n=0时转子每相绕组的感抗；K-三相异步电动机的转矩常数。第五章 交流电动机的工原理及特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n=f(T) 机械特性曲线222122222220220SR USR UTKKRSXRSXT-s 曲线n-T 曲线 90第五章 交流电动机的工原理及特性 5.2.2 三相异步电动机的机械特性n1. 固有机械特性四个特征点：（1）理想空载点 T=0 n=n0 (S=0) （2）额定工作点 SN=(n0-nN)/n0 (0.060.015) nN=(0.940.985)n0 T=TN TN=9.55PN/nN2222220SR UTKRSX第五章 交流电动机的工原理及

15、特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n1. 固有机械特性四个特征点：(3)启动工作点 T=Tst n=0 (s=1)(4)临界工作点 T=Tmax s=sm 令： dT/ds=0得：sm=R2/X20 Tmax=KU2/(2X20) 2222220SR UTKRSX第五章 交流电动机的工原理及特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n过载能力系数 m=Tmax/TN m=2.02.2n启动能力系数 st=Tst/TN st=1.01.2n转矩-转差率实用公式 T/Tmax，将 sm=R2/X20代入化简得 2222220SR UTKRSXTmax=KU2/(2X20) sm=R2/X20

16、max2/mmSSTTSS第五章 交流电动机的工原理及特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n2. 人为机械特性n降低电源电压的人为特性32. 5231. 5/5 . 5/60202max2020XUKTXRSPfnm电压降低后特性变化的特点：n0、 Sm不变；Tmax大大减小，对U敏感；机械特性变软；1. TL不变下，SI温度升高。0.25Tmax0.64Tmax第五章 交流电动机的工原理及特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n2. 人为机械特性n定子电路串入电阻或电抗 特性变化的特点：n0、 Sm不变；Tmax比较大的减小（同降压引起Tmax下降相比；1. 机械特性变软；第五章 交流

17、电动机的工原理及特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n2. 人为机械特性n改变电源频率时的特性 特性变化的特点：n0、 Sm改变，机械特性基本不变；fTfTCTCfUXUKTfXXRSPfnststm/1/32. 5231. 5/5 . 5/60max202max202020ff1f2第五章 交流电动机的工原理及特性5.2.2 三相异步电动机的机械特性n2. 人为机械特性n转子电路串入电阻（绕线式电动机） 特性变化的特点： Sm增大，机械特性变软；CTXUKTXRSPfnmmax202max202032. 5231. 5/5 . 5/60第五章 交流电动机的工原理及特性5.3 5.3 三相

18、异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n三相异步电动机的启动要求n启动转矩要足够大；n满足启动转矩要求下，启动电流要小。22022202222coscos1SXRSEIIkTSstststtststNstNstIITT755 . 18 . 02第五章 交流电动机的工原理及特性5.3 5.3 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n鼠笼式异步电动机的启动方法n1. 直接启动（全压）35. 5443%20电动机功率电源总容量经验公式工业与民用共用电源时变压器容量的电动机功率NstII第五章 交流电动机的工原理及特性第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 三相异步电动机的启

19、动特性三相异步电动机的启动特性n鼠笼式异步电动机的启动方法n2. 串电阻、电抗缺点：机械特性变软消耗能量大，不适合经常启动的电动机第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n鼠笼式异步电动机的启动方法n3. Y-IstY=Ist/3TstY=Tst/3优点；简单、经济、电流小。缺点；只能应用正常工作方式为三角形接线电机(4KW以上，额定电压380v、接线。)第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n鼠笼式异步电动机的启动方法n4. 自耦变压器优点；电压可调、电流小。缺点；变压器体积

20、大、价格高。不能应用于经平繁启动电机。第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n鼠笼式异步电动机的启动方法n5. 延边三角形优点；电流、启动转矩大（同Y-相比）。缺点；特殊要求的电机。第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n绕线式异步电动机的启动方法n1. 逐级切除优点；电流小、启动转矩大。缺点；电阻上的损耗大。第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性n绕线式异步电动机的启动方法n2. 频敏变阻器启动法优点；电流小、结构

21、简单、无需维修。启动转矩较大。适用于：对调速沒有要求、经常正反转、启动转矩要求不大冶金、化工设备上。缺点；不能用作调速电阻。n=0，S=1 f2=Sf1RXITn=nn f2 R=X0相当于转子短路，启动完毕第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3 特殊鼠笼式电动机特殊鼠笼式电动机n1. 双鼠笼电动机n启动时：22222222222cosiiiexexexXRRXRR 内外内外iexiexIIXXXRffS2222222, 1stistexTT正常工作： 内外内外内外iexiexiexITIIRRXRfS22222黄铜(启动)紫铜(工作)第五章 交流电动机的工原理及特性 5.3 5.3

22、 特殊鼠笼式电动机特殊鼠笼式电动机深槽电机深槽电机集肤效应电流集中在导体上部（启动时）100千瓦以上鼠笼电机第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.4 .4 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性34. 5/2maxSSSSTTmm36. 512maxmaxTTTTSSm37. 560)1 (PfSn只要改变只要改变Tmax 、Sm、f、P就可改变速度就可改变速度第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.4 .4 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性5.4.1 调压调速调压调速离心风机不同负载下可不同的调速范围第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.4 .4 三相异步电动机

23、的调速特性三相异步电动机的调速特性n5.4.2 转子串电阻调速转子串电阻调速有阶调速起重设备上第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.4 .4 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性n5.4.3 改变极对数调速改变极对数调速第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.4 .4 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性n5.4.3 改变极对数调速改变极对数调速2PP2PP改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不变。启动时宜低速启动。第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.4 .4 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性n5.4.4 变频调速变频调速适用于鼠笼式电动

24、机n n与与T T方向相反方向相反第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.5 .5 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性n5.5.1 反馈制动反馈制动00202220000SXRSEInnnSTSnn均为负值n n与与T T方向相反方向相反第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.5 .5 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性n5.5.1 反馈制动反馈制动变极或变频调速时反馈制动n n与与T T方向相反方向相反第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.5 .5 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性n5.5. 2 反接制动反接制动n 1.电源反接电源反接n0方向改

25、变T,TL同向 abc断电因为反接电流很大，实际串电阻后应ade特点：制动强烈、控制复杂、不准确、能耗大，需反转场合。n n与与T T方向相反方向相反第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.5 .5 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性n5.5. 2 反接制动反接制动n 2.倒拉制动倒拉制动提升工作在a点下放时串电阻改变机械特性a乛b乛c乛d点。特点：能耗大、电阻大小要适当，起吊机械。第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.5 .5 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性n5.5. 3 能耗制动能耗制动 特点：制动效果不如反接制动强度大，制动平稳，准确停车，需直流设备，应

26、用于准确停车和下放重物设备上。第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机n5.6.1单相异步电动的磁场38. 5sintBBm交流电源的角频率磁感应强度的幅值mB产生脉动磁组单相交流电通入单相绕第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机n5.6.1单相异步电动的磁场2/21mmmBBB两个圆形旋磁场半径相同转向相反的可分解产生脉动磁场组单相交流电通入单相绕第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机n5.6.1单相异步电动的磁场10000000200122SnnnnnnnnnnSnnnS反

27、向正向脉动磁场的TS曲线正向反向合成T-S曲线启动转矩为零。2.在外力矩作用下能加速到稳定运行状态，转向不固定.，沒有启动能力，脉动磁特点：1第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机n5.6.2单相异步电动的启动方法1. 电容分相式异步电动机移相电容离心开关iB电流超前iA电流90度第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机n5.6.2单相异步电动的启动方法1. 电容分相式异步电动机圆形旋转磁场的条件：两相相差90度等幅值的交流电通入两相在空间相差90度的对称绕组.第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机电容分相式异步电动机的转向转向取决于电流最大值到达的顺序。或对调两绕组的任一绕组的接线。第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.6 .6 单相异步电动机单相异步电动机n5.6.2单相异步电动的启动方法2. 罩极式异步电动机向罩极部分移动磁场。产生一个由未罩极一个角度迟后12罩极铜环罩极铜环注意：罩极电动机的转向不可改变。第五章 交流电动机的工原理及特性5 5.7 .7 同步电动机的工作原理、同步电动机的工作原理、 特点及应用特点