第5章 异步电动机

1、第五章第五章 异步电动机异步电动机5.1 三相异步电动机的构造与工作原理5.2 三相异步电动机的级数与转速5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性5.4 三相异步电动机的起动与制动5.5 三相异步电动机的调速 5.6 三相异步电动机的铭牌数据5.7 单相异步电动机教学要求 了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理理 理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义 重点掌握三相交流异步电动机的重点掌握三相交流异步电动机的机械特性机械特性，起起动、反转及调速和制动动、反转及调速和制动的基本方法的基本方法 5.15.1三相异步电动机的

2、构造与工作原理三相异步电动机的构造与工作原理交流电动机交流电动机电动机电动机直流电动机直流电动机异步机异步机他励、异励、串励、复励他励、异励、串励、复励同步机同步机绕线式绕线式鼠笼式鼠笼式异步交流电动机授课内容：异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法机械特性、控制方法 电动机的分类电动机的分类鼠笼式电动机的结构图解鼠笼式电动机的结构图解鼠笼转子鼠笼转子 定子铁心定子铁心定子冲片定子冲片定子线圈定子线圈铁心和机座铁心和机座三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构基本组成基本组成分类分类三相定子绕组三相定子绕组产生旋转磁场产生旋转磁场转子转子在旋转磁场

3、作用下，产生在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。感应电动势或电流。绕线式：绕线式：同定子绕组一样，也分为三相，并同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。且接成星形。鼠笼式：鼠笼式：铁芯槽内放铜条，端部用短路环形铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。成一体。或铸铝形成转子绕组。鼠笼式与绕线式电动机的比较鼠笼式与绕线式电动机的比较 结构简单、价格低廉、工作可靠；结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。不能人为改变电动机的机械特性。 结构复杂、价格较贵、维护工作量结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机大；转子外加电阻可人为改变电动

4、机的机械特性。的机械特性。三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi 1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生定子铁芯槽内嵌放有三相对称绕组定子铁芯槽内嵌放有三相对称绕组AXAXBYBYCZCZ，每相绕组在空间上互差，每相绕组在空间上互差1201200 0电角度通入三电角度通入三相交流电相交流电( (星形联接星形联接) )图5.1 定子绕组分布示意图 电流流出电流流入定子通入三相电流，定子内产生旋转磁场定子通入三相电流，定子内产生旋转磁场BiAXBYCZAiCi图5.2 三相对称电流CiBiAii tmIo两极旋转磁场的形成两极旋转磁

5、场的形成 当磁对数 时，交流电流变化一周，旋转磁场也转过一圈 .1p (a) t = 0 (b) t = 120 (c) t = 240 A A A X X X B B B Y Y Y C C C Z Z Z 图5.3两极旋转磁场的形成 旋转磁场转向的改变旋转磁场转向的改变在电源三相端子相序不变的情况下，将与电源联接的三根导线中任意两根的首端对调位置（如B，C相），这样定子绕组通入电流的相序就得到相应地改变，则电流按ACB次序出现最大值，因此旋转磁场必反转, ,故改变旋转磁场的转向就能实现电机旋转方故改变旋转磁场的转向就能实现电机旋转方向的改变。向的改变。图5.4 异步电动机的反转异步电动机的

6、反转 异步电动机的转动原理异步电动机的转动原理 旋转磁场同步转速为n0转子与定子间有相对运动 转子导条中产生出E、I 转子导条受到电磁力F 电磁力矩 T 转子转动图5. 转子转动原理图图5. 转子转动原理图BfieBv图5.6右手定则图5.7左手定则5.2 三相异步电动机的极数与转速AXYCBZNSP=1对极BiAXBYCZAiCi当磁极对数当磁极对数P=1时，一个电流周期，旋转磁场在空间转过时，一个电流周期，旋转磁场在空间转过360360分）转 /( 601pfn n1称为称为同步转速同步转速分转/30001nCiBiAii tmIo9090(a)(a)(b)(b)(c)(c)360360P

7、=2=2对极对极CYABCXYZAXBZAiCiBiAXX AZCZCBYBYNSSN电流变化3600，旋转磁场转半周 。1n =1500/min)r（）（）（）（） 三相异步电动机的同步转速三相异步电动机的同步转速=1p：电流变化360时，旋转磁场恰好在空间旋转一周 。=2p：电流变化360时，旋转磁场恰好在空间旋转半周 。：电流交变一周，磁场在空间仅旋转了1/3周 。=3p由此可推广到p对极的旋转磁场的转速为0 60 fn =p 结论：n0与磁极对数p成反比，而磁对数又由三相绕组的安排情况所确定 p123456n0(r/min) 30001500 1000750600500 我国工业交流电

8、频率是50Hz，对某一电动机，磁对数是固定的，因此n0也是不变的。不同的磁对数对应的n0如下表所示：转子转速和转差率转子转速和转差率1 1转子转速转子转速 n 与旋转磁场的转速与旋转磁场的转速 n0 0 的异同的异同 转子转速 n 与旋转磁场的转速 n0 的方向一致，但不能相等（应保持一定的转差），此为异步的由来。2 2转差率转差率 s 用来表示来表示n 与与 n0 0 相差的程度相差的程度11100%nnsn或0 (1- )n=s n 异步电机运行中异步电机运行中: :%91s转差率计算转差率计算例例5.15.1 一台某三相异步电动机，已知它的转子额定转速为1430r/min，电源频率，试求

9、电动机的极数和额定负载下的转差率 。解：解：(1)因为电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而 ，则根据式 磁极对数 =1430r/minn=1500r/minn600f n =P0606050=2n1500fp00-1500-1430100%100%4.67%1500NnnSn (2)5.3 5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性三相异步电动机的转矩与机械特性转矩公式的推导转矩公式的推导电磁转矩电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场转子中各载流导体在旋转磁场的作用下的作用下, ,受到电磁力对于转轴所形成的转距受到电磁力对于转轴所形成的转距之总和，是反映电动机做功能量的一个量。之总和，是反映

10、电动机做功能量的一个量。22cosIKTmT常数常数每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路的转子电路的2cos（牛顿牛顿 米米）22cosIKTmT20124.44mEfN将将如下参数如下参数代入上式：代入上式：2 022222 0222222 0111()c o s()4 .4 4ms EIRs XRRs XUfN2221122220()sRUTKURsX得到转矩公式得到转矩公式 单位单位（N .m）机械特性曲线机械特性曲线 2222212)(ssXRUsRKT由得)(SfT )(Tfn )(SfT Ts10启动时启动时n=0最大转速最大转速n=n1时时n0Tn三个重要转矩三个重要转矩（

11、TN、Tmax、Tst） 额定转矩TN :电机在额定电压下，以额定转速nN 运行，输出额定功率PN 时，电机转轴上输出的转矩。NTTstn0nnNTTmax)/()(9550602分转千瓦NNNNNnPnPT（牛顿牛顿米米）最大转矩最大转矩 电机带动最大负载的能力电机带动最大负载的能力 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。maxTTL21220222)(UsXRsRKTm axTNTTmax求解求解0ST2021max21XKUT过载系数：过载系数： 一般一般2 . 28 . 1负载转矩起动转矩起动转矩 电机起动电机起动（ ）时的转矩体现了时的转矩体现了电动机带载

12、起动的能力。若电动机能起电动机带载起动的能力。若电动机能起动，否则将起动不了。动，否则将起动不了。stT0,1ns21220222)(UsXRsRKT0n1)(s stTs tLs tLT TT Tn0TnstTR2/R2R2，U1一定范围增大一定范围增大R2，Tst将增大将增大。/stT启动系启动系数数21220222)(UXRRKTstststNTTst =0.82.0一般电动机的自适应负载能力电动机的自适应负载能力 自适应负载能力：自适应负载能力：电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整的能力。n1nTmTstTLcb常用特常用特性段性段s=0s=1TISnTL2 直至新的平衡。此过程

13、中， 时， 电源提供的功率自动增加。2 I1 Ic点：转矩达最大Tm ，若转速n继续，T，沿cb走b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行 硬的硬的机机械特性械特性STEP 1STEP 1：启动：启动d dT TL Le eStep 2Step 2：负载：负载转矩增加转矩增加例2 某台鼠笼式异步电动机,连接,额定功率为40KW,额定转速为1460r/min,过载系数为2.0,试求:(1).其额定转矩额定转差率和最大转矩;(2).当电源下降时的额定转矩. 9550955040261.61460NNNPTN mn1460 /minNnr01500 /minnr001500 1460100%100%

14、 2.67%1500NNnnsn2.0mNTT2261.6523.2mNTTN m解：(1)根据 由(2) 当 时 即0.9NNUU220.9NNNNUTUT0.81211.9NNTTN m机械特性的软硬机械特性的软硬 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。 硬特性硬特性 （R2小小）软特性软特性（R2大大）0Tn不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。5.45.4三相异步电动机的起动与制动三

15、相异步电动机的起动与制动1. 1.起动起动 启动条件：启动条件： TstTL 否则电动机不能启动。否则电动机不能启动。stI起动电流起动电流电动机刚接通电源的瞬间，电动机刚接通电源的瞬间，(57)stNII原因：起动时原因：起动时n=0 =0 ，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。转子感应电势转子感应电势转子电流转子电流定子电流定子电流 三相异步电动机的起动方法三相异步电动机的起动方法（3 3）转子串电阻起动。）转子串电阻起动。 绕线式：绕线式： （1 1） 直接起动：将额定电压通过闸刀开关或接接直接起动：将额定电压通过闸刀开关或接接触器直接加在定子绕组上使电机起动。触器

16、直接加在定子绕组上使电机起动。 （2 2） 降压起动。降压起动。Y Y 起动起动自耦降压起动自耦降压起动鼠鼠笼笼式式缺点：对电网影响大，绕组发热变形。缺点：对电网影响大，绕组发热变形。电网容量电网容量，允许直接起动的，允许直接起动的 电动机容量电动机容量。规定：规定： 能直接起动能直接起动。stNNNIS3I44P 例例33 一台10KW电动机，其起动电流与额定电流之比为6，问在250KVA变压器下能否直接起动？一台20KW电动机其起动电流与额定电流之比为5.5，问在同一变压器下能否直接起动？stNNNIS3I44P32807.75 644 1032804.25 5.54420 解：解：据 可

17、知 所以允许10KW电动机直接起动；而所以不允许20KW电动机直接起动。Y Y 起动：起动：减小启动电流减小启动电流 正常正常运行运行lUUwVvuWlI 起动时起动时ABCXYZlUlYI设：电机每相阻抗为设：电机每相阻抗为z|3ZUIllY3|ZUIll31llYII启动电流只有原来的启动电流只有原来的1/31/3Y 起动应注意的问题：起动应注意的问题：StstYTT31PPUU31（2 2） Y Y 起动起动所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合。AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UP（1 1）仅适用于额定电压）仅适用于额定电压380V,38

18、0V,即正常接法为三角形接法的即正常接法为三角形接法的电机。电机。 )(2UTST时也ststTI,st例例4 某电动机起动能力 =1.2，采用Y-换接起动,问电动机在下述情况下能否起动。(1) 时;(2) 时。解解: : (1) 星形起动时的起动转矩为直接起动时的1/3. 所以,当 时, 电动机不能起动。 (2) 同理,当 时。电动机能起动。50%LNTT25%0.25LNNTTT111.20.433YststNNTTTT50%0.5LNNTTTYstLTT25%0.25LNNTTTYstLTT自耦降压起动自耦降压起动工作工作起动起动U1/U2=K；Ist/=Ist/K；IstIst线线Ts

19、t/=Tst/K273%64%55%绕线式转子串电阻起动绕线式转子串电阻起动定子定子RRR绕线式转子绕线式转子起动时将适当的起动时将适当的R R串入转子绕组中，起动后将串入转子绕组中，起动后将R R逐段切除。逐段切除。2022220()stEIRX2R2I 1I 转子串电阻起动的特点转子串电阻起动的特点 适当适当的选择的选择R R2 2，既可以降低起动电流，又，既可以降低起动电流，又可以增加起动力矩。可以增加起动力矩。nststTRXRURKT222022212T2R02R三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动n0n+F制动方法制动方法：1. . 抱闸抱闸：加机械抱闸加机械抱闸2. 2. 反

20、接制动反接制动 3.3.能耗制动能耗制动4.4.发电反馈制动发电反馈制动能耗制动能耗制动定义：定义：停车时，断开交流停车时，断开交流电源，转子接至直流电源电源，转子接至直流电源上，产生制动转矩。上，产生制动转矩。本质：本质：实质是消耗转子实质是消耗转子动能转换成电能，并最动能转换成电能，并最终变成热能消耗在转子终变成热能消耗在转子回路的电阻上回路的电阻上 。特点：特点：制动平稳、准确、能耗低，但需配备直流电制动平稳、准确、能耗低，但需配备直流电源源 。反接制动反接制动定义：定义：停车时，将电动机停车时，将电动机接电源的两相反接，使电接电源的两相反接，使电动机动机产生产生反反相旋转电场相旋转电场

21、，以达制动的目的；以达制动的目的； 反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。即切割磁力线的速度很大，造成即切割磁力线的速度很大，造成 ，引起，引起 。注意：注意：2I1I特点：特点：制动方法简单、制动效果好等制动方法简单、制动效果好等5.5 三相异步电动机的调速 pfsnsn1160112. 2. 改变转差率改变转差率 s无级调速无级调速 3. 3. 改变电源频率改变电源频率 ( (变频调速变频调速) ) 无级调速无级调速1. 改变极对数改变极对数 有级调速

22、有级调速。p调速方法调速方法：变频调速变频调速 变频调速装置的构成：变频调速装置的构成：整流器逆变器控制电路。特点：特点：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。 变极调速变极调速 P=2P=2对极对极 P=1P=1对极对极 变转差率调速 22RR 0Tn2R2RTmaxS/S方法：改变调速变阻器方法：改变调速变阻器的大小，就可平滑调速。的大小，就可平滑调速。 2R0ST2R2RSS5.6 5.6 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机型号 Y120M4 功 率 7.5KW 频率 50Hz电压 380V 电 流 15.4A 接法 转速 1440

23、r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续 年 月 编号 电机厂1. 型号 机座中心高度（120mm） Y120 M4 磁极数（4 极） 机座长度代号（中机座） 三相异步电动机 2 2. .额定功率与效率额定功率与效率 额定功率：额定功率：电动机在额定工作状态下运行时，转轴电动机在额定工作状态下运行时，转轴上输出的机械功率值上输出的机械功率值( (PNN) )，单位为千瓦，单位为千瓦( (KW) )。 电动机的输出功率电动机的输出功率P P2 2与电源输入的功率与电源输入的功率P P1 1的关系：的关系：1PPNcos31NNIUP 其中其中 一般，三相异步电动机额定运行时效率约为一般，三相异步

24、电动机额定运行时效率约为72% 72% 93%93%，当电动机在额定功率的，当电动机在额定功率的75%75%左右左右运行时效率最高。运行时效率最高。3. 3. 频率、频率、转速转速频率：电动机所采用的电源频率频率：电动机所采用的电源频率。我国的工。我国的工频为频为50Hz50Hz。转差率转差率0.04 150014401500s转速转速: : 电机轴上的转速（电机轴上的转速（n n) )。如：如： n =1440 转转/ /分分4. 4. 联接方式联接方式 ： Y/ / 接法接法如何如何 接？接？UVWvwu注意：注意： Y Y 接法：接法： 3 3KW以下以下 接法：接法： 4 4KW以上以

25、上接线盒接线盒：如何如何 Y Y 接？接？额定电压、额定电流额定电压、额定电流 额定电压额定电压：定子绕组在定子绕组在指定接法及额定运行时指定接法及额定运行时应加应加的的线电压。线电压。 一般规定一般规定: 运行电压不能高于或低于额定值的运行电压不能高于或低于额定值的 5 。额定电流：额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。定子绕组在指定接法下的线电流。380/220 Y/ 线电压线电压380V时时Y接；线接；线电压电压220V时时 接。接。A48. 6/A2 .11/ ：Il=11.2A，Ip=6.45A； Y：Il=Ip=6.45A。绝缘等级绝缘等级 绝缘等级绝缘等级 用电动机各绕组及其它

26、绝缘部件所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。常用绝缘材料的技术数据见下表。 常用绝缘材料的技术数据绝缘等级AEBFH极限允许温度(0C)105120130155180三相异步电动机的选择三相异步电动机的选择1 1功率的选择功率的选择电动机电动机P PN N生产机械的生产机械的P P1 1短时运行电动机功率的短时运行电动机功率的 选择选择连续运行电动机功率的连续运行电动机功率的 选选择择选择专用短时电动机；选择专用短时电动机；选择连续运行电动机；选择连续运行电动机；条件：条件：11PPN过载系数过载系数2种类和型式的选择种类和型式的选择种类的选择：种类的选择：交流交流/ /直流；直流；

27、三相三相/ /单相单相; ;鼠笼式鼠笼式/ /饶线式饶线式. .结构型式的选择：结构型式的选择：开启式开启式防护式防护式封闭式封闭式防爆式防爆式5.7单相异步电动机单相异步电动机 1 1、 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理结构：结构：定子放单相绕组（其中通定子放单相绕组（其中通220V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。定子定子转子转子定子定子绕组绕组单相异步电动机的起动单相异步电动机的起动常用的起动方法：电容分相式常用的起动方法：电容分相式 罩极式罩极式 电容分相式起动电容分相式起动启动时开关闭合，使两启动时开关闭合，使两绕组电流绕组电流 、 相位相位差差约为约为90，从而产生旋，从而产生旋转转磁场，电机转起来；转动磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断。开，启动绕组被切断。工作绕组工作绕组起动绕组起动绕组 离心开关离心开关2I。1I。 i1 i1 i1 i2 i2