电工电子学_06电动机

1、电工电子学1 按电动机所耗用电能种类的不同，电动机可分交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机根据转速的特点又分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按其转子结构的不同又分为绕线式和笼型式两种。每种电动机又有单相和三相之分。 本章主要以三相异步笼型式电动机为例，介绍异步电动机的结构、工作原理、特性及使用方法。对单相异步电动机只作简单介绍。26.1 三相异步电动机结构 三相异步电动机由静止不动的定子和可以旋转的转子两个基本组成部分组成，其构造如图 6.1.1所示。 图 6.1.1 三相异步电动机的构造3（a）定子铁心 （b）转子铁心 图6.1.2 定子和转子铁心1定子三相异步电动机的定子是电动

2、机的固定部分，它由定子铁心、定子绕组和机座等组成。机座用铸铁或铸钢所制成。定子铁心是电动机磁路的组成部分，由相互绝缘的硅钢片叠成（与变压器铁心一样）一个圆筒，铁心圆筒内表面冲有槽，如图6.1.2（a）所示，用来放置三相对称绕组U1 U2、V1 V2、W1 W2，三相绕组可接成星形或三角形。42转子 转子是电动机的旋转部分，由转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等组成。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，外表面有均匀分布的线槽，以放置绕组，如图6.1.2（b）所示。铁心装在转轴上，轴上加机械负载。转子绕组根据构造分为笼型式和绕线式两种形式，如图 6.1.4所示。 图 6.1.4 异步电机的转子51-风扇

3、叶片 2-端环 3-导条 （a）笼型转子1-滑环 2-转子铁心 3-转子绕组 4-轴 （b）绕线式转子6.2 三相异步电动机的转动原理 6.2.1 异步电动机的模型图6-5是异步电动机模型。装有手柄的蹄形磁铁极间放有一个可以自由转动的、由铜条组成的转子，铜条两端分别用铜环连接起来，作为笼型转子。磁极和转子之间没有电气和机械联系。如图6.2.1（a）所示。 （a） （b） 图6.2.1 异步电动机模型6u 当转动磁铁摇柄，即磁场N、S极受外力作用旋转时。处在这个旋转磁场中的闭合导体因切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势的方向可以根据右手定则确定出来，由于转子各导体两端已用金属环短路成闭合通路，

4、在导体中有电动势就会有电流通过，如不考虑导体中电动势与电流之间的相位差，则可认为电流方向与电动势方向相同，此感应电流在磁场中又受到安培力作用，受力方向用左手定则来确定，如图6.2.1（b）所示。由分析可知，转子将随磁场的旋转而转动，且转子旋转方向与磁场旋转方向一致。若要改变转子旋转方向，只需改变旋转磁场的转动方向即可。7 6.2.2 旋转磁场1旋转磁场的产生 设有三相相同的绕组（每相一组，即U1U2、V1V2、W1W2）放置在定子槽内，彼此在空间互差120，如图6.2.2所示。定子三相绕组接成星形，通入三相交流电流iU、iV、iW。由于各相绕组的结构相同，它们是一个对称的三相交流电路，如图6.

5、2.3所示。取电流由绕组的首端流向绕组的末端为正方向。8图6.2.2 三相电动机结构示意图 定子三相绕组电流波形如图6.2.4所示。在电流波形上分别取t=0、t=60、t=90时刻分析电动机旋转磁场的形成。9UiWi U1 U2 V1 V2W1W2Vi图6.2.3 定子三相绕组交流电路图6.2.4 定子三相绕组电流波形iUiViWiO t2旋转磁场的极数三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相定子绕组的安排有关。每相只有一个绕组，三相绕组的首端之间相差1200，能产生一对磁极，磁极对数用p表示，则p=1。当每相有两个绕组串联时，其绕组首端之间的相位差为120 /2= 60的

6、空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即p=2。如图6.2.6所示。 图6.2.6 四极（两对极）旋转磁场10u图6.2.6中给出了t=0、t=60两种情况下旋转磁场变化情况，这是一个四极(极对数为p=2)的旋转磁场，N极S极相间排列。当电流变化电角度为60时，合成磁场在空间旋转了30。若电流变化电角度为360，则合成磁场在空间沿顺时针方向旋转180。113旋转磁场的转速 根据上面的分析，当正弦电流变化了一个周期时，两极旋转磁场（图6.2.6所示）在空间旋转360。若电流的频率为f1，则旋转磁场的转速为每秒f1转。若以n0表示旋转磁场的每分钟转速，则 n0=60，f=3000r/min（电源频率

7、f1=50HZ）。四极旋转磁场（图6.2.6所示）电流变化一个周期时，旋转磁场在空间只转了半周（180）。即p=2时，其转速为n0=60 f1/2=1500r/min。由此可以推广到p对极的旋转磁场的转速为 （6.2.1）12 6010pfn 4旋转磁场的转向 旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。 从图6.2.5可以看出，当通入三相绕组U1U2、V1V2、W1W2中电流的相序为依次为iU-iV-iW时，旋转磁场的方向是沿绕组首端U1V1W1的方向旋转，即顺时针旋转

8、。如果把三根电源线中的任意两根对调，以改变通入三相绕组中电流的相序，例如使W1W2绕组中通入电流iV，V1V2绕组中通入电流iW，U1U2绕组中仍通入电流iU，此时旋转磁场的方向为U1W1V1，即逆时针旋转。可见调换电动机的任意两根电源线就可以使电动机反转。 136.2.3 电动机的转动原理 异步电动机的转动原理图如图6.2.7所示。为了分析问题方便，将转子简化成出上下两个导条。三相定子绕组通入三相交流电后，在空间产生的旋转磁场用N极和S极表示。 14图6.2.7 异步电动机的转动原理图u 设旋转磁场以顺时针方向旋转，转速为n 0，转子导条就以逆时针方向切割磁力线，从而在转子导条中产生感应电动

9、势，其方向由右手定则确定。转子上半部导条中的生的感应电动势方向是从里向外（ ），转子下半部导条中产生的感应电动势方向是从外向里（）。由于转子导条的两端由端环连通而形成闭合电路，因而在导条中产生了感应电流 I2，其方向与电动势方向一致，该电流处在旋转磁场中将使转子导条受到电磁力F的作用，电磁力的方向可根据左手定则确定。作用在上下导条上的一对电磁力形成顺时针方向的转矩，使转子转动起来，转子转速为n。如果旋转磁场反转，转子的转动方向也随之改变，即电动机反转。15u 电动机转子的转向与旋转磁场相同，但转子的转速不能与旋转磁的转速相同，它总是小于旋转磁场的转速，即 nn0。因为，如果两者相等，则转子与旋

10、转磁场之间就没有相对运动，转子导条就不切割磁力线，因而转子电动势、转子电流、电磁力和电磁转矩就不存在了。这样转子就不会继续以 n0的转速旋转。因此转子转速与旋转磁场转速之间必须保持一定的转速差，即保持异步的关系。这就是异步电动机名称的由来。又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。166.2.4电动机的电路分析由异步电动机的结构可知，定子绕组和转子绕组是两个相隔离的电路，相当于变压器的原边和副边，只是转子绕组应是短接的，如图 6.2.8所示。定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2。17 定子电路 转子电路6.2.8 三相异步电动机每相等效电路1. 定子电路2.

11、转子电路转子电路的各个物理量都与转速有关。（1）转子感应电动势频率f 2 （2）转子感应电动势E 2（3）转子感抗X 2（4）转子电流 I2（5）转子电路的功率因数 cos2186.3 三相异步电动机的转矩与机械特性 6.3.1电磁转矩 由电磁力形成的转矩称为电磁转矩，它使转子沿着旋转磁场的转向旋转，从转轴上输出机械功率。 三相异步电动机的转动原理可知，驱动电动机旋转的电磁转矩是由转子导条中的电流I2与旋转磁场每极磁通m相互作用而产生的。因此，电磁转矩的大小与I2及m成正比。由于只有转子电流的有功分量I2cos2与旋转磁场相互作用才能产生电磁转矩，因此异步电动机的电磁转矩与cos2成正比。异步

12、电动机的电磁转矩T可表示为 （6.3.1）1922 cosIKTmT 6.3.2机械特性曲线 由电磁转矩公式知，当电源电压U1和f1一定，且R2、X20都是常数时，电磁转矩T只随转差率s变化。T= f（s）曲线就是电动机的转矩特性，如图 6.3.1所示。转矩特性描述电磁转矩与转差率的关系。 异步电动机的机械特性是指转速与电磁转矩的关系，即n=f（T）曲线。将T= f（s）曲线中的s坐标换成n坐标，将T轴平移到 s =1（n=0）处，再将曲线按顺时针方向旋转90，即得到如图6.3.2所示的机械特性曲线。转矩特性和机械特性也统称为机械特性。20图 6.3.1 三相异步电动机的转矩特性 图 6.3.

13、2 相异步电动机的机械特性211额定转矩TN2最大转矩 Tm3起动转矩 Tst6.4 三相异步电动机的使用 6.4.1 三相异步电动机的铭牌数据 获得一台电动机的额定数据主要有两种途径：通过电动机的铭牌或查电动机的使用手册。下面以某异步电动机铭牌（如图6.4.1所示）为例，说明铭牌上各数据的意义。22 图6.4.1 电动机的铭牌示例 1型号 电动机的型号是表示电动机的类型、用途和技术特征的代号。用大写拼音字母和阿拉伯数字组成，各有一定含义。表6.4.1列出部分国产异步电动机产品名称代号。 23三相异步电动机型号 Y132S-6 功 率 3KW 频 率 50Hz电压 380V 电 流 15.4A

14、 接 法 Y转速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B 年 月 编号 电机厂2. 额定功率PN与效率 铭牌上的功率是指电动机的额定功率。额定功率是电动机在额定运行状态下，其轴上输出的机械功率，也用P2N表示。电动机输出功率P2N与电源输入的功率P1N不相等，其差值（ ）为电动机的损耗，所以电动机的效率为 （6.4.1）3. 额定电压 UN 电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。它与定子绕组的规定接法有对应关系。24NNPP21N1N2PP4. 额定电流 IN 电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。对于 Y / 接法的电机，对应的线电流有两个。5. 额定频率fN铭牌上的频率是

15、指定子绕组所加的电源频率。我国工业用电的标准频率为50HZ。6. 功率因数 cos N 铭牌上的功率因数是指三相异步电动机在额定运行时的功率因数。电动机在额定负载时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。7. 额定转速 nN 电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。8. 绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级。256.4.2 三相异步电动机的起动电动机接通电源开始旋转后转速不断上升直至达到稳定转速，这一过程称为起动。在电动机接通电源的瞬间，转子尚未转动（n = 0，s =1），旋转磁场以最大的相对速度切割转子绕组，转子绕组中的感应电动势

16、和转子电流都很大。类似于变压器的工作原理，此时定子绕组中的电流相应增大，即起动电流Ist很大。一般中小型笼型电动机定子启动电流（指线电流）是额定电流的57倍。261直接启动直接起动就是起动时直接给电动机三相定子绕组加上额定电压，这种起动方式又称全压起动。这种方法简单可靠，起动迅速，不需要专用的起动设备（如图6.4.2所示），是小功率异步电动机常常采用的起动方法。直接起动时的起动电流较大，因而只有在电网允许的情况下（即起动电流造成电网压降较小，对电网其他设备影响不大），电动机方可采用直接起动的方法。27图6.4.2 电动机的直接起动2降压启动如果电动机的容量较大，不满足直接起动条件，则必须采用降

17、压起动。降压起动就是利用起动设备降低电源电压后，加在电动机定子绕组上以减小起动电流，待转速上升到接近额定转速时，再恢复到全压运行。笼型电动机降压起动常用以下两种方法。（1）星形-三角形 (Y-)换接起动28（a） （b）图 6.4.3 Y-换接起动 （2）自耦降压起动自耦降压起动就是利用自耦变压器将电压降低后加到电动机定子绕组上，当电动机转速接近额定转速时，再加额定电压的降压起动方法，其接线图如图 6.4.4所示。 起动时把Q扳到“起动”位置，使三相交流电源经自耦变压器降压后接在电动机的定子绕组上，这时电动机定子绕组得到的电压低于电源电压，因而，减小了起动电流，待电动机转速接近额定转速时，再把

18、Q从起动位置迅速扳到“运行”位置，切除自耦变压器，让定子绕组得到全压。 29图 6.4.4 自耦降压起动（3）转子串电阻的降压起动对于绕线式电动机而言，只要在转子电路串入适当的起动电阻 Rst（三相电阻采用星形接法）构成转子闭合电路就可以限制起动电流。转子串电阻的降压起动如图 6.4.5所示。30图 6.4.5 绕线式电动机的串电阻起动6.4.3 三相异步电动机的调速 电动机的调速是在同一负载下得到不同的转速，以满足生产过程的要求。采用电气调速，可以大大简化机械变速机构。由电动机的转速公式 可知，改变电动机转速的方法有三种，即改变电源频率 f1，改变极对数p和改变转差率 s。前两种是笼型电动机

19、的调速方法，后一种是绕线式电动机的调速方法。（1）变频调速（2）变极调速31pfsnsn106011 6.4.4 三相异步电动机的选择 1. 功率的选择 电动机的选择首先要合理确定电动机的功率（容量），电动机功率选得过小，电动机容易因过过载而过早损坏，电动机功率得过大会使设备费用增加，加之电动机在轻载下运行时其效率、功率因数较低，也很不经济，因而电动机的功率大小是由生产机械决定的。 2. 类型的选择 在无特殊要求的情况下，一般都应用交流异步电动机。笼型异步电动机构造简单、价格便宜、运行可靠、维护及控制方便。功率小于100 KW无调速要求的生产机械应尽可能选用笼型异步电动机。例如水泵、风机、压缩

20、机、破碎机、运输机、传送带等都采用笼型异步电动机。323外形结构的选择 根据安装要求可选择卧式或立式的外形结构；根据电动机使用场合（工作环境）不同选择电动机的不同结构形式。 4额定电压和转速的选择 电动机的额定电压应根据电动机功率大小和使用地点的电源电压决定。100KW以下的应选用额定电压为380V/220V的异步电动机，大于100 KW的大功率异步电动机可以根据当地电源电压考虑采用3000V或6000 V高压电动机。336.5 单相异步电动机 使用单相交流电源的异步电动机称为单相异步电动机。它的功率一般在750W以下，常用于功率不大的电动工具、电风扇、搅拌机及其他家用电器等方面。 单相异步电动机定子有一个或两个绕相，转子是笼型的。 6.5.1 转动原理单相正弦交流电通入单相定子绕组后，产生一个振幅