第五章交流电动机的工作原理及特性

1、1第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性本章要求：本章要求：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基本结构、基本结构、工作原理工作原理、定子绕组接线方式定子绕组接线方式5.2 5.2 三相异步电动机的三相异步电动机的定子和转子电路定子和转子电路5.3 5.3 三相异步电动机的三相异步电动机的转矩与机械特性转矩与机械特性21 1、了解异步电动机的基本结构和旋转磁场了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。的产生。2 2、掌握异步电动机的工作原理，机械特性，掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速和制动的各种方法、特点以

2、及启动、调速和制动的各种方法、特点及应用。及应用。3 3、学会用四个象限来分析异步电动机的运学会用四个象限来分析异步电动机的运行状态。行状态。4 4、掌握单相电动机的工作原理和启动方法。掌握单相电动机的工作原理和启动方法。5 5、了解同步电动机的结构特点、工作原理、了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。运行特性及启动方法。3包括定子和转子两部分。包括定子和转子两部分。定子绕组是对称的三相定子绕组是对称的三相绕组，产生旋转磁场。绕组，产生旋转磁场。三相异步机的结构三相异步机的结构4三相异步机的结构三相异步机的结构YBZXAC转子转子定子定子定子绕组定子绕组（三相）（三相）机机

3、座座转子：转子：在旋转磁场作用下在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。，产生感应电动势或电流。转子有鼠笼式和绕线式。由转子有鼠笼式和绕线式。由于鼠笼式异步电动机具有一于鼠笼式异步电动机具有一系列的优点，应用广泛。系列的优点，应用广泛。鼠笼转子鼠笼转子 5工作原理：工作原理：它是基于电磁感应和电磁力的原理。它是基于电磁感应和电磁力的原理。定子旋转磁场（合成磁场）和转子电流的相互定子旋转磁场（合成磁场）和转子电流的相互作用。作用。三相异步机的工作原理三相异步机的工作原理异步电动机的由来。异步电动机的由来。转子和旋转子和旋转磁场之间的转磁场之间的转速差转速差是保证转是保证转子旋转的主要因素。子旋转

4、的主要因素。S S的取值范的取值范围围0-10-1。也是很重要的一个物理。也是很重要的一个物理量。量。00nnns思考定子旋转磁场的产生的原因？思考定子旋转磁场的产生的原因？6旋转磁场的产生旋转磁场的产生AYCBZ异步机中异步机中, ,旋转磁场代替了旋转磁极旋转磁场代替了旋转磁极AiBiCimIt0n()电流出电流出( )电流入电流入X240sin120sinsintIitIitIimCmBmA70tAXYCBZNSAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁场方向：合成磁场方向：向下向下8180tXBZ0nAYC 60tAXYCBZSN0n60A120tXYCBZ0n同理分析，可得同理分

5、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：AiBiCitmI9旋转方向旋转方向：取决于三相电流的相序。：取决于三相电流的相序。0n0n改变电机的旋转方向：换接其中两相改变电机的旋转方向：换接其中两相AiBiCimItAiCiBimIt旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向10旋转磁场的旋转磁场的转速大小转速大小分）转 /( 600fn 一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过360360。则。则 同步转速（旋转磁场的速度）为：同步转速（旋转磁场的速度）为：AXYCBZNSAXYCBZSN0n60AXYCBZNSAiBiCimIt11极对数（极对数（P P

6、）的概念的概念BiAXBYCZAiCi1p此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1 1。即：即：AXYCBZNS12极对数（极对数（P P）的改变的改变CYABCXYZAXBZAiBiCi 将每相绕组分成两段，按右下图放入定子将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。槽内。形成的磁场则是两对磁极。X AAXBYBYCZCZ13极对数极对数2pAXX ANSSNZCZCBYBYCYABCXYZAXBZAiCiBiAiBiCimIt14XNSASNZBX AYCZBCY0t分）转/( 600pfn 60t A0nAZXXCZ

7、CSNSN30极对数和转速的关系极对数和转速的关系AiBiCimIt15 定子绕组每相都由许多线圈组成，其首定子绕组每相都由许多线圈组成，其首端和末端通常都接在电动机的接线盒内的接端和末端通常都接在电动机的接线盒内的接线拄上。线拄上。当电机为当电机为星形联结星形联结时：时：1 1、2 2、3 3点封成星点，点封成星点，6 6、4 4、5 5点接电源。点接电源。当电机为当电机为三角形联结三角形联结时：时：1-61-6、2-42-4、3-53-5点封接，同时外接电源。点封接，同时外接电源。定子绕组接线方式定子绕组接线方式165.2 三相异步电动机的定子和转子三相异步电动机的定子和转子 设定子和转设

8、定子和转子每相绕组匝数子每相绕组匝数为为N1N1和和N2N2，旋转旋转磁场的磁感应强磁场的磁感应强度近于度近于正弦分布。正弦分布。把电动机的电磁关系同变压器类似。把电动机的电磁关系同变压器类似。i2定、转子电路定、转子电路R1R2i1u1e1e 1e2e 217一、定子电路分析：一、定子电路分析：二、转子电路分析：二、转子电路分析：dtdNe1111UEm6001pnffdtdNe2212fSf转子电流的频率随速度的变转子电流的频率随速度的变化而变化。化而变化。mNfE22244. 4mNfE212044. 4mNfUUE1111144. 4218 设转子回路每相绕组的电阻和漏磁感设转子回路每

9、相绕组的电阻和漏磁感抗为抗为R2R2和和X2X2，且有：且有：2222lLfX则转子每相回路则转子每相回路电流电流为：为：2202220222222SXRSEXREI转子电路的转子电路的功率因素功率因素为：为：2202222cosSXRR19可见：转子电路中的可见：转子电路中的各个物理量均与各个物理量均与S S有有关，即与转速有关关，即与转速有关。三相异步电动机的三相异步电动机的额定值额定值三相异步电动机的能流图三相异步电动机的能流图205.3三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一、一、电磁转矩电磁转矩是一个非常重要的物理量，它与是一个非常重要的物理量，它与磁通、和磁通

10、、和I2I2有关，还应考虑转子电路的功率因有关，还应考虑转子电路的功率因素。素。22cosIKTt 2202222SXRURSKT2202220222222SXRSEXREI2202222cosSXRR21二、二、机械特性机械特性sfT由上式得到：由上式得到： Tfn 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2202222SXRURSKT221 1、固有固有特性曲线特性曲线分析四个特分析四个特殊点的情况，殊点的情况，并进行讨论。并进行讨论。理想空载点：理想空载点：T=0 S=0 N=N0额定运行点：额定运行点：T=Tn n=nN S=Sn NNNNPT55. 923T

11、=Tmax n=Nm s=SmT=Tst n=0 s=1 启动点：启动点：临界点：临界点：2202222XRURKTst24Sm Sm 和和TstTst正比于正比于R2R2，反比反比于于X20X20，U U决定了决定了Tst Tst 和和 TmaxTmax的大小，的大小， TmaxTmax与与R2R2无关。无关。得出：得出：202XRSm202max2XUKT25第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性2 2、人为特性曲线：人为特性曲线：2202222SXRURSKT在此式中，改变在此式中，改变U U、R2R2、f f 都可以改变机械特性都可以改变机械特性曲线。曲线

12、。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26降低电压降低电压U U，Sm Sm 和和 n0n0不变，曲线左移，不变，曲线左移，降低电压降低电压U U，在同一在同一负载下，负载下，N N下降，下降，T T下降，下降，S S增大，增大，I2I2增增大，将使电机发热。大，将使电机发热。UnUU12第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性27第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性定子回路串电阻或电抗，定子回路串电阻或电抗，会引起电动机端电压下会引起电动机端电压下降，与降压相似，但最降，与降压相似，但最大转矩要大一些。

13、大转矩要大一些。28 改变电源频率，改变电源频率，使用在使用在恒转矩情况下，保证磁通恒转矩情况下，保证磁通不变。不变。TmaxTmax不变。不变。 结论：结论：则频率下降后，则频率下降后， TmaxTmax不变，不变，TstTst和和 SmSm增增大，大， n0 n0 下降。下降。 fn 0fSm1fTst1第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性29转子串电阻：转子串电阻：N0N0和和TmaxTmax不变。不变。 TstTst和和 SmSm随随R2R2的的增大而增大。机增大而增大。机械特性曲线变软。械特性曲线变软。第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动

14、机的工作原理及特性305.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性三相异步电动机启动的主要三相异步电动机启动的主要要求要求： 要有足够大的启动转矩，启动要快、平滑，要有足够大的启动转矩，启动要快、平滑，启动电流要小，启动时安全、可靠、操作简启动电流要小，启动时安全、可靠、操作简便，功耗小等。便，功耗小等。 由于三相异步电动机启动时由于三相异步电动机启动时N = 0N = 0，S = 1S = 1，从从而引起很大的转子和定子电流，而转子功率而引起很大的转子和定子电流，而转子功率因数很低，启动转矩不大。为解决这个矛盾，因数很低，启动转矩不大。为解决这个矛盾，采用不同的启动方法。

15、（启动的危害）采用不同的启动方法。（启动的危害）第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性315.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性1 1、鼠笼式异步电动机的启动方法、鼠笼式异步电动机的启动方法a. a. 直接启动（全压启动）直接启动（全压启动）在一定条件下，允许直接启动。书上在一定条件下，允许直接启动。书上P68P68页页特点：特点：无需启动设备，操作和控制简单、可无需启动设备，操作和控制简单、可靠，在大多数工矿企业中，绝大多数电动靠，在大多数工矿企业中，绝大多数电动机采用此方法。机采用此方法。32b. b. 电阻或电抗降压启动电阻或电抗降

16、压启动 优点：将使定子中电流减少。但缺点：启优点：将使定子中电流减少。但缺点：启动转矩将减少，能量消耗大，不经济。它适合动转矩将减少，能量消耗大，不经济。它适合于不经常启动或用于空载、轻载的电动机。于不经常启动或用于空载、轻载的电动机。c. c. Y- Y-降压启动降压启动 适合于电动机为适合于电动机为 接法。接法。 Y Y启动，待电动启动，待电动机速度上升到一定值后，机速度上升到一定值后， 切换到切换到 运行。运行。5.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性33 Y Y启动的线电流是启动的线电流是 启动线电流的三分之启动线电流的三分之一，同时一，同时Y Y启动启动转矩也

17、是启动启动转矩也是 启动转矩的三启动转矩的三分之一。分之一。 特点：特点：设备简单，经济，启动电流小。设备简单，经济，启动电流小。 缺点：缺点：启动转矩小，只适合于轻载和空载启动转矩小，只适合于轻载和空载启动。启动。5.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性3411212NNUUKstIKIKI221d. d. 自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动 自耦变压器的三个绕组连成星形接自耦变压器的三个绕组连成星形接于三相电源，使接于变压器副边的电动于三相电源，使接于变压器副边的电动机降压启动，待电动机速度上升到一定机降压启动，待电动机速度上升到一定值后，切除自耦变压器。值后，切

18、除自耦变压器。5.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性35 这与这与Y-Y-降压启动的情况一样，只是在降压启动的情况一样，只是在Y-Y-降压启动时降压启动时 ，而自耦变压器降压启，而自耦变压器降压启动的动的K K值是可以调节的值是可以调节的 。31K5.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 特点：特点：K K值可调，较灵活。值可调，较灵活。 但但缺点缺点是：它体积大，重量重，价格高，是：它体积大，重量重，价格高，修理麻烦。常用于不经常启动、启动转矩修理麻烦。常用于不经常启动、启动转矩较大、容量较大的电动机上较大、容量较大的电动机上。36e. e.

19、 延边三角形启动延边三角形启动 这种方法也属于降压启动，由于接法原因，这种方法也属于降压启动，由于接法原因，使启动电流和启动转矩都较大。使用较少。使启动电流和启动转矩都较大。使用较少。 应根据实际情况，合理选择电动机启动方法。应根据实际情况，合理选择电动机启动方法。5.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性2 2、绕线式异步电动机的启动方法绕线式异步电动机的启动方法 由于鼠笼式异步电动机具有启动力矩小，由于鼠笼式异步电动机具有启动力矩小，启动电流大等特点，不能满足某些高启动转矩启动电流大等特点，不能满足某些高启动转矩低启动电流的要求，故用绕线式异步电动机。低启动电流的要求

20、，故用绕线式异步电动机。37a. a. 逐级切除电阻法逐级切除电阻法与直流电机相似，转与直流电机相似，转子串入电阻，逐步切子串入电阻，逐步切除，并保证在整个启除，并保证在整个启动过程中，有较大的动过程中，有较大的启动转矩。启动转矩。LAaTTT15.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性38b. b. 频敏变阻器启动法频敏变阻器启动法逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存在有逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存在有劳动强度大、增加附加设备、维修麻烦等缺点。劳动强度大、增加附加设备、维修麻烦等缺点。采用频敏变阻器来启动三相异步电动机采用频敏变阻器来启动三相异步电动机优点：

21、优点：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的特性。且结构简单，运行可靠，无须经常维修。特性。且结构简单，运行可靠，无须经常维修。 缺点：缺点：功率因数低，启动转矩的增大受到限制，功率因数低，启动转矩的增大受到限制，不能作调速电阻用。不能作调速电阻用。5.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性39 5.55.5 三相异步电动机调速特性三相异步电动机调速特性)1 (60)1 (0SPfSnn改变改变P P、S S（U RU R）F F都可以实现调速。都可以实现调速。1 1、调压调速、调压调速 改变电源电压改变电源电压U U时，人为特性曲线中时

22、，人为特性曲线中TmaxTmax变变小，而小，而 不变。不变。mSn0 对于恒转矩负载，调速范围不大。对于对于恒转矩负载，调速范围不大。对于风机设备的调速范围稍宽一点。风机设备的调速范围稍宽一点。40mS这种调速方法这种调速方法能够实现无级能够实现无级调速，但当电调速，但当电压降低时，转压降低时，转矩按电压的平矩按电压的平方比例减少。方比例减少。所以调速范围所以调速范围不大。不大。定子串电阻和晶闸管调压调速都属于这种方法。定子串电阻和晶闸管调压调速都属于这种方法。412 2、转子电路串电阻调速、转子电路串电阻调速转子电路中串不同转子电路中串不同的电阻，其的电阻，其 不变，而不变，而SmSm随电

23、随电阻的增大而增大，阻的增大而增大，电动机的转速降低。电动机的转速降低。max0Tn0nmS它只适应于绕线式电动它只适应于绕线式电动机，是有级调速，随转机，是有级调速，随转速降低，特性变软，启速降低，特性变软，启动电阻兼作调速电阻用，动电阻兼作调速电阻用，要考虑发热和低速损耗。要考虑发热和低速损耗。它多用在重复短期运它多用在重复短期运转的起重运输设备中。转的起重运输设备中。423 3、改变极对数调速、改变极对数调速 用于多速鼠笼式电机，不需要平滑调速，用于多速鼠笼式电机，不需要平滑调速，只要几个特定速度，以双速电机使用最多。只要几个特定速度，以双速电机使用最多。其主要是改变每相定子绕组中电流的

24、方向，其主要是改变每相定子绕组中电流的方向，通过改变定子绕组接线方式来实现。通过改变定子绕组接线方式来实现。有两种：有两种：YYY 每相绕组由串联变为并联，极对数每相绕组由串联变为并联，极对数减少减少1 1倍，转速提高倍，转速提高1 1倍，属于恒转倍，属于恒转矩调速。矩调速。43 保证改变极对数后转向不变，要注意保证改变极对数后转向不变，要注意同时改变相序，设计控制线路时要特别注同时改变相序，设计控制线路时要特别注意。一般先低速，后高速，这样才有大的意。一般先低速，后高速，这样才有大的启动转矩。启动转矩。极对数减少极对数减少1 1倍，转速提高倍，转速提高1 1倍，倍，但转矩减少但转矩减少1 1

25、倍，属于恒功率倍，属于恒功率调速。调速。YY3 3、改变极对数调速、改变极对数调速444 4、变频调速、变频调速由于由于 ，若若能够连续改变频能够连续改变频率，可实现平滑率，可实现平滑调速。多用于鼠调速。多用于鼠笼式异步电动机。笼式异步电动机。可采用可采用SCRSCR和和PWMPWM调速。调速。fn 455.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性第五章：交流电动机的工作原理及特性第五章：交流电动机的工作原理及特性5.7 5.7 单相单相异步电动机异步电动机5.8 5.8 同步电动机同步电动机465.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性1 1、反馈制动、

26、反馈制动由于某种原因，由于某种原因，使使 ，S S小于小于0 0，电动机进入发电状电动机进入发电状态。此时转子反向态。此时转子反向切割磁力线，故电切割磁力线，故电流、转矩均反向，流、转矩均反向，T T起制动作用。起制动作用。 0nn 47电机吸收的功率电机吸收的功率反馈给电网。也反馈给电网。也是发电制动。是发电制动。一种是负载是位能一种是负载是位能转矩的下放重物时。转矩的下放重物时。一种是发生在变极一种是发生在变极或变频调速时。或变频调速时。5.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性482 2、反接制动、反接制动5.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性

27、a. a.电源反接电源反接 正转运行时，正转运行时，突然改变通电相突然改变通电相序，特性曲线变序，特性曲线变到第三象限，由到第三象限，由于惯性作用，于惯性作用，N N不不能突变，只能过能突变，只能过渡到第二象限。渡到第二象限。49由于电源反接，由于电源反接，T T变负，与变负，与N N相反，相反，成为制动转矩，与成为制动转矩，与负载转矩一起，使负载转矩一起，使电机减速并停止。电机减速并停止。a b ca b c5.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性过零时切断电源过零时切断电源, ,否则否则电动机将反向启动。电动机将反向启动。505.65.6 三相异步电动机的三相异步电动

28、机的制动特性制动特性由于反接制动电由于反接制动电流很大，应在定流很大，应在定子中串入电阻。子中串入电阻。特性曲线变为特性曲线变为3，a d e51b. b.倒拉反接制动倒拉反接制动5.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性 使用在起重机下放位使用在起重机下放位能负载时，为使下降速度能负载时，为使下降速度不致太快，在转子中串入不致太快，在转子中串入较大的电阻。较大的电阻。 在位能性负载的作用在位能性负载的作用下，电动机沿曲线下，电动机沿曲线2 2减速减速过零，并在过零，并在D D点稳定运行。点稳定运行。52dcba进入第四象限后，进入第四象限后，N N变负，变负，S S大于大

29、于1 1，是反，是反接制动。它是一种能接制动。它是一种能稳定运转的制动状态。稳定运转的制动状态。5.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性535.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性3 3、能耗制动、能耗制动由于反接制动在准由于反接制动在准确停车上有困难，确停车上有困难，易造成反车，能量易造成反车，能量损耗也较大。损耗也较大。能耗制动是先断开能耗制动是先断开电源，加低压直流电源，加低压直流电于定子，建立一电于定子，建立一个固定不变的磁场。个固定不变的磁场。54 则转子导体内则转子导体内的电流与该磁场相的电流与该磁场相互作用，产生与实互作用，产生与实际运转方向相反的际运转方向相反的制动转矩，在它的制动转矩，在它的作用下，电动机迅作用下，电动机迅速下降并能准确停速下降并能准确停车。车。5.65.6 三相异步电动机的三相异步电动机的制动特性制动特性555.7 5.7 单相异步电动机单相异步电动机a. a. 磁场和工作原理磁场和工作原理 由于单相电产生由于单相电产生交变脉动的磁场