第四章电动机

1、 杨杨 凌凌 电电 工工 电电 子子 技技 术术 第第4 4章章 电动机电动机化学工业出版社化学工业出版社 第第4 4章章 电动机电动机 电动机的作用是将电能转换为机械能，实现能量的转换，电动机的作用是将电能转换为机械能，实现能量的转换，或者完成信号的转换和传递控制。电动机广泛应用于生产、或者完成信号的转换和传递控制。电动机广泛应用于生产、生活和科研的各个领域。生活和科研的各个领域。 电动机分为交流电动机和直流电动机两大类电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机交流电动机又分为异步电动机和同步电动机两大类又分为异步电动机和同步电动机两大类。生产上主要用的是。生产上主要用的是交流电动机

2、，特别是三相异步电动机。交流电动机，特别是三相异步电动机。本章主要讨论三相异本章主要讨论三相异步电动机，步电动机，对单相异步电动机及同步电动机仅作简单介绍，对单相异步电动机及同步电动机仅作简单介绍，最后扼要介绍了直流电机和两种常用控制电机。最后扼要介绍了直流电机和两种常用控制电机。4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 电动机是由定子和转子两部分及其他附件所组成的。电动机是由定子和转子两部分及其他附件所组成的。下下图是具有笼型转子的三相交流异步电动机拆卸后的结构图。图是具有笼型转子的三相交流异步电动机拆卸后的结构图。

3、三相笼型异步电动机结构三相笼型异步电动机结构 4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 1. 定子定子 定子是电动机的固定部分，主要由铁心和绕在铁心上的三定子是电动机的固定部分，主要由铁心和绕在铁心上的三相绕组构成，铁心一般是由表面涂有绝缘漆的相绕组构成，铁心一般是由表面涂有绝缘漆的0.5mm硅钢片叠硅钢片叠压而成，其内圆周表面均匀分布一定数量的槽孔，用以嵌置三压而成，其内圆周表面均匀分布一定数量的槽孔，用以嵌置三相定子绕组，每相绕组分布在几个槽内，整个绕组和铁心固定相定子绕组，每相绕组分布在几个槽内，整个绕组和铁心固定在机壳上，如下图所示。在机壳上，如下图所示。电动机定子

4、电动机定子 4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 定子中三相绕组的六个接线端子从接线盒中引出，其排定子中三相绕组的六个接线端子从接线盒中引出，其排列如下图所示。使用时可以根据情况将定子绕组接成星形或列如下图所示。使用时可以根据情况将定子绕组接成星形或三角形。三角形。U1V1W1W2U2V2Y电源电源（a）接线盒）接线盒 （b）星形连接）星形连接 （c）三角形连接）三角形连接 三相异步电动机定子接线盒三相异步电动机定子接线盒4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 当电动机每相绕组的额定电压等于电源的相电压时，绕组当电动机每相绕组的额定电压等于电源的相

5、电压时，绕组应作星形连接；当电动机每相绕组的额定电压等于电源的线应作星形连接；当电动机每相绕组的额定电压等于电源的线电压时，绕组应作三角形连接。电压时，绕组应作三角形连接。2. 转子转子 转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心和转子绕组转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心和转子绕组组成。转子铁心是由组成。转子铁心是由0.5mm厚的硅钢片叠压而成的圆柱体，厚的硅钢片叠压而成的圆柱体，其外圆周表面冲有槽孔，以便嵌置转子绕组，如下页图其外圆周表面冲有槽孔，以便嵌置转子绕组，如下页图（a）所示。）所示。 笼式转子是在转子铁心槽内压进铜条，铜条两端分别焊笼式转子是在转子铁心槽内压进铜条，铜条两端分别焊

6、在两个铜环（端环）上，如下页图（在两个铜环（端环）上，如下页图（b）所示。）所示。 为了节省铜材料，中、小型电动机一般都将熔化的铝浇铸为了节省铜材料，中、小型电动机一般都将熔化的铝浇铸在转子铁心槽中，连同短路端环以及风扇叶片一次浇铸成形，在转子铁心槽中，连同短路端环以及风扇叶片一次浇铸成形，这样的转子不仅制造简单而且坚固耐用，如上图（这样的转子不仅制造简单而且坚固耐用，如上图（c）所示。）所示。4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 （a）转子铁心冲片）转子铁心冲片 （b）笼式绕组）笼式绕组 （c）铸铝的笼式绕组）铸铝的笼式绕组 笼式转子笼式转子4.1 三相异步电动机的结

7、构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 3. 其他附件其他附件 除定子、转子两大部分外，电动机还有端盖、轴承、轴承除定子、转子两大部分外，电动机还有端盖、轴承、轴承盖、风扇叶和接线盒等附件。盖、风扇叶和接线盒等附件。 三相异步电动机结构简单，成本较低，运行可靠，使用和三相异步电动机结构简单，成本较低，运行可靠，使用和维护方便。在工农业生产中得到了广泛的应用。可以用来拖动维护方便。在工农业生产中得到了广泛的应用。可以用来拖动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数生产机械。据统计，工机械、农副产品加工

8、机械等大多数生产机械。据统计，90%的电力拖动的机械用的是异步电动机，异步电动机用电量占电的电力拖动的机械用的是异步电动机，异步电动机用电量占电网总负荷的网总负荷的50%以上。以上。4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 二、三相异步电动机的铭牌二、三相异步电动机的铭牌 电动机的外壳上都有一块铭牌，标出了电动机的型号以及电动机的外壳上都有一块铭牌，标出了电动机的型号以及主要技术数据，以便能正确使用电动机。下图为一台三相异步主要技术数据，以便能正确使用电动机。下图为一台三相异步电动机的铭牌。电动机的铭牌。50Hz4.0kW8.8A编号Y-112M-4三相异步电动机型号电机厂

9、380V1440r/minLW 82dB接法防护等级IP4445kg工作制SIB级绝缘标准编号年 月4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 电动机型号（电动机型号（Y-112M-4）指国产）指国产Y系列异步电动机，中心系列异步电动机，中心机座高度为机座高度为112mm，“M”表示中机座（表示中机座（“L” 表示长机座，表示长机座，“S” 表示短机座），表示短机座），“4”表示旋转磁场为四极。下面从铭牌上具表示旋转磁场为四极。下面从铭牌上具体体读取其技术参数。读取其技术参数。（1）额定功率）额定功率PN（4.0kW） 表示电动机在额定工作状态下表示电动机在额定工作状态下运行

10、时输出的机械功率。运行时输出的机械功率。（2）额定电压）额定电压UN（380V） 表示定子绕组上应施加的线电压。表示定子绕组上应施加的线电压。 通常功率通常功率3 kW以下的异步电动机有以下的异步电动机有380V和和220V两种额两种额定电压，写成定电压，写成380/220V，相应的接法有两种，即，相应的接法有两种，即Y/。 4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 电动机功率电动机功率4 kW以上时，额定电压一般为以上时，额定电压一般为380V，定子绕组，定子绕组作三角形连接。作三角形连接。（3）额定电压）额定电压IN（8.8A） 表示电动机额定运行时定子绕组的表示电动机

11、额定运行时定子绕组的线电流。若定子绕组有星形和三角形两种接法时，相应的额定电线电流。若定子绕组有星形和三角形两种接法时，相应的额定电流应有两种数值。流应有两种数值。（4）额定转速）额定转速nN（1440r/min） 表示电动机在额定运行时的转表示电动机在额定运行时的转速。速。（5）防护方式（）防护方式（IP44） 表示电动机外壳防护的方式为封闭式表示电动机外壳防护的方式为封闭式电动机。电动机。（6）频率）频率f（50Hz） 表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 （7）工作制（工作制）工作制（工作

12、制S1） 表示电动机可以在铭牌标出的额表示电动机可以在铭牌标出的额定状态下连续运行。定状态下连续运行。S2为短时运行，为短时运行，S3为短时重复运行。为短时重复运行。（8）绝缘等级（）绝缘等级（B级绝缘）级绝缘） 表示电动机各绕组及其他绝缘表示电动机各绕组及其他绝缘部件所用绝缘材料的等级。绝缘材料按耐热性可分为部件所用绝缘材料的等级。绝缘材料按耐热性可分为Y、A、E、B、F、H、C七个等级，如下表所示。七个等级，如下表所示。绝缘等级YAEBFHC最高允许温升/度(oC)90105120130155180180 目前，国产目前，国产Y系列电动机一般采用系列电动机一般采用B级绝缘。此外，铭牌级绝缘

13、。此外，铭牌上标注上标注“LW 82dB”是电动机的噪声等级。是电动机的噪声等级。 4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 型号满 载 数 据堵转电流堵转转矩最大转矩功率/kW电压/V接法转速/(r/min)电流/A效率功率因数温升/oC额定电流额定转矩额定转矩Y-112M-4438014408.80.850.828072.02.2 除铭牌上标出的参数之外，在产品目录或电工手册中还除铭牌上标出的参数之外，在产品目录或电工手册中还有其他一些技术数据，如下表所示。有其他一些技术数据，如下表所示。（9）功率因数）功率因数 指在额定负载下定子电路的功率因数。三相异指在额定负载下定

14、子电路的功率因数。三相异步电动机的功率因数在额定负载时约为步电动机的功率因数在额定负载时约为0.70.9，在轻载和空，在轻载和空载时较低，空载时只有载时较低，空载时只有0.20.3。因此，必须正确选择电动机。因此，必须正确选择电动机的容量，防止的容量，防止“大马拉小车大马拉小车”，并力求缩短空载时间。，并力求缩短空载时间。4.1 三相异步电动机的结构和铭牌三相异步电动机的结构和铭牌 2N2NN1NNN100%100%3cosPPPU I（10）效率）效率 指电动机在额定负载时的效率。它等于额定状态指电动机在额定负载时的效率。它等于额定状态 下输出功率与输入功率之比，即下输出功率与输入功率之比，

15、即（11）温升）温升 指额定负载时，绕组的工作温度与环境温度的指额定负载时，绕组的工作温度与环境温度的 差值。差值。（12）堵转转矩、堵转电流）堵转转矩、堵转电流 即即启动转矩启动转矩Tst和启和启动电流动电流Ist。4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 一、一、 三相交流旋转磁场的产生三相交流旋转磁场的产生 当三相异步电动机定子绕组通入对称三相交流电后，转子便当三相异步电动机定子绕组通入对称三相交流电后，转子便会旋转起来，转子转动的先决条件是定子绕组要产生旋转磁场。会旋转起来，转子转动的先决条件是定子绕组要产生旋转磁场。 为了研究问题简便，将电动机定子简化为三相六槽结构。

16、在为了研究问题简便，将电动机定子简化为三相六槽结构。在空间上互差空间上互差120o的三相绕组的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2中分别通入三相中分别通入三相交流电流交流电流iA、iB、iC（如下页图（如下页图（a）所示），将产生各自的交变）所示），将产生各自的交变磁场，其三个交变磁场将合成为一个两极旋转磁场（如下页图磁场，其三个交变磁场将合成为一个两极旋转磁场（如下页图（b）所示）。各绕组中电流的参考方向为从首端）所示）。各绕组中电流的参考方向为从首端U1、V1、W1流入，从末端流入，从末端U2、V2、W2流出。流出。4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 旋转磁场的磁极对

17、数旋转磁场的磁极对数p与定子绕组的空间排列有关。图与定子绕组的空间排列有关。图（b）所示是每相绕组只有一个线圈的情况，产生的旋转磁场）所示是每相绕组只有一个线圈的情况，产生的旋转磁场具有一对磁极（两极）。具有一对磁极（两极）。（a） 三相绕组通入三相交流电三相绕组通入三相交流电 （b） 旋转磁场的产生旋转磁场的产生U1V1W1U2V2W2iAiBiC4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 电流变化一周期，两极旋转磁场（电流变化一周期，两极旋转磁场（p=1）在空间旋转一周。）在空间旋转一周。若电流频率为若电流频率为f（Hz），则旋转磁场转速），则旋转磁场转速n1=60f（r/m

18、in）。若）。若使定子旋转磁场为四极（使定子旋转磁场为四极（p=2），可以证明，电流变化一周期，），可以证明，电流变化一周期，旋转磁场旋转半周（旋转磁场旋转半周（180o），则），则n1=60f/2（r/min）。按类似方）。按类似方法可推得，具有法可推得，具有p对磁极的旋转磁场的转速对磁极的旋转磁场的转速(又称同步转速又称同步转速)为为 n1=60f/p (r/min) 由上式可知，旋转磁场的转速由上式可知，旋转磁场的转速n1取决于电源频率取决于电源频率f和电动机和电动机的磁极对数的磁极对数p。中国工频中国工频f=50Hz，于是得出不同磁极对数旋转，于是得出不同磁极对数旋转磁场的转速如下页表

19、所示。磁场的转速如下页表所示。4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 磁极对数p123456旋转磁场转速n1300015001000750600500 旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序一致。旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序一致。若要使旋转磁场反转，只需把三根电源线中的任意两根对若要使旋转磁场反转，只需把三根电源线中的任意两根对调即可。如若将调即可。如若将U、W对调，则对调，则U1U2绕组通入绕组通入iC相电流，相电流，W1W2绕组通入绕组通入iA相电流，即改变了通入电动机定子绕组的相电流，即改变了通入电动机定子绕组的三相电流相序，可以作图证明，旋转磁场与原

20、来旋转方向三相电流相序，可以作图证明，旋转磁场与原来旋转方向相反。相反。 不同磁极对数对应的旋转磁场转速不同磁极对数对应的旋转磁场转速 4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 旋转磁场以同步转速旋转磁场以同步转速n1顺顺时针方向旋转，相当于磁场不时针方向旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电动势、感磁力线，产生感应电动势、感应电流，用右手定则判定其方应电流，用右手定则判定其方向。有电流的转子导体在旋转向。有电流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力的作用，用磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判定转子受力的方向。左手定则判定转子受力的

21、方向。二、二、 三相异步电动机的转动原理及转差率三相异步电动机的转动原理及转差率 异步电动机转子能在旋转磁场作用下转动的原理可用下异步电动机转子能在旋转磁场作用下转动的原理可用下图来说明。图来说明。 异步电动机的运转原理异步电动机的运转原理4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向顺时针旋转。转子转速顺时针旋转。转子转速n2与旋转磁场转速与旋转磁场转速n1同方向，不难理同方向，不难理解，转子转速解，转子转速n2不可能达到同步转速不可能达到同步转速n1（若（若n2=n1，转子和

22、旋，转子和旋转磁场之间不存在相对运动，转子导体不再切割磁力线，转转磁场之间不存在相对运动，转子导体不再切割磁力线，转子所受电磁力子所受电磁力F=0），有），有n1n2，故称为异步电动机，故称为异步电动机。 通常把同步转速通常把同步转速n1与转子转速与转子转速n2的差值与同步转速的差值与同步转速n1之比之比称为异步电动机的转差率，用称为异步电动机的转差率，用s表示。即表示。即 s=(n1n2)/n1 转差率转差率s是描绘异步电动机运行情况的重要参数。是描绘异步电动机运行情况的重要参数。4.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 电动机在启动瞬间电动机在启动瞬间,n2=0,s=1,转

23、差率最大转差率最大;空载运行时空载运行时;转转子转速子转速n2接近于同步转速接近于同步转速n1,转差率转差率s最小最小。可见。可见,转差率转差率s反映了反映了转子转速与旋转磁场转速差异的程度，即电动机的异步程度。转子转速与旋转磁场转速差异的程度，即电动机的异步程度。 例如例如,Y-160M-4型三相异步电动机额定转型三相异步电动机额定转nN=1460(r/min),其同步转速其同步转速n1=1500(r/min),则额定转差率则额定转差率sN=(n1nN)/n1=0.027。一般情况下，异步电动机额定转差率一般情况下，异步电动机额定转差率sN=0.020.06。当三相。当三相异步电动机空载时异

24、步电动机空载时,由于电动机只需克服摩擦阻力和空气阻力由于电动机只需克服摩擦阻力和空气阻力,故转速故转速n2很接近同步转速很接近同步转速n1,转差率转差率s很小很小,一般约为一般约为0.0040.007。4.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 为了全面地了解三相异步电动机的工作情况，需要弄清楚为了全面地了解三相异步电动机的工作情况，需要弄清楚一个重要的物理量一个重要的物理量电磁转矩电磁转矩，下面讨论相关的几个问题。，下面讨论相关的几个问题。一、一、 电磁转矩与转子转速的关系电磁转矩与转子转速的关系 电动机产生的电磁转矩电动机产生的电磁转矩T与转子转速与转子转速n2的关系曲线称为

25、电动的关系曲线称为电动机的机械特性曲线，见右图。机的机械特性曲线，见右图。图中，启动转矩图中，启动转矩Tst为电动机启动为电动机启动时对应的电磁转矩；额定转矩时对应的电磁转矩；额定转矩TN为电动机带额定负载时的电磁转为电动机带额定负载时的电磁转矩；最大转矩矩；最大转矩Tm为电动机运行中为电动机运行中具有的最大电磁转矩。具有的最大电磁转矩。BDn2nN三相异步电动机的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性曲线Tst0(2%6%)n1n1TNTATmC4.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 1. 当电动机的启动转矩当电动机的启动转矩Tst大于负载阻力矩大于负载阻力矩TL时，电动机旋

26、时，电动机旋转起来，并在电磁转矩的作用下逐渐加速，此时电磁转矩转起来，并在电磁转矩的作用下逐渐加速，此时电磁转矩随随n2的增加逐渐增大（沿曲线的增加逐渐增大（沿曲线DC段上升），一直增大到最段上升），一直增大到最大转矩大转矩Tm。而后，随着转速的继续增大，电磁转矩反而逐。而后，随着转速的继续增大，电磁转矩反而逐渐减小（沿曲线渐减小（沿曲线CA段下降），最终当电磁转矩等于负载阻段下降），最终当电磁转矩等于负载阻力矩力矩TL时，电动机就以某一转速匀速稳定旋转。时，电动机就以某一转速匀速稳定旋转。2. 异步电动机一经异步电动机一经启动启动很快就进入机械特性曲线的很快就进入机械特性曲线的AC段，段，并

27、在其某一点上稳定运行。电动机并在其某一点上稳定运行。电动机AC段工作时若负载加重，段工作时若负载加重，负载阻力矩大于电磁转矩，会使电动机转速有所下降，但负载阻力矩大于电磁转矩，会使电动机转速有所下降，但与此同时，电磁转矩随转速的下降而增大，从而与负载阻与此同时，电磁转矩随转速的下降而增大，从而与负载阻4.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 力矩达到新的平衡，使电动机以比原来稍低的转速稳定运力矩达到新的平衡，使电动机以比原来稍低的转速稳定运转。若负载的阻力矩超过了最大电磁转矩转。若负载的阻力矩超过了最大电磁转矩Tm，负载阻力矩，负载阻力矩则会一直大于电磁转矩（则会一直大于电磁转

28、矩（TLT），再也不存在一个新的平），再也不存在一个新的平衡点使衡点使T=TL，电动机的转速将会很快下降直到停止，处于，电动机的转速将会很快下降直到停止，处于堵转状态。堵转时电动机定子绕组的电流可达到额定值的堵转状态。堵转时电动机定子绕组的电流可达到额定值的47倍，时间梢长将损坏电动机。倍，时间梢长将损坏电动机。3. 机械特性曲线中机械特性曲线中AC段为异步电动机的稳定运行区。从空段为异步电动机的稳定运行区。从空载（对应曲线上载（对应曲线上A点，转速点，转速n1）到满载（对应曲线上）到满载（对应曲线上B点，点，转速转速nN）转速下降很少，仅为额定转速的）转速下降很少，仅为额定转速的2%6%。只

29、要。只要 4.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 负载阻力矩介于负载阻力矩介于AC区间内，均可以找到平衡点稳定运行。区间内，均可以找到平衡点稳定运行。因此因此AC段也称为异步电动机的硬机械特性段也称为异步电动机的硬机械特性，这种特性适合，这种特性适合于大多数生产机械对拖动的要求。于大多数生产机械对拖动的要求。4. 过载能力与启动能力过载能力与启动能力 电动机的最大电磁转矩电动机的最大电磁转矩Tm与额定转与额定转矩矩TN之比称为电动机的过载能力，一般电动机的过载能力约之比称为电动机的过载能力，一般电动机的过载能力约为为1.92.2。电动机的启动转矩。电动机的启动转矩Tst与额定

30、转矩与额定转矩TN之比称为电之比称为电动机的启动能力，一般电动机的启动能力约为动机的启动能力，一般电动机的启动能力约为1.72.2。二、电磁转矩与电源电压的关系二、电磁转矩与电源电压的关系 由于用电负荷的变化，电网电压往往会发生波动。而电由于用电负荷的变化，电网电压往往会发生波动。而电4.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 动机的电磁转矩对电压很敏感，当电网电压降低时，将引起动机的电磁转矩对电压很敏感，当电网电压降低时，将引起电磁转矩电磁转矩T大幅度降低。大幅度降低。 可以证明，电磁转矩可以证明，电磁转矩T与电动机定子绕组上所加电压与电动机定子绕组上所加电压U的的平方成正比，

31、即平方成正比，即 TU2 右图是电源电压变化右图是电源电压变化时的机械特性曲线。图中时的机械特性曲线。图中画出了几条不同电压时的画出了几条不同电压时的机械特性曲线。机械特性曲线。n2电源电压变化时的机械特性曲线电源电压变化时的机械特性曲线U20U1U2U3TU3U14.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 当电动机负载的阻力矩当电动机负载的阻力矩TL一定时，由于电压降低，电一定时，由于电压降低，电磁转矩磁转矩T下降，将使电动机有可能带不动原有的负载，于是下降，将使电动机有可能带不动原有的负载，于是转速下降，电流增大。如果电压下降过多，以致最大转矩也转速下降，电流增大。如果电压下

32、降过多，以致最大转矩也低于负载转矩时，则电动机会被迫停转，时间稍长，电低于负载转矩时，则电动机会被迫停转，时间稍长，电动机会因过热而损坏。动机会因过热而损坏。三、输出转矩与输出功率的关系三、输出转矩与输出功率的关系 若电动机在运行中带动负载转动的转矩为若电动机在运行中带动负载转动的转矩为T2，轴上输出，轴上输出的机械功率为的机械功率为P2，转子的转速为，转子的转速为n2，则由力学知识可知，则由力学知识可知 T2=9550P2/n24.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 电动机在额定状态下运行时，有电动机在额定状态下运行时，有 TN=9550PN/nN 式中，式中，TN为电动机

33、输出的额定转矩，单位为为电动机输出的额定转矩，单位为Nm（牛顿（牛顿米）；米）；PN为电动机输出的额定功率，单位为为电动机输出的额定功率，单位为kW（千瓦）；（千瓦）；nN为电动机的额定转速，单位为为电动机的额定转速，单位为r/min（转（转/分钟）。分钟）。【例【例4-1】已知某三相异步电动机的额定功率】已知某三相异步电动机的额定功率PN=4kW，额定，额定转速转速nN=1440r/min，试求额定转矩，试求额定转矩TN、启动转矩、启动转矩Tst、最大转、最大转矩矩Tm（过载能力为（过载能力为2.2，启动能力为，启动能力为1.8）。若电动机满载运）。若电动机满载运行，定子绕组上电压下降行，定

34、子绕组上电压下降20%时，电动机能否继续旋转？能时，电动机能否继续旋转？能否在此状态下满载启动？否在此状态下满载启动？4.3 三相异步电动机的运行分析三相异步电动机的运行分析 【解】【解】 额定转矩额定转矩TN=9550(PN/nN)=9550(4/1440)=26.5Nm 启动转矩启动转矩Tst =1.8TN=1.826.5=47.8Nm 最大转矩最大转矩Tm=2.2TN=2.226.5=58.4Nm 当电压降低当电压降低20%时，根据时，根据TU2，对应的启动转矩、，对应的启动转矩、 最大转矩为最大转矩为 Tst =0.82Tst=0.64Tst=0.6447.8=30.6Nm Tm=0.

35、82Tm=0.64Tm=0.6458.4=37.4Nm 满载运行时，因为满载运行时，因为TL=TN=26.5Nm Tm，所以降压后，所以降压后 能在新的平衡点以新的转速稳定运行。能在新的平衡点以新的转速稳定运行。 满载启动时，因为满载启动时，因为TL=TN=26.5Nm 1，故电动机降压故电动机降压启动，定子绕启动，定子绕组电流较全压启动时减小，组电流较全压启动时减小，反映到原边电路，输电线路反映到原边电路，输电线路上的电流将更小一些。上的电流将更小一些。L1FUM3L2L3SA2SA1全压运行降压启动自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的

36、启动、调速、制动 待电动机启动完毕后，将待电动机启动完毕后，将SA2切换到全压运行位置上，电动切换到全压运行位置上，电动机正常运行。机正常运行。该方法一般适用于容量较大的笼式异步电动机。该方法一般适用于容量较大的笼式异步电动机。（3）星形（）星形（Y）三角形（三角形（）降压启动）降压启动 如下页图所示。正常工作时定子绕组三角形连接的电动如下页图所示。正常工作时定子绕组三角形连接的电动机，启动时可先换接成星形。启动时，将开关机，启动时可先换接成星形。启动时，将开关SA1闭合，闭合，SA2置置于于Y形连接的位置上，电动机定子绕组星形连接降压启动。待形连接的位置上，电动机定子绕组星形连接降压启动。待

37、启动完毕后，再将开关启动完毕后，再将开关SA2切换到三角形连接的位置上，电动切换到三角形连接的位置上，电动机正常运行。这种降压启动，由于电动机每相绕组上的电压降机正常运行。这种降压启动，由于电动机每相绕组上的电压降为额定值的为额定值的 ，使得启动转矩、启动电流均为三角形，使得启动转矩、启动电流均为三角形1/ 34.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 YW2V2U2W1V1U1L1FUL2L3SA2SA1连接时的连接时的1/3。 这种方法适合于这种方法适合于电动机轻载或空载电动机轻载或空载启动。启动。 Y-换接降压启动换接降压启动 4.4 三相异步电动机的启动、

38、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 二、二、 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 调速是指人为地改变电动机的转速。根据调速是指人为地改变电动机的转速。根据n1=60f/p可知，可知，异步电动机的调速方法如下。异步电动机的调速方法如下。1. 变极（变极（p）调速）调速 这种方法是将定子绕组的接线端引出，通过转换开关改这种方法是将定子绕组的接线端引出，通过转换开关改变绕组接法，以改变磁极对数，构成多速电动机。用得最多变绕组接法，以改变磁极对数，构成多速电动机。用得最多的是双速电动机，也有三速或四速的电动机。其产品为的是双速电动机，也有三速或四速的电动机。其产品为YD系列。通常有系列。

39、通常有4/2极、极、6/4极、极、8/4极、极、8/6极、极、12/6极。也有极。也有6/4/2极、极、8/4/2极、极、8/6/4极，还有极，还有12/8/6/4极等多种产品。这极等多种产品。这种调速是步极式的调速方法。种调速是步极式的调速方法。4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 2. 变频（变频（f）调速）调速U可调+U变频调速方框图变频调速方框图350Hz可 控整流器f可调M3逆变 器这种调速是通过改变异步电动机供电电源的频率来实现的。这种调速是通过改变异步电动机供电电源的频率来实现的。上图是变频调速的方框图。可控整流器先将上图是变频调速的方框图。可

40、控整流器先将50Hz的交流电的交流电变换成电压可调的直流电，再由逆变器将直流电变换成频变换成电压可调的直流电，再由逆变器将直流电变换成频率可调的三相交流电，从而实现三相异步电动机的无级调率可调的三相交流电，从而实现三相异步电动机的无级调速。近年来，电力半导体器件的成本在不断降低，可靠性速。近年来，电力半导体器件的成本在不断降低，可靠性在不断增强，这种调速方法得到了越来越广泛的使用。在不断增强，这种调速方法得到了越来越广泛的使用。4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 4. 变压调速变压调速 这种调速方法是用电抗器或自耦变压器来降低定子绕组上这种调速方法是用电抗

41、器或自耦变压器来降低定子绕组上所承受的电压，进而改变转矩，获得一定的调速范围。所承受的电压，进而改变转矩，获得一定的调速范围。这种这种方法常用于拖动风机、泵类等负载。家用电器中的风扇就是方法常用于拖动风机、泵类等负载。家用电器中的风扇就是用这种方法调速的。用这种方法调速的。三、三、 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动 电动机电源断开后，由于惯性作用，尚需一段时间才能电动机电源断开后，由于惯性作用，尚需一段时间才能完全停下来。在某些应用场合，要求电动机能够准确停位和完全停下来。在某些应用场合，要求电动机能够准确停位和迅速停车，以提高生产效率，保证生产安全。迅速停车，以提高生产效率，保证生产

42、安全。在电动机断开在电动机断开电源后，采用一定措施使电动机停下来称为电动机的制动。电源后，采用一定措施使电动机停下来称为电动机的制动。4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 制动的方法有机械制动和电气制动两种制动的方法有机械制动和电气制动两种,在此介绍电气制动在此介绍电气制动.常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动等。常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动等。1. 能耗制动能耗制动 能耗制动的原理如下图所示。能耗制动的原理如下图所示。L1+M3L2L3n1=0Fn2当切断三相电源时，接通直流当切断三相电源时，接通直流电源，直流电流通过定子绕

43、组电源，直流电流通过定子绕组产生固定不动的磁场，转子电产生固定不动的磁场，转子电流与直流电流固定磁场相互作流与直流电流固定磁场相互作用产生与电动机转动方向相反用产生与电动机转动方向相反的转矩，实现制动。的转矩，实现制动。4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 这种方法是把电动机轴上的旋转动能转变为电能，消耗在这种方法是把电动机轴上的旋转动能转变为电能，消耗在制动器电阻上，故称为能耗制动。制动转矩的大小与直流电制动器电阻上，故称为能耗制动。制动转矩的大小与直流电流的大小有关，制动电流一般为电动机额定电流的流的大小有关，制动电流一般为电动机额定电流的0.51倍。倍

44、。能耗制动能量消耗小，制动平稳，无冲击，但需要直流电源。能耗制动能量消耗小，制动平稳，无冲击，但需要直流电源。2. 反接制动反接制动 反接制动的原理如下页图所示。在电动机停车时，将接反接制动的原理如下页图所示。在电动机停车时，将接至定子电源线中的任意两相反接，旋转磁场将反向旋转，产至定子电源线中的任意两相反接，旋转磁场将反向旋转，产生与转子惯性转动方向相反的转矩，实现制动。生与转子惯性转动方向相反的转矩，实现制动。 应特别指出的是，当转速接近零时，应利用某种控制电应特别指出的是，当转速接近零时，应利用某种控制电路将电源自动切断，否则电动机将反转。路将电源自动切断，否则电动机将反转。4.4 三相

45、异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 反接制动时，由于旋转反接制动时，由于旋转磁场与转子的相对转速很磁场与转子的相对转速很大，因而电流较大，对功大，因而电流较大，对功率较大的电动机制动时应率较大的电动机制动时应考虑限流。考虑限流。 反接制动方法简单、效反接制动方法简单、效果较好，但能量消耗较大。果较好，但能量消耗较大。L1M3L2L3n1Fn23. 回回馈制动馈制动 如果电动机拖动的位能性负载下落时，电动机反而被负如果电动机拖动的位能性负载下落时，电动机反而被负载拖动，此时电动机定子绕组如果通电产载拖动，此时电动机定子绕组如果通电产生旋转磁场且转速为生旋转磁场且转速为n

46、1，当负载拖动电动机使转子转速，当负载拖动电动机使转子转速n2超过同步转速超过同步转速n1时，电动时，电动4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动三相异步电动机的启动、调速、制动 机的转子导体将受到反方向的作用力，如右下图所示。机的转子导体将受到反方向的作用力，如右下图所示。 n1NMSFn2n2Fn2n1 回馈制动 此时的重物将不致因自由下此时的重物将不致因自由下落不断加速造成危险，而在制动落不断加速造成危险，而在制动力的作用下匀速下落，使重物能力的作用下匀速下落，使重物能平稳地放下。这种制动方法常在平稳地放下。这种制动方法常在起重、运输设备中被应用。起重、运输设备中被应用。 在上述制动状态

47、下，电在上述制动状态下，电动机转子电流将反相，与之相应定子绕组中电流也要反相，电动机转子电流将反相，与之相应定子绕组中电流也要反相，电动机成为被下落的重物拖动的发电机，产生的能量回馈给电源，动机成为被下落的重物拖动的发电机，产生的能量回馈给电源，故称为回馈制动。故称为回馈制动。4.5 单相异步电动机单相异步电动机 单相异步电动机是由单相电源供电的小功率电动机。单相异步电动机是由单相电源供电的小功率电动机。日日常生活中的电风扇、电冰箱、洗衣机、搅拌机、抽排油烟机常生活中的电风扇、电冰箱、洗衣机、搅拌机、抽排油烟机等均采用单相异步电动机作动力。等均采用单相异步电动机作动力。 由于单相异步电动机绕组

48、通过单相交变电流，若电动机由于单相异步电动机绕组通过单相交变电流，若电动机定子铁心上只有单相绕组，所产生的磁通是交变脉动磁通，定子铁心上只有单相绕组，所产生的磁通是交变脉动磁通，它的轴线在空间上是固定不变的，这样的磁通是不可能使转它的轴线在空间上是固定不变的，这样的磁通是不可能使转子启动旋转的。因此必须采用另外的启动措施。下面介绍两子启动旋转的。因此必须采用另外的启动措施。下面介绍两种常用的笼式单相异步电动机。种常用的笼式单相异步电动机。4.5 单相异步电动机单相异步电动机一、一、 电容分相式单相异步电动机电容分相式单相异步电动机U2U1i1i2u+CFU笼式转子V2V1SA1 右下图为电容分

49、相式单相异步电动机的定子电路。其定子右下图为电容分相式单相异步电动机的定子电路。其定子具有两个绕组具有两个绕组U1U2、V1V2，它们在空间互差，它们在空间互差90o。其中。其中U1U2称称为工作绕组，流过的电流为为工作绕组，流过的电流为i2；V1V2绕组中串有电容器，称为绕组中串有电容器，称为启动绕组，流过的电流为启动绕组，流过的电流为i1。两个绕组接在同一单相交流电源。两个绕组接在同一单相交流电源上。适当选择电容器上。适当选择电容器C的容量，可的容量，可使两个绕组中的电流使两个绕组中的电流 i1、i2 相位差相位差为为90o，这样在空间上互成，这样在空间上互成90o的两的两相绕组通入互差相

50、绕组通入互差90o的两相交流电，的两相交流电，便产生了旋转磁场，如下页图所示。便产生了旋转磁场，如下页图所示。4.5 单相异步电动机单相异步电动机互差互差90o的两相交流电产生的旋转磁场的两相交流电产生的旋转磁场4.5 单相异步电动机单相异步电动机2u+C1SA1SA2 在在旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转，有的单相异步电动机不采用电容分相，而是采用在向旋转，有的单相异步电动机不采用电容分相，而是采用在启动绕组中串入电阻的方法，使得两相绕组中的电流在相位启动绕组中串入电阻的方法，使得两相绕组中的电流在相位上存在一定的电角度，也可

51、以产生旋转磁场。上存在一定的电角度，也可以产生旋转磁场。 电容分相式异步电动机改变转向的方法是通过切换开关电容分相式异步电动机改变转向的方法是通过切换开关把电容器改接到另一个绕组上，把电容器改接到另一个绕组上，或将任一绕组的首末端互换。或将任一绕组的首末端互换。右图表示通过转换开关右图表示通过转换开关SA1改变转向的电路图。改变转向的电路图。4.5 单相异步电动机单相异步电动机二、二、 罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机 罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为鼠罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为鼠笼式，如右下图所示。在定子磁极上开一个槽，将磁柱分成笼式，如右下图所

52、示。在定子磁极上开一个槽，将磁柱分成两部分，在较小的磁极上套一个短路铜环，称为罩极。在磁两部分，在较小的磁极上套一个短路铜环，称为罩极。在磁极上绕有单相绕组，当通入极上绕有单相绕组，当通入单相交流电时，铁心中便产单相交流电时，铁心中便产生交变磁通。在交变磁通的生交变磁通。在交变磁通的作用下，铜环中产生感应电作用下，铜环中产生感应电流。由楞次定律可知，感应流。由楞次定律可知，感应电流产生的磁场将阻碍原来电流产生的磁场将阻碍原来4.5 单相异步电动机单相异步电动机磁场的变化，使罩极穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的磁场的变化，使罩极穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的磁通，如同磁通总是从未罩部分向罩

53、极移动。总体上看，好磁通，如同磁通总是从未罩部分向罩极移动。总体上看，好像磁场在旋转，从而获得启动转矩。下图表示电流变化半周像磁场在旋转，从而获得启动转矩。下图表示电流变化半周期磁通变化的情况。期磁通变化的情况。4.5 单相异步电动机单相异步电动机 罩极上的铜环是固定的，而磁场总是从未罩部分向罩极罩极上的铜环是固定的，而磁场总是从未罩部分向罩极移动，故磁场的转动方向是不变的。所以，罩极式单相异步移动，故磁场的转动方向是不变的。所以，罩极式单相异步电动机不能改变转向，它的启动转矩较分相式单相异步电动电动机不能改变转向，它的启动转矩较分相式单相异步电动机的启动转矩小，一般用在空载或轻载启动的台扇、

54、排风机机的启动转矩小，一般用在空载或轻载启动的台扇、排风机等设备中。等设备中。4.6 同步电动机同步电动机 电动机转子的转速始终与定子旋转磁场转速相同，这类电电动机转子的转速始终与定子旋转磁场转速相同，这类电动机称为同步电动机。动机称为同步电动机。同步电动机主要分三相同步电动机和同步电动机主要分三相同步电动机和微型同步电动机两类。微型同步电动机两类。一、一、 三相同步电动机三相同步电动机 三相同步电动机也分为定子和转子两大部分。其定子与三三相同步电动机也分为定子和转子两大部分。其定子与三相异步电动机的定子结构完全相同，也是由机座、定子铁心、相异步电动机的定子结构完全相同，也是由机座、定子铁心、

55、定子三相绕组等组成。三相绕组也可以接成星形或三角形。定子三相绕组等组成。三相绕组也可以接成星形或三角形。通入三相交流电后，产生旋转磁场。通入三相交流电后，产生旋转磁场。 三相同步电动机转子通常由凸出的磁极上装有直流励磁三相同步电动机转子通常由凸出的磁极上装有直流励磁绕组，下页图（绕组，下页图（a）为三相同步电动机的结构示意图。）为三相同步电动机的结构示意图。4.6 同步电动机同步电动机W2+W1V2V1U1U2un2=n1n1NSSNn2（a） （b） 当转子励磁绕组中通入直流电时，便产生恒定的磁极，该磁当转子励磁绕组中通入直流电时，便产生恒定的磁极，该磁极被定子旋转磁场吸住并拖动转子以同步转

56、速旋转。上图（极被定子旋转磁场吸住并拖动转子以同步转速旋转。上图（b）为三相同步电动机的运转原理图。为了保证转子与定子旋转速度为三相同步电动机的运转原理图。为了保证转子与定子旋转速度相同，转子磁极与定子旋转磁极对数必须相等。相同，转子磁极与定子旋转磁极对数必须相等。4.6 同步电动机同步电动机 三相同步电动机启动方式：异步启动，同步运转。即转三相同步电动机启动方式：异步启动，同步运转。即转子边沿安装许多类似笼式异步电动机转子子边沿安装许多类似笼式异步电动机转子的导条，如右图所示。启动时，转子上的的导条，如右图所示。启动时，转子上的直流励磁绕组不通电，使转子先异步启动，直流励磁绕组不通电，使转子

57、先异步启动，当转子转速接近同步转速时，再通入直流当转子转速接近同步转速时，再通入直流励磁电流，旋转磁场就会立即吸住转子同励磁电流，旋转磁场就会立即吸住转子同步运转。步运转。 三相同步电动机在运行中有以下特点。三相同步电动机在运行中有以下特点。 1. 恒速性恒速性4.6 同步电动机同步电动机 只要同步电动机所带负载的阻转矩不超过允许值，其转速只要同步电动机所带负载的阻转矩不超过允许值，其转速总是等于同步转速。所以同步电动机常用于拖动要求恒速的总是等于同步转速。所以同步电动机常用于拖动要求恒速的生产机械，例如合成氨厂的压缩机、水泵、碎石机等。生产机械，例如合成氨厂的压缩机、水泵、碎石机等。2. 功

58、率因数可调性功率因数可调性 同步电动机可以通过对转子励磁电流的调节来改变电动同步电动机可以通过对转子励磁电流的调节来改变电动机本身的功率因数。当机本身的功率因数。当cos=1时，电动机呈电阻性，相当于时，电动机呈电阻性，相当于纯电阻性负载，此状态称准励磁状态；当减小励磁电流，可纯电阻性负载，此状态称准励磁状态；当减小励磁电流，可使电动机呈感性，相当于感性负载，此状态称欠励磁状态；使电动机呈感性，相当于感性负载，此状态称欠励磁状态；当增大励磁电流，可使电动机呈容性，相当于容性负载，此当增大励磁电流，可使电动机呈容性，相当于容性负载，此4.6 同步电动机同步电动机状态称过励磁状态。利用三相同步电动

59、机可将自身转变为容状态称过励磁状态。利用三相同步电动机可将自身转变为容性负载这一特点，在电网中，可和电容器一样起到提高功率性负载这一特点，在电网中，可和电容器一样起到提高功率因数的作用。在工厂中，功率较大的电动机常使用同步电动因数的作用。在工厂中，功率较大的电动机常使用同步电动机，以改善全厂的功率因数。机，以改善全厂的功率因数。 三相同步电动机与三相异步电动机相比较，结构复杂，三相同步电动机与三相异步电动机相比较，结构复杂，价格较贵，需交、直流电源供电，且不能调速，作为动力机价格较贵，需交、直流电源供电，且不能调速，作为动力机械使用受到一定的限制，但可以作为同步补偿机使用，使其械使用受到一定的

60、限制，但可以作为同步补偿机使用，使其空载运行，向电网输送无功电流，提高功率因数。空载运行，向电网输送无功电流，提高功率因数。二、二、 微型同步电动机微型同步电动机4.6 同步电动机同步电动机 微型同步电动机是一种不需外加直流电源的小容量单相微型同步电动机是一种不需外加直流电源的小容量单相同步电动机。所使用的是单相交流电源。具有体积小、结构同步电动机。所使用的是单相交流电源。具有体积小、结构简单、运行可靠及转速恒定等特点，广泛应用于自动化装置、简单、运行可靠及转速恒定等特点，广泛应用于自动化装置、记录仪器、录音机、电影机设备中。记录仪器、录音机、电影机设备中。 微型同步电动机的定子单相异步电动机