第3章 电动机的工作原理及机械特性(第二讲)

1、机电传动控制机电传动控制主讲：廖映华QQ:191151820; Tel.:61147)四川理工学院 机械设计制造系2014年1月15日机电传动控制2u授课学时授课学时：2学时学时u课外学时课外学时：2学时学时u主要内容主要内容：三相异步电动机的结构和工作原理；三相异步电：三相异步电动机的结构和工作原理；三相异步电动机的定子和转子电路；三相异步电动机的转矩与机械特性；动机的定子和转子电路；三相异步电动机的转矩与机械特性；三相异步电动机的启动、调速和制动特性及方法；单相异步电三相异步电动机的启动、调速和制动特性及方法；单相异步电动机；同步电动机动机；同步电动机u本章难点本

2、章难点：三相异步电动机的启动、调速和制动特性与方法：三相异步电动机的启动、调速和制动特性与方法u教学形式教学形式：课堂讲授课堂讲授第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性2014年1月15日机电传动控制32. 同步电动机同步电动机发电机运行是同步电机最主要的发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可调

3、速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。以提高运行效率。3.2交流电动机交流电动机1. 异步电动机（工业中应用最广泛）异步电动机（工业中应用最广泛）优点：优点：结构简单，维护方便，运结构简单，维护方便，运行可靠，成本低廉。行可靠，成本低廉。缺点：缺点：功率因数滞后，轻载功率功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。因数低，调速性能稍差。但是，随着变频技术的发展，特但是，随着变频技术的发展，特别是矢量变频技术的发展，已经可以别是矢量变频技术的发展，已经可以用变频电机模拟成直流电机。从而已用变频电机模拟成直流电机。从而已经有取代传统直流电机的趋势。经有取代传统直流电机的趋势。本本节主要内容

4、：三相异步电动机的工作原理，启动、制动和调速特性和方法。节主要内容：三相异步电动机的工作原理，启动、制动和调速特性和方法。第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性2014年1月15日机电传动控制43.2交流电动机交流电动机异步电动机按定子的相数可分为异步电动机按定子的相数可分为单相单相、三相三相单相异步电动机单相异步电动机三相异步电动机三相异步电动机第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性2014年1月15日机电传动控制53.2交流电动机交流电动机3.2.1 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 1）结构：）结构：按转子绕

5、组的结构：鼠笼式和绕线式按转子绕组的结构：鼠笼式和绕线式绕线式绕线式转子绕组转子绕组第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性2014年1月15日机电传动控制63.2交流电动机交流电动机3.2.1 交流电动机的结构和工作原理交流电动机的结构和工作原理定子定子转子转子旋转磁场转速旋转磁场转速n0，又称同步转速。又称同步转速。感应电流感应电流=电磁力电磁力=转子以转速转子以转速n随旋转随旋转磁场转动。磁场转动。 n n0 。00nnSn转差率：转差率：2）工作原理）工作原理2014年1月15日机电传动控制7第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2

6、交流电动机交流电动机3.2.1 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3）旋转磁场）旋转磁场产生产生sin()2sin()34sin()3iItiItiItAmBmCm=(a) t0 (b) tT/6 (c) tT/3 (d) tT/2 2014年1月15日机电传动控制8第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.1 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3）旋转磁场）旋转磁场旋转方向旋转方向sin()2sin()34sin()3iItiItiItAmCmBm=(a) t0 (b) tT/6 (c

7、) tT/3 (d) tT/2 2014年1月15日机电传动控制9第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.1 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4）定子绕组线端连接方式）定子绕组线端连接方式出线端的排列出线端的排列 三角形连接三角形连接星形连接星形连接2014年1月15日机电传动控制10第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.2 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11111111111111()LLLdiui Reei

8、RLedtRLue 由于 和很小，故：11114.44UEf N 产生旋转磁场：产生旋转磁场：磁通磁通与与定子电压定子电压U1之间的关系之间的关系2022222222220()SEEIRXRSX222222222220cos()RRRXRSX产生电磁转矩产生电磁转矩T驱动负载，电磁转矩驱动负载，电磁转矩T为为22costTKI1）定子和转子电路分析）定子和转子电路分析2014年1月15日机电传动控制11第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.2 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2）三相异步电动机的能量

9、转换）三相异步电动机的能量转换2014年1月15日机电传动控制12第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.3 三相异步电动机的转矩和机械特性三相异步电动机的转矩和机械特性1）三相异步电动机的转矩和机械特性）三相异步电动机的转矩和机械特性222122222220220( )SRUSRUTf SKKRSXRSX又因为又因为00( )nnSf nn所以所以( )Tf n三相异步电动三相异步电动机的机械特性机的机械特性2014年1月15日机电传动控制13第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3

10、.2.3 三相异步电动机的转矩和机械特性三相异步电动机的转矩和机械特性2）三相异步电动机的固有机械特性）三相异步电动机的固有机械特性四个特殊点的转矩、转速（转差率）四个特殊点的转矩、转速（转差率）工作点工作点转矩转矩转速或转差率转速或转差率理想空载理想空载0n=n0, S=0额定额定9.55PN/nNS=(n0-nN)/n0临界临界P50,式（式（3.57）P50,式（式（3.56）启动启动P50,式（式（3.55）12014年1月15日机电传动控制14第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.3 三相异步电动机的转矩和机械特性三相异步电

11、动机的转矩和机械特性3）三相异步电动机的人为机械特性）三相异步电动机的人为机械特性 降低定子绕组两端电压降低定子绕组两端电压降低定子绕组的电源电压降低定子绕组的电源电压定子绕组的外串电阻或电抗降压定子绕组的外串电阻或电抗降压2014年1月15日机电传动控制15第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.3 三相异步电动机的转矩和机械特性三相异步电动机的转矩和机械特性3）三相异步电动机的人为机械特性）三相异步电动机的人为机械特性 改变电源频率改变电源频率2014年1月15日机电传动控制16第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理

12、及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.3 三相异步电动机的转矩和机械特性三相异步电动机的转矩和机械特性3）三相异步电动机的人为机械特性）三相异步电动机的人为机械特性 转子电路串入电阻转子电路串入电阻2014年1月15日机电传动控制17第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性采用电动机拖动生产机械时，采用电动机拖动生产机械时，对电动机启动的主要要求如下：对电动机启动的主要要求如下：有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。在满足启动转矩

13、要求的前提下，启动电流越小越好。在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。要求启动平滑，即要求启动时平滑加速，以减小对生产机械的冲击。要求启动平滑，即要求启动时平滑加速，以减小对生产机械的冲击。启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。启动过程中的功率损耗越小越好。启动过程中的功率损耗越小越好。 异步电动机的固有启动特性异步电动机的固有启动特性矛盾矛盾（小）（小）（大）（大）2014年1月15日机电传动控制18第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.4 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启

14、动方法方法1）直接启动，又称全压启动直接启动，又称全压启动直接启动的条件取决于电直接启动的条件取决于电动机功率与供电变压器容量之动机功率与供电变压器容量之比值。比值。2014年1月15日机电传动控制19第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.4 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动方法方法2）定子串）定子串电阻或电抗器降压启动电阻或电抗器降压启动定子串入电阻或电抗的降压定子串入电阻或电抗的降压启动启动缺点缺点：（1）启动转矩小。只适合）启动转矩小。只适合空载或轻载启动；空载或轻载启动；（2）不经济。串电阻能耗）不经济。串电阻能耗大，

15、串电感器费用高，体积大，串电感器费用高，体积大。大。2014年1月15日机电传动控制20第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.4 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动方法方法3）星）星形形-三角形（三角形（Y-）降压启动降压启动启动时，启动时，KM+，KM1+，KM2-，星形星形连接；连接；启动后，启动后，KM+，KM1-，KM2+，三角形连接。，三角形连接。特点：这种方法只适合于定子绕组采用特点：这种方法只适合于定子绕组采用接法的三相异步电动机。接法的三相异步电动机。Y3ststTT2014年1月15日机电传动控制21第第3章章

16、 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.4 三相异步电动机的启动方法三相异步电动机的启动方法4）自耦变压器）自耦变压器降压启动降压启动启动时启动时KM1+、KM2+，KM-，三相自耦变压器三相自耦变压器T的三个绕组接的三个绕组接成星形接三相电源，与自耦变压成星形接三相电源，与自耦变压器副边相接的器副边相接的电动机降压启动电动机降压启动;当转速上升到一定值后，当转速上升到一定值后，KM1-、KM2-，自耦变压器，自耦变压器T被被切除，同时切除，同时KM+，电动机接上全，电动机接上全电压运行。电压运行。一相电路一相电路2014年1月15日机电传动控制

17、22第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.5 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1）逐级切除启动电阻法）逐级切除启动电阻法前述异步电动机的启动方法适合于鼠笼式和绕线式异步电动机。对于前述异步电动机的启动方法适合于鼠笼式和绕线式异步电动机。对于绕线式异步电动机，还可通过转子电路串电阻启动。绕线式异步电动机，还可通过转子电路串电阻启动。转子电路串不同阻值电转子电路串不同阻值电阻时的机械特性阻时的机械特性2014年1月15日机电传动控制23第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流

18、电动机3.2.5 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2）频敏变阻器启动法）频敏变阻器启动法启动时，启动时，一方面，转子电流的频率高，频敏变阻器铁一方面，转子电流的频率高，频敏变阻器铁耗大，等效阻抗大，从而耗大，等效阻抗大，从而限制了启动电流限制了启动电流；另一方面，由于转子频敏电阻铁耗大，则转另一方面，由于转子频敏电阻铁耗大，则转子的有功电流较大，从而子的有功电流较大，从而增大了启动转矩增大了启动转矩。2014年1月15日机电传动控制24第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步

19、电动机的调速方法和特性060(1)(1)fn nSSp2014年1月15日机电传动控制25第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性1）改变极对数）改变极对数p双速电机改变极对数实现调速双速电机改变极对数实现调速Y(p=2) YY (p=1) (p=2) YY(p=1) 2014年1月15日机电传动控制26第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性2）改变转

20、差率）改变转差率S调压调速调压调速改变定子电压改变定子电压1恒转矩负载；恒转矩负载；2离心式通风机负载离心式通风机负载（1）拖动恒转矩负载时，调速范围小；）拖动恒转矩负载时，调速范围小；拖动拖动离心式风机负载离心式风机负载时调速范围稍大。时调速范围稍大。（2）离心式风机负载离心式风机负载，速度降低时转，速度降低时转矩减小，转差功率较小。因此，拖动恒转矩减小，转差功率较小。因此，拖动恒转矩负载的转差率功率矩负载的转差率功率PS=SPe（Pe为电磁功为电磁功率）比拖动离心式风机负载更大；率）比拖动离心式风机负载更大；因此，这种调速方法适合通风机及泵因此，这种调速方法适合通风机及泵等机械（其机械特性

21、曲线如曲线等机械（其机械特性曲线如曲线2）的调速。）的调速。2014年1月15日机电传动控制27第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性2）改变转差率）改变转差率S转子电路串电阻转子电路串电阻最大困难：最大困难： 同频率同频率2014年1月15日机电传动控制28第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性2）改变转差率）改变转差率S串级调速串级调速2adEE

22、与反相2adEE与同相同步转速以下调速同步转速以下调速同步转速以上调速同步转速以上调速2adEE与2014年1月15日机电传动控制29第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性2）改变转差率）改变转差率S电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速1电枢电枢 2磁极磁极 3励磁绕组励磁绕组 4、6联轴器联轴器 5滑环滑环214fKTnnI2014年1月15日机电传动控制30第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.6 三相异步电

23、动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性3）变频调速）变频调速异步电动机的转速异步电动机的转速n正比于定子电源的频率正比于定子电源的频率f1，若连续地调节定子电源，若连续地调节定子电源频率频率f1，即可实现连续地改变电动机的转速，即可实现连续地改变电动机的转速n。 变压变频调速（恒压频比或恒磁通调速）变压变频调速（恒压频比或恒磁通调速）1111114.44mUUKNff变压变频调速适合于基频（额定频率变压变频调速适合于基频（额定频率fN）以下调速。）以下调速。2014年1月15日机电传动控制31第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机

24、3.2.6 三相异步电动机的调速方法和特性三相异步电动机的调速方法和特性3）变频调速）变频调速恒压弱磁调速恒压弱磁调速恒压弱磁调速适合于基频（额定频率恒压弱磁调速适合于基频（额定频率fN）以上调速。）以上调速。2014年1月15日机电传动控制32第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.7 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性1）反馈制动）反馈制动负载负载转矩为位能性转矩的起重机械在下放转矩为位能性转矩的起重机械在下放重物时的反馈制动运行状态重物时的反馈制动运行状态 。电动机电动机在变极调速或变频调速过在变极调速或变频调速过程

25、中，极对数突然增多或供电频程中，极对数突然增多或供电频率突然降低，使同步转速率突然降低，使同步转速n0突然降突然降低时的反馈制动运行状态。低时的反馈制动运行状态。 2014年1月15日机电传动控制33第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.7 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性2）反接制动）反接制动电源反接电源反接倒拉制动倒拉制动2014年1月15日机电传动控制34第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.7 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性3）能耗制

26、动）能耗制动1-三相异步电动机正常机械特性曲线；三相异步电动机正常机械特性曲线；2-定子绕组通低压直流电源时异步定子绕组通低压直流电源时异步电动机的机械特性曲线电动机的机械特性曲线2014年1月15日机电传动控制35第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.8 单相异步电动机单相异步电动机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定子绕组产生的定子绕组产生的磁场磁场在空间在空间并不旋转并不旋转，只是磁通或磁感应，只是磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦强度的大小随时间作正弦变化。变化。因此，单相异步电动机的启动因此，单相异步电动机的启动转矩为零，即转矩为零，即不具备启动能力不具备启动能力。启动后启动后能够稳定运行能够稳定运行，其机，其机械特性如右图所示。械特性如右图所示。2014年1月15日机电传动控制36第第3章章 电动机的工作原理及机械特性电动机的工作原理及机械特性3.2交流电动机交流电动机3.2.8 单相异步电动机的制动特性单相异步电动机的制动特性1）单相异步电动机）单相异步电动机的启动方法的启动方法电容分相式异步电动机电容分相式异步电动机AX为为运行（工作）绕组运行（工作）绕组；BY为