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掌握三相异步电动机的工作原理、机械特性掌握三相异步电动机的启动、制动、调速的方法第一节

三相异步电动机的结构和工作原理一、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机按转子结构的不同分为笼型和绕线转子异步电动机两大类。笼型异步电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、维护方便，已成为生产上应用得最广泛的一种电动机。绕线转子异步电动机由于结构较复杂、价格较高，一般只用在要求调速和起动性能好的场合，如桥式起重机上。异步电动机由两个基本部分组成：定子(固定部分)和转子(旋转部分)。笼型和绕线转子异步电动机的定子结构基本相同，所不同的只是转子部分。三相异步电动机的结构1、定子：铁芯、绕组、机座、端盖等2、转子：铁芯、绕组等分鼠笼式转子和绕线式转子。异步鼠笼电机定转子三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的极数二、三相异步电动机的旋转磁场1、旋转磁场的产生旋转磁场是一种极性和大小不变并以一定转速旋转的磁场；旋转磁场可由电机三相对称绕组中通以三相对称电流后形成；所谓三相对称绕组：三个彼此互隔120°分布在定子铁心内圆的线圈，称为对称三相绕组。对称三相电流，可表示为：三相对称电流波形：两极旋转磁场形成示意图

选择几个特定瞬间，如：规定：电流为正值时，由每相线圈的首端(A、B、C)流出，由线圈末端(X、Y、Z)流入画出ωt=0、120、240、360这四个特定瞬间的电流方向与磁力线分布情况因此可知：对称三相电流通入对称三相绕组后建立的合成磁场，犹如一对磁极旋转产生的磁场，其大小不变。

当时间分别经过T/3,2T/3,T周期时合成磁场在空间相应地转过120、240、360度2.旋转磁场的方向按A→B→C顺序旋转3.旋转磁场的极数与转速.(1)对于一台两极电机当三相电流随时间变化经过一个周期T，旋转磁场在空间转过360°，即对应电流变化一周。因此，如果电流每秒钟变化f1次，旋转磁场每秒钟将转过f1转，即转速=f1(r/s)=60f1(r/m)(2)对于一台四极电机绕组分布如图所示：

从瞬间ωt=0°到ωt=120°、240°、360°，合成磁场在空间相应转过60°、120°、180°。即旋转磁场仅转过1/2转，旋转磁场每秒钟将转过f1/2转，即：转速=f1/2(r/s)=60f1/2(r/m)(3)当电机为p对极电机时电流变化一周，旋转磁场转过1/p转，极对数为p的旋转磁场的转速为f1/p(r/s)=60f1/p(r/m)旋转磁场的这一转速用n0表示，称为同步转速三、三相异步电动机的工作原理对称三相绕组接到对称三相电源1.产生旋转磁场在定子、转子之间的气隙建立了以同步转速n0旋转的旋转磁场

2.产生感应电动势根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势3.产生电磁转矩当导条端接部分短接时，（如不考虑导条中电流与电动势的电位差），电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。

根据电磁力定律，因导条载有感应电流，必然会受到电磁力作用，电磁力的方向用左手定则决定；所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩，转子跟着旋转磁场方向旋转四、三相异步电动机的转速与运行状态

1.异步电动机名称的由来一般情况下，异步电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速n0因为：若旋转磁场与转子导条之间没有相对运动，就不可能有感应电动势，因此就不会产生电磁转矩所以转子转速n与旋转磁场必定“异步”异步电动机由此而命名2.转差率定义转差率：一般情况下，异步电动机运行时转差率变化不大空载转差率在0.5%以下满载转差率在5%以下3.异步电动机三种运转状态:1).发电机状态

即n>n0，s<0电磁转矩方向和旋转磁场及转子的旋转方向相反异步电机通过电磁感应由定子向电网输送电功率，电机处在发电机状态

2).电动机状态

3).电磁制动状态即n<0，s>1电磁转矩方向与旋转磁场方向一致,但与外转矩方向相反异步电机同时从转子输入机械功率、从定子输入电功率两部分功率一起变为电机内部的损耗4、转子电流频率的大小电动机负载时，转子转速为n，而旋转磁场的转速为n0旋转磁场以(n0-n)的相对转速切割转子绕组极对数为p的定子磁场在转子绕组中感应多相电流的频率为：第二节

三相异步电动机的铭牌数据1.额定功率：额定运行时的输出的机械功率,单位为kw2.额定电压：额定运行状态下，加在定子绕组的线电压，单位为V3.额定电流：额定电压下使用，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A4.额定频率：我国标准工业用电频率为50HZ5.额定转速：额定电压、额定功率及额定频率下的转速，单位为r/min6.型号7.工作方式：等一、铭牌

电动机的输入功率P1：电动机的效率：电动机的输出转矩：二、定子绕组线端连接方式定子三相绕组的连接方式：△形、Y形（P56）铭牌上标有符号Y/△和数字380/220前者表示定子绕组的的接法；后者表示对应不同接法应加的线电压。三相异步电动机的铭牌数据第三节

三相异步电动机的机械特性

电动机的转速与电磁转矩的关系，即n=f(T)称为电动机的机械特性。

在UN，fN，Ra=0的额定条件下，n=f(T)称为电动机的固有机械特性（自然机械特性）。在非额定条件下，n=f(T)称为电动机的人为机械特性。一、三相异步电动机机械特性的参数表达

因为异步电动机机械特性为二次方程式，所以在某一转差率sm（临界转差率）时，转矩有一最大值Tm，该值称为异步电动机的最大转矩。二、三相异步电动机的固有机械特性异步电动机在下述条件下工作：额定电压额定频率电动机按规定接线方法接线定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时的机械特性曲线n=

f(T)，称之为固有机械特性起动点额定工作点同步速点电动状态最大转矩点ABHP同步点：s=0,T=0;n=(1-s)n0=n0,T=0;额定点：s=sN,T=TN;n=(1-sN)n0=nN,T=TN;最大值点：s=sm,T=Tmax;n=(1-sm)n0=nm,T=Tmax;起动点：s=1,T=Tst;n=(1-sm)n0=0,T=Tst;电动机过载倍数λm

一般异步电动机的λm约等于1.8~3.0起重冶金机械用的电动机，λm可达3.5过载倍数λm是电动机短时过载的极限

异步电动机起动转矩λst，即为S=1时电机的电磁转矩起动转矩倍数λst三、三相异步电动机的人为机械特性由电动机的机械特性参数表达式可见：异步电动机电磁转矩T

的数值是由某一转速n（或s）下，电源电压U（定子绕组相电压）、电源频率f1、定子极对数p、转子电路的电阻

R2及电抗

X2等参数决定人为地改变电源电压、电源频率、定子极对数、转子电路的电阻及电抗、定子电路的电阻及电抗（其实是改变定子绕组相电压）等参数，可得到不同的人为机械特性。

1、降低电源电压U

最大转矩Tmax及起动转矩Tst与U2成正比地降低；临界转差率sm与U的降低无关过载能力下降；负载转矩不变的情况下，n下降，S增大，电流上升降低电源电压的机械特性:

2、定子电路串联对称电阻、电抗最大转矩Tmax随串联电抗增大而减小；临界转差率sm随串联电抗增大而减小

用途：用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流3、转子电路串联对称电阻最大转矩Tm不变；临界转差率sm随串联电阻增大而增加。用途(1)绕线转子异步电动机的起动(2)调速

4、改变定子电源频率改变定子电源频率f1,为使Tmax保持不变，应使电源电压U相应变化，使U/f=常数。(频率较高时，定子电阻r1可以忽略，可以认为Tmax保持不变）随着频率的降低，理想空载转数n0减小，临界转差率sm增大，起动转矩Tst增大，最大转矩Tmax基本维持不变。第四节

三相异步电动机的启动特性三相笼型异步电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种方法。异步电动机在接通电源后，从静止状态到稳定运行状态的过渡过程，称为起动过程。在起动的瞬间，由于转子尚未加速，此时n=0，S=1，旋转磁场以最大的相对速度切割转子导体，转子感应电动势和电流最大，致使定子起动电流也很大，其值约为额定电流的4至7倍。尽管起动电流很大，但因功率因数甚低，所以起动转矩较小。根据异步电动机存在着起动电流很大，而起动转矩却较小的问题，必须在起动瞬间限制起动电流，并应尽可能地提高起动转矩，以加快起动过程。

所谓直接起动，就是利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上，故又称全压起动。直接起动的优点是起动设备与操作都比较简单，其缺点就是起动电流大、起动转矩小。对于小容量笼型异步电动机，因电动机起动电流较小，且体积小、惯性小、起动快，一般说来，对电网、对电动机本身都不会造成影响。因此，可以直接起动，但必须根据电源的容量来限制直接起动电动机容量。

一、直接起动（1）异步电动机的功率小于7.5KW（2）异步电动机的功率大于7.5KW时

Ist/IN<0.25[3+(电源总容量/起动电动机容量）]二、降压起动对中、大型笼型异步电动机，可采用降压起动方法，以限制起动电流。待电动机起动完毕，再恢复全压工作。但是降压起动的结果，会使起动转矩下降较多。所以降压起动只适用于在空载或轻载情况下起动电动机。下面介绍几种常用的降压起动方法。定子串电阻或电抗起动星一三角降压起动自耦变压器压起动1、定子串电阻或电抗起动定子串电阻起动电路：

定子串电抗起动电路：

在定子电路中串接起动电阻。起动时，先合上电源隔离开关，将起动电阻串接于定子绕组电路中，待转速接近稳定值时，将起动电阻短接，使电动机恢复正常工作情况。由于起动时，起动电流在起动电阻上产生一定电压降，使得加在定子绕组端的电压降低了，因此限制了起动电流。

定子串电阻或电抗起动的方法特点为：

起动平稳、运行可靠、方法简单损耗较大降压后，起动转矩Tst与电压的平方成正比例地降低起动电流Ist与电压成正比例地降低只适用于空载或轻载起动，它一般用于低压电动机起动中。

2、星一三角降压起动对于正常运行时定子绕组规定是三角形联结的三相异步电动机，起动时可以采用星形联结，使电动机每相所承受的电压降低，因而降低了起动电流，起动完毕，再接成三角形，故称这种起动方式为星一三角降压起动。笼型异步电动机分别为星形和三角形接法时起动时有关参数的比较如下：

星形接法三角形接法定子线电压U1U1定子相电压57.7%U1U1定子相电流57.7%IstIst从电网吸收线电流57.7%Ist173%Ist起动转矩33.3%TstTst采用定子绕组星-三角形切换起动方法起动时，起动电流Ist与起动转矩Tst

均降为(三角形接法）全压起动时的1/3星一三角降压起动的优点是起动设备简单，成本低，运行比较可靠，所以广为应用3、自耦变压器降压起动自耦降压起动是利用自耦变压器将电网电压降低后再加到电动机定子绕组上，待转速接近稳定值时再将电动机直接接到电网上。自耦变压器的二次侧上备有几个不同电压的抽头，以供用户选择电压。定子串自耦变压器起动电路

自耦变压器

利用自耦变压器后异步电动机起动时有关参数的比较如下

利用自耦变压器前利用自耦变压器后定子起动电压U1(N2/N1)U1定子起动电流Ist(N2/N1)Ist从电网吸收电流Ist(N2/N1)2Ist起动转矩Tst(N2/N1)2Tst自耦变压器若采用不同抽头（50%,65%和80%）便可满足不同的起动要求自耦变压器的体积大、重量重，价格较高，维修麻烦，且不允许频繁起动。第五节

三相异步电动机的调速特性由异步电动机的转速表达式n=n0(1-s)=60f1/p(1-s)可知：要调节异步电动机的转速，可采用改变电源频率f1，极对数p，以及转差率s等三种基本方法来实现。

一、改变电源频率f1（变频）当连续改变电源频率时，异步电动机的转速可以平滑地调节。这种调速方法可以实现异步电动机的无级调速。由于电网的交流电频率为50Hz，因此改变频率f1调速需要专门的变频装置。近年来，随着晶闸管变流技术的发展，为获得变频电源提供了新的途径，使异步电动机的调频调速方法逐渐被采用。

（1）电动机转速改变

改变供电频率便可改变异步电动机的同步转速

n0=60f1/p

从而改变电动机的转速

（2）变频调速的特点

变频调速可以适用于各种交流电动机调速，有较大的调速范围、

很好的调速平滑性与足够硬度的机械特性

（3）变频调速应注意的问题

变频调速时，希望调速过程中磁通Φ保持不变。在频率变化时若使E/f1为定值即可，近似的U/f1为定值也可当定子绕组的组成和接法不同时，可以改变旋转磁场的极对数。当电源频率恒定，电动机的同步转速n0与极对数成反比，所以改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变它的转速。二、变极调速（1）电动机转速的改变原理

改变定子的极对数便可改变异步电动机的同步转速

n0=60f1/p

从而改变电动机的转速（2）适用电动机

变极调速一般只适用于鼠笼式电动机调速。因为笼型转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等。（3）如何改变异步电动机的极对数

改变定子绕组联结方法可以改变定子极对数

三、改变转差率调速改变转差率调速方法有：改变电源电压，改变转子回路电阻，电磁转差离合器等。1、改变电压u调速当改变外加电压时，由于Tmax∝u2，所以最大转矩随外加电压u2而改变。当负载转矩TL不变时，电压由u下降至u’

时。转速将由n降为n’(转差率由s上升至s’)。所以通过改变电压u可实现调速。这种调速方法，当转子电阻较小时，能调节速度的范围不大；当转子电阻大时，可以有较大的调节范围，但又增大了损耗。2、改变转子电阻调速

改变绕线转子异步电动机转子电路电阻(在转子电路中接入一变阻器)，在一定的负载转矩TL下，电阻越大，转速越低。