电机拖动第5章1

第5章三相异步电动机的

原理和特性5.1三相异步电动机的基本结构与工作原理5.1.1基本结构——重点5.1.2工作原理——重点，难点5.1.3额定数据5.2异步电动机的基本方程式和等效电路5.2.1转子不转时的异步电动机——简介5.2.2转子旋转时的异步电动机——重点5.2.3笼形转子的极数、相数和参数的折合——不讲5.2.4简化等效电路第5章三相异步电动机的

原理和特性5.3异步电动机的功率和转矩5.3.1三相异步电动机的功率——难点5.3.2三相异步电动机的转矩——难点

5.4异步电动机的机械特性5.4.1机械特性的参数表达式——重点5.4.2固有机械特性——重点5.4.3机械特性的实用公式——重点5.4.4人为机械特性——重点

5.5异步电动机的工作特性——不讲5.1三相异步电动机的

基本结构与工作原理5.1.1基本结构5.1.2工作原理5.1.3额定数据异步电动机的主要用途电机的可逆性同一电机既可做发电机又可做电动机本课程讨论的电机主要是电动机按电源性质，电动机分为直流电动机：直流电能→机械能交流电动机：交流电能→机械能异步电动机的用途：异步电机主要用作电动机拖动各种生产机械异步电动机的优缺点异步电动机的优点：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。采用现代电力电子功率器件和计算机技术可得到良好的调速性能。已经取代直流电动机，成为应用广泛的调速系统异步电动机的缺点：功率体积比较小。功率因数较差。直接接电网运行时，必须从电网吸收滞后的励磁电流，使它的功率因数总小于１。通过控制器可使这一缺点得到改善异步电机又叫感应电机异步电动机运行时定子绕组接到交流电源上转子绕组自身短路由于电磁感应的关系在转子绕组中产生感应电动势、电流从而产生电磁转矩所以，异步电机又叫感应电机异步电动机的分类从不同角度看，有不同的分类法：按定子相数分：单相；三相异步电动机按转子结构分：绕线式；鼠笼式。后者又包括单鼠笼、双鼠笼和深槽式异步电动机此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小有高压、低压异步电动机之分从其它角度看还有高起动转矩、高转差率、高转速异步电机等等说明异步电机也可作为异步发电机使用单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又没有同步发电机的情况或用于风力发电等特殊场合上在异步电动机的电力拖动中异步电机回馈制动时即运行在异步发电机状态5.1.1基本结构——重点图5.1三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构V′VW′U′UW定子转子三相异步电动机的结构三相异步电动机的主要结构气隙交流电机的主要结构在定子、转子之间定子铁心定子绕组机座定子部分stator又称电枢armature（静止）转子铁心转子绕组转轴笼型绕线型转子部分Rotor（旋转）1．定子静止部分定子又称电枢定子铁心定子绕组机座定子部分stator又称电枢armature（静止）（1）定子铁心（1）定子铁心作用：产生旋转磁场是电动机磁路的一部分，装在机座里由内周有槽的硅钢片叠成为了降低定子铁心里的铁损耗定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的在硅钢片的两面还应途上绝缘漆定子铁心内圆上均匀开槽，安放定子绕组图5.2定子铁心冲片图定子槽(a)开口槽高压大中型(b)半开口槽中型500V以下(c)半闭口槽低压小型(1)层间绝缘；(2)槽楔；(3)扁铜线；(4)槽绝缘；(5)槽楔；(6)圆导线（2）定子绕组是电机电路部分它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中分类：单层绕组双层绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机双层短距绕组用在较大容量的电机中定子线圈图三相异步电动机的引出线(a)三根引出线：高压大、中型容量，常采用Y接(b)六根引出线：低压中、小容量，根据需要可接成Y形或△形(a)三根引出线(b)六根引出线图三相定子绕组的接法星形接法三角形接法（3）机座（3）机座主要作用用来固定和支撑定子铁心对于轴承装于端盖上的电动机其机座还要支撑转子部分因此，机座应有足够的机械强度和刚度对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上2．空气隙（1）气隙大小的决定性因素空气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响，具体表现在：为了减少电动机的励磁电流，提高功率因数，空气隙应尽可能的小空气隙过小，将引起装配困难和运行不可靠从减少附加损耗并减少高次谐波磁动势产生的磁通来看，空气隙稍大一点也有其有利的一面（2）气隙与电机容量的关系异步电动机的空气隙比同容量同步电动机小得多在中小型异步电动机中，空气隙大约为0.2~1.5mm电机容量（kW）10以下10~100100~1500气隙（mm）0.20~0.450.50~0.800.85~1.503．转子旋转部分转子铁心转子绕组转轴笼型绕线型转子部分Rotor（旋转）（1）转子铁心作用：是电动机磁路的一部分在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流

构成：由外周有槽的0.5mm厚硅钢片叠成整个转子的外表呈圆柱形

安装：铁心固定在转轴或转子支架上（2）转子绕组分为笼型和绕线型两类笼型转子是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组如果把转子铁心拿掉，剩下的绕组像个松鼠笼子导条的材料有用铜的，也有用铝的绕线型转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形笼型转子照片图5.5笼型转子(a)铜导条(b)铝导条绕线型转子照片图5.4绕线型异步电动机

接线图外串电阻优点改善电动机的启动性能或调节电动机的转速图中：1-定子绕组2-转子绕组3-集电环（滑环）4-电刷5-附加电阻A1A2B2B1C1C231452笼型电动机与

绕线型电动机的比较笼型：结构简单、价格低廉、工作可靠生产机械中使用最广泛的一种电动机不能人为改变电动机的机械特性绕线型：结构复杂、价格较贵、维护工作量大转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性只在要求起动电流小，起动转距大或需平滑调速的场合使用（3）转轴作用：固定转子铁心和传递功率构成：一般用中碳钢制成5.1.2工作原理——重点1．交流电机绕组产生的磁动势（4.1，4.3.1）——简介2．交流绕组的感应电动势（4.4）——简介3．旋转磁场的产生——简介4．同步转速——重点5．三相异步电动机的转动原理——重点6．转差率——重点1．交流电机绕组产生的磁动势（4.1，4.3.1）——简介在电机里，不管什么样的绕组流过电流时，都要产生磁动势类似电路中的感应电动势（1）交流电机单个整距线圈的磁动势（2）三相绕组产生的磁动势（1）交流电机单个整距线圈的磁动势磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁动势降可以忽略不计，线圈在一个气隙上施加的磁动势幅值：方向：右手螺旋定则动画1动画2（2）三相绕组产生的磁动势三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋转磁势在空间错开120电角度相互抵消，三个正向旋转磁动势在空间同相位，合成一个圆形旋转磁动势幅值：

转向：决定于电流的相序从超前相向滞后相旋转转速：同步转速动画2．交流绕组的感应电动势

（4.4）——简介（1）交流绕组的构成导体——线圈——线圈组——一相绕组——三相绕组（2）感应电动势的波形交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，在三相对称交流绕组中会感应出三相对称交流电动势感应电动势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致只考虑磁场基波时波形为正弦波有效值：方向：右手定则3．旋转磁场的产生——简介（1）旋转磁场的分类（2）旋转磁场的极对数p=1（3）旋转磁场的旋转方向（4）旋转磁场的极对数p=2（1）旋转磁场的分类旋转磁场是交流电机工作的基础在交流电机理论中有两种旋转磁场：机械旋转磁场通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场电气旋转磁场三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流，会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电动势（1）旋转磁场的分类机械旋转磁场电气旋转磁场（2）旋转磁场的极对数p=10U1U2W1W2V1V2定子三相绕组通入三相交流电（星形联接）（2）旋转磁场的极对数p=1U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2NSNSNSωt=0°ωt=60°ωt=90°合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°结论：当p=1时，电流变化一周，磁场旋转360°动画（3）旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序任意调换两根电源进线（电路如图）U1U2W1W2V1V2结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转（4）旋转磁场的极对数p=2若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的首端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场(p=2)（4）旋转磁场的极对数p=2结论：当

p=2时，电流变化一周，磁场旋转180°结论：当p=1时，电流变化一周，磁场旋转360°ωt=0°ωt=60°ωt=120°ωt=180°动画4．同步转速——重点结论：定子三相对称绕组流过三相对称电流时会产生圆形旋转的基波气隙磁动势以及基波气隙磁密并顺着三相绕组中所流过电流的相序方向以同步转速

n1

旋转式中，f1

——定子电流频率；p

——极对数5．三相异步电动机的转动原理——重点U1U2V2W1V1W2FFNS定子三相绕组通入三相交流电旋转磁场右手定则Blv感应电动势E2电磁力F转速n匀速旋转切割转子导体电磁转矩T感应电流I2旋转磁场大小：方向：顺时针左手定则Bliv动画6．转差率——重点转差率是异步电动机的一个基本变量在分析异步电动机运行时有着重要的地位切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线旋转磁场的转速用

n1表示，称为同步转速转子的实际转速用

n

表示转差Δn=n1-n6．转差率——重点异步电动机转子的转速

n不可能达到同步转速

n1一般总是略小于

n1“异步”二字就是由此而来的通常把异步电动机同步转速n1和转子转速

n二者之差与同步转速n1的比值称为转差率，用

s表示，即（1）电动运行异步电机处于电动运行状态时的特点：

0<n<n1

→0<s<1电磁转矩T与转速n

方向相同异步电机定子从电源吸收电功率通过转子轴的转动输出机械功率n1NSn<n1(a)电动运行图5.6异步电动机的三种运行状态（2）发电运行

（回馈制动运行）异步电机处于发电运行状态时的特点：n>n1

→s<0电磁转矩T

与转速n

方向相反原动机给异步电机输入机械功率通过电磁感应异步电机定子向电源回馈电功率n1NSn>n1图5.6异步电动机的三种运行状态(b)发电运行（3）制动运行

（电磁制动运行）异步电机处于制动运行状态时的特点：n<0

→s>1电磁转矩T

与转速n

方向相反异步电机定子从电源吸收电功率转子从外部吸收机械功率两者都将变为电机内部的损耗n1NSn图5.6异步电动机的三种运行状态(c)制动运行异步电机的三种运行状态

根据转差率的大小和正负，异步电机有三种运行状态状态电动发电电磁制动实现转速转差率电磁转矩能量关系定子绕组接对称0<n<n10<s<1驱动电能→机械能外力使电机快速旋转n>n1s<0制动机械能→电能外力使电机沿磁场反向旋转n<0s>1制动电能和机械能→内能转差率总结可见：起动瞬间：n=0时，s=1；理想空载运行时：n=n1时，s=0；发电运行时

n>n1时，s<0；制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，n与n1的转向相反，即

n为负值：s>1。作为电动机运行：s

的范围在0~1之间电动机运行时，s一般很小，大约在0.005~0.065.1.3额定数据三相异步电动机铭牌铭牌上标明电机的型号、额定数据等三相异步电动机铭牌三相异步电动机的铭牌数据型号（如教材P280所示）额定功率PN：指电动机在额定运行状态时轴端输出的机械功率，单位为W或kW额定电压

UN：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位为V额定电流

IN：指电动机在额定电压下轴端输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A额定功率

PN、额定电压

UN、额定电流

IN之间关系为式中，ηN为交流电动机的额定效率三相异步电动机的铭牌数据额定频率

fN：我国规定电网的频率为50Hz，除出口电动机外，国内通用的异步电动机的额定频率都是50Hz额定功率因数

cosφN：指电动机额定运行时定子侧的功率因数额定转速

nN：指电动机在额定频率、额定电压下，且轴端输出额定功率时，转子的转速，单位为r/min此外，铭牌上还标明定子绕组接法、绝缘等级、防护等级、冷却方式和重量等三相异步电动机的铭牌数据对于绕线转子异步电动机，还要标明转子绕组接法转子额定电压

E2N指定子绕组加额定电压，转子绕组开路时集电环间的线电压转子额定电流

I2N指额定运行状态下，转子绕组短路时集电环之间流过的线电流等数据如何根据电机的铭牌

进行定子的接线？如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分几种情况讨论当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/△”时，这种情况下，究竟是接成Y或△，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成△接当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时△”时，则只有这一种△接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复△接法对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用铁心长度代号：L；M；S异步电动