第3章三相异步电动机电工学

第3章三相异步电动机3.1概述3.2三相异步电动机的结构3.3三相异步电动机的工作原理3.4三相异步电动机的功率与转矩3.5三相异步电动机的使用3.6三相异步电动机的选择

异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。电动机的分类：

交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能,交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。1.按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.3.1概述3.1.1异步电动机的分类与用途3.1.2三相异步电动机的型号与主要技术数据规格代号：中心高132mm，短机座2号铁心，2极产品型号：异步电动机Y132S－2电动机的额定技术数据：（1）额定电压UN

电动机额定状态下运行时定子绕组上应加的线电压，单位为V或KV。（2）

额定电流IN

电动机在额定状态下运行时，定子绕组的线电流，单位为A或KA。（3）额定功率PN

电动机在额定状态下运行时，其轴上输出的机械功率，单位为W或KW。（4）频率f1

电动机交流电源的频率，我国规定为50HZ。（5）额定转速nN

电动机在额定状态下（UN、IN、PN）运行时电动机转子的转速，单位为r／min。（6）额定功率因数cosN

在额定负载下，N是定子相电流与相电压的相位差，三相异步电动机的cos随负载的变化而变化，其范围为0.2~0.9，轻载时cos较低。（7）额定效率N

额定输出功率PN与额定输入功率之比PN1，即额定输入功率电动机的额定技术数据：电动机铭牌上还标明绕组的接法如有的电动机铭牌上标识出电压为220／380V，接法标识为／Y时，则表明，当电源电压为220V时，电动机定子绕组采用形方式联接，而当电源电压为380V时，电动机定子绕组采用Y形方式联接。例3.1.1：已知一台三相异步电动机的额定功率PN＝3.8KW，额定电压UN＝380V，额定功率因数cosN＝0.7，额定效率N＝0.85，额定转速nN＝950r／min，求额定输入功率P1N和额定电流IN。[解]根据额定输入功率额定电流这是电动机的外形3.2三相异步电动机的结构三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。端盖机座这是三相异步电动机的基本结构示意图这是三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定子这是三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定子转子轴承端盖机座1.定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。这是机座定子铁心和定子绕组示意图定子绕组机座铁心定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成这是定子硅钢片在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子绕组星接定子绕组角接端子这是饶线型转子铁心与绕组

2.转子根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子笼型转子的电机称笼型电动机饶线型转子的电机称饶线型电动机外接电阻电刷滑环转子铁心转子绕组转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。这是转子硅钢片

笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。这是笼型转子U1W2V1U2W1V2设：电流的流入端用表示电流的流出端用表示在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组定子绕组U1U2V1V2W1

W2iAiBiCuAuBuCiAiBiCU1V1W1U2V2W2转子绕组•••SNn0ne(i)FF转子导体旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。3.3三相异步电动机的工作原理3.3.1异步电动机的转动原理iA=ImsintiB=Imsin(t-120)iC=Imsin(t+120)iAiBiC相序A-B-C-A对称三相电流流入对称三相绕组。

ti0设：电流的流入端用表示电流的流出端用表示3.3.2三相绕组产生的旋转磁场iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1W2V1U2W1V2iA1两极旋转磁场t=0°tiU1W2V1U2W1V2iA=0iB为负值iC为正值NS0°设：电流的流入端用表示iBiC电流的流出端用表示tt=60°iNS60°iC

=0iB为负值iA为正值iAiBiC0U1W2V1U2W1V2t=90°NS90°iA为正值iB为负值iC为负值tiiAiBiC0U1W2V1U2W1V2t=180°iA=0iB为正值iC为负值180°NStiiAiBiC0U1W2V1U2W1V2t=60NS60°t=90°NSt=0°NS90°t=180NS180°0°U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2空间相差120º

角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º

)。综上分析可以得出：tiiAiBiC02旋转磁场的转向U1V1W1U2V2W2iAiC9060°0U1W2V1U2W1V2NS0°U1W2V1U2W1V2NS60°相序A-C-B-AU1W2V1U2W1V2NS90°iB改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向,也就改变了三相异步电动机的旋转方向。综上分析可以得出：3四极旋转磁场iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1'V1'W1'U2'V2'W2'60°0°t=0°U1W2'V1U2'W1'NSU2W1V2U1'W2V1'V2'0°SNt=60°NSU1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2'30°SN0°tiiAiBiC0tiiAiBiC090°180°t=90°NS45°SNt=180°NS90°SN90°U1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2'U1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2'iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1'V1'W1'U2'V2'W2'当定子每相中有两个绕组串联,且每相绕组在空间相差60º时,通入对称三相交流电后,也产生一个旋转磁场,但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周,旋转磁场在空间只转了半周(180º空间角),旋转速度较两极磁场慢了一半。4旋转磁场的速度及转差率pn0=——60

f1综上分析可以得出：—电源的频率—磁极对数n0s=——=—–n0–nn0nP=1n0=3000r/minP=2n0=1500r/minP=3n0=1000r/minn=(1–s)n0定义:转差率0

<

s

<s

N=

0.015

~

0.06转子转速U1

E1=4.44f1N1K1：旋转磁场每极磁通N1：每相定子绕组匝数K1：

定子绕组分布系数U1=–E1+I1(R1+jX1)•••U1W2V1U2W1V2漏磁通S主磁通+–+–R1jX1E1•U1•I1••E2•I2R2jX2–+3.3.2三相异步电动机的等效电路X1=2f1L1转子电动势E2=4.44f2N2K2：旋转磁场每极磁通N2：每相转子绕组匝数K2：

转子绕组分布系数E2=I2R2+jI2X2

••E2=4.44f1N2K2

s=E20sf2：转子电动势的频率旋转磁场和转子之间的相对转速为（n0n），转子频率X2=2f2L2=2sf1L2=sX20+–+–R1jX1E1•U1•I1••E2•I2R2jX2–+I2cos

2cos

2I20S1I2和cos2均与s有关2R2+X2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2+–+–R1jX1E1•U1•I1••E2•I2R2jX2–+3.4.1三相异步电动机的功率3.4三相异步电动机的功率与转矩设输入电动机的三相总功率为

U和I为定子绕组的线电压和线电流，cos为定子绕组的功率因数。电磁功率定子绕组的铜损定子绕组的铁损转子的机械功率电动机轴上输出给负载的机械功率为P2=P–P0空载损耗电动机效率电动机的电磁功率又可表示为旋转磁场的角速度电磁转矩电动机输出的全部机械功率为转子旋转的角速度输出转矩电磁转矩

T=CT

I2cos

2

————U14.44f1N1K11E20=4.44f1N2K24.44f1N1K1=

4.44f1N2K2————U1将代入式得1电磁转矩是由旋转磁场和转子电流的有功分量相互作用而产生的，所以与结构有关的常数T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222常数2R2+X2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

23.4.2电磁转矩T与U12成正比电磁转矩也可由输出的机械功率P求出，忽略空载损耗TN=

9.55———–PN(W)nN

(r/min)P

=T•=T——2n60T

=————P2n/60T

=

9.55———–P

(W)n

(r/min)（N•m）电动机轴上输出的是额定功率PN，电动机转速是额定转速nN，这时输出的转矩为额定转矩TN，即转矩特性

T=f(s)3.4.3机械特性T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222TstTmnNTNdn0n0TabcsT10TmsmabcsNTNn0机械特性曲线

n=f(T)1.额定转矩TNT

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222额定转矩是电动机在额定运行状态下的电磁转矩。如某台电动机的铭牌数据给出的额定功率PN为2.2kW，额定转速nN为1430转／分，则额定转矩为由dT/ds=0,得Tmax

=

K

——U122X20sm=

–—R2X20sm

—临界转差率2最大转矩Tmax

Tmax

是在一定的电源电压下，电动机所能提供的最大转矩。U1不同电源电压的机械特性Tn01U1>

U1T'mU'1TmU1smR2R'2Tn0R2<R'2不同R2的机械特性Tmsms'msm与R2成正比Tm

=

K

——U122X20结论：a.Tmax

U12b.Tm与R2无关，c.过载系数m

mTmax

TN

m1.6

2.5sm=

–—R2X20

Tmax的大小表明了电动机所能驱动的最大负载转矩，即电动机的过载能力，它比TN大得多，通常用过载系数

m来表示过载能力的大小。Tn0T'stsm3起动转矩TSTT=

CU12—————sR2R2

+

(sX20)22起动瞬间n=0，s=1Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222

KU1——R2X2022U1↓→

TstR2↑→

Tst↑R2´R2U1´U1负载转矩

T2>Tst,不能起动,可空载或轻载起动负载转矩T2<Tst

，可带负载起动

stTst

TN一般st

1.0

2.2特殊st2.2

2.8起动转矩倍数U'1TmaxTsts'mn0n0TabcTstTmnNTN4.机械特性曲线的两个区域

起动过程：d当Tst>T2时,

电机起动在cb段n↑→s↓T↑→ba段在ab段n↑→s↓T↓→T=T2T2=TN(在d点)ab段为稳定运行区域，bc段为不稳定运行区域→

s↑直到T=

T2'电机稳定运行在新的转速下,工作于d'点则

:

n↓———n

=(1–

s)n0→

T↑n0n0TabcTstTmT2'd'n'nNTN=T2N

d转矩平衡方程式T=T2+T0

=负载转矩+空载转矩转速平衡过程：电动机工作在稳定运行区时,具有自适应能力。例如,原来在额定负载下稳定运行(工作于d点),若负载转矩突然增大为

T2',T'2>TN

，[例3.4.1]已知某台三相异步电动机的额定数据为：PN＝4.5kW，

nN＝950r／min，效率N＝84.5％，UN＝380V，cosN＝0.84，接成星形（Y），f1＝50HZ，过载系数m＝2，起动转矩倍数st＝1.7。求：（1）磁极对数P；（2）额定转差率sN；（3）额定转矩TN；（4）额定输入功率P1N；（5）定子的额定电流IN；（6）最大转矩Tmax；（7）起动转矩Tst。[解]（1）根据nN＝950r／min，可以得出n0＝1000r／min磁极对数（2）额定转差率为（3）额定转矩为=45.24Nm（4）额定输入功率（5）根据额定电流（7）最大起动转矩

Tst＝stTN＝1.745.24=76.91Nm（6）最大转矩

Tmax＝mTN＝245.24=90.48Nm例：已知PN=4.5KW，nN=950r/min，N=84.5%，

U1=380V，Y接，f1=50Hz，m=2，st=1.7。求：（1）磁极对数P；（2）SN；

（3）TN；（4）输入功率P1；（5）最大转矩Tm；（6）起动转矩Tst解：（1）P=3SN=n1nN

n11000950

1000==0.05（2）（3）TN=9.55PNnN=9.55450×103

950=45.24N·m（4）P1=PNN4.50.845==5.33kW（5）Tm=mTN=2×45.24=90.48Nm（6）Tst=st

TN=1.7×45.24=76.91Nm1.起动过程存在的问题起动初始瞬间，n=0，s=1（1）起动电流IST大，5~7IN。频繁起动会使电动机过热。

过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。（2）起动转矩TST不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子感抗大，使转子的功率因数很低,不能带动较大负载起动。3.5三相异步电动机的使用3.5.1三相异步电动机的起动（1）直接起动直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大4~7倍；影响同一电网上其它负载的正常工作。优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机（2）降压起动起动时降低电动机的电源电压，以限制起动电流，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。2.起动方法起动转矩与外加电压平方成正比，降压的同时也大大的降低了起动转矩，因此这种方法使用于轻载或空载起动。a星形—三角形（Y-）转换降压起动FU~~W2U1U2V1V2W1Q1转子定子绕组只适用于正常运行时为接法的电动机Q2YU1U2V1W1V2W2Y型W1V1U1U2V2W2型FU~~W2U1U2V1V2W1Q1转子定子绕组Q2Y起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的三分之一型Y型IlY/Il

=1/3TstY/Tst

=UPY2/UP2

=(Ul

/3)2

(Ul)2=1/3IlY=IPY=UPY/|Z|=Ul/(3|Z|)Il

=3IP

=3UP

/

|Z|=3Ul

/|Z|a星形—三角形（Y-）转换降压起动~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2起动三相自耦变压器M3

~b自耦变压器降压起动~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2运转起动三相自耦变压器M3

~b自耦变压器降压起动~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2运转起动三相自耦变压器M3

~b自耦变压器降压起动Ist

=(0.55)2

Ist"自耦变压器抽头有0.55,0.64,0.73等Ist=

(0.55)

Ist'IstIst"Ist'如:变压器变比则变压器副方电流为—=0.551n而变压器原方电流电动机起动转矩Tst

=(0.55)2

Tst"结论:

电动机起动电流Ist和起动转矩Tst均为直接起动的1/n2。绕线式电动机起动时，在转子绕组中串电阻，减小起动电流。c转子串电阻起动2R2+XS2E2I2=————2起动时先将起动变阻器的阻值置于最大位置，随着转速的上升，逐渐减小起动电阻，直到电动机转速接近额定值时，再全部切除起动电阻，使电动机进入正常运行状态。转子串电阻起动，不但减小了起动电流而且增大了cos2，提高了起动转矩。起动电阻Q定子绕组转子绕组滑环电刷~~例3.5.1

一台笼型三相异步电动机定子绕组为三角形联接，PN＝28KW，UN＝380V，IN＝58A，cosN＝0.88，nN=1455r/min，st=1.2,Ist/IN=6,m=2.3，起动负载转矩为71.5Nm，要求起动电流不大于150A。（1）该电动机能否采用星形－三角形转换方法进行起动？（2）若采用自耦变压器降压起动，当自耦变压器的抽头为64％（）时，能否满足起动要求？

解

（1）电动机额定转矩为直接起动时的起动转矩为星形－三角形起动时的起动转矩星形－三角形起动时的起动电流直接起动时的起动电流为可以采用星形－三角形转换起动方法。（2）

用自耦变压器降压起动时能满足要求。p=

(1–s)

——60

f1n

=(1–s)

n1调速方法3.5.1三相异步电动机的调速在某一确定负载下，人为的改变电动机转速称为调速。改变电动机转速有三种方法：改变磁极对数P、改变转差率s、改变电源频率f1。改变定子绕组所形成的磁极对数与改变电源频率的调速方法适用于笼型异步电动机，它们是改变旋转磁场转速n0的调速方法。改变电动机转差率的方法只适用于绕线式异步电动机，它不改变旋转磁场的转速n0，而是在转子绕组电路中串联电阻，改变转差率，实现对电动机的调速。变频调速是通过改变电动机电源频率得到的平滑调速。1.变频调速若电源电压U1不变，则磁通随频率而变。通常电机在设计中，将磁通的数值选择在接近饱和值上。在改变f1的同时要同步调节电源电压U1，以保持U1/f1比值为恒定，从而维持磁通恒定不变。异步电动机变频调速的控制方式主要有：（1）保持U1/f1比值恒定的恒转矩变频调速方式这种方式是将频率f1从额定值往下调，U1同时减小。这种调速方法的机械特性较硬，调速范围较宽，但低速性能较差。如果电源频率f1

能实现连续调节，就能实现无级变频调速。Tn0f1f1f1>f1

>ff1nnNnTN调速过程中，由于U1=4.44f1N1，T=CTI2cos2，如果负载转矩不变磁通又是恒定的，则转子电流不变，电动机输出转矩也不变，故为恒转矩调速。（1）保持U1/f1比值恒定的恒转矩变频调速方式在电源电压U1不变的情况下，提高电源频率会使磁通减小，输出转矩随之减小。对于恒功率负载，使电动机转速升高，从而异步电动机的电磁功率基本保持不变，属恒功率变频调速方式。（2）恒功率变频调速方式这种方式是将频率从额定值向上调Tn0f1f1f1<f1

<f1f1nnNnTN这种恒功率变频调速方式（也称为恒压弱磁变频调速方式）的机械特性较软。a.大范围无级平滑调速；b.需要专门的变频调速设备，且成本较高。特点：变频器简介实现变频调速就要有变频电源，变频电源是由变频器提供的。变频器的基本结构：主电路包括整流、滤波和逆变三个部分。交流电源整流滤波逆变M电动机主电路驱动电路运算电路保护电路检测电路~控制电路频率和电压可调的交流电源控制电路的功能是向主电路提供控制信号，它包括进行电压和频率运算的运算电路、对主电路进行电流电压检测的检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路以及主电路和控制电路的保护电路。交流电源整流滤波逆变M电动机主电路驱动电路运算电路保护电路检测电路~控制电路频率和电压可调的交流电源在现代变频器中，普遍采用正弦波脉宽调制（SPWM）方式将直流电转换为频率和电压可调的交流电。它是通过改变输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。即，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小。如果脉冲间的间隔小，相应的输出电压大；反之，脉冲间的间隔较大，相应的输出电压也较小。0tTu0tTu变频调速器应用实例：变频供水控制系统压力设定可编程序控制器变频调速器接触器压力传感器水泵机组用户管网各种控制信号系统以可编程序控制器为控制核心，实现系统要求的控制。通过压力传感器检测到用户水压的大小，将这一信号送入PLC，PLC与压力的设定值比较后，将按编制好的程序进行处理，然后向变频调速器发出速度调节信号，调节水泵的旋转速度，从而实现恒压供水。3.5.1三相异步电动机的调速调速方法n

=(1–s)

n1p=

(1–s)

——60

f12.改变极对数p

调速—有级调速变极调速是通过改变异步电动机定子旋转磁场磁极对数来改变旋转磁场转速n0，从而实现调速。当极对数增加一倍时，旋转磁场的转速n0就降低一半，转子转速也将降低一半，显然这种调速方法是有级调速。SU1U2U1U2SNSNSNNSU1U1U2U2U1U2U1U2U2SNU1SNU1U1U1U1U2U2n1=15003000r/m

P=2P=1p=

(1–s)

——60

f1n

=(1–s)

n1调速方法3.改变转差率s

调速绕线式电动机在转子绕组中串入电阻R2,可改变转差率s和转速n。a.小范围无级调速特点:b.R2大→

特性变软