第3章交流电机的工作特性

一.基本要求二.重点与难点

交流电动机的工作原理及特性1一.基本要求

1.了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；2.掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用；3.分析异步电动机的运行状态；4.掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；5.了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。2二.重点与难点

1.重点(1).掌握异步电动机的机械特性,该特性是基于异步电动机的工作原理而推导出来的,特别要掌握异步电动机的人为机械特性,因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；(2).对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；(3).掌握异步电动机直接启动和降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；(4).掌握异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。2.难点本章在分析问题时较难理解的是定子旋转磁场与转子运动的相对性和电动机的制动过程。33.1三相异步电动机的工作原理和结构43．1三相异步电动机的结构和工作原理3.1.1、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。如图所示。轴出线盒风罩风扇转子定子机座吊环轴承感应电动机结构图51.定子定子由定子铁心、绕组以及机座组成。定子铁心是磁路的一部分，由硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。6定子7定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C称为首端，而X、Y、Z称为末端。机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生旋转磁场。82.转子转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。转子由铁心与绕组组成。线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。9笼型转子10三相笼式异步电动机的部件图113.1.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用12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：

(1)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；(2)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时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，产生感应电势。3.1.3三相异步电动机的旋转磁场13旋转磁场14旋转磁场15交流电机的绕组分布三相对称绕组建立的磁场16二、三相异步电动机的工作原理1．定子旋转磁场

将三相绕组的末端相连，首端接三相交流电源。嵌放在定子内圆周的6个凹槽17（1）旋转磁场的产生18假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即iA的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为A—B—C）的瞬时值为：19t=0,t=T/6,t=T/3,t=T/2的合成磁场如图所示当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。20旋转磁场21关于旋转磁场的计算

三相对称电流：三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势：三相合成磁势为22如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调，例如，将B，C两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位对调，如图所示。旋转磁场的旋转方向

A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2/3，而B相绕组内的电流又超前C相绕组内的电流2/3，当三相交流电的A→B→C，旋转磁场的旋转方向为从A→B→C，即向顺时针方向旋转。23此时A相绕组内的电流超前C相绕组内的电流2/3，而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流2/3，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为A→C→B，即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。243.旋转磁场的极数与旋转速度

在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度可以看出，用n0表示。

在只有一对磁极的情况下，电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f转。25如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的三相绕组。其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。26从图可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置。合成磁场具有二对磁极。当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。27284．

三相异步电动机的工作原理工作原理

三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。

在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。29转子绕组的导体处于旋转磁场中转子导体切割磁力线，并产生感应电势。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力。异步电机能够工作的根本原因：定子旋转磁场和转子电流的相互作用。305.转差率

S由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S，即转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。315.转差率

S由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S，即转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。32有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为0.267%，额定转速为求该电动机的极对数、同步转速、空载转速以及额定负载时的转差率。解

额定转差率同步转速考虑本题的额定转速极对数空载转速333.1.4定子绕组线端连接方式

34定子三相绕组的连接方式（Y形或形）的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成三角形；如果电源的线电压是电动机额定相电压的倍，那么，电动机的绕组就应该接成星形。通常电动机的铭牌上标有符号/Y和数字220/380，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。35例电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。1.功率1.1kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流4.67/2.7A，转速1420r/min，功率因数0.79。2.功率4.0kW，电压380V/660V，电流8.85/5.1A，转速1410r/min，功率因数0.82。

解：1、电动机应接星形（Y）。2、电动机应接成三角形（）。36三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW频率

50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级

B1.型号

Y132S－6Y系列异步机机座中心高度机座长度代号

2p=6→n0=1000r/min2.额定功率PN

PN=3kW→轴上输出机械功率的额定值3.额定电压UN

UN=380V→定子三相绕组应施加的线电压磁极数374.额定电流IN

IN=7.2/3A

三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW频率

50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级

B→定子三相绕组的/Y额定线电流5.额定功率因数λN=cosNP1N=√3UNINcosNPN=ηNP1N=√3UNINcosNηN6.额定转速nN7.额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。383．3三相异步电动机的转矩特性和机械特性

一、三相异步电动机的定子电路

三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

定子绕组接上三相电源电压（相电压为u1）时，则有三相电流通过（相电流为i1），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e139设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕组的磁通也是随时间按正弦规律变化的，40定子每相绕组中产生的感应电动势为：

它也是正弦量，其有效值为：式中，f1为e1的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以它等于定子电流的频率，即定子每相绕组中还要产生漏磁电动势41加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即如用复数表示，则为式中，和()为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。由于R1和X1较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是42二、三相异步电动机的转子电路

旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为其有效值为式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率.因为旋转磁场和转子间的相对转速为n0-n在n=0，即S=1时，转子电动势为为转子最大电动势可见转子电动势E2与转差率S有关。43和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。因此，对于转子每相电路，有如用复数表示，则为

式中，R2和X2——转子每相绕组的电阻和漏磁感抗在n=0，即S=1时，转子感抗为为转子最大感抗可见转子感抗E2与转差率S有关。44转子每相电路的电流为

可见转子电流I2也与转差率S有关。当S增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。45三、转矩特性

电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要特性。所以因为……转矩特性式中，K——与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；

U1、U——定子绕组电压，电源电压；

R2——转子每相绕组的电阻；

X20——电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。46四．机械特性

在异步电动机中，转速n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将曲线换成S与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。1．固有机械特性异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。根据

三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。47从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。48电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为式中:

PN——电动机的额定功率；

nN——电动机的额定转速，一般

SN——电动机的额定转差率，一般

TN——电动机的额定转矩。49电动机的启动工作点。将S=1代入转矩公式中，可得可见，异步电动机的启动转矩Tst与U、R2及X20有关。50当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。

通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩TN之比st=Tst/TN作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般

51电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可令得临界转差率再将Sm代入转矩公式中，即可得52通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。鼠笼式异步电动机线绕式异步电动机532．人为机械特性由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。54（1）降低电动机电源电压时的人为特性不变不变随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小改变电源电压时的人为特性如图所示：55如当定子绕组外加电压为UN、0.8UN、0.5UN时，转子输出最大转矩分别为Ta=Tmax、Ta=0.64Tmax和Ta=0.25Tmax。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。56由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率S增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。57（2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性

在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似.。58（3）改变定子电源频率时的人为特性一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使U/f=C，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。因此，改变电源频率的机械特性如图所示59（4）转子电路串电阻时的人为特性在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后［见图(a)］，转子电路中的电阻为60不变不变随着串接电阻的增加而增大，此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图所示。61三、实用表达式忽略

R1得机械特性的实用表达式可以求出（式中）623．4三相异步电动机的启动特性

采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。（1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。（2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。（3）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。（5）启动过程中的功率损耗越小越好。63其中，（1）和（2）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。异步电动机本身的启动特性为：a.定子电流大，Ist=(5~7)IN异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流b.启动转矩小

启动时，转子功率因数很低，因而启动转矩却不大。64异步电动机的固有启动特性如图所示：显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。65一、笼式异步电动机的启动方法笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。1．直接启动（全压启动）直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。

•特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。

•直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。66一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动；若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。67例：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN=20kW,Ist/IN=6.5，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？解：根据经验公式算出满足上述关系，故允许直接启动。可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。

682．定子串电阻或电抗器降压启动

异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图所示。启动时，接触器1KM断开，KM闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；

待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，Rst被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。69•启动转矩随定子电压的平方下降，故它只适用于空载或轻载启动的场合；

•不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。特点：

70Y－减压起动：适用于：正常运行为△联结的电动机。起动时运行时UVWUNI1lYUVWUNI1l

△3．Y-降压启动713．Y-降压启动Y-降压启动的接线图如图所示:启动时，定子绕组接成星形；待转速上升到一定程度后再将定子绕组接成三角形，电动机启动过程完成而转入正常运行。设U1为电源线电压，IstY及Ist为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流（线电流），Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗。则有所以72Y-降压启动方法的特点：

•设备简单、经济、启动电流小；

•启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或轻载启动的场合；•只适用于正常运行时定子绕组接线为的异步电动机。734．自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动的原理接线图如图所示。自耦变压器启动时的一相电路，由变压器的工作原理知，此时，副边电压与原边电压之比为启动时加在电动机定子每相绕组的电压是全压启动时的K倍，因而电流也是全压启动时的K倍，即I2=KIst；而变压器原边电流I1=KI2=K2Ist，即此时电网供电电流I1是直接启动时电流Ist的K2倍。74特点：

•与Y-降压启动时情况一样，只是在Y-降压启动时的为定值，而自耦变压器启动时的K是可调节的，这就是此种启动方法优于Y-启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的K2倍。•变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于启动频繁的电动机。75鼠笼转子照片二、线绕式异步电动机的启动方法

76绕线转子照片772）绕线型绕组78鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大，因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。1．逐级切除启动电阻法

采用逐极切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。启动过程如下如图(a)所示：7980

2．频敏变阻器启动法频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到线绕式异步电动机的转子电路中，811.改变磁极对数p2.改变转差率s

3.改变电源频率f1(变频调速)调速方法：3.5三相异步电动机的调速有级调速无级或有级调速无级调速

n=(1－s)n0=(1－s)p60f182（一）变频调速

U、f可变M3~3~整流电路逆变电路50Hz控制电路n0TnOfNf1＜fN

直流f2＜f1变频调速83（二）变极调速U1U2U3U4U1U2U3U4××××(a)p=2(b)p=1SSNNSN84（三）变转差率调速（1）变压调速UNn0TnOsMTL85（2）转子串电阻调速R2R2+RCn0TnOTMM3~3~RCTL86一、调压调速改变电源电压时的人为机械特性如图所示：87

特点：

1.高速工作时，调速范围不大；

2.低速工作时，转子电路电流大，容易烧坏电动机。88二、转子电路串电阻调速

机械特性如图所示：当然，这种调速方法只适用于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用，不过此时要考虑稳定运行时的发热，应适当增大电阻的容量。n0TnOM3~3~RC89转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速。随转速降低，特性变软。转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。

特点：

903.6三相异步电动机的制动特性和直流电机一样，有三种制动方法：反馈、反接、能耗制动91电磁转矩与转速的方向电动运行状态制动运行状态92如拖动反抗恒转矩负载正转电动时位于第1象限反转时要改变相序，n1和T均改变方向电机反转，位于第3象限。电动机吸收电能，输出机械能给生产机械。TLTn-TLn1-n1电动运行状态制动运行状态电磁转矩和转速方向相反，机械特性在二、四象限93一、能耗制动原理:制动时将定子交流电源断开,然后立即使定子两相绕组经限流电阻接到直流电源上,在气隙中建立一个固定磁场.旋转的转子中产生感应电势和电流,产生的电磁转矩T与转子旋转方向相反.电动机吸收机械能,并将其转变为电功率,消耗在转子电阻上,故称为能耗制动.⊕⊙⊕⊕⊕⊕⊙⊙⊙⊙NSTn能耗制动接线图Rs3~M+－U－RPI－KM2KM194机械特性能耗制动停车过程能耗制动运行TmSm95能耗制动的特点对于采用能耗制动的异步电动机，既要求有较大的制动转矩，又要求定、转子回路中电流不能太大而使绕组过热。能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。能耗制动制动力强，制动较平稳，但是需要一套专门的直流电源。96二、反接制动电源反接制动电动势反接制动97三相绕线式异步电动机原来处于正常电动状态。接线图中的KM1断开，KM2闭合，就改变了电源相序。电源相序改变后，旋转磁场立即反转，转子绕组中电动势、电流和电磁转矩也都随之改变方向。

绕线转子异步电动机电源反接制动图KM2n΄0n0KM1n0n0'UVW由于机械惯性，转子转向没有改变，电磁转矩反向，为制动转矩，这种方法称为电源反接制动。电源反接制动98制动前电机工作在曲线l的A点，电源反接制动时，因机械惯性，转速瞬时不变，工作点由A点移至B点，此时转差率s>1，电磁转矩T<0，电机沿曲线2逐渐减速。到达C点时，n=0，此时切断电源，电机停车。Onn0U1TTL电源反接制动的机械特性－n0AB'BC132为了限制制动电流、增大制动转矩，绕线转子异步电动机必须在转子中串入大制动电阻R，如图曲线3所示。99倒拉反接制动倒拉反接制动是指异步电动机拖动位能性恒转矩负载时，在转子回路上串入较大电阻，使机械特性变为曲线2，电动机反转运行于第Ⅳ象限时的制动状态。曲线1为电动机的固有特性。电动势反接制动的机械特性OnTn0TLA1CB2100电动势反接制动适用于位能性恒转矩负载。当异步电动机提升重物时，工作点为曲线l上的A点。如果在转子回路串入很大的电阻，机械特性变为斜率很大的曲线2，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由A点移至B点，此时电磁转矩小于负载转矩，转速下降。当电机减速至n=0时，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，电动机反转，直至电磁转矩等于负载转矩，电机才稳定运行于C点。电动势反接制动的机械特性OnTn0TLA1CB2电动势反接制动常用于起重机低速下放重物。101

反馈制动

电动机由于某种原因，如外力作用下(图中重物的作用)，使其转速超过旋转磁场的同步转速。以起重机下放重物为例，在下放开始时，n<n0，电动机处于电动状态，如(a)所示。在位能性负载作用下，当电机的转速大于同步转速时，转子中感应电动势、电流和转矩的方向都发生了变化，电磁转矩与转子转向相反，成为制动转矩，如图(b)所示。此时电动机将机械能转变为电能回馈电网，所以称为反馈制动。(a)n<n0电动运行(b)n>n0回馈制动反馈制动原理图n0n0102曲线2(笼型电机)或曲线3(绕线式电机，转子中串入了制动电阻)为电源反接制动时的机械特性。当三相异步电机拖动位能性恒转矩负载，定子电源接成负序时，电动机经过电源反接制动，最后将稳定运行于第Ⅳ象限的D点(称为回馈制动运行点)。此时对应的电磁转矩T>0，转速n<0，且|n|>n0,称为反向回馈制动运行。Onn0U1TTMTL反向回馈制动的机械特性－TM－n0AB´EDB－TstC132103如起重机下放重物时，定子两相反接，这时同步转速由n0变为－n0，起动转矩为－Tst(图中C点)。由于转矩－Tst－TL<0,则电机将反向加速运行到D点，以－nD的转速使重物匀速下放。下放过程中，重物贮存的位能不断被电机定子绕组吸收，并转换成电能回馈到电网中。Onn0U1TTMTL反向回馈制动的机械特性－TM－n0AB´EDB－TstC132104当电动机由高速档切换到低速挡时，由于转速不能突变，在降速开始时，电机运行到新机械特性的发电区域内（B点）。此时电枢所产生的电磁转矩为负，和负载转矩一起迫使电动机降速OnTAYYYTLB异步电动机变极或变频调速的反馈制动运行过程Cn01n02105根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据，而不给出电动机的定、转子等具体参数，为此必须用工程计算法计算。一般可查到下列技术数据：1）额定功率

（kW）2）额定定子线电压（V）

3）额定定子线电流（A）

4）额定转速（r/min）

5）额定效率

6）定子额定功率因数7）过载倍数

8）飞轮惯量（）

9）对于绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，即a）转子额定线电动势（V）b）转子额定线电流（A）10）对于笼型异步电动机，没有转子数据，但给出下列两个数据

a）起动转矩倍数

b）起动电流倍数

106107此外，还可能给出定子极对数p；定子绕组的接线方式；工作制（或定额）；负载持续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额定频率我国为50Hz，即Hz。

在已知上述数据的基础上，可用工程计算法计算异步电动机参数

108（一）脉振磁场定子：单相绕组；3.7单相异步电动机×定子绕组定子转子：鼠笼型。×109220V~NS当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。在电流正半周在电流负半周？110※定子单相绕组产生的脉振磁场的分析:

1m

2mm1m=

2m=m/2t0※

脉振磁场的分解:111

1m

2mm

1m

2m

－m

tOt1t2t3t4t5t6t7t8

2m

1m脉振磁场112正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为零。（正向）（反向）正转转反113椭圆磁场的形成114（1）自身没有起动转矩（2）转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。怎样产生起动转矩？（二）工作原理1151、在脉振磁场的作用下，其没有启动能力，启动转矩为零。2、一旦启动，能够自行加速到稳定运行状态，旋转方向不固定。为能解决启动问题：采用改接定子绕组的方法，使之产生旋转磁场，建立起动转矩。116工作绕组起动绕组◆原理：两相电流→旋转磁场~Q转子CWSiwis→起动转矩单相电容电动机电容分相式起动单相异步电动机的起动117118电容分相式起动单相异步电动机的起动~KDCWSTW:主绕组（工作绕组）ST：启动绕组K：离心开关AXA'X'WSTAXA'X'电容分相式起动单相异步电动机的起动119~KDCWST接近90°电容分相式单相异步电动机起动原理120启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。工作原理~KDCWSTAXA'X'121罩极式单相电机定子磁极转子短路环定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。122单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。单相电机的使用三相异步电动机的单相运行三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。1233．8一、同步电动机的基本结构二、同步电动机的工作原理

124一、同步电动机的基本结构

1、同步电机的分类2、应用3、同步电动机的基本结构4、额定数据1251、同步电机的分类同步发电机同步电动机同步补偿机1262、应用（1）在现代电力系统中，几乎所有的电能是由同步发电机生产的（2）同步电动机应用于大型生产机械的拖动系统中。随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中的实现，使同步电动机的应用场合大为扩大（3）同步补偿机则是空载运行的同步电动机，用以改善电网的功率因数。1273、同步电动机的基本结构1、定子：由铁心、定子绕组（又叫电枢绕组，通常是三相对称绕组，并通有对称三相交流电流）、机座以及端盖等主要部件组成2、转子：包括主磁极、装在主磁极上的直流励磁绕组、特别设置的鼠笼型启动绕组、电刷以及集电环等主要部件。同步电动机按转子主磁极的形状分为隐极式和凸极式两种，它们的结构如图所示。128定子铁心内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。转子铁心装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场

处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响129同步电动机按转子主磁极的形状分为隐极式和凸极式两种，它们的结构凸极特点：

气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁芯短粗，适用于转速低于1000r/min，极对数p≥3的电动机。隐极特点：气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯长细，适用于转速高于1500r/min，极对数p≤2的电动机。130同步电机结构131凸极式转子132汽轮机（隐极式转子）1334、额定数据额定容SN——指额定运行时电机的输辅出功率

额定电压UN——指额定运行时定子的线电压

额定电流IN——指额定运行时定子的线电流

额定功率因数——指额定运行时电机的功率因数额定频率fN——指额定运行时电枢的频率额定转速nN——指额定运行时电机的转速，即为同步转速

134二、同步电动机的工作原理和运行特性

1．工作原理2．机械特性3、同步电动机的启动

1351、同步电机的基本工作原理定子绕组接通三相电源，产生旋转磁场在转子励磁绕组中通以直流电流后，同一空气隙中，又出现一个大小和极性固定、极对数与电枢旋转磁场相同的直流励磁磁场。这两个磁场的相互作用，使转子被电枢旋转磁场拖着以同步转速一起旋转，即“同步”电动机也由此而得名。1361372．机械特性在电源频率f与电动机转子极对数p为一定的情况下，转子的转速为一常数，n=n0，因此同步电动机具有恒定转速的特性，它的运转速度是不随负载转矩而变化的。同步电动机的机械特性138功角θ功角θ是转子磁场与定子磁场的夹角定子电动势与负载电压的夹角转子在空间的角度变化同步电动机负载变化会引起电磁转矩的变化，但不会引起转速的変化。在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的。功角特性Pem=ƒ(θ)矩角特性T=ƒ(θ)。139利用功率角的变化自动适应负载的变化负载增大－功率角增大－磁通恒定－定子电流增大－电磁转矩增大1403、同步电动机的启动

141同步电动机在定子旋转磁场和转子励磁磁场同步旋转，两者相对静止时，产生平均电磁转矩。如果把同步电动机直接投入电网并加上励磁电流？N0SS0NnTemN0NS0SnTem在定子磁场转速与转子转速相差较大时，在转子惯性作用下，转子受到的平均转矩为0，同步电动机不能直接起动。

142(1)、辅助电动机起动法辅助电动机起动法是选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到异步转速，然后将同步电动机投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动。143(2)、变频起动法由于恒频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种方法多用于大型同步电动机的起动。144

(3)、异步起动法

启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产生旋转磁场。等转速接近同步转速时，再在励磁绕组中通入直流励磁电流，产生固定磁极的磁场，在定子旋转磁场与转子磁场的相互作用下，便可把转子拉入同步。同步电动机异步启动法原理接线图。

145

启动步骤如下：

1）励磁电路的转换开关QS投合到1的位置，使励磁绕组与直流电源断开，直接通过变阻器构成闭合回路以免启动时历次绕组受旋转磁场的作用产生较高的感应电势，发生危险；2）按鼠笼式异步电动机的方法启动，给同步电动机的定子绕组加上额定电压，时转子转速升高到接近同步转速。必要时可采用降压启动；3）将励磁电路转换开关QS投合到2的位置，励磁绕组与直流电源接通，转子上形成固定磁极，并很快被旋转磁场拖入同步；4）用变阻