第04章 交流电动机

第4章电动机概述电动机的作用是将电能转换为机械能。电动机直流电动机（他励、并励、串励、复励）交流电动机异步电动机

同步电动机4.1

三相异步电动机的构造4.2

三相异步电动机的转动原理4.3

三相异步电动机的电路分析4.4三相异步电动机的转矩与机械特性4.5三相异步电动机的起动4.6三相异步电动机的调速*4.7三相异步电动机的制动*

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。异步电动机的分类：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.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。4.1

三相异步电动机的构造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。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。U1U2V1V2W1W2U1V1W1U2V2W2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子绕组星接定子绕组角接端子AZBXCY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笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图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同定子绕组一样，也分为三相，接成星形。铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。这是转子硅钢片这是饶线型转子铁心与绕组外接电阻电刷滑环转子铁心转子绕组B(1)

绕线式转子特点：结构复杂、价格较贵；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。(2)

鼠笼式转子特点：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。AZBXCY设：电流的流入端用表示电流的流出端用表示定子绕组与转子绕组定子绕组转子绕组

转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。1.旋转磁极对导体的作用4.2

三相异步电动机的转动原理磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定F方向用左手定则确定磁场旋转n0:同步转速。笼型转子的转向与旋转磁场的转向相同。1.旋转磁极对导体的作用4.2

三相异步电动机的转动原理iAiBiCiA=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。

ti02.三相绕组产生的旋转磁场ABCXYZAZBXCY设：电流的流入端用表示电流的流出端用表示iA(1)两极旋转磁场

t=0°tiAZBXCY

iA=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iAiBiCABCXYZt

t=60°iAZBXCYNS60°iC

=0iB为负值,iA为正值iAiBiC0iAiBiCABCXYZ

t=90°AZBXCYNS90°iA为正值iB为负值,iC为负值tiiAiBiC0iAiBiCABCXYZt=180°AZBXCYiA=0iB为正值,iC为负值180°NStiiAiBiC0iAiBiCABCXYZt=60AZBXCYNS60°t=90°AZBXCYNSt=0°AZBXCYNS90°t=180AZBXCYNS180°0°

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：tiiAiBiC0（2）改变旋转磁场的转向ABCXYZiAiC9060°0AZBXCYNS0°AZBXCYNS60°相序A-C-B-AAZBXCYNS90°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iAiBiCABCXYZA'B'C'X'Y'Z'60°0°t=0°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'0°SNt=60°NSAZ'BX'C'XCYA'ZB'Y'30°SN0°tiiAiBiC0tiiAiBiC090°180°t=90°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'45°SNt=180°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'90°SN90°ABCXYZA'B'C'X'Y'Z'iAiBiC

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。综上分析可以得出：（4）旋转磁场的速度n0pn0=——60

f1—电源的频率—磁极对数P=1n0=3000r/minP=2n0=1500r/minP=3n0=1000r/min（5）转子转速n和旋转磁场同步转速n0的关系电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机n0s=——=—–n0–nn0nn

=(1–s)

n0定义:转差率∴0

<

s

<s

N=

0.015

~

0.06转子转速：（6）转差率sn：转子转速；n0：旋转磁场转速；电动机起动瞬间:（转差率最大）转差率最小），转子最大转速时：(0»»sn0n（7）

转子的转速和转子磁场的速度定子旋转磁场•••N1S1N2S2n1转子磁场n=n0(1-s)转子的转速n0–nn2=n2

----旋转磁场和转子间的相对转速,即转子导线切割旋转磁场的速度,即转子磁场的转速而转子感应电动势的频率正比于n2。转子磁场的速度：=f1sf2=——p

n260=———60p

(n0–n)=———–60n0p

n0(n0–n)n2=n0sn2+

n

=n0pn2=——60

f2设转子线圈中的感应电动势的频率为f2例1：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2同步转速：转差率：AZBXCYAXBYCZiAiBiC主磁通=msint漏磁通S(很小)e1eS1uAuBuC4.3三相异步电动机的电路分析三相异步电动机每相的等效电路ES1R1jXs1E1•U1•I1•••E2•I2R2jXs2•ES2主磁通=msint变压器原、副绕组是与同一主磁通相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。

三相异步电动机的电磁关系与变压器类似:4.3.1定子电路•R1jXs1E1•U1•I1•ES1U1=–

E1–ES1+I1R1

=–E1+I1(R1+jXS1)=–E1+I1Z1••••••••设：则：定子边：U1

E1=4.44f1N1K1mm：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Z2=R2+jXS2转子的内阻抗：E2=4.44f2N2K2m=4.44f1N2K2msm：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=–

ES2+I2R2

=I2(R2+j

XS2)=I2Z2••••••E2•I2R2jXS2•ES24.3.2

转子电路E20=4.44f1N2K2m电动机起动时（n=0,s=1）E2=sE20转子静止时的感应电势转子转动时的感应电势Z2=R2+jXS2转子的内阻抗：E2=4.44f2N2K2m=E20s•E2•I2R2jXS2•ES22R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2XS2=2f2LS=2sf1LS=sX20X20=2f1LS电动机起动时所以I2与s有关I2和cos2均与s有关2R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2•E2•I2R2jXS2•ES2Z2=R2+jXS22R2XS2起动时

三相异步电动机与变压器的不同之处如:1）变压器是静止的。而异步机是旋转的。2）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机三相异步电动机每相的等效电路ES1R1jXs1E1•U1•I1•••E2•I2R2jXs2•ES2主磁通=msintU1

E1=4.44f1N1K1m定子电路:转子电路:Z2=R2+jXS2转子的内阻抗：I2和cos2均与s有关2R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2•E2•I2R2jXS2•ES2Z2=R2+jXS24.4.1电磁转矩

4.4三相异步电动机的转矩与机械特性电磁转矩

T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。常数每极磁通转子电流转子电路的（牛顿米）电磁转矩

T=KT

mI2cos

2m

————U14.44f1N1K1将代入式得T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222常数2R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2U1E1=4.44f1N1K1mm

————U14.44f1N1K1

ST10TstTmsmabcsNTNT与U12成正比T=

KU12—————sR2R2

+

(sX20)22转矩特性

T=

f(s)根据转矩公式得电动机的转矩特性曲线：额定转矩TN起动转矩Tst最大转矩TmTN=————P2N2nN/60额定转矩：电机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率

时，电机转轴上输出的转矩。(1)三个重要转矩TN=

9.55———–P2N(W)nN

(r/min)或TN=

9550———–P2N(kW)

nN

(r/min)Tm

=

K

——U122X20T

=

KU1—————sR2R2

+

(sX20)222R2

+

(sX20)2=2

(sX20)22sm=

–—R2X20解得取正值sm

—

称为临界转差率（2）最大转矩Tm代入

T

的表达式U12求得最大转矩Tm求解sT10TstTmsmabcsNTNTm

=

K

——U122X20sm

—

称为临界转差率（2）最大转矩TmU12最大转矩

如果电机将会因带不动负载而停转。TmsmU1不同电源电压的转矩特性sT01U1>

U1>

U1TmU1´´TmU1U1增大sm=

–—R2X20sT0Tmsm1R2当X20不变时,临界转差率sm随R2增大而增加。d.sm=R2/X20sm′sm″R2″R2<R2

<

R2″´不同转子电阻的转矩特性Tm

=

K

——U122X20结论：a.TmU12b.Tm与R2无关c.过载系数

Tm

TN1.8

2.2sm=

–—R2X20sm与U1无关R2´R2增大过载系数：三相异步机（1）三相异步机的和定子电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。

工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使

（2）注意电机严重过热原因Tm

=

K

——U122X20sT01TstTmsm（3）起动转矩TSTT=

KU12—————sR2R2

+

(sX20)22起动瞬间n=0，s=1Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222U1↓→

TstR2↑→

Tst↑R2´R2U1´U1

负载转矩

TL>Tst

,不能起动,可空载或轻载起动

负载转矩TL<Tst

,可带负载起动

stTst

TN一般

st

1.0

2.2起动转矩倍数KU1——R2X2022GsT0abc1n0n0TTn0n0TabcTstTmnNTN因为

n=n0(1-s),可以由转矩特性得到机械特性4.4.2机械特性曲线

n=f(T)（1）分析起动过程d当Tst>TL时,电机起动在cb段n↑→s↓T↑→ba段在ab段n↑→s↓T↓→T=TLTL=TN(在d点)→

s↑直到T=

TL'电机稳定运行在新的转速下,工作于d'点则

:

n↓———n

=(1–

s)n0→

T↑n0n1TabcTstTmTL'd'n'nNTN=TLN

d转矩平衡方程式T=TL+T0

=负载转矩+空载损耗转矩（2）分析转矩平衡过程

ab

段为稳定运行区,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TL´,TL>TN

，硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。

硬特性（R2小）软特性（R2大）

不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电动机。机械特性的软硬4.5.1

起动性能4.5三相异步电动机的起动起动初始瞬间，n=0，s=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。I2cos

2cos

2I20S11.起动电流2.起动转矩TST

负载转矩

TL>Tst

,不能起动,可空载或轻载起动

负载转矩TL<Tst

,可带负载起动sT10TstTmsmbcsNTN

stTst

TN一般

st

1.0

2.21.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5~7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，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。4.5.2

起动方法（1）Y-降压起动法FU~~W2U1U2V1V2W1K1转子定子绕组只适用于正常运行时为接法的电动机K2YU1U2V1W1V2W2Y型W1V1U1U2V2W2型

起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的三分之一Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222Y－

起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电动机。（2）Y－

起动时，起动电流减小的同时，起动转矩也减小了。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合~AXBYCZ~K1K2运转起动三相自耦变压器M3

~（2）自耦变压器降压起动Ist

=(0.5)2

Ist"Ist=

(0.5)

Ist

'IstIst"Ist'如:变压器变比为1/k=0.5电动机起动转矩Tst

=(0.5)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/k2。Ist

=0.5Ist'

"则变压器副方电流而变压器原方电流绕线式电动机起动可在转子绕组中串电阻，减小起动电流。（3）转子串电阻起动sT01TstTmsmR2´R2sm´R2­ÞTst

­同时提高起动转矩。RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。•

绕线式电动机转子电路串电阻起动起动电阻

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。电动机正转电动机反转三相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~例:

一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩

TN、最大转矩Tmax

、和起动转矩Tst

。说明：额定功率P2N：

额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（

），不等于从电源吸收的功率（）。两者的关系为：

2）由Y225M-4

，可知p=2,3）1)解:4）如果负载转矩为510.2N•m,试问在U=UN和U´=0.9UN两种情况下电动机能否起动？5）采用Y-

换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩的80%和50%时，电动机能否起动？

一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：例:解：4)在U=UN时

Tst=551.8N•m>510.2N.m不能起动

在U´=0.9UN时能起动5)Ist

=7IN=784.2=589.4A在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动1.改变极对数p

调速p=

(1–s)

——60

f1n

=(1–s)

n1调速方法2.改变转差率S

调速p

=2:1,2,3接电源；4,5,6悬空p

=1:4,5,6接电源；1