电动机原理及应用

电动机原理及应用1.1基本要求掌握三相异步电动机的基本构造、转动原理和机械特性。掌握三相异步电动机的起动、调速和制动的基本原理和方法。理解三相异步电动机铭牌数据的意义。了解直流电动机的基本构造和工作原理。1.2基本内容三相异步电动机的构造三相异步电动机主要由定子和转子两部分构成。定子是静止部分，由铁芯和三相绕组组成，绕组的连接方式不同可以构成不同的极对数P。转子是转动部分，分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式转子自成一个闭合电路，绕线式转子则将接线端通过电刷引出电动机外。三相异步电动机的旋转原理定子三相绕组通过三相电流后产生旋转磁场，旋转磁场与转子的相对运动使转子切割磁场产生感应电动势和电流，而转子电流又与旋转磁场作用产生电磁转矩，从而推动转子转动。以下是几个重要概念：1.旋转磁场的转速为n=也，与电流频率f和极对数p有关。0p 1旋转磁场的方向与三相电流的相序有关，改变相序可以改变旋转磁场的方向。转子与旋转磁场的转速差n0-n是产生电磁转矩的必要条件，也是“异步”一词的由来。当转差率s=^0^n=0时，电磁转矩消失，所以转子的转速恒小于旋转磁场的转速。n0三相异步电动机的特性三相异步电动机的特性分为电磁转矩特性（T-s曲线）和机械特性（n-T曲线），特性曲线上有三个重要转矩，即：额定转矩一电机可以长期运行的输出转矩最大转矩一电机的可能达到的最大输出转矩起动转矩一电机在起动时的输出转矩三相异步电动机的起动、调速和制动三相异步电动机的起动方式分为：l全压起动（直接起动）一适用于10kw以下电机t降压起动一可分为Y/A起动和自耦调压起动I串阻起动一用于绕线式电机三相异步电动机的调速方式分为：变频调速一可实现无级调速，但需要专用的变频电源变极调速一无需专用设备，但只能实现分级调速，且每相定子绕组要分成几段I*变转差率调速一类似于串阻起动，用于绕线式电机1.2.5.直流电机的构造和工作原理与三相异步电机一样，直流电机也是由定子和转子两个基本部分组成的。直流电机的定子是磁极，用直流励磁或用永久磁铁制成；转子又称作电枢，是产生感应电动势的部分。此外，在直流电机的轴上还装有换向器，其作用是当线圈的有效边从N极（或S极）下转到S极（或N极）下时，改变其中的电流方向，使N极下有效边中的电流总是一个方向，而S极下有效边中

的电流总是另一个方向，使两个有效边上受到的电磁力方向不变，以产生同一方向的力矩。并励式直流电机的机械特性是硬特性。当负载变化较大时，转速的变化很小。直流电机具有良好的调速性能，可实现均匀平滑的调速。调速方法有三种：（a）改变磁通cp调速；（b）改变电枢电压U调速；（c）在电枢电路中串接电阻调速。直流电机具有很大的起动转矩，且起动时电枢电流可达额定值的10~20倍，必须串接电阻限流。1.2.6.基本公式1.1.（匕：电流频率；P:定子磁极对数）转差率s=土~-x100%n0TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"P__ _ .额定转矩［=9550tnN-m（P2N:额定功率，单位KW；七：额定转速，单位r/mrn）N过载系数X=1（T:最大转矩；T:额定转矩）T m NN效率门=与x100%（P:输出功率；P:输入功率）P 2 121.3重点和难点三相异步电动机的转动原理：定子（三相对称绕组相间互差1200）通过三相对称电流（相序互差1200）后产生旋转磁场T旋转磁场切割转子导线时，在其中感应出电动势（其方向由右手定则决定）T转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩（电磁转矩由左手定则确定）T电磁转矩使转子转动。电动机定子产生的旋转磁场的转速n0叫做同步转速，转子转速n叫做异步转速，（又称机械转速）。n与n方向相同，大小不等，电机转子制造工艺确保n略小于n，一旦n=n，没有相对切割，转0 0 0子电流为0，失去转矩。三相异步电动机的启动和调速（1）启动启动瞬间n=0,s=1。启动的方法有直接启动和降压启动。直接启动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到电源上，一般用于小容量电动机。降压启动是启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，适用于大容量电动机，通常采用Y-A降压换接启动。Y-A启动是对A形运转的电动机，启动时将定子绕组连成Y形，待电动机接近额定转速时，再将其换接成△形。/=11T=1TstY3stAstY3stA故只适合于启动轻载或空载起动时。（2）调速调速方案的依据是：n=（1-s）n°=（1-s）业r。故有三种调速方案①变频（改变f1）调速；②变极（改变P）调速；③变转差率（改变s）调速。转矩与转子中电流并不成正比关系，比如启动时的转矩Ts小于最大转矩^，但此时转子的电流为最大值，因为此时转子与旋转磁场的相对运动达到最大限度。启动时转矩并非最大是因为此时的功率因数很小，随着转速的提高，功率因数也变大。1.4例题与习题解答1.4.1例题例5-1已知一台三相异步电动机的P=3，s=5%，f^=50Hz，三相电源是对称的，且iA=Isin（①t-30。），求：（1） 电机的同步转速n；0（2） 电机的额定转速n；（3） 电流交变一周旋转磁场转过的角度；（4） 当®t=30。及®t=90。时三相定子绕组的电流方向（从绕组首端流进为正）。解：（1）〃=纹=Q=1000（,/mm）0p3（2） 由转差率公式s=*得：n0n=（1-s）n=（1-0.05）x1000=950（〃min）（3） 因n°=1000r/min，所以旋转磁场每分钟转过的角度是2kx1000=200CM电流交变一次旋转磁场转过的角度是2000k2 =_兀60x503（4） 因三相电源是对称的，所以{i-Isin（①t-30°）iB=Isin（ot-150°）七=Isin®t-270°）3 3当^t=30时，iA=0，iB=——^-i（流出），ic=—^-I（流进）…兵 3 一一当®t=90°时，iA=项1皿（流进），\=—亍1皿（流出），七=0例5-2一台四极三相异步电动机的额定功率为30Kw，额定电压为380V，三角形接法，电源频率为50Hz，在额定负载下运行时，其转差率为0.02，效率为90%，线电流为57.5A，试求：（1）转子旋转磁场相对于转子的转速；（2）额定转矩；（3）电动机的功率因数

解：(1)因p=2，f[=50Hz所以n=解：(1)因p=2，f[=50Hz所以n=60f1=60x50=1500(r/min)0P2由s=^一^可得旋转磁场对转子的转速为n0n一n=sn=0.02x1500=30(r/min)(2)额定功率n=n-sn=1500-30=1470(r/min)故额定转矩为T=9550P=9550x-^牝194.9(N-m)

n 1470（注意：在公式TN八…P，=9550—中，p的单位是kW，nN的单位是r/m，［的单位是N-m）Ncos甲30x103P[故cos(p=—=—2 = v3nUI v3X0.9X380x57.5牝0.88例5-3一台三相异步电动机的技术数据如下：5kW，380V，△形接法，1440r/min，cos中=0.82，n=84.5%，IjI^=7.0，TJTn=2.2，求：（1）（4）额定转矩；（5）起动转矩；（6）最大转矩。额定转差率；（2）额定电流；（3）起动电流;解：（1）因n=1400r/min可知n=1500r解：（1）故s=I=1500-1440=0.04n n0 1500(2(2)因P=门户=43^UIcos甲2 15x105x103P故I= ——2 = n⑶Ucosp<3x0.845x380x0.82牝11(A)(3(3)因I■■:IN=7.0故I=7In=77(A)(4)T=9550P=9550x^L牝33.2(N-m)nn(4)因TT=1.8sN故T=1.8T=59.8(N-m)因TjTN=2.2故T=2.2T=73(N-m)例5-4某一三相异步电动机的额定电压〃n=380V,A形连接，额定功率P2n=40kW，额定转速七=1470r]min，TJT^=1.2。试求：（1） 启动转速T；st（2） 如果负载转矩为额定转矩的70%或20%，能否采用K-A换接启动？分析：K-A换接启动，启动电流可减少到直接启动的1/3，但启动转矩也相应的被减少到直接启动时的1/3。当启动转矩小于负载转矩时，不宜采用K-A换接启动。解（1）电动机的额定转矩为T=9550二=9550x-^=259.86（N-m）nn 1470则启动转矩为T=1.2T=311.84(N-m)(2)采用K-A换接启动时的启动转矩为T=1T=-x311.84=103.95(N-m)stY3stA3在70%额定转矩时，T stYT stY—70%TN103.950.7x259.86<1，所以不能起动。在20%额定转矩时，T stYT stY—20%TN103.950.2x259.86>1，所以可以启动。例5-5Y250M-2型三相异步电动机，已知p=55kW，nN=2970r/min，九=176.9N-m，Un=380V，In=102.7A，I/I”=7.0，T^/T^=2.0。（1） 试求该电动机的启动电流、和启动转矩Tst（即i^a和Tsta）。（2） 该电动机可以采用K-A换接降压启动法，试求启动电流y和启动转矩%。（3） 如果该电动机的负载转矩为额定转矩的60%时，采用K-A换接降压启动时，该电动机能否启

动？解该电动机工作时是三角形接法，它在启动时，启动电流和启动转矩分别是I=71=7x102.7=718.9(A)动？解该电动机工作时是三角形接法，它在启动时，启动电流和启动转矩分别是I=71=7x102.7=718.9(A)T=2T=2x176.9=353.8(N-m)也可以表示为I =718.9(A) T=353.8(N-m)r-A换接降压启动时的ISTY和tstyI=11=1x718.9=239.6(A)STY3STA3T=1T=1x353.8=117.9(N-m)STY3STY3（3）当负载转矩为0.6八时0.6T=0.6x176.9=106.14<117.9（N-m）所以该电动机可以启动1.4.2习题解答三相异步电动机的额定数据为3kW，2970r/min，50Hz。求（1）旋转磁场转速；（2）额定转差（3）磁极对数；（4）额定转矩。5-1额;解：（1）n=2970r/min，因额定转速为2970r/min，据此可推断n0=3000r/min=3000「min(2)S=^0—n.100%=^^.100%=0.01n0 3000（3）_60f=60.50=1P=~n^~3000=n°=3000r/min（4）=9550xP=9550xn

N3 、 =9.65(N-m)29705-2一台三相异步电动机的技术数据如下：5kW，380V，△形接法，1440r/min，cos9=0.82，门=84.5%，IJI^=7.0，TJTn=2.2，求：（1）额定转差率；（2）额定电流；（3）起动电流;（4）额定转矩；（5）起动转矩；（6）最大转矩。解：(1)因n=1400r/min可知n=1500r/min

=0.04故s=n0-nN1500-=0.041500Nn15000(2(2)因p=门户=43^UIcos甲2 1 N5x105x103…P故I= ——2 = n加Ucos甲<3x0.845x380x0.82牝11(A)(3(3)因I■7n=7.0(4)(4)故I=7七=77(A)T=9550P=9550x-^牝33.2(N-m)

n 1440(5(5)因TT=1.8

sN故故T=1.8T=59.8(N-m)(6)故T=2.2T=73（N-m）5-3(6)故T=2.2T=73（N-m）5-3三相异步电动机的额定电压为380V，三角形连接。当额定转矩为58N-m时转速为740r/min，效率为80%，功率因数为0.8。求（1）输出功率；（2）输入功率；（3）线电流和相电流。解：（1）P=^T^-n=-^Lx740=4.492n9550n9550(kW)(2)P=P2n=5.61(kW)1门4490(3)I= 2 =■1 v湖Ucos甲 A.;3x0.8x0.8x3802=10.6(A)I=^=I=^=x10.6=6.1(A)5-4三相异步电动机的数据如下：4.5kW,220/380V,cos9=0.85,n=85%，求电压为380V和220V两种情况下定子绕组的接法和绕组中电流的数值。4500解：电源电压为380V时，Y型接法：/=3Uo面=3x0.85x085x220=9.4(A)电源电压为220V时，△型接法：I=v3nUcos甲4500切x0.85x0.85x380=9.4(A)5-5三相异步电动机在正常运行时定子做Y形连接。如果外加电压不变，将定子绕组改为三角形连接，下列各值将发生什么变化：（1）线电压；（2）相电压；（3）线电流；（4）相电流；（5）每相功率；（6）总功率。在实际应用中是否可以这样做？解：（1）改变绕组的接法不影响线电压，故线电压不变。（2） 当绕组改变为三角形接法时，U广气，故相电压较正常运行时增大为*'3倍。（3） Y接法时：I=I=%（Z为每相绕组的等效阻抗）YPYZU\3U△接法时：1=V’31=\：3尚=V：3 p=31m pa |Z| Z| py故线电流增大3倍。U（4） Y接法时：IpY=~Z^△接法时：IpA=与=*=3pY故相电流增大七'3倍。（5）Y接法时：每相功率Py=U「pYcos中3U△接法时：每相功率P=UaIacos中=J3Uy—zp^cos中=3UIycos中=3Py故每相功率增大3倍。（6）Y接法时：总功率P=<3UIcosp=^3UIcos甲Y总 lYlY lYpY△接法时：总功率p总=』3匕Iacos甲=E>UY把Iacos甲=J3UJ3七|z「YcosP=3、J3UIcosp故总功率增大3倍。由以上分析计算可知实际应用中这样做将会损坏电机。5-6设异步电动机在起动时定子电路的阻抗为常数，证明当采用星形接法降压起动时的