三相异步电动机概述-三相异步电动机的结构

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1第3章三相异步电动机学习目的：理解三相异步电动机工作原理并会正确使用。学习重点：功率、转矩、机械特性。学习难点：工作原理，自动调节过程。关键词：旋转磁场、电磁转矩、机械特性。2

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33.1.2三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。4（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

额定输出机械功率PN与额定输入电功率之比PN1，即额定输入电功率电动机的额定技术数据：5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：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6这是电动机的外形3.2三相异步电动机的结构7三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8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9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101.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定子铁心11A.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12U1W2V1U2W1V2定子绕组转子绕组U1U2U1U2U1U2V1V2W1W2U1U2B.定子绕组13在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2U1U2V1V2W1W2定子绕组星接端子C.定子绕组的连接U1U2V1V2W1W214U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子绕组角接C.定子绕组的连接15U1W2V1U2W1V2设：电流的流入端用表示电流的流出端用表示D.定子绕组电流方向定子绕组U1U2V1V2W1W2iAiBiCuAuBuCiAiBiCU1V1W1U2V2W2转子绕组16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17绕线型转子实物18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19

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20笼型转子实物注铝的笼型转子实物21•••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22iA=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iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1W2V1U2W1V223iA1两极旋转磁场的产生t=0°tiiA=0iB为负值iC为正值U1W2V1U2W1V2NS0°iBiC24tt=60°iiC

=0iB为负值iA为正值iAiBiC0NS60°U1W2V1U2W1V21两极旋转磁场的产生25t=90°iA为正值iB为负值iC为负值tiiAiBiC0NS90°U1W2V1U2W1V21两极旋转磁场的产生26t=180°iA=0iB为正值iC为负值tiiAiBiC0180°NSU1W2V1U2W1V21两极旋转磁场的产生27t=60NS60°t=90°NSt=0°NS90°t=180NS180°0°U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V21两极旋转磁场的产生28

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：29tiiAiBiC02旋转磁场的转向U1V1W1U2V2W2iAiC9060°0U1W2V1U2W1V2NS0°U1W2V1U2W1V2NS60°相序A-C-B-AU1W2V1U2W1V2NS90°iB30

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313四极旋转磁场的产生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°tiiAiBiC032tiiAiBiC090°180°90°t=90°NS45°SNU1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2't=180°NS90°SNU1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2'iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1'V1'W1'U2'V2'W2'3.四极旋转磁场的产生33

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34U1

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=2f1L11.定子电压平衡方程式35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–+3.3.2三相异步电动机的等效电路2.转子电压平衡方程式36I2cos

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.转子电流373.4.1三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38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1.电磁转矩表达式39电磁转矩通常由输出的机械功率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2.电磁转矩的计算40一.转矩特性

T=f(s)3.4.3机械特性T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222TstTmaxnNTNdn0n0Tabc

二.机械特性

n=f(T)sT10TmaxsmabcsNTNn0Tst411.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

二.机械特性n=f(T)TstTmaxnNTNdn0n0Tabc42T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222由dT/ds=0,得Tmax

=

K

——U122X20sm=

–—R2X20sm—临界转差率2.最大转矩TmaxTmax

是在一定的电源电压下，电动机所能提供的最大转矩。

二.机械特性n=f(T)TstTmaxnNTNdn0n0Tabc43Tmax

=

K

——U122X20sm=

–—R2X20sm—临界转差率2.最大转矩TmaxU1不同电源电压的机械特性Tn0U1>

U1T'maxU'1TmaxsmR2R'2Tn0R2<R'2不同R2的机械特性Tmaxsms'm44sm与R2成正比Tmax

=

K

——U122X20结论：a.TmaxU12b.Tmax与R2无关，c.过载系数m

mTmax

TN

m1.6

2.5sm=

–—R2X20Tmax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。2最大转矩Tmax45Tn0T'stsm3.起动转矩TSTT=

CU12—————sR2R2

+

(sX20)22起动瞬间n=0，s=1Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222

KU1——R2X2022U1↓→

Tst↓↓R2↑→

Tst↑R2´R2U1U1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'm46三.机械特性曲线的两个区域1.起动过程：s由1到0的过程当Tst>T2时,电机起动s由sm到0的过程在cb段n↑→s↓T↑→ba段在ab段n↑→s↓T↓→T=T2T2=TN(稳定运行在d点)ab段为稳定运行区域，bc段为不稳定运行区域。转矩

T=CT

I2cos

2TstTmaxnNTNdn0n0Tabc从c到a分析47→

s↑直到T=T2'电机稳定运行在新的转速下,工作于d'点则

:

n↓→

T↑n0n0TabcTstTmT2'd'n'nNTN

d转矩平衡方程式T=T2+T0

=负载转矩+空载转矩2.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

，S=n0-n|n0由转差率公式由n定s转矩平衡方程式T=T2+T0

=负载转矩+空载转矩2.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),若电源电压突然降低，T、n、I如何变化？U1不同电源电压的机械特性Tn0U1>

U1T'maxU'1Tmaxd'n'nNTN

d49[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50（3）额定转矩为=45.24Nm（4）额定输入功率（5）根据额定电流（7）起动转矩

Tst＝stTN＝1.745.24=76.91Nm（6）最大转矩Tmax＝mTN＝245.24=90.48Nm51一.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，(5~7)

IN。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电磁转矩

T=CT

I2cos

2521.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。二.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。53(1).星形—三角形（Y-）转换降压起动FU~~W2U1U2V1V2W1Q1转子定子绕组a.连接方法Q2YU1U2V1W1V2W2Y型W1V1U1U2V2W2型只适用于正常运行时为接法的电动机54FU~~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TstY/Tst

=UPY2/UP2

=(Ul/3)2

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

=3IP

=3UP

/

|Z|=3Ul/|Z|(1)星形—三角形（Y-）转换降压起动b.起动电流和起动转矩55如电源电压为380V，电动机名牌标记为660/380V，Y/接法，能否采用Y-起动？思考题：56~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2起动三相自耦变压器M3

~（2）自耦变压器降压起动57~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2运转起动三相自耦变压器M3

~（2）自耦变压器降压起动58（2）自耦变压器降压起动设自耦变压器变比为Ku求电动机起动电流

电动机起动电流Ist和起动转矩Tst均为直接起动的1/Ku2。电动机起动转矩定子绕组Z自耦变压器u定子绕组Zu59

绕线式电动机起动时，在转子绕组中串电阻，减小起动电流。（3）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。T=CT

I2cos

2起动电阻Q定子绕组转子绕组滑环电刷~~60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61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。62p=

(1–s)

——60

f1n

=(1–s)

n0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