电机与电气控制技术项目教程课件 项目2 三相异步电动机分析与控制 任务一 三相异步电动机结构和原理分析

任务一

三相异步电动机结构和原理分析任务一三相异步电动机结构和原理分析知识与能力目标了解三相异步电动机的类型、铭牌数据和结构1理解三相异步电动机的工作原理与工作特性2掌握三相异步电动机的机械特性及其测试方法3子任务一三相异步电动机结构认知

子任务二三相异步电动机工作原理分析

子任务三三相异步电动机的工作特性测取任务一三相异步电动机结构和原理分析异步电动机感性认识子任务一三相异步电动机结构认知

输入的交流电能

转换成机械能输出定子转子三相异步电动机电动机电磁相互作用电动机直流交流电动机的分类子任务一三相异步电动机结构认知控制子任务一三相异步电动机结构认知直流电动机复励并励他励串励控制电机自整角机步进伺服

交流电动机是利用定子和转子之间的电磁相互作用，将输入的交流电能转换成机械能输出的电动机。三相交流电动机异步电动机同步电动机交流电动机转子转速与旋转磁场之间的关系电动机正常运行通电的相数分为分为单相交流电动机根据子任务一三相异步电动机结构认知分为绕线型鼠笼型机壳定子绕组定子铁心接线盒端盖轴承

转子绕组2.

转子部分转子铁心

转轴3.气隙问题:三相异步电动机是如何工作的呢?1.定子部分:子任务一三相异步电动机结构认知V’VW’U’UW定子转子子任务一三相异步电动机结构认知笼型异步电动机的结构笼型转子(a)大型电动机；

(b)中、

小型电动机

子任务一三相异步电动机结构认知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。三相异步电动机的基本结构示意图子任务一三相异步电动机结构认知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。端盖机座三相异步电动机的基本结构示意图子任务一三相异步电动机结构认知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。定子子任务一三相异步电动机结构认知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子任务一三相异步电动机结构认知三相异步电动机的基本结构示意图

1.异步电动机的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3部分组成。定子绕组机座铁心子任务一三相异步电动机结构认知定子铁芯叠片

(a)

(b)定子绕组的星形和三角形连接(a)星形连接(b)三角形连接子任务一三相异步电动机结构认知2.异步电动机的转子异步电动机的转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴3部分组成。1)转子铁芯是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠成。转子铁芯冲片

2)转轴。转轴的作用是固定转子铁芯和传递机械功率。3)转子绕组。转子绕组的作用是产生电磁转矩。根据转子绕组的不同，转子可分为笼型转子和绕线转子两种。子任务一三相异步电动机结构认知①

笼型转子。在转子铁芯每个槽中穿入裸铜条，并在铜条两端分别用两个铜环(端环)连接，形成了一个自行短路的多相对称短路绕组。(a)(b)(c)笼型转子(a)铜条转子(b)铸铝转子(c)铸铝转子的铝条和风扇子任务一三相异步电动机结构认知②

绕线转子。绕线转子绕组与定子绕组相似，也是由彼此绝缘的导体按一定的规律连接成三相对称绕组，极数与定子绕组的极数相同，嵌放在转子铁芯槽中。绕线转子(a)绕线型转子形状(b)结构示意图子任务一三相异步电动机结构认知绕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子任务一三相异步电动机结构认知转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。转子硅钢片2.异步电动机的转子子任务一三相异步电动机结构认知子任务一三相异步电动机结构认知

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。笼型转子的电动机称笼型电动机。笼型转子子任务一三相异步电动机结构认知2.异步电动机的转子3.气隙

气隙是磁路的一部分，异步电动机的气隙比同容量的直流电动机的气隙要小得多。在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2～1.5mm左右。4.三相异步电动机的铭牌数据（1）异步电动机的型号。每台电动机机座上都有一块铭牌，铭牌上面标明了电动机的型号、额定值和有关技术数据。子任务一三相异步电动机结构认知（2）额定电压UN和接法。UN是指电动机额定运行时，定子绕组上应加的线电压。本例UN=380V。一般规定额定功率在3kW及以下的Y系列三相异步电动机为星型连接，4kW及以上的为△系列三角形连接，三相异步电动机绕组接线图如图所示。子任务一三相异步电动机结构认知三相异步电动机绕组接线图

（3）额定电流IN。IN是指电动机在额定电压下运行，输出功率达到额定值时，流入定子绕组的线电流，单位为安培(A)，本例中IN=15.4A。（4）额定功率PN。电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kW。子任务一三相异步电动机结构认知（5）额定转速nN。指电动机定子加额定电压，且输出额定功率时电动机的转速，单位为转/分(r/min)，本例中的额定转速为n=l440r/min。（6）额定频率fN。fN是指加在电动机定子绕组上的允许频率，我国电网频率规定为50Hz。（7）绝缘等级。电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、B、E、F、H5级。子任务一三相异步电动机结构认知（8）工作方式。电动机工作方式分为10种，较常用的3种方式如下。

①

连续工作方式用S1表示，这种工作方式允许电动机在额定条件下长时间连续运行。

②

短时工作方式用S2表示，这种工作方式允许电动机额定条件下只能在额定时间内运行。③

断续工作方式用S3表示，它允许电动机在额定条件下以周期性间歇方式运行。子任务一三相异步电动机结构认知磁铁闭合线圈子任务二三相异步电动机工作原理分析磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线长磁感应强度切割速度（右手定则）闭合导线产生电流

i（左手定则）通电导线在磁场中受力子任务二三相异步电动机工作原理分析1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致结论：异步2.线圈比磁场转得慢子任务二三相异步电动机工作原理分析在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。AXBYCZABCZXYAXBYCZAXBYCZABCZXY定子绕组星型接法定子绕组三角形接法端子子任务二三相异步电动机工作原理分析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AXBYCZiAiBiCuAuBuCiAiBiCABCXYZ+++子任务二三相异步电动机工作原理分析定子绕组与转子绕组定子绕组转子绕组AZBXCY+++设：电流的流入端用+

表示电流的流出端用•

表示子任务二三相异步电动机工作原理分析iAiBiCABCXYZiA=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。

tiO1.旋转磁场的产生及转速子任务二三相异步电动机工作原理分析iA

t=0°

tiAZBXCYiA=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O（1）圆形旋转磁场的产生子任务二三相异步电动机工作原理分析

t

t=60°iAZBXCYNS60°iC

=0iB为负值iA为正值iAiBiCO（1）圆形旋转磁场的产生子任务二三相异步电动机工作原理分析

t=90°AZBXCYNS90°iA为正值iB为负值iC为负值

tiiAiBiCO子任务二三相异步电动机工作原理分析（1）圆形旋转磁场的产生

t=180°AZBXCYiA=0iB为正值iC为负值180°NS

tiiAiBiCO（1）圆形旋转磁场的产生子任务二三相异步电动机工作原理分析

t=0°AZBXCYNS0°N

t=180

AZBXCYS180°

t=90°AZBXCYNS90°

t=60AZBXCYNS60°（1）圆形旋转磁场的产生子任务二三相异步电动机工作原理分析空间相差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：子任务二三相异步电动机工作原理分析

tiiAiBiCOABCXYZiAiC90

60°0

AZBXCYNS0°AZBXCYNS60°相序

A-C-B-AAZBXCYNS90°iB（2）旋转磁场的转向子任务二三相异步电动机工作原理分析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：子任务二三相异步电动机工作原理分析旋转磁场的磁极对数

p与三相定子绕组的连接方式有关—电源的频率—磁极对数若f1=50Hz，p=1，n1=3000r/min；p=2，n1=1500r/min；p=3，n1=1000r/min。（3）旋转磁场的磁极对数

p（4）

旋转磁场的转速n1n1的单位：转/每分子任务二三相异步电动机工作原理分析•••SN

n1ne(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。2.三相异步电动机的工作原理及转差率（1）工作原理子任务二三相异步电动机工作原理分析（1）工作原理

三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向。旋转磁场

右手定则

左手定则电动势

电磁力、电磁转矩子任务二三相异步电动机工作原理分析异步电机的工作原理旋转磁场切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子中产生感应电流转子电流与磁场作用产生电磁转矩运转子任务二三相异步电动机工作原理分析

（2）异步电动机的转差率同步转速n1与转子转速n之差(n1-n)和同步转速n1的比值称为转差率，用字母s表示，即

转差率s是异步电动机的一个基本物理量，它反映异步电动机的各种运行情况。当转子转速接近同步转速(空载运行)时，n≈n1，此时转差率s≈0，转差率最小。子任务二三相异步电动机工作原理分析

对异步电动机在额定负载情况下，一般s=0.01～0.06，s=0为理想空载情况，异步电动机的转差率是0<s<l。在正常运行范围内，转差率的数值很小，一般在0.01～0.06之间，即异步电动机的转速很接近同步转速。异步电动机负载越大，转速就越低，其转差率就越大；反之，负载越小，转速就越高，其转差率就越小。故转差率直接反映了转子转速的高低或电动机负载的大小。子任务二三相异步电动机工作原理分析（2）异步电动机的转差率AYCBZXn1n旋转磁场转速电动机转速n＝(1-s)n1子任务二三相异步电动机工作原理分析n=(1–s)n1转差率0<s

<

sN=0.01~0.06转子转速（2）异步电动机的转差率s[例]

已知n=975r/m，f1=50Hz。求：p、s、f2。[解]p=3子任务二三相异步电动机工作原理分析异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称状态电动电磁制动发电实现子任务二三相异步电动机工作原理分析异步电动机的三种运行状态(a)电动机(0<s≤1);(b)发电机(-∞<s<0);(c)电磁制动(1<s<+∞)子任务二三相异步电动机工作原理分析【例】一台三相感应电动机，额定功率PN=55kW，电网频率为50Hz，额定电压UN=380V，额定效率ηN=0.79，额定功率因数cosφN=0.89，额定转速nN=570r／min，试求其同步转速n1、极对数p、额定电流IN和额定负载时的转差率sN。解因电动机额定运行时转速接近同步转速，所以同步转速为600r／min。电动机极对数即该电动机为10极电机。

子任务二三相异步电动机工作原理分析额定电流

转差率

子任务二三相异步电动机工作原理分析（1）功率平衡

三相异步电动机以转速n稳定运行时，从电源输入的电功率为：

定子铜损耗为:正常情况下，转子转速接近于同步转速，转子回路铁耗很小，可忽略，因此只计定子回路的铁耗。3.三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式及工作特性子任务二三相异步电动机工作原理分析（1）功率平衡

定子铁耗为:从等值电路看，传输给转子回路的电磁功率等于转子回路全部电阻的消耗。

电磁功率也可表示为：子任务二三相异步电动机工作原理分析3.三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式及工作特性

转子绕组中的铜损耗为：这样电磁功率减去转子铜耗，剩下的就是电机转轴上总的机械功率，用表示，即：电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用表示，当然除了这些损耗外，还有一些附加损耗等，因此，输出功率为：子任务二三相异步电动机工作原理分析3.三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式及工作特性（1）功率平衡所以整个功率传递过程中的功率关系为：

从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的关系是：子任务二三相异步电动机工作原理分析3.三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式及工作特性（1）功率平衡重要公式：电动机正常运行时，由定子经气隙传递到转子侧的电磁功率有一小部分转变为转子的铜损耗，其余大部分转变为总的机械功率。子任务二三相异步电动机工作原理分析3.三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式及工作特性（1）功率平衡功率变换过程

定子铜耗输入功率电磁功率电动机的总机械功率轴上输出的机械功率子任务二三相异步电动机工作原理分析转子铜耗定子铁耗机械损耗附加损耗（2）转矩平衡机械功率除以轴的角速度Ω就是电磁转矩，即：

式中Ω1为同步角速度（用机械角表示），故对功率表达式进行变形可得：T0为空载转矩，为输出转矩，子任务二三相异步电动机工作原理分析例题一台三相异步电动机额定数据为PN=11KW，UN=380V，nN=1459r/min，f1=50Hz，Pmec=110W，Pad=30W，求额定运行时（1）转差率SN;（2）电磁功率Pem；（3）电磁转矩TN；（4）转子铜耗Pcu2；（5）输出转矩T2N；（6）空载转矩T0。子任务二三相异步电动机工作原理分析解（1）(2)Pw=PN+Pmec+Pad=11000+110+30=11140W;Pem=Pw/(1-s)=11140/(1-0.027)=11449W(3)(4)(5)(6)子任务二三相异步电动机工作原理分析（3）三相异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率运行时，电动机的转速n、输出转矩T2、定子电流I1、功率因数

、效率η与输出功率P2之间的关系曲线。空载时P2=0，s≈0，n≈n1。因此随着输出功率P2的增加，转速特性n=f（P2）是一条稍微下降的曲线。1）转速特性n=f（P2）三相异步电动机的工作特性曲线

子任务二三相异步电动机工作原理分析2）转矩特性T2=f（P2）空载时P2=0，T2=0；由空载到满载时，n变化很小，故T2=f（P2）可以近似看成一条直线。

三相异步电动机的工作特性曲线

子任务二三相异步电动机工作原理分析3）定子电流特性I1=f（P2）子任务二三相异步电动机工作原理分析4）定子功率因数特性

=

f（P2）空载时定子电流主要是无功励磁电流，因此功率因数很低。负载运行时，随负载的增加，功率因数逐渐上升，额定负载附近，功率因数最高。子任务二三相异步电动机工作原理分析5）效率特性η=f（P2）空载时，P2=0，η=0，带负载时随着输出功率P2的增加效率η也增加。当负载增大到使可变损耗等于不变损耗时效率最高。对于中小型异步电动机最高效率出现在0.75PN。子任务二三相异步电动机工作原理分析4.三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速（或转差率）之间的函数关系。异步电动机的机械特性曲线

子任务二三相异步电动机工作原理分析sT1OTstTmsmabcsNTNT与U12成正比转矩特性

T=f(s)（1）固有机械特性曲线

三相异步电动机的固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定子和转子电路不外接电阻或电抗时的机械特性。

固有机械特性

子任务二三相异步电动机工作原理分析nOn0TabcTstTmnNTNdT2=TN(在d点)机械特性曲线

n=f(T)1）额定转矩TNP2：电动机轴上的输出功率P2单位：瓦(W)n单位：转每分(r/min)T单位：牛·米(N·m)子任务二三相异步电动机工作原理分析不同电源电压的转矩特性由dT/ds=0,得Sm=

–—R2X20sm=

–—R2X20取正值sm—称为临界转差率代入

T

的表达式

U12求得最大转矩Tmax2）最大转矩TmaxnOn0TaTstTmaxnNTNdU1子任务二三相异步电动机工作原理分析d.sm=R2/X20不同转子电阻的转矩特性结论：a.Tmax

U12b.Tmax与R2无关c.过载系数

Tmax/

TN

1.82.2sm与U1无关3）临界转差率Smn0n0TaTmaxR2sm子任务二三相异步电动机工作原理分析起动瞬间n=0，s=1U1↓→Tst↓↓R2↑→Tst↑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。

st

Tst

TN一般

st1.02.2起动转矩倍数4）起动转矩Tst子任务二三相异步电动机工作原理分析固有机械特性曲线从图上可以看出三相异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点：（2）在S＜0范围内，n＞n

1

，特性在第Ⅱ象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态。（3）在S

＞1范围内，n＜O，特性在第Ⅳ象限，T＞0，也是一种制动状态，在第Ⅰ象限电动状态的特性上。子任务二三相异步电动机工作原理分析（1）在0≤S≤1，即n1>n>0的范围内，特性在第Ⅰ象限，电磁转矩T和转速n都为正，电动机工作在这范围内是电动状态。固有机械特性曲线子任务二三相异步电动机工作原理分析（2）人为机械特性从机械特性表达式上可以看出：可以通过改变一些参数使得特性曲线更满足用户的需要,这样就得到了异步电动机的人为机械特性曲线。（1）降低定子端电压的人为机械特性：从表达式上可以看出：异步电机的同步转速与电压无关，电磁转矩T与U12

成正比，为此最大转矩以及起动转矩都要随U1

的降低而按U1

的平方减小。而最大转矩对应的转差率Sm不变。子任务二三相异步电动机工作原理分析降低定子电压U1时的人为机械特性（2）转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性(只适用于绕线式转子):子任务二三相异步电动机工作原理分析转子回路串电阻时的人为机械特性子任务三三相异步电动机的工作特性测取1.实训目的用直接负载法测取三相笼型异步电动机的工作特性。2.预习要点1)异步电动机的工作特性指哪些特性？2)工作特性的测定方法。3.实训项目1)判断定子绕组的首末端。2)空载实训。3)堵转实训。4)负载实训。子任务三三相异步电动机的工作特性测取4.实训设备1)三相笼型异步电动机，电压380/220V(Y/Δ)。2)直流和交流电压表、电流表、转速表、功率因数表。3)三相可调电阻器(900)。4)旋转指示灯、并网开关、同步电动机励磁电源。子任务三三相异步电动机的工作特性测取5.实训电路及操作步骤（1）判定定子绕组的首末端

图2-19

判定定子绕组首末端实训接线图

按照如图2-19所示接线，其中W5或W6接黑表笔，W2或W3接红表笔，加电瞬间若指针正偏，那么接黑表笔的那端与接电源正极W4的那端为同名端，若指针反偏则为异名端。子任务三三相异步电动机的工作特性测取（2）空载实验图2-20

三相笼型异步电动机空载实训接线图

子任务三三相异步电动机的工作特性测取（2）空载实验序号U(V)I(A)P(W)cosφUUVUVWUWUU0IUIVIWI0PⅠPⅡP0cosφ0

表2-1空载实训测量数据表

子任务三三相异步电动机的工作特性测取（3）堵转实训