模块3 异步电动机《城市轨道交通电机与电器》教学课件

《城市轨道交通电机与电器》✩精品课件合集第X章XXXX模块3异步电动机任务一三相异步电动机的结构引言4引言电力牵引交流传动系统结构框图5结构6牵引电机外形结构7三相异步电动机结构定子|定子铁心由内周有槽的硅钢片叠成。8定子|定子绕组构成电路部分，用来感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。9电枢绕组定子|定子绕组（a）Y形接法

（b）△形接法10定子|机座固定和支撑定子铁心。11转子|转子铁心由外周有槽的硅钢片叠成。12转子|转子绕组构成电路部分，有笼型和绕线型两种绕组型式。13转子|转轴支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。14结构|其他气隙：异步电机的气隙很小，中小型电机一般为0.2～2mm。端盖：安装在机座的两端，一般为铸铁件。端盖上的轴承室里安装了轴承来支撑转子，以使定子和转子得到较好的同心度，保证转子在定子内膛里正常运转。端盖除了起支撑作用外，还起着保护定子、转子绕组的作用。15结构|其他轴承：连接转动部分与不动部分，目前都采用滚动轴承以减少摩擦。风扇：冷却电机。1617THANKYOU任务二

交流绕组19三相异步电动机的交流绕组是由许多嵌放在定子铁芯槽中的线圈，按照一定的规律分布、排列并连接而成的。一、交流绕组概述双层绕组20交流绕组是把属于同相的导体绕成线圈，再按照一定的规律，将线圈串联或并联起来。交流绕组通常都绕成开启式，每相绕组的始端和终端都引出来，以便于接成星形或三角形。一、交流绕组概述21二、交流绕组的分类按槽内层数来分，可分为单层绕组、双层绕组和单双层混合绕组；按每极每相所占的槽数来分，可分为整数槽绕组和分数槽绕组；按绕组的结构形状来分，可分为链式绕组、交叉式绕组、同心式绕组、叠绕组和波绕组等。22三、三相单层绕组单层绕组是指每一个槽内只有一条线圈边，整个绕组的线圈数等于定子总槽数一半的绕组。按照线圈的形状和端部连接方式的不同，单层绕组可分为链式绕组、交叉式绕组和同心式绕组等几种形式。23三、三相单层绕组24三、三相单层绕组25四、三相双层叠绕组双层绕组的每个槽内有上层、下层两个线圈边，每个线圈的一条边嵌放在某一槽的上层，另一条边嵌放在另一槽的下层，整个绕组线圈数正好等于槽数。双层绕组可以选择最有利的节距，所有线圈具有同样的形状和尺寸，便于制造，端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度，所以容量较大（10kW以上）的三相异步电动机的定子绕组一般均采用双层绕组。双层绕组可分为叠绕组和波绕组两种形式。26四、三相双层叠绕组（1）分极、分相（2）标出相线圈有效边的电流方向（3）按绕组节距的要求把同一相的线圈边按电流方向连成线圈并组成极相组（4）确定各相绕组的出线端（5）顺着电流方向把各极相组连接起来27四、三相双层叠绕组28THANKYOU29任务三三相异步电动机的结构引言三相异步电动机把电能转化为机械能，拖动各种生产机械。例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。30引言通入三相交流电旋转定子转子31基本定律电生磁比如，空间有n=3根导体，其中电流方向如图所示，它们所产生的磁场强度H沿任何闭合路径的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和。32基本定律磁生电大小：

B--磁通密度

l--导体有效长度

v--导体切割磁力线速度方向：

右手定则.33基本定律载流导体在磁场中受力大小：

B－磁通密度；

l－导体的有效长度；

I－通电电流强度方向：左手定则34旋转磁场的产生定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)U1U2V1V2W1W2o35旋转磁场的产生

三相电流合成磁场的分布情况：ωt=0°ωt=60°ωt=120°ωt=180°36旋转磁场的产生结论：定子绕组通入三相电流，会产生旋转磁场电流变化一周，磁场旋转3600()37旋转磁场的转速旋转磁场转速n1

又称为同步转速,与定子电流频率f1、磁极对数p有关。异步电动机转速和极对数的对应关系（f1=50Hz)

3812345300015001000750600工作原理1、定子通三相交流电旋转磁场；

2、转子切割磁感线感应电动势与感应电流；3、带电的转子在磁场中受力旋转。U1U2V2W1V1W2FF异步电动机39U1U2V2W1V1W2FF转差率s：40转速n：(s=0.01~0.09)工作原理41工作原理42THANKYOU任务四三相异步电机的功率和转矩

一、三相异步电动机的损耗当三相异步电动机接在电网上稳定运行时，由电网供给的电功率称为三相异步电动机的输入功率。输入功率中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻上，该部分称为定子绕组铜耗4445输入功率的另外一小部分将消耗于定子铁心上，该部分称为铁耗。输入功率减去定子铜耗和铁耗以后，余下的功率全部送入转子，这部分功率称为电磁功率。

一、三相异步电动机的损耗46传递到转子的电磁功率，一部分将消耗于转子绕组中的电阻上，这部分功率称为转子绕组铜耗。

三相异步电动机的损耗

一、三相异步电动机功率流程图47三相异步电动机从电网吸收电功率，从转轴上输出机械功率

二、三相异步电动机的转矩平衡方程式48在三相异步电动机中，输入定子的电能转换为转子上的机械能输出是通过转子上产生电磁力（载流导体在磁场中的受力），由电磁力产生电磁转矩使转子旋转而实现的。因此，电磁转矩是电机中能量形态变换的基础。U1U2V2W1V1W2FF49对于已制造好的异步电动机，电磁转矩的大小与旋转磁场磁通的大小及转子电流大小密切相关。从动力学知道，作用在旋转体上的转矩等于旋转体的机械功率除以它的机械角速度。

二、三相异步电动机的转矩平衡方程式50

二、三相异步电动机的转矩平衡方程式在三相异步电动机中，转子转轴上的电磁转矩等于全机械功率除以转子机械角速度三相异步电动机的空载转矩，它等于机械损耗与杂散损耗之和除以转子机械角速度51三相异步电动机的转矩平衡方程表明，电动机稳定运行时，电磁转矩减去空载转矩后，才是电动机转轴上的输出转矩。

二、三相异步电动机的转矩平衡方程式三相异步电动机的输出转矩，它等于输出功率除以转子机械角速度。52THANKYOU任务五

三相异步电动机的

工作特性和机械特性

一、工作特性在额定电压及额定频率时，转速、电磁转矩、定子电流、定子功率因数以及效率随着输出功率变化而变化的关系曲线。54

一、工作特性|转速特性转速n随着输出功率P2怎样变化?转矩平衡方程：当输出功率为0时：空载，转速很接近同步转速，转差率很小。随着输出功率增大：负载增大，转差率随之增大，转速随之下降。在额定负载时转差率约为0.01～0.07。55

一、工作特性|转速特性转速特性：一条微微下倾的曲线。56

一、工作特性|转矩特性电磁转矩T随着输出功率P2怎样变化?转矩平衡方程：电机从空载到额定负载之间，空载转矩T0可认为不变。随着P2的增加，转速n变化不大，只是略有下降。57

一、工作特性|转矩特性转矩特性：一条比直线略有上翘的曲线。58

一、工作特性|定子电流特性

定子电流I1随着输出功率P2怎样变化?空载运行时：定子电流为励磁电流。负载增加：输出功率P2增大，转速n下降，转子电流增加，以产生足够的电磁转矩与负载转矩相平衡，通过电磁感应关系，定子电流I1也随着增加，输入功率增大，从而满足功率平衡方程的要求。59

一、工作特性|定子电流特性定子电流特性：一条上升曲线。60

一、工作特性|功率因数特性

定子功率因数随着输出功率P2怎样变化?空载：定子电流中的大部分是励磁电流，功率因数很低。负载：由于要输出一定的机械功率，定子电流中的有功分量增加，电动机的功率因数逐渐提高。额定功率因数＝0.7～0.9。61

一、工作特性|功率因数特性62电机空载运行时，功率因数很低。工作特性|效率特性

效率随着输出功率P2怎样变化?效率空载：输出功率P2=0，故。负载：输出功率逐步增大，效率也相应增大。不变损耗与可变损耗相等时，效率最大。负载继续增大，铜耗急剧增大，效率反而降低。63

一、工作特性|效率特性64当不变损耗与可变损耗相等时，出现最大效率。二、三相异步电动机的机械特性65三相异步电动机输出机械功率主要表现在输出转矩和转速上，当三相异步电动机的外加定子电压及频率不变，转差率变化时，电磁转矩的变化规律曲线，称为机械特性。66三相异步电机的机械特性二、三相异步电动机的机械特性三、三相异步电动机的特点67THANKYOU任务六

三相异步电动机的启动和反转

一、启动起动：从电动机接入电网开始转动，到达正常运转为止。

起动要求：（1）起动电流尽可能小。（2）起动转矩要足够大。69直接启动降压启动转子串接电阻起动(绕线电动机）一、启动星-三角（Y/△）降压起动自耦变压器降压起动70起动方法：

1.直接启动直接启动：将电动机定子绕组直接接到具有额定电压的电网上。71

1.直接启动导致问题：启动电流较大因为启动时，转子还没有转动，旋转磁场以同步转速切割转子，这时转子产生很大的感应电动势，转子电流很大，根据磁动势平衡关系，电子电流非常大。那么就会损坏电机与供电电网。启动转矩不大因为启动时，转差率s=1，转子功率因数很小；同时，对应的气隙磁通减小。依据电磁转矩公式

启动转矩比较小。那么可能无法启动或者启动过慢。72

1.直接启动能否采用直接起动？

小容量电动机空载或轻载时，可以直接启动。73

2.降压启动降压启动：电动机在启动时降低加在定子绕组上的电压，启动结束后再加上额定电压运行。74对于大、中容量的笼型电动机，当负载较轻时，可以采用降压起动的方法以降低电动机的起动电流。

2.降压启动|星-三角（Y/△）降压启动起动：Y接法；正常运行：△接法。75

2.降压启动|星-三角（Y/△）降压启动Y接法启动△接法启动相电压线电流启动转矩只能用于空载或轻载启动76

2.降压启动|自耦变压器降压启动利用自耦变压器来降低启动时加在定子三相绕组上的电压。77

2.降压启动|自耦变压器降压启动启动：接经自耦变压器降压后的交流电压；正常运行：接额定电压。78

2.降压启动|自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动直接启动相电压线电流启动转矩只能用于空载或轻载启动79

3.绕线电动机启动|转子串接电阻在转子中串入多级对称电阻增大启动转矩,减小启动电流,使启动过程平滑随着转速升高，逐渐切除电阻8081二、三相异步电动机的反转三相异步电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向，并且两者的方向相同。只要改变旋转磁场的方向，就能使三相异步电动机反转。将三相接线端中的任意两相接线端对调，就改变了旋转磁场的方向，从而使三相异步电动机反转。82THANKYOU任务七三相异步电动机的调速和制动

一、异步电动机的调速异步电动机的转速公式：变极调速变转差率调速变频调速84

1、变极调速改变电动机定子绕组的极对数来调速。有级调速，不平滑。在鼠笼型电机上应用。8512345300015001000750600

1、变极调速A1X1A2X2ii··A1A2X1X2··NNSSA1··A2X1X2SNA1X1A2X2ii••86

2、变转差率调速在转子回路中串电阻是改变转差率调速常用的方法。无级调速，平滑。在绕线型电机上应用。87

2、变转差率调速88

3、变频调速改变供电电源的频率来调速。无级调速，平滑；调速范围大；最有前途的一种调速方式。89

3、变频调速所以为保持磁通不变，要求903、变频调速（1）保持过载能力不变的变频调速。（2）恒转矩变频调速。（3）恒功率变频调速。91

基频以下调速的机械特性

3、变频调速92采用变频调速的电力牵引交流传动系统

二、异步电动机的制动制动：加上一个与电动机转向相反的转矩来使电动机迅速停转或限制电动机的转速。当电动机需要减速或停止转动时93

二、制动94制动方法机械制动：加机械抱闸电气制动能耗制动反接制动回馈制动

1、能耗制动95将正在运行中的异步电动机的定子绕组从交流电网断开，接到一个直流电源上。

1、能耗制动96直流电流建立的静止磁场与旋转的转子作用，产生与转子旋转方向相反的制动转距，使转子迅速停止转动。。

2、反接制动97将正在电动机定子绕组的三相电源线的任意两相对调，旋转磁场立即反转。运转制动2、反接制动98产生与转子旋转方向相反的制动转矩，使转子迅速停止转动。运转制动

2、反接制动99串入电阻来限制定子电流；当转速下降至零时，必须立即切断电源。运转制动

2、反接制动100线路简单，制动力大，制动效果好；电流冲击大，不宜在频繁制动的场合下使用。运转制动

3、回馈制动101电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，产生与转子旋转方向相反的制动转矩，将外力作用于转子的能量转换成电能回馈给了电网。nF转子T

n1n>n1

3、回馈制动102经济性能好，可将机械能变为电能返送回电网；应用范围窄，只有在转速大于同步转速时才能实现。nF转子T

n1n>n1

3、回馈制动103电力机车再生制动104THANKYOU项目五劈相机和其它电动机任务八

单相异步电动机任务提出A任务目标B相关知识C任务实施D目录CONTENTS思考题EPart任务一01任务提出任务提出定义：单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电机。优点：结构简单、成本低廉、运行可靠、维修方便等优点及可以直接在单相220

V交流电源上使用的特点应用：单相异步电动机只做成小容量的，从几瓦到几百瓦，在家用电器（电扇、洗衣机、电冰箱、空调器等）及轻工业装置上得到了广泛的应用。缺点：与同容量的三相异步电动机比较，单相异步电动机的体积大，运行性能较差，效率较低。Part任务一02任务目标任务目标1.描述单相异步电动机的基本结构和工作原理；2.能描述单相异步电动机的起动、调速和反转方法。Part任务一03相关知识相关知识1.基本结构

单相鼠笼式异步电动机的结构

单相异步电动机的类型很多，除罩极电动机的定子具有凸出的磁极外，其余各类单相异步电动机定子铁心和普通三相异步电动机的相似。相关知识2.工作原理

相关知识2）基本原理

单相异步电动机示意图

当单相异步电动机的定子绕组（工作绕组）接单相交流电源时，产生一个脉动磁场，此脉动磁场可分解为两个大小相等、转速相等而转向相反的旋转磁场和（证明略）。

相关知识2）基本原理

当异步电动机的转子静止不动时，转子对正向旋转磁场和反向旋转磁场的转差率都等于１，电磁转矩和大小相等、方向相反。因此，合成电磁转矩为零，电动机不能自行起动。

如果借助外力使电动机的转子以转速向某一方向（如向正向旋转磁场的方向）转动，正向旋转磁场所产生的电磁转矩大于反向旋转磁场所产生的电磁转矩。所以运行时的旋转方向由起动时的转动方向而定。只要外力把转子向任一方向驱动，转子就将沿着该方向继续旋转，直到接近同步转速。相关知识2）基本原理

单相异步电动机的机械特性曲线

由于在单相异步电动机中始终存在一个反向旋转磁场，因此单相异步电动机的损耗较大，效率较低，功率因数也较低。这样，就使得单相异步电动机的效率等总是低于三相异步电动机。

相关知识3.分类和起动方法

单相电容起动电动机1）单相电容起动电动机

单相电容起动电动机有较大的起动转矩，但起动电流也较大，适用于各种满载起动的机械，如小型空气压缩机，在部分电冰箱压缩机中也有采用。相关知识3.分类和起动方法

单相电容运转电动机2）单相电容运转电动机

单相电容运转电动机结构简单，维护保养方便，只要任意改变主绕组（或辅绕组）的首端、末端与电源的接线，即可改变旋转磁场的转向，从而使电动机反转。这类电动机常用于吊扇、台扇、洗衣机、吸尘器等。相关知识3.分类和起动方法

单相电阻起动电动机3）单相电阻起动电动机

这种电动机起动转矩不大，宜于空载起动。相关知识3.分类和起动方法

单相电阻起动电动机4）单相双值电容电动机

单相双值电容电动机具有相对较高的起动转矩、效率及功率因数，适用于机床、农副产品加工机械、医疗器械等。Part任务一04任务实施任务实施1.电冰箱的起动

单相电阻起动电动机

家用电冰箱中拖动压缩机的单相异步电动机较多采用电阻R起动。PTC组件的工作特性图

由于该类电动机起动转矩小，因此当电冰箱在工作中突然断电