自动控制原理-第五章交流电动机的工作原理及特性

1第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理5.2三相异步电动机的定子和转子电路5.3三相异步电动机的转矩与机械特性5.4三相异步电动机的启动5.5三相异步电动机的调速5.6三相异步电动机的制动5.7单相异步电动机2第五章交流电动机的工原理及特性

5.1三相异步电动机的结构和工作原理5.1.1三相异步电动机的基本结构定子和励磁线圈转子和转子线圈35.1.1三相异步电动机的基本结构三相对称绕组AX，BY，CZ定子和转子硅钢冲片45.1.1三相异步电动机的基本结构鼠笼转子结构55.1.1三相异步电动机的基本结构ABC外接变阻器（启动和速度调节）滑环和电刷绕线转子结构6磁场闭合线圈e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定磁场旋转5.1.2三相异步电动机的工作原理7磁极旋转导体切割磁力线产生感应电动势（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5.1.2三相异步电动机的工作原理81.线圈跟着磁场旋转→两者转动方向一致

结论：2.线圈比磁场转得慢异步9YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。三相定子绕组：产生旋转磁场。10旋转磁场的产生AYCBZ(•)电流出(

)电流入X11旋转磁场的产生AXBYCZ12AXYCBZAXBYCZ合成磁场方向：向下513XBZAYCAXYCBZAXYCBZAXYCBZ14旋转方向：取决于三相电流的相序。改变电机的旋转方向：换接其中两相。旋转磁场的旋转方向15旋转磁场的转速大小

一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°电流频率为fHz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：n0称为同步转速16极对数（P）的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：AXYCBZ17极对数（P）的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'

将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。AXBYCZ18极对数C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'19极对数和转速的关系20三相异步电动机的同步转速极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速额定转速21电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速（额定转速）:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流

如果22

转差率的概念：异步电机额定运行中:转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间:（转差率最大）23转子感应电流的频率：24第五章交流电动机的工原理及特性

5.1.4定子绕组线端连接方式出线端排列短路片线电压相电压铭牌：Y/△－接线方式

380/220－不同接线应加的线电压25第五章交流电动机的工原理及特性

5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路5.2.2转子电路分析转子感应电流有效值为E20－转子未转动感应电势X2---转子每相绕组漏磁感抗转子电路功率因素为(I2迟后E2一个ψ2角)26第五章交流电动机的工原理及特性

5.2.2转子电路的分析27第五章交流电动机的工原理及特性

5.2.3三相异步电动机的额定值电动机铭牌上的额定数据型号额定功率PN(输出的机械功率)额定电压UN(220/380V△/Y)额定频率f(50HZ)额定电流IN(10.35/5.9A△/Y)额定转速nN

(额定转差率SN)工作方式(定额)温升(或绝缘等级)电动机重量28第五章交流电动机的工原理及特性

5.2.3三相异步电动机的额定值电动机铭牌上不标的额定数据额定功率因数cosψN额定效率ηN

额定转矩TN

绕线式异步电动机转子静止时滑环电压和转子额定电流通常手册上给出的数据就是额定值29第五章交流电动机的工原理及特性

5.2.3三相异步电动机的额定值例

有一台三相四极的异步电动机，

其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02Ω，X20=0.08Ω，电源频率f1=50Hz，E20=20V，

试求：(l)电动机的同步转速n0

：(2)电动机启动时的转子电流I2st(3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N；

(4)电动机在额定转速时的转子电流I2N解

(1)n0=60f1/P=60×50/2=1500r/min

(2)(3)SN=(n0-nN)

/n0=(1500-1440)

/1500=0.04

f2N=SNf1＝0.04×50Hz=2Hz(4)30第五章交流电动机的工原理及特性

5.2.4三相异步电动机的能流图输入定子的电功率定子电路中的铜损转子电路中的铜损输入转子的电磁功率铁损(磁滞和涡流损耗)机械损失功率输出的机械功率31第五章交流电动机的工原理及特性

5.3三相异步电动机的转距与机械特性5.3.1三相异步电动机的转距直流电动机的转矩三相异步电动机的转距32第五章交流电动机的工原理及特性

5.3.1三相异步电动机的转距U---定子绕组相电压；R2------转子每相绕组的电阻；X20-----n=0时转子每相绕组的感抗；K-------三相异步电动机的转矩常数。331．固有机械特性

异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。

根据

三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。第五章交流电动机的工原理及特性

5.3.2三相异步电动机的机械特性34

从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：

电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。理想空载点额定运行点启动点临界点35

电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为

式中:

PN——电动机的额定功率；

nN——电动机的额定转速，一般

SN——电动机的额定转差率，一般

TN——电动机的额定转矩。36电动机的启动工作点。

将S=1代入转矩公式中，可得

可见，异步电动机的启动转矩Tst与U、R2及X20有关。37

当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；

当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；

而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。

通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩TN之比

st=Tst/TN

作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。38

电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可令得临界转差率

再将Sm代入转矩公式中，即可得39

通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比

称为电动机的过载系数。它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。

鼠笼式异步电动机

线绕式异步电动机转矩-转差率实用公式：T/Tmax代入sm=R2/X20化简得40

由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。

改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。2.人为机械特性641

（1）降低电动机电源电压时的人为特性不变不变随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小

改变电源电压时的人为特性如图所示：42

如当定子绕组外加电压为UN、0.8UN、0.5UN时，转子输出最大转矩分别为Ta=Tmax、Ta=0.64Tmax和Ta=0.25Tmax

。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。

此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率S增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。43

由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。

例如，电动机运行在额定负载TN

下，即使

m=2，若电网电压下降到70%UN

，则由于这时

此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率S增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。电动机会停转44（2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性

在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似。45（3）改变定子电源频率时的人为特性

一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使U/f=C，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。

因此，改变电源频率的机械特性如图所示46（4）转子电路串电阻时的人为特性

在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后，转子电路中的电阻为47不变不变随着串接电阻的增加而增大，

此时的人为特性将是比固有特性较软的一条曲线，如图所示。随着串接电阻的增加而增大。

48

采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。

（1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。

（2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。

（3）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。

（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。

（5）启动过程中的功率损耗越小越好。第五章交流电动机的工作原理及特性

5.4三相异步电动机的启动特性49

其中，（1）和（2）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。

异步电动机本身的启动特性为：

a.定子电流大，Ist=(5~7)IN

异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流b.启动转矩小

启动时，转子功率因数很低，因而启动转矩却不大。50

异步电动机的固有启动特性如图所示：

显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。51一、鼠笼式异步电动机的启动方法

鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。1．直接启动（全压启动）

直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。

•

特点：电动机定子绕组的工作电压和额定电压相等。

•

直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。52

一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动；

若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。53

例5.2：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN=20kW,Ist/IN=6.5，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN

比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？

解：根据经验公式算出

满足上述关系，故允许直接启动。

可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。

542．电阻或电抗器降压启动

异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图所示。

启动时，接触器1KM断开，KM闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；

待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，Rst被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。55

•

启动转矩随定子电压的平方下降，故它只适用于空载或轻载启动的场合；

•不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。

特点：

563．Y-

降压启动

Y-

降压启动的接线图如图所示:

启动时，定子绕组接成星形；待转速上升到一定程度后再将定子绕组接成三角形，电动机启动过程完成而转入正常运行。

设U1为电源线电压，IstY及Ist

为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流（线电流），Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗。则有所以所以57Y-

降压启动方法的特点：

•

设备简单、经济、启动电流小；

•

启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或轻载启动的场合；•

只适用于正常运行时定子绕组接线为

的异步电动机。584．自耦变压器降压启动

自耦变压器降压启动的原理接线图如图所示。由变压器的工作原理知，此时，副边电压与原边电压之比为

启动时加在电动机定子每相绕组的电压是全压启动时的K倍，因而电流也是全压启动时的K倍，即I2=KIst；而变压器原边电流I1=KI2=K2Ist，即此时电网供电电流I1是直接启动时电流Ist的K2倍。59

特点：

•

与Y-

降压启动时情况一样，只是在Y-

降压启动时的为定值，而自耦变压器启动时的K是可调节的，这就是此种启动方法优于Y-

启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的K2倍。

•

变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，不适于启动频繁的电动机。

•

在启动不太频繁，要求启动转矩较大、容量较大的异步电动机上应用较为广泛。通常把自耦变压器的输出端做成固定抽头，一般有K=80%、65%和50%三种电压，可根据需要进行选择。60五、延边三角形启动延边三角形启动时定子绕组的连接(a)启动时的连接(b)运行时的连接61启动方法启动电压相对值KU=Ust/UN启动电流相对值KI=Ist

′

/Ist启动转矩相对值KT=Tst′/Tst直接（全压）启动111定子电路串电阻或电抗器降压启动0.80.650.50.80.650.50.640.420.25Y−Δ降压启动0.570.330.33自耦变压器降压启动0.80.650.50.640.420.250.640.420.25鼠笼式异步电动机几种常用启动方法的比较62例：有台拖动空气压缩机的鼠笼式异步电动机，PN=40KW，nN=1465r/min，Ist=5.5IN，Tst

=1.6TN，运行条件要求启动转矩必须大于(0.9~1.0)

TN

，电网允许电动机的启动电流不得超过3.5IN

。试问应选用何种启动方法。启动电流的相对值应保证为只有当自耦变压器降压比为0.8时，才可满足KT≥0.56和KI≤0.64的条件。故选用自耦变压器降压启动方法，变压器的降压比为0.8。解：按要求，启动转矩的相对值应保证为63二、线绕式异步电动机的启动方法

鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大，因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。

线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。

在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。1．逐级切除启动电阻法

采用逐级切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。启动过程如图所示：6465

2．频敏变阻器启动法

频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到线绕式异步电动机的转子电路中，优点；电流小、结构简单、无需维修。启动转矩较大。适用于：对调速沒有要求、经常正反转、启动转矩要求不大冶金、化工设备上。n=0，S=1f2=Sf1↑R↑X↑→I↓T↑n=nn

，f2↓R=X≈0相当于转子短路，启动完毕66第五章交流电动机的工原理及特性

5.5三相异步电动机的调速特性只要改变f、P、U、R2就可改变速度675.5.1调压调速离心风机不同负载下可不同的调速范围685.5.2转子串电阻调速695.5.3改变极对数调速(a)串联2p=4(b)并联2p=2改变磁极对数调速的原理705.5.3改变极对数调速2PP2PP71多速电动机的调速性质与连接方式有关：1.由Y→YY，则n0YY＝2n0Y，此时，转矩T维持不变，而功率增加一倍，属恒转矩调速。2.由Δ→

YY，则n0YY＝2n0Δ

，此时，功率P维持不变，而转矩增加一倍，属恒功率调速。由于极对数的改变，不仅使n0、n发生变化，而且三相定子绕组中电流相序也改变，为使变P后仍维持原转向不变，必须在改变极数的同时，改变三相绕组的相序。725.5.4变频调速适用于鼠笼式电动机73

异步电动机和直流电动机一样，亦有三种制动方式：反馈制动、反接制动和能耗制动。

一、反馈制动

由于某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，即

反馈制动时，电机从轴上吸取功率后，一部分转换为转子铜耗，大部分则通过空气隙进入定子，并在供给定子铜耗和铁耗后，反馈给电网。

反馈制动的机械特性是电动状态机械特性是第一象限向第二象限的延伸或第三象限向第四象限的延伸，如图所示。第五章交流电动机的工原理及特性

5.6三相异步电动机的制动特性异步电动机就进入发电状态。

74

1）负载转矩为位能性转矩的起重机械在下放重物时的反馈制动运行状态。

2）电动机在变极调速或变频调速过程中，极对数突然增多或供电频率突然降低，使同步转速n0

突然降低时的反馈制动运行状态。n与T方向相反75

例如，某生产机械采用双速电动机拖动。低速运行时为4极高速运行时为2极如图所示765.6.2反接制动

1.电源反接制动

如果正常运行时异步电动机三相电源的相序突然改变，即电源反接，这就改变了旋转磁场的方向，电动状态下的机械特性曲线就由第一象限的曲线1变成了第三象限的曲线2，如图所示。77n0方向改变T,TL同向a→b→c断电因为反接电流很大，实际串电阻后应a→d→e特点：制动强烈、控制复杂、不准确、能耗大，需反转场合。785.6.2反接制动提升工作在a点下放时串电阻改变机械特性a→b

→

c→

d点。特点：能耗大、电阻大小要适当，起吊机械。2.倒拉制动795.6.3能耗制动

特点：制动效果不如反接制动强度大，制动平稳，准确停车，需直流设备，应用于准确停车当电动机停止后不应再接通直流电源，否则将会烧坏定子绕组780

特点：

1.为小容量的电动机，从几瓦到几百瓦；2.由单相交流电源供电的旋转电机；

3.具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点。

所以单相异步电动机被广泛用于电风扇、洗衣机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。第五章交流电动机的工原理及特性

5.7单相异步电动机81一、单相异步电动机的磁场

单相异步电动机的定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式。

当接入单相交流电源时，它在定、转子气隙中产生一个的脉动磁场。

此磁场在空间并不旋转，只是磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化，即82

在电机系统中，常把磁通大小随时间做正弦变化的磁场称脉动磁场，其磁场曲线

可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场（用磁感应强度B表示），可以分解成两个转速相等而方向相反的旋转磁场和，如图（b）所示，磁感应强度的大小为：

两个旋转磁场的同步转速为：

83

如果仅有一个单相绕组，则在通电前转子原来是静止的，通电后转子仍将静止不动。

84

两个旋转磁场分别作用于鼠笼式转子而产生两个方向相反的转矩。

若此时用手拔动它，转子便顺着拔动方向转动起来，最后达到稳定运行状态。

单相异步电动机没有启动能力，但一经推动后，它却能转动起来。

85

由此可得出结论：

（1）在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，即启动转矩为零；

（2）单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向不固定，完全取决于启动时的旋转方向。

因此，要解决单相异步电动机的应用问题，首先必须解决它的启动转矩问题。86二、单相异步电动机的启动方法

单相异步电动机在启动时若能产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动，下面介绍常见的单相异步电动机。

电容分相式异步电动机

如图所示为电容分相式异步电动机的接线原理图。87

当选择参数使BY绕组中的电流在相位上超前AX绕组中的电流900时，通电后能在定、转子气隙内产生一个旋转磁场

在此旋转磁场作用下，鼠笼转子将跟着旋转磁场一起旋转。

88

若在启动绕组BY支路中，接入一离心开关QC，如图所示。电动机启动后，当转速达到额定值附近时，借离心力的作用，将QC打开，此后电动机就成为单相运行了，此种结构型式的电动机，称为电容分相式电动机。也可不用离心开关，即在运行时并不切断电容支路。89

值得指出，欲使电动机反转，不能像三相异步电动机那样掉换两根电源线来实现，必须以掉换电容器C的串联位置来实现，即改变QB的接通位置，就可改变旋转磁场的方向，从而实现电动机的反转。洗衣机中的电动机，就是靠定时器中的自动转换开关来实现这种切换的。902.罩极式异步电动机罩极铜环罩极铜环注意：罩极电动机的转向不可改变。91第五章交流电动机的工原理及特性

小结

基本要求了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用：

学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法。892第五章交流电动机的工原理及特性

小结重点与难点掌握异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉：掌握异步电动机直接启动和Y-△降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合：掌握异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。

93第五章交流电动机的工原理及特性

小结

难点本章在分析问题时较难理解的是定子旋转磁场与转子运动的相对性和电动机的制动过程94

第六章控制电机控制电机—用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算机装置中的微特电机。分类：测量元件、放大元件、执行元件和校正元件.6.1交流伺服电动机6.2直流伺服电动机6.3力矩电动机6.4小功率同步电动机6.5测速发电机6.6自整角机6.7直线电动机95

交流伺服电动机和直流伺服电动机。伺服电动机分类：

伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。伺服电动机的作用

第六章控制电机96

第六章控制电机

6.1交流伺服电动机交流伺服电动机特点1.调速范围宽广，能在调速范围内连续平滑调速。2.转子的惯性小，即能实现迅速启动、停车。3.控制功率小(100瓦以下)，过载能力强，可靠性好。97

第六章控制电机

6.1交流伺服电动机6.1.1两相交流伺服电动机的结构控制绕组励磁绕组98定子上装有两个绕组—励磁绕组和控制绕组。励磁绕组和控制绕组在空间相隔90

。控制绕组励磁绕组转子

第六章控制电机

6.1交流伺服电动机99励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。接