学习情景3-异步电机

学习情景3异步电机

异步电动机的工作原理1.工作原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF2、转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s

例1：一台三相异步电动机，其额定转速

n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1000r/min,即p=3额定转差率为二、

旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生oo规定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出(

)电流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线(电路如图)AXCZBY0

to3.旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：o

tAXBYCZAXYCBZ

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'04.旋转磁场的转速工频：旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2时0旋转磁场转速n0与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:15

2.异步电机的基本结构及铭牌数据异步电机外形图异步电机结构图

一、异步电机的基本结构1.定子定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。一、异步电机的基本结构定子铁心的槽形主要有三种：半闭口槽适用于小型异步电机，其绕组是用圆导线绕成的。半开口槽适用于低压中型异步电机，其绕组是成型线圈。开口槽适用于高压大中型异步电机，其绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。

一、异步电机的基本结构2.定子定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、流过电流、实现机电能量转换。机座：固定和支撑定子铁心。因此要求有足够的机械强度。一、异步电机的基本结构2.转子转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。20

一、异步电机的基本结构2.转子

笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。Y.Q.Xiong2005-5第5章异步电机21

一、异步电机的基本结构2.转子

绕线型绕组：与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。一、异步电机的基本结构

3.气隙定、转子之间的间隙，也是电机主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小电机主磁路的磁阻，降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.2～1.5mm。二、三相异步电动机铭牌数据1.型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机下列表中列出了各种电动机的系列代号。异步电动机产品名称代号产品名称异步电动机绕线式异步电动机防爆型异步电动机高起动转矩异步电动机新代号汉字意义老代号Y异异绕异爆异起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2联结3.电压例如：380/220V、Y/

是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用

联结。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,

及6000V等多种。4.电流例如：Y/

6.73/11.64A

表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。

5.功率与效率鼠笼电机

=72~93％电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。6.功率因数PN三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9。空载时功率因数很低，只有

0.2~0.3。额定负载时，功率因数最高。7.额定转速电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。P2cos

O如：n

N=1440转/分

sN

=0.048.绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105ºC)，H级最高(180ºC)。机械特性（一）

固有机械特性

固有机械特性

：

异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻(电抗或电容)时的机械特性。4．同步转速点是电动机的理想空载点。此时：n=n1s=0，Tem=0，转子电流I2=0，异步电动机本身不可能达到同步转速点。固有机械特性（一）

固有机械特性

1．起动点A定子电流I1=Ist

=（4～7）IN（IN为额定电流）2．最大转矩点Ps=sm，Tem=Tm

是电动机稳定运行的临界点

3．额定运行点B（二）人为机械特性人为机械特性

：改变U1和f1或定子和转子回路串附加电阻和电抗某一参数(或物理量)时，所得Tem=f（n）或Tem=f（s）的关系曲线。（二）人为机械特性1．降低U1时的人为机械特性电动机长期低压运行，会使电机过热甚至烧坏。（二）人为机械特性2．定子回路串接三相对称阻抗时的人为机械特性

1.串电阻前

2.串电阻后

（二）人为机械特性3．转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性转子回路串接对称电阻适用于绕线式异步电动机的起动和调速。

4．改变电源频率的人为机械特性

调速时介绍1.三相异步电动机的启动I1st很大，其值约为额定电流的4～7倍。尽管启动电流很大，但因功率因数甚低，所以启动转矩Tst较小。

启动时：n=0，s=1引起电网电压明显降低，而且还影响接在

同一电网的其他用电设备的正常运行。

频繁起动，不仅使电动机温度升高，还会

产生过大的电磁冲击，影响电动机的寿命。

过大的起动电流

的危害1.三相异步电动机的起动满足Ist/IN≤3/4+PH*/4PN可允许直接起动一、

笼型异步电动机的起动

（一）直接起动利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电流上，又称全压起动。优点：起动设备和操作都比较简单。缺点：起动电流大、起动转矩小。电源总容量电动机功率（二）降压起动1．定子电路串接电阻起动

调节电阻Rst的大小可以将起动电流限制在允许的范围内。采用定子串电阻降压起动时，虽然降低了起动电流，但也使起动转矩大大减小。

U1/U/1=I1st/I/1st=Ku>1则T/st=T/st/K2u显然起动转矩大大减小只适用于空载和轻载起动

（二）降压起动2．星-三角降压起动结论:I/st=Ist/3T/st=Tst/3（二）降压起动2．星-三角降压起动说明:高电压电动机引出六个出线端子有困难，故星-三角起动一般仅用于500V以下的低压电动机，且又限于正常运行时定子绕组作三角联结。星—三角降压起动的优点:起动设备简单，成本低，运行比较可靠，维护方便。（二）降压起动3．自耦变压器降压起动

结论:I/2st/I1st=U2/U1=1/Ku

I/2st=KuI/1stI/1st/I1st=1/K2u

T/st/Tst=1/K2u（二）降压起动3．自耦变压器降压起动

说明:自耦变压器的二次侧上备有几个不同的电压抽头，以供用户选择电压。例如，QJ3型有三个抽头，分别为40%、60%、80%。Ku=2.5、1.67、1.25。适合于星形连接带负载起动的电机。说明:自耦变压器的体积大、重量重，价格较高，维修麻烦，且不允许频繁移动。自耦变压器容量的选取，一般等于电动机的容量。（二）降压起动3．自耦变压器降压起动

二、

绕线型转子异步电动机的起动（一）转子电路串接起动电阻器使起动电流减小，起动转矩增大。如使转子回路的总电阻R2与电动机漏感抗X20相等，则起动转矩可达到最大值。

起动过程（一）转子电路串接起动电阻器特点：

减小起动电流，增大起动转矩。可以在小范围内进行调速。结构比笼型异步电动机复杂，造价高，效率也稍低。在起动过程中，当切除电阻时，转矩

突然增大，会在机械部件上产生冲

击。电动机容量较大时，转子电流很大，

起动设备也将变的庞大，操作和维

护工作量大（一）转子电路串接起动电阻器特点：

（二）绕线转子电动机转子串接频敏变阻器频敏变阻器结构图

E形钢板或铁板迭装

30～50mm等效电阻随频率增大而增大。等效电阻刚起动时，最大，起动完毕，很小。（二）绕线转子电动机转子串接频敏变阻器特点：

频敏变阻器在工作时总存在着一定的阻

抗，使得机械特性比固有机械特性软一

些，因此，在起动完毕后，可用接触器将频敏变阻器短接，使电动机在固有特性上

运行

频敏变阻器是一种静止的无触点变阻器，它具有结构简单、起动平滑、运行可靠、

成本低廉、维护方便等优点。

2.异步电动机的调速可得三相异步电动机调速方法：

改变电机极对数

改变电源频率改变转差率一、变极调速电源频率恒定改变磁场极对数p同步转速n1改变。转子转速n改变只适用于笼型电动机，因为笼型转子绕组的极对数是感应产生的，随定子磁场极对数改变而自动改变，使两磁场极对数保持一致，从而形成有效的平均电磁转矩。原

理：改变绕组连接

改变电流方向

改变极对数

2P=42P=2一、变极调速二、

变频调速U1≈E1=4.44f1N1kw1Φ0

单一地调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化

。两种结果：1.铁心严重饱和

2.电机得不到充分利用∴要求在调节f1的同时，改变定子电压U1，以维持磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变

。电力电子技术的发展，使变频调速得到了广泛的应用。（一）从基频向下调的变频调速，

保持U1/f1=恒值，即恒转矩调速应设法保证Φ0不变。若保持U1/f1=恒值，电动机最大电磁转矩Tm在基频附近可视为恒值，在频率更低时，随着频率f1下调，最大转矩Tm将变小。

（二）从基频向上调的变频调速电动机端电压不允许升高，因此f升高时，其U应保持不变。则f1增加，磁通降低，属减弱磁场调速类型。运行段近似是平行的，此调速方式，可近似认为是恒功率调速类型。

异步电动机变频调速控制特性1-不带定子电压

补偿；2-带定子电压补偿如果f1是连续可调的，则变频调速是无级调速。（一）改变电压U1调速三、改变转差率调速方法：

改变电源电压.改变转子回路电阻.电磁转差离合器等

Tm∝

如图：负载TL不变，电压降低时，运行点将从A转至B。B电阻越大，曲线越偏向下方。T2一定时，电阻越大，转速越低。这种调速方法损耗较大，调整范围有限，主要应用于小型电动机调速中。（二）改变转子电阻调速（三）电磁转差离合器调节电磁离合器的组成

感应子上的励磁线圈没有电流通过时，即使主动轴旋转，从动轴也不动，相当于离合器脱开。

通入励磁电流以后，感应子连同负载按与电枢相同方向旋转。

电磁转差离合器的调速系统

3.三相异步电动机的制动电动状态

:电磁转矩Tem与转速n方向相同电机运行于机械特性的一、三象限

Tem与转速n的方向相反电机运行于机械特性的二、四象限快速减速或停车和匀速下放重物

制动运行状态:一、能耗制动断开交流接通直流在惯性作用下旋转，根据左手定则，转子导体受力，产生制动力矩。转速为零，转矩为零，易于实现准确停车改变电阻，改变制动转矩.改变直流电流，改变制动转矩.二、反接制动（一）倒拉反接制动

Tst<TL，在重物G的作用下，迫使电机反T的方向旋转，并在重物下放的方向加速。其转差率s为：s=

随|-n|的增加，s、I2及Tem都增大，直到满足T=TL

转速反向反接制动适用于低速匀速下放重物

二、反接制动（二）定子两相反接的反接制动

带反抗性负载时，电动机将进入第四象限。调换相序，n1反向1

n

n

n

n

n

n

s

1

1

1

>

+

=

-

-

-

=

E2、sE2、I2及Tem都与电动状态时相反，即电机转矩变负，产生制动作用。转速降至0后，若不切除电源，电机将反向起动运行于第三象限。（二）定子两相反接的反接制动

两相反接制动的优点：

制动效果好

缺点：能耗大，制动准确度差

要停车时，还须及时切除电源

这种制动适用于要求迅速停车或迅速反转的生产机械。三、回馈制动异步电动机由轴上输入(即吸收)机械功率。为了避免因转速高而损坏电机，在回馈制动时，转子回路中不串电阻

。常用于高速且要求匀速下放重物的场合。

1.单相异步电动机特点：接单相交流电源运行其结构简单、成本低廉功率从几瓦到几百瓦效率和功率因数比三相异步电动机稍低

应用

：广泛应用于家用电器、电动工具、医疗器械等方面，一、单相异步电动机的工作原理（一）运行绕组单独通电时的机械特性脉振磁势

脉振磁动势F可以分解为两个转向相反、转速相同、幅值相等的旋转磁动势F+和F-t1时（一）运行绕组单独通电时的机械特性脉振磁动势对应的转矩Tem为F+和F-对应的T+和T-的叠加。

F+对应的T+F_对应的T_合成转矩T一、单相异步电动机的工作原理（一）运行绕组单独通电时的机械特性特点：启动时，正负转矩大小相等，方向相反，合成转矩为零。即单相异步电动机不能自行启动在S=1的两边，合成转矩是对称于原点的曲线，因此单相异步电动机没有固定的转向，用某一启动措施，使启动时转子得到某一方向的启动转矩，转子即按该方向旋转。单相异步电动机如果只有运行绕组，可以运行但不能自行起动。

一、单相异步电动机的工作原理（二）

两相绕组通电时的机械特性在电机内部布置两套绕组称之为主绕组和副绕组，这两套绕组在空间相差90°电角度；流过的电流相差90°相位。对其产生的磁势进行分析：主绕组磁势FA轴线方向

辅绕组磁势FB轴线方向tiFB

FA

t1

t2

t3

t4

FA-

FA+

FB+FB-

F合成

FA-FA+FB+FB-F合成

FA-

FA+

FB+FB-

F合成

FA-

FA+

FB-

FB+F合成

t1时刻t2时刻t3时刻t4时刻结论：

合成磁势幅值不变，其位置随时间按角度而变。即为一圆形旋转磁势。起动转矩大于

0旋转磁场是从电流超前相转向滞后相；转子也从电流超前相转向滞后

相。调换主绕组或辅绕组的头

尾磁场特点：电机旋转方向：改变电机转向：

椭圆旋转磁动势时的机械特性

如果两套绕组流过的电流相位相差不为900