1、Electric Motor,第6章 电动机,电工与电子技术,电机概述,6.1,6.2,三相异步电动机的基本结构,6.3,三相异步电动机的工作原理,6.4,三相异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机的机械特性,6.5,三相异步电动机的起动,6.6,1了解三相异步电动机的构造与转动原理，理解旋转磁场的特性。 2了解定子电路和转子电路中的电压、电流关系。 3重点掌握电动机电磁转矩和机械特性。 4了解异步电动机的起动、调速、反转、制动原理和方法。 5理解异步电动机的铭牌数据。 6了解单相异步电动机构造与工作原理。,案例6.1 异步电动机应用极为广泛。例如，在工业方面：中小型轧钢设备、各种金属切削机床、
2、轻工机械、矿山机械、通风机、压缩机等；在农业方面：水泵、脱粒机、粉碎机及其他农副产品加工机械等都是用异步电动来拖动的。此外，与人民日常生活密切相关的电扇、洗衣机等设备中都用到异步电动机。,电机(electric machine)是实现能量转换或信号转换的电磁装置。 电能 机械能,种类： (1) 动力电机： 直流电机和交流电机,他励电机 并励电机 串励电机 复励电机,异步电机 同步电机,(2) 控制电机伺服电动机：电压信号转化为角位移或角速度；测速发电机(electirc generator)：将转速转化为电压信号；自 整 角 机： 实现角度的传输、变换和接受；步进电动机：电脉冲信号转化为转角或
3、转速；旋转变压器：转角信号变换成电压信号；感应同步器：转角位移或直线位移转换成电压信号。,种类：,三相异步电动机(three-phase asynchronous motor)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。,电动机的外形,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。,基座,铁心,定子绕组,端盖,一. 定子,接线柱的连接,星形联结,三角形联结,一. 定子,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,绕线型转子,转子铁心,转轴,二. 转子,1. 二极旋转磁场,旋转磁场由三相电流通过三相对称绕组产生。,对称：,三相对称负载,空
4、间对称分布,旋转磁场是三相异步电动机工作的基础。,电机是利用电与磁的相互转化和相互作用制成的。,一. 旋转磁场(revolving magnetic field),三相 (多相) 绕组中流过三相 (多相) 电流。,U1 U2 通入 iU V1 V2 通入 iV W1 W2 通入 iW,一. 旋转磁场,1. 二极旋转磁场,t = 0,N,S,i1=0，U1，U2端电流为零,t = 0,一. 旋转磁场,1. 二极旋转磁场,i3为正，W1端流入，W2端流出,i2为负，V1端流出，V2端流入,t = 90,N,S,t = 90,i1为正，U1端流入，U2端流出 i2为负，V1端流出，V2端流入 i3为
5、负，W1端流出，W2端流入,一. 旋转磁场,1. 二极旋转磁场,2. 四极旋转磁场,t=0 i1=0，U1,U2,U3,U4端电流为零 i2为负,V1,V3端流出,V2,V4端流入 i3为正,W1, W3端流入,W2, W4端流出,一. 旋转磁场,t=90 i1为正,U1, U3端流入,U2, U3端流出 i2为负,V1,V3端流出,V2,V4端流入 i3为负,W1, W3端流出,W2, W4端流入,一. 旋转磁场,2. 四极旋转磁场,一. 旋转磁场,3. 旋转磁场的转速,在t=0到90期间，两极旋转磁场旋转了90，而四极旋转磁场旋转了45。磁场的磁极数（极对数p）越多，旋转磁场的转速n0 （
6、称为同步转速:synchronous speed）越低。规律是：,f 1= 50 Hz 时,不同极对数（p）时的同步转速n0如下:,其中， f 1为定子电流的频率,一. 旋转磁场,3. 旋转磁场的转速,旋转方向：取决于三相电流的相序。,4. 旋转磁场的转向,旋转磁场是沿着：,U1,V1,W1,i1U1， i2V1， i3W1,一. 旋转磁场,旋转磁场是沿着：,U1,W1,V1,i1U1， i2W1， i3V1,任意对调两根电源进线，磁场反转。,一. 旋转磁场,4. 旋转磁场的转向,对称三相绕组 通入对称三相电流,旋转磁场 (磁场能量),磁场切割 转子绕组,转子绕组中 产生 e 和 i,转子绕组
7、在磁场中 受到电磁力的作用,转子旋转起来,机械负载 旋转起来,三相交流电能,输出机械能量,二. 工作原理,1. 电磁转矩(electromagnetic torque)的产生,右手定则,左手定则,二. 工作原理,转子绕组（铜条）切割旋转磁场产生感应电流 用右手定则判断电流的方向,电流在磁场中受力 用左手定则判断力的方向,工作原理示意图,2. 转子转速n 小于磁场同步转速 n0,n n0,称异步电动机,二. 工作原理,1. 电磁转矩的产生,异步电动机起动时: n = 0， s = 1 在接近同步转速n0时: n n0 ， s0,3.电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：, n 与 n0 方向一致。
8、 n n0，,转差率 (slip):,起动 (堵转) 时: n = 0，s = 1 理想空载时: n = n0，s = 0 正常工作时: 0 s 1,故称异步电动机或感应电动机,二. 工作原理,起动时：n = 0, n = n0 转子电磁感应最强转子电路电量的频率： f2 = f1当n n 转子电路电流的频率 f2 （ f1） 稳定运行时： n = n0n 很小, 转子电路频率的变化：,f2 = f1 很小,4. 转子电流的频率,二. 工作原理,例6.2.1：一台三相异步电动机，其额定转速 nN =975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,
9、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=1000 r/min , 即p=3,额定转差率为,例题,5. 电磁转矩的方向,转子旋转的方向与旋转磁场的转向相同。,电磁转矩的方向与旋转磁场的转向一致。,任意对调两根电源进线，电动机反转。,二. 工作原理,与电动机结构有关的参数 转子电流 转子电路的功率因数 定子绕组的相电压 电动机起动（n=0）时转子的电抗,1. 电磁转矩：公式,三. 电磁转矩,若负载变化，转矩平衡被打破，转子切割旋转磁场的速度变化，转子电路的感应电动势变化，转子电流变化，转矩变化，达到新的平衡。,2. 空载转矩,由风阻的轴承摩擦等形成的阻转矩,3. 电动机的输出转矩
10、,4. 负载转矩 ：生产机械的阻转矩,5. 转矩平衡,忽略空载转矩 时,三. 电磁转矩,转轴上输出的转矩为: T2 = T T0,电动机稳定运行，即匀速转动: T2 = T L,转矩平衡: T = T L + T0,T T L T2,若TL, TTL, n, (n0 n) , 切割加快, E2 , I2 , F , T , 至T = TL, 以较原转速低的n 重新匀速转动,三. 电磁转矩,5. 转矩平衡,1. 电动机（轴上）输出的机械功率P2,2. 电动机的输入功率P1,是电动机的规律因数，就是每相定子绕组的功率因数,3. 电动机的功率损耗P,包括铜损耗PCu、铁损耗PFe和机械损耗PMe,4
11、. 电动机的效率,四. 功率关系,例6.2.2：某三相异步电动机，极对数 p = 2，定子绕 组三角形联结，接于 50 Hz、380 V 的三相电源上工作，当 负载转矩 TL= 91 Nm 时，测得 I1L = 30 A，P1= 16 kW，n =1 470 r/min，求该电动机带此负载运行时的 s 、P2 、 和。,= 87.5%,解：,例题,三相异步电动机 型 号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,1.型号Y异步电动机，YR绕线式异步电动机，YB防爆型异步电动机
12、。 Y132S6,机座长度代码：S短机座，M中机座，L长机座,三相异步电动机,机座中心高度(132mm),磁极数(6),机座长度代码（短机座）,2. 额定功率 PN：额定状态下轴上输出机械功率P2 3. 额定电压 UN ：额定状态下定子绕组上的线电压UL 4. 额定电流 IN ：额定状态下定子绕组上的线流IL电动机的额定电压和额定电流与定子三相绕组的接法有关， 有些电动机有星形和三角形两种接法。 例某三相异步电动机铭牌上表示为：380V/660V，/Y,2/1.15A 。,三相异步电动机 型 号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结
13、Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,5. 额定频率fN： 额定状态下，定子绕组所加交流电压的频率 6. 额定转速nN ： 额定状态下，转子的转速接近于同步转速n0 7. 额定转差率sN ：额定状态下，转子的转差率接近于零 sN =0.010.09 8.额定功率因数 额定状态下，定子每相绕组的功率因数 N ： cos N,三相异步电动机 型 号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,9. 绝缘等级：电动机的绝缘等级如下表所示,三相异步电动机 型
14、号 Y132S6 功 率 3 kW 频 率 50Hz 电 压 380 V 电 流 7.2 A 联 结 Y 转 速 960r/min 功率因数 0.76 绝缘等级 B,例6.4.1：Y180M-2型三相异步电动机，PN = 22kW， UN =380V，三角形联结， IN =42.2A，N = 0.89， fN =50HZ， nN = 2 940r/min。 求额定状态下运行时的: (1)转差率；(2)定子绕组的相电流； (3)输入有功功率；(4)效率。,例题,解：,(1) (2) (3) (4),固有特性(intrinsic characteristic):在额定电压、额定频率，转子电路 不外
15、串电阻或电抗时的 T = f (s) 和 n = f (T),人为特性(artificial characteristic):在改变电压、频率及转子电路参数时的T = f (s) 和 n = f (T),n = f (T),T = f (s),转矩特性(torque characteristic): 异步机的 T 与 s 之间的关系,机械特性(mechanical characteristic): 异步机 n 与T 之间的关系,概念,转 机 矩 械 特 特 性 性,N,M,N,M,S,S,转矩特性,返 回,转矩与转差率之间的关系：,机械特性,1.额定状态,额定转速(rated speed)nN
16、接近于同步转速n0 额定转差率(rated slip)sN接近于零，sN =0.010.09 额定转矩(rated torque)的计算公式：,三相异步电动机的机械特性具有硬特性 (hard characteristic)，负载变化时转速变化不大。,转矩的平衡过程：电动机在运行过程中若负载增大，TLT，则转子转速降低，转子切割旋转磁场的速度增大，转子电流增大，转子转矩增大，达到与负载转矩的平衡。,N,M,N,M,S,S,一. 固有特性,转矩特性,返 回,转矩与转差率之间的关系：,机械特性,2.临界状态（最大转矩maximum torque状态）,临界转差率(critical slip)sM可由
17、转矩公式对转差率s求导数得到,导数=0。 将sM代入转矩公式就能求得最大转矩TM,三相异步电动机可以短时过载运行，过载时TN TM ,这时转子不转动，转子电流很大，时间一长，会烧坏电机。 过载系数KM,通常为22.2。,S,S,N,M,N,M,一. 固有特性,返 回,3.起动状态,起动转矩(starting torque)必须 大于负载转矩，TSTL 起动转矩与额定转矩的比值Ks一般为1.62.2 起动电流(starting current)与额定电流的比值Kc一般为5.57在转矩公式中，当s=1时，就能求得起动转矩的计算公式：,一. 固有特性,转矩与转差率之间的关系：,转矩特性,机械特性,S
18、,S,N,M,N,M,返 回,解： (1)(2)(3),例题,例6.5.1：某三相异步电动机，额定功率PN=45kW，额定转速nN=2 970r/min，KM=2.2， KS=2.0。若TL=200N.m。 试问能否带此负载: (1)长期运行；(2)短时运行；(3)直接起动。,由于TN TL ，故不能带此负载长期运行。,由于TM TL ，故可以带负载短时运行。,由于TSTL ，故可以带负载直接起动。,1. 降低定子电压U1时的人为特性,转矩特性,机械特性,由最大转矩的计算公式和起动转矩的计算公式，降低定子电压U1时，三相异步电动机的最大转矩TM和起动转矩TS都要减小。,二. 人为特性,2. 增
19、加转子电阻R2时的人为特性,机械特性,转子电阻R2增加时，最大转矩TM不变 转子电阻R2增加时，临界sM增大 转子电阻R2增加时，起动转矩TS随之变化。,转矩特性,二. 人为特性,异步机的起动特性：起动电流大: IS = KC IN =（57）IN起动转矩小: TS = KSTN =（1.62.2）TN,影响：频繁起动时造成热量积累,易使电动机过热。大电流使电网电压降低，影响其它负载工作。,良好的起动(startion)性能:起动电流小起动转矩大,1. 直接起动（全压起动）(a) 小容量的电动机（二三十千瓦以下）；(b) 电源容量足够大时。 2. 减压起动(a) Y- 减压起动：适用于：正常运
20、行为联结的电动机。,起 动 时,运 行 时,鼠笼式异步电机的起动,设：定子每相阻抗为 Z，, Y接起动的起动转矩：, Y接起动的起动电流：,：电源电压,2. 减压起动,定子线电压比,定子相电压比,起动电流比,起动转矩比,电源电流比,Y形起动与形起动时起动电流和起动转矩比较,定子相电流比,2. 减压起动, Y- 减压起动的特点： (1) 电源电压不变，定子绕组接法改变；(2) 降压比为 。,2. 减压起动,(b) 自耦变压器减压起动,降压比,定子线电压比,定子相电压比,定子相电流比,起动电流比,电源电流比,起动转矩比,2. 减压起动,1),解:,例6.6.1：一台Y225M-4型的三相异步电动机
21、，定子绕组型联结，其额定数据为：PN=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88， KC = 7.0, Ks = 1.9，KM = 2.2 求：1) 额定电流IN? 2) 额定转差率sN? 3) 额定转矩TN 、最大转矩TM 和起动转矩TS 。,例题,2）由nN=1480r/min，可知 p=2 （四极电动机）,3）,例题,解：,例6.6.2：在上例中(1)如果负载转矩为 510.2Nm , 试问在U=UN 和U =0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y- 换接起动时，求起动电流和起动转矩。 （3） 当负载转矩为额定转矩的80%和50%时，
22、电动机能否Y- 换接起动？,(1) 在U=UN时TS = 551.8Nm 510.2 N. m,不能起动,(2) IS =KCIN=784.2=589.4 A,在U= 0.9UN 时,能起动,例题,在80%额定负载时,在50%额定负载时,可以起动,(3),不能起动,例题,例6.6.2：一台 Y250M-6 型三相笼型异步电动机，UN380 V，三角形联结，PN = 37 kW，nN = 985 r/min，IN = 72 A，KS = 1.8，KC = 6.5。已知电动机起动时的负载转矩TL = 250 Nm，从电源取用的电流不得超过360 A，试问：(1) 能否直接起动？(2) 能否采用星形
23、三角形起动？(3) 能否采用 KA = 0.8 的自耦变压器起动？,解 (1) 电动机的额定转矩,直接起动时的起动转矩和起动电流,由于I= IS 360 A，所以不能直接起动。,TS = KSTN = 1.8359 Nm = 646 Nm,IS = KCIN = 6.572 A = 468 A,例题,(2) 星形三角形起动时的起动转矩和起动电流,由于 TSY TL，所以不能采用星形三角形起动。,(3) 采用自耦变压器起动转矩和从电源取用的电流,由于 TSa TL， IS 360 A，所以可以采用自耦变压器起动。,例题,习题,6.2.3 6.2.4 6.4.3 6.5.2 6.5.4 6.6.1,
