1、7.1 三相异步电动机的构造,7.2 三相异步电动机的转动原理,7.3 三相异步电动机的电路分析,7.4 三相异步电动机转矩与机械特性,7.5 三相异步电动机的起动,7.6 三相异步电动机的调速,7.7 三相异步电动机的制动,7.8 三相异步电动机铭牌数据,7.9 三相异步电动机的选择,7.11 单相异步电动机,7.10 同步电动机(自学),第七章 交流电动机,7.12 直线异步电动机(自学),异步交流电动机授课内容：基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法、正确使用,电动机的分类：,定子铁芯及定子绕组,定子,转子,转子铁芯及转子绕组,接线盒,机壳及底座,7.1 三相异步电动机的构造,定子铁芯
2、与定子绕组,定子铁芯：,定子三相绕组：,匝数相同,空间排列互差1200,由内周有槽的硅钢片叠成。（作为导磁路经）,定子绕组,首端,末端,2.转子,转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。,(2) 绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,转子绕组：,鼠笼式转子,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,7.2 三相异步电动机的转动原理,转动原理：,一对磁极,形成旋转磁场,在空间旋转，,放入闭合线圈，由轴承架起,线圈导体切割磁力线，感生电
3、动势 e (右手定则）,感生电动势 e 在线圈中驱动电流 i,电流 i 在磁场中受力 f产生转距，使线圈转动,转动的必要条件：,空间旋转磁场,可转动闭合线圈,定子三相对称绕组， (星形联接)加三相电压，通入三相交流电流。,1.旋转磁场的产生,7. 2. 1 旋转磁场,i 0: 首端流入，尾端流出。,规定,i 0: 尾端流入，首端流出。,()电流出,()电流入,t=0时刻：,iC为正，从C端流入，从Z端流出,iB为负，从Y端流入，从B端流出,iA0, iB0, iC0,iA0, iB0, iC=0,iA=0, iB0,三相电流产生旋转磁场,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,动
4、画,结论：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360,2.旋转磁场的旋转方向,从上图可以看出，从通入iA的绕组转向通入iB的绕组再转向通入iC的绕组,任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。,3.旋转磁场的极对数P,当定子每相一个绕组时：,产生一对磁极的旋转磁场,若定子每相绕组由两个线圈串联,形成两对磁极的旋转磁场,。,绕组的分布如图：,iA=0, iB0,同理：若定子每相绕组由 n 个线圈串联,则: 形成 n 对磁极的旋转磁场。,P = 2,P = n,4.旋转磁场的转速,p=1时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一圈,电流每秒变化 f
5、1周期, 工频： f1 =50HZ,同步转速：,p=2时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转半圈,同步转速：,p=p时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转1/n圈,同步转速：,旋转磁场的转速称为同步转速，记为 n0,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,7. 2. 2 电动机的转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,结论： 转子的转动方向与磁场旋转的方向一致 转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速n n0 ( 故称为异步电动机） （若n=n0则：转子导体不切割旋转磁场、无电流、无转距 n) 改变旋转磁场的转向就可改变电动机的转向
6、,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1：三相异步电动机，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：,由nN=975 r/min可知：n0=1000 r/min , 即,p=3,额定转差率为,7. 2. 3 转差率,7.3 三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,定子相当于变压器一次，转子相当于变压器二次。,可画出等效电路（三相对称，化为一相计算）,定子绕组电阻 R1 ,漏感 L1 ，,主磁通在定子感生电势 e1,转子绕组电阻 R2 ,漏感 L2,主磁通在转子感生电势 e2
7、,定子电路：,转子电路：,7. 3. 1 定子电路,旋转磁场在空间按正弦分布，切割定子和转子绕组，感生电动势 均为正弦量,相量式：,为每极磁通，也等于正弦磁通的最大值,N1为定子绕组的匝数, 旋转磁场的磁通,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，, 定子感应电势的频率 f1,f 1= 电源频率 f,定子感应电势的频率,每切割过一对磁极，电动势变化一周，,每分钟割过 pn0 对磁极, 所以:,7. 3. 2 转子电路,相量式：,f2为转子电量的频率, 定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,旋转磁场与转子导体间的相对速度为 n2 = n0n ，,每切割过一对磁极，电动势
8、变化一周，,每分钟割过 p(n0-n) 对磁极, 所以:,转子感应电势频率,只有n=0时，f1 = f2 ，与变压器情况相同,1. 转子感应电势频率 f 2,2. 转子感应电动势E 2,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时， f 2= f1最高，则 E2 最大，记为E20,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时 的感应电势,即E2= s E20,转子转动时 的感应电势,3. 转子感抗X 2,当转速 n = 0(s =1)时， f 2最高，则 X2 最大，记为X20,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,4. 转子电流 I2,5. 转
9、子电路的功率因数 cos2,由：,I2、cos2 随 S 变化曲线,结论：转子转动时，转 子电路中的各量均与转差率 s有关，即与转速n有关。,7.4 三相异步电动机转矩与机械特性,7. 4. 1 转矩公式,转子中载流导体在磁场中受力而产生电磁转矩。,常数，与电 机结构有关,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路的 功率因数,电磁转矩是由电磁功率转换而来，而电磁功率与功率因数成正比。,故：,电磁转矩公式：,将,代入上式,由：,整理，并将常数项合并为 K , 得：,由公式可知,电磁转矩公式,1. T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T ,2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3
10、. R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。,根据转矩公式,得特性曲线：,7. 4. 2 机械特性曲线,电动机在额定负载时的转矩。,1、额定转矩TN与额定功率PN,三个重要转矩讨论,额定转矩,(N m),电动机的额定功率PN为电机轴输出的额定机械功率。,电动机的机械转距与机械功率的关系。,转动角速度,电动机的电磁转距T与输出机械转距T2的关系。,（T0为空载损耗转距）,如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为,2.最大转矩 Tmax,注意：转子轴上机械负载转矩T2 不能大
11、于Tmax ，否则将造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,代入转矩公式，可得:,过载系数(能力),电机严重过热而烧坏。,一般三相异步电动机的过载系数为,3. 起动转矩 Tst,电动机起动时(n=0或s=1)的转矩。,Tst体现了电动机带载起动的能力。,起动能力可用系数Kst描述,起动时s=1,若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,讨论: U1 和 R2变化对机械特性的影响：,(1) U1对机械特性的影响,当U1变化时： Tm变化，Tst变化, Sm不变,当U1时：若负载 T2不变，,则：Sn,(2) R2变化对机械特性的影响,若 R2变化：Sm变化, Tm不变,当 R
12、2时：Sm，Tst,负载T2一定时：,若 R2Sn,绕线式电机改变转子附加电阻R2 可实现调速。,对绕线式电机改变转子附加电阻 R2 , 可增大Tst，最大可使Tst =Tmax 。,4. 电动机的运行分析,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好，适于金属切削。,软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好，适于重载启动。,稳定工作区：,此过程中， n sE2 I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,T2 T,T =T2,n (s),设负载转距为T2，转速为n，电机运行与a点（T=T2),若负载转距变化时,T,达到新的平衡，电机运行与b点,7.5 三相异步电动机的起动,7
13、. 5. 1 起动性能,一般中小型鼠笼电动机的 IstIN= 5 7 (指线电流）,影响：,起动： n = 0，s =1, 接通电源。,起动时 ，n = 0，转子导体相对与旋转磁场的速度为n0,E2大,I2大,起动电流 I1大（记为Ist),1、起动电流,切割速度最大,一般电动机的 Tst TN= (1.02.2) 。,2、起动转矩,起动时 ，I2大，但cos2小,所以起动转矩并不大。,指电动机起动时定子的线电流，记为 Ist 。,7.5.2 起动方法,(1) 直接起动,(2) 降压起动：,星形-三角形(Y ) 换接降压起动,自耦降压起动,（适用于鼠笼式电动机）,(3) 转子串电阻起动,（适用
14、于绕线式电动机）,二、三十千瓦以下的异步电动机可采用直接起动。,将异步电动机直接接到额定电压电源上启动。,起动时，将异步电动机接到低于额定电压电源上。,设：电机每相阻抗为,1. 降压起动,(1) Y 换接起动,降压起动时的电流 为直接起动时的,Y 起动器接线简图,静触点,Y 起动器接线简图,Y起动,Y 起动器接线简图, 工作,(a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y- 换接起动应注意的问题,(2) 自耦降压起动,L1,L3,L2,FU,Q,Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。,Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动
15、适合于容量较大的或正常运行时 联成 Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,设自耦变压器的变比为 k,降压后起动转距Tst为,分析：,启动电流：,启动转距：,若降压启动,直接启动,折算到变压器原方,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst ,转子电路串电阻起动的特点,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机 正转,电动机 反转,三相异步电动机的正、反转,7.6.1 变频调速,变
16、频调速方法:,f1f1N时，应采用恒转距调速：保持f1U1不变,f1f1N时，应采用恒功率调速：保持U1 U1N,频率调节范围：0.5几百赫兹,7.6 三相异步电动机的调速,(可实现无级调速),通过改变旋转磁场级对数 p 实现调速,P=2,7.6.2 变极调速 (有级调速),改变级对数的方法：改变绕组的接法,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机,变级后，n0增加一倍，转速约增加一倍,缺点:,绕线式电动机转子串联电阻,7.6.3 变转差率调速,优点:,调速平滑、设备简单投资少，,能耗较大。,7.7 三相异步电动机的制动,7.7.1 能耗制动,电气制动:,电磁转距与转向相反,在断开三相电源
17、的同时，给电动机其中两相 绕组通入直流电流。,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，旋转磁场反向。,7.7.2 反接制动,转子接近停止转动时，应迅速切断电源。,注意：,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。,7.7.3 发电反馈制动,电动机进入发电状态，将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,n n0,7.8 铭牌数据、技术数据及计算举例,1. 型号,例如： Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表7.8.1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,2. 接法,接线盒,定子
18、三相绕组的联接方法。通常,Y 联结, 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 / 11.64 A 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
19、流均为 6.73A。,5. 功率与效率,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,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。,如： n N =1440 转/分sN = 0.04,8. 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(
20、105C)，H级最高(180C)。,一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88， Ist / IN=7.0, Tst / TN=1.9，Tmax / TN=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Tmax 、和起动转矩TN 。,例7.5.1:,1) 求 额定电流 IN,解:,输入电功率：,效率： N = P2NP1N,得：,由nN=1480r/min，可知 p=2 （四极电动机）,2）求额定转差率 sN,3）求额定转
21、矩 TN 、最大转矩Tmax 、和起动转矩TN,例7.5.2:,在上例中 ：如果负载转矩为 510.2Nm,在U=UN时，Tst = 551.8Nm 510.2 N. m,不能起动,Ist =7IN=784.2=589.4 A,能起动,(1) 试问：,在U=UN时，电动机能否起动？,试问：,在U= 0.9UN 时，电动机能否起动？,(2)试问：,采用Y- 换接起动时，求起动电流和起动转矩,解：,解：,解：,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3)试问：,采用Y- 换接起动，当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,解：,上例中，若电动机采用自耦变压器降
22、压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流Ist和电动机的起动转矩Tst。,解：,变压器的变比为 k = UN / 0.64 UN = 1 / 0.64,例7.5.3:,已知起动电流 Ist7IN589.4 A,单相异步电动机使用单相交流电源，主要应用于电动工具、洗衣机、冰箱、空调、电扇等小功率电器中。,定子,定子 绕组,转子,7.11 单相异步电动机,单相异步电动机的定子中放置单相工作绕组,转子一般用鼠笼式。,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，,7.11.1 电容分相式异步电动机,一个是工作绕组 AA，另一个是起动绕组 BB ,两个绕组在空间相隔90
23、。,起动时， BB 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90，即可获得所需的旋转磁场。,设两相电流为,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,两相旋转磁场,动画,实现正反转的电路,改变电容C的串联位置，可使 单相异步电动机反转。,将开关S合在位置1，电容C与 B绕组串联，电流 iB较iA超前近 90；当将S切换到位置2，电容 C与A绕组串联，电流iA 较iB 超 前近90。这样就改变了旋转磁 场的转向，从而实现电动机的 反转。,电动机转子转动起来后，利用 离心力将开关S断开(S是离心开 关)，使起动绕组BB断电。,M,7.11.2 罩极式单相异步电机,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(
24、极靴),当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁 通1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用 生成了磁通2 。由于短路环中感应电流的阻碍 作用，使得2在相位上滞后1 ，从而在电动机 定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。,罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向 不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相 式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变， 故常用于洗衣机等电器中。,本章结束,下一章,总目录,结束放映,7.9.1 功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,1. 对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2. 对
25、于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,7.9 三相异步电动机的选择,7.9.2 种类和型式的选择,1. 种类的选择,一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。 只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场 合才选用绕线式电动机。,2. 结构型式的选择,根据工作环境的条件选择不同的结构型式， 如开启式、防护式、封闭式电动机。,7.9.3 电压和转速的选择,根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。,Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个 等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。,单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调
26、、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式。定子绕组中通入单相交流电后, 形成脉动磁场，若不采取措施，将无法获得所需的起动转矩。,定子,定子 绕组,转子,7.11.1 单相异步电动机的工作原理,7.11 单相异步电动机,定子绕组产生的脉动磁场，可用正、反两个 旋转磁场合成来等效。即,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,(正向),(反向),鼠笼式转子 导条及电流,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据 右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、 右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,A,A,为了获得所需的起动转矩，单相异步电动 机的定子进行
27、了特殊设计。常用的单相异步电 动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电 动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不 同。,8.11.2 电容分相式异步电动机,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个 绕组，一个是工作绕组 AA，另一个是起动绕 组 BB ,两个绕组在空间相隔90。起动时， B B 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相 差近90，即可获得所需的旋转磁场。,设两相电流为,两相电流,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,两相旋转磁场,动画,实现正反转的电路,改变电容C的串联位置，可使 单相异步电动机反转。,将开关S合在位置1，电容C与 B绕组串联，电流 iB较iA超前近 90；当将S
28、切换到位置2，电容 C与A绕组串联，电流iA 较iB 超 前近90。这样就改变了旋转磁 场的转向，从而实现电动机的 反转。,电动机转子转动起来后，利用 离心力将开关S断开(S是离心开 关)，使起动绕组BB断电。,M,7.11.2 罩极式单相异步电机,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(极靴),当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁 通1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用 生成了磁通2 。由于短路环中感应电流的阻碍 作用，使得2在相位上滞后1 ，从而在电动机 定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。,罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向 不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相 式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变， 故常用于洗衣机等电器中。,三相异步电动机在运行过程中，若其中一相与电源断开，就成为单相电动机运行。此时电动机仍将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定电流，时间一长，会使电动机烧坏。这种情况往往不易察觉，在使用电动机时必须注意。如果三相异步电动机在起动前就断了一线，则不能起动，此时只能听到嗡嗡声，这时电流很大，时间长了，也会使电动机烧坏。,7.11.3 三相异步电动机的单相运行,例： 三相异步电动机在一定的负载转矩下运行时，如电源电压降低，电动机的转矩、电流及转速有无变化？,
