1、6.1 三相异步电动机的结构与转动原理,6.1.1 三相异步电动机的结构,6.1.3 三相异步电动机的运转原理,6.1.2 旋转磁场,异步电动机是把交流电能转变为机械能的动力机械，广泛应用于工业（如：机床、纺织机械、起重机、矿山机械等）、农业（脱粒机、粉碎机、水泵及加工机械等）、家用电器（电风扇、空调、洗衣机、电冰箱及小功率电动工具等）。,电动机,发电机,电机,直流电机,交流电机,同步电机,异步电机 （笼型、 绕线型）,特殊电机,三相异步电机,单相异步电机,本章重点介绍三相异步电机。,三相异步电机,接线盒,转轴,6.1.1 三相异步电动机的结构,机座,定子铁心,定子绕组,接线盒,端盖,罩壳,风
2、扇,转子,主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、轴承、风扇等部件。,转轴,1.定子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。,定子绕组,机座,铁心,定子铁心冲片,U1,U2,三相定子绕组,（U相）,2. 转子,根据转子绕组结构的不同分为：,三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕 组和转轴组成。,转子铁心冲片,铁心,转子绕组,转轴,笼型转子,去掉铁心后的转子导条,（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）,笼型转子,绕线型转子,（转子铁心槽内嵌有三相绕组）,6.1.2 旋转磁场,1.旋转磁场的产生,三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕 组。,定子绕组,U1,U2,V1,V2
3、,W1,W2,定子绕组Y接,接入三相对称电源。,t =0 iu= 0 iv为负值 iw为正值,t=0,360,240,120,t = 120,t = 240,t = 360,N,S,N,N,N,S,S,S,2.磁场的旋转方向,与绕组中电流的相序一致U-V-W-U。,空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，磁场的旋转方向与绕组中电流的相序一致。,如果改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机的旋转方向也就跟着改变。,如果电流的相序为U-V-W-U 则旋转磁场为顺时针方向。,n1,t=0,360,240,120,t = 240,绕组
4、中电流的相序为U- W - V -U，磁场逆时针旋转。,把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反向。,t = 360,旋转磁场的磁极对数p与取决于三相定子绕组的结构和连接方式。,3. 旋转磁场的磁极对数 p,4. 旋转磁场的转速n0,(转/每分）,电源频率,电动机的磁极对数,6.1.3 三相异步电动机的运转原理,+,转子 转速n,旋转的磁场可以带动转子同方向旋转,异步电动机原理图,转子,定子,磁场转速n1,n,三相异步电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,磁场转 速n1,转子,感应电动势(电流),n = (1s) n1,转差率：,0 s ,
5、sN= 0.01 0.06,例6.1 一台额定转速为1450r/min的三相异步电动机，求：额定转差率。,解：,因为sN= 0.01 0.06，所以该电动机为4极电机，旋转磁场转速为1500 r/min。,6.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,6.2.1 三相异步电动机的电磁转矩,6.2.2 三相异步电动机的机械特性,6.2.1 三相异步电动机的电磁转矩,电动机的电磁转矩是由转子电流的有功分量和定子旋转磁场相互作用产生的。,电磁转矩的大小与转子电流的有功分量(I2a)、旋转磁场的强弱(0)成正比。,与电动机结构有关的常数,转子回路的功率因数,电磁转矩与电动机参数之间的关系：,电动机结构常
6、数,U1 电动机电源电压，电源电压波动对电动机的转矩影响很大。,R2 电动机转子绕组电阻。,X20 电动机转子不转时，转子绕组的漏抗。,S 电动机的转差率。,6.2.2 三相异步电动机的机械特性,S,Tem,1,0,Tem = f (S),TN 额定转矩,Tm 最大转矩,Tst 起动定转矩,电动机的电磁转矩与转差率之间的关系,当 U1 、R2 、X20为固定值时，,机械特性:,电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线。,Tem = f (S),n = f (Tem),三相异步电动机的机械特性,稳定运行时，电动机轴上输出的转矩等于负载转矩 Tem T2,稳定运行区域：AB段 当负载转矩发生变化时，电
7、动机能自动调节到新的稳定运行状态。,1. 额定转矩TN,电动机额定运行时的转矩,PN 单位：千瓦（kW）,nN 单位：转每分（r/min）,TN 单位：牛米（N m）,例6.2 有两台功率相同的异步电动机，一台PN=7.5 kW，nN=962r/min，UN=380V，另一台PN=7.5 kW，nN=1450r/min，UN=380V，求电动机额定转矩。,解 第一台,第二台,2. 最大转矩Tm,令,代入得:,sm R2而与U1无关,Tm U12而与R2 无关,3. 起动定转矩Tst,过载能力 (最大转矩倍数),Y系列三相异步电动机T 2 2.2,起动瞬间 n=0，s=1,当负载转矩 T2Tst
8、 时，电动机可带负载起动。,起动转矩倍数,Tst 起动转矩越大，起动就越迅速。,Y系列三相异步电动机 K st 1.7 2.2,6.3 三相异步电动机的起动、调速与制动,6.3.1 三相异步电动机的起动,6.3.2 三相异步电动机的调速,6.3.3 三相异步电动机的制动,6.3.1 三相异步电动机的起动,对电动机起动的要求:,起动过程:电动机接通电源后，转速由零增至稳定运行状态的过程。,起动转矩大,起动电流小,起动时间短,起动过程的特点:,2. 转子绕组的功率因数低，起动转矩不大。,笼型电动机常用起动方法:,直接起动,降压起动,1. 起动电流是额定电流的6 7倍。,一、直接起动(全压起动),直
9、接起动线路,缺点：起动电流大。,控制电路简单，投资少，起动时间短。,优点：,允许直接起动的条件：,因为起动电流大，引起的线路压降就大，可能影响到其他设备的正常工作，所以大容量电动机不允许直接起动。,：电动机起动电流倍数,二、降压起动,1. Y- 换接起动,电动机在起动时接成Y联结，正常运行时接成联结。只适用于工作时接的电动机。,Q1,缺点：起动转矩小。,设备简单，成本低，操作方便，动作可靠。每相定子绕组承受相电压起动，起动电流小。,优点：,Q2,2. 自耦补偿器降压起动,三相自耦变压器,如果自耦变压器的变比为Ka,采用自耦变压器的起动电流、起动转矩为：,绕线式电动机起动时，可在转子绕组中串入电
10、阻，可减小起动电流，还可以增大起动转矩。,3. 转子串电阻起动,绕线式电动机适用于要求起动转矩大的生产机械，如卷扬机、起重机等。,例6.3 已知一台PN=10kW，IN=20 A，UN=380 V， nN=1450r/min ,接三相笼型电动机，由手册查得：Ist/ IN =7，Tst/TN =1.4，拟半载起动,电源容量为200kVA,试选择适当的起动方法,并求此时的起动转矩和起动电流。,解,（1）直接起动,KI =7 5.75 不允许接起动。,（2）Y- 换接起动,不能采用Y- 换接起动。,例6.4 已知一台PN=10kW，IN=20 A，UN=380 V， nN=1450r/min ,接
11、三相笼型电动机，由手册查得：Ist/ IN =7，Tst/TN =1.4，拟半载起动,电源容量为200kVA,试选择适当的起动方法,并求此时的起动转矩和起动电流。,解,（3）自耦补偿器起动,由题意,设：自耦变压器的变比为Ka,变压器抽头为,（抽头置于60%位置）,6.3.2 三相异步电动机的调速,调速方法,变频调速（笼型电动机）,变极调速（笼型电动机）,变转差率调速（绕线型电动机）,电动机的转速与电源频率、电机磁极对数、转差率有关。,1.变极调速,电源频率不变，改变电动机的磁极对数 p 调速。,有级调速,P=2,定 子 绕 组 接 线,电机磁场情况,P=1,U1,U2,2. 变频调速,改变频率
12、（f1)调整电动机的转速，属无级调速，调速性能好，但需有一套专用变频设备。,3. 变转差率调速,在绕线式电动机转子绕组中串入可调电阻R , 可改变 s 和 n。,可实现小范围无级调速，但能耗大，效率低，广泛应用于起重设备。,特点：,6.3.3 三相异步电动机的制动,1. 能耗制动,调节制动电流,能耗制动的特点：,制动准确、平稳、能量消耗小。但制动力较弱,且需要有直流电源。,固定磁场n1=0,制动原理,2. 反接制动,制动原理,将电源的任意两相对调，产生反向旋转磁场，产生制动转矩。,方法简单，制动效果好，但能耗大。,特点：,制动限流电阻,3. 回馈制动,电动机转速n大于旋转磁场转速n1。如起重机
13、重物下放时。,电动机处于发电运行状态。,特点：,6.4 三相异步电动机的铭牌和技术数据,铭牌的作用：向使用者简要说明电动机的一些额定数据和使用方法。,例：某电动机铭牌数据如下。,三相异步电动机 型号Y132 M - 4 功率7.5kW 频率50HZ 电压 380V 电流15.4A 接法 转速 1440 r/min 绝缘等级B 工作方式 连续年 月 编号 电机厂,1. 型号,Y 132 M - 4,三相异步电动机,机座中心高(mm),磁极数,机座长度代号,(S短机座 ;M中机座;L长机座),2. 功率PN 额定运行时，轴上输出的机械功率。,输入功率,效率,3. 电压UN 额定运行时，定子绕组上应
14、加的线电压。,4. 电流IN 在UN、 PN时，流入定子绕组的线电流。,5. 转速nN 在UN、 PN、 IN时，电动机转子的转速。,6. 接法,电动机三相定子绕组的接线方法。,接线盒,接线盒,接,Y接,7. 频率 fN 我国电网频率为50HZ。,8. 温升及绝缘等级,电动机常用绝缘材料分为五个等级。,9. 工作方式,连续工作、短时工作、断续周期工作。,10. 其他,可从电工手册中查得,功率因数、效率、,6.5 三相异步电动机的选择,1. 电动机容量（功率）的选择,选择 原则,电动机的起动转矩应大于负载转矩。,电动机在运行时的温升不超过其容许值。,电动机应具有一定的过载能力。,选择 方法,调查
15、统计类比法。,分析计算法。,2. 电动机类型的选择,结构简单，工作可靠，维护方便。但起动性能差，适用于空载或轻载起动的生产机械（风机、水泵、一般机床等）。,价格较贵，起动性能好，适用于起重机、轧钢机等。,3. 结构形式的选择,卧式（轴为水平）、立式（轴为垂直）、开启式、封闭式、防护式。,绕线型电动机：,笼型电动机（可优先考虑）,4. 额定电压的选择,5. 转速的选择,电动机的转速愈低则体积愈大，价格也愈高，功率因数和效率也就低，同步转速有3000 rmin；1500rmin； 1000 rmin；750 rmin 等。,一般情况下，可选用同步转速为1500 rmin的电动机。,4100kW的电
16、动机的一般为380V，接。 3kW以下一般为380V，Y接。100kW以上可考虑额定电压为3、6或10kV的高压电动机。,例:,1),解:,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 。,2）由nN=1480r/min，可知 p=2 （四极电动机）,3）,解：,在上例中(1)如果负载转矩为
17、 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。 又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,(1) 在U=UN时Tst = 551.8Nm 510.2 N. m,不能起动,(2) Ist =7IN=784.2=589.4 A,在U= 0.9UN 时,能起动,例2:,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3),6.2 单相异步电动机,6.6.1 基本工作原理,6.6.2 起动方法,单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子
18、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,5.11.1 单相异步电动机的工作原理,5.11 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 机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电 动机有电容分相
19、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。,5.11.2 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切换到位置2，电容 C与A绕组串联，电流iA
20、 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,8.11.2 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
21、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。,5.11.3 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？,6.6.1 基本工作原理,单相异步电动机,单相定子绕组，笼型转子。,结构：,工作原理及特点
22、： 单相定子绕组产生的是脉动磁场，可分解为大小、转速相同而转向相反的两个磁场，当S=1时，对转子产生的合成力矩为零，所以起动转矩为零。,常用类型：,电容分相式、罩极式单相异步电动机。,电源：单相交流电源。,功率：几 几百瓦。,用途：,家用电器（风扇、冰箱、洗衣机等） 及功率不大的电动工具。,6.6.2 起动方法,S: 离心力开关,1. 分相起动,1: 工作绕组2: 起动绕组,空间相隔90,起动绕组电流与工作绕组电流不同相(分相),产生旋转磁场。,相量图,电机运转方向：由起动绕组转向工作绕组。,改变电容C的串联位置（串在绕组1），电机反转。,定子绕组,2.罩极起动,1和2形成一个向罩极部分移动的
23、磁场。,凸极定子,笼型转子,电机旋转方向：未罩极转向被罩极。,n,三相异步电动机运行时断了一相线，相当于单相异步电动机，称为缺相运行。,若在起动时缺相，则不能起动，且电流很大，应立刻切断电源，否则电动机很快被烧毁。,若在运行时缺相，则能够继续转动, 如果仍带额定负载 ,电流会超过额定值，电动机易被烧坏。,三相异步电动机的缺相运行,小 结,第 6章,3. 电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同，但存在转速差。,4. 电磁转矩的大小与转子电流的有功分量(I2a)、旋转磁场的强弱(0)成正比。,1. 三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，按转子结构的不同，又分为笼型异
24、步电动机和绕线型异步电动机。,2. 三相异步电动机定子绕组加入三相电源后，产生旋转磁场，旋转方向与电流相序一致。,5. 电动机三个重要转矩:,电磁转矩与电动机参数之间的关系：,额定转矩,最大转矩Tm,起动定转矩Tst,最大转矩倍数,起动转矩倍数,6. 笼型电动机常用起动方法有：直接起动，降压起动（Y- 换接起动，自耦补偿器降压起动）。绕线式可采用转子串电阻起动。,7. 异步电动机常用调速方法有：变极调速、变频调速、变转差率调速。,8. 异步电动机常用制动方法有：能耗制动、反接制动。,9. 电动机铭牌简要说明了电动机的主要额定数据和使用方法，是电动机的运行依据。,10. 单相异步电动机起动转矩为零，常用的起动方法有：电容分相起动、罩极起动。,
