1、交流电动机的工作原理及特性,第四章,本章要点:,了解异步电动机的基本结构和工作原理掌握旋转磁场产生的机理；掌握异步电动机的机械特性;掌握异步电动机启动、调速、制动的方法；学会用机械特性的四个象限分析电动机运行状态；掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理；了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性;掌握各种异步和同步电动机的使用场所。,第四章 三相异步电动机的结构和工作原理,感应电动机,同步发电机,同步电动机,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,一、基本结构,转子,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,定子,三相交流异步电动机的结构,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,一、基本结构,转子
2、,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,定子,三相交流异步电动机的结构鼠笼绕组,铜条转子 铸铝转子,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,三相交流异步电动机的结构转子绕组,各相引出线连到滑环上， 滑环套在转轴上并与之绝缘， 通过电刷与外电路相连,有可能在转子电路中串接电阻，改善电动机运行性能,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,三相交流异步电动机的结构定子绕组,定子铁心： 参与电动机磁路 嵌放定子线圈 定子绕组： 三个彼此独立的绕组 空间相差120电角度,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,转差率,所以这种电动机称为异步电动机，也叫感应电动机
3、。,定子线圈通三相交流电 产生旋转磁场 相当于转子切割磁力线运动 在转子回路中产生感应电流(右手定则) 带电导体在旋转磁场中受到电磁力 (左手定则) 产生电磁转矩 使转子转动(方向与旋转磁场同向)电动机转动.,二、工作原理,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,转子与旋转磁场的转速不同,电流正方向为：从各相绕组的首端流到末端为正。AX；BY；CZ,第一节 相异步电动机的结构和工作原理,三、旋转磁场的形成,1、过程分析,三、旋转磁场的形成,第一节 相异步电动机的结构和工作原理,2. 旋转磁场的旋转方向,结论：旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。,三、旋转磁场的形成,任意两根导线对调就可以改变磁
4、场旋转方向,ABC,ACB,3. 旋转磁场的极数与旋转速度,三、旋转磁场的形成,结论：若有p对磁极，则磁场的转速为：n0=60f /p,f=50Hz，对于p=1，2，3，4， 则 n0=3000rpm，1500rpm，1000rpm，750rpm,四、定子绕组线端连接方式,当电动机接入电源的线电压等于电动机的额定相电压时，应接成三角形；若是相电压的 倍，应接成星形。 如：铭牌标有 和380/220时，电源线电压为380V 时接成星形，为220V 时接成三角形。,四、定子绕组线端连接方式,1)型号，如Y90S-4、Y112M-4； Y112M-4中“Y”表示Y系列鼠笼式异步电动机（YR表示绕线式
5、异步电动机），“112”表示电机的中心高为112mm，“M”表示中机座（L表示长机座，S表示短机座），“4”表示4极电机.,1、三相异步电动机的额定值,第二节 三相异步电动机的额定值,异步电动机 同步电动机 同步发电机 直流电动机 直流发电机 汽轮发电机 水轮发电机 测功机 潜水电泵 纺织用电机 交流换向器电动机 产品代号 Y T TF Z ZF QF SF C Q F H,2)额定功率PN ：在额定情况下，电动机轴上输出的机械功率; 3)额定电压UN ：在额定情况下，定子绕组应加的线电压值; 4)额定频率f ：在额定情况下，定子外加电压的频率; 5)额定电流IN ：在额定情况下，定子的线电流
6、值; 6)额定转速nN ：在额定情况下,电动机的转速; 7)温升(或绝缘等级)。,第二节 三相异步电动机的额定值,第二节 三相异步电动机的额定值,根据以上数据求出其他额定值： 1) 额定功率因数cosN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦 cosN 。,2) 额定效率 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为：,3) 额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时,电机轴上的负载转矩。,TN=9550PN/nN (PN kw),第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,一、 三相异步电动机
7、的转矩,直流电动机：,讨论： 1）当cos2 =1，纯电阻性负载， I2与E2同向； 2）当cos21，可以认为此时线圈中的电流是 I2=I2 cos2 ； 3）当cos2=0，纯感性负载，T=0。,交流电动机：,二、机械特性表达式 1）物理表达式：,2）参数表达式：,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,二、机械特性表达式,讨论： 当S0，n=(1-S)n0= n0，为理想空载转速； 当S较小时，则 T与S 近似线性关系； 当S较大时，随着转速的下降，转矩也变小。 最大转矩 Tmax=KU12 / 2X20；临界转差率 sm=R2 /X20。,3）实
8、用表达式：,二、机械特性表达式,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,第五节 三相异步电动机的转矩与机械特性,异步电动机在UN和 fN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。,三、固有机械特性,四个特殊点：理想空载工作点：T0，nn0，S0；,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,2) 额定工作点：,空载工作点,额定工作点,PN（瓦）,3) 临界工作点： TT max，nnm，(SS m)，最大转矩 Tmax=KU12 / 2X20； 临界转差率 sm=R2 /X20。,临界工作点,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,4) 启动工
9、作点： n0 ， (S1)， TTST；,启动工作点,三、人为机械特性,由上式知，改变定子电压U1、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗、定子电源频率f1 等，都可得到异步电动机的人为机械特性。,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,Tmax=KU12 / 2X20 sm=R2 /X20,n0=60f /p,1、降低电源电压时的人为机械特性,随电压的减小而变小， 不变；,特点:,n0=60f /p 不变；,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,2、定子电路接入电阻或电抗时的人为特性,特点:n0=60f /p 不变；不变；变小；减小。,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,n0=
10、60f /p 当 f 变小，n0 变小；,3、改变定子电源频率时的人为特性,不变，,特点:,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,sm=R2 /X20 变小；,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,通常 恒定，即 变化时 随之变化,（1）变压变频调速 基频（额定频率）以下调速,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,减小时， 增大。当铁心饱和时再使 增大则需要很大的励磁电流，将导致电动机绕组的电流过大，造成电动机过热，甚至烧毁电动机。,增大时， 减小，由于 ， 相同时， 减小则 降低，电动机过载能力降低，不利于电动机正常运行。,保持不变，,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,因此，,，
11、,越高，n越高,越弱，则T越小,（2）恒压弱磁调速 基频（额定频率）以上调速,4、转子电路串电阻时的人为特性,此时的人为特性是一条比固有特性较软的一条曲线。,特点:,n0=60f /p 不变；,不变， 变大；,变大。,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,TST TL，且启动转矩越大越好； 启动电流 IST 越小越好，一般 IST (4 - 7)IN； 启动平滑，以减小对机械的冲击； 启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便； 启动功耗越小越好； 其中，前两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。,第四节 三相异步电动机的启动特性,一、对电动机启动的主要要求；,启动电流大,启动转矩小,二、异步
12、电动机的启动特性：,第四节 三相异步电动机的启动特性,特点：直接启动电流大，由于功率因数低，启动转矩小。,三、鼠笼型异步电动机的启动方式： (一)全压直接启动(二)降压启动,第四节 三相异步电动机的启动特性,(一) 直接启动（全压启动）将电动机的定子绕组通过闸刀开关直接接入电源，在额定电压下进行启动。,特点：控制线路简单；维修工作量小；启动电流大；,应用场合： 用于中、小容量的异步电动机启动。,第四节 三相异步电动机的启动特性,直接启动的条件： 独立变压器供电时：电动机启动频繁，电机功率小于变压器容量20， 电动机不经常启动，电机功率小于变压器30。 没有独立的变压器供电(即与照明共用电源)：
13、 电动机启动比较频繁，满足下列关系则可直接启动。,第六节 三相异步电动机的启动特性,2.降压启动启动时先降低电压，当转速接近额定值时，再恢复到额定电压。 适用于启动时负载转矩不大的情况，如轻载或空载。常用降压启动方式：1）定子串电阻或电抗器降压启动2）Y 降压启动3）自耦变压器降压启动,第四节 三相异步电动机的启动特性,特点：,1）定子电路串电阻或电抗器降压启动,第四节 三相异步电动机的启动特性, 启动转矩小，适用于轻载或空载场合。 电阻器上的消耗能量大，不适应频繁启动场合，而电抗器成本太高。,启动时，定子绕组连成 Y 形，转速接近额定转速时，将定子绕组连成形,电动机进入正常运行。,2） Y
14、降压启动,优点：设备简单、经济；启动电流小； 缺点：启动转矩小；启动电压不能按实际需要调节。,适用场合：空载或轻载启动,且正常运行时,定子绕组为三角形连接的异步电动机。,第四节 三相异步电动机的启动特性,星三角启动电流、启动转矩的相互关系：,第四节 三相异步电动机的启动特性,UL 电源电压Z 一相绕组的阻抗, ISTY = IST/ 3,第四节 三相异步电动机的启动特性, ISTY = IST/ 3， TSTY = TST/3, TSTY = TST/3,3）自耦变压器降压启动,启动原理：,U 1 / U 2 = N 1 / N 2 = 1 / K， I 1 / I 2 = K， K1，,第四
15、节 三相异步电动机的启动特性,特点： 相对于Y 自耦变压器降压启动：,1）K是可以调节的，因此启动电压、启动转矩可通过不同的抽头来调节，具有调整灵活的优点。 2）启动设备体积大，价格贵、维修困难。 应用场合：通常只用于启动大型和特殊用途电动机。,第四节 三相异步电动机的启动特性,四、 线绕式异步电动机的启动方法,第四节 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机：启动转矩小，启动电流大，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：能在转子电路中串电阻，具有较大启动转矩和较小的启动电流，启动特性较好。应用场合：大功率电机的启动。,采用逐级切除启动电阻的方法，主要是为
16、了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。,1.转子回路串多级电阻启动,第四节 三相异步电动机的启动特性,2.串频敏变阻器启动,工作原理：把涡流损耗等值为电阻R，且Rf22，另感抗X f2 ，频敏变阻器相当于电阻R和电抗X的并联电路。,第四节 三相异步电动机的启动特性,启动时，阻抗大，启动电流小，启动转矩大；n f2 电阻转矩；当达到额定转速，f2 较小阻抗近似为0，电机正常运行。,特点：,自动平滑调节启动电流和启动转矩； 结构简单，运行可靠，无需经常维修； 功率因数低，启动转矩的增大受到限制； 不能用作调速电阻。 应用场合：用于对调速没有什么要求、启动转矩要求不大、经常正反向运转的线绕式
17、异步电动机的启动，它广泛应用于冶金、化工等传动设备上。,第四节 三相异步电动机的启动特性,知，在一定负载下，想得到不同的转速n，则可以通过改变T max、S m 、 f 、 p 四个参数来实现。所以三相异步电动机有如下四种调速方法：调压调速、变极对数调速、变频调速和转子电路串电阻调速。,由异步电动机的转矩、转速公式：,第五节 三相异步电动机的调速特性,1、调压调速,特点：n0=60f /p 不变， Sm不变，TST 、Tmax 减小；能够实现无级调速；对于恒转矩负载，D较小，对于通风机负载，D较大；,第五节 三相异步电动机的调速特性,2、转子电路串电阻调速,特点：n0 ，Tmax不变，Sm随R
18、2增加而增加；有级调速，负载大，调速范围大；负载小，调速范围小，相对稳定性差；适用于线绕式异步电动机，设备简单，其启动电阻可兼作调速电阻。,应用场合：用在重复短期运转的生产机械中.例如，在起重、运输设备.,第五节 三相异步电动机的调速特性,3、改变磁极对数调速,磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。,第五节 三相异步电动机的调速特性,特点：多速电动机虽其体积稍大、价格稍高、只能有级调速、但因结构简单、效率高、特性好，调速时所需附加设备少，因此，广泛用于机电联合调速的场合，特别是中、小型机床。,变极调速原理（单绕组双速电机）,
19、第五节 三相异步电动机的调速特性,4、变频调速,改变电源频率需要专门的变频装置，控制电路复杂、成本较高，但可实现大范围的无级调速，是交流调速的发展方向。,特点：n0=60f /p ，f 降低，n0 变小，Sm 变大，U/f =常数 ，Tm不变；无级调速，D较大；需要变频器。,第五节 三相异步电动机的调速特性,第六节 三相异步电动机的制动特性,制动：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。,制动方式：反馈制动反接制动能耗制动,1.反馈制动因某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，异步电动机就进入发电状态。反馈电能给电网所以，反馈制动又称发电制动。,第六节 三相异
20、步电动机的制动特性,这时电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向，而转速方向不变，即T与n的方向相反，起制动作用。,情况一： 负载转矩为位能性转矩 如：起重机械下放重物时,第六节 三相异步电动机的制动特性,改变转子电路串入的电阻，可以调节重物下降速度，为了不致因电机转速太高而造成运行事故，转子附加电阻的值不允许太大。,1.反馈制动,第六节 三相异步电动机的制动特性,情况二：在变极调速或变频调速过程中，使n0突然降低时。,n0=60f/p,第六节 三相异步电动机的制动特性,如：某生产机械采用双速电动机传动，由高速运行时为4极(2P4)，向低速8极(2P8)切换过程。,1.反馈制动,2、电源反接制动
21、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，此时电动机出现制动状态。,第六节 三相异步电动机的制动特性,由于反接制动时电流很大对鼠笼式电动机常在定子电路中串接电阻；对线绕式电动机则在转子电路中串接电阻，以减小电流。,先切断交流电源，再在定子两相绕组内通一直流电，产生制动力矩。,3、能耗制动,第六节 三相异步电动机的制动特性,能耗制动,第六节 三相异步电动机的制动特性,优缺点： 制动平稳,可以通过调节直流电流调节制动转矩 If = (2-3)IN； 不会反转； 需直流电源，当 n=0 时，要及时切断直流电源， 否则会烧毁电机。,第七节 单相异步电动机,单相异步电动机，是一种容量从
22、几瓦到几百瓦，由单相交流电源供电的旋转电机，具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点，所以广泛用于电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。,单相异步电动机为什么会旋转？ 为什么需要启动电容？ 其机械特性怎样？,一、工作原理: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、转子气隙中产生交变脉动磁场。,第七节 单相异步电动机,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。,1. 电容分相式单相异步电动机,启动绕组：BY 绕组 工作绕组：AX 绕组适当选择参数C使BY绕组中的电流，在相位上超前AX绕组中的电流90度。通电后能产生一个旋转磁场，使其启动。,换向问题：改变 C 的串联位置,第七节 单相异步电动机,二、单相异步电动机的启动方法,2. 罩极式单相异步电动机,罩极部分,未罩部分, 2 滞后于 1,第七节 单相异步电动机,小 结,了解异步电动机的基本结构和工作原理；掌握旋转磁场产生的机理；掌握异步电动机的机械特性；掌握异步电动机启动、调速、制动的方法；学会用机械特性的四个象限分析异步电动机的运行状态；掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理；掌握各种异步电动机的使用场所。,
