1、第 7章 交流电动机,7.1 三相异步电动机的构造,异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。 在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的作用是将交流电能转换成机械能，电动机分交流电动机和直流电动机两大类，而交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。,1异步电动机按电动机定子相数分：三相异步电动机、单相异步电动机。,2按电动机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机。,交流电动机感性认识,电动机的外形,7.1 三相异步电动机的构造,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相
2、异步电动机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。,端盖,机座,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步电动机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。,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,定子,三相异步电动机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。,三 相异步电动机的基本结构 示意图,定子,转子,轴承,端盖,机座,三相异步电动机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。,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
3、座,铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,U1,U2,V1,V2,W1,W2,定子绕组 星形联结,定子绕组 三角形联结,端子,2转子,绕 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子。绕线型转子的电动机称绕线型电动机。,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,转 子 硅 钢 片,2转子,2转子,笼 型 转 子,笼型转子的电动机称笼型电动机。,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽
4、内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。,鼠笼转子,定子绕组与转子绕组,转子绕组,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,异步电动机原理模型,e,i,磁铁,闭合线圈,人为转动,感应电流受力而旋转,感生电流,7.2 三相异步电动机的工作原理,7.2 三相异步电动机的工作原理,i1,i2,i3,U1,V1,W1,U2,V2,W2,i1 = Imsint,i2 = Imsin(t 120 ),i3 = Imsin(t + 120 ),i1,i2,i3,对称三相电流流入对称三相绕组。,7.2.1 旋转磁场,7.2.1 旋转磁场,1旋转磁场的产生,i1,t =
5、 0,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i1 = 0 i2 为负值 i3 为正值,i2,i3,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,t,t = 60,i,U1,W2,V1,U2,W1,V2,60,i1 = 正值 i2 为负值 i3 为 = 0,i1,i2,i3,O,7.2.1 旋转磁场,1旋转磁场的产生,t = 90,U1,W2,V1,U2,W1,V2,90,i1 为正值 i2 为负值 i3 为负值,t,i,i1,i2,i3,O,7.2.1 旋转磁场,1旋转磁场的产生,t = 180,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i1 = 0 i2 为正值 i3 为负值,t,i,i1,i
6、2,i3,O,7.2.1 旋转磁场,1旋转磁场的产生,1旋转磁场的产生,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，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为 360 )。,综上分析可以得出：,t,i,i1,i2,i3,0,90,60,0,2改变旋转磁场的转向,综上分析可以得出：,改变流入三相绕组的电流相序，就能改变旋转磁场的转向；改变了旋转磁场的转向，也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,以 Y 型接法为例，将每相绕组都改用两个线圈串联组成。,按下图放入定子 槽内。形成的磁场则是两对磁极。 即 p = 2,上一页,下一页,
7、返回,上一节,下一节,三相绕组,四极旋转磁场,上一页,下一页,返回,上一节,下一节,3旋转磁场的磁极对数 p,旋转磁场的磁极对数 p 与三相定子绕组的每相绕组组数有关。,4旋转磁场的转速 n0, 电源的频率, 磁极对数,n0 的单位：转/分,若 f1 = 50 Hz ，p = 1 n0 = 3000 r/min,p = 2 n0 = 1500 r/min,p = 3 n0 = 1000 r/min,7.2.2 电动机的转动原理,n0,n,e( i ),转子 导体,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,7.2.3
8、转差率 s,转差率,0 s ,sN = 0.015 0.06,转子转速,n = (1 s) n0,例 1 已知 n = 975 r/min，f1 = 50 Hz。求：p、s。,解,p = 3,7.3 三相异步电动机的电路分析,下图所示是三相异步电动机每相电路图。,和变压器相比：,定子绕组相当于变压器的一次绕组。,转子绕组相当于变压器的二次绕组。,7.3.1 定子电路,定子的内阻抗：,Z1 = R1 + jX1,忽略 Z1,U1 E1= 4.44 f1N1,： 旋转磁场每极磁通； N1：每相定子绕组匝数； f1： 定子电流频率。,7.3.2 转子电路,1转子频率 f2,转子阻抗：,Z2 = R2
9、 + jX2,2转子电动势 E2,转子电动势的有效值：,E2 = 4.44 f2N2 = 4.44 sf1N2,在n=0,即s=1时，转子电动势为 E2 = 4.44 f1N2,这时f2=f1,转子电动势最大 E2 =sE20,3转子感抗 X2,在n=0,即s=1时，转子感抗为,这时f2=f1,转子感抗最大,4转子电流 I2,当 s增大，即n降低，转子导体切割磁通的速度提高，E2增加，I2也增加。,S=0, n0=n I2=0,当s很小时，R2S X20，,S接近1时， S X20 R2,5转子电路的功率因数 cos2,当 s增大，X2也增大，,2增大，,即cos2减小。,当s很小时，R2S
10、X20，,cos21。,S接近1时， S X20 R2,7.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,电磁转矩 T = KT I2 cos 2,电磁转矩是由旋转磁场的磁通 和转子电流的 I2 相互作用而产生的，转子电路是感性的，电流 I2比电动势E2滞后2角，即与cos2有关。,常数,7.4.1 转矩公式,7.4.2 机械特性曲线,转矩特性 T = f (s),机械特性曲线 n = f (T ),1额定转矩 TN T = TC = T2 + T0 T2,P2：电动机轴上的输出功率,P2 单位：千瓦(kW),n 单位：转/分(r/min),T 单位：牛米(N m),由 dT/ds = 0，得,取正值,
11、sm 称为临界转差率,代入 T 的表达式,求得最大转矩 Tmax,2最大转矩 T max,不同电源电压的转矩特性,n,O,n0,T,Tst,U1,结论：,(1) Tmax U12,(2) Tmax 与 R2 无关,(3) 过载系数, Tmax T N, 1.8 2.3,sm 与 U1 无关,2最大转矩 Tmax,起动瞬间 n = 0，s = 1,U1 Tst ,R2 Tst,负载转矩 T2 Tst ，不能起动。,负载转矩 T2 Tst ，可带负载起动。,st Tst TN,一般 st 1.0 2.3,起动转矩系数,3起动转矩 Tst,sm = R2 /X20,例 1 已知 PN = 4.5 k
12、W，nN = 950r/min，N = 84.5%，U = 380 V，f1 = 50 Hz， = 2，st = 1.7。求：(1)磁极对数 p；(2)s；(3)TN；(4)输入功率 P1；(5)Tmax；(6)Tst。,解,(1) p = 3,(5) Tmax = TN = 2 45.24 Nm = 90.48 Nm,(6) Tst = st TN = 1.7 45.24 Nm = 76.91 Nm,7.5 三相异步电动机的起动,7.5.1 起动性能,起动初始瞬间，n = 0，s = 1,(1)起动电流 Ist 大，(5 7)IN。频繁起动会使电动机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上
13、造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。,(2) 起动转矩 Tst 不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低, 不能满载起动。,电磁转矩 T = KT I2 cos 2,7.5.2 起动方法,1直接起动,直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大 4 7 倍；影响同一电网上其他负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机。,2降压起动,起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,(1)星形三角形(Y-)换接起动,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转
14、子,定子 绕组,只适用于电动机在工作时定子绕组为 形接法。,(1)星形三角形(Y-)换接起动,Y 形, 形,起动电流和起动转矩都降低为直接起动时的三分之一。,Q2,起动,三相自耦变压器,(2)自耦降压起动,U1,U2,V1,V2,W1,W2,Q1,Q2,运转,起动,三相自耦变压器,M 3 ,(2)自耦降压起动,降压起动电压与直接起动电压之比,降压起动电流与直接起动电流之比,降压起动原、副边电流之比,降压起动原边电流与直接起动电流之比,降压起动转矩与直接起动转矩之比,例 1 有一 Y225 4 型三相异步电动机，其额定数据见下表。试求：(1)额定电流；(2)额定转差率 sN；(3)额定转矩 TN
15、、最大转矩 Tmax、起动转矩 Tst。,解,(1) 4 100 kW 的电动机通常是 380 V， 形联结。,(2)由已知 n = 1480r/min，可知电动机是 4 极的，即 p = 2，n0 = 1500 r/min,所以,(3),例 2 在上题中：(1)如果负载转矩为 510.2 Nm，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。又当负载转矩为额定转矩 TN 的 80% 和 50% 时，电动机能否起动？,解,(1) 在U = UN 时，Tst = 551.8 Nm 510.2 Nm，所以能起动。,在 U =
16、 0.9UN 时，Tst = 0.92 551.8 Nm = 447 Nm 510.2Nm，所以不能起动。,(2) Ist = 7IN 84.2 A = 589.4 A,在 80% 额定转矩时,在 50% 额定转矩时,例2 在上例中，电动机采用自耦变压器降压起动，设起动电动机的端电压降到到电源电压的64%，求线路起动电流和电动机的起动转矩。,Ist = 7IN 84.2 A = 589.4 A,4.6 三相异步电动机的调速,调速方法,7.6.1 变频调速,变频调速装置,两种变频调速方式：,(1) f1 f1N 低于额定转速调速,由 U1 = 4.44 f1N1 知，若 保持不变，应保持(U1/
17、f1)的比值近似不变，所以两者要成比例同时调节。,又电磁转矩 T = KT I2 cos 2 ，T 也近似不变，是恒转矩调速。,7.6.1 变频调速,(2) f1 f1N 高于额定转速调速应保持 U1 U1N，由 U1 = 4.44 f1N1 知，在减小 f1 同时 减小，又电磁转矩 T = KT I2 cos 2，T 也减小，是恒功率调速。,频率调节范围一般为0.5-320Hz。,7.6.2 变极调速,改变极对数 p 调速,有级调速,p = 2,改变极对数 p 调速,有级调速,7.6.2 变极调速,p = 1,7.6.3 变转差率调速,在绕线型电动机转子绕组中串入电阻 R , 可改变转差率
18、s 和转速 n。,1小范围无级调速,特点,2R2 大 特性变软,7.7 三相异步电动机的制动 4.7.1 能耗制动,制动时定子接入直流电源产生固定磁场，,i2 受到阻转矩；当 n0，i20，T0。,制动：将动能 电能 热能。,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转。,缺点：需要另外加直流电源。,e2(i2),7.7.1 能耗制动,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使 M 停机。,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为 (n1+ n) I2 I1。,必须在笼型电动机的定子或绕线型电动机的转子中串入电阻 R，以防止烧坏绕组。,7.7.2 反接制动,三相异
19、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 Y132S6,Y系列异步机,机座中心高度,机座长度代号,2p = 6,n0 = 1 000 r/min,2. 额定功率 PNPN = 3 kW,轴上输出机械功率的额定值,3. 额定电压 UNUN = 380 V,定子三相绕组应施加的线电压,磁极数,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,7.8 三相异步电动机的铭牌数据,4. 额定电流 ININ = 7.2A,三相异步电动机 型 号 Y132S6 功 率 3
20、 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,定子三相绕组的额定线电流,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,6. 额定转速nN,电机在额定电压、额定负载下运行时的转子转速。,5. 联结方式,通常三相异步电动机3kW以下者，联结成星形，4kW以上者，联结成三角形。,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,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(105C)，H级最高(180C)。,7. 额定功率因数 cosN 额定负载条件下,上一页,下一页,返 回,上一节,下一节,三相异步电动机的单相运行,若三相异步电动机运行时断了一根线，则相当于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相运行，或缺相运行。,若 n = 0，则不能起动，此时电流很大，时间一长，电动机将会被烧坏；,若 n 0，则能够继续转动，但仍带额定负载，电流势必超过其额定值，时间一长，电动机也将被烧坏。,作业：P255 7.2.1 7.2.2 7.2.4 P256 7.5.2 7.8.1,
