机电传动第五章.

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1、第五章 交流电动机的工作原理及特性 了解三相异步电动机的基本结构及工作原理； 掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性； 掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数； 掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握实现三相异步电动机启动、调速和制动的各种方法及 它们的使用场所； 掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法； 了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法 51 三相异步电动机的基本结构和工作原理 一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动 的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。如图 所示。 鼠笼式异步电动机转子绕 组是在

2、转子铁心槽里插入铜条 ，再将全部铜条两端焊在两个 铜端环上而组成，如图所示。 线绕式异步电动机转 子绕组是由线圈绕组放入转 子铁心槽内，并分为三相对 称绕组，与定子产生的磁极 数相同。线绕式转子通过轴 上的滑环和电刷在转子回路 中接入外加电阻，用以改善 启动性能与调节转速， 二、三相异步电动机的工作原理 1定子旋转磁场 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹 槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端A、B、C接三相 交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图所示。 当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转， 故称旋转磁场。 2旋转磁场的旋转方向 当三相交流

3、电的ABC ，旋转磁场的旋转方向为从 ABC，即向顺时针方向旋转。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调 ，例如，将B，C两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位 对调，如图所示，则电机的旋转方向将相反。 3.旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速 度，用n0表示。 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即 p=1。 从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角 度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电 流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即： 如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽

4、），制成如图所 示的三相绕组。 其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接 到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的 旋转磁场。如图所示。 从图可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位 置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 /2， 即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。 由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度 仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为： 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数 成反比。 4工作原理 三相异步电动机的工作原 理是基于定子旋转磁场和转子 电流的相互

5、作用。 假设定子只有一对磁极，转 子只有一匝绕组。 在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁 场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感 应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生 电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁 转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩 的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。 转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。 5.转差率 S 由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁 场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转 子和旋转磁场没有相对运动，转子导

6、体不切割磁力线，因此，不能 产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间 的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。 定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差 率，用表示S，即 转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。 三、 三相异步电动机定子绕组的接法 1两种接法 定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上， 一般按图所示的方法排列。 按照我国电工专业标准规定： 定子绕组出线端的首端为D1、D2、 D3，末端为D4、D5、D6。 三相电动机的定子绕组有星形（Y型）和三角形（形）两种 不同的接法，如图所示。 2线电压与相电压 线

7、电压：两相绕组首端之间的电压，用U1表示； 相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。 对于星形接法： 对于三角形接法 ： 3线电流与相电流 线电流：电网的供电电流，用I1 表示； 相电流：每相绕组的电流，用I相表示。 对于星形接法 ： 对于三角形接法 ： 4. 电动机的输入功率 四、定子绕组连线方法的选用 定子三相绕组的连接方式（Y形或形）的选择，须视电源的线 电压和电动机的额定相电压而定。 如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的 绕组应该接成三角形； 如果电源的线电压是电动机额定相电压的 倍，那么，电动 机的绕组就应该接成星形。 通常电动机的铭牌上标有符号 /Y和数字2

8、20 /380 ，前者表示 定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。 例 电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下， 试选择定子绕组的连接方式。 1. J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流 4.25/2.45A，转速1420 r/min，功率因数0.79。 2. J02-21-4，功率1.1 kW，定子绕组相电压380V，电流6.27A ，转速1410 r/min，功率因数0.79。 解： J32-4 电动机应接星形（Y），如图(a) 所示。 J02-21-4 电动机应接成三角形（ ），如图 (b)所示。 52 三相异步电动机的定子电路

9、和转子电路 一、三相异步电动机的定子电路 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变 压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。 定子每相绕组中产生的感应电动势为 ： 它是正弦量，其有效值为： 式中，f1为e1的频率。 设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，如图所示电路 图是三相异步电动机的一相电路图。 二、三相异步电动机的转子电路 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为 其有效值为 式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率. 因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n 在 n=0 ，即S=1时，转子电动势为 为转子最大电动势 可见转子电动势E

10、2与转差率S有关。 三、额定参数 电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定 运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在 电动机的铭牌上。 1. 额定功率PN： 在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。 输出功率的一般表达式为： 其中： 效率 P1 输入功率 P2输出功率 输出功率和输出转矩的关系为： 2.额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压 值。 如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用 /Y连接时应加的线电压值。 即： 三角形接法时，定子绕组应接220V的电源电压； 星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。 3.额定频

11、率f ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ Hz）。 如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为 /Y连接的线电流值。 4.额定电流IN ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时 ，定子的线电流值。 即： 三角形接法时，定子电流为10.35A； 星形接法时，定子电流为5.9A。 5.额定转速nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定 功率时，电动机的转速。 与额定转速相对应的转差率称为额定转差率SN。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下 ： 1.额定功率因数 ：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。 2.额定

12、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轴上 的负载载矩。 4.线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流 。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。 5.3.1 三相异步电动机的转矩 电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量 之一。机械特性是它的主要特性。 所以 因为 转矩特性 式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数； U1 、U定子绕组电压，电源电压； R2转子每相绕组的电阻； X20 电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。 5.

13、3 三相异步电动机的转矩与机械特性 5.3.2三相异步电动机的机械特性 电动机轴的转速与电动机轴上的输出转矩，称为电动机的机械 特性。 由异步电动机的转矩特性 在异步电动机中，转差率 S=(n0-n)/n0，可将上式换成转速与转 矩之间的关系，即为异步电动机的机械特性。 1固有机械特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，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。 根据 三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。 从特性曲线上可以看出 ，其上有四个特殊点可以决 定特性曲线的基本形状和异 步电动机的运行性能，这四 个特殊点是： 电动机处于理想空

14、载工作点，此时电动机的转速为理想空载转 速。 电动机额定工作点。此时额定转 矩和额定转差率为 式中: PN电动机的额定功率； nN电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。 电动机的启动工作点。 将S=1代入转矩公式中，可得 可见，异步电动机的启动转矩Tst与U、 R2及X20有关。 当加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小； 当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大； 而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。 通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩TN之比 st=Tst/TN 作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般 电动机的临界工作点

15、。 欲求转矩的最大值，可令 得临界转差率 再将Sm代入转矩公式中，即可得 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负 载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。 鼠笼式异步电动机 线绕式异步电动机 2人为机械特性 由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数 有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数 人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性 。 改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗 、转子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机 械特性。 （1）降低电动机电源电压时的人为

16、特性 不变 不变 随着电压的减小而大大地减小 随着电压的减小而大大地减小 改变电源电压时的人为特性如图所示： 如当定子绕组外加电压为UN、0.8UN、0.5UN时，转子输出最 大转矩分别为Ta=Tmax、 Ta=0.64Tmax和Ta=0.25Tmax 。可见，电压 愈低，人为特性曲线愈往左移。 由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时， 如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚 至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。 此外，电网电压下降 ，在负载不变的条件下，将使电 动机转速下降，转差率S 增大，电流增加，引起电动机发热 甚至烧坏。 （2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性 在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为 电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组 相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似.。 （3）改变定子电源频率时的人为特性 一般变频调速采用恒