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1、第5章交流电动机的工作原理及特性,掌握异步电动机的人工机械特性,它是分析异步电动机起动,制动,调速的依据; 熟悉异步电动机的铭牌数据和额定值; 掌握鼠笼式异步电动机的起动方法,线绕式异步电动机串电阻的起动,制动和调速; 掌握异步电动机变磁极对数调速和变频调速的特性.,5.1三相异步电动机的结构和工作原理,1.三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙. 1)定子 定子由铁心,绕组,机座三部分组成. 铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成; 三相绕组连接成星形或三角形; 机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心. 2)转子 转子由铁心和绕组组成. 转子同样由硅
2、钢片叠压而成,压装在转轴上; 转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种. 线绕式异步电动机还有滑环,电刷机构.,鼠笼式三相异步电动机的结构示意图,5.定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座,鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线,2.三相异步电动机的工作原理,1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速; 2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势; 3)转子绕组中感生电流; 4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了. 电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机
3、就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步. 设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为 ; no-n; 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是分析异步电动机运行情况的主要参数,且,3.三相异步电动机的旋转磁场,1)旋转磁场的产生 设电动机为2极,每相绕组只有一个线圈.,在0-T/2这个区间,分析有一相电流为零的几个点. 规定:当电流为正时,从首端进尾端出;电流为负时, 从尾端进首端出.,t=0时，iA=0;iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产
4、生的合成磁场，如图(a)中箭头所示。,t=0时，iA=0;iB为负，iC为正,t=T/6时，t=T/6=/3,iA为正(电流从A端流到X端)；iB为负(电流从Y端流到B端)；iC=0。此时的合成磁场如图(b)所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。,t=T/6时，t=T/6=/3,iA为正；iB为负；iC=0,此时的合成磁场如图(c)所示，合成磁场已从t=0瞬间 所在位置顺时针方向旋转了2/3。,t=T/3时，t=T/3=2/3,iA为正;iB=0；iC为负,此时的合成磁场如图(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变
5、化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就产生了旋转磁场。,t=T/2时，t=T/2=,iA=0；iB为正；iC为负。,旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致; 改变三相交流电的相序,即A-B-C变为C-B-A,旋转磁场反向; 要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线.,2)旋转磁场的旋转方向,式中,f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数. 电动机的磁极对数为1时,同步转速为3000r/min; 电动机的磁极对数为2时,同步转速为1500r/min; 电动机的磁极对数为3时,同步转速为1000r/min.,3)旋转磁场的旋转速度-同步转速no,4.定子绕组线端连接方式,注意:
6、三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压220V; 三相绕组连接成三角形,每相绕组承受线电压380V.,5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,1.定子电路分析 电动机定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2.定子每相绕组产生的感应电动势为:,其有效值为 :,定子和转子电路的感应电势,定子电路分析,其大小为:,忽略R1和X1上的电压降,有:,考虑定子电流产生的漏磁通,用复数表示为:,一相电路图,2.转子电路分析,其中,旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为:,起动瞬间,3.三相异步电动机的额定值,电动机铭牌数据: 额定功率PN; 额定电压UN; 额定频率f=50Hz; 额定电流IN; 额定转
7、速nN; 有的参数要经过计算得出: 额定效率 额定负载转矩,额定效率,额定负载转矩,4.三相异步电动机的能流图,P2等于P1减去电动机的总损耗,电源输入的功率P1:,电动机的输出功率P2(铭牌功率),举例,解:1)由电势计算公式得 :,3)额定转速时,转子电动势的频率,2)转子绕组开路时,f2=f1,得,1)定子每相绕组感应电动机E1;2)转子每相开路电压E20;3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N.,例1:有一台Y型接线的三相异步电动机,其额定参数为:功率90KW,UN=3000V, IN=22.9A,电源频率f=50Hz,额定转差率SN=28.5%,定子每相绕组匝数N1=320, 转
8、子每相绕组匝数N2=20,旋转磁场每极磁通0.023WB,求:,举例,例2:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势E20=20V,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子电流.,解;1)电动机为4极,磁极对数p=2, 有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)电动机起动时的转子电流,5.3三相异步电动机的转矩与机械特性,1.三相异步电动机的转矩 三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流相互作用而产生的:,代入,用,代入,合并上面几个式子得转矩又一公式:,注意,转矩与电压平方
9、成正比,2.三相异步电动机的机械特性n=f(T),1)固有机械特性(自然机械特性):在额定电压和额定频率下,定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时,电动机的机械特性.,(2)额定工作点 T=TN, n=nN, S=SN;此时有,自然特性上有4个特殊点: (1)理想空载转速点no T=0, n=no, S=0;,(3)起动工作点 T=Tst, n=0, S=1;此时有,(4)临界工作点 T=Tanm, n=nm, s=Sm;有:,自然机械特性,2)人工机械特性 介绍4种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电抗时,变频率时,线绕电动机转子串电阻时.,(1)降低电压时的人工特性,电压越低,
10、人工特性曲线越往左移; 电动机的过载能力和起动转矩会大大降低; 电压降低,负载转矩不变时,电动机过热; 电压降低太多,电动机将带不动负载(不能起动).,(2)定子电路串入电阻或电抗时的人工特性,定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中虚线2所示,1为电压降低时的人工机械特性; 曲线2与曲线1相比较,最大转矩要大一些.,(3)改变定子电源频率时的人工特性,随着频率的降低,理想空载转速只能在电源额定频率以下调节; 转速no减小,临界转差率Sm减小,起动转矩Tst增大,最大转矩Tmax不变.,(4)三相线绕式异步电动机 转子电路外接电阻时的人工特性,电路图如右图中(a)所示,三相转子绕组通过滑环
11、电刷机构与外接电阻相联接; 起动转矩增加(有利),理想空载转速和最大转矩不变.,5.4三相异步电动机的起动特性,生产机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动电流小. 1 .三相鼠笼式异步电动机的起动方法 三相异步电动机起动电流是额定电流的(5-7)倍,为满足起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类.,1 )直接起动(全电压起动)适用范围; 电动机功率20%变压器容量. 一般中小型鼠笼式异步电动机都采用 全电压直接起动.,2) 降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的起动电流,采用降压起动.在工厂常用的降压起动方法有4种:定子串电阻或电抗器,Y-变换,自耦变压器,
12、延边三角形.,(1)定子绕组串电阻或电抗器降压起动 电路图如右图;,不足之处:起动转矩随定子电压的平方下降; 不经济. 应用场合:电动机空载或轻载起动.,(2)Y- 降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是接法的电动机才能采用Y- 降压起动.对于国产JO,JO2,Y,Y2系列电动机,功率大于4.5kW的都是采用接线.也就是说,大容量电动机都可以用Y- 降压起动.,Y- 降压起动的电气原理图如右图所示.起动时,三相绕组接成Y形,运行时,绕组接成形.电流下降1/3,转矩也下降1/3.,特点: 电动机Y形起动过程中,可提高电动 机的效率和功率因数; 起动转矩小,只适用于空载或轻载起动的场合; 设备简单
13、,经济; 在机床工业上应用较普遍.,(3)自耦变压器降压起动,特点: 起动电流小,而且可以调节; 不适用于频繁起动; 体积大,重量重,价格高.,与定子串电阻或电抗器起 动相比较,在相同的起动 转矩情况下,起动电流要小.,(4)延边三角形起动,对电动机定子绕组和绕组出线有特殊要求; 起动时绕组一部分Y形,一部分形接线;运行时绕组接线. 制造成本高,接线复杂.,2.三相线绕式异步电动机的起动方法. 线绕式电动机在转子电路串电阻,可以获得较大的起动转矩以及较小的起动电流,即有良好的起动特性.,1).逐级切除起动电阻法 (1)电路图:如右图.转子外接电阻为三相对称电阻;当电动机容量大时,一般采用三相不
14、对称电阻. (2)起动过程:起动初瞬,电阻全部接入;在起动过程中,分三次切除外接电阻,人工特性往上提,电阻全部切除后,通过提刷机构,使转子绕组短接,机械特性回到自然特性. (3)特点:在起动过程中,电动机能保持最大的加速转矩.,2)频敏变阻器起动法,(1)频敏变阻器:它是一个铁损很大的 三相电抗器,铁心用A3钢板叠成,三相绕组接成Y形. (2)起动过程:起动初瞬,转子电流频率接近50Hz,铁损大,即等效阻抗大,从而限制了起动电流,增大了起动转矩.随着转速逐步上升,等效阻抗逐步减小;到转速达额定转速,相当转子被短接,起动结束. (3)特点:起动过程能平滑进行,不需要控制电器; 功率因数低; 只能
15、用于起动,而串电阻起动时,电阻还可用于调速.,3.举例,例1:一台Y280S-4三相鼠笼式异步电动机,PN=75kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,电动机由320kVA的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=200Nm,问(1)电动机能否直接起动?(2)电动机能否用Y- 降压起动?,解(1)电动机额定功率与供电变压器容量之比为 75/320=0.2340.2 电动机不宜直接起动.,(2)电动机的额定转矩和起动转矩分别为 TN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484Nm Tst=1.9TN=1.9X484=920Nm 如果采用Y- 降压起动,则起动转矩
16、仅为起动转矩的三分之一,即 TstY=1/3X920=307200=TL 因此,可以采用Y- 降压起动.,举例,解:电动机直接起动时,n=0,S=1,转子电路每相的电动势 (1)E20=E20l/ =146V,例2:一台JZR-63-10三相线绕式异步电动机的额定数为:PN=60kW,nN=577r/min,转子滑环间的开路线电压E20l=253V,转子每相绕组的电阻R2=0.0344欧,转子不动时每相绕组的漏抗X20=0.163欧,求:,(1)电动机直接起动时的E2,I2, (2)电动机运行在额定转速时的E2,I2, (3)电动机运行在n=528r/min时的E2,转子电路每相应串电阻R及,得,得R=0.0732欧; 由,由下式,(3),(2),5.5三相异步电动机的调速特性,由基本公式,异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数p;变转差率S;变频率f.,可得异步电动机的转速方程式为:,和基本公式,1.变磁极对数调速 1)方法: 改变
