电工与电子技术上篇电工学单元5电动机

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1、1,电工与电子技术,上篇 电工学 单元5 电动机,2,【知识点】 交、直流电动机的构造、工作原理、电磁转矩、机械特性及启动、调速、反转、制动方法；三相异步电动机的铭牌数据及选择；异步电动机电路的分析计算方法；其他电动机的用途。 【能力目标】 掌握异步电动机电路的分析计算；具有正确选择电动机的能力。,单元5 电动机,3,单元5 电动机,目 录,4,5.1.1.1 电动机的分类 按速度划分：可分为不调速和调速两大类型。不调速电动机直接由电网供电。调速电动机由各种变流器（主要是各种电力电子变流器）供电。随着电力电子技术的发展，将有越来越多的调速传动取代不调速传动，以节约电能，改善机械性能。,5.1

2、电动机,5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理,5.1 电动机,5, 按照电动机的类型划分：电动机可分为交流、直流电动机两大类，交流电动机又分异步、同步电动机两类。,5.1 电动机,6,5.1.1.2 三相异步电动机的结构 三相异步电动机由两个基本部分组成：定子（固定部分）和转子（旋转部分），如图5.1所示。 定子由机座、定子铁芯和定子绕组三部分组成。 机座是由铸钢制成的，它有固定铁芯、绕组和支撑端盖的作用。,图5.1 三相异步电动机的结构,5.1 电动机,7,定子铁芯是电动机磁路的组成部分，一般是由互相绝缘的硅钢片叠成，见图5.2。铁芯的表面冲有槽，用于嵌放三相对称绕组，称为定子绕组。定

3、子绕组是定子中的电路部分，一般有六个出线端，分别接到机座的接线盒内，以便使用时与三相电源相连接。,图5.2 定子硅钢片,5.1 电动机,8,转子是电动机的旋转部分，用来带动机械负载转动，它主要由转子铁芯和转子绕组两部分组成。 转子铁芯是由许多硅钢片叠成的圆柱体，每一片转子硅钢片的形状如图5.3所示。其外圈冲有均匀分布的槽，槽内放置转子绕组。根据转子绕组结构不同，三相异步电动机分为笼型和绕线式两种。,图5.3 转子硅钢片,5.1 电动机,9,笼型转子是在转子铁芯槽内压进铜条，铜条两端分别焊在两个铜环上，如图5.4(a）所示，由于形状像笼子，所以得此名。为了节省铜材，现在中小型电动机一般采用铸铝转

4、子，如图5.4(b）所示，即把熔化的铝浇铸在转子铁芯的槽内，有的把风扇和两个端环铸在一起。铸铝转子不仅简化了制造工艺，也降低了成本。,图5.4 笼型电动机转子 （a）笼型转子；（b）铸铝笼型转子,5.1 电动机,10,绕线式转子绕组同定子绕组一样，也是由导线制成三相对称绕组，放置在转子铁芯槽内。转子绕组固定连接成Y型，把三个接线端分别接到转轴上三个彼此绝缘的铜质滑环上，滑环与轴也是绝缘的，通过与滑环滑动接触的电刷，将转子绕组的三个始端接到机座的接线盒内，其结构如图5.5所示。三个接线端可以把外加的三相变阻器或电阻串入转子绕组中，从而改善电动机的启动和调速性能，当不接外加三相变阻器时，必须把三个

5、接线端短接，使转子绕组形成闭合通路，否则电动机将不会转动。两种类型转子的电动机只是在转子结构上有所不同，其工作原理完全一样。笼型电动机用得最多、最普遍；绕线式电动机有较好的启动和调速性能，一般用在要求频繁启动和在一定范围内调速的场合。,5.1 电动机,11,图5.5 绕线式转子 (a）绕线转子；(b）绕线转子回路接线示意图 1转轴；2转子铁芯；3滑环；4转子绕线出线头； 5风扇；6刷架；7电刷引线；8转子绕组,5.1 电动机,12,5.1.1.3 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电流，便产生旋转磁场，而三相异步电动机的工作原理是基于对旋转磁场的利用，所以先介绍

6、旋转磁场是怎样产生的。 （1）旋转磁场 旋转磁场的产生：三相异步电动机的定子绕组如图5.6（a）所示。它是由在空间彼此相隔120的三组相同的线圈组成（即三相对称绕组），每组线圈是一相绕组，为便于分析其基本原理，每相绕组用一个线圈表示。每相绕组的始、未端分别用U1、V1、W1和U2、V2、W2表示。定子绕组可以连成Y，也可连成，图5.6（b）所示为Y连接。,5.1 电动机,13,将定子绕组接在三相交流电源上，即产生三相电流，其波形如图5.7(a）所示。 瞬时表达式为：,图5.6 定子绕组示意图,5.1 电动机,14,规定电流的正方向是从绕组的首端流入，末端流出，三相绕组通入三相交流电流后，共同产

7、生了一个随电流交变的在空间不断旋转的合成磁场，这就是旋转磁场。下面在图5.7中任取几个不同瞬间进行分析。图中，符号“”表示电流流入纸面，符号“”表示电流流出纸面。 t=0的瞬间，iU0，U1U2绕组中无电流；iV为负，V1V2绕组中电流的方向与正方向相反，电流从V2到V1，即电流从末端V2流入，从首端V1流出；iW为正，W1W2绕组中电流的方向与正方向相同，电流从W1到W2，即电流从首端W1流入，从末端W2流出。根据右手螺旋定则可知，它们产生的合成磁场如图5.7（b）所示。,5.1 电动机,15,图5.7 两极旋转磁场 (a）三相电流的波形；(b）合成磁场,5.1 电动机,16,图5.7（b）

8、,5.1 电动机,17,5.1 电动机,18,图5.7（b）,5.1 电动机,19,（2） 转子转动原理 当电动机定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场，在图5.8中以旋转的磁极N、S表示，转子绕组用一个闭合线圈来表示。 旋转磁场以n1速度顺时针方向旋转，磁力线切割转子绕组，转子绕组中产生感应电动势，其方向用右手定则来确定。旋转磁场顺时针方向旋转，则转子绕组逆时针方向切割磁力线。在S 极下，导体中感应电动势方向垂直纸面向里（用表示）；在N极下，导体中感应电动势的方向垂直纸面向外（用表示）。由于转子绕组是闭合的，因此在感应电动势的作用下会产生电流，其方向与感应电动势方向相同。转子绕组中的电流与旋转

9、磁场相互作用产生电磁力F，其方向用左手定则确定，如图5.8所示。,5.1 电动机,20,电磁力产生电磁转矩，使转子以n速度与旋转磁场相同的方向转动起来。但转子的速度n不可能与旋转磁场的转速n1相等，如果两者速度相等，方向又相同，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁力线就不切割转子绕组，转子绕组中就没有感应电动势和电流，电磁转矩也就不会产生，所以，异步电动机的转速一定低于旋转磁场的转速，两者不同步，这就是异步电动机名称的由来。由于它是靠感应电动势和电流而工作，因此又叫感应电动机。,图5.8 转动原理,5.1 电动机,21,综上所述，三相异步电动机的工作原理是:由定子绕组通入三相交流电源而产生旋

10、转磁场，在转子绕组上产生感应电动势和电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，从而形成电磁转矩，转子就转动起来。 通常把旋转磁场的转速n1与转子转速n的差值称为转差，转差与n1的比值称为转差率，用s表示，即：（5.3）或（5.4）,5.1 电动机,22,5.1.2.1 转子电路各量的分析 （1）转子电动势与转子电流频率 与变压器类似，转子绕组中感应电动势E2的有效值为：式中 转子电流频率；转子绕组系数。 因为旋转磁场和转子间的相对转速为 ，所以：,5.1.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,(5.5),(5.6),5.1 电动机,23,5.1 电动机,24,5.1 电动机,25,5.1

11、电动机,26,（4）转子功率因数 转子电路为感性电路，其转子电流总是滞后于转子电势 角度，所以转子电路功率因数为：式（5.10）说明，转子电路的功率因数随转差率的增大而下降，其变化规律如图5.9所示。,(5.10),5.1 电动机,27,5.1.2.2 三相异步电动机的电磁转矩 （1）电磁转矩 电磁转矩是三相电动机最重要的物理量之一。可以证明，异步电动机的电磁转矩为： 式中cT异步电动机的转矩常数，与电动机自身的结构有关；磁极平均磁通，在电源电压和频率一定时，其值为常量。 电磁转矩与转差率之间的关系 称为电动机的转矩特性，将式(5.9)、式(5.10)代入式(5.11)，可得：,(5.12),

12、5.1 电动机,28,由于 ， 因此，式(5-12)也可写成式(5-13)中， 为常量，而电磁转矩与电源电压的平方有关，所以，电源电压的波动对异步电动机的转矩影响很大。,(5.13),5.1 电动机,29,（2）转矩特性曲线 由式（5-12）和式（5-13）可知，在电源电压和频率一定时，则 、 及均 为常数。因而，电磁转矩仅与转差率有关。,图5.10,5.1 电动机,30,图5.10 异步电动机的转矩曲线,5.1 电动机,31,由式(5-14)可知，因鼠笼式电动机的转子电阻 很小，所以 也很小。对于绕线式电动机，由于可以外接电阻，因而可以改变转子回路电阻从而改变 ，如图5-11所示。利用这一原

13、理可以调节绕线式电动机的转速。 式(5-15)表明，在电机结构一定时，最大转矩只与电源电压有关。,图5.11 不同转子电阻时的转矩曲线,5.1 电动机,32,5.1.2.3 三相异步电动机的机械特性 电力拖动系统中，为了便于分析，通常将 曲线改画成 曲线，后者称为电动机的机械特性曲线，所以，电动机的机械特性就是指电动机的转速和电动机的电磁转矩之间的关系。 参照图5.10，将曲线 中的s坐标换成转子的转速n，并按顺时针方向转过90，再将表示T 的横轴下移，即可得异步电动机的机械特性曲线。如图5.12所示。,图5.12 三相异步电动机的机械特性曲线,5.1 电动机,33,研究机械特性的目的是为了分

14、析电动机的运行性能。图5-12中，BC 为不稳定运行阶段，AB 为稳定运行区。在稳定区，若电动机拖动的负载发生变化，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行。 下面介绍异步电动机机械特性曲线上的三个特征转矩。 （1）额定转矩 电动机在额定状态下运行的转矩，可由铭牌上的 和求得式(5-16)中， 的单位为kW， 的单位为r/min， 的单位为Nm。,(5-16),5.1 电动机,34,（2）最大转矩 由式(5.15)可以确定最大转矩。应当注意，当电动机的负载转矩大于最大转矩时，电动机就要停转，所以最大转矩也称为停转转矩。此时，电动机的电流可达额定电流的35倍，电动机会因严重过热而烧坏绕组。

15、最大转矩对电动机的稳定运行有重要意义。当电动机负载增大而过载时，电磁转矩接近于最大转矩，此时应当保证电动机稳定运行，不因短时过载而停转(但长时间过载也会造成电动机过热损坏)。因此，要求电动机要有一定的过载能力。电动机的过载能力可用下式表示：即为电动机的过载能力。一般三相异步电动机的过载能力在1.82.2范围内。,(5-17),5.1 电动机,35,（3）起动转矩 起动转矩为电动机起动瞬间( , )的转矩。只有在起动转矩大于负载转矩时，异动电动机才能起动。起动转矩大，起动迅速。因此，应用起动转矩倍数 来反映异步电动机起动能力。一般三相异步电动机的 =1.02.2。 综上所述，三相交流异步电动机有如下主要特点：异步电动机有较硬的机械特性，即随着负载的变化而转速变化较小；异步电动机有较大的过载能力和起动能力；电源电压的波动对异步电动机的工作影响较大。,(5-18),5.1 电动机,36,5.1.3.1 铭牌 每台电动机的铭牌上都标注了电动机的型号、额定值和在额定运行状况下的有关技术参数。在铭牌上所规定的额定值和工作条件下运行，称为额定运行。铭牌上的额定值及有关技术数据是正确设计、选型、使用和维修电动机的依据。图5.13为一台三相异步电动机的铭牌。,