交流电机工作原理与特性

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1、,交流电动机的工作原理和特性,4.1 三相异步电动机的构造,4.2 三相异步电动机的转动原理,4.3 三相异步电动机的电路分析,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4.5 三相异步电动机的起动,4.6 三相异步电动机的调速,4.7 三相异步电动机的制动,4.8 单相异步电动机,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。,电动机的分类：,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能, 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。,概 述,1.

2、 按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、 单相异步电动机。,2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.,4.1 三相异步电动机的结构,A、B、C三相绕组,A、B、C 三相绕组,电动机的外形,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。,这 是三 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。,端盖,机座,这 是三 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。,

3、定子,这 是三 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。,定子,转子,轴承,端盖,机座,这 是三 相异步电动机的基本结构 示意图,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。,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,定子绕组,机座,定子铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,这是定子硅钢片,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,定子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,这 是 转 子 硅 钢 片,2. 转子,这 是 绕 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,根据转子绕组结构的不同又分

4、为笼型转子和绕线型转子,鼠笼型转子的电机称鼠笼式电动机 绕线型转子的电机称绕线式电动机,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子三相绕组接成Y型,鼠笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，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。,这 是 笼 型 转 子,三相异步电动机的基本结构示意图,4.2 三相异步电动机的转动原理,对称三相电流流入 对称三相绕组： i 正方向规定：首端 末端 如： iA ：A X iA 0 X A iA 0,一. 定子旋转磁场,iA=Imsin t,iB=Imsin( t-120 ),iC=Imsin( t+120 ),相序A-B-C-A,A,X,

5、B,Y,C,Z,iA,iB,iC,iA,i,iB,iC, t,二、旋转磁场的方向,当电流相序为 ：A-B-C-A，旋转磁场的方向为顺时针方向,旋转磁场的反转： 改变流入三相绕组的电流相序（即对调 定子绕组接至电源的三根导线中任意 两根）,旋转磁场的方向： 由电流超前的线圈转向电流滞后的线圈,结论：空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流，当电流随时间交变时，产生的两极磁场在空间旋转。 定子旋转磁场,结论：改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;,相序A-B -C -A,相序A-C-B-A,三、 旋转磁场的极对数P, t = 0,A,Z,B,X ,C,X,C,Y,A,Z,B,Y

6、,S,N,（P = 2）,N,0,S,iA = 0 iB 0 iC 0,四极旋转磁场,60,0, t =6 0,N,S,30,S,N,0, t,i,iA,iB,iC,0,结论：当定子每相中有 n个线圈串联, 且每相绕组始端在空间相差120/n 时, 通入对称三相交流电后, 产生一个2n极旋转磁场。 （P = n）,四、 旋转磁场的速度 n0,电源的频率, 磁极对数,P=1 n0 =3000 r/min,P=2 n0 =1500 r/min,P=3 n0 =1000 r/min,同步转速,P=4 n0 =750 r/min,是定子旋转磁场和转子电流的相互作用的结果,-基于电磁感应定律和电磁力定律

7、,五、三相异步电动机的工作原理,六、 转子转速 n 和转差率 S,n = (1S) n0,转差率,0 S ,启动时： n = 0，S = 1 额定运行时： nN n0 ， SN = 0.015 0.06,转子转速,n n0,-异步电动机,结论：通过电磁感应，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。-异步电动机也称为感应电动机,铭 牌,4.3 三相异步电动机的额定参数,一、 定子绕组的接法,Ul = 380 V,Ul = 380 V,UP= Ul = 380 V,接线方式选择：根据电源线电压及电动机的额定电压而定,若电动机铭牌上标有 220/380V两种额定电压，接法标明/

8、Y ，则表明： 若电源线电压 =220V,接；若电源线电压 =380V, Y接。,每相绕组 的相电压,每相绕组的相电流,线电压,线电流,解：,二、三相异步电动机的额定值,额定功率PN - 在额定运行情况下，电动机轴上所输出的 机械功率。,型号：,额定电压UN -电动机在额定运行情况下的定子绕组所 加线电压。 220/380， /Y,额定电流IN - 电动机在额定情况下运行时定子绕组的线 电流值，也称满载电流。10.25/5.9， /Y,额定频率fN - 在额定运行情况下的交流电源频率。我国 工业标准频率为50Hz。,额定转速nN - 电动机在额定运行情况下的转速，也称满 载转速。,额定功率因数

9、cosN -电动机在额定运行情况下的定子电 路功率因数。,额定效率N - 是指额定运行情况下输出功率与输入功率 的比值,额定负载转矩TN - 在额定运行情况下，电动机轴上负 载转矩。,A,Z,B,X,C,Y,主磁通,4.4 三相异步电动机的电路分析,定子绕组和转子绕组均为交流铁心线圈,三相异步电动机的一相电路图,一、 定子电路,U1 E1=4.44 f1N1,u1 = R1i1 e1 -eL1,用向量表示：,Z1 =R1+jX1 ：定子的内阻抗,一般： R1，X1很小，可忽略,R1：每相定子绕组电阻 X1：每相定子绕组漏磁 感抗 X1=2f1L1 ：旋转磁场每极磁通 N1：每相定子绕组匝数,Z

10、2 =R2+ jX2 ：转子的内阻抗,E2=4.44 f2N2,二、 转子电路,0 = R2i2 e2 eL2,用向量表示：,R2：每相转子绕组电阻 X2：每相转子绕组漏磁 感抗 X2=2f2L2 ：旋转磁场每极磁通 N2：每相转子绕组匝数,三、 转子电路中有关各量,f2 -转子电流的频率 转子和旋转磁场的相对速度 n0n,= S f1,2. E2 -转子感应电动势,X20是n=0时的X2,3. X2 -转子漏磁感抗,X2 = 2f2L2,= 2 S f1L2,= S X20,E20是n=0时的E2,E20=4.44 f1N2,X20= 2 f1L2,I2,cos 2,1,4. I2 -转子电

11、流,5. cos 2 -转子功率因数,结论：E2，I2，f2，X2和cos2均与S有关,电磁转矩 T= Kt I2cos 2,将,电磁转矩是由旋转磁场和转子电流的有功分量相 互作用而产生的，所以,一 . 转矩公式,常数,I2，,4.5 三相异步电动机的转矩与机械特性,cos 2,TS曲线,其中： K -与Kt，f1，N1，N2有关的常数。K1/f U1，U -定子绕组的相电压，电源相电压,二 . 机械特性曲线 n = f (T),因为 n=n0(1-S), 可以由转矩特性得到机械特性,1. 固有机械特性,（以下分析时忽略空载损耗）,条件：U = UN，f1 =fN，定子及转子回路中 不串入任何

12、阻抗,n（S）,四个特殊点：,运行段,非运行段, TN 额定负载转矩, Tst 启动转矩,额定转差率,起动瞬间 n=0，S=1, U 2,49,55, Tmax 最大转矩, st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,特殊 st 2.2 2.8,启动系数 st -表征启动能力,由dT/ds =0, 得,临界转差率, U2,过载系数 m -表征过载能力, m Tmax T N,注意：Tmax TL, 电动机才能正常工作，否则 电动机将停转，造成严重过载。,当X20不变时,临界转差率Sm随R2增大而增加。,c. Sm=R2 /X20,a. Tmax U2,b. Tmax与 R2无关,，Sm与

13、U无关,，U Tmax,工程上采用规格化转矩转差率特性求得T,-不易得到,2. 人为机械特性,改变U ，f1 ，或定子及转子回路中串入电阻或电抗, 降低电源电压U,条件：U UN ，f1 =fN，定子及转子回路中不串入任何 阻抗,a. n0不变,c. 特性变软,49,43,53,63,61, 改变电源频率f（=f1）,a. n0， Sm ,d. 不变,以保证不变，从而 保证 Tmax不变, 定子回路串入电阻R1s,条件：U = UN ，f =fN，转子回路中不串入任何阻抗,i1,串入电阻R1s，将使定子每相绕组上的电压U1降低，类似于降低电源电压U的情况,49, 转子回路串入电阻R2s,条件：

14、U = UN ，f =fN， 定子回路中不串入任何阻抗,e2,i2,43,65,特点：,a. n0不变， Sm ,d. ,b. Tmax不变,c. Tst ,4.6 三相异步电动机的启动特性,启动初始瞬间，n=0，S=1,起动电流Ist大，Ist= （57） IN。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的 电压降落，影响邻近负载的正常工作。,2. 起动转矩Tst不大 -Tst = （0.81.5）TN,直接启动存在的问题：,频繁起动会使电动机过热。,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。,L1 L2 L3,1. 直接起动（全压启动）,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,一、 鼠笼式异步电动机的启动方法,启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57倍,2 .降压起动,启动时降低电动机定子绕组的相电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,（1）Y-降压起动法,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子 绕组,启动时接成星型Y型 启动完毕接成三角形型,特点： 起动电流和起动转矩都降低到直