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1、第3章 交流电动机,目录,3.1 三相异步电动机的结构和工作原理 3.2 三相异步电动机的运行特性 3.3 三相异步电动机的起动 3.4 三相异步电动机的调速、反转和制动 3.5 单相异步电动机,上一页,下一页,交流电动机在现代各行各业以及日常生活中都有着广泛的应用。交流电动机有三相和单相之分，同步和异步之分。三相交流异步电动机因其结构简单、工作可靠、维护方便、价格便宜等优点，应用更为广泛，目前大部分生产机械（如各种机床、起重设备、农业机械、鼓风机、泵类等）均采用三相异步电动机来拖动。本章主要介绍三相异步电动机的结构、工作原理、运行特性、起动、调速、制动和电力拖动过渡过程，以及单相异步电动机和
2、同步电机的基本知识。,概述,上一页,下一页,返回,3.1.1 三相异步电动机的结构,异步电动机由两个基本部分组成：固定部分定子；转动部分转子。图3-1 为三相异步电动机的结构分解图，其中定子由机座（铸铁或铸钢）、铁心（相互 绝缘的硅钢片叠成）和定子绕组三部分组成。转子也是由冲成槽的硅钢片叠成， 槽内浇铸有端部相互短接的铝条，形成“笼形”，故称“笼形”转子。,a） b） 图3-1 三相异步电动机的结构 a）外形 b）内部结构,3.1 三相异步电动机的结构和工作原理,上一页,下一页,返回,a） b） 图3-2 绕线式转子 a）外形 b）外接变阻器的等效电路,3.1.2 旋转磁场,运动的导体切割磁力
3、线会感应电动势（如导体形成闭合回路则有感应 电流）；另外，通电流的导体在磁场中受磁场力的作用而运动。,上一页,下一页,返回,1旋转磁场的产生 三相异步电动机定子绕组是由三相组成，其各相绕组的 首端分别用U1、V1、W1表示，末端分别用U2、V2、W2表示，连接示意图 如图3-4所示。三相绕组W1W2、U1U2、V1V2在空间互差120角，接成星 形。通入三相对称电流：,iU=Imsint iV=Imsin（t -120） iW=Imsin（t +120）,上一页,下一页,返回,图3-5 三相绕组中的电流波形,图3-6 一对极合成磁场,图3-7 两对极合成磁场,上一页,下一页,返回,2旋转磁场的
4、转速与转向 根据上述分析，电流变化一周时，两极（P=1）的旋 转磁场在空间旋转一周，若电流的频率为f1，既电流每秒变化f1周，旋转磁场的转 速也为f1。通常转速是以每分钟的转数来计算的，若以n1表示旋转磁场的转速，,n1=60f1 (r/min),对于四极（P=2）旋转磁场，电流变化一周，合成磁场在空间只旋转了180 （半周）故,n1=60f1/2 (r/min),由上述二式可以推广到具有P对磁极的异步电动机，其旋转磁场的转速为,n1=,(r/min) （3-1）,上一页,下一页,返回,3.1.3 转动原理,如图3-8所示，当定子绕组接通对称三相电源后，绕组中便有三相电流通过，在空间产生了旋转
5、磁场。,旋转磁场切割转子上的导体产生感应电势和电流，此电流又与旋转磁场 相互作用产生电磁转矩，使转子跟随旋转磁场同向转动，其原理与图3-3 所示的情况相同。既旋转磁场代替了旋转磁极。由于转子中的电流和所受的电磁力都是由电磁感应产生，所以也称为感应电动机。,上一页,下一页,返回,3.1.4 运行过程与转差率,如前所述，转子的转速n永远小于旋转磁场的转速（既同步转速）n1，转子 总是紧跟着旋转磁场以nn1的转速同方向旋转。若旋转磁场的方向反转， 转子也将反向转动。,3.1.5三相异步电动机铭牌,在异步电动机的机座上都装有一块铭牌，如图3-9所示。铭牌上标出了 该电动机的一些数据，要正确使用电动机，
6、必须看懂铭牌，下面以Y112M-4 型电动机为例来说明铭牌数据的含义。,上一页,下一页,返回,1）型号：,2）额定频率：是指加在电动机定子绕组上的允许频率，国产异步电动机 的额定频率为50HZ。,3）额定电压：是指定子三相绕组规定应加的线电压值。一般应为380V。 以下各项都是指电动机在额定频率和额定电压条件下的有关额定值。,4）额定功率：是电动机在额定转速下长期持续工作时，电动机不过热，轴上 所能输出的机械功率。根据电动机额定功率，可求出电动机的额定转矩为,Nm （3-3）,式中 TN额定转矩（N.m）, PN额定功率(kW)， nN额定转速（r/min）。,上一页,下一页,返回,5）额定电
7、流：是当电动机轴上输出额定功率时，定子电路取用的线电流。 6）额定转速：是指电动机在额定负载时的转子转速。 7）绝缘等级：是指电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级。,上一页,下一页,返回,三相异步电动机的运行特性主要是指三相异步电动机在运行时电动机的功率、 转矩、转速相互之间的关系。,3.2.1 电磁转矩,从异步电动机的工作原理知道，异步电动机的电磁转矩是由于具有转子电 流I2的转子绕组在磁场中受力而产生的，因此，电磁转矩的大小与转子电流 I2和反映磁场强度的每极磁通,成正比。此外，我们在讨论工作原理时，曾忽略了转子电路的感抗作用， 实际上转子电路是有感抗存在的，因此I2和E2之间有一相位差，既
8、转子电 路的功率因素cos,21。考虑到电动机的电磁转矩对外做机械功，输出有功功率，因此电动 机的电磁转矩与转子电流的有功分量,成正比。,综上所述，可以得到异步电动机电磁转矩的物理表达式为,3.2 三相异步电动机的运行特性,上一页,下一页,返回,3.2.2 转矩与功率的关系,电动机稳定运行时，其电磁转矩T必须与阻转矩TC相平衡，既,T=TC,阻转矩主要是机械负载转矩TL，还有空载损耗转矩T0，由于空载转矩很小 ，可忽略不计，故,T=TL+T0TL,负载转矩与电动机轴上输出的机械功率P2及电动机的转速n有关，既,T=TL=,上式中转矩的单位是牛米（Nm）；功率的单位是瓦（W）；转速的单位是 转/
9、每分钟（r/min）,功率P2若以千瓦（kW）为单位，则得出常用公式,T=9550,（3-9）,上一页,下一页,返回,3.2.3 三相异步电动机机械特性,在电力拖动中，为了便于分析，常把T - S曲线改画成n - T曲线，称为电动机 的“机械特性”，它反映了电动机电磁转矩和转速之间的关系。若把T - S曲线 中的横坐标S换算成转子的转速n，并按顺时针方向转过90角，既可看到异 步电动机的“机械特性曲线”，如图3-13所示。,上一页,下一页,返回,3.3 三相异步电动机的起动,3.3.1起动性能 电动机接通三相电源后，开始起动，转速逐渐增高，一直到达稳定转速为止，这一过程称为起动过程。在生产过程
10、中，电动机经常要起动、停车，其起动性能优劣对生产有很大的影响，所以，要考虑电动机起动性能，选择合适的起动方法至关重要。 异步电动机的起动性能，包括起动电流、起动转矩、起动时间和起动设备的经济性、可靠性等，其中最主要的是起动电流和起动转矩。,上一页,下一页,返回,3.3.2笼形电动机的起动,1直接起动,1.直接起动 直接起动也称全压起动，这种方法是在定子绕组上直接加上额定电压来起动的， 其电路如图3-14所示。如果电源的容量足够大，而电动机的额定功率又不太大 （根据经验，电源容量一般应大于电动机容量25倍），则电动机的起动电流在 电源内部及供电线路上所引起的电压降较小，对邻近电气设备的影响也较小
11、， 此时便可采用直接起动。,图3-14 笼形电动机直接起动电路,2降压起动,这种方法是在起动时利用起动设备，使加在电动机定子绕组上的电压U1降 低此时磁通随U1成正比地减小，其转子电动势E2、转子起动电流I2st和定子 电路的起动电流I1st也随之减小。在降压起动时，起动转矩也大大降低了。 因此，这种方法仅适用于电动机在空载或轻载情况下的起动。,上一页,下一页,返回,常用的降压起动方法有下列几种,1）定子电路串接电阻起动,2）Y -起动：,图3-15 笼形电动机定子串电阻起动电路,图3-16 笼形电动机Y 起动电路,3）用自耦变压器起动,上一页,下一页,返回,3.3.3线绕式电动机的起动,线绕
12、式电动机是在转子电路中接入电阻来进行起动的，,起动前将起动变阻器调至最大值的位置，当接通定子上的电源开关，转子既开始慢速转动起来，随既把变阻器的电阻值逐渐减小到零位，使转子绕组短接，电动机就进入工作状态。电动机切断电源停转后，还应将起动变阻器回到起动位置。,图3-18 线绕式电动机转子串电阻起动电路,图3-19 线绕式电动机转子串电阻的机械特性,上一页,下一页,返回,有些生产机械在工作中需要调速，例如，金属切削机床需要按被加工金属的种类 、切削工具的性质等来调节转速。此外，像起重运输机械在快要停车时，应降低 转速，以保证工作的安全。,1改变电源频率f1 电力网的交流电频率为50HZ，因此用改变
13、f1的方法来调速， 就必须有专门的变频设备，以便对电动机的定子绕组供给不同频率的交流电。,2改变转差率 改变转子电路的电阻R2，可以实现改变转差率调速，也就是说在 绕线式电动机的转子电路中，接入一个调速变阻器（起动变阻器不可代用），便 可用它来进行调速。,3改变定子绕组的磁极对数P 用这种方法来调速时，定子的每相绕组必须是由 两个相同的部分所组成，这两部分可以串联也可以并联。在串联时其极对数是并 联时的两倍，而转子的转速则为并联时一半。由于定子绕组的磁极对数只能成对的改变，所以转速也只能整倍数来调节。,3.4 三相异步电动机的调速、反转和制动,上一页,下一页,返回,3.4.2 异步电动机的反转
14、,在生产上常需要使电动机反转。如前所述，异步电动机转子的旋转方向是同旋 转磁场的旋转方向一致的。因此，只要把接到电动机上的三根电源线中的任意 两根对调一下，电动机便会反向旋转。,3.4.3 异步电动机的制动,当电动机与电源断开后，由于电动机的转动部分有惯性，所以电动机仍继续转 动，要经过一段时间才能停转；但在某些生产机械上要求电动机能迅速停转， 以提高生产率，为此，需要对电动机进行制动。,1. 反接制动,2能耗制动,上一页,下一页,返回,单相异步电动机根据运行原理的不同分为电容分相单相异步电动机、电阻分相单相异步电动机和单相罩极式电动机。,3.5.1电容分相单相异步电动机,电容分相异步电动机在结构上同三相笼形电动机在结构上基本相同，也是由 定子、转子、机座和端盖几大部分组成。转子多为笼形，定子绕组有所不同 ，它是由两套绕组组成。,3.5 单相异步电动机,上一页,下一页,返回,
