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1、第 4 章 电动机,本章要求,了解三相异步电动机的基本结构、工作原理、机械特性及铭牌标记的含义。 掌握起动和反转的方法。了解调速方法。了解单相异步电动机的基本结构、特点及应用。,电机的分类,1. 发电机,直流电动机,同步电动机,鼠笼式, 将机械能转换为电能； 将电能转换为机械能。,绕线式,2. 电动机,交流电动机,异步电动机,三相异步电动机由于结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，得到了广泛的应用。,4.1 三相异步电动机的构造,（一）主要部件,（1）定子,（2）转子,转子铁心的硅钢片,实物图,根据转子构造的不同，三相异步电动机又分为笼式（或称鼠笼式）和绕线式两种。,（a）笼式转子,笼式异步
2、电动机的特点： 结构简单 价格低廉 坚固耐用,（b）绕线式转子,绕线式异步电动机的特点： 转子绕组接成星形。 绕组中可以串入附加电阻，以改善电动机的起动和调速性能。 结构复杂，价格较高。,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,4. 2 三相异步电动机的工作原理,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,规定：,()电流出,()电流入,三相电流合成磁 场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋
3、转的磁场 且一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,2.旋转磁场的旋转方向,结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。,3.旋转磁场的极对数P,当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：,若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,极对数,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,极对数,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,4.旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系, 4.2.2 电动机的转动原理,1.转动原理,初始：线圈竖直放置,磁极旋
4、转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长度,切割速度,（右手定则）,（左手定则）,通电导线在磁场中受力,电动机转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,2. 转子转向,3. 转子转速,转子的转动方向与旋转磁场的方向一致。,故将三根电源进线任意对调两根，可使电动机反转。,如果:,且一定,4.转差率（S）的概念：,异步电机运行中:,转差率为旋转磁场的同步转速和转子转速之差。即：,例4.2.1：一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,根据异步电动机转子转速与旋
5、转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 电动机的极对数 p3。额定转差率：,4.3 三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,定子绕组一次绕组,转子绕组二次绕组,旋转磁通主磁通,转子电路自行闭合，且转子转动,4. 3. 1 定子电路,1.旋转磁场的磁通,异步电动机：旋转磁场切割导体 e， U1 E1= 4.44 f 1N1,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，所以,2.定子感应电动势的频率 f1,感应电动势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f 1= 电源频率 f,4. 3. 2 转子电路,1. 转子感应电动势频率 f 2,定子导体与
6、旋转磁场间的相对速度固定，而转子 导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而 变化, 定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,转子感应电势频率 f 2,旋转磁场切割定子和转子的速度不同,2. 转子感应电动势E 2,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时， f 2最高，且 E2 最大，有,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时 的感应电势,即E2= s E20,转子转动时 的感应电势,3. 转子感抗X 2,当转速 n = 0(s =1)时， f 2最高，且 X2 最大，有,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,4. 转子电
7、流 I2,5. 转子电路的功率因数 cos2,转子绕组的感应电流,转子绕组的感应电流,转子电路的功率因数,结论：转子转动时，转 子电路中的各量均与转 差率 s有关，即与转速 n有关。,转子转速 n ,转子感应电动势E 2 ,转差率 s ,转子感应电动势频率 f 2 ,E2= s E20,转子感抗X 2 ,即X2= sX20,转子电流 I2 ,转子电路的功率因数 cos2 ,总结：,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4. 4. 1 转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电 机结构有关,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路 功率因数,由此得电
8、磁转矩公式,4. 4. 2 机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,0,n,n0,电动机正常运行情况,转矩,电磁转矩T,阻转矩TC = T2+T0,机械负载转矩T2,空载损耗转矩T0,T2,电动机长期稳定运行时，T = T2，即匀速转动。,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,额定转矩,(N m),输出的机械功率:,输入的电功率:,电动机的正常运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械 的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载） 。,此过程中 n 、sE2 , I2
9、I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T =T2,n ,T ,达到新的平衡,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则将 造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当 U1 一定时，Tmax为定值,结论：,(2) sm与 R2 有关， R2 sm n 。绕线式电机改变转子附加电阻R2 可实现调速。,T2,s,T2 Tmax,n ,T ,电动机停车, n , n = 0,电动机的过载运行分析,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数,临界状态说明了电动机的 短时过载能力。,3. 起动转矩 Tst,电动机
10、起动时；,n= 0 ，s =1,(2) Tst与 R2 有关， 适当使 R2 Tst 。 绕线式电机改变转子附加电阻R2 , 可使Tst =Tmax 。,R2X20时， R2 Tst ；,R2X20时， R2 Tst,T2,S ,T2 Tst,n ,T ,稳定运行, n , 越过临界点,进入稳定区, T , T =T2,电动机起动后，很快经过非稳定区进入稳定区 ，正常工作。,Tst体现了电动机直接起动的能力。 若 Tst T2，电机能起动，否则不能起动。,起动能力,电动机的启动运行分析,4.5 三相异步电动机的起动,4. 5. 1 起动性能,起动问题：起动电流大，起动转矩小。 一般中小型鼠笼式
11、电机起动电流为额定电流的5 7 倍; 电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,起动： n = 0，s =1, 接通电源。,4.5.2 起动方法,(1) 直接起动 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。简单，但起动电流大。,（适用于鼠笼式电动机）,(3) 转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,1. 降压起动,(1) Y 换接起动,降压起动时的电流 为直接起动时的,设：电机每相阻抗为,上节内容,1、电动机转动原理,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,上节内容,、转差率（S）：,、额定转矩TN,、转子感应
12、电势频率 f 2,Y- 起动器接线简图,静触点,Y- 起动器接线简图,Y起动,Y- 起动器接线简图, 工作,(2) 自耦降压起动,Q2下合： 接入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合： 切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时 联成 Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst ,转子电路串电阻起动的特点,方法：
13、任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机 正转,电动机 反转,三相异步电动机的正、反转,例1:,1),解:,一台Y225M-4型的三相异步电 动机，定子 绕组型联结，其额定数据为：PN = 45kW, nN = 1480r/min，UN = 380V，N = 92.3%，cosN = 0.88， Ist/IN = 7.0, Tst/TN = 1.9，Tmax/TN = 2.2，求： 1) 额定电流IN? 2) 额定转差率sN? 3) 额定转矩 TN 、最大转矩Tmax 和起动转矩Tst 。,2）由nN = 1480r/min，可知 p = 2 （四极电动机）,3）,解：,在上例中(1)如果
14、负载转矩为 510.2Nm, 试问在 U = UN 和 U = 0.9UN 两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y- 换接起动时，求起动电流和起动转矩。 （3）又当负载转矩为额定转矩的80%和50%时，电动机能否Y- 换接起动？,(1) 在U=UN时 Tst = 551.8Nm 510.2 N. m,不能起动,(2) Ist =7IN=784.2=589.4 A,在U= 0.9UN 时,能起动,例2:,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3),4.6 三相异步电动机的调速,1.改变电源频率 f1 (变频调速) 2.改变磁极对数 p 3.改变转差率 s,调速方法：,有级
15、调速,有级调速,无级调速,调速指当负载不变时，利用人工的方法改变转子的转速。它与电动机自动适应负载变化而改变转速不同。,4.6.1 变频调速,变频调速装置,又电磁转矩 T = KT I2cos2，T 也近似不变，是恒转矩调速。,由 U1 = 4.44 f1N1 知，在减小 f1 同时 减小。,4.6.1 变频调速,整流器,逆变器,M 3,f = 50 Hz,+,f1、U1 可调,变频调速装置,又电磁转矩 T = KT I2cos 2， T 也减小，是恒功率调速。,(2) f1 f1N，高于额定转速调速，应保持 U1 U1N，,4.6.2 变极调速 (有级调速),P=2,线圈串联,（鼠笼式电机采用）,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机， 由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对 调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床 等机床上。,线圈并联,4.6.3 变转差率调速 (有级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调 速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少， 缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种 提升、起重设备中。,4.7 三相异步电动机的制动,制动方法,能耗制动 反接制动,通过
