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1、第第5 5章交流电动机的工作原理及特性章交流电动机的工作原理及特性n n掌握异步电动机的人工机械特性掌握异步电动机的人工机械特性, ,它是分析它是分析异步电动机起动异步电动机起动, ,制动制动, ,调速的依据调速的依据; ; n n熟悉异步电动机的铭牌数据和额定值熟悉异步电动机的铭牌数据和额定值; ; n n掌握鼠笼式异步电动机的起动方法掌握鼠笼式异步电动机的起动方法, ,线绕式线绕式异步电动机串电阻的起动异步电动机串电阻的起动, ,制动和调速制动和调速; ; n n掌握异步电动机变磁极对数调速和变频调掌握异步电动机变磁极对数调速和变频调速的特性速的特性. .电动机的分类：电动机的分类：电动机
2、的分类：电动机的分类：鼠笼式异步交流电动机授课内容：鼠笼式异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、基本结构、工作原理、基本结构、工作原理、基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法机械特性、控制方法机械特性、控制方法机械特性、控制方法 电动机电动机电动机电动机交流电动机交流电动机交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机直流电动机直流电动机三相电动机三相电动机三相电动机三相电动机单相电动机单相电动机单相电动机单相电动机同步电动机同步电动机同步电动机同步电动机异步电动机异步电动机异步电动机异步电动机他励、并励电动机他励、并励电动机他励、并励电动机他励、并励电动机串励、复励电动机串励、复励电动机
3、串励、复励电动机串励、复励电动机5.1 概述概述1. .定子定子三相异步电动机的构造三相异步电动机的构造铁心：由内周有槽铁心：由内周有槽铁心：由内周有槽铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。A -XA -XB -Y B -Y C- ZC- Z三相绕组三相绕组三相绕组三相绕组机座：铸钢或铸铁机座：铸钢或铸铁 转子转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。流。2. .转子转子鼠笼转子鼠笼转子铁心铁心铁心铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。由外周有槽的硅钢片叠成。由外周有槽的硅钢片叠成。由外周有槽的硅钢片叠成。 (1) 鼠笼式转子
4、鼠笼式转子 铁芯槽内放铜条，端铁芯槽内放铜条，端 部用短路环形成一体。部用短路环形成一体。 或铸铝形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。(2) 绕线式转子绕线式转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式鼠笼式鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式绕线式绕线式鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：鼠笼式：鼠笼式：鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改结构简单、
5、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性变电动机的机械特性。绕线式：绕线式：绕线式：绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。外加电阻可人为改变电动机的机械特性。5.2 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理7. 2. 1 旋转磁旋转磁场场 定子三相绕组通入三定子三相绕组通入三定子三相绕组通入三定子三相绕组通入三相交流电相交流电相交流电相交流电( (星形联接星形联接星形联接星形联接) )AXBYCZ1 1. . . .旋转磁场的产生旋转磁场的产生旋转磁场的产生旋转磁场的产生oo规定规定 i : “
6、+” 首端流入，尾端流首端流入，尾端流出。出。 i : “” 尾端流入，首端流尾端流入，首端流出。出。 AYCBZX()电流出电流出( )电流入电流入 tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ 三相电流合成磁三相电流合成磁三相电流合成磁三相电流合成磁场场场场 的分布情况的分布情况的分布情况的分布情况合成磁场方向向下合成磁场方向向下合成磁场方向向下合成磁场方向向下合成磁场旋转合成磁场旋转合成磁场旋转合成磁场旋转6060 合成磁场旋转合成磁场旋转合成磁场旋转合成磁场旋转9090600动画动画oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场分析可知：三相电流产生的合成磁场是
7、一旋转的磁场 即：即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过360360取决于三相电流的相序取决于三相电流的相序取决于三相电流的相序取决于三相电流的相序2. .旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向结论：结论：结论：结论： 任意调换两根任意调换两根任意调换两根任意调换两根电源进线，则旋转电源进线，则旋转电源进线，则旋转电源进线，则旋转磁场反转。磁场反转。磁场反转。磁场反转。动画动画任意调换两根电源进线任意调换两根电源进线(电路如图电路如图)AXCZBY0 to3 3. .
8、 . .旋转磁场的极对数旋转磁场的极对数旋转磁场的极对数旋转磁场的极对数P P 当三相定子绕组按当三相定子绕组按当三相定子绕组按当三相定子绕组按图示排列时，产生一对图示排列时，产生一对图示排列时，产生一对图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，磁极的旋转磁场，磁极的旋转磁场，磁极的旋转磁场，即：即：o tAXBYCZAXYCBZ 若定子每相绕组由两个线圈串联若定子每相绕组由两个线圈串联若定子每相绕组由两个线圈串联若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端，绕组的始端，绕组的始端，绕组的始端之间互差之间互差之间互差之间互差6060 ，将形成，将形成，将形成，将形成两对磁极的旋转磁场。两对磁极的旋转磁
9、场。两对磁极的旋转磁场。两对磁极的旋转磁场。CYABCXYZAXBZAXBYC极对数极对数动画动画旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关CYABCXYZAXBZ04 4. . . .旋转磁场的转速旋转磁场的转速旋转磁场的转速旋转磁场的转速工频工频： 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数旋转磁场的转速取决于磁场的极对数旋转磁场的转速取决于磁场的极对数旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时时0 toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2时时0旋转磁场转速旋转磁场转速旋转磁场转速旋转磁场转速n n0 0与极对数与极对数与极对数与极对数 p p 的关系的关系的关
10、系的关系极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速旋转磁场转速旋转磁场转速n0与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。可见可见可见可见: :5. 2. 2 电动机的转动原理电动机的转动原理1. 1. 转动原理转动原理转动原理转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电方向方向方向方向: :顺时针顺时针顺时针顺时针 切割转子导体切割转子导体切割转子导体切割转子导体右手定则右手定则右手定则右手定则感应电动势感应电动势感应电动势感应电动势 E E2020旋转磁场旋转磁场
11、旋转磁场旋转磁场感应电流感应电流感应电流感应电流 I I2 2旋转磁场旋转磁场旋转磁场旋转磁场左手定则左手定则左手定则左手定则电磁力电磁力电磁力电磁力F FF电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩T TnF 5. 2. 3 转差率转差率 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为旋转磁场的同步转速之比称为旋转磁场的同步转速之比称为旋转磁场的同步转速之比称为转差率。转差率。转差率。转差率。 由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场由前面分析可知，电动机转子转动
12、方向与磁场由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速旋转的方向一致，但转子转速旋转的方向一致，但转子转速旋转的方向一致，但转子转速 n n 不可能达到与旋转不可能达到与旋转不可能达到与旋转不可能达到与旋转磁场的转速相等，即磁场的转速相等，即磁场的转速相等，即磁场的转速相等，即异步电动机异步电动机异步电动机异步电动机如果如果:无转子电动势和转子电流无转子电动势和转子电流无转子电动势和转子电流无转子电动势和转子电流 转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切转子与
13、旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条割转子导条割转子导条割转子导条无转矩无转矩无转矩无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中异步电动机运行中异步电动机运行中异步电动机运行中: :转子转速亦可由转差率求得转子转速亦可由转差率求得转差率转差率转差率转差率s 例例1 1：一台三相异步电动机，其额定转速一台三相异步电动机，其额定转速 n= =975 r/min，电源频率电源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的试求电动机的极对数和额
14、定负载下的转差率。极对数和额定负载下的转差率。解：解： 根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：速的关系可知：n0=1000 r/min , 即即即即p p=3=3额定转差率为额定转差率为额定转差率为额定转差率为5.3 三相异步电动机的电路分析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。三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。1)变压器原、副绕组是与同一主磁通变压器原、副绕组是与同一主磁通 相交链，异步相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转电动机
15、中定子和转子绕组与同一旋转磁通磁通 相交链。相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的变压器的原、副绕组。原、副绕组。2）变压器：）变压器： 变化变化 e U1 E1=4.44 f N1 异步机：异步机： 旋转旋转 e U1 E1=4.44 f N1 3）变压器：）变压器：I2 增大增大 I1增大，增大，以保持以保持 基本不变，基本不变，以达到传递能量的目的。以达到传递能量的目的。 5.3 三相异步电动机的电路分析三相异步电动机的电路分析异步机：当负载增加时，转子电流异步机：当负载增加时，转子电流I2 增大增大 I1增大，增大，以保持以保持 基本不
16、变，以达到传递能量的目的。基本不变，以达到传递能量的目的。 三相异步电动机与变压器的不同之处。三相异步电动机与变压器的不同之处。三相异步电动机与变压器的不同之处。三相异步电动机与变压器的不同之处。1 1）变压器是静止的。而）变压器是静止的。而）变压器是静止的。而）变压器是静止的。而异步机是旋转的。异步机是旋转的。2 2）变压器的磁路是无气隙的。而）变压器的磁路是无气隙的。而）变压器的磁路是无气隙的。而）变压器的磁路是无气隙的。而异步机中的定子和异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙。转子之间是有不大的气隙。3 3）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频
17、率的。）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而而而而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。变的。5. 3. 1 定子电路定子电路1 1. . . .旋转磁场的磁通旋转磁场的磁通旋转磁场的磁通旋转磁场的磁通 异步电动机：异步电动机：旋转磁场切割导体旋转磁场切割导体 e， U1 E1= 4.44 f 1N1 每极磁通每极磁通旋转磁场与定子导体间的相对速度为旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，所以所以2 2. . . .定子感应电势的频率定子感应电势的频率定子感应电势的频率定子感应电势的频率
18、f f1感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关f 1= 电源频率电源频率 f异步电动机每相电路异步电动机每相电路异步电动机每相电路异步电动机每相电路i1u1e1e 1e2e 2i2+f1f25. 3. 2 转子电路转子电路1. 1. 转子感应电势频率转子感应电势频率转子感应电势频率转子感应电势频率 f f 2 2定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子定子导体与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导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化变化 定子感应电势频率定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率
19、转子感应电势频率 f 2 转子感应电势频率转子感应电势频率转子感应电势频率转子感应电势频率 f f 2 2旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同2. 2. 转子感应电动势转子感应电动势转子感应电动势转子感应电动势E E 2 2E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2 当转速当转速当转速当转速 n n = 0(= 0(s s=1)=1)时，时，时，时， f f 2 2最高，且最高，且最高，且最高，且 E E2 2 最大，有最大，有最大，有最大，有E20= 4.44 f 1N2 转子静止时转子静止时转子静止时转子静止时的感应电势的感应电势的
20、感应电势的感应电势即即E2= s E20 转子转动时转子转动时转子转动时转子转动时的感应电势的感应电势的感应电势的感应电势3. 3. 转子感抗转子感抗转子感抗转子感抗X X 2 2当转速当转速当转速当转速 n n = 0(= 0(s s =1)=1)时，时，时，时， f f 2 2最高，且最高，且最高，且最高，且 X X2 2 最大，有最大，有最大，有最大，有X20= 2 f1L 2即即X2= sX20 4. 4. 转子电流转子电流转子电流转子电流 I I2 25. 5. 转子电路的功率因数转子电路的功率因数转子电路的功率因数转子电路的功率因数 coscos 2 2转子绕组的感应电流转子绕组的
21、感应电流转子绕组的感应电流转子绕组的感应电流转子绕组的感应电流转子绕组的感应电流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转子电路的功率因数转子电路的功率因数转子电路的功率因数 结论：结论：转子转动时，转转子转动时，转 子电路中的各量均与转子电路中的各量均与转 差率差率 s有关，即与转速有关，即与转速 n有关。有关。I2cos 2s1I2,O5.4 三相异步电动机转矩与机械特性三相异步电动机转矩与机械特性5. 4. 1 转矩公式转矩公式 转子中各载流导体在旋转磁场的作用下转子中各载流导体在旋转磁场的作用下转子中各载流导体在旋转磁场的作用下转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, ,受到
22、受到受到受到电磁力所形成的转矩之总和。电磁力所形成的转矩之总和。电磁力所形成的转矩之总和。电磁力所形成的转矩之总和。常数，与电常数，与电机结构有关机结构有关旋转磁场旋转磁场每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路的转子电路的功率因数功率因数由此得电磁转矩公式由此得电磁转矩公式由此得电磁转矩公式由此得电磁转矩公式由前面分析知：由前面分析知：由公式可知由公式可知由公式可知由公式可知电磁转矩公式电磁转矩公式电磁转矩公式电磁转矩公式1. 1. T T 与定子每相绕组电压与定子每相绕组电压与定子每相绕组电压与定子每相绕组电压 成正比。成正比。成正比。成正比。U U 1 1 T T 2. 2. 当电源电压
23、当电源电压当电源电压当电源电压 U U1 1 一定时，一定时，一定时，一定时，T T 是是是是 s s 的函数。的函数。的函数。的函数。3. 3. R R2 2 的大小对的大小对的大小对的大小对 T T 有影响。绕线式异步电动机可外有影响。绕线式异步电动机可外有影响。绕线式异步电动机可外有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻接电阻来改变转子电阻接电阻来改变转子电阻接电阻来改变转子电阻R R2 2 ，从而改变转距。从而改变转距。从而改变转距。从而改变转距。5. 4. 2 机械特性曲线机械特性曲线OTS根据转矩公式根据转矩公式得特性曲线：得特性曲线：OT1电动机在额定负载时的转矩。电动
24、机在额定负载时的转矩。电动机在额定负载时的转矩。电动机在额定负载时的转矩。1 1. . . .额定转矩额定转矩额定转矩额定转矩TN N三个重要转矩三个重要转矩三个重要转矩三个重要转矩OT额定转矩额定转矩额定转矩额定转矩(N m) 如某普通机床的主轴电机如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型型) 的额定功的额定功率为率为7.5kw, 额定转速为额定转速为1440r/min, 则额定转矩为则额定转矩为2 2. . . .最大转矩最大转矩最大转矩最大转矩 T Tmaxmax 转子轴上机械负载转矩转子轴上机械负载转矩转子轴上机械负载转矩转子轴上机械负载转矩T T2 2 不能大于不能大于不能大于不能大
25、于T Tmaxmax ，否则将否则将否则将否则将造成堵转造成堵转造成堵转造成堵转( (停车停车停车停车) )。电机带动最大负载的能力。电机带动最大负载的能力。电机带动最大负载的能力。电机带动最大负载的能力。令：令：求得求得临界转差率临界转差率OT TTmax将将sm代入转矩公式，可得代入转矩公式，可得当当当当 U U1 1 一定时，一定时，一定时，一定时，T Tmaxmax为定值为定值为定值为定值过载系数过载系数过载系数过载系数( (能力能力能力能力) )一般三相异步电动机的过载系数为一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使工作时必须使工作时必须使工作时必须使T T2 2 T T2 2电机能
26、起电机能起电机能起电机能起动，否则不能起动。动，否则不能起动。动，否则不能起动。动，否则不能起动。OTT Tst st起动能力起动能力4. 4. U U1 1 和和和和 R R2 2变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响(1(1) ) U U1 1 变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响U Tm Tst T2TO(2(2) ) R R2 2 变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响TOR2 Tst n 硬特性：硬特性：硬特性：硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。
27、负载变化时，转速变化不大，运行特性好。负载变化时，转速变化不大，运行特性好。负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：软特性：软特性：软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。起动特性好。起动特性好。起动特性好。 5.5 电力拖动的基础电力拖动的基础 电力拖动是指用各种电动机作为原动机拖动电力拖动是指用各种电动机作为原动机拖动生产机械运转的拖动方式。生产机械运转的拖动方式。电源电源电源电源电动机电动机电动机电动机控制设备控制设备控制设备控制设备传动机构传动机构传
28、动机构传动机构工作机构工作机构工作机构工作机构7.5.1 7.5.1 电力拖动系统的稳定运行分析电力拖动系统的稳定运行分析电力拖动系统的稳定运行分析电力拖动系统的稳定运行分析根据动力学理论，旋转运动系统中，用转矩表示根据动力学理论，旋转运动系统中，用转矩表示根据动力学理论，旋转运动系统中，用转矩表示根据动力学理论，旋转运动系统中，用转矩表示的运动方程为：的运动方程为：的运动方程为：的运动方程为：5.5.1 5.5.1 电力拖动系统的稳定运行分析电力拖动系统的稳定运行分析电力拖动系统的稳定运行分析电力拖动系统的稳定运行分析或或或或根据上式可分析电动机的工作状态如下：根据上式可分析电动机的工作状态
29、如下：根据上式可分析电动机的工作状态如下：根据上式可分析电动机的工作状态如下：当当当当n=0n=0，或，或，或，或n=constn=const系统处于系统处于系统处于系统处于某一稳定状态某一稳定状态某一稳定状态某一稳定状态当当当当系统处于加速状态系统处于加速状态系统处于加速状态系统处于加速状态当当当当系统处于减速状态系统处于减速状态系统处于减速状态系统处于减速状态由上可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰由上可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰由上可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰由上可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰电力系统能否稳定运行，决定于电动机的电力系统能否稳
30、定运行，决定于电动机的电力系统能否稳定运行，决定于电动机的电力系统能否稳定运行，决定于电动机的n=f(T)n=f(T)和和和和生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性n=f(Tn=f(TL L) )的的的的配合。配合。配合。配合。 生产机械的负载类型：生产机械的负载类型： 1.恒转矩负载：即负载转矩恒转矩负载：即负载转矩TL的大小不随的大小不随n变化。变化。（1）反抗性恒转矩负载）反抗性恒转矩负载平衡被打破，转速将发生变化。平衡被打破，转速将发生变化。平衡被打破，转速将发生变化。平衡被打破，转速将发生变化。特点：负载转矩特点：负载转矩的大小不变，
31、但的大小不变，但负载转矩的方向负载转矩的方向始终与生产机械始终与生产机械运动的方向相反运动的方向相反TnTLTLn-n-TLTnTLTLnGTL-nG 2.恒功率负载：恒功率负载：方向特点属于反抗性负载，方向特点属于反抗性负载，大小特点当大小特点当n变化时，负载变化时，负载从电动机吸收的功率恒定。从电动机吸收的功率恒定。 即即常数常数 TnTLn如：机床切削加工如：机床切削加工（2）位能性恒转矩负载）位能性恒转矩负载负载转矩的大小和方向始终不变负载转矩的大小和方向始终不变如：提升重物时，负载转如：提升重物时，负载转矩为阻转矩。矩为阻转矩。如：下放重物时，负载转如：下放重物时，负载转矩为驱动转矩
32、。矩为驱动转矩。电动机的稳定运行的条件电动机的稳定运行的条件电动机的稳定运行的条件电动机的稳定运行的条件TLTLTO2 2）在交点上要满足）在交点上要满足）在交点上要满足）在交点上要满足1 1）n=f(T)n=f(T)与与与与n=f(Tn=f(TL L) )有交点有交点有交点有交点如拖动恒定负载，在直线段运行如拖动恒定负载，在直线段运行如拖动恒定负载，在直线段运行如拖动恒定负载，在直线段运行TL sTL TT =TLn T 达到新的平衡达到新的平衡若在曲线段运行若在曲线段运行若在曲线段运行若在曲线段运行不能稳定运行不能稳定运行电动机的稳定运行的条件电动机的稳定运行的条件电动机的稳定运行的条件电
33、动机的稳定运行的条件TOHP通常称通常称HP段为稳定运行段段为稳定运行段通常称通常称HQ段为不稳定运行段段为不稳定运行段Q 电力拖动的稳定运行的条件，不论对交流电动电力拖动的稳定运行的条件，不论对交流电动电力拖动的稳定运行的条件，不论对交流电动电力拖动的稳定运行的条件，不论对交流电动机还是直流电动机都是适用的，因而具有普遍意义。机还是直流电动机都是适用的，因而具有普遍意义。机还是直流电动机都是适用的，因而具有普遍意义。机还是直流电动机都是适用的，因而具有普遍意义。5.35.3三相异步三相异步电动机的机的转矩与机械特性矩与机械特性 1.1.三相异步三相异步电动机的机的转矩矩 三相异步电动机的转矩
34、是由旋转磁场的每极磁通与转子电流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相互作用而产生的相互作用而产生的相互作用而产生的: : : : n n n n 代入代入用用代入代入,合并上面几个式子得转矩又一公式合并上面几个式子得转矩又一公式:注意注意,转矩与电压平方成正比转矩与电压平方成正比2.2.三相异步三相异步电动机的机械特性机的机械特性n=n=f(Tf(T) ) 1)1)固有机械特性固有机械特性( (自然机械特性自然机械特性):):在额定电压在额定电压在额定电压在
35、额定电压和额定频率下和额定频率下和额定频率下和额定频率下, , , ,定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时, , , ,电动机的机械特性电动机的机械特性电动机的机械特性电动机的机械特性. . . . (2)(2)(2)(2)额额定工作点定工作点定工作点定工作点 T=TT=TT=TT=TN N N N, n=, n=, n=, n=n n n nN N N N, S=S, S=S, S=S, S=SN N N N; ; ; ;此此此此时时有有有有 自然特性上有自然特性上有自然特性上有自然特
36、性上有4 4 4 4个特殊点个特殊点个特殊点个特殊点: : : : (1) (1) (1) (1)理想空理想空理想空理想空载转载转速点速点速点速点n n n no o o o T=0, n=n T=0, n=n T=0, n=n T=0, n=no o o o, S=0;, S=0;, S=0;, S=0;(3)(3)(3)(3)起起起起动动工作点工作点工作点工作点 T=T=T=T=T T T Tstststst, n=0, S=1;, n=0, S=1;, n=0, S=1;, n=0, S=1;此此此此时时有有有有 (4)(4)(4)(4)临临界工作点界工作点界工作点界工作点 T=T=T=
37、T=T T T Tanmanmanmanm, n=n, n=n, n=n, n=nm m m m, s=, s=, s=, s=S S S Sm m m m; ; ; ;有有有有: : : : 自然机械特性自然机械特性自然机械特性自然机械特性2)2)2)2)人工机械特性人工机械特性人工机械特性人工机械特性 介绍介绍介绍介绍4 4 4 4种人工特性种人工特性种人工特性种人工特性, , , ,即即即即: : : :降低定子电压时降低定子电压时降低定子电压时降低定子电压时, , , ,定子电路定子电路定子电路定子电路串入电阻或电抗时串入电阻或电抗时串入电阻或电抗时串入电阻或电抗时, , , ,变频率
38、时变频率时变频率时变频率时, , , ,线绕电动机转子串电阻时线绕电动机转子串电阻时线绕电动机转子串电阻时线绕电动机转子串电阻时. . . . (1)(1)(1)(1)降低降低降低降低电压时电压时的人工特性的人工特性的人工特性的人工特性 n n电压越低电压越低电压越低电压越低, , , ,人工特性曲线越往人工特性曲线越往人工特性曲线越往人工特性曲线越往左移左移左移左移; ; ; ; n n 电动电动机的机的机的机的过载过载能力和起能力和起能力和起能力和起动动转矩会大大降低转矩会大大降低转矩会大大降低转矩会大大降低; ; ; ; n n 电压电压降低降低降低降低, , , ,负载转负载转矩不矩不
39、矩不矩不变变时时, , , ,电动机过热电动机过热电动机过热电动机过热; ; ; ; n n 电压电压降低太多降低太多降低太多降低太多, , , ,电动电动机将机将机将机将带带不动负载不动负载不动负载不动负载( ( ( (不能起动不能起动不能起动不能起动). ). ). ). (2)(2)(2)(2)定子定子定子定子电电路串入路串入路串入路串入电电阻或阻或阻或阻或电电抗抗抗抗时的人工特性时的人工特性时的人工特性时的人工特性 n n定子电路串电阻或电抗时的人工定子电路串电阻或电抗时的人工定子电路串电阻或电抗时的人工定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中虚线机械特性如右图中虚线机械特性如右图
40、中虚线机械特性如右图中虚线2 2 2 2所示所示所示所示,1,1,1,1为电为电为电为电压降低时的人工机械特性压降低时的人工机械特性压降低时的人工机械特性压降低时的人工机械特性; ; ; ; n n n n 曲曲曲曲线线2 2 2 2与曲与曲与曲与曲线线1 1 1 1相比相比相比相比较较, , , ,最大最大最大最大转转矩矩矩矩要大一些要大一些要大一些要大一些. . . . n n (3)(3)(3)(3)改改改改变变定子定子定子定子电电源源源源频频率率率率时时的人工的人工的人工的人工特性特性特性特性 n n n n 随着频率的降低随着频率的降低随着频率的降低随着频率的降低, , , ,理想理
41、想理想理想空载转速只能在电源额定空载转速只能在电源额定空载转速只能在电源额定空载转速只能在电源额定频率以下调节频率以下调节频率以下调节频率以下调节; ; ; ; n n转速转速转速转速n n n no o o o减小减小减小减小, , , ,临界转差率临界转差率临界转差率临界转差率S S S Sm m m m减小减小减小减小, , , ,起动转矩起动转矩起动转矩起动转矩T T T Tstststst增大增大增大增大, , , ,最大转矩最大转矩最大转矩最大转矩T T T Tmaxmaxmaxmax不变不变不变不变. . . . n n (4)(4)(4)(4)三相三相三相三相线绕线绕式异步式异
42、步式异步式异步电动电动机机机机 转子电路外接电阻时的人转子电路外接电阻时的人转子电路外接电阻时的人转子电路外接电阻时的人工特性工特性工特性工特性 n n n n电路图如右图中电路图如右图中电路图如右图中电路图如右图中(a)(a)(a)(a)所示所示所示所示, , , ,三相转子绕组通三相转子绕组通三相转子绕组通三相转子绕组通过滑环电刷机构与外过滑环电刷机构与外过滑环电刷机构与外过滑环电刷机构与外接电阻相联接接电阻相联接接电阻相联接接电阻相联接; ; ; ; n n n n起动转矩增加起动转矩增加起动转矩增加起动转矩增加( ( ( (有利有利有利有利),),),),理想空载转速和最理想空载转速和
43、最理想空载转速和最理想空载转速和最大转矩不变大转矩不变大转矩不变大转矩不变. . . . n n 5.65.6三相异步三相异步电动机的机的调速特性速特性由基本公式由基本公式由基本公式由基本公式 异步电动机的调速方法主要有三种异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数变磁极对数p;变转差率变转差率S;变频率变频率f.可得异步电动机的转速方程式为可得异步电动机的转速方程式为可得异步电动机的转速方程式为可得异步电动机的转速方程式为: : : : 和基本公式和基本公式和基本公式和基本公式1.1.变磁极磁极对数数调速速 1)1)1)1)方法方法方法方法: : : : 改变定子绕组的连接改变定子绕组的连接
44、改变定子绕组的连接改变定子绕组的连接, , , ,可以得到两个不同的磁极可以得到两个不同的磁极可以得到两个不同的磁极可以得到两个不同的磁极对数对数对数对数. . . . 2)2)2)2)多速多速多速多速电动电动机机机机: : : : 最多在电动机中嵌入最多在电动机中嵌入最多在电动机中嵌入最多在电动机中嵌入两套绕组两套绕组两套绕组两套绕组, , , ,使绕组有不同的使绕组有不同的使绕组有不同的使绕组有不同的连接连接连接连接, , , ,可分别得到双速可分别得到双速可分别得到双速可分别得到双速, , , ,三三三三速速速速, , , ,四速电动机四速电动机四速电动机四速电动机, , , ,双速应用
45、双速应用双速应用双速应用较多较多较多较多. . . .4 4 4 4极极极极 2 2 2 2极极极极变磁极对数调速3)3)3)3)特点特点特点特点: : : : 结结构构构构简单简单, , , ,效率高效率高效率高效率高, , , ,特性好特性好特性好特性好; ; ; ;体体体体积积大大大大, , , ,价格高价格高价格高价格高. . . .在中小机床在中小机床在中小机床在中小机床上应用比较多上应用比较多上应用比较多上应用比较多. . . . 双速电动机的高低速转换双速电动机的高低速转换双速电动机的高低速转换双速电动机的高低速转换, , , ,一般是先低速一般是先低速一般是先低速一般是先低速,
46、 , , ,再转换为高速再转换为高速再转换为高速再转换为高速. . . . n n 双速电动机双速电动机双速电动机双速电动机Y/YY Y/YY Y/YY Y/YY 2.2.转子子电路串路串电阻阻( (变转差率差率) )调速速 1)1)1)1)应应用范用范用范用范围围: : : : 只适用于只适用于只适用于只适用于线绕线绕式异步式异步式异步式异步电动电动机机机机. . . . 2)2)2)2)原理原理原理原理电电路和机械特性与串路和机械特性与串路和机械特性与串路和机械特性与串电电阻降阻降阻降阻降压压起起起起动动相同相同相同相同. . . . 线绕线绕式异步式异步式异步式异步电动电动机的起机的起机
47、的起机的起动电动电阻阻阻阻, , , ,适当增大适当增大适当增大适当增大电电阻的容阻的容阻的容阻的容量量量量, , , ,可作调速电阻用可作调速电阻用可作调速电阻用可作调速电阻用. . . . 3)3)3)3)特点特点特点特点: : : : 结结构构构构简单简单, , , ,动动作可靠作可靠作可靠作可靠; ; ; ;是有是有是有是有级调级调速速速速. . . . 4)4)4)4)应应用用用用: : : : 用于重复短用于重复短用于重复短用于重复短时时工作制的生工作制的生工作制的生工作制的生产产机械机械机械机械, , , ,如起重机械如起重机械如起重机械如起重机械. . . .三相电磁调速异步电
48、动机也属于变转差率调速三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速3.3.变频调速速 1)1)1)1)原理原理原理原理: : : : 由上式可知由上式可知由上式可知由上式可知, , , ,改改改改变变交流交流交流交流电电源的源的源的源的频频率率率率, , , ,就可以平滑地就可以平滑地就可以平滑地就可以平滑地调调节电动机的转速节电动机的转速节电动机的转速节电动机的转速. . . . 2)2)2)2)一般采用一般采用一般采用一般采用频频率和率和率和率和电压电压同同同同时时改改改改变变的的的的变频电变频电源源源源. . .
49、 . 3)3)3)3)应应用范用范用范用范围围: : : : 用于鼠用于鼠用于鼠用于鼠笼笼式异步式异步式异步式异步电动电动机机机机. . . .组组成成成成SCR-MSCR-MSCR-MSCR-M调调速系速系速系速系统统. . . . 变频调速是交流调速发展的方向变频调速是交流调速发展的方向变频调速是交流调速发展的方向变频调速是交流调速发展的方向. . . .有关内容在后面的有关内容在后面的有关内容在后面的有关内容在后面的章节详细介绍章节详细介绍章节详细介绍章节详细介绍. . . . 5.7 5.7 单相异步相异步电动机机1.1.单相异步相异步电动机的磁机的磁场-脉脉动磁磁场 1)1)1)1)
50、单单相异步相异步相异步相异步电动电动机起机起机起机起动动转矩为零转矩为零转矩为零转矩为零. . . . 2) 2) 2) 2)单单相相相相电动电动机一旦起机一旦起机一旦起机一旦起动动, , , ,就能自行加速至运行就能自行加速至运行就能自行加速至运行就能自行加速至运行状态状态状态状态. . . .其旋转方向完全其旋转方向完全其旋转方向完全其旋转方向完全取决于起动时的旋转取决于起动时的旋转取决于起动时的旋转取决于起动时的旋转方向方向方向方向. . . .2.2.单相异步相异步电动机的起机的起动方法方法 单相异步电动机的起动方法有电容分相和罩极式两种单相异步电动机的起动方法有电容分相和罩极式两种单
51、相异步电动机的起动方法有电容分相和罩极式两种单相异步电动机的起动方法有电容分相和罩极式两种. . . . 1 1) ) ) )电电容分相式异步容分相式异步容分相式异步容分相式异步电动电动机机机机 定子有空定子有空定子有空定子有空间间互相垂直的互相垂直的互相垂直的互相垂直的工作绕组工作绕组工作绕组工作绕组AXAXAXAX和串入电容器的起和串入电容器的起和串入电容器的起和串入电容器的起动绕组动绕组动绕组动绕组BY,BY,BY,BY,能产生一个旋转磁场能产生一个旋转磁场能产生一个旋转磁场能产生一个旋转磁场, , , ,使之自行起动使之自行起动使之自行起动使之自行起动. . . .分为电容起动型和电容
52、运行型分为电容起动型和电容运行型分为电容起动型和电容运行型分为电容起动型和电容运行型 两种两种两种两种. . . .单相异步电动机的起动方法单相异步电动机的起动方法2)2)2)2)罩极式罩极式罩极式罩极式单单相异步相异步相异步相异步电动电动机机机机 利用短路利用短路利用短路利用短路环环罩住磁极的罩住磁极的罩住磁极的罩住磁极的一部分一部分一部分一部分, , , ,使罩极部分的磁通在相使罩极部分的磁通在相使罩极部分的磁通在相使罩极部分的磁通在相位上滞后于未罩部分的磁通位上滞后于未罩部分的磁通位上滞后于未罩部分的磁通位上滞后于未罩部分的磁通, , , ,从从从从而产生起动转矩而产生起动转矩而产生起动
53、转矩而产生起动转矩. . . . n n 5.85.8同步同步电动机的工作原理机的工作原理, ,特点及特点及应用用1.1.同步同步电动机的基本机的基本结构构 1)1)1)1)定子定子定子定子 定子由定子由定子由定子由铁铁心心心心, , , ,定子定子定子定子绕组绕组 ( ( ( (电电枢绕组枢绕组枢绕组枢绕组),),),),机座机座机座机座, , , ,端盖等部件组成端盖等部件组成端盖等部件组成端盖等部件组成. . . . 定子定子定子定子绕组绕组与异步与异步与异步与异步电动电动机一机一机一机一样样, , , ,为三相对称绕组为三相对称绕组为三相对称绕组为三相对称绕组, , , ,通有三相交流
54、电通有三相交流电通有三相交流电通有三相交流电. . . . 2) 2) 2) 2)转转子子子子 转转子由主磁极子由主磁极子由主磁极子由主磁极, , , ,直流激磁直流激磁直流激磁直流激磁绕绕组和起动装置组成组和起动装置组成组和起动装置组成组和起动装置组成. . . . 主磁极分主磁极分主磁极分主磁极分为隐为隐极式极式极式极式( ( ( (适用于适用于适用于适用于高速高速高速高速) ) ) )和凸极式和凸极式和凸极式和凸极式( ( ( (适用于低速适用于低速适用于低速适用于低速) ) ) )两种两种两种两种. . . . 起起起起动动装置包括鼠装置包括鼠装置包括鼠装置包括鼠笼笼型起型起型起型起动
55、绕动绕组组组组, , , ,电刷及集电环电刷及集电环电刷及集电环电刷及集电环. . . .隐极式隐极式凸极式凸极式2.2.同步同步电动机的工作原理和运行特性机的工作原理和运行特性 1)1)1)1)同步同步同步同步电动电动机的工作原理机的工作原理机的工作原理机的工作原理 在在在在电电枢枢枢枢绕组绕组中通入三相交中通入三相交中通入三相交中通入三相交流电流电流电流电, , , ,气隙中产生旋转磁场气隙中产生旋转磁场气隙中产生旋转磁场气隙中产生旋转磁场; ; ; ;在在在在转子绕组中通入直流电转子绕组中通入直流电转子绕组中通入直流电转子绕组中通入直流电, , , ,同一气同一气同一气同一气隙中又产生一
56、个恒稳磁场隙中又产生一个恒稳磁场隙中又产生一个恒稳磁场隙中又产生一个恒稳磁场, , , ,这两这两这两这两个磁场相互作用个磁场相互作用个磁场相互作用个磁场相互作用, , , ,将转子拖入同将转子拖入同将转子拖入同将转子拖入同步步步步. . . . 同步电动机的工作原理和运行特性同步电动机的工作原理和运行特性 2)2)2)2)同步同步同步同步电动电动机的机械特性机的机械特性机的机械特性机的机械特性 同步同步同步同步电动电动机机机机转转子的子的子的子的转转速速速速n: n: n: n: n=n n=n n=n n=n0 0 0 0 机械特性如下机械特性如下机械特性如下机械特性如下图图所示所示所示所
57、示. . . .3)同步电动机的特点 通通通通过调节过调节直流激磁直流激磁直流激磁直流激磁电电流流流流, , , ,能控制功率因数的大小和能控制功率因数的大小和能控制功率因数的大小和能控制功率因数的大小和性质性质性质性质.(.(.(.(感性或容性感性或容性感性或容性感性或容性) ) ) ) (1) (1) (1) (1)正常激磁正常激磁正常激磁正常激磁: : : :调节调节直流激直流激直流激直流激磁电流使磁电流使磁电流使磁电流使 , , , , 交流不提供激磁交流不提供激磁交流不提供激磁交流不提供激磁电电流流流流. . . . (2)(2)(2)(2)欠激欠激欠激欠激: : : :直流激磁直流
58、激磁直流激磁直流激磁电电流小于流小于流小于流小于正常激磁电流正常激磁电流正常激磁电流正常激磁电流, , , ,交流电源提交流电源提交流电源提交流电源提供一部分激磁电流供一部分激磁电流供一部分激磁电流供一部分激磁电流, , , ,定子电定子电定子电定子电路为感性路为感性路为感性路为感性, , , ,功率因数小于功率因数小于功率因数小于功率因数小于1. 1. 1. 1. (3)(3)(3)(3)过过激激激激: : : :直流激磁直流激磁直流激磁直流激磁电电流大于流大于流大于流大于正常激磁电流正常激磁电流正常激磁电流正常激磁电流, , , ,交流电源不交流电源不交流电源不交流电源不仅不提供激磁电流仅
59、不提供激磁电流仅不提供激磁电流仅不提供激磁电流, , , ,还向电还向电还向电还向电网发出无功功率网发出无功功率网发出无功功率网发出无功功率, , , ,定子电路定子电路定子电路定子电路为容性为容性为容性为容性, , , ,功率因数小于功率因数小于功率因数小于功率因数小于1. 1. 1. 1. 4)同步补偿机 在在在在过过激状激状激状激状态态下运行下运行下运行下运行( ( ( (功功功功率因数小于率因数小于率因数小于率因数小于1,1,1,1,容性容性容性容性) ) ) )的同步的同步的同步的同步电动机称为同步补偿机电动机称为同步补偿机电动机称为同步补偿机电动机称为同步补偿机. . . . 此此
60、此此时时, , , ,电动电动机机机机仅仅用于用于用于用于补补偿电网滞后的功率因数偿电网滞后的功率因数偿电网滞后的功率因数偿电网滞后的功率因数. . . . 也有只也有只也有只也有只发发出无功功率的出无功功率的出无功功率的出无功功率的发电厂发电厂发电厂发电厂. . . . n n n n 注意注意注意注意: : : : (1)(1)(1)(1)同步同步同步同步电动电动机适用于大功率机适用于大功率机适用于大功率机适用于大功率高电压的场合高电压的场合高电压的场合高电压的场合. . . . (2)(2)(2)(2)同步同步同步同步电电机既可作机既可作机既可作机既可作电动电动机使机使机使机使用用用用,
61、 , , ,还可作发电机还可作发电机还可作发电机还可作发电机, , , ,发电厂发电厂发电厂发电厂中的交流发电机中的交流发电机中的交流发电机中的交流发电机, , , ,全部采用全部采用全部采用全部采用同步发电机同步发电机同步发电机同步发电机3.3.同步同步电动机的起机的起动 1)1)1)1)起起起起动动方法方法方法方法: : : :异步起异步起异步起异步起动法动法动法动法 在同步在同步在同步在同步电动电动机机机机转转子磁极的极掌上装有起动子磁极的极掌上装有起动子磁极的极掌上装有起动子磁极的极掌上装有起动绕组绕组绕组绕组; ; ; ; 同步同步同步同步电动电动机的三机的三机的三机的三相定子绕组通
62、入三相交流相定子绕组通入三相交流相定子绕组通入三相交流相定子绕组通入三相交流电电电电, , , ,按异步电动机起动按异步电动机起动按异步电动机起动按异步电动机起动, , , ,达达达达到接近同步转速到接近同步转速到接近同步转速到接近同步转速; ; ; ; 再在激磁再在激磁再在激磁再在激磁绕组绕组中中中中通入直流电通入直流电通入直流电通入直流电, , , ,将转子拉入同将转子拉入同将转子拉入同将转子拉入同步步步步. . . . 1)1)1)1)转换转换开关开关开关开关QBQBQBQB置于置于置于置于“1 1 1 1”位置位置位置位置; ; ; ; 2) 2) 2) 2)按异步按异步按异步按异步电
63、动电动机起机起机起机起动动方法起动方法起动方法起动方法起动, , , ,达到接近同步达到接近同步达到接近同步达到接近同步转速转速转速转速; ; ; ; 3)QB 3)QB 3)QB 3)QB置于置于置于置于“2 2 2 2”, , , ,激磁激磁激磁激磁绕组通入直流绕组通入直流绕组通入直流绕组通入直流, , , ,产生恒等产生恒等产生恒等产生恒等式磁场式磁场式磁场式磁场, , , ,将转子拉入同步将转子拉入同步将转子拉入同步将转子拉入同步. . . . 右右右右图图中的中的中的中的变变阻器阻器阻器阻器R1R1R1R1用用用用于调节激磁电流于调节激磁电流于调节激磁电流于调节激磁电流, , , ,从而调从而调从而调从而调节同步电动机的功率因节同步电动机的功率因节同步电动机的功率因节同步电动机的功率因数数数数. . . .2.2.2.2.起起起起动动步步步步骤骤: : : :
