交流电机CHAPTER7

nullnull7.1 三相异步电动机的构造第7章 交流电动机7.2 三相异步电动机的转动原理7.3 三相异步电动机的电路分析7.4 三相异步电动机转矩与机械特性7.5 三相异步电动机的起动7.6 三相异步电动机的调速7.7 三相异步电动机的制动7.8 三相异步电动机铭牌数据7.9 三相异步电动机的选择7.11 单相异步电动机7.10 同步电动机(略)第7章 交流电动机第7章 交流电动机本章要求：1. 了解三相交流异步电动机的基本构造和转动 原理。2. 理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握 起动和反转的基本方法, 了解调速和制动的 方法。3. 理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。第7章 交流电动机第7章 交流电动机电动机的分类：鼠笼式异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法 7.1 三相异步电动机的构造7.1 三相异步电动机的构造1.定子2.转子2.转子 转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 (2) 绕线式转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。null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： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式： 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。7.2 三相异步电动机的转动原理7.2 三相异步电动机的转动原理null7. 2. 1 旋转磁场 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null规定(•)电流出()电流入 三相电流合成磁 场 的分布情况 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°动画null分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：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。动画任意调换两根电源进线 (电路如图)3.旋转磁场的极对数P3.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：null 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。null动画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4.旋转磁场的转速 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时nullp=2时null旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系7. 2. 2 电动机的转动原理7. 2. 2 电动机的转动原理1. 转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电感应电动势 E20电磁力Fnull 7. 2. 3 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之比称为转差率。 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 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。null转子转速亦可由转差率求得转差率s 例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转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 即p=3额定转差率为7.3 三相异步电动机的电路分析7.3 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。变压器： 变化 e U1 E1= 4.44 f N1 E2= 4.44 f N2E1 、E2 频率相同，都等于电源频率。7. 3. 1 定子电路7. 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.定子感应电势的频率 f1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 f7. 3. 2 转子电路7. 3. 2 转子电路1. 转子感应电势频率 f 2∵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 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旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同2. 转子感应电动势E 22. 转子感应电动势E 2E2= 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 f1L2即X2= sX20 4. 转子电流 I24. 转子电流 I25. 转子电路的功率因数 cos2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 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。7.4 三相异步电动机转矩与机械特性7.4 三相异步电动机转矩与机械特性8. 4. 1 转矩 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的 功率因数null由此得电磁转矩公式null由公式可知电磁转矩公式2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。3. R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。null7. 4. 2 机械特性曲线根据转矩公式得特性曲线：动画动画null三个重要转矩电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN额定转矩(N • m) 如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为2.最大转矩 Tmax2.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null当 U1 一定时，Tmax为定值一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使T2 T2电机能起动，否则不能起动。4. 电动机的运行分析4. 电动机的运行分析 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 、sE2 , I2  I1 电源提供的功率自动增加。T2sT2 >TT =T2n T   达到新的平衡5. U1 和 R2变化对机械特性的影响5. U1 和 R2变化对机械特性的影响(1) U1 变化对机械特性的影响T2(2) R2 变化对机械特性的影响(2) R2 变化对机械特性的影响R2Tst n硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。  (2) R2 变化对机械特性的影响(2) R2 变化对机械特性的影响 不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。7.5 三相异步电动机的起动7.5 三相异步电动机的起动7. 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(1.0~2.2)倍。后果：原因：起动： n = 0，s =1, 接通电源。7.5.2 起动方法7.5.2 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。（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。null1. 降压起动(1) Y－ 换接起动Y－  起动器接线简图Y－  起动器接线简图静触点Y－  起动器接线简图Y－  起动器接线简图Y起动Y－  起动器接线简图Y－  起动器接线简图  工作Y- 换接起动应注意的问题(a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 Y－ 换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y- 换接起动应注意的问题(2) 自耦降压起动(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QQ2 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。2.绕线式电动机转子电路串电阻起动RRR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•转子电路串电阻起动的特点 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 ­ Þ Tst ­转子电路串电阻起动的特点三相异步电动机的正、反转 方法：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: 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：P2N=45kW, nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN= 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TN 。null 2）由nN=1480r/min，可知 p=2 （四极电动机） 3）null解： 在上例中(1)如果负载转矩为 510.2N•m, 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。 又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？ (1) 在U=UN时 Tst = 551.8N•m > 510.2 N. m 不能起动 (2) Ist =7IN=784.2=589.4 A 在U´= 0.9UN 时能起动例2:null在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动null例3: 对例8.5.1中的电动机采用自耦变压器降压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流Ist´´和电动机的起动转矩Tst´。解：设电动机的起动电压为U'，电动机的起动 电流为Ist 依据变压器的一次、二次侧电压电流关系， 可求得线路起动电流Ist´´。nullnull 采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的 电压与额定电压之比为 x ，则线路 起动电流Ist" 为电动机的起动转距Tst´为结论：7.6 三相异步电动机的调速7.6.1 变频调速 (无级调速)频率调节范围：0.5~几百赫兹7.6 三相异步电动机的调速null7.6.2 变极调速 (有级调速) 变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性 能优异，因而正获得越来越广泛的应用。P=2nullP=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。null7.6.3 变转差率调速 (无级调速) 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。7.7 三相异步电动机的制动7.7 三相异步电动机的制动7.7.1 能耗制动制动方法能耗制动 反接制动 发电反馈制动 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相 绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与 旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的 转距（制动转距），使转子迅速停止转动。null7.7.2 反接制动 停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。 null7.7.3 发电反馈制动 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速 时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变 化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制null动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成 电能回送给电网。n > n07.8 三相异步电动机铭牌数据7.8 三相异步电动机铭牌数据1. 型号 例如： Y 132 M－4 用以

表

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明电动机的系列、几何尺寸和极数。教材表8.8.1中列出了各种电动机的系列代号。null异步电动机产品名称代号2. 接法2. 接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常Y 联结 联结null3. 电压例如：380/220V、Y/ 是指线电压为 380V 时 采用 Y联结；线电压为 220V 时采用  联结。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低 于额定值的 5% 。因为在电动机满载或接近 满载情况下运行时，电压过高 或过低都会使 电动机的电流大于额定值, 从而使电动机过热。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。 三相异步电动机的额定电压有380V，3000V, 及6000V等多种。4. 电流4. 电流例如： Y /  6.73 / 11.64 A 表示星形联结下电机的线电流为 6.73A；三角形联结下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。 5. 功率与效率 电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。null注意：实用中应选 择容量合适的电机，防止出现 “大马拉 小车” 的现象。6. 功率因数 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载 时约为 0.7 ~ 0.9。空载时功率因数很低，只有 0.2 ~ 0.3。额定负载时，功率因数最高。 7. 额定转速电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。null如： n N =1440 转/分 sN = 0.048. 绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分 为A、E、B、F、H五级，A级最低(105ºC)，H级最高(180ºC)。7.9 三相异步电动机的选择7.9.1 功率的选择 功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。1. 对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2. 对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。7.9 三相异步电动机的选择null7.9.2 种类和型式的选择1. 种类的选择 一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。 只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场 合才选用绕线式电动机。2. 结构型式的选择 根据工作环境的条件选择不同的结构型式， 如开启式、防护式、封闭式电动机。7.9.3 电压和转速的选择 根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。 Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个 等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。7.11 单相异步电动机 单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式。 定子绕组中通入单相交流电后, 形成脉动磁场，若不采取措施，将无法获得所需的起动转矩。定子定子 绕组转子7.11.1 单相异步电动机的工作原理7.11 单相异步电动机null 定子绕组产生的脉动磁场，可用正、反两个 旋转磁场合成来等效。即null脉动磁场的分解④⑥⑧⑧⑦⑨①②③④⑤null正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩null鼠笼式转子 导条及电流 当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据 右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、 右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。AA'null 为了获得所需的起动转矩，单相异步电动 机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电 动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电 动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不 同。7.11.2 电容分相式异步电动机 电容分相式异步电动机的定子中放置有两个 绕组，一个是工作绕组 A–A'，另一个是起动绕 组 B–B ' ,两个绕组在空间相隔90º。起动时， B –B '绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相 差近90º，即可获得所需的旋转磁场。null两相电流正弦波形如图所示。工作绕组起动绕组null两相旋转磁场动画null实现正反转的电路 改变电容C的串联位置，可使 单相异步电动机反转。 将开关S合在位置1，电容C与 B绕组串联，电流 iB较iA超前近 90；当将S切换到位置2，电容 C与A绕组串联，电流iA 较iB 超 前近90。这样就改变了旋转磁 场的转向，从而实现电动机的 反转。 电动机转子转动起来后，利用 离心力将开关S断开(S是离心开 关)，使起动绕组B–B´断电。M ~null7.11.2 罩极式单相异步电机定子绕组鼠笼式转子短路环极掌(极靴)null 当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁 通1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用 生成了磁通2 。由于短路环中感应电流的阻碍 作用，使得2在相位上滞后1 ，从而在电动机 定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。 罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向 不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相 式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变， 故常用于洗衣机等电器中。null 三相异步电动机在运行过程中，若其中一相与电源断开，就成为单相电动机运行。此时电动机仍将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定电流，时间一长，会使电动机烧坏。这种情况往往不易察觉，在使用电动机时必须注意。如果三相异步电动机在起动前就断了一线，则不能起动，此时只能听到嗡嗡声，这时电流很大，时间长了，也会使电动机烧坏。7.11.3 三相异步电动机的单相运行null 例： 三相异步电动机在一定的负载转矩下运行时，如电源电压降低，电动机的转矩、电流及转速有无变化？