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1、优点：结构简单，价格便宜，不需维护。,第四章 交流电动机工作原理及特性,缺点：调速、启动、制动性能差，若要性能好则控制器（如变频调速、矢量调速）复杂。,缺点：结构较复杂，价格较高，换向器与电刷处有火花放电，需定期维护 （无刷直流电动机不必）。,优点：调速、启动、制动性能好，控制器（如降压调速）简单，短时过载能力强。,直流电动机,交流电动机,三相电动机单相电动机,异步电动机同步电动机,交流电动机,一. 结构,4.1 三相异步电动机的结构和工作原理,1.定子,2.转子,鼠笼转子,鼠笼式：如铸铝形成转子绕组,绕线式,定子三相绕组通入三相交流电,1.旋转磁场的产生（1对磁极）,二. 工作原理,合成磁场
2、方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,600,o,可见：1对磁极时三相电流产生的合成磁场为旋转磁场，交流电一个周期（即电角度t=360），磁场旋转360,2.旋转磁场的旋转方向,任意调换两根电源进线就使磁场反转。,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（P=2，即4极）旋转磁场。,3.磁极对数P与磁场转速n0,磁极对数p=1时，交流电一个周期（即电角度t=360），磁场旋转360,磁场转速,=2时,所以,4. 三相异步电动机的工作原理,三相定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，转子导体切割磁力线产生感应电动势与感应电流，进而产生电磁转矩使转子旋转，因磁场转
3、速n0需比转子转速n快才能正常切割磁力线，故称为异步电动机，又称为感应电动机。,5. 转差率S（很重要）,磁场转速n0（又称同步转速）和转子转速n之差与n0的比值称为转差率S。,异步电动机启动时n=0，S=1；n=n0时，S=0；额定工况下一般,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,三. 定子绕组线端连接方式,定子三相绕组的六个出线头可根据需要灵活地接成星形（Y形）或三角形（形）。,联结
4、,Y联结,4.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,1) 异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。,2）变压器： 变化 e U1 E1=4.44 f N1,异步电动机： 旋转 e U1 E1=4.44 f N1,3）变压器：I2 增大 I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。,异步电动机：当负载增加时，转子电流I2 增大 I1增大，以保持基本不变，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。,1）变压器的副绕组是静止的、不能短路；而异步电动机的副绕组是旋转的且短路。,3）变压器的磁路是无气隙的。而异步电动机中的定子和转
5、子之间是有不大的气隙。,2）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步电动机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。,一.定子电路（取一相分析）,漏磁电动势,i1,u1,e1,eL1,i2,R1,e2,eL2,R2,定子电路,转子电路,感应电动势,R1为定子绕组内阻,u1,因R1、X1小,可近似认为U1=E1,二. 转子电路,1. 转子感应电动势e2频率 f 2,因转子在旋转,故转子感应电势频率 f 2 定子感应电势频率 f 1,n=0 即转差率S=1时转子切割磁力线最剧烈 f 2=f 1，n=n0 即S=0时转子不切割磁力线f 2=0，额定工况下S=1.56%，f1=50Hz时，f2
6、=0.753Hz,2. 转子感应电动势e2,有效值E2= 4.44 f 2N2 = 4.44S f 1N2,当转速 n = 0(S=1)时， f 2最高，E2 最大，记为,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时的感应电势,故E2= S E20,转子转动时的感应电势,当转速 n = 0(S =1)时， f 2最高，X2 最大，记为,X20= 2f1LL2,故X2= SX20,3. 漏磁电动势,转子静止时的漏磁感抗,转子转动时的漏磁感抗,R2与X2对电机影响均大,4. 转子电流 I2,5. 转子电路的功率因数,20,2,X,R,S,S大时(低速),n0 0 n,6. 电磁转矩,由前面分析知,K
7、为与电机结构有关且正比于1/f1的常数，U为供电电压，R2为转子内阻，X20为转子不转时的漏磁感抗,7. 机械特性曲线,交流异步电动机,直流电动机,8. 固有机械特性曲线与4个特殊工作点,1）理想空载工作点 T=0,n=n0,S=0,2）额定工作点（重要） TN,nN,SN(一般1.56%),3）启动工作点(重要) Tst,n=0,S=1 一般Tst=0.81.5TN(P66页)，而启动电流Ist=57IN， 适当增大R2(线绕式电机)能明显增大Tst且Ist减小,一般Tmax=22.2TN，增大R2（线绕式电机）使Sm增大，而Tmax不变，机械特性曲线变为绿色,再代入转矩公式，可得,4）临界
8、工作点（重要） 最大转矩 Tmax,nm,Sm,O,T,S,1,Sm,4.3 三相异步电动机的人为机械特性与调速特性,一. 变磁极对数调速,改变磁极对数P能改变磁场转速,特点：简单，机械特性硬,效率高，有级调速，启动时先接低速再接高速可明显提高启动性能。,S,O,T,1,二. 改变转差率调速,1. 降压调速,由机械特性公式可知减小U会使T大大下降,特点：机械特性变软，拖动能力（Tst,Tmax）大大下降，无级调速，低速时效率低，发热大。,降压调速时的能量损失：,旋转磁场传到转子上的电磁功率Pe为：,可见交流异步电动机低速时效率低，发热大。,转子上产生的机械功率Pm为：,功率差(又称转差功率)P
9、s为：,单位：P-kw，T-N.m，n-r/min,2. 定子电路串电阻或电抗器调速,串电阻或电抗器使定子绕组电压下降，故特性与降压调速类似。,特点：简单，机械特性软，有级调速，低速时效 率低，启动性能明显提高。 ,3. 转子电路串电阻调速（线绕式电机）,O,T,S,1,R2,R2,特点：能量可回馈电网，效率较高，调速范围不大， 复杂。,4. 串级调速（线绕式电机）,O,T,S,1,转子电路串与转子感应电动势频率相同、相位相反的附加电动势，减小转子电流实现降速。,书P80图5.43c不合理,转子电流,特点：结构简单，无级调速，机械特性软，效率不高。,5. 电磁转差离合器调速,O,T,电动机通过
10、电磁转差离合器产生的电磁转矩带动负载转动，离合器无励磁电流时不能产生电磁转矩，相当于负载被“离开”，电磁转差离合器工作原理与异步电动机类似。,电磁转差离合器机械特性经验公式(If为离合器励磁电流)：,吊扇调速（通过定子绕组串电容来降压调速）,吊扇等风机、水泵类负载机械特性如绿线所示：,M,220V,通过改变电容值即可调速,恒转矩负载：指负载转矩随转速变化不大，如起重机、机床的一次切削过程等。,恒功率负载：如机床粗加工时切削深度大、切削力大、开低速；精加工时切削深度小、切削力小、开高速。需用变速箱来与电动机匹配。,风机类负载：如泵,电动机多工作在恒转矩方式（额定转矩）。,1. 在额定频率以下变频
11、,为保持磁通额定,需使 不变，即交流电压随频率成比例下降。,特点：机械特性硬，效率高，属恒转矩调速，启动性能大大提高，适合准确自动调速。,机械特性曲线如下(教材P65图5.26，而P83图5.48不大好)：,O,T,f1Nf11f12,f11,f12,f1减小，Tmax基本不变，Tst增大,三. 变频调速,2. 在额定频率以上变频,交流电频率增大时，转速将增大，但因电压不能超过额定电压，故只能保持U不变，将变小，所以转矩T也变小，属恒功率调速。,特点：机械特性硬，效率高，拖动能力下降，属恒功率调速。,4.4 三相异步电动机的启动特性,异步电动机启动性能差：一般启动转矩Tst=0.81.5TN，
12、而启动电流Ist=57IN,常用于10kw以下的电动机，也可按教材P67处理,一.直接启动（全压启动）,二. 定子电路串电阻或电抗器降压启动,定子绕组接成星形（Y）时的电压是接成三角形（）时的 ，电磁转矩为 。,三. Y-降压启动,六.利用控制电路限制启动电流并保持恒值启动（软启动）,四. 自耦变压器降压启动,五. 利用变频调速装置低频启动,七. 线绕式异步电动机的启动（转子串电阻）,1. 逐级切除启动电阻,2. 转子串频敏变阻器启动,频敏变阻器实质上是铁芯损耗很大的电抗器，转子感应电流频率低时阻抗小，适合正常转速；感应电流频率高时阻抗大，适合启动；,2.深槽式电动机,八. 特殊鼠笼式电动机,
13、1. 双鼠笼式电动机,3. 高转差率鼠笼式电动机,外笼电阻大，启动性能好，称为启动笼。,利用电流集肤效应，等效使转子启动时电阻增大，减小启动电流，提高启动转矩。,增大转子电阻，提高启动性能，但机械特性变软。,4.5 三相异步电动机的制动特性,一. 反馈制动,当异步电动机nn0时，自动进入反馈制动状态，常见于电车下坡，变频降速等。,将制动能量转为电能回馈电网，节能。,特点：制动转矩大,效率高,能量回馈电网。,二. 反接制动,1. 电源反接制动,将三相电源线中的任意两相对调，旋转磁场反向旋转，从而制动，因电流很大，对于线绕式电机需转子电路串电阻，机械特性如下图所示；对于鼠笼式电机则在定子电路串电阻
14、，但制动转矩大大下降。,O,T,特点：制动转矩较大,能量损耗大。,2. 倒拉制动(线绕式电机转子电路串电阻),O,T,串大电阻使机械特性很软，进入倒拉制动状态。,特点：串入不同的电阻可灵活调整反转速度，能量损耗较大,三. 能耗制动,断开三相电源，向定子绕组通入直流电，形成固定磁场，转子电磁感应产生制动转距，与直流电动机能耗制动原理相同。,O,T,教材P87图5.53b不正确,特点：较简单，制动效果较好，不节能。,4.6 单相异步电动机,单相异步电动机结构更简单，广泛用于电风扇、洗衣机、电冰箱等，其定子绕组为单相。,单相定子绕组接220V单相交流电产生交变磁场（=msint），又称脉动磁场，但不
15、旋转，若转子静止则无法启动；此脉动磁场可用正、反两个方向的旋转磁场来等效，故若转子是转动的则能一直转下去。,脉动磁场分解为正、反两个方向的旋转磁场（P89）,B,B,一. 电容分相式异步电动机,在定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组 AX，另一个是启动绕组 BY,两个绕组在空间互相垂直。其中启动绕组 B经电容接单相电，使B绕组电流超前A绕组近90，即可获得旋转磁场。,A,B,Y,X,启动绕组,工作绕组,实现正反转的电路,改变电容C的串联位置，磁场反向旋转，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
16、 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。,M ,二. 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),当电流流过定子绕组时，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 ，从而使合成磁场旋转。,罩极式单相异步电动机更简单，但起动转矩较小，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。,4.7 同步电动机,同步电动机功率因数高，且能补偿异步电动机的低功率因数，效率高，过载能力大，体积小，并可做到大容量、高电压、高转速，但启动较复杂。,同步电动机的定子和三相异步电动机一样，通三相交流电产生旋转磁场，转子励磁绕组通直流电产生磁极，故旋转磁场吸引转子磁极同步旋转。,O,同步电动机的启动：,1. 异步启动,2. 利用变频调速装置低频启动,
