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1、7.1 三相异步电动机的构造,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(自学),第七章 交流电动机,7.12 直线异步电动机(自学),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、正确使用,电动机的分类：,定子铁芯及定子绕组,定子,转子,转子铁芯及转子绕组,接线盒,机壳及底座,7.1 三相异步电动机的构造,定子铁芯与
2、定子绕组,定子铁芯：,定子三相绕组：,匝数相同,空间排列互差1200,由内周有槽的硅钢片叠成。（作为导磁路经）,定子绕组,首端,末端,2.转子,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。,转子绕组：,鼠笼式转子,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,转动原理：,一对磁极,形成旋转磁场,在空间旋转，,放入闭合线圈，由轴承架起,线圈导体切割磁力线，感生电动势
3、e(右手定则）,感生电动势 e 在线圈中驱动电流 i,电流 i 在磁场中受力 f产生转距，使线圈转动,转动的必要条件：,空间旋转磁场,可转动闭合线圈,定子三相对称绕组，(星形联接)加三相电压，通入三相交流电流。,1.旋转磁场的产生,7.2.1 旋转磁场,i 0:首端流入，尾端流出。,规定,i 0:尾端流入，首端流出。,()电流出,()电流入,t=0时刻：,iC为正，从C端流入，从Z端流出,iB为负，从Y端流入，从B端流出,iA0,iB0,iC0,iA0,iB0,iC=0,iA=0,iB0,三相电流产生旋转磁场,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,动画,结论：分析可知，三相电流
4、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360,2.旋转磁场的旋转方向,从上图可以看出，从通入iA的绕组转向通入iB的绕组再转向通入iC的绕组,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,当定子每相一个绕组时：,产生一对磁极的旋转磁场,若定子每相绕组由两个线圈串联,形成两对磁极的旋转磁场,。,绕组的分布如图：,iA=0,iB0,同理：若定子每相绕组由 n 个线圈串联,则:形成 n 对磁极的旋转磁场。,P=2,P=n,4.旋转磁场的转速,p=1时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一圈,电流每秒变化 f1周期,工频：f1=50HZ,同步转速：,
5、p=2时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转半圈,同步转速：,p=p时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转1/n圈,同步转速：,旋转磁场的转速称为同步转速，记为 n0,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,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,结论：转子的转动方向与磁场旋转的方向一致 转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速 n n0(故称为异步电动机）（若n=n0则：转子导体不切割旋转磁场、无电流、无转距 n)改变旋转磁场的转向就可改变电动机的转向,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例
6、1：三相异步电动机，其额定转速 nN=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：,由nN=975 r/min可知：n0=1000 r/min,即,p=3,额定转差率为,7.2.3 转差率,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。,定子相当于变压器一次，转子相当于变压器二次。,可画出等效电路（三相对称，化为一相计算）,定子绕组电阻 R1,漏感 L1，,主磁通在定子感生电势 e1,转子绕组电阻 R2,漏感 L2,主磁通在转子感生电势 e2,定子电路：,转子电路：,7.3.1 定子电路,旋转磁场在空间按正弦分布，切割
7、定子和转子绕组，感生电动势 均为正弦量,相量式：,为每极磁通，也等于正弦磁通的最大值,N1为定子绕组的匝数,旋转磁场的磁通,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0，,定子感应电势的频率 f1,f 1=电源频率 f,定子感应电势的频率,每切割过一对磁极，电动势变化一周，,每分钟割过 pn0 对磁极,所以:,7.3.2 转子电路,相量式：,f2为转子电量的频率,定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,旋转磁场与转子导体间的相对速度为 n2=n0n，,每切割过一对磁极，电动势变化一周，,每分钟割过 p(n0-n)对磁极,所以:,转子感应电势频率,只有n=0时，f1=f2，与变压
8、器情况相同,1.转子感应电势频率 f 2,2.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=f1最高，则 E2 最大，记为E20,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，则 X2 最大，记为X20,X20=2 f1L2,即X2=sX20,4.转子电流 I2,5.转子电路的功率因数 cos2,由：,I2、cos2 随 S 变化曲线,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
9、异步电动机转矩与机械特性,7.4.1 转矩公式,转子中载流导体在磁场中受力而产生电磁转矩。,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,电磁转矩是由电磁功率转换而来，而电磁功率与功率因数成正比。,故：,电磁转矩公式：,将,代入上式,由：,整理，并将常数项合并为 K,得：,由公式可知,电磁转矩公式,1.T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T,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。,根据转矩公式,得特性曲线：,7.4.2 机械特性曲线,电动机在额定负载时的转矩。
10、,1、额定转矩TN与额定功率PN,三个重要转矩讨论,额定转矩,(N m),电动机的额定功率PN为电机轴输出的额定机械功率。,电动机的机械转距与机械功率的关系。,转动角速度,电动机的电磁转距T与输出机械转距T2的关系。,（T0为空载损耗转距）,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 Tmax,注意：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,代入转矩公式，可得:,过载系数(能力),电机严重过热而烧坏。,一般三相异步电动机的过载系数为,3.起动转矩 T
11、st,电动机起动时(n=0或s=1)的转矩。,Tst体现了电动机带载起动的能力。,起动能力可用系数Kst描述,起动时s=1,若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,讨论:U1 和 R2变化对机械特性的影响：,(1)U1对机械特性的影响,当U1变化时：Tm变化，Tst变化,Sm不变,当U1时：若负载 T2不变，,则：Sn,(2)R2变化对机械特性的影响,若 R2变化：Sm变化,Tm不变,当 R2时：Sm，Tst,负载T2一定时：,若 R2Sn,绕线式电机改变转子附加电阻R2 可实现调速。,对绕线式电机改变转子附加电阻 R2,可增大Tst，最大可使Tst=Tmax。,4.电动机的运行分析,硬特
12、性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好，适于金属切削。,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，适于重载启动。,稳定工作区：,此过程中，n sE2 I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,T2 T,T=T2,n(s),设负载转距为T2，转速为n，电机运行与a点（T=T2),若负载转距变化时,T,达到新的平衡，电机运行与b点,7.5 三相异步电动机的起动,7.5.1 起动性能,一般中小型鼠笼电动机的 IstIN=5 7(指线电流）,影响：,起动：n=0，s=1,接通电源。,起动时，n=0，转子导体相对与旋转磁场的速度为n0,E2大,I2大,起动电流 I1大（记为Ist),
13、1、起动电流,切割速度最大,一般电动机的 Tst TN=(1.02.2)。,2、起动转矩,起动时，I2大，但cos2小,所以起动转矩并不大。,指电动机起动时定子的线电流，记为 Ist。,起动方法,(1)直接起动,(2)降压起动：,星形-三角形(Y)换接降压起动,自耦降压起动,（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）,二、三十千瓦以下的异步电动机可采用直接起动。,将异步电动机直接接到额定电压电源上启动。,起动时，将异步电动机接到低于额定电压电源上。,设：电机每相阻抗为,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,Y 起动器接线简图,静触点,Y 起
14、动器接线简图,Y起动,Y 起动器接线简图,工作,(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,L1,L3,L2,FU,Q,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。,设自耦变压器的变比为 k,降压后起动转距Tst为,分析：,启动电流：,启动转距：,若降压启动,直接启动,折算到变压器原方,R,R,R,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
15、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：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,7.6.1 变频调速,变频调速方法:,f1f1N时，应采用恒转距调速：保持f1U1不变,f1f1N时，应采用恒功率调速：保持U1 U1N,频率调节范围：0.5几百赫兹,7.6 三相异步电动机的调速,(可实现无级调速),通过改变旋转磁场级对数 p 实现调速,P=2,7.6.2 变极调速(有级调速),改变级对数的
16、方法：改变绕组的接法,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机,变级后，n0增加一倍，转速约增加一倍,缺点:,绕线式电动机转子串联电阻,7.6.3 变转差率调速,优点:,调速平滑、设备简单投资少，,能耗较大。,7.7 三相异步电动机的制动,能耗制动,电气制动:,电磁转距与转向相反,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。,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，旋转磁场反向。,反接制动,转子接近停止转动时，应迅速切断电源。,注意：,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。,发电反馈制动,电动机进入发电
17、状态，将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,n n0,7.8 铭牌数据、技术数据及计算举例,1.型号,例如：Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表7.8.1中列出了各种电动机的系列代号。,异步电动机产品名称代号,2.接法,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y 联结,联结,3.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。,
18、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,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。,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
19、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。,如：n N=1440 转/分 sN=0.04,8.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(105C)，H级最高(180C)。,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%，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TN。,例:
20、,1)求 额定电流 IN,解:,输入电功率：,效率：N=P2NP1N,得：,由nN=1480r/min，可知 p=2（四极电动机）,2）求额定转差率 sN,3）求额定转矩 TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN,例7.5.2:,在上例中：如果负载转矩为 510.2Nm,在U=UN时，Tst=551.8Nm 510.2 N.m,不能起动,Ist=7IN=784.2=589.4 A,能起动,(1)试问：,在U=UN时，电动机能否起动？,试问：,在U=0.9UN 时，电动机能否起动？,(2)试问：,采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩,解：,解：,解：,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定
21、负载时,可以起动,(3)试问：,采用Y-换接起动，当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,解：,上例中，若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：,变压器的变比为 k=UN/0.64 UN=1/0.64,例7.5.3:,已知起动电流 Ist7IN589.4 A,单相异步电动机使用单相交流电源，主要应用于电动工具、洗衣机、冰箱、空调、电扇等小功率电器中。,定子,定子绕组,转子,7.11 单相异步电动机,单相异步电动机的定子中放置单相工作绕组,转子一般用鼠笼式。,电容分相式异步电动机的定
22、子中放置有两个绕组，,7.11.1 电容分相式异步电动机,一个是工作绕组 AA，另一个是起动绕组 BB,两个绕组在空间相隔90。,起动时，BB 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90，即可获得所需的旋转磁场。,设两相电流为,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,两相旋转磁场,动画,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
23、心开关)，使起动绕组BB断电。,M,7.11.2 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),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。,本章结束,下一章,总目录,结束放映,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
24、.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,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。,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。,单相异步电动机主要应
25、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,单相异步电动机的工作原理,7.11 单相异步电动机,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,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,(正向),(反向),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。,A,A,为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的定
26、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。,8.11.2 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 AA，另一个是起动绕组 BB,两个绕组在空间相隔90。起动时，BB 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90，即可获得所需的旋转磁场。,设两相电流为,两相电流,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,两相旋转磁场,动画,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
27、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BB断电。,M,7.11.2 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),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。,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,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？,
