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第八章 三相异步电动机,8-1. 转动原理,8-2. 极数与转速,8-3. 电动机的构造,8-4. 定子与转子电路,8-5. 转矩与机械特性,8-6. 电动机的起动,8-7. 电动机的调速,8-8. 电动机的制动,8-9. 铭牌数据,8-10. 电动机的选择,电动机是将电能转换成机械能的装置。广泛应用于现代各种机械中作为驱动。,由电动机驱动的优点：减轻繁重的体力劳动；提高生产率；可实现自动控制和远距离操纵。,电动机的分类：,电动机,直流电动机,交流电动机,他励电动机,并励电动机,串励电动机,复励电动机,同步电动机,异步电动机,三相电动机,单相电动机,同步电动机,异步电动机,两相电动机,交流电动机,异步电动机,三相电动机,电动机,工业生产中广泛应用着交流电动机，特别是三相异步电动机。它具有结构简单、易于控制、效率高和功率大等许多优点。,本章讨论的问题 ：,(1)三相异步电动机的结构；,(2)三相异步电动机的工作原理；,(3)三相异步电动机的转速与转差率；,(4)转矩和机械特性及其与转差率的关系；,(5)电动机的起动、反转、调速及制动的基 本原理和方法；,8-1. 三相电动机的转动原理,参见光碟,8-2. 三相异步电动机的极数与转速,一、三相异步电动机的极数,三相异步电动机定子产生旋转磁场的磁极个数，称为极数。,对于每相只有一个线圈的电动机，绕组始端之间相差120的空间角，则产生的旋转磁场只有一对磁极。磁极对数用p表示，则p=1。,若每相定子绕组由两个线圈串联组成(如图所示)，则绕组始端之间相差60空间角，因而旋转磁场具有两对磁极，p=2.,磁场位置(t=0),二、三相异步电动机的转速,电动机的转速是与旋转磁场有关的。而磁场极数不同则磁场的转速就不同，在一对磁极的情况下，交流电经历一个周期磁场恰好在空间转过一圈，若定子电流的频率为f1，旋转磁场在每分钟将转过60f1 周。,当磁极对数为 p时，磁场的转速为,在我国(f1=50Hz)，磁极对数为 p的磁场转速n0为,1. 转子转速 n,电动机运行时的实际转速也就是转子转速 n。,2. 同步转速 n0,电动机旋转磁场的转速也称为同步转速 n0。,根据电动机的转动原理，转子转速将小于磁场的转速，即n n0。若二者相等，转子就没有切割磁力线作用，转矩也就消失了，因此转子不可能以n0的转速正常运行。,3. 转差率 s,转差率 s 是表示转子转速n与磁场转速n0 之间差别程度的，即,它是异步电动机的重要参量之一，额定时约为19%,例,某三相异步电动机的额定转速n=570r/min。 求电动机的极数和额定时的转差率(f1=50Hz)。,解：,由于电动机的额定转速应接近且略小于同步转速 n0，而 n0 对应于磁极对数p有一系列固定值。显然，与570r/min最接近的是,因此，额定时的转差率为,8-3. 三相异步电动机的构造,参见光碟,8-4. 三相异步电动机的定子与转子电路,三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组；转子绕组相当于变压器的副绕组(而电动机的转子绕组一般是短路的)。定子电流产生的旋转磁场将通过定子和转子铁心而构成的闭合磁路，该磁场不仅在转子的每相绕组中产生感应电动势 e2，也要在定子的每相绕组中产生感应电动势 e1。而实际上，旋转磁场是由定子电流和转子电流共同作用产生的。,设定子和转子的每相绕组匝数分别N1为N2和，下面将对动机的电路进行分析。,一、定子电路,电动机内旋转磁场的磁感应强度在沿定子与转子间气隙应是接近于正弦规律变化分布。因此，通过每想定子绕组的磁通也应是随时间作正弦规律变化的，即=msint,因此，每相定子绕组中由旋转磁场产生的感应电动势为,也是正弦量，其有效值为,f1 是 e1 的频率，由同步转速可得,每相绕组的电路图,定子电路分析,定子电流不仅产生主磁通，还将产生漏磁通,每相绕组的电路图,主磁通要通过转子绕组，而漏磁通将不通过转子绕组。这样在原绕组的电压约束方程为,如用相量表示，则可认为,式中R1和X1=2f1L1分别为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。它们都很小，对于主磁通产生的感应电动势可忽略，则,或,二、转子电路,每相绕组的电路图,根据电动机的转动原理，异步电动机之所以能够转动，是因为转子绕组在旋转磁场中要产生感应电动势e2，进而产生转子电流i2，而与旋转磁场作用产生电磁转矩T 。下面讨论转子电路中的各物理量：,1. 转子绕组中的感应电动势,旋转磁场的主磁通在每相转子绕组产生感应电动势,其有效值为,f2为转子绕组中电流的频率。,因为旋转磁场和转子之间的相对转速为 (n0 n)，所以,2. 转子绕组中电流的频率 f2,可见，转子电流频率与转差率 s 有关，也就是与转速n 有关。,在 s=1 即(n =0)时，转子电流频率最大 f2= f1。对额定转速时， s为19%，则f2= 0.5 4.5 Hz。,由此，进而可得转子感应电动势的有效值为,E20为 s = 1 (或n=0)时转子所产生的感应电动势的有效值，,3. 转子绕组中的电流,转子电流也要产生漏磁通2，每相绕组中的感应电动势为,对转子电路应用KVL，有,若用相量表示，则为,每相绕组的电路图,X2与转子频率f 2有关，即,可见，转子感抗与转差率有关。其中X20是s=1(或n=0)时的转子感抗,将感抗X2代如上式，可得转子电流为,可见，转子电流I2也与转差率s有关，如图曲线所示。转差率s增加(转速n减小)时，转子切割磁力线加剧，于是E2增加，I2也增加。,由于转子漏磁通的存在，呈电感性，因此 I2 比 E2 滞后2角。转子绕组的功率因数为,也与转差率s有关(见图示曲线)。,8-5. 三相异步电动机的转矩 与机械特性,电磁转矩 T 是三相异步电动机最重要的物理量之一，机械特性是电动机的主要特性。对电动机进行分析往往离不开这两方面内容。,一、转矩公式,异步电动机的转矩是由旋转磁场每磁极的磁通 与转子电流I2相互作用产生的。它应与电磁功率成正比，因而与转子的功率因数有关。于是,及,且,则转矩公式可表示为,转矩T也与s有关。,由上式可见，转矩还与定子的相电压U1的平方成正比。所以，电源电压的变动对转矩的影响很大。,转矩特性T =T(s)曲线如图所示，当s很小时， T与s成正比；当s很大时，T与 s 成反比(以双曲线为渐近线)，并且有最大转矩Tmax存在。,二、机械特性曲线,在电源电压U1和转子电阻R2 一定的情况下，转矩与转差率的关系曲线 T= f (s) 或转速与转矩的关系曲线 n = f (T)，称为电动机的机械特性曲线。,转矩与转差率的关系曲线T= f (s)如右侧上图所示，,转速与转矩的关系曲线 n = f (T)如右侧下图所示。,实际上，下图是通过上图右旋90得到的。,研究机械特性是分析为了分析电动机的运行性能。在机械特性曲线上，要讨论三个转矩。,1. 额定转矩 TN,在电动机匀速转动时，其转矩T必须与阻力转矩TC 平衡，而阻力转矩包括负载转矩T2和空载损耗转矩T0。一般T0很小，常可忽略，所以,P2是电动机的输出功率 (单位 W )， T 的单位是(Nm)。n 的单位是 (r / min)。若功率单位用千瓦，则,额定转矩是电动机在额定负载时的转矩。,可从电动机铭牌上额定功率和额定转速等数据求得。,如某台电动机，P 2N =7.5kW，额定转速nN =1440 r / min，则额定转矩为,正常情况下，电动机都工作在 特性曲线的 ab 段，当负载转矩增加时，电动机转速要降低，但对应的电磁转矩却要增加，因为 ab 段比较平坦，所以电动机的转速变化不大。这种特征称为硬的机械特性。,2. 最大转矩 Tmax,在机械特性曲线的最大值，称为最大转矩或临界转矩。,此时对应的转差率为 s m (可由dT/ds = 0 求得) ， 即令,可得,进而可得,可见，TmaxU12,且与转子电阻R2 无关，而 R2 越大 sm也越大。,当负载转矩超过最大转矩时，电动机转速急剧下降，电动机将停止转动产生闷车现象。,电动机一旦闷车，电流立即上升67倍，电动机严重过热！以至烧坏。从另一方面考虑，若在很短时间内过载，在电动机尚未过热就恢复达到正常状态，未损坏电动机是允许的。因此，最大转矩也表示电动机具有短时间的过载能力。,定义最大转矩与额定转矩的比值为过载系数，即,一般电动机的过载系数为1.82.2。,3. 起动转矩 Tst,电动机刚起动 (n =0) 时的转矩称为起动转矩,可见，起动转矩与 U12 及 R2有关，当电源电压降低时起动转矩会减小；当适当增加转子绕组的电阻会使起动转矩有所增加。可有上式证明当R2 = X20时， Tst = Tmax ，及sm =1。,关于起动问题将在下节介绍。,8-6. 三相电动机的起动,一、起动性能,电动机的起动就是将它开动起来。在起动瞬间，n=0,s=1。我们没从起动时的电流和转矩来分析电动机的期待性能。,1、起动电流Ist,在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁力线切割转子导体的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都很大。一般中小型电动机的起动电流约为额定值的5-7倍。,即：,当电动机不是频繁起动时，起动电流对电机本身影响不大。因为电机的起动时间很短。但当起动频繁时，由于热量的积累，可以使电机过热。,但是，电动机的起动电流对线路是有影响的。,2、起动转矩Tst,在刚起动时，虽然转子电流较大，但由于转子的功率因数是很低的。因此起动转矩是不大的，它与额定转矩之比值约为1.02.2。,如果起动转矩过小，就不能在满载下起动，应设法提高。但起动转矩也不能过大，否则，会使传动机构收到冲击而损坏。,由上述可知，异步电动机起动时的主要缺点是起动电流较大。为了减小起动电流，必须采用适当的起动方法。,二、起动方法,鼠笼式电动机的起动方法有两种,1、直接起动,2、降压起动,1、直接起动,直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电源上。这种起动方法虽然简单，但如上所述，由于起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载的正常工作。一般只有功率在二三十千瓦以下的异步电动机才能采用直接起动的方法来起动。而对于功率较大的异步电动机通常都采用降压起动。,2、降压起动,所谓降压起动就是在电动机起动时，降低其所加的电压。其目的就是要减小起动电流。降压起动通常采用下面的几种方法。,（1）星形三角形（Y-）换接起动,该方法只适合于电动机在工作时，其定子绕组接成三角形时的情况。,如有一台三角形联接的电动机，接在电压为380V的电源上，其每相定子绕组上的电压就是380V；当采用星形联接并接在相同电源上，此时每相定子绕组上的电压是220V。,电流关系,当电动机正常工作时，,当电动机星形起动时，,由于转矩与电压的平方成正比，所以起动转矩也减小到直接起动时的1/3。因此，这种方法只适合于空载或轻栽时起动。,该种起动一般采用星三角起动器来实现，电路如图所示。,（2）自耦降压起动,自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，其接线如图所示。,自耦变压器备有抽头，以便得到不同的电压（例如为电源电压的73%、64%、55%），根据对起动转矩的要求而选用。,自耦降压起动适用于容量较大的或正常运行时联成星形不能采用三角起动器的鼠笼式异步电动机。,自耦降压起动接线图,（3）、接起动电阻起动,对于绕线式电动机的起动，只要在转子电路中接入大小适当的起动电阻，就可达到减小起动电流的目的；同时起动转矩也提高了。,例,有一Y225M-4型三相异步电动机，其额定数据如下：试求：（1）额定电流；（2）额定转差率SN；（3）额定转矩TN；最大转矩Tmax;起动转矩Tst,（2）,（3）,解：,（1）4100KW的电动机通常都是380V、联接。,在上题中：（1）若负载转矩为510.2N.m，试问在U=UN和U/=0.9 UN两种情况下，能否起动？（2）采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩TN的80%和50%时，电动机能否起动？,例,解：,（1）,Tst=551.8N.m510.2N.m所以能起动。,（2）,在U/=0.9 UN时， T/st=0.92551.8=447N.m 510.2N.m所以不能起动。,在80%额定负载时,在50%额定负载时,对上题如采用自耦降压起动，设起动时电动机的端电压降到电源电压的64%，求线路起动电流和电动机的起动转矩。,例,解：,直接起动时的起动电流,设降压起动时电动机中的起动电流为,设降压起动时线路中的起动电流为,设降压起动时的起动转矩为,8-7. 三相电动机的调速,调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求。,从三相异步电动机的转速公式,可以看到改变电动机的转速有三种可能：,（1）改变电源频率f1,（2）改变极对数p,（3）改变转差率s,前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。下面我们分别讨论。,一、变极调速,由式,可知，如果极对数减小一半，,则旋转磁场的转速便提高一倍，转子转速差不多也提高一倍，因此，改变p可以得到不同的转速。,如何改变极对数呢？这同定子绕组的接法有关。,p=1的绕组接法,p=2的绕组接法,二、变频调速,变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。目前主要采用下图所示的变频装置,整流器先将50Hz的交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。,三、变转差率调速,只要在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大小，就可以得到平滑调速。如增大调速电阻时，转差率上升，而转速下降。这种调速方法的优点是设备简单、投资少；但能量损耗较大。,这种调速方法广泛应用于起重设备中。,8-8. 三相电动机的制动,因为电动机的转动部分有惯性，所以把电源切断后，电动机还会继续转动一定时间后停止。为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，并为了安全起见，往往要求电动机能