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第7章交流电动机 电动机是将电能转换成机械能的装置 主要用作机械驱动 电动机 直流电动机 交流电动机 同步电动机 异步电动机 单相电动机 三相电动机 三相异步交流电动机 主要内容 三相异步电动机的构造原理 三相异步电动机的电路分析与机械特性 三相异步电动机的起动 调速与制动 7 1三相异步电动机的构造 基本部分 定子 固定部分 转子 旋转部分 7 1三相异步电动机的构造 7 1三相异步电动机的构造 7 1三相异步电动机的构造 7 1三相异步电动机的构造 鼠笼式转子 7 1三相异步电动机的构造 7 1三相异步电动机的构造 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 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 转子为什么能转 1 有一个旋转的磁场 2 转子跟着磁场转动 7 2 1旋转磁场 1 旋转磁场的产生 i1 i2 i3 合成磁场方向向下 7 2 1旋转磁场 1 旋转磁场的产生 i1 i2 i3 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90 7 2 1旋转磁场 1 旋转磁场的产生 i1 i2 i3 2 旋转磁场的转向 顺时针 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 7 2 1旋转磁场 逆时针 磁场的转向与电源相序有关 v1相通过i3w1相通过i2 7 2 1旋转磁场 1 旋转磁场的产生 i1 i2 i3 2 旋转磁场的转向 顺时针 任意调换两根电源进线 7 2 1旋转磁场 3 旋转磁场的极数 与三相绕组的安排有关 每相一个线圈 空间角 磁极对数 每相两个线圈 空间角 7 2 1旋转磁场 磁极对数 旋转磁场的极对数等于每相绕组的线圈数 空间角 7 2 1旋转磁场 4 旋转磁场的转速 决定于磁场的极数 一对磁极 电源电流频率 f1 磁场转速 n0 f1 60 二对磁极 n0 p对磁极 磁场转速 单位 转每分 r min r min 7 2 1旋转磁场 工频f1 50hz n0 3000 p 3000 1500 1000 750 600 500 极数越高 转速越低 7 2 2电动机的转动原理 旋转磁场的转速n0 同步转速 转子的转速n 电机运行时的实际转速 转子转速总是小于 但接近于 7 2 3转差率 n n0 用转差率表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度 或 通常s 1 9 n 0时 smax 1 磁场转速 例题 解 f1 50hz时 n0对应于磁极对数p有一系列固定值 n小于并接近于n0 f1 50hz 7 3三相异步电动机的电路分析 7 3 1定子电路 是通过每相绕组的磁通最大值 在数值上等于旋转磁场的每极磁通 f1是i1的频率 即电源或定子电流频率 8 3三相异步电动机的电路分析 7 3 2转子电路 1转子电流频率f2 f2与s有关 也就是与n有关 s 1 即n 0 时 f2最大 f2 f1 额定转速时 s 1 9 则f2 0 5 4 5hz 7 3三相异步电动机的电路分析 7 3 2转子电路 2转子电动势e2 当n 0 即s 1 时 转子电动势最大 e2与s有关 也就是与n有关 转子转动时的感应电势 转子静止时的感应电势 7 3三相异步电动机的电路分析 7 3 2转子电路 3转子感抗x2 n 0 即s 1 时 转子感抗最大 x2与s有关 也就是与n有关 7 3三相异步电动机的电路分析 7 3 2转子电路 4转子电流i2 i2与s有关 也就是与n有关 s增大 n降低 n0 n增加 转子导体切割磁通的速度提高 e2增加 i2增加 7 3三相异步电动机的电路分析 7 3 2转子电路 5转子电路的功率因数 与s有关 也就是与n有关 s增大 x2增大 cos 2减小 转子电路中 e2 i2 f2 x2 cos 2 都与s n 有关 7 4三相异步电动机的转矩与机械特性 电磁转矩t 三相异步电动机的重要物理量之一 机械特性 电动机的主要特性 7 4 1转矩公式 电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流i2的相互作用产生的 kt 常数 由公式可知 1 t与定子每相绕组电压成正比 u1 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 从而改变转矩 7 4 1转矩公式 7 4 2机械特性曲线 u1与r2一定时 t与s的关系 或n与t的关系 n0 n0 三个转矩 额定转矩tn 最大转矩tmax 起动转矩tst nn tn nn sn tn tmax sm nm tmax nm tst tst 7 4 2机械特性曲线 1 额定转矩tn 额定转矩是电动机在额定负载时的转矩 千瓦 w 转每分 r min 牛 米 n m 例如某电动机 p2n 7 5kw nn 1440r min 则额定转矩为 7 4 2机械特性曲线 2 最大转矩tmax 临界转矩 过载系数 一般 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 7 4 2机械特性曲线 3 起动转矩tst tst体现了电动机带载起动的能力 若tst t2电机能起动 否则不能起动 起动能力 1 0 2 2 电动机的运行分析 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 t t t2 n t 达到新的平衡 7 5三相异步电动机的起动 7 5 1起动性能 1 起动电流ist 刚起动时 转子电流很大 定子电流也很大 2 起动转矩tst 起动转矩过小 电动机不能在满载下起动 起动转矩过大 会使传动机构受到冲击而损坏 后果 起动 n 0 s 1 接通电源 起动转矩为额定转矩的 1 0 2 2 倍 7 5 2起动方法 鼠笼式电动机的起动方法 直接起动 降压起动 绕线式电动机的起动方法 直接起动 接入起动电阻 1 直接起动 利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电源上 方法简单 但起动电流大 起动电流与额定电流之比为5 7 二三十千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动的方法 7 5 2起动方法 2 降压起动 起动时降低加在电动机定子绕组上的电压 以减小起动电流 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 其定子绕组联接成三角形时的情况 4 100kw 起动时 先将定子绕组联接成星形 转速接近额定值时 再将定子绕组换接成三角形 设 电机每相阻抗为 2 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 降压起动时的电压为直接起动时的 星三角起动器 2 降压起动 星三角起动器 2 降压起动 星三角起动器 2 降压起动 星三角起动器 降压起动时的起动电压是直接起动时的 降压起动时的起动转矩为直接起动时的 1 3 只适用于空载或轻载起动 2 降压起动 7 5 2起动方法 2 自耦降压起动 起动电流和起动转矩减小 适用于容量较大的或正常运行时联成星形不能采用星三角起动器的鼠笼式异步电动机 只适用于空载或轻载起动 7 5 2起动方法 2 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星三角起动器的鼠笼式异步电动机 7 5 2起动方法 2 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星三角起动器的鼠笼式异步电动机 滑环 起动时将适当的rst串入转子电路中 起动后将rst短路 起动电阻 电刷 转子 定子 7 5 2起动方法 适用于绕线式电动机 3 接起动电阻起动 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 例题1 有一y225m 4型三相异步电动机 其额定数据如表 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 解 1 4 100kw的电动机通常都是380v 联接 2 铭牌上的额定电流in为定子绕组的线电流 ist in tst tn tmax tn 解 3 例题1 有一y225m 4型三相异步电动机 其额定数据如表 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 ist in tst tn tmax tn 例题2 在上题中 1 若负载转矩为510 2n m 试问在u un和u 0 9un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 解 1 在u un时 可以起动 在u 0 9un时 不能起动 例题2 在上题中 1 若负载转矩为510 2n m 试问在u un和u 0 9un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 解 2 三角形直接起动时 星形换接起动时 80 额定转矩时 不能起动 50 额定转矩时 可以起动 例题3 在上题中 若采用自耦降压起动 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 解 直接起动时 单相绕组 降压起动时 自耦变压器 变比 原边线路电流 起动电流 起动转矩 7 6三相异步电动机的调速 调速就是在同一负载下能得到不同的转速 转速公式 改变电动机转速 1 改变电源频率f1 2 改变极对数p 3 改变转差率s 用于鼠笼式电动机 用于绕线式电动机 7 6 1变频调速 改变电源电压的频率 改变电动机的转速 50hz三相交流电 直流电 三相交流电 频率可调f1 电压可调u1 频率调节范围 0 5 320hz 变频调速方法可实现无级平滑调速 调速性能优异 正获得越来越广泛的应用 如家用电器中的应用 7 6 2变极调速 改变定子磁场的极对数 改变电动机的转速 p 2 p 1 有级调速 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 常见的多速电动机有双速 三速 四速几种 7 6 3变转差率调速 在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻 改变电阻大小 改变转差率 无级调速 变转差率调速是绕线型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 1能耗制动 n0 0 固定磁场 7 7三相异步电动机的制动 7 7 2反接制动 旋转磁场 7 7三相异步电动机的制动 7 7 3发电反馈制动 n n0 7 8三相异步电动机的铭牌数据 1 型号 例如 y132m 4 用以表明电动机的系列 几何尺寸和极数 三相异步电动机型号y132m 4功率7 5kw频率50hz电压380v电流15 6a接法 转速1440r min绝缘等级f工作方式连续 n0 1500r min s 短机座 m 中机座 l 长机座 异步电动机产品名称代号 y系列 yr系列绕线型 防爆电机 7 8三相异步电动机的铭牌数据 2 接法 定子三相绕组的联接方法 7 8三相异步电动机的铭牌数据 3 电压 电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压 4 电流 电动机在额定运行时定子绕组的线电流 5 功率 6 效率 输出功率与输入功率的比值 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 7 8三相异步电动机的铭牌数据 7 功率因数cos 电动机是电感性负载 8 转速 9 绝缘等级 按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级 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 电机在额定电压 额定负载下运行时的转速 7 9三相异步电动机的选择 7 9 1功率选择 1 连续运行电动机功率的选择 稍大于生产机械功率即可 2 短时运行电动机功率的选择 电动机的额定功率可以是生产机械所要求功率的 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 7 9三相异步电动机的选择 7 9 2种类和形式的选择 1 种类的选择 根据机械特性 调速 起动 维护 价