第6章电动机(新)

1、第第4章章 电动机电动机 4.1三相异步电动机三相异步电动机 4.2三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用 4.3单相异步电动机单相异步电动机 4.4直流电动机直流电动机 异步交流电动机授课内容：异步交流电动机授课内容： 定子铁芯与定子绕组定子铁芯与定子绕组 XA C Z Y B 定子铁芯定子铁芯 B YA XC Z 定子铁芯定子铁芯： 定子三相绕组定子三相绕组： 匝数相同匝数相同 空间排列互差空间排列互差1200 （作为导磁路经）（作为导磁路经） 定子绕组定子绕组 A X B Y C Z 首端首端 末端末端 鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将 全部铜条两端焊在两个铜端环上，以构成闭合

2、 回路。抽去转子铁心，剩下的铜条及其两边的 端环，其形状像个鼠笼，故称之为鼠笼式电动 机。 (1) 鼠笼式转子鼠笼式转子 鼠笼式转子鼠笼式转子 (2) 绕线式转子绕线式转子 根据转子的不同，交流异步电动机分为：根据转子的不同，交流异步电动机分为： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能结构简单、价格低廉、工作可靠；不能 人为改变电动机的机械特性。人为改变电动机的机械特性。 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；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。转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。 120sin 120sin sin mC mB mA tIi tIi tIi

3、 B i A X B Y C Z A i C i C i A i B i i t m I o iA0, iB0, iC0, iB0, iC=0iA=0, iB0 A X Y C B Z A X Y C B Z A X Y C B Z N S 0 t 60t 60 90t 600 动画动画 S N SN i t 0 iAiBiC 2 900 结论：结论： 分析可知，三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁分析可知，三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁 场，场， 即：即： 2. . 1p B i A X B Y C Z A i C i A X Y C B Z N S 0 t C Y A B C X Y Z

4、 A X B Z A i B i C i X A A X B Y B Y C C Z Z iA=0, iB0 0 t N SS N 同理：若定子每相绕组由同理：若定子每相绕组由 n 个线圈个线圈 串联串联则则: 形成形成 n 对磁极的旋转磁场对磁极的旋转磁场 P = n 分分）转转 /( 60 10 fn 工频：工频：Hz50 1 f 分）分）转转/( 3000 0 n p=1时时 0 m I C i B i A i t i o m I A X Y C B Z N S A X Y C B Z N S A X Y C B Z N S X N S A X A B Z C Y Z C Y B S N

5、 0t 60t p=2时时 B i C i A i i t m I 0分）分）转转/( 1500 2 60 1 0 f n 0 n 30 A X X Z C Z B Y B Y A C N S N S 分分）转转分分）转转/ /( (/ /( ( 300060 10 fn p=1时时: 电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一圈电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一圈 电流每秒变化电流每秒变化 f1周期周期, 工频：工频： f1 =50HZ 转速：转速： 分分）转转分分）转转/ /( (/ /( ( 150060 2 1 10 fn p=2时时: 电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转半圈电

6、流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转半圈 转速：转速： p=n时时: 电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转1/n圈圈 分）分）转转/ /( ( 10 60 1 f p n 转速：转速： n0 )/( 60 1 0 分分转转 p f n 2p 180分）转/( 5001 1p 360分）转/( 0003 极对数极对数 每个电流周期每个电流周期 磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度 同步转速同步转速 )f(Hz50 1 3p120分）转/( 0001 4p分分）转转/( 750 90 旋转磁场转速旋转磁场转速n0与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。

7、 f N S n0 ei 放入闭合线圈，由轴承架起放入闭合线圈，由轴承架起 线圈导体切割磁力线，感线圈导体切割磁力线，感 生电动势生电动势 e (右手定则）右手定则） 感生电动势感生电动势 在线圈在线圈 中驱动电流中驱动电流 电流电流 在磁场中受力在磁场中受力 产生转距，使线圈转动产生转距，使线圈转动 虽然转子同旋转磁场彼虽然转子同旋转磁场彼 此隔离，但由于有了一此隔离，但由于有了一 个旋转的磁场，在转子个旋转的磁场，在转子 的导条中产生了感应电的导条中产生了感应电 流，而流过电流的导条流，而流过电流的导条 又在磁场中受到电磁力又在磁场中受到电磁力 的作用，产生电磁转矩，的作用，产生电磁转矩，

8、 从而使转子转动起来。从而使转子转动起来。 这就是感应式电动机转这就是感应式电动机转 动的一般原理。动的一般原理。 可转动闭合线圈可转动闭合线圈 %s)91( 转子转速亦可由转差率求得转子转速亦可由转差率求得 0 )(1nns %100 0 0 n nn s 例例1 1：三相异步电动机，其额定转速三相异步电动机，其额定转速 nN = =975 r/min，电，电 源频率源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的。试求电动机的极对数和额定负载下的 转差率。转差率。 解：解：由由nN= =975 r/min可知：可知：n0=1000 r/min , 2.5%100% 100

9、0 9751000 %100 0 0 n nn s 1 i 2 i 定子相当于变压器一次，转子相当于变压器二次。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）可画出等效电路（三相对称，化为一相计算） 定子绕组电阻定子绕组电阻 R R1 1 , , 漏感漏感 L1 ， ， 主磁通在定子感生电势主磁通在定子感生电势 e1 转子绕组电阻转子绕组电阻 R R2 2 , ,漏感漏感 L2 主磁通在转子感生电势主磁通在转子感生电势 e2 , 定子电路：定子电路： 转子电路：转子电路： 1 1 R R 1 L 1 e 1 u 2 2 R R 2 L 2 e 转子转子

10、短路短路 1 i 2 i 1 1 R R 1 L 1 e 1 u 2 2 R R 2 L 2 e 旋转磁场在空间按正弦分布，切割定子和旋转磁场在空间按正弦分布，切割定子和 转子绕组，感生电动势转子绕组，感生电动势 均为正弦量均为正弦量 每极磁通每极磁通 旋转磁场与定子导体间的相对速度为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定子感应电势的频率 f1 60 0 1 pn f f 1= 电源频率电源频率 f 1111 444NfEU. 定子感应电势的频率定子感应电势的频率 所以所以: 1 i 2 i 1 1 R R 1 L 1 e 1 u 2 2 R R 2 L 2 e 1

11、0 0 00 2 6060 fs pn n nn p nn f p 60 nn f 0 2 定子感应电势频率定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率转子感应电势频率 f 2 当转速当转速 n = 0(s=1)时，时， f 2= f1最高，则最高，则 E2 最大，记为最大，记为E20 E20= 4.44 f 1N2 即即E2= s E20 21 2 22 22 LfsLfX 当转速当转速 n = 0(s =1)时，时， f 2最高，则最高，则 X2 最大，记为最大，记为X20 X20= 2 f1L 2 即即X2= sX20 2 2 2 2 2 2 XR E I 2 20 2 2 20 )(sX

12、R sE 222222 ILfj2IR E 由：由： 2222 IjIR X 2 20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 )( cos sXR R XR R y y I2 cos 2 s 1 I2, 2 cosy y O 22T cosy yIKT 常数，与电常数，与电 机结构有关机结构有关 旋转磁场旋转磁场 每极磁通每极磁通 转子电流转子电流 转子电路的转子电路的 功率因数功率因数 , , T, , 2 I T 2 cosT 2 1 2 20 2 2 2 )( U sXR sR KT 2 20 2 2 20 2 )( XR E I s s 2 20 2 2 2 2 )( cos XR R

13、s y y 111 44.4NfU 将将 代入上式代入上式 22 cosy yIKT T 由：由： 整理，并将常数项合并为整理，并将常数项合并为 K K , , 得：得： 2 1 2 20 2 2 2 )( U sXR sR KT 2 1 U max T m S N S O T S 曲线曲线)(sfT 根据转矩公式根据转矩公式 2 20 2 2 2 12 )(sXR UsR KT 得机械特性曲线：得机械特性曲线： st T 1 N T 曲线曲线)(Tfn N n max T st T O n T N T 0 n b c a )/( )( 9550 N N N 分分转转 千瓦千瓦 n P T (

14、N m) P T2 n P n PP T9550 60 2 2 转动角转动角 速度速度 202 TTTT （T T0 0为空载损耗转距）为空载损耗转距） 2 1 2 20 2 2 2 U sXR sR KT )( 20 2 1 max 2X U KT 0 d d S T 令：令：得得: 20 2 m X R ss 临界转差率临界转差率 代入转矩公式，可得代入转矩公式，可得: max T m S O T S N max T T 2.28.1 12 II 2 20 2 2 2 12 )(sXR UsR KT 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 电动机起动时电动机起动时(n=0或或s

15、=1)的转矩。的转矩。 体现了电动机有载起动的能力。体现了电动机有载起动的能力。 0 n O n T N st st T T K 起动能力可用系数起动能力可用系数Kst描述描述 起动时起动时s=1 : 2 1max UT 讨论讨论: U1 和和 R2变化对机械特性的影响：变化对机械特性的影响： : 2 1st UT O T S 1 (1) U1对机械特性的影响对机械特性的影响 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 20 2 1 m 2X U KT 20 2 m X R s max1 TU s st t TU 1 m S max T max T stst T stst T 当当U

16、U1 1变化时：变化时： Tm变化，变化，Tst变化变化, , Sm不变不变 T2 当当U U1 1时：若负载时：若负载 T2不不变，变， 则：则：Sn (2) R2变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 20 2 1 m 2X U KT 20 2 m X R s O T S 1 max T m S m S R2 若若 R2变化：变化：Sm变化变化, Tm不变不变 当当 R2时：时：Sm，Tst T2绕线式电机改变转子附绕线式电机改变转子附 加电阻加电阻R 2 可实现调速。可实现调速。 对绕线式电机改变转子附对绕线式电机改变转子附 加电阻加

17、电阻 R 2 , 可增大可增大Tst，最，最 大大可使可使Tst =Tmax 。 所以起动所以起动 一般中小型鼠笼电动机的一般中小型鼠笼电动机的 IstIN= 5 7 (指线电流）指线电流） 一般电动机的一般电动机的 Tst TN= (3) 转子串电阻起动转子串电阻起动 二、三十千瓦以下的异步电动机可采用直接起动。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。将异步电动机直接接到额定电压电源上启动。 星形星形-三角形三角形(Y ) 换接降压起动换接降压起动 自耦降压起动自耦降压起动 起动时，将异步电动机接到低于额定电压电源上。起动时，将异步电动机接到低于

18、额定电压电源上。 Z U I l l 3 : Y 星星形形联联结结时时 Z U I l l 3 三三角角形形联联结结时时： 3 1 Y l l I I 3 1 Yl I Z l U + U1 U2 V1 V1 W1 W2 l I l U + Z U1 U2 V1V2 W1 W2 L1L3L2 FU U1 V1 U2 V2 W1 W2 W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1 动触点动触点 Y 动触点动触点 静触点静触点 L1L3L2 FU U1 V1 U2 V2 W1 W2 W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1 UP U1 + Ul + U2 V1 V2 W1 W2

19、 工作工作 L1L3L2 FU U1 V1 U2 V2 W1 W2 W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1 U2 Ul + U1 V1V2 W1 W2 l UU 3 1 P (a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 )( 2 St UT (b) Y 起动起动 stst TI Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合换接起动适合于空载或轻载起动的场合 SYtst 3 1 TT Ul U1 W2 V2 W1 + U2 V1 UP + Ul + U1 W2 V2 W1 U2 V1 L1L3L2 FU Q Q2 R 12 2 20 2 20 )( s

20、t2 IIR XR E I R R 滑环滑环 电刷电刷 定子定子转子转子 起动电阻起动电阻 R2 Tst 2 20 2 2 2 12 st XR UR KT 22 RR st T T O n 0 n max T 2 R 2 R st T M 3 M 3 p f snsn 1 0 60 11 f=50Hz M 3 + 变频调速方法变频调速方法: f1f1N时，应采用恒功率调速：保持时，应采用恒功率调速：保持U1 U1N (可实现无级调速可实现无级调速) A1X1A2X2 ii P=2 A1 A2 X1 X2 N NS S A1X1A2X2 ii P=1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机采用变

21、极调速方法的电动机称作双速电机 A1 A2 X1X2 S N 22 RR 缺点缺点: TL s s 2 R 2 R T so 绕线式电动机转子串联电阻绕线式电动机转子串联电阻 优点优点: 调速平滑、设备简单投资少，调速平滑、设备简单投资少， 能耗较大。能耗较大。 电气制动电气制动: 电磁转距与转向相反电磁转距与转向相反 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相在断开三相电源的同时，给电动机其中两相 绕组绕组通入直流电流通入直流电流。 n F 转子转子 T n0=0 + - 运转运转 制动制动 RP 能耗制动的特点：能耗制动的特点： 优点：制动力强、制动平稳、无大的冲优点：制动力强、制动平稳、无大

22、的冲 击；应用能耗制动能使生产机械准确停车，击；应用能耗制动能使生产机械准确停车， 被广泛用于矿井提升和起重机运输等生产被广泛用于矿井提升和起重机运输等生产 机械。机械。 缺点：需要直流电源、低速时制动力矩缺点：需要直流电源、低速时制动力矩 小。电动机功率较大时，制动的直流设备小。电动机功率较大时，制动的直流设备 投资大投资大 运转运转 n F T n0 注意：注意： 反接制动的特点：反接制动的特点： 优点优点:制动力强、停转迅速、无需直流电制动力强、停转迅速、无需直流电 源；源； 缺点缺点:是制动过程冲击大，电能消耗多。是制动过程冲击大，电能消耗多。 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，

23、旋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。距变为制动转距。 电动机进入发电状态，将外力作用于转子的能量转电动机进入发电状态，将外力作用于转子的能量转 换成电能回送给电网。换成电能回送给电网。 n F 转子转子 T n0 n n0 当变速多极电动机从高速档当变速多极电动机从高速档 调到低速档时，旋转磁场转调到低速档时，旋转磁场转 速突然减小，而转子具有惯速突然减小，而转子具有惯 性，转速尚未下降时，出现性，转速尚未下降时，出现 回馈制动。回馈制动。 磁极数磁极数( 极对数极对数 p

24、= 2 ) 例如：例如： Y 132 M4 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。 机座长度代号机座长度代号 机座中心高（机座中心高（mm） 三相异步电动机三相异步电动机 教材表教材表7.8.1中列出了各种电动机的系列代号。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异步电动机产品名称代号 接线盒接线盒 。通常。通常 联联结结电电机机容容量量Y3kW 联联结结电电机机容容量量 kW4 U2 U1W2 V1V2 W1 U1 U2 W2U2V2 V1W1U1 W1V1 W2V2 例如：例如：380/220V、Y/ 是指线电压为是指线电压为 380V

25、时时 采用采用 Y联结联结；线电压为；线电压为 220V 时采用时采用 联结联结。 表示星形表示星形联结联结下电机下电机 的线电流为的线电流为 6.73A；三角形；三角形联结联结下线电流为下线电流为 11.64A。两。两 种接法下相电流均为种接法下相电流均为 6.73A。 1 2 P P cos3 NN1 IUP 鼠笼电机鼠笼电机 =7293 电动机在额定运行时定子绕组的电动机在额定运行时定子绕组的 额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率，它不等于从电源吸取的电功率 P1。 PN 三相异步电动机的功率因数

26、较低，在额定负载时约三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约 为为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额。额 定负载时，功率因数最高。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。电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。 P2 cos O 0 N0 N n nn s 额定转差率额定转差率 指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为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，五级，A级最低级最低(105C)，H级最高级最高 (180C)。 一台一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组型的三相异

27、步电动机，定子绕组型联型联 结，其额定数据为：结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V， N=92.3%，cos N=0.88， Ist / IN=4.0, Tst / TN=1.9，Tmax / TN=2.2 求：求：INsN TN TmaxTN A284 92308803803 1045 3 . . 1) 求求 额定电流额定电流 IN NNN 3 N2 N cos3 10 U P I N NN NN N1 1N N cosUIP3 输入电功率：输入电功率： 效率：效率： N = P2NP1N 得：得： 由由nN=1480r/min，可知，可知 p=2 （

28、四极电动机）（四极电动机） minr 1500 0 /n 0.013 1500 14801500 n nn 0 N0 N s mN 4290 1480 45 95509550 N N2 N . n P T mN 9638429022)( N N max max .T T T T mN 8551429091)( N N st st .T T T T 2 2）求）求额定转差率额定转差率 sN 3 3）求）求额定转矩额定转矩 T TN N 、最大转矩 最大转矩T Tmax max 、和起动转矩 和起动转矩T TN N 在在上例中上例中 ：如果负载转矩为如果负载转矩为 510.2Nm, Tst = 5

29、51.8Nm 510.2 N. m 2 UT s st t Ist =7IN=7 84.2=589.4 A A51964598 3 1 3 1 st stY .II (1) 试问：试问：在在U=UN时，时，电动机能否起动？电动机能否起动？ 试问：试问：在 在U = 0.9UN 时时，电动机能否起动？电动机能否起动？ mN2510mN 447855190 2 st .T (2)试问：试问： 采用采用Y- 换接起动时，求起动电流和起动转矩换接起动时，求起动电流和起动转矩 mN91838551 3 1 3 1 ststY .TT 1 3232 9183 %804290 9183 %80 N stY

30、. . . . T T 1 2145 9183 %504290 9183 %50 N stY . . . . T T mN91838551 3 1 3 1 ststY .TT (3)试问：试问：采用 采用Y- 换接起动，当负载转矩为起动转矩的换接起动，当负载转矩为起动转矩的 80%和和50%时，电动机能否起动？时，电动机能否起动？ 上例中，若上例中，若电动机采用自耦变压器降压起动，设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起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这，求这 时的线路起动电流时的线路起动电流Ist和电动机的起动转矩和电动机的起动转矩Tst 。 变

31、压器的变比为变压器的变比为 k = UN / 0.64 UN = 1 / 0.64 A A0. 640. 64 2 2 stststststst 42414589640 1 2 2 . II k I 已知起动电流已知起动电流 Ist7IN589.4 A m mN N s st t 8551429091.T m mN N 226226 stststst 8551640 1 2 .T k T 6.1.2 三相异步电动机的特性 1. 异步电动机的电磁转矩 图6.10 转矩特性曲线 异步电动机的电磁转矩是旋转磁场和转子电流相互作用 而形成的。三相异步电动机的电磁转矩为 Tm22 cosTCI 2. 异步电动机的机械特性 图6.13 异步电动机机械特性曲线 机械特性曲线是表示电动机转速与转矩之间关系的曲线 ，电动机 工作电流超过它所允许的额定值，这种工作状态称为过载 电动机的转矩过载系数或过载能力 mmN /TT 3. 异步电动机的工作特性 图6.14 异步电动机的工作特性 异