异步电动机原理-东北大学

1、异步电动机的外形：异步电动机的外形：微型三相异步电动机的实体照片：微型三相异步电动机的实体照片：V2V1W2U2U1W1定子定子定子铁芯定子铁芯定子铁芯定子铁芯注：转子电路注：转子电路必须是闭合的必须是闭合的 铁芯槽内放铜条，端部铁芯槽内放铜条，端部 用导电铜环将所有铜条用导电铜环将所有铜条 短接成一个回路。短接成一个回路。 或铸铝形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。鼠笼式转子鼠笼式转子 结构简单、价格低廉、工作可靠、使用方便结构简单、价格低廉、工作可靠、使用方便 结构复杂、价格较贵、维护工作量大，适用结构复杂、价格较贵、维护工作量大，适用于要求具有较大启动转矩及一定调速范围的场合于要求具有较大

2、启动转矩及一定调速范围的场合nNSf0n磁场旋转磁场旋转磁铁磁铁闭合闭合线圈线圈e方向用方向用右手定则右手定则确定确定f方向用方向用左手定则左手定则确定确定ei120sin120sinsinm3m2m1tIitIitIi1i2iU1U2V1V2W1W23i3ii1i2omItU1V2W1V1W2()电流出电流出( )电流入电流入U21i2iU1U2V1V2W1W23i电流正方向：从绕组首端流入，电流正方向：从绕组首端流入， 末端流出。末端流出。 规定规定 i “+” ：实际方向与正方向一致。：实际方向与正方向一致。 i “” ：实际方向与正方向相反。：实际方向与正方向相反。 U1 U2V2W1

3、V1W2NS1i2iU1U2V1V2W1W23i0 t 01 i2i负负3i2i3imIoti2i1同理分析，可得同理分析，可得其它瞬间三相电其它瞬间三相电流所产生的磁场流所产生的磁场方向：方向： 60t60U1 U2V2W1V1W2NS0nU1 U2V2W1V1W2NS 120tU1 U2V2W1V1W2NS 180t2i3imIoti2i1BlvBli0n0nU1U2V2W1V1W2NSFFn磁场旋转方向磁场旋转方向：取决于三相电流的相序。：取决于三相电流的相序。0n0n改变电机的旋转方向：改变定子三相电流的相序。改变电机的旋转方向：改变定子三相电流的相序。1imIo3it2i转子转动方向

4、和旋转磁场的旋转方向一致，转子转动方向和旋转磁场的旋转方向一致，1imIo3iti2将电动机同电源相接的三根导线中任意互换两根即可。将电动机同电源相接的三根导线中任意互换两根即可。正转正转反转反转L1L2L3M3U1V1W1电电 源源M3L1L2L3U1V1W1电电 源源旋转磁场的极对数旋转磁场的极对数 p 与定子三相绕组的排列有关。与定子三相绕组的排列有关。1p此种接法下，合成磁场只有一对磁极。即：此种接法下，合成磁场只有一对磁极。即：AXYCBZNS1i2iU1U2V1V2W1W23iW1V2U1V1W1U2V2W2U1U2V1W21i2i3iU1U1U2U2V1V2V1V2W1W2W1W

5、2极对数极对数2pW1V2U1V1W1U2V2W2U1U2V1W21i2i3iNSSNU1U2U1U2V1V2V1V2W1W2W1W20t1i2i3imIt01i2i3imIt0NSSN0tU1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2 60t0nZCZCSNSN 30U1U2U1U2旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关分分）转转 /( 6010fn 电流变化一个周期，旋转磁场在空间转电流变化一个周期，旋转磁场在空间转360电流频率为电流频率为 f1，则每分钟电流变化，则每分钟电流

6、变化60 f1周，周，磁场旋转磁场旋转n0圈。即：圈。即：n0称为称为同步转速同步转速p = 2时：时：p = 1时：时：分分）转转/( 26010fn 异步电动机的同步转速异步电动机的同步转速:分分）转转/( 6010pfn 2p180分）转/( 50011p360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)50(1Hzf0n3p120分）转/( 00014p90分）转/( 507磁极数磁极数24681. 转子的转动方向与旋转磁场的旋转方向一致转子的转动方向与旋转磁场的旋转方向一致 结论：结论：2.转子转速总是小于旋转磁场转速

7、转子转速总是小于旋转磁场转速0nn“异步异步”n 与与 n0 同方向同方向,无转距无转距转子与旋转磁场间没有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流提示提示：如果如果0nn 因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。 转差率转差率 s 的概念：的概念：%10000nnns电动机起动瞬间电动机起动瞬间:1 ,0sn（转差率最大）（转差率最大）10 ss范范围围：异步电机额定运行中异步电机额定运行中:07.001.0NsNn0n略小于略小于旋转磁场的同步转速和电动机

8、转子转速之差与旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为旋转磁场的同步转速之比称为转差率转差率。即：。即：额定转差率额定转差率例例1 1：三相异步电动机的额定转速三相异步电动机的额定转速 nN= =975 r/min，电源频率电源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的极对数和额定负。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。载下的转差率。解：解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转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：速的关系可知：n0=1000 r/min , 额定转差率额定转差率025. 01000975100000 nnnsNN%10000nn

9、nsNN分分）转转/( 6010pfn 6.3 异步电动机的电路分析异步电动机的电路分析 异步电动机中的电磁关系与变压器相似，定异步电动机中的电磁关系与变压器相似，定子绕组相当于变压器的一次绕组接电源；转子绕子绕组相当于变压器的一次绕组接电源；转子绕组相当于变压器的二次绕组，其中的电动势和电组相当于变压器的二次绕组，其中的电动势和电流都是靠电磁感应产生的。流都是靠电磁感应产生的。22022202)( XrEIss2202222)(cosXrrs111144.4NfkU NfkE2122044. 412sff 电磁转矩电磁转矩转子中各载流导体在旋转磁场的作用转子中各载流导体在旋转磁场的作用 下下

10、,受到电磁力所形成的转矩之总和。受到电磁力所形成的转矩之总和。22cosIKTT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21220222)(UsXrsrKT得到得到电磁转矩公式电磁转矩公式22cosIKTT22022202)( XrEIss2202222)(cosXrrs111144.4NfkU 由前面分析知：由前面分析知：NfkE2122044. 4由公式可知：由公式可知：（2） s，r2一定时，一定时，T 与定子每相绕组电压与定子每相绕组电压 成正比。成正比。21U（1） 当电源电压当电源电压 U1 一定时

11、，一定时，T 是是 s 的函数。的函数。（3） r2 的大小对的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻接电阻来改变转子电阻 r2 ，从而改变转距。，从而改变转距。21220222)(UsXrsrKTmaxTmSNSOTS曲曲线线)(sfT 曲曲线线)(Tfn 根据转矩公式根据转矩公式22022212)(sXrUsrKT得：得：NnmaxTstTOnTNT0nstT1NT机械特性曲线机械特性曲线O0nNnn（1）理想空载与硬特性：）理想空载与硬特性：NnmTstTOnTNT0nbcaa点：点：0)0(0Tsnn，电动机空载且不存在电电动机空载且

12、不存在电动机损耗动机损耗 理想空载理想空载a-c段：电动机转速随转矩的段：电动机转速随转矩的 增加而稍微下降增加而稍微下降 硬特性硬特性 （稳定工作区）（稳定工作区）0TTTL电磁转矩电磁转矩摩擦转矩摩擦转矩分）（转千瓦）/nPnPPTTL(9550602222(牛顿牛顿 米米)（2）额定转矩）额定转矩TN：电动机在额定负载时的转矩。电动机在额定负载时的转矩。)(min)/()(9550mNrnkWPTNNNNnNTOnT0n负载转矩负载转矩（3）最大转矩）最大转矩 Tm：转子轴上机械负载转矩转子轴上机械负载转矩TL 不能大于不能大于Tm ，否则将，否则将造成堵转造成堵转(停车停车)。电机带动

13、最大负载的能力。电机带动最大负载的能力。21220222)(UsXrsrKTmTmS0Ts10SdTd求解求解202Xrsm临界转差率临界转差率20212XUKTm20212 XUKTm过载系数：过载系数：NmTT三相异步机三相异步机2 .28 .1 三相异步机的三相异步机的 和电压的平方成正比，所以对电和电压的平方成正比，所以对电 压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。mT 工作时，必须使工作时，必须使 ，否则电机将停转。，否则电机将停转。mLTT电机严重过热而烧坏电机严重过热而烧坏12II （4） 起动转矩起动转矩 Tst：22022212)(sX

14、rUsrKT 22022212XrUrKTst电动机起动时的转矩。电动机起动时的转矩。起动时，起动时，n= 0 （s =1）Tst体现了电动机带负载起动的能力。体现了电动机带负载起动的能力。若若 Tst TL电机能起动，否则不能起动。电机能起动，否则不能起动。0nOnTNstTT起动能力起动能力（5） U1 和和 R2变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响 U1 变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响2122022212UXrUrKTst2120212UXUKTm 202XrsmstmTTU，1结论：结论：21NmmUUTT21NststUUTTU 0n1U 1UNUTLnTO)(mss=

15、0s=1 r2 变化对机械特性的影响变化对机械特性的影响22022212XrUrKTst20212XUKTm2202 rXrsmr2 n mTLTr2的的 改变改变 ：鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，鼠笼式电机转子导条的金属材料不同， 绕线式电机外接电阻不同。绕线式电机外接电阻不同。 stTTOn0ns=0s=1机械特性的软硬机械特性的软硬 硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。动特性好。 硬特性（硬特性（r2小）小）软特性（软特性（r

16、2大）大）0Tn 不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。电机；重载起动则选软特性电机。启动：启动： Tst TL ，电机启动，电机启动转速转速n ，转矩，转矩T c点：转矩达最大点：转矩达最大Tm ，转速，转速n继续继续 ，T ，沿，沿c-b走走b点：点：T=TL，转速，转速n不再上升，稳定运行不再上升，稳定运行 TL sTL Tn T 达到新达到新的平衡的平衡I2 LTT0nnTOncbLTmTLTstT电动机的电磁转矩可以随电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种负载的变化而自动调整，这种能力称为自

17、适应负载能力。能力称为自适应负载能力。三相异步电动机三相异步电动机型号：型号：Y132M4 功率：功率：7.5kW 频率：频率：50Hz 电压：电压：380V 电流：电流：15.4A 接法：接法： 转速：转速：1440r/min 绝缘等级：绝缘等级：B 工作方式：连续工作方式：连续 年月生产功率因数：功率因数：0.85 效率：效率：87%铭牌数据：铭牌数据：技术数据：技术数据：例：例： 磁极数磁极数( 极对数极对数 p = 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

18、异步电动机三相异步电动机: Y或或。U2U1W2V1V2W1U1U2接线盒接线盒W2U2V2V1W1U1W1V1W2V2定子三相定子三相绕组绕组 Y 接法：接法： 接法：接法：接线盒接线盒注意：注意：铭牌上各参铭牌上各参数的意义？数的意义？1、电压和电流指的是、电压和电流指的是定子绕组的还是转子绕定子绕组的还是转子绕组的？电压是线电压还组的？电压是线电压还是相电压？电流是线电是相电压？电流是线电流还是相电流？流还是相电流？2、功率因数是指定子绕组的还是转子绕组的？、功率因数是指定子绕组的还是转子绕组的？3、功率是指输出功率还是输入功率？输入功率、功率是指输出功率还是输入功率？输入功率 如何计算

19、？如何计算？4、额定转速是指磁场转速还是转子转速？、额定转速是指磁场转速还是转子转速？UN = 380/220V、Y/ 接接指：线电压为指：线电压为 380V 时采用时采用 Y接法；接法； 线电压为线电压为 220V 时采用时采用 接法。接法。 电动机在额定运行时，电动机在额定运行时，定子绕组定子绕组在指定在指定接法接法下应加的下应加的线电压值。线电压值。 额定电压额定电压 ：NU两种接法情况下，两种接法情况下，每相负载电压均为每相负载电压均为220V(每相绕组的额定电压每相绕组的额定电压)例：例： 说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低 于额定值

20、的于额定值的 5 。 额定电流额定电流 ：NI 电动机在额定运行时，电动机在额定运行时，定子绕组定子绕组在指定在指定接法接法下的下的线电流值。线电流值。例：例：IN = 14.7 / 8.5 A、 / Y接接表示：表示： Y接法下，接法下，电机的线电流为电机的线电流为 8.5A ； 接法接法下，线电流为下，线电流为 14.7A。两种接法下两种接法下每相负载电流均为每相负载电流均为 8.5A。 额定转速额定转速 ：Nn 电动机在额定电压、额定负载下运行时电动机在额定电压、额定负载下运行时电机电机轴上轴上的转速。的转速。04. 0144014401500 00nnnsNN如：如： nN =1440

21、 转转/分分额定转差率额定转差率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。 额定功率额定功率 ：NP电动机在额定运行时轴上输出的电动机在额定运行时轴上输出的机械功率机械功率 P2N 。轴上输出机械功率与定子输入电功率轴上输出机械功率与定子输入电功率P1N的比值。的比值。NNNNIUPcos31鼠笼电机鼠笼电机 N =7293%1001NNNPP 额定效率额定效率 ：N定子定子每相绕组的功率因数。每相绕组的功率因数。注意：实用中应选注意：实用中应选择容量合适的电机，择容量合适的电机，防止出现防止出现 “大马拉大马拉小车小车” 的现象。的现象。PN在额定负载时功率因数最高，约为在额定负

22、载时功率因数最高，约为 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。P2cos O 功率因数功率因数 ：Ncos此外还有表示过载能力的此外还有表示过载能力的Tm / TN 、表示起动能、表示起动能力的力的Tst / TN 、 Ist / IN 及及绝缘等级绝缘等级等参数。等参数。例：例：一台三相异步电动机，一台三相异步电动机，PN = 10kW， UN = 380V， 接，接， nN = 1450r/min，N = 0.875， cosN = 0.87， Tst / TN = 1.4， Tm / TN = 2 。求：求：额定电流、额定额定电流、额定 转矩、

23、启动转矩、最大转矩；转矩、启动转矩、最大转矩；粗略描绘出机械特粗略描绘出机械特 性曲线。性曲线。解：解：26.924 .1NstTT（Nm）9 .6514501095509550 NNNnPT（Nm）8 .1319 .6522NmTT（Nm）96.19875. 087. 03803100010cos3NNNNNUPI(A)a点：点：0min/15000Trn，b点：点：mNTrnNN9.65min/1450，c点：点：mNTm8 .131d点：点：mNTnst26.920，NnmTstTOnTNT0nbcad起动：起动： n = 0，s =1，接通电源。，接通电源。起动过程中的两个问题：起动过

24、程中的两个问题：stI 起动电流起动电流 大大 ：一般中小型鼠笼式电机启动电流为额定电流的一般中小型鼠笼式电机启动电流为额定电流的5 7 倍。倍。起动时起动时n = 0，转子绕组切割磁力线速度很大。，转子绕组切割磁力线速度很大。后果：后果：原因：原因： 电机刚启动时，电机刚启动时， n = 0，s =1，转子电流转子电流 I2 虽然虽然很很大，但是因为转子漏电抗大，但是因为转子漏电抗X20很大，所以转子功率因数很大，所以转子功率因数cos2很低，因而启动转矩很低，因而启动转矩Tst并不大。通常电动机的起并不大。通常电动机的起动动起重冶金用的电机起重冶金用的电机Tst / TN可达可达。stT

25、起动转矩起动转矩 小小 ：原因：原因：后果：后果：电机启动时间拖长；不能带负载启动。电机启动时间拖长；不能带负载启动。22cosIKTT2202222)(cosXrrs（1） 直接起动：直接起动：电机容量不大于直接供电变压器容电机容量不大于直接供电变压器容 量的量的20 30，可以采用直接起动。小容量，可以采用直接起动。小容量20 30千瓦以千瓦以下的异步电动机下的异步电动机一般都采用直接起动。一般都采用直接起动。 起动时，把电动机的定子绕组直接接入电网，起动时，把电动机的定子绕组直接接入电网，即直接加上额定电压。即直接加上额定电压。（2） 降压起动：降压起动：采用降低定子绕组电压的方法起动，

26、以减小起动电流。起动后，采用降低定子绕组电压的方法起动，以减小起动电流。起动后，待电动机转速接近额定值时再换接额定电压。待电动机转速接近额定值时再换接额定电压。Y 换接换接启动启动自耦降压起动自耦降压起动定子电路串联电阻或电抗定子电路串联电阻或电抗降压方法：降压方法：Y 换接换接起动起动起动时把定子绕组起动时把定子绕组接成星形接成星形Y，正常运行时定子绕组为正常运行时定子绕组为接。接。 Y 换接起动：换接起动：ZUZUIIlppl333 接：接：Y接：接：ZUZUIIlppl3YlIZlU+U1U2V1V2W1W2起动起动正常运行正常运行 lIlU+ZU1U2V1V2W1W231llII降压起

27、动时的电流降压起动时的电流为直接起动时的为直接起动时的1/3 采用采用Y Y降压起动，起动转矩为直接起动时的降压起动，起动转矩为直接起动时的1/31/3。3lpUU Y 接时，相电压为接时，相电压为lpUU接时，相电压为接时，相电压为313/22 llppststUUUUTT起动转矩和相电压的平方成正比起动转矩和相电压的平方成正比2PUT 31ststTTY Y起动时转矩关系：起动时转矩关系：(1) 仅适用于正常运行为三角形仅适用于正常运行为三角形接法的电机。接法的电机。Y- 换接起动应注意的问题换接起动应注意的问题所以所以Y 降压起动适合于空载或轻载起动的场合。降压起动适合于空载或轻载起动的

28、场合。)(2UTST(2) Y 起动起动 也也时时ststTI,启动电流、起动转矩为直接起动时的启动电流、起动转矩为直接起动时的1/3。31ststTT31ststII*例：例： 有一有一台台鼠笼式异步电动机的技术数据如下：鼠笼式异步电动机的技术数据如下：PN(kW) UN (V)nN(r/min)接法接法4038014700.90.96.51.22.0NcosNstTTNstIINmTT(1)(1)求求额定电流额定电流IN、额定转差率、额定转差率sN、额定转矩额定转矩 TN 、最大、最大 转矩转矩Tm和启动转矩和启动转矩Tst；(2)(2)若负载转矩为若负载转矩为274.4Nm, ,试问在试

29、问在U=UN和和U =0.9UN两两 种情况下，电动机能否直接起动？种情况下，电动机能否直接起动？ (3)(3)采用采用Y起动时起动时, ,求起动电流求起动电流IstY ，起动转矩起动转矩TstY ；(4)(4)当当TL = 0.3TN和和TL = 0.5TN时时, ,能否采用能否采用Y起动？起动？(5)(5)当当TL = 0.5TN时时, , 求电动机的转速求电动机的转速n。N解解:)(759 . 09 . 038031040cos33AUPINNNNN)(26014704095509550mNnPTNNN（1）由由nN=1470r/min，可知，可知 ：p=2， n0=1500r/min，

30、02. 015001470150000nnnsNN(1)(1)求求额定电流额定电流IN、额定转差率、额定转差率sN、额定转矩额定转矩 TN 、最大转矩最大转矩Tm和启动转矩和启动转矩Tst；解解:)(26014704095509550mNnPTNNN)(3122602 .12 .1)(mNTTTTTNNNstst)(52026022)(mNTTTTTNNNmm（1）U=UN时时: Tst = 312 Nm TL = 274.4 Nm U = 0.9UN 时时:能起动能起动22)9 . 0()(NNNststUUUUTTmNTmNTTLstst4 .2747 .25231281. 081. 0不

31、能起动不能起动(2)(2)若负载转矩为若负载转矩为274.4Nm, ,试问在试问在U=UN和和U =0.9UN两种情况下，电动机能否直接起动？两种情况下，电动机能否直接起动？ 直接启动时：直接启动时：Ist =6.5IN=487.5 A，Tst=312 Nm A5 .1625 .4873131ststIIY启动时：启动时：mNTTstst1043123131(3)(3)采用采用Y起动时起动时, ,求起动电流求起动电流IstY ，起动转矩起动转矩TstY ；（4） TL = 0.3TN 时：时：1781042603 . 0104LstTT可以可以Y启动启动TL = 0.5TN 时：时：11301042605 . 0104LstTT不能不能Y启动启动（5） 由由机械特性机械特性n=f(T)曲线中曲线中近似直线的近似直线的硬特性硬特性, , 可得可得NLNTTnnnn00即即NNTTn5 . 0147015001500电机转速电机转速n=1485 r/min pfsnsn106011 变频调速变