(上课)第4章 交流电动机的工作原理及特性1

1、 在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机 械，矿山机械等。械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。 交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能, , 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。1. 按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、按电机定子相数分：三相异步电动机、

2、两相异步电动机、 单相异步电动机。单相异步电动机。2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.三相异三相异步电动机步电动机定子定子转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心机座机座转子绕组转子绕组转子铁心转子铁心饶线式饶线式鼠笼式鼠笼式A、B、C三相绕组三相绕组A、B、C 三相绕组三相绕组电动机的外形电动机的外形三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。这这是是三三相相异异步步电电动动机机的的基

3、基本本结结构构示示意意图图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。端盖端盖机座机座这这是是三三相相异异步步电电动动机机的的基基本本结结构构示示意意图图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定子定子这这是是三三相相异异步步电电动动机机的的基基本本结结构构示示意意图图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。三相

4、异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定子定子转子转子轴承轴承端盖端盖机座机座这这是是三三相相异异步步电电动动机机的的基基本本结结构构示示意意图图三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕 组组成。组组成。这是机座定子铁心和定子绕组示意图定子绕组定子绕组机座机座定子铁心定子铁心定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成这是定子硅钢片这是定子硅钢片在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组定子绕组定子绕组AZBXCYY接法接法AXBYCZA XB YC Z首端首端:A,B,

5、C末端末端:X,Y,Z 接法接法AXBYCZ转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。这这是是转转子子硅硅钢钢片片这这是是绕绕线线型型转转子子铁铁心心与与绕绕组组根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子鼠笼型转子的电机称鼠笼式电动机鼠笼型转子的电机称鼠笼式电动机绕线型转子的电机称绕线式电动机绕线型转子的电机称绕线式电动机外接电阻外接电阻电刷电刷滑环滑环转子铁心转子铁心转子绕组转子绕组转子三相绕组接成转子三相绕组接成Y型型 鼠鼠笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电

6、端环把所有的导电条连接起来。转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。这这是是笼笼型型转转子子三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机的基本结构示意图转子转子用手摇动手柄使磁极转动，转子跟着旋转。摇得快，转子用手摇动手柄使磁极转动，转子跟着旋转。摇得快，转子转得快；摇得慢，转子转得慢。反摇时，转子马上反转。转得快；摇得慢，转子转得慢。反摇时，转子马上反转。对称三相电流流入对称三相电流流入 对称对称三相绕组三相绕组：i 正方向规定正方向规定：首端首端 末端末端如：如： iA ：A X iA 0 X A iA 0iAiBiCiA=Imsin tiB=Imsin( t-120 )iC

7、=Imsin( t+120 )相序相序A-B-C-A ti0AXBYCZ空间相差空间相差120120 角的三相绕组角的三相绕组iAiBiC60iA 0iB 0iC = 00iA = 0iB 0iC 0电流的流入端用电流的流入端用 表示表示 电流的流出端用电流的流出端用 表示表示iAiiBiC120iA= 0iB 0iC 0 t当电流相序为当电流相序为 ：A-B-C-AA-B-C-A，旋转磁场的方向为顺时针方向，旋转磁场的方向为顺时针方向旋转磁场的反转旋转磁场的反转： 改变流入三相绕组的电流相序（即改变流入三相绕组的电流相序（即对调对调 定子绕组接至电源的三根导线中任意定子绕组接至电源的三根导线

8、中任意 两根两根）旋转磁场的方向旋转磁场的方向： 由由电流电流超前超前的线圈的线圈转向转向电流电流滞后滞后的线圈的线圈空间相差空间相差120120 角的三相绕组，通入对称三相电流，当电流角的三相绕组，通入对称三相电流，当电流随时间交变时，产生的两极磁场在空间旋转。随时间交变时，产生的两极磁场在空间旋转。 定子旋转磁场定子旋转磁场结论：改变流入三相绕组的电流相序改变流入三相绕组的电流相序, ,就能改变旋转就能改变旋转磁场的转向磁场的转向; ;相序相序A-B -C -A相序相序A-C-B-AiAiBiCABYCZXAXCZBY t = 0AZBX CXCYAZBYSNAZBXCYNS0（P = 1

9、P = 1）（P = 2P = 2）iAiBiCAXBYCZ12060N0SiA = 0iB 0iC 0600 t =6 0NSAZBXCXCYAZBY30SN0 tiiAiBiC0iAiBiCABYCZXAXCZBY t = 0AZBXCNSXCYAZBY0SNiA 0iB 0iC = 0结论结论：当定子每相中有当定子每相中有 n n个线圈串联个线圈串联, , 且每相绕组始端且每相绕组始端在空间相差在空间相差120120/n /n 时时, , 通入对称三相交流电后通入对称三相交流电后, , 产生产生一个一个2n2n极旋转磁场。极旋转磁场。 （P = nP = n）pn0 = 60 f1电源的

10、频率电源的频率 磁极对数磁极对数P=1 n0 =3000 r/min P=2 n0 =1500 r/min P=3 n0 =1000 r/min P=4 n0 =750 r/min 是定子旋转磁场和转子电流的相互作用的结果是定子旋转磁场和转子电流的相互作用的结果-基于电磁感应定律和电磁力定律基于电磁感应定律和电磁力定律n0S = n0nn = (1S) n00 T TL L, , 能起动，能起动， T Tstst T T TL L, , 电动机才能正常工作，否则电动机才能正常工作，否则 电动机将停转，造成电动机将停转，造成严重过载严重过载。鼠笼式电动机鼠笼式电动机： m= = 2.0 2.5绕

11、线式电动机绕线式电动机： m= = 2.5 3.0 当当X20不变时不变时, ,临界转差率临界转差率Sm随随R2增大而增加增大而增加。c. Sm=R2 /X20a. Tmax U2b. Tmax与与 R2无关无关，Sm与与 U无关无关，U TmaxT = K _SR2U 2R22 +(SX20)2工程上采用规格化转矩工程上采用规格化转矩转差率特性求得转差率特性求得T-不易得到不易得到T = 2Tmax+ SSmSSm 降低电源电压降低电源电压U a. n n0 0不变不变Tmax n0TnmsSmn n0 0Tst Ts tTmaxb. （）U1Tmax2UNTmax=（）U1Tst2UNTs

12、t=c. 特性变软特性变软 Tmax U2，Tst U2， Sm与与 U无关无关4943536361 f1 fN f1 改变电源频率改变电源频率f（=f1） fN n0TTmaxTstsn n0 0SmTs tn n0 0Sma. n n0 0 ， Sm U =常数常数fd. 不变不变pn0 = 60 f1R2Sm= X20b. Tmax不变不变Tmax= K U22X20c. Tst K R2UX2022Tst以保证以保证 不变，从而不变，从而保证保证 T Tmaxmax不变不变U=4.44 f1N1 在调整电源频率在调整电源频率 f f 时时, , 应同时调整电应同时调整电源电压源电压 U

13、 U U Uf f保持：保持：= = 常数常数注意注意 ：Tmax= K U22X20 定子回路串入电阻定子回路串入电阻R1sTmax n0TnmsSmn n0 0Tst + Ts tTmaxi1R1uNu1R1s串入电阻串入电阻R R1s1s，将使定子每，将使定子每相绕组上的电压相绕组上的电压U U1 1降低，降低，类似于类似于降低电源电压降低电源电压U U的情况的情况49 转子回路串入电阻转子回路串入电阻R2s R2n0TTmaxTstsn n0 0Sme2i2R2s R2 +R2s Ts tSmpn0 = 60 f1R2+R2sSm= X20Tmax= K U22X20 K （R2+R2

14、s ）U 2X202Tst4365 a. n n0 0不变不变， Sm d. b. Tmax不变不变c. Tst R2n0TTmaxTstsn n0 0Sm R2 +R2s Ts tSm启动初始瞬间，启动初始瞬间，n=0，S=11. 起动电流起动电流Ist大，大，Ist= （57） IN。v 过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。电压降落，影响邻近负载的正常工作。2. 起动转矩起动转矩Tst不大不大 -Tst = （0.81.5）TNv 频繁起动会使电动机过热。频繁起动会使电动机过热。v虽然刚起动时转子电流较大

15、，但转子的功率因数很低虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低, , 不能满载不能满载起动起动。1. 足够大的足够大的Tst （Tst TL ）2. 较小的较小的 IstL1 L2 L3 优点：优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机笼型异步电动机适用于：适用于：Ist IN3 +414 电源总容量电源总容量电动机功率电动机功率U1 = U启动时把电动机的定子绕组直接接入电网启动时把电动机的定子绕组直接接入电网特点：特点： 起动转矩小；起动电流大，比额定值大起动转矩小；起动电流大，比额定值大5757倍倍 启动时降低电动机定子

16、绕组的相电压，待电动机转速启动时降低电动机定子绕组的相电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常接近稳定转速时，再把电压恢复正常。FUW2U1U2V1V2W1Q1转子转子定子定子绕组绕组 Q2YU1U2V1W1V2W2W1V1U1U2V2W2启动时接成星型启动时接成星型启动完毕接成三角形启动完毕接成三角形 特点：特点：1. 起动电流和起动转矩都降低到直起动电流和起动转矩都降低到直 接起动时的三分之一接起动时的三分之一2. 2. 只适用于正常运行时为只适用于正常运行时为 接法的接法的 电动机电动机3. 3. 空载或轻载启动空载或轻载启动IstYUlUPIpZIstUlUPIPZIstY

17、= Ist31TstY = Tst31启动器启动器49 Ist =(0.55)2 Ist自耦变压器抽头有自耦变压器抽头有 0.55, 0.64, 0.73 等等Ist= (0.55) Ist 则变压器副方电流则变压器副方电流而变压器原方电流而变压器原方电流电动机起动转矩电动机起动转矩Tst =(0.55)2 Tst变压器变比变压器变比K为为 = 0.55N2N1自耦变压器自耦变压器电动机起动电流电动机起动电流I Istst和起动转矩和起动转矩T Tstst均为直接起动的均为直接起动的K K2 2。启动时，开关启动时，开关1KM打开，打开，串入串入Rst（Xst）降压启动。）降压启动。当电动机的

18、转速接近稳当电动机的转速接近稳定值时定值时, 再将开关再将开关 1KM合合上上,切除切除Rst（Xst）。）。 起动转矩起动转矩T Tstst 。 2. RstRst消耗功率。消耗功率。 3.3.用于不经常启动且空载或轻载的场合。用于不经常启动且空载或轻载的场合。Xst每相绕组有两个线圈每相绕组有两个线圈, 将三相绕组中一个线将三相绕组中一个线圈接为圈接为 Y 形形 , 另一个另一个线圈接为线圈接为 形形 , 电动电动机起动电流机起动电流ABCIsty Ist f1U =常数常数fna调速前：稳定运行在调速前：稳定运行在a a点点af=fN，n =nanbb调速后：稳定运行在调速后：稳定运行在

19、b b点点f=f1，n =nbT TL L 特点特点：（1 1）调速范围大。调速范围大。 （2 2）实现无级实现无级调速。调速。 （3 3）T Tmaxmax不变，不变， 不变不变 （4 4）当转子的转速当转子的转速n n超过旋转磁场的转速超过旋转磁场的转速n no o时，这时的转时，这时的转矩是制动转矩。电动机进入反馈制动状态。矩是制动转矩。电动机进入反馈制动状态。fffE E2(I2)n0Tn0电动状态电动状态反馈制动反馈制动nT反馈制动反馈制动电动状态电动状态n0Tn01电动电动状态状态反馈制动反馈制动abcnancTLTLfNf1将三相中的任意两相对调，将三相中的任意两相对调，产生制动

20、转矩，使产生制动转矩，使M停机。停机。旋转磁场与转子的相对转速旋转磁场与转子的相对转速为为 (n0+n) I2 I1必须在笼型电动机的定子或必须在笼型电动机的定子或绕线式电动机的转子中串入绕线式电动机的转子中串入电阻电阻R，以防止烧坏绕组。，以防止烧坏绕组。fEf方法简单，制动效果好。方法简单，制动效果好。能量消耗大。能量消耗大。E2(I2)n0Tn0电动状态电动状态反接制动反接制动断开电源，否则断开电源，否则电机将反转电机将反转制动时将定子绕组从三制动时将定子绕组从三相电源断开，然后接入相电源断开，然后接入低压直流电源。产生固低压直流电源。产生固定磁场定磁场, 旋转的转子导旋转的转子导条内产

21、生条内产生e2及及i2 ，i2与固与固定磁场相互作用，产生定磁场相互作用，产生与与n相反的电磁转矩相反的电磁转矩-制动制动转矩，使转矩，使n减速。减速。当当 n0,0, i20,0,T0 0 制动制动: 动能动能电能电能热能热能能耗小，制动准确、平稳，不会反转能耗小，制动准确、平稳，不会反转需要另外加直流电源需要另外加直流电源ffEE2(I2)n0电动状态电动状态能耗制动能耗制动n0Tabn=0时，切断直流电源时，切断直流电源TL 用途：用途：功率不大的电动工具：如电钻、搅拌器等功率不大的电动工具：如电钻、搅拌器等功率：功率：一般为几一般为几 几百瓦。几百瓦。单相异步电动机单相异步电动机:转子

22、采用鼠笼式转子转子采用鼠笼式转子家用电器：如电风扇、电冰箱、洗衣机、家用电器：如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等抽油烟机等 4 鼠笼式转子绕组鼠笼式转子绕组隐极式隐极式凸极式凸极式 121 定子定子2 定子绕组定子绕组3 转子转子 43ff 当定子单相绕组中通入单相交流电后产生的磁场为当定子单相绕组中通入单相交流电后产生的磁场为正正弦交变脉振磁场：弦交变脉振磁场： 轴线固定，幅值随时间正弦交变轴线固定，幅值随时间正弦交变 i=Imsin t ti0 = msin t t 0可将可将脉振磁场脉振磁场分解为两个幅值相等、以同一转速分解为两个幅值相等、以同一转速 n0向相反方向旋转的磁通。向相反方

23、向旋转的磁通。0t0t1t2t3 t4t5t6t7t8t + -t0 + -t4 + -t8 - +t1 + -t3 - +t6 + -t5 + -t7 + +t2 n0n0 += = 12T（合成转矩）（合成转矩） 脉振磁场可以脉振磁场可以分解为两个幅值相等分解为两个幅值相等 转速相同转速相同 (均为均为 n0)、转向相反的旋转、转向相反的旋转磁场磁场。 pn0 = 60 f1 -n0 + +n0T+ T+ （正向转矩）（正向转矩）T T （反向转矩）（反向转矩）T011S+S220T+TS S+ + = = S S =1=1时时, ,T= T+ Tn + -n0n02. 2. 若有外力将转

24、子推一下，若有外力将转子推一下， T T+ + T T ，电动机可以，电动机可以启启 动，转动方向取决于外力方向。动，转动方向取决于外力方向。n合成转矩合成转矩 T = T+ T + -n0n0若三相异步电动机运行时断了一根线，相当于单相若三相异步电动机运行时断了一根线，相当于单相异步电动机，称为三相异步电动机的异步电动机，称为三相异步电动机的单相单相运行，或运行，或缺相缺相运行。运行。禁止禁止外力外力外力外力例例: 三相异步电动机在电源断掉一根线后为什么不能起三相异步电动机在电源断掉一根线后为什么不能起 动？在运行中断掉一根线为什么还能继续转动？长动？在运行中断掉一根线为什么还能继续转动？长

25、 时间运行是否可以？时间运行是否可以？ (1) 三相异步电动机在电源断掉一根线时，就成为三相异步电动机在电源断掉一根线时，就成为 单相电动机运行。在起动时断了一线，因起动单相电动机运行。在起动时断了一线，因起动 转矩为零而不能起动，只能听到嗡嗡声，这时转矩为零而不能起动，只能听到嗡嗡声，这时 电流很大，时间长了，就将电动机烧坏。电流很大，时间长了，就将电动机烧坏。(2) 如果在运行中断了一线，则电动机仍将继续转如果在运行中断了一线，则电动机仍将继续转 动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定 电流。时间一长，也会使电动机烧坏电流。时间一长，也会使电动机烧

26、坏答答:设设 iA=Imsin tiB=Imsin( t+90 )iA tiiB0n0BYAX t = 45iA、iB均为均为正正值值 BYAX t = 90iA为为正正值，值，iB= 0 BYAX t = 0iA= 0，iB为为正正值值 (1) 在空间相差在空间相差90的两个绕组，分别流入在相位上的两个绕组，分别流入在相位上 相差相差90的两相电流，也能产生的两相电流，也能产生旋转磁场。旋转磁场。(2) 如果两个绕组的参数相同，两相电流的幅值相等，如果两个绕组的参数相同，两相电流的幅值相等， 产生的是圆形产生的是圆形旋转磁场。旋转磁场。 (3) 如果两个绕组的参数不对称，两相电流的幅值不如果

27、两个绕组的参数不对称，两相电流的幅值不 相等，或者两相电流的相位差小于相等，或者两相电流的相位差小于90时，产生时，产生 的是椭圆形的是椭圆形旋转磁场。旋转磁场。 (4) 旋转磁场旋转磁场的转向是从电流相位超前的绕组的轴线的转向是从电流相位超前的绕组的轴线 位置转向电流相位滞后的绕组的轴线位置位置转向电流相位滞后的绕组的轴线位置, 所以所以, 改变两个绕组中电流的相位关系改变两个绕组中电流的相位关系, 可以改变可以改变旋转旋转 磁场磁场的转向的转向,也就改变了电动机的转向。也就改变了电动机的转向。1. 适当选择适当选择C，使二使二绕组中的电流绕组中的电流iB超前超前iA 90 ,即可产生旋转磁

28、场。旋转磁场的方向：即可产生旋转磁场。旋转磁场的方向：从电流超前的线圈转向电流滞后的线圈。从电流超前的线圈转向电流滞后的线圈。3. 在电机起动后，有的电动机利用离心开在电机起动后，有的电动机利用离心开 关关 S 切断起动绕组切断起动绕组BY。XY定子上放置：定子上放置：起动绕组起动绕组BYBY工作绕组工作绕组AXAX在空间在空间相隔相隔90 串联串联 C2. 在旋转磁场的作用下，转子随着旋转磁在旋转磁场的作用下，转子随着旋转磁 场转动。场转动。n方向同方向同n0n0niB=Imsin( t+90 )iA=Imsin t答答: 只要改变旋转磁场的只要改变旋转磁场的方向即可改变电容分相异方向即可改变电容分相异步电动机的转向。故只要步电动机的转向。故只要改变电容改变电容C C的串联位置，让的串联位置，让i iA A超前超前i iB B90900 0，即可实现旋，即可实现旋转磁场的反向，从而实现转磁场的反向，从而实现电动机的反转。电动机的反转。实现正反转电路实现正反转电路s s1: 1: 顺时针旋转顺时针旋转s s2: 2: 逆时针旋转逆时针旋转在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。磁极极靴磁极极靴短路铜环短路铜环罩极内外的磁通产生相位差形成旋转磁场。罩极内外的磁通产生相位差形成旋转磁场。它使鼠笼形转