机电传动控制第(8)

1、第五章第五章 交流电动机的工作原理及特性交流电动机的工作原理及特性 鼠笼式异步交流电动机授课内容：鼠笼式异步交流电动机授课内容： 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理 51 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理 一、三相异步电动机的基本结构一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。和转子之间有一定的气隙。如图所示。如图所示。1. .定子定子 定子由定子铁

2、心、绕组以及机座组成。定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 定子铁心是磁路的一部定子铁心是磁路的一部分，它由分，它由0.5mm的硅钢片叠的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座成为一个整体，固定于机座上。上。 定子绕组是电动机的电定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三

3、相布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，表示，其中，A、B、C称为称为首端首端，而，而X、Y、Z称为称为末端末端。 机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。 三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生生旋转磁场旋转磁场。 2. .转子转子 转子铁心也是电动机磁转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压路的一部分，由硅钢片叠

4、压而成。转子铁心装在转轴上。而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。硅钢片冲片如图所示。 转子由铁心与绕组组成。转子由铁心与绕组组成。 线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩产生转子电流，即产生电磁转矩。 鼠笼式异步电动机转子绕鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，组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再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图所示。端环上而组成，如图所示。 线绕式异步电动机转线绕式异步电动机转子绕组是

5、由线圈绕组放入转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，启动性能与调节转速， 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性变电动机的机械特性。 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子结构复杂、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。外加电阻可人为改变电动机的机械特性。二、三相异

6、步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理 1定子旋转磁场定子旋转磁场 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹个凹槽之中。现将三相绕组的末端槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端相连，首端A、B、C接三相接三相交流电源。且三相绕组分别叫做交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图所示。相绕组。如图所示。 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相相绕组的电流作为参考正弦量，即绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三

7、相绕组A、B、C的的电流（相序为电流（相序为ABC）的瞬时值为：）的瞬时值为：tIi sinmA )32sin(mB tIi)34sin(mC tIi 如图所示是这些电流随时间变化的曲线。如图所示是这些电流随时间变化的曲线。 时时01 t iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到端流到B端；端； iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到端流到Z端。端。 按右手螺旋法则确定按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，三相电流产生的合成磁场，如图（如图（a）箭头所示。）箭头所示。 iA=0 时时6

8、2Tt iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到端流到B端；端； iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到端流到X端。端。 此时的合成磁场如图（此时的合成磁场如图（b）所示，合成磁场已从所示，合成磁场已从t=0 瞬间瞬间所在位置顺时针方向旋转了所在位置顺时针方向旋转了 /3。 iC=0 时时33Tt iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到端流到C端；端； iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从

9、A端流到端流到X端。端。 此时的合成磁场如图此时的合成磁场如图（c）所示，合成磁场已从）所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方瞬间所在位置顺时针方向旋转了向旋转了2 /3。 iB=0 时时24Tt 0A i iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到端流到C端；端； iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到端流到Y端。端。 此时的合成磁场如图此时的合成磁场如图（d）所示，合成磁场已从）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方瞬间所在位置顺时针方向旋转了向旋转了 。 按以上分析可

10、以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称场也在不断旋转，故称旋转磁场。旋转磁场。2旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而B相绕组内的相绕组内的电流又超前电流又超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，当三相交流电的当三相交流电的ABC ，旋转磁场的旋转方向为从旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方向旋转。，即向顺时针方向旋转。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调任意两根线对调，例

11、，例如，将如，将B，C两根线对调，使两根线对调，使B相与相与C相绕组中电流的相位对调，如相绕组中电流的相位对调，如图所示。图所示。 此时此时A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而C相绕相绕组内的电流又超前组内的电流又超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，用上述同样的分析方法，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为ACB，即向逆时针方向，即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。 由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到由

12、此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。电源的三根导线中的任意两根对调即可。 3. .旋转磁场的极数与旋转速度旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用度，用n0表示。表示。 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即表示）即p=1。 从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了度），旋转磁场在空

13、间也旋转了一转（转了360机械角度），若电机械角度），若电流的频率为流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：转，即：fn600 fn600 如果把定子铁心的槽数增加如果把定子铁心的槽数增加1倍（倍（12个槽），制成如图所示的个槽），制成如图所示的三相绕组。三相绕组。 其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图所示。如图所示。 从图可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不

14、同位从图可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 /2，即即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。转。 由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：对磁极时，其转速为：pfn600 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数所以，旋转磁场的旋转速度与电流的

15、频率成正比而与磁级对数成反比。成反比。)/( 6010分分转转pfn 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)f(Hz501 3p120分）转/( 00014p分分）转转/( 75090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。4工作原理工作原理 三相异步电动机的工作原三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。电流的相互作用。 假设定子只有一对磁极，转假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。子只有一匝绕组。

16、AXYCBZ分分）转转/( 6010pfn BlvBliFvF0nNS5. .转转差率差率 S 由工作原理可知：转子的转速由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度场的旋转速度n0（同步速度）要小。因此，转子与旋转磁场之间的（同步速度）要小。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机异步电动机的由来。的由来。 定义：转速差定义：转速差(n0-n)与同步转速与同步转速n0的比值称为异步电动机的转的比值称为异步电动机的转差率，用表示差率，用表示S，即，即00nnnS 转差率转差率S是

17、分析异步电动机运行特性的主要参数。是分析异步电动机运行特性的主要参数。 如果如果:0nn %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 例例一台三相异步电动机，其额定转速一台三相异步电动机，其额定转速 n= =975 r/min，电源频率，电源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。极对数和额定负载下的转差率。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 , 2.5%100%10009751000%10000 nnns5.2

18、5.2 三相异步电动机的额定参数三相异步电动机的额定参数 一、一、 三相异步电动机定子绕组的接法三相异步电动机定子绕组的接法 1两种接法两种接法 定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，一般按图所示的方法排列。一般按图所示的方法排列。 按照我国电工专业标准规定：按照我国电工专业标准规定：定子绕组出线端的首端为定子绕组出线端的首端为D1、D2、D3，末端为，末端为D4、D5、D6。 三相电动机的定子绕组有三相电动机的定子绕组有星形（星形（Y型）型）和和三角形（三角形（形）形）两种两种不同的接法，如图所示。不同的接法，如图所示。2

19、线电压与相电压线电压与相电压 线电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；表示； 相电压相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用：每相绕组首、尾之间的电压，用U相相表示。表示。 对于星形接法：对于星形接法：相相UU31 对于三角形接法：对于三角形接法： 相相UU 13线电流与相电流线电流与相电流 线电流：电网的供电电流，用线电流：电网的供电电流，用I1 表示；表示； 相电流：每相绕组的电流，用相电流：每相绕组的电流，用I相相表示。表示。 对于星形接法对于星形接法 ：相相II 1对于三角形接法对于三角形接法 ：相相II31 cosUIP1113 4. . 电动机的输

20、入功率电动机的输入功率二、额定参数二、额定参数 电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定额定运行运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。电动机的铭牌上。 1. 额定功率额定功率PN： 在额定运行情况下，在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率电动机轴上输出的机械功率。 NNNPP1 输出功率的一般表达式为：输出功率的一般表达式为： 12PP 其中：其中： 效率效率 P1 输入功率输入功率P2输出功率输出功率 输出功率和输出转矩的关系为：输出功

21、率和输出转矩的关系为： cosIKnP.TM222559 I2为转子电流为转子电流 2. .额定电压额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。值。 如标有两种电压值（例如如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用），这表明定子绕组采用 /Y连接时应加的线电压值。连接时应加的线电压值。即：即： 三角形接法时，定子绕组应接三角形接法时，定子绕组应接220V的电源电压；的电源电压；星形接法时，定子绕组应接星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。的电源电压。 3. .额定频率额定频率f ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率

22、：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ Hz）。）。 50 f 如标有两种电流值（例如如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为），则对应于定子绕组为 /Y连接的线电流值。连接的线电流值。 4. .额定电流额定电流IN ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。定子的线电流值。即：即： 三角形接法时，定子电流为三角形接法时，定子电流为10.35A；星形接法时，定子电流为星形接法时，定子电流为5.9A。 5. .额定转速额定转速nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定：在额定频率、额定电压和电动机轴上输

23、出额定功率时，电动机的转速。功率时，电动机的转速。 与额定转速相对应的转差率称为与额定转速相对应的转差率称为额定转差率额定转差率SN。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下 ： 1.1.额定功率因数额定功率因数 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。Ncos 2. .额定效率额定效率 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为功

24、率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为N %100cos3NNNN IUPN 3. .额定负载转矩额定负载转矩TN ：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。的负载载矩。 4.4.线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。 三、定子绕组连线方法的选用三、定子绕组连线方法的选用 定子三相绕组的连接方式（定子三相绕组的连接方式（Y形或形或 形）的选择，和普通三相形）的选择，和普通三相负载一样，

25、须视电源的线电压而定。负载一样，须视电源的线电压而定。 如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成三角形；绕组应该接成三角形； 如果电源的线电压是电动机额定相电压的如果电源的线电压是电动机额定相电压的 倍，那么，电动倍，那么，电动机的绕组就应该接成星形。机的绕组就应该接成星形。 通常电动机的铭牌上标有符号通常电动机的铭牌上标有符号 /Y和数字和数字220 /380 ，前者表示，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。3 例例 电源线电压为电源

26、线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。试选择定子绕组的连接方式。 1. J32-4，功率，功率1.0kW，连接方法，连接方法 /Y，电压，电压220/380V，电流，电流4.25/2.45A，转速，转速1420 r/min，功率因数，功率因数0.79。 2. J02-21-4，功率，功率1.1 kW，连接方法，连接方法 ，电压，电压380V，电流，电流6.27A，转速转速1410 r/min，功率因数，功率因数0.79。 解：解： J32-4 电动机应接星形（电动机应接星形（Y），如图），如图(a) 所示。所示。 J02-2

27、1-4 电动机应接成三角形（电动机应接成三角形（ ），如图），如图 (b)所示。所示。 异步电动机电磁关系同变压器异步电动机电磁关系同变压器异步机是旋转的。异步机是旋转的。异步机中的定子和异步机中的定子和转子之间是有气隙。转子之间是有气隙。异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。1)变压器原、副绕组是与同一主磁通变压器原、副绕组是与同一主磁通 相交链，异相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通磁通 相交相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压变压器的

28、原、副绕组。器的原、副绕组。2）变压器：）变压器： 变化变化 e U1 E1=4.44 f N1 异步机：异步机： 旋转旋转 e U1 E1=4.44 f N1 一、三相异步电动机的定子电路一、三相异步电动机的定子电路 定子绕组接上三相电源电定子绕组接上三相电源电压（相电压为压（相电压为u1）时，则有三）时，则有三相电流通过（相电流为相电流通过（相电流为i1），），定子三相电流产生旋转磁场，定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感

29、而且在定子每相绕组中也要感应出电动势应出电动势e1 设定子和转子每相绕组的匝数分别为设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和和N2，如图所示电路，如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。图是三相异步电动机的一相电路图。 旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的也是随因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的也是随时间按正弦规律变化的，时间按正弦规律变化的， t sinm 磁通磁通m每项绕组的磁通最大量 定子每相绕组中产生的定子每相绕组中产生的感应电动势感应电动势为

30、：为： tNedd11 它也是正弦量，其有效值为：它也是正弦量，其有效值为： 1111444444fN.Nf.E 式中，式中，f1为为e1的频率。的频率。 因为旋转磁场和定子间的相对转速为因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以，所以 6001pnf 它等于定子电流的频率，即它等于定子电流的频率，即 ff 1 定子每相绕组中还要产生定子每相绕组中还要产生漏磁通漏磁通tiLeLdd1L1L11漏磁电动势漏磁电动势 加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL 如用复数表示，则为如用复数表示，则

31、为 )(j)()(1111111111EXIRIEERIUL 式中，式中， 和和 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。1R1XL11 21LfX 由于由于R1和和X1较小，其上电压降与电动势较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，比较起来，常可忽略，于是于是 EU111EU 二、三相异步电动机的转子电路二、三相异步电动机的转子电路 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为tNedd22 其有效值为其有效值为 2222444444SfN.Nf.E 式中，式中，f2为转子电动势为转子电动势e2或转子电流或转子电流i2

32、相对于旋转磁场的频率相对于旋转磁场的频率. 因为旋转磁场和转子间的相对转速为因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n1000026060Sfpnnnn)nn(pf 在在 n=0 ，即，即S=1时，转子电动势为时，转子电动势为 2120444Nf.E 为转子最大电动势为转子最大电动势202SEE 可见转子电动势可见转子电动势E2与转差率与转差率S有关。有关。 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。绕组中还要产生漏磁电动势。tiLedd2L2L2 因此，对于转子每相电路，有因此，对于转子每相电路，有

33、tiLRieRiedd)(2L222L2222 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 22222222j)(XIRIERIEL 式中，式中，R2和和X2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 L21L22222LSfLfX L21202LfX 202SXX 在在 n=0 ，即，即 S=1 时，转子感抗为时，转子感抗为为转子最大感抗为转子最大感抗 可见转子感抗可见转子感抗E2与转差率与转差率S有关。有关。222222XREI 2202220)(sXRsE )(0002nnIs 2202220max21XREIs I2cos 2s1I2,2cos O220222222222)(

34、cossXRRXRR 202SXRs 很很小小时时1cos2 202XRss 较较大大时时s1cos2 I2cos 2s1I2,2cos O2202220222222)( XREXREIss 2202222)(cosXRRs 变变化化曲曲线线随随、SI cos22 )(2 Isn)cos(2 sn 结论：结论：转子转动时，转转子转动时，转 子电路中的各量均与转子电路中的各量均与转 差率差率 s有关，即与转速有关，即与转速 n有关。有关。I2cos 2s1I2,2cos O电磁转矩电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。受

35、到电磁力所形成的转距之总和。22cosIKTmT常数常数每极磁通每极磁通转子电流转子电流功率因数功率因数2cos6、三相异步电动机转矩公式、三相异步电动机转矩公式22cosIKTmT22022202)( SXRSEI2202222)(cosSXRRmNfU11144.4将其中参数代入：将其中参数代入： 式中，式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数； U1 、U定子绕组电压，电源电压；定子绕组电压，电源电压； R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻； X20 电动机不动（电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。）时转子每相绕组的感抗。所以

36、所以220222222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT 转矩特性转矩特性 21220222)(UsXRsRKT 21U202SEEN5.3 机械特性机械特性 1固有机械特性固有机械特性 异步电动机在异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有称为固有（自然）机械特性。（自然）机械特性。 根据根据 2202222)SX(RUSRT 00nnnS maxTmSNSOTS曲曲线线)(sfT 曲曲线线)(Tfn NnmaxTstTOn

37、TNT0nstT1NT 从特性曲线上可以看出，从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：运行性能，这四个特殊点是： 0010 S,nn,T 电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。速。 NNN,2SSnnTT 电动机额定工作点。此时额定转电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为矩和额定转差率为 NnPTNN55. 9 0N0NnnnS 式中式中: PN电动机的额定功率；电动机的额定功率； nN电动机的额

38、定转速，一般电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。电动机的额定转矩。0N)985. 094. 0(nn 015. 006. 0N S 1, 0,3st SnTT电动机的启动工作点。电动机的启动工作点。 将将S=1代入转矩公式中，可得代入转矩公式中，可得2202222stXRURKT 可见，异步电动机的启动转矩可见，异步电动机的启动转矩Tst与与U、 R2及及X20有关。有关。 mmmax,4SSnnTT 电动机的临界工作点。电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可令欲求转矩的最大值，可令 0 dndT得临界转差率得临界转差率 202

39、m/ XRS 再将再将Sm代入转矩公式中，即可得代入转矩公式中，即可得202max2XUKT 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比Nmaxm/TT 称为电动机的称为电动机的过载能力系数过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负。它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。 鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机 2 . 28 . 1m 线绕式异步电动机线绕式异步电动机8 . 25 . 2m 通常把在固有机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩与额

40、定转矩TN之比称为之比称为启启动能力系数动能力系数 st=Tst/TN 衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般 2 . 10 . 1st 2人为机械特性人为机械特性 由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。 改变改变定子电压定子电压U、定子电源频率定子电源频率f、定子电路串

41、入电阻或电抗定子电路串入电阻或电抗、转转子电路串入电阻或电抗子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。等，都可得到异步电动机的人为机械特性。 （1）降低电动机电源电压时的人为特性）降低电动机电源电压时的人为特性 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn 0n不变不变mS不变不变maxT随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小stT随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小 改变电源电压时的人为特性如图所示：改变电源电压时的人为特性如图所示： 由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压

42、由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。生带不动负载或者根本不能启动的现象。NN22NNmmax98. 07 . 02TTUUTT 例如，电动机运行在额定负载例如，电动机运行在额定负载 TN 下，即使下，即使 m=2 ，若电网电压，若电网电压下降到下降到 70%UN ，则由于这时，则由于这时 此外，电网电压下降此外，电网电压下降 ，在负载不变的条件下，将使电动机转，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率速下降，转差率S 增

43、大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。电动机也会停转电动机也会停转 在电动机定子电路中外串电阻或在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低致使定子绕组相电压降低,这种情况下这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似的人为特性与降低电源电压时的相似.。（3）改变定子电源频率时的人为特性）改变定子电源频率时的人为特性 一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同

44、时，大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使电源电压也要作相应的变化，使 U/f =C ，这，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。 fn 0fS/1m fT/1st 不不变变maxT1/Kf（4）转子电路串电阻时的人为特性）转子电路串电阻时的人为特性转子电路中的电阻为转子电路中的电阻为2r2RR Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn 0n不变不变maxT不变不变mS随着串接电阻的增加而增大随着串接电阻的增加而增大 此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线此时

45、的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线 54 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。 （1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的启动转合下希望启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。 （2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。因为）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越

46、小越好。因为过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。 （3）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。械的冲击。 （4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。 （5）启动过程中的功率损耗越小越好。）启动过程中的功率损耗越小越好。 其中，（其中，（1）和（）和（2）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。标。 异步电动机本身的启动特性为：异步电动机本身的启动特性为： a. 定子电

47、流大，定子电流大，Ist=(57)IN 异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流子电流 异步电动机的固有启动特性如图所示：异步电动机的固有启动特性如图所示： 显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根

48、据具体情况，采取不同的启动方法。的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。 b.启动转矩小启动转矩小 NstT).(T5180 启动时启动时 ，转子功率因数，转子功率因数 很低，因很低，因而启动转矩而启动转矩 却不大。却不大。 1 S2202222XRRcos ststmstcosIKT22 一、一、 鼠笼式异步电动机的启动方法鼠笼式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。启动方法，要根据实际情况而定。 1直接启动（全压启动）直接启动（全压启动） 直接启动就

49、是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。接入电源，在额定电压下进行启动。 特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。 直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。 一般在一般在有独立变压器供电（有独立

50、变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，即变压器供动力用电）的情况下，若电若电动机启动频繁动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直时允许直接启动；接启动； 若电动机若电动机不经常启动不经常启动，电动机功率小于变压器容量的，电动机功率小于变压器容量的30%时也时也允许直接启动。允许直接启动。 电电动动机机功功率率电电源源总总容容量量额额定定电电流流启启动动电电流流 443NstII 如果如果没有独立的变压器供电没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则电动

51、机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。可直接启动。 例例5.2：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其 PN=20kW, Ist/IN=6.5 ，如果供电变压器（电源）容量为，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且，且有照明负载，问可否直接启动？同样的有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN 比值，功率为多大的电比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？动机则不允许直接启动？ 解：根据经验公式算出解：根据经验公式算出 5675720456043.II.kWkVANst 故允许直接启动。故允许直接启动。 kWNPk

52、VA. 45604356 PN24kW的电动机不允许直接启动。的电动机不允许直接启动。 2电阻或电抗器降压启动电阻或电抗器降压启动 异步电动机采用异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如接线图如图所示。图所示。 启动时，接触器启动时，接触器1KM断开，断开，KM闭合，将启动电阻串入定子闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；电路，使启动电流减小； 待转速上升到一定程度后再待转速上升到一定程度后再将将1KM闭合，闭合，Rst被短接，电动机被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。接上全部电压而趋于稳定运行。 启动转矩随定子电压的平方下降，故它只

53、适用于空载或轻载启动转矩随定子电压的平方下降，故它只适用于空载或轻载启动的场合；启动的场合； 不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。且体积大。 特点：特点： 3Y- 降压启动降压启动 Y- 降压启动的接线图如图所示降压启动的接线图如图所示: 启动时，定子绕组接成星形；再接成三角形启动时，定子绕组接成星形；再接成三角形 设设U1为电源线电压，为电源线电压，IstY及及Ist 为定子绕组分别接成星形及三角形为

54、定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流的启动电流（线电流），（线电流），Z为电动为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗。机在启动时每相绕组的等效阻抗。ZUIstY31 ZUIst/31 所以所以 3 ststYII Y- 降压启动方法的特点：降压启动方法的特点： 设备简单、经济、启动电流小；设备简单、经济、启动电流小； 启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或轻载启动的场合；空载或轻载启动的场合； 只适用于正常运行时定子绕组接线为只适用于正常运行时定子绕组接线为 的异步电动机。的异步电动机。4自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动

55、 自耦变压器降压启动的原理接线图如图所示。自耦变压器降压启动的原理接线图如图所示。副边电压与原边电压之比为副边电压与原边电压之比为 11212 NNUUK12KUU 变 压 器 原 边 电 流变 压 器 原 边 电 流 I1=KI2=K2Ist ，即此时电网，即此时电网供电电流供电电流I1是直接启动时是直接启动时电流电流Ist的的K2倍。倍。 特点：特点： 与与Y- 降压启动时情况一样，只是在降压启动时情况一样，只是在Y- 降压启动时的降压启动时的 为定值，而自耦变压器启动时的为定值，而自耦变压器启动时的K是可调节的，这就是此种启动方是可调节的，这就是此种启动方法优于法优于Y-启动方法之处，当

56、然它的启动转矩也是全压启动时的启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的K2倍。倍。 变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于启动频繁的电动机。启动频繁的电动机。二、线绕式异步电动机的启动方法二、线绕式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机的鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大启动转矩小，启动电流大，因此不能满足，因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要

57、求。 线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。 在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电逐级切除启动电阻法阻法和和频敏变阻器频敏变阻器启动法。启动法。 1逐级切除启动电阻法逐级切除启动电阻法 主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。启动过程如下如图启动过程如下如图(a)所示：所示： 2频敏变阻器启动法频敏

58、变阻器启动法 频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到线绕式异步电动机的转有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到线绕式异步电动机的转子电路子电路.f2=Sf 逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存在有劳动强度逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存在有劳动强度大、增加附加设备、维修麻烦等缺点。大、增加附加设备、维修麻烦等缺点。采用频敏变阻器来启动三相异步电动机采用频敏变阻器来启

59、动三相异步电动机优点：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的特性。且结构优点：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的特性。且结构简单，运行可靠，无须经常维修。简单，运行可靠，无须经常维修。 缺点：功率因数低，启动转矩的增大受到限制，不能作调速缺点：功率因数低，启动转矩的增大受到限制，不能作调速电阻用。电阻用。55 三相异步电动机的调速特性三相异步电动机的调速特性 如在一定负载下，欲得到不同的转速，可以由改变如在一定负载下，欲得到不同的转速，可以由改变Tmax、变转差率变转差率S、变磁极对数、变磁极对数P 和变频率和变频率f 四个参数入手，则相应地四个参数入手，则相应地有如下几种调速方法。有如下几种

60、调速方法。)1 (60Spfn12maxmaxTTTTSSM 特点：特点： 一、调压调速一、调压调速 改变电源电压时的人为机械特性如图所示：改变电源电压时的人为机械特性如图所示： 改变电源电压改变电源电压U U时，时，人为特性曲线中人为特性曲线中TmaxTmax变变小，而小，而 不变。不变。mSn0 对于恒转矩负载，高速工作时，调速范围不大。对于恒转矩负载，高速工作时，调速范围不大。 对于离心式通风机设备的调速范围稍宽一点。对于离心式通风机设备的调速范围稍宽一点。 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn mS这种调速方法这种调速方