第二章2船舶电机及电力拖动系统-船舶电机

1、交流异步电动机交流异步电动机本章概述本章概述 交流电机主要分交流电机主要分同步电机同步电机和和异步电机异步电机。 交流异步电动机的可将交流电能转换为机械能从而拖交流异步电动机的可将交流电能转换为机械能从而拖动机械负载。与直流电机及其他电动机相比较，异步电动动机械负载。与直流电机及其他电动机相比较，异步电动机具有机具有结构简单、起动方便、运行可靠、价格低廉、维护结构简单、起动方便、运行可靠、价格低廉、维护保养方便保养方便等优点。目前船舶上几乎所有的甲板机械及机舱等优点。目前船舶上几乎所有的甲板机械及机舱辅机动力电动机都采用三相鼠笼式异步电动机，而对于一辅机动力电动机都采用三相鼠笼式异步电动机，而

2、对于一些需要进行变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目些需要进行变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目前也正逐步采用三相异步电动机来替代其它动力设备。异前也正逐步采用三相异步电动机来替代其它动力设备。异步电动机的主要缺点是必须从电网吸收滞后的步电动机的主要缺点是必须从电网吸收滞后的无功功率无功功率，而而轻载时功率因数较低轻载时功率因数较低，这对船舶电网以及发电机的运行，这对船舶电网以及发电机的运行较为不利。本章主要介绍异步电动机的结构及工作原理。较为不利。本章主要介绍异步电动机的结构及工作原理。 交流异步电动机交流异步电动机本章主要讲解内容本章主要讲解内容第一节第一节 三相异步电动机结构与

3、铭牌数据三相异步电动机结构与铭牌数据第二节第二节 异步电动机的旋转磁场与工作原理异步电动机的旋转磁场与工作原理第三节第三节 异步电动机的定子与转子电路异步电动机的定子与转子电路 第四节第四节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性三相异步电动机的电磁转矩与机械特性第五节第五节 三相异步电动机工作特性与选择三相异步电动机工作特性与选择第六节第六节 单相异步电动机单相异步电动机第一节第一节 三相异步电动机结构与铭牌数据三相异步电动机结构与铭牌数据 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 三相异步电动机按照三相异步电动机按照转子结构转子结构形式不同分为形式不同分为鼠笼式鼠笼式和和 绕线

4、式绕线式两种，船舶上大多采用鼠笼式。图两种，船舶上大多采用鼠笼式。图4-1为一台为一台 三相鼠笼式异步电动机的结构分解图。鼠笼式异步电三相鼠笼式异步电动机的结构分解图。鼠笼式异步电 动机主要由两个基本部分组成：静止不动的动机主要由两个基本部分组成：静止不动的定子定子和可和可 以旋转的以旋转的转子转子。定子和转子之间有一很窄的空气隙。定子和转子之间有一很窄的空气隙。 此外还有支撑转子的端盖等。此外还有支撑转子的端盖等。图图4-1 4-1 三相鼠笼式异步三相鼠笼式异步电动机结构电动机结构1.定子定子 三相异步电动机的三相异步电动机的定子定子主要是用来产生主要是用来产生旋转磁场旋转磁场。它。它由机座

5、（外壳）、定子铁心和定子绕组三部分组成。由机座（外壳）、定子铁心和定子绕组三部分组成。 （1）机座与端盖：机座是用来安装定子铁心和固定整）机座与端盖：机座是用来安装定子铁心和固定整个电动机用的，一般用铸铁或铸钢制成。机座也是散热个电动机用的，一般用铸铁或铸钢制成。机座也是散热部件，其外表面有散热片。端盖固定在机座上，端盖上部件，其外表面有散热片。端盖固定在机座上，端盖上设有轴承室，以放置轴承并支撑转子。设有轴承室，以放置轴承并支撑转子。（2）定子铁心：）定子铁心：定子铁心是电动机磁路的一部分定子铁心是电动机磁路的一部分，由，由 于异步电动机中产生的是旋转磁场，该磁场相对定于异步电动机中产生的是

6、旋转磁场，该磁场相对定 子以一定的同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大子以一定的同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大 小及方向都是变化的。小及方向都是变化的。 定子、转子铁芯如图定子、转子铁芯如图4-2所示。所示。 异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图4-3示。示。 图图4-3 4-3 定子槽形及槽内线圈布置定子槽形及槽内线圈布置图图4-2 异步电动机定子、转子铁芯异步电动机定子、转子铁芯形状形状（3）定子绕组定子绕组：定子绕组是定子中的电路部分。定子：定子绕组是定子中的电路部分。定子 绕组为三相绕组，即三个完全相同的独立绕组，一绕组为三相绕组，即三个完全相同的

7、独立绕组，一 般采用漆包线绕制。般采用漆包线绕制。 定子绕组的两种接线方法如图定子绕组的两种接线方法如图4-4所示。所示。 接电源接电源图图4-4 4-4 三相异步电动机接线盒三相异步电动机接线盒1U2U2W1W2V1V2W2U2V1U1U1V1V1W1W2W2U2V2W1U1W2V2U2U2.转子转子 转子转子是电动机的是电动机的旋转部分旋转部分，其作用是在旋转磁场的作，其作用是在旋转磁场的作用下获得一个转动力矩，以带动生产机械一同转动。异步用下获得一个转动力矩，以带动生产机械一同转动。异步电动机的转子有电动机的转子有鼠笼式鼠笼式和和绕线式绕线式两种型式。两种转子均包两种型式。两种转子均包括

8、转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、滑环（仅限绕线式括转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、滑环（仅限绕线式中有）等。中有）等。 （1）转子铁心：转子铁心用厚度为）转子铁心：转子铁心用厚度为0.5mm硅钢片叠硅钢片叠成，压装在转轴上，转子硅钢片形状如图成，压装在转轴上，转子硅钢片形状如图4-2（b）所示。）所示。以此片叠成的铁心外圆的表面有均匀分布且与转轴平行的以此片叠成的铁心外圆的表面有均匀分布且与转轴平行的糟，槽内嵌放转子绕组。糟，槽内嵌放转子绕组。 （2）鼠笼式转子绕组鼠笼式转子绕组：鼠笼式转子绕组是：鼠笼式转子绕组是裸铜条裸铜条或由或由铸铝铸铝制成。铜条绕组是把裸铜条插入转子铁心槽内，两端制成。

9、铜条绕组是把裸铜条插入转子铁心槽内，两端用两个端环焊成通路，参见图用两个端环焊成通路，参见图4-5。铸铝绕组是将铝熔化。铸铝绕组是将铝熔化后浇铸到转子铁心槽内，两个端环及冷却用的风翼也同时后浇铸到转子铁心槽内，两个端环及冷却用的风翼也同时铸成。一般小型笼式异步电动机都采用铸铝转子。铸成。一般小型笼式异步电动机都采用铸铝转子。 （3）绕线式转子绕组绕线式转子绕组：绕线式转子绕组是由漆包铜线：绕线式转子绕组是由漆包铜线绕成的三个完全相同的线圈嵌放到转子铁心的槽口内。绕成的三个完全相同的线圈嵌放到转子铁心的槽口内。且通常连接成且通常连接成星形星形。另一端分别接到固定在转轴上的三。另一端分别接到固定在

10、转轴上的三个滑环（也称集电环）上，滑环间和滑环与转轴间要绝个滑环（也称集电环）上，滑环间和滑环与转轴间要绝缘。滑环上固定着电刷。通过滑环、电刷将转子绕组电缘。滑环上固定着电刷。通过滑环、电刷将转子绕组电路与外电路相连。通常外电路是呈路与外电路相连。通常外电路是呈星形连接星形连接的电阻，如的电阻，如图图 4-6 所示。通过转子电路接入适当的附加电阻改善异所示。通过转子电路接入适当的附加电阻改善异步电动机的起动性能（增大起动转矩，减小起动电流）步电动机的起动性能（增大起动转矩，减小起动电流）或调速性能（通过改变外接电阻的阻值改变异步电动机或调速性能（通过改变外接电阻的阻值改变异步电动机的转速）。的

11、转速）。 图图4-7 为绕线式异步电动机的外形结构图。为绕线式异步电动机的外形结构图。 图图4-5 鼠笼式转子鼠笼式转子图图4-6 绕线式异步电动机转子结构绕线式异步电动机转子结构图图4-7 绕线式异步电动机的外形结构绕线式异步电动机的外形结构3.气隙气隙 异步电动机的定子与转子之间有一很窄的空气隙。中异步电动机的定子与转子之间有一很窄的空气隙。中小型异步电动机的气隙一般为小型异步电动机的气隙一般为0.21.0 mm 。气隙的大。气隙的大小直接关系到电动机的运行性能。通常，小直接关系到电动机的运行性能。通常，气隙越小气隙越小，电动，电动机磁路中的机磁路中的磁阻越小磁阻越小，产生一定量磁通所需要

12、的，产生一定量磁通所需要的励磁电流励磁电流就小就小，电动机运行性能越好。，电动机运行性能越好。二、三相异步电动机的铭牌数据二、三相异步电动机的铭牌数据 在每台电动机的外壳上都有装有一块铭牌，该铭牌上在每台电动机的外壳上都有装有一块铭牌，该铭牌上标出这台电动机的主要技术数据。数据主要包括下列几标出这台电动机的主要技术数据。数据主要包括下列几项：项： 1.型号型号 2.额定电压额定电压 3.额定电流额定电流 4.额定功率因数额定功率因数 5.额定功率额定功率 6.额定频率额定频率 7.额定转速额定转速 8.工作方式工作方式 9.接法接法 铭牌及主要技术参数铭牌及主要技术参数.铭牌及主要额定数据的意

13、义铭牌及主要额定数据的意义：1).额定功率额定功率Pn ：轴上输出：轴上输出机械功率机械功率， 单位单位kW；2).额定电压、电流：额定电压、电流：线电压、线电流线电压、线电流；3).额定转速：额定转速： 转转/分；分；4).额定功率因数；额定功率因数；5).绝缘等级和温升；绝缘等级和温升；6).工作方式：工作方式：连续、短时、重复短时连续、短时、重复短时(断续断续)；7.)接法：星形、三角形。接法：星形、三角形。 注意：注意：两种额定电压与接法分别对应两种额定电压与接法分别对应。冷却方式冷却方式： 船舶舱室电动机船舶舱室电动机 多为自扇冷式；多为自扇冷式； 甲板机械多为独甲板机械多为独 立风

14、扇的他扇冷立风扇的他扇冷 式式.主要技术数据；P89连续连续：在额定的在额定的 负载范围内，允许负载范围内，允许电机长期持续使用；电机长期持续使用；短时与断续短时与断续： 此电机必须按运此电机必须按运行时间与运行加停行时间与运行加停车时间之比的相对车时间之比的相对持续系数来确定运持续系数来确定运行时间；行时间； 1. 型号型号 Y 132M4 磁极数磁极数( (极对数极对数 p=2) )同步转速同步转速15001500转转/ /分分Y：三相异步电动机（系列）三相异步电动机（系列）132132：机座中心高：机座中心高（132mm）分）转/( 600pfn M：机座长度代号，机座长度代号，M- -

15、中机座；中机座；S- -短机座，短机座，L- -长机座。长机座。2. .转速转速: 电机轴上的转速电机轴上的转速（n)。 如：如： n =1440 转转/分分转差率转差率0.04 150014401500s3. 接法：接法：Y/ 接法接法W2U2V2V1W1U1指指定子定子三相绕组的接法：三相绕组的接法： Y 接法接法： W2U2V2U1V1W1V1W1U1U2V2W2 接法接法：U2U1W2V1V2U1W2U2V1V2W1W14. 电压：电压：指电动机在额定运行状态时定子绕组上的指电动机在额定运行状态时定子绕组上的线电压值线电压值.例例：380/220 Y/380/220 Y/ 是指：线电压

16、为是指：线电压为380V380V时采用时采用Y Y接法；接法； 当线电压为当线电压为220V220V时采用时采用 接法接法。 一般规定电动机的运行电压不能高于或低于一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的额定值的5 5。当电压高于额定值时，磁通将增大。当电压高于额定值时，磁通将增大。1U1I即即：NfU11144.4电压波动（变大）对电动机的影响：电压波动（变大）对电动机的影响：11IU当电压当电压低低于额定值时，引起转速下于额定值时，引起转速下降，电流增加：降，电流增加：I11IUnnns0202sEE 1Uns2E2I1I5. 额定电流：额定电流：指电动机在额定运行状态时定子绕组的指

17、电动机在额定运行状态时定子绕组的线电流线电流。A48. 6/A2 .11/如如： 表示三角接形法下，电机的线电流为表示三角接形法下，电机的线电流为11.2A11.2A，相，相电流为电流为6.48A6.48A；星形接法时线、相电流均为星形接法时线、相电流均为6.48A6.48A。6. 功率与效率功率与效率： 指电动机在额定运行时轴上输出的指电动机在额定运行时轴上输出的机械机械功率值功率值（ ），不等于从电源吸收的功率（），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的）。两者的 关系为：关系为： 2P1P12PP为电动机的效率为电动机的效率 =7293COSIUPNN31其中其中7. 功率因数功率因数(c

18、os 1)：额定负载时一般为额定负载时一般为0.7-0.90.7-0.9，空载时功率因数很低，空载时功率因数很低 约为约为0.2-0.30.2-0.3。额定负载时，功率因数最大。额定负载时，功率因数最大。P2PNcos 1 使用中应选择合适容量的电动机，防使用中应选择合适容量的电动机，防止止“大马大马” 拉拉“小车小车”的现象的现象。8. 绝缘等级绝缘等级 绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的时容许的极限温度极限温度来分级的。来分级的。 极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。容许温度

19、。 绝缘等级绝缘等级绝缘等级绝缘等级极限温度极限温度AEBFHC105C120C130C155C180911.某三相异步电动机铭牌标有：电压某三相异步电动机铭牌标有：电压380V、频率、频率50Hz、 电流电流15.4A、接法、接法Y、转速、转速1440r/min、磁极对数、磁极对数2、 绝缘等级绝缘等级B，判断下列说法错误的是，判断下列说法错误的是_。 A. 空载转速一定大于空载转速一定大于1440r/min，小于，小于1500r/min B. 可利用可利用Y/换接降压起动换接降压起动 C. 定子绕组工作温度不应超过定子绕组工作温度不应超过130 D. 理想空载转速为理想空载转速为1500r

20、/min913913. .某三相异步电动机铭牌标有：电压某三相异步电动机铭牌标有：电压380V/220V380V/220V、频率、频率5050 Hz Hz、接法、接法Y/Y/、转速、转速1440r/min1440r/min、绝缘等级、绝缘等级B B，判断下列，判断下列 说法错误的是说法错误的是_。A A. . 当线电压为当线电压为380V380V时电机的额定功率是当线电压为时电机的额定功率是当线电压为220V220V时时 的的B. B. 额定转差率为额定转差率为4% 4% C. C. 定子绕组工作温度不应超过定子绕组工作温度不应超过130 130 D. D. 该电机为该电机为4 4极电机极电机

21、 3倍倍第二节第二节 异步电动机的旋转磁场与工作原理异步电动机的旋转磁场与工作原理一、三相异步电动机的旋转磁场一、三相异步电动机的旋转磁场 1. 定子旋转磁场的产生定子旋转磁场的产生 以两极三相异步电动机为例，如以两极三相异步电动机为例，如图图4-8所示，三相异所示，三相异步电动机的定子绕组是结构完全相同的三相绕组，三相绕步电动机的定子绕组是结构完全相同的三相绕组，三相绕组的首、末端分别用组的首、末端分别用U1 - U2、V1 -V2、W1 -W2表示，表示，在制作时三相绕组沿定子铁心内圆周均匀而对称地放置在在制作时三相绕组沿定子铁心内圆周均匀而对称地放置在内。所谓对称，即三相线圈的首端（或末

22、端）在定子内圆内。所谓对称，即三相线圈的首端（或末端）在定子内圆周上彼此相隔周上彼此相隔120，图图4-8（a）所示。为分析方便，所示。为分析方便，每相绕组用一匝线圈代替，三相绕组将分布在六个槽口每相绕组用一匝线圈代替，三相绕组将分布在六个槽口中。三相线圈根据需要可以接成星形或者三角形，中。三相线圈根据需要可以接成星形或者三角形，图图4-8（b）将它们作星形联接（把三个末端将它们作星形联接（把三个末端U2、V2、W2并接并接在一起）。在一起）。 图图4-8 异步电动机的三相绕组与三相电流异步电动机的三相绕组与三相电流 当对称三相交流电源接入三相绕组的当对称三相交流电源接入三相绕组的U U1 1

23、 、V V1 1 、W W1 1 端后，三相定子绕组中便有三相对称电流端后，三相定子绕组中便有三相对称电流i iA A、 i iB B和和i iC C流流入，三相对称电流分别为入，三相对称电流分别为其波形及相位关系如图其波形及相位关系如图4-8(c) 4-8(c) 所示。设三相电流的正方所示。设三相电流的正方向是从绕组的首端流人（用向是从绕组的首端流人（用表示），末端流出（用表示），末端流出（用表表示）。下面从几个不同瞬间来分析三相交流电流流过定子示）。下面从几个不同瞬间来分析三相交流电流流过定子绕组所产生的合成磁场。绕组所产生的合成磁场。)t(Ii)t(IitIi120sin120sinsi

24、nmCmBmA t t = 0= 0时，时， i iA A = 0 = 0，U U相绕组中没有电流；相绕组中没有电流； i iB B是负是负值，即值，即V V相绕组中电流由相绕组中电流由 V V2 2端流进，端流进， V V1 1端流出；端流出； i iC C为正为正值，即电流从值，即电流从 W W1 1端流进，端流进， W W2 2端流出。根据右手螺旋定端流出。根据右手螺旋定则，可确定合成磁场磁轴的方向则，可确定合成磁场磁轴的方向如图如图4-94-9（a a）所示。所示。t t = 60= 60时，时，i iC C= 0= 0； i iA A为正值，电流由为正值，电流由U U1 1 端流端流

25、进，进， U U2 2端流出；端流出； i iB B为负值，电流由为负值，电流由V V2 2端流进，端流进， V V1 1 端流端流出，此时合成磁场出，此时合成磁场如图如图4-94-9（b b）所示。相比所示。相比t t = 0= 0时时刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了6060。tt= 90= 90时，时， i iA A为正值，而为正值，而 i iB B 、 i iC C 均为负值，同均为负值，同理可得合成磁场的方向如理可得合成磁场的方向如图图4-94-9（c c）所示。与所示。与t t = 0= 0时时刻相比，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了刻相比，合

26、成磁场在空间按逆时针方向旋转了9090。由此。由此可见，可见，随着定子绕组中的三相电流随时间不断变化，它所随着定子绕组中的三相电流随时间不断变化，它所产生的合成磁场则在空间不断地旋转，产生的合成磁场则在空间不断地旋转，这就是这就是旋转磁场旋转磁场。这种旋转磁场如同一对磁极在空间旋转所起得作用是一样这种旋转磁场如同一对磁极在空间旋转所起得作用是一样的。的。（a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90图图4-9 4-9 一对极旋转磁场的形成一对极旋转磁场的形成产生旋转磁场必须满足两个条件产生旋转磁场必须满足两个条件： （1）至少要有两个定子绕组，这些）至少要有两个定子绕组，这些绕组绕组

27、之间要有之间要有空间空间 相位差相位差； （2）通入这些绕组中的正弦交变）通入这些绕组中的正弦交变电流电流之间要有之间要有时间相时间相 位差。位差。2.2.旋转磁场的转向旋转磁场的转向 将相序为将相序为ABCABC的三相电压对应接入三相绕组的三相电压对应接入三相绕组U U、V V、W W后，三相绕组中电流达到最大值的顺序是：先是后，三相绕组中电流达到最大值的顺序是：先是 U U 相电流相电流 i iA A 、其次是、其次是V V 相的电流相的电流i iB B ，再次是，再次是 W W 相的电流相的电流i iC C。由。由图图4-9 4-9 可看出：磁场旋转的转动方向是由可看出：磁场旋转的转动方

28、向是由 U U 相线相线圈平面（圈平面（ U U1 1 - - U U2 2 ）经）经 V V 相线圈平面（相线圈平面（ V V1 1 -V -V2 2 ）转向）转向W W 相线圈平面（相线圈平面（ W W1 1 -W -W2 2 ）。由此可见，）。由此可见，旋转磁场转向是与旋转磁场转向是与三相绕组中电流达到最大值的顺序是一致的三相绕组中电流达到最大值的顺序是一致的，或者说，或者说旋转旋转磁场转动方向是由三相绕组中所通入电流的相序决定的。磁场转动方向是由三相绕组中所通入电流的相序决定的。 若要改变旋转磁场的若要改变旋转磁场的转向转向，只需把接入定子绕组的电，只需把接入定子绕组的电源源相序相序改

29、变即可。改变即可。（a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90图图4-9 一对极旋转磁场的形成一对极旋转磁场的形成3.3.旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系 在两极（一对磁极）旋转磁场的分析中我们知道，在两极（一对磁极）旋转磁场的分析中我们知道，当定子绕组中电流变化一周时，旋转磁场转了一周，若当定子绕组中电流变化一周时，旋转磁场转了一周，若电流的频率为电流的频率为f f1 1，则电流每秒变化，则电流每秒变化f f1 1周，旋转磁场的转速周，旋转磁场的转速为为f f1 1转转/ /秒。通常转速是以每分钟转数秒。通常转速是以每分钟转数(r/min)(r

30、/min)计算，若计算，若以以n n0 0表示旋转磁场的转速，则有表示旋转磁场的转速，则有 当当f f1 1 50 Hz 50 Hz , ,旋转磁场的转速为旋转磁场的转速为 3 000 3 000 r/min r/min 。 0160nf 磁极对数磁极对数 旋转磁场的极数旋转磁场的极数：其与三相异步电动机三相绕组的：其与三相异步电动机三相绕组的 安排有关安排有关.BiAXBYCZAiCiAXYCBZNS 此种接法下，绕组的始端之间相差此种接法下，绕组的始端之间相差120120度空间度空间 角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1 1。即即：P =1 将每相绕组

31、分成两段，按将每相绕组分成两段，按右下图右下图放入定子槽放入定子槽内内， 绕组绕组的的始端之间相差始端之间相差6060度度空间角空间角，形，形成成的的磁场磁场 则是则是两对磁极两对磁极。CYABCXYZAXBZAiBiCi即即：P =2AXX ANSSNZCZCBYBY旋转磁场的旋转磁场的转速转速n0 0决定于决定于电流频率电流频率f1 1和磁场的和磁场的极对数极对数P，可推出：，可推出：分）转/( 600pfn 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)Hz50(f1p2p3p360180120分）转/( 0003分）转/( 5001分）转/(

32、 0001对于某一电机来讲，对于某一电机来讲，1 1和和通常是一定的，故通常是一定的，故0是个常是个常数数. 旋转磁场的转速旋转磁场的转速n0又称异步电动机的又称异步电动机的同步转速同步转速，其，其单位为单位为r/min。1060 fnp二、异步电动机的转动原理二、异步电动机的转动原理 异步电动机的转动原理可以用图异步电动机的转动原理可以用图4-12说明。说明。 转子转动的方向与旋转磁场方向相同，当旋转磁场方转子转动的方向与旋转磁场方向相同，当旋转磁场方向反向时，电动机的转子也跟着反转。向反向时，电动机的转子也跟着反转。 异步电动机的转动是基于电磁感应，故又称之为异步电动机的转动是基于电磁感应

33、，故又称之为感应感应电动机。电动机。三、异步电动机的三、异步电动机的转差率转差率 0nn 如果如果:0nn 设旋转磁场和转子相对静止的空间的转速分别为设旋转磁场和转子相对静止的空间的转速分别为n0 、n，则旋转磁场对转子的的相对转速差为，则旋转磁场对转子的的相对转速差为 n= n0 n,它它与同步转速与同步转速n0的比值称为异步电动机的的比值称为异步电动机的转差率转差率，用，用s表示，表示，则有则有: 转差率常用百分率表示，即有转差率常用百分率表示，即有%nnn%s1000000nnsn%nn n%s10000异步电动机的工作状态异步电动机的工作状态一、一、电动机状态电动机状态：00n n n

34、 n0 0 0 0s s1 n n0 0，s s00时，正向超速状态，发电制动状态；时，正向超速状态，发电制动状态；n n011时，反转状态，电磁制动状态；时，反转状态，电磁制动状态；一、定子电路中各电量的关系一、定子电路中各电量的关系1.定子电路中感应电势定子电路中感应电势 由前一节可知三相定子绕组接通交流由前一节可知三相定子绕组接通交流电源电源后，定子三后，定子三相对称电流在电动机内的空气隙中形成相对称电流在电动机内的空气隙中形成旋转磁场旋转磁场。其磁场。其磁场的磁通分两部分，其中大部分同时穿过定子和转子绕组，的磁通分两部分，其中大部分同时穿过定子和转子绕组，称为称为主磁通主磁通；另有少量

35、；另有少量漏磁通漏磁通分别穿过定子绕组和转子绕分别穿过定子绕组和转子绕组，如图组，如图 4-14所示。所示。 主磁通在定子绕组感应电势主磁通在定子绕组感应电势 相位上比主磁通相位上比主磁通 滞后滞后 90 ，其有效值为，其有效值为1E1111444kNf.E 异步电动机的定子与转子电路异步电动机的定子与转子电路二、转子电路中各电量的关系二、转子电路中各电量的关系 三相异步电动机运行时闭合的转子绕组切割旋转磁三相异步电动机运行时闭合的转子绕组切割旋转磁场，且在转子上产生场，且在转子上产生感应电势感应电势 ，产生，产生转子电流转子电流 ，因，因转子中还存在转子漏感电势和转子绕组电阻压降，其等效转子

36、中还存在转子漏感电势和转子绕组电阻压降，其等效电路与变压器副边短路时情况相同。如图电路与变压器副边短路时情况相同。如图4-14的右半部的右半部分电路所示。分电路所示。2E2I图图4-14 4-14 异步电动机一相等效电路图异步电动机一相等效电路图1R1X2X2R1U1I1E2E2I转子电路电势频率转子电路电势频率 当异步电动机转子以转速当异步电动机转子以转速n旋转时，旋转磁场相对于转旋转时，旋转磁场相对于转子的转速为子的转速为 n = n0 n，即旋转磁场以，即旋转磁场以 n的转速切割转的转速切割转子绕组，因此在转子绕组中感应电势，该电势的频率为：子绕组，因此在转子绕组中感应电势，该电势的频率

37、为：1000026060sfpnnnn)nn(pf转子电流转子电流I I2 2及功率因数及功率因数coscos 2 2 转子电路中的电阻及电抗分别为转子电路中的电阻及电抗分别为 、 ，因而转子，因而转子电流的有效值为：电流的有效值为： 由于转子电路为感性电路，所以其电流由于转子电路为感性电路，所以其电流I I2 2在相位上将在相位上将滞后电势滞后电势 ，转子电路的功率因数为，转子电路的功率因数为 2022222222220()sEEIRXRsX222220cos()RRsX2X2R2E 转子电流转子电流I I2 2、功率因数、功率因数coscos 2 2与与s s之间的关系曲线之间的关系曲线如

38、图如图4-154-15所示。所示。鼠笼式转子的磁极对数鼠笼式转子的磁极对数 绕线式绕线式异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相同，则同，则定、转子有相同的磁极对数定、转子有相同的磁极对数。鼠笼式鼠笼式异步电动异步电动机的转子绕组是由导电条组成，其机的转子绕组是由导电条组成，其磁极对数由定子磁磁极对数由定子磁极对数决定极对数决定，即恒等于定子的磁极对数。，即恒等于定子的磁极对数。 第三节第三节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性三相异步电动机的电磁转矩与机械特性一、电磁转矩一、电磁转矩 三相异步电动机的三相异步电动机的电磁转矩电磁转矩是指电动机的转子受到电是指电

39、动机的转子受到电磁力的作用而产生的转矩，它由旋转磁场的每极磁通磁力的作用而产生的转矩，它由旋转磁场的每极磁通 与与转子电流转子电流 相互作用产生的。相互作用产生的。 异步电动机电磁转矩为异步电动机电磁转矩为: 转矩的另一个表达式转矩的另一个表达式 22cosTTKI22122220sR UTKR(sX)2I二、三相异步电动机的转矩特性与机械特性二、三相异步电动机的转矩特性与机械特性1.1.电磁转矩特性电磁转矩特性T T = = f f ( (s s ) ) 在一定的转子电阻在一定的转子电阻R R2 2和电源电压和电源电压U U1 1下，电动机的下，电动机的电磁电磁转矩转矩与与转差率转差率的关系

40、曲线称为一部电动机的的关系曲线称为一部电动机的转矩特性转矩特性。 图图4-17 4-17 三相异步电动机三相异步电动机 T = f (s )曲线曲线图图4-18 4-18 三相异步电动三相异步电动机机械特性曲线机机械特性曲线TTTm a xnS1SSnm00TTTTns tm a xnnnSnmamm02.2.机械特性机械特性n = f (T ) 异步电动机的转子的异步电动机的转子的转速转速 n n 与与电磁转矩电磁转矩 T T 的关系称的关系称为为机械特性机械特性。而机械特性很容易通过转矩特性获得。而机械特性很容易通过转矩特性获得。因为：因为： 故：故： 三相异步电动机的机械特性曲线如图三相

41、异步电动机的机械特性曲线如图4-184-18所示。所示。 00nnns0(1)ns n机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点：机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点： （1 1）最大转矩最大转矩T Tmaxmax，反映过载能力；，反映过载能力； （2 2）起动转矩起动转矩T Tstst ，反映起动性能；，反映起动性能； （3 3）额定转矩额定转矩T TN N ，反映稳定运行的负载能力和特，反映稳定运行的负载能力和特 点。点。固有机械特性： 当异步电动机的电压和频率为额定值，电动机本身各参数（定、转子绕组电阻、电抗、磁极对数等）亦保持不变的情况下，其特性称为固有机械特性（也称为自然机

42、械特性，即上图所示）；人工机械特性： 当异步电动机运行过程中的电源电压或频率变化，定子回路串入电阻或电抗，以及电机本身的某些参数（定子绕组的磁极对数、转子回路电阻、电抗）等发生变化，将引起电动机机械特性的变化，由此得出的机械特性称为人为（人工机械特性）。 额定转矩额定转矩T TN N 异步电动机在额定负载时轴上输出的转矩称为异步电动机在额定负载时轴上输出的转矩称为额定转矩额定转矩T TN N。在异步电动机等速转动时，电动机的转矩。在异步电动机等速转动时，电动机的转矩T T必须与阻转必须与阻转矩相平衡，阻转矩包括负载转矩和空载损耗转矩（电机本矩相平衡，阻转矩包括负载转矩和空载损耗转矩（电机本身的

43、风阻、摩擦阻力等）身的风阻、摩擦阻力等）T T0 0，所以，所以: : 由于由于T T0 0很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩平衡方程为：平衡方程为： LTT0LTTT（1 1）额定转矩）额定转矩T TN N ：电动机在额定电压下电动机在额定电压下, ,以额以额定转速定转速 运行，输出额运行，输出额定功率定功率 时，电动机转轴时，电动机转轴上输出的转矩。上输出的转矩。2PNnn0TnNTnN)/()(955060222分转千瓦NNNnPnPT（牛顿（牛顿米）米）电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力

44、称为动调整，这种能力称为自适应负载能力自适应负载能力。TISnTL2 直至新的平衡。此过程中，直至新的平衡。此过程中， 时，时， 电源提供的功率自动电源提供的功率自动增加。增加。2 I1 I 自适应负载能力自适应负载能力是是电动机区别于其它动力机械的重要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。）油门，才能带动新的负载。）n0nT常用特常用特性段性段硬特性硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大

45、，起动：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。特性好。 0Tn 硬特性硬特性 （R2小）小）软特性软特性（R2大）大） 不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特不同场合应选用不同的电动机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电动机性电机；重载起动则选软特性电动机。（2 2）最大转矩（临界转矩）最大转矩（临界转矩）T Tmaxmax ：如果如果 电机将会因带不动负载而立即堵转、烧毁电机将会因带不动负载而立即堵转、烧毁。maxTTLn0TnmaxT过载系数过载系数：NTTmax三相异步电机三相异步电机5.26.1 （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

46、压的波动很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敏感，使用时要注意电压的变化。maxT 工作时，一定令负载转矩工作时，一定令负载转矩 , ,否则电机将停否则电机将停 转。致使转。致使 ：maxTTL （2）电机严重过热电机严重过热120 IIn 从特性曲线上看，转矩有一最大值，从特性曲线上看，转矩有一最大值， 称为最大转矩，约额定转矩称为最大转矩，约额定转矩n的的1.6 2.5倍倍;表明异步电动机所提供的极限转表明异步电动机所提供的极限转 矩或称为电机的过载能力。矩或称为电机的过载能力。（3）起动转矩起动转矩TST 电动机起动时的转矩。电动机起动时的转矩。2122

47、0222)(UsXRsRKT0n1)(s 其中其中则则21220222)(UXRRKTstn0TnstT 当定子接通电源而转子尚未动（当定子接通电源而转子尚未动（=0、 =1）时所产生的电磁转矩）时所产生的电磁转矩. KT=Tst/TN 一般为一般为1.02.2倍的负载转矩倍的负载转矩 ，它表明了异步电动机的起动性能。，它表明了异步电动机的起动性能。KT=Tst/TN即启动转矩与额定转矩之比，称为启动转矩倍数即启动转矩与额定转矩之比，称为启动转矩倍数21220222)(UsXRsRKT21 UT1U0Tn0) 0(nnsSTTTUmax1 结论结论：定子电压对异步电动机的影响定子电压对异步电动

48、机的影响： U1的降低将造成电动机的电磁的降低将造成电动机的电磁转矩转矩平方倍数的形式减小。平方倍数的形式减小。2 R0Tn2RmsmsstTstT R2的的 改变改变 ： 鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同 绕线式电动机外接电阻不同绕线式电动机外接电阻不同 21220222)(UsXRsRKT0ST令：令：得：得：202XRSm22RR 异步电动机属于异步电动机属于硬机械特性电动机硬机械特性电动机，适用于拖动要求适用于拖动要求恒速恒速 运行的生产机械运行的生产机械 ；如如水泵、通风机、金属切削机床水泵、通风机、金属切削机床等等。 异步电动机的异步电动机的功率

49、损耗功率损耗和和效率效率：1) 功率损耗功率损耗：空载机械损耗空载机械损耗0、铁损铁损Fe1、铜损铜损cu2其中：其中： 铁损属于不变损耗；铁损属于不变损耗； 铜损属于可变损耗。铜损属于可变损耗。当当铁损与铜损相等时，电动机的效率最高铁损与铜损相等时，电动机的效率最高。2) 效率效率：电动机的电动机的是指轴上的机械功率是指轴上的机械功率2与定子输与定子输 入的电功率入的电功率1之比：之比： =2/1 式中式中：1= cos3第四节. 异步电动机的异步电动机的起动起动 对电动机的起动要求对电动机的起动要求： 生产设备对电动机起动的要求主要有生产设备对电动机起动的要求主要有3点：点： 起动电流小起

50、动电流小 ； 起动转矩大；起动转矩大； 起动时间短。起动时间短。 异步电动机的起动性能异步电动机的起动性能 ： 起动电流大起动电流大 ：是额定电流的是额定电流的5 7 倍；倍； 起动转矩不大起动转矩不大：仅为额定转矩的仅为额定转矩的 1. 0 2.2 倍。倍。 讨论：讨论： 异步电动机的起动电流异步电动机的起动电流 Ist： 在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速相对转速，磁，磁 通切割导条的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的通切割导条的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的 转子电流都很大；如与变压器的工作原理

51、一样，转子电流增大，定转子电流都很大；如与变压器的工作原理一样，转子电流增大，定 子电流也必然相应的增大。子电流也必然相应的增大。 起动电流对电机本身的影响不大起动电流对电机本身的影响不大，这是因为起动电流虽大，但起动，这是因为起动电流虽大，但起动 时间一般都很短，故从发热角度考虑没有问题；并且一经起动后，时间一般都很短，故从发热角度考虑没有问题；并且一经起动后， 转速很快升高，电流便很快地减小了；转速很快升高，电流便很快地减小了；如起动频繁时如起动频繁时，由于热量的，由于热量的 积聚，则可以使电机存在了过热问题；积聚，则可以使电机存在了过热问题； 电动机的起动电流对线路是有影响的。过大的起动

52、电流在短时间内电动机的起动电流对线路是有影响的。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，从而使负载端的电压降低，并影会在线路上造成较大的电压降落，从而使负载端的电压降低，并影 响邻近负载的正常工作；响邻近负载的正常工作；异步电动机的起动转矩异步电动机的起动转矩 Tst： 在刚起动时，虽然转子电流较大，但转子的功率因数在刚起动时，虽然转子电流较大，但转子的功率因数 是很低的，是很低的， 即即：从式中：从式中： 可得知此结论可得知此结论 ； 22cosIKTmT2cos 异步机异步机起动起动方法有方法有： （1.） 全压全压(直接直接)起动起动；（；（2）. 降压起动降压起动。为了

53、提高为了提高异步机的异步机的起动转矩，在电源容量允许时起动转矩，在电源容量允许时鼠笼式鼠笼式通常通常采用采用全压起动全压起动。绕线式绕线式则则不允许全压起动不允许全压起动(注意下述原因注意下述原因)。 降压起动降压起动：是在起动时降低异步电动机电源电压，等：是在起动时降低异步电动机电源电压，等到电动机转速升高到一定值（或接近额定转速，此时电动机到电动机转速升高到一定值（或接近额定转速，此时电动机起动电流已大大减小）后，再将电源电压增加到额定电压。起动电流已大大减小）后，再将电源电压增加到额定电压。 鼠笼式异步电动机降压起动方法主要有：鼠笼式异步电动机降压起动方法主要有：1. 1. 定子定子绕组

54、绕组串电阻串电阻或电抗器降压起动；或电抗器降压起动；2. 2. Y-Y-降压起动；降压起动；3. 3. 自耦自耦变压器变压器降压起动。降压起动。 绕线式绕线式异步电动机起动方法主要有：异步电动机起动方法主要有：1. 1. 转子回路串电转子回路串电阻阻起动；起动；2. 2. 转子回路串频敏电阻起动。转子回路串频敏电阻起动。 不能全压起动的不能全压起动的原因原因是转子为线绕式，抗击起动电流的冲击能力小。是转子为线绕式，抗击起动电流的冲击能力小。 对于频率繁起动的电动机，其容量应专用变压器电源变对于频率繁起动的电动机，其容量应专用变压器电源变 压器容量的压器容量的20%； 对于不经常起动的电动机，其

55、容量应专用电源变压的容对于不经常起动的电动机，其容量应专用电源变压的容 量的量的30%；对于动力和照明共用电源变压器的，电机直接起动时的电对于动力和照明共用电源变压器的，电机直接起动时的电 压降应压降应5%的的U 如由船舶发电机直接供电，可允许电动机的容量发电机如由船舶发电机直接供电，可允许电动机的容量发电机 容量的容量的60% 机仓的电动辅助几乎都采用直接起动机仓的电动辅助几乎都采用直接起动。1. 直接直接起动:2. . 降压起动降压起动1) 工作目的：工作目的：减少电动机起动的工作电流减少电动机起动的工作电流。2) 工作场合：适用空载下起动的电力拖动装置。工作场合：适用空载下起动的电力拖动

56、装置。 鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机Y-Y-降压起动降压起动方法方法：起动时将定子绕组接成起动时将定子绕组接成 Y形，转形，转速升高后再接成形速升高后再接成形，这样，定子每相绕，这样，定子每相绕组上电压降低为组上电压降低为 连接直接起动时的连接直接起动时的1/ 倍。而电机的线电流为直接起动时的倍。而电机的线电流为直接起动时的1/3倍。倍。考虑到三相电机的起动转矩与电源电压的考虑到三相电机的起动转矩与电源电压的平方成正比，所以此时的平方成正比，所以此时的电机起动线电流电机起动线电流和转矩都降低为形时的和转矩都降低为形时的1/3。适用场合：适用场合：1.正常工作时定子为形连接正常工作时定子为形

57、连接鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机 ；2.空载或轻载起动。空载或轻载起动。Y / 连接连接起动线路起动线路3）工作方法工作方法：3 鼠笼式异步电动机自耦变压器降压起动鼠笼式异步电动机自耦变压器降压起动 方法：方法：起动时将定子绕起动时将定子绕组通过自耦变压器降压，转组通过自耦变压器降压，转速升高后再直接接电源。速升高后再直接接电源。 特点：特点：起动起动电流电流和和转矩转矩都降低为全压起动时的都降低为全压起动时的1/k2。可选用不同变比适合不同场可选用不同变比适合不同场合。合。 适用：重载起动（比半适用：重载起动（比半载略重，比额定负载轻）。载略重，比额定负载轻）。绕线式转子绕线式转子串电阻

58、起动串电阻起动1)工作特点：工作特点：起动电流小，起动转矩大起动电流小，起动转矩大；2)工作过程：工作过程：为保证整个起动过程尽量保持较大的起动转矩，应随着为保证整个起动过程尽量保持较大的起动转矩，应随着 转速的升高而逐渐减少外串电阻，最后应全部切除转速的升高而逐渐减少外串电阻，最后应全部切除。3)工作场合工作场合：适用于要求起动转矩较大的机械，如起货机、锚机等。：适用于要求起动转矩较大的机械，如起货机、锚机等。方法：方法：转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻

59、直至三相变阻器电阻为零，阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束起动结束。 适用：适用：带额定负载起动带额定负载起动。开开始始起起动动方法：方法： 转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。 适用：带额定负载起动。适用：带额定负载起动。起动起动完成完成 绕线式异步电动机的起动绕线式异步电动机的起动(1)(1)方法

60、：方法：转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。 适用：带额定负载起动。适用：带额定负载起动。 绕线式异步电动机的起动绕线式异步电动机的起动(2)(2) 高起动转矩异步电动机高转差率鼠笼式异步机：高转差率鼠笼式异步机： 由于由于转子电阻增大转子电阻增大，起动转矩增大起动转矩增大。因此，如果。因此，如果鼠笼式异步电动机的鼠笼导体采用电阻率高的材料制鼠笼