电工学课件-第七章-电动机

第一节三相异步电动机的转动原理和基本构造转动原理基本构造返回返回电动机直流电动机沟通电动机沟通电动机同步电动机异步电动机异步电动机按沟通电的相数三相异步电动机单相相异步电动机按结构绕线式异步电动机鼠笼式异步电动机返回一、转动原理nn1F⊙Fn1=0,磁场静止，转子不能感应电流，导体静止。n1≠0，磁场顺时针旋转。异步电动机要转动起来，要有旋转的磁场，同时转子电路必需闭合。变更磁场旋转方向可使电动机反转。转子产生感应电流，在磁场的作用下产生电磁转矩，使转子转动起来，方向与磁场方向一样。SN左通力右生电返回二、基本构造异步电动机由定子和转子两部分组成。1.定子定子是异步电动机固定不动的部分。由机座、定子铁心、定子三相绕组组成。定子铁心安装在机座内，由硅钢片叠成。定子三相绕组嵌在定子铁心的槽内，三相绕组的始端和末端分别接到电动机出线盒的接线柱上，这样可以依据须要将三相绕组接或△接，使电动机运用于两种不同的工作电压。返回定子接线端的连接U1V1W1W2U2V2CABZXY接△接去掉W2、U2、V2短接片后，变为Y型连接2.转子转子是异步电动机旋转的部分。由转子铁心、转子绕组组成。转子绕组可分为鼠笼式和绕组式两种。转子铁心仍由硅钢片叠成。鼠笼式结构简洁，它是在转子铁心的槽内穿入金属导体，两端装上铜环将全部的金属导体短接，自成闭合路径。绕组式与定子绕组相同，但三相绕组都是接。三个出线端通过电动机轴上的铜环与电刷引到电动机的外部。返回返回其次节三相异步电动机的工作原理旋转磁场转动原理转差率返回一、旋转磁场1、旋转磁场的产生定子三相绕组对称，且空间上互差120°，接成形。UVWXYZABCYZXiAiCiB返回

iA=Imsinωt

iB=Imsin(ωt－120°)

iC=Imsin

(ωt-240°)对称三相电流ωtiiAiBiC波形如图规定电流正方向由始端向末端，实际流入时用

表示，实际流出时用⊙表示。返回ωtiiAiBiC0120°240°60°A⊙⊙BCYXZN

SA○○⊙BCYXZN

S⊙A⊙⊙BCYXZN

S180°A⊙⊙BCYXZN

Sωt=0°iA=0iB<0iC>0A⊙⊙BCYXZ

S

Nn1对称三相绕组，送入对称三相电流，确定产生旋转磁场。ωt=60°iA>0iB<0iC=0ωt=120°iA>0iB=0iC<0ωt=180°iA=0iB>0iC<0ωt=240°iA<0iB>0iC=0返回2、旋转磁场的转向旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一样。电流的相序：A－B－C电流的相序：B－A－Cn1n1变更电流相序，即随意对调电源的两根火线，可变更旋转磁场的方向，使电动机反转。返回3、旋转磁场的转速○○○定子每相一个线圈，旋转磁场为二极。旋转磁场的磁极对数P=1电流变更一周，磁场也旋转一周。磁场的转速n1=60f1(r/min)○○○定子每相二个线圈，旋转磁场为四极。旋转磁场的磁极对数P=2电流变更一周，磁场也旋转0.5周。磁场的转速n1=60f1/2(r/min)返回变更定子绕组的接线方式，可以变更异步电动机的极数。旋转磁场的转速n1与电动机的极数P成反比，与沟通电的频率f成正比。二、转动原理对称三相电源定子对称三相绕组旋转磁场转子旋转n1nP234n1150010007501极对数=2极返回三、转差率异步电动机的转动原理是建立在电磁感应的基础上的，所以电动机的转速n与旋转磁场的转速n1（又叫做同步转速）不能相等。即n≠n1其相差的程度用转差率s来表示。转差率s

是异步电动机重要的参数之一。

s≈0.02～0.06异步电动机刚起动的瞬间，n=0,s=1返回例：某三相异步电动机额定转速nN=980r/min，接在f

1=50Hz的电源上运行。试求在额定状态下,定子旋转磁场速度n1、磁极对数P、额定转差率s。解：∵一般额定转差率为0.02～0.06∴n≈n1返回第三节三相异步电动机的电磁

转矩与机械特性转矩平衡电磁转矩机械特性返回一、转矩平衡关系三相异步电动机在拖动生产机械工作时，旋转磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为电磁转矩T，它是一个驱动转矩。作用在电动机轴上的各种机械转矩称为负载转矩TL，它是一个阻碍转矩。当电动机稳定运行时，驱动转矩等于阻碍转矩。即：T=TL

（转矩平衡方程）若T<TL

电动机减速若T>TL

电动机加速返回二、电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的。因此电磁转矩与旋转磁场的每级主磁通Φ、转子电流I2有关。即：T∝ΦI2转子电流I2由转子电动势E2产生。İ2、Ė2之间的相位差角为φ2，cosφ2是转子功率因数。所以，电磁转矩T与Φ和转子电流I2的有功重量I2cosφ2成正比。即：T=KTΦmI2cosφ2KT是确定于电动机的常数。返回1.定子电路三相电动机的电磁关系与变压器相类似，定子相当与变压器原边，转子相当于副边。以一相为例：u1

i1i2e1f1e2f2Z1N1Z2N2定子每相绕组磁通Φ=Φmsinωte1=-N1dΦ/dt忽视uZ、eσ1，则

u1≈-e1

U≈

－Ė·U1≈E1=4.44f1N1Φm

f1=Pn1/60返回2.转子电路e2=-N2dΦ/dtE2=4.44f2N2Φm

f2=p（n1-n）/60

f2为转子电动势或转子电流的频率，因为旋转磁场与定子间的相对转速为n1，定子与转子间的相对转速为n。则有：=s·f1电动机起动瞬间n=0,s=1

f2=f20=Pn1/60=f1E20=4.44f1N2ΦmE2=4.44s

f1N2ΦmE2=sE20返回转子电路呈感性Z2=R2+X2式中漏磁感抗X2=2πf2LS2=2πsf1LS2s=1,X20=2πf1LS2X2=sX20转子电流转子功率因数返回转子电路的各物理量都与转差率有关，即与转子的转速有关。I2、cosφ2与s

的关系如曲线所示I2cosφ211scosφ2起动时，s=1，n=0起动时，I2很大,cosφ2很低I2n↓→s↑→I2↑返回T=KTΦ

I2cosφ2U1=4.44f1N1ΦmE20=4.44f1N2ΦmΦm∝U1

Φm∝E20

利用导数可求得sm=R2/X20

Tmax=KU12/2X20返回当K、U1、R2、X20、确定的条件下，把T=f(s)曲线称为转矩特性曲线。如图：TTmax1ssms较小，0<s<sm，

s↑T↑s较大，sm<s<1，

s↑T↓将Tmax对应的sm称为临界转差率.二、自然机械特性1.转矩特性返回异步电动机的电磁转矩与定子相电压U12成正比。当电源电压有所变动时，对电磁转矩影响很大。T

Tmax1ssm

Tmax’U1U1’U1

>U1’T∝U2Sm与U1无关U1↓→T↓→n↓→s↑→I2↑→I1↑电压不足，会造成电流增大，电机发热。0<s<sm电动机运行稳定，sm<s<1电动机运行不稳定。返回临界转差率sm与R2成正比。最大转矩Tmax与R2无关。R2’<R2”T

Tmax1ssm’

R2’R2”sm”2.机械特性在电源电压U1不变时，电动机的转速n和电磁转矩T间的关系称为电动机的机械特性。三、机械特性在电源电压U1不变时，电动机的转速n和电磁转矩T间的关系称为电动机的机械特性。返回n=f(T)机械特性曲线可由转矩特性曲线得来：TstTNnNnTmax

Tn1ABCnmn>nm(AB段）：为稳定工作区（s较小），具有硬特性，即电动机具有自动适应负载实力。TL↑→T＜TL→n↓→s↑→T↑→T=TL0<n<nm(BC段）：为不稳定工作区.返回异步电动机T－n曲线上对应着三个特定转矩：额定转矩TN：在额定电压下，当电动机的输出功率等于额定功率PN时的转矩称为额定转矩。对应的转速称为额定转速nN。最大转矩Tmax：电动机转矩的最大值。KWr/minN·m当负载转矩TL>Tmax时，电动机将发生闷车停转。定子电流急剧上升，电动机过热导致烧毁。称最大转矩与额定转矩的比值λ为过载系数。返回一般，过载系数λm为1.8～2.2。λm也表示短时允许过载实力。起动转矩Tst：电动机刚起动n=0,s=1时的转矩。由s=1可得Tst∝U12Tst与R2有关当U1减小时，Tst减小，当R2适当增大时，Tst会增大转子电阻返回起动实力λS=一般Tst=(1～2.2)TN。只有当TL<Tst时电动机才能起动。否则会发生“堵转”，此时电流I1I2都很大。I2与s

的关系如曲线所示I211s起动时，s=1，n=0起动时，I2很大,I2n↓→s↑→I2↑返回Tst”TnTst’U1’<U1”U1’U1”Tst”TnTst’R2’<R2”R2’R2”TST∝U2U↓，TST↓U↓，TMAX↓R2↓，TST↓R2↓，TMAX不变三、人工机械特性例：一台三相异步电动机,电源电压U1=220V,f1=50Hz，额定转速nN=1425r/min，转子电路的电阻R2=0.03Ω，感抗X20=0.09Ω，磁极对数P=2，E1/E20=11。求:(1)电动机起动瞬间的E20，f20，I20，cosφ20，(2)转子达额定转速nN时的E2，f2，I2，cosφ2。

U1≈E1=220VE20=E1/11=20V起动瞬间

f20=f1=50HZ返回解：转子转速为nNn1=

60

f1/P=1500r/minSN=(n1－nN)/nN=0.05E2=sE20=1Vf2=sf20=2.5HzX2=sX20=0.0045Ω返回

例：一台异步电动机，额定转矩TN=65.9N·m，额定转速nN=1450r/min，起动实力为1.4，过载系数为2.0，求Tmax、Tst、PN。解：

λS=Tst=1.4×65.9=92.9N·m第四节三相异步电动机的运用起动反转制动调速返回返回一、起动三相异步电动机接通电源后从静止状态过渡到稳定运转状态的过程叫起动。1.起动性能要求有足够大的起动转矩,否则电动机不能起动Tst>TL满足起动转矩的前提下，起动电流Ist越小越好一般Ist=(5～7)IN，由于起动时间短，电机不会因发热而烧毁，但过大的电流会造成电网电压着陆增大，影响其它设备正常工作。返回2.起动方法全压起动（干脆起动）全压起动简洁、经济、但Ist较大。适用于PN≤10KW的中小型电动机，或者电动机功率小于变压器容量的20%，同时电网电压下降不超过5%。降压起动降压起动即起动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速接近额定值时，再将定子绕组上的电压复原到额定值。由于加到定子绕组上的电压U1下降，所以起动电流下降，同时起动转矩也下降。因此降压起动适用于轻载或空载起动。返回常用的降压起动方法：

－△换接起动△形运行形起动这种方法只适用于正常运转时△形连接的电动机。当S2接起动端时，定子三相绕组接。起动电流（线电流）Ist=UP/z当S2接运行端时，定子三相绕组△接。起动电流（线电流）Ist△=Ist/

Ist△=1/3△接起动电流是接起动电流的三倍。利用－△换接起动时，电源供应电流可下降三倍。△又因为所以Tst/

Tst△=1/3△接起动定子绕组相电压是接起动的倍。利用－△换接起动时，起动转矩下降三倍。返回Y-connection:400V;50Hz;Υ-connection:230V;50Hz;电机的接线方式电机的接线方式Yconnection connection启动电压400V启动电压230V例：一台三相异步电动机，额定功率为30KW，额定转速为1470r/min，△连接，在额定负载下运行线电流为57.5A，Tst/TN=1.2，Ist/IN=7，试求：(1)用－△换接起动时的起动转矩和起动电流；(2)当负载转矩为额定转矩的60%和25%时，用－△换接起动是否可以？起动电流Ist=7IN=7×57.5A=402.5A－△换接起动时Tst

=Tst△/3=1.2×194.9÷3=77.96N·mIst

=Ist△/3=402.5÷3=134.17ATN=9550×30÷1470=194.9N·mTL=0.6TN=0.6×194.9=116.94N·mTL>Tst不行以TL=0.25TN=0.25×194.9=48.725N·mTL<Tst可以解：返回自耦变压器降压起动这种方法适用于容量较大或不能接受－△起动的三相鼠笼式异步电动机。降压起动全压运行

S2接起动端时，定子三相绕组接至自耦变压器的副边，电压低于电源电压。

S2接运行端时，定子三相绕组接至电源电压。返回·M3～UVWU2U1Ist′IstT自耦变压器U1/U2=K>1降压起动电流

Ist′=U2/z=Ist/K干脆起动电流Ist=U1/z降压起动从电网吸取的电流IstT=Ist′／K=Ist/K2TstT=Tst/

K2自耦变压器降压起动的起动电流与起动转矩都是干脆起动的1/K2倍。返回定子电路串电阻降压起动起动时定子串联电阻，当电动机的转速接近额定转速时，再将串入电阻去除。此种方法的缺点是起动时电阻上消耗较大的功率。这种方法适用正常运行的或△连接的三相异步电动机。绕线式异步电动机的起动绕线式异步电动机的起动常用转子串电阻或串频敏变阻器两种方法。转子串电阻起动是在转子电路中串入电阻Rst，起动后，随着转速上升渐渐减小Rst，最终将Rst全部短路。返回起动瞬间n=0，s=1R2↑→I2↓→Ist↓Tst”TnTst’R2R2+RstR2↑→Tst↑绕线式异步电动机的转子串电阻起动，不仅限制起动电流，同时增大起动转矩。因此，绕线式异步电动机比鼠笼式异步电动机的起动性能好。返回二、调速返回异步电动机的转速为变更磁极对数P、电源频率f1和转差率s都可调速。磁场转速返回1.变极对数调速极对数的变更,可以通过变更定子统组的接法来实现。变极对数调速是有级调速，可制成专用多速电机，这种方式只适用于鼠笼式异步电动机。2.变频调速这种调速方法不仅适用于鼠笼式电动机,同样适用于绕线式电动机。接受专用的调速变频电源，可实现对电动机的无级调速。返回3.变转差率调速在负载转矩确定的状况下,在绕线式异步电动机的转子电路中串入不同的附加电阻以变更转差率s,实现调速。这种调速方法使机械特性变软,稳定性差,电阻耗能大，但可连续平滑调速,用于起重冶金设备。三、反转三相异步电动机的转向确定于旋转磁场的转向,而旋转磁场的转向又与通入三相定子绕组的电流相序有关,因此,变更相序即可变更转向。只要将三相定子绕组接电源的三根线中随意两根对调即可。正转反转四、制动用强制的方法迫使电动机快速停车就叫制动。返回1.能耗制动当电动机脱离三相电源后，将S2接通直流电源，则在电动机内会产生一个恒定的不旋转的磁场。转子由于机械惯性接着旋转,因而转子导体切割磁力线,产生感应电动势和电流。载有电流的导体在恒定磁场的作用下,受到制动力FT,产生制动转矩Tz,使转子快速停车。返回由于这种方法是用消耗转子的动能(转换成电能）来进行制动的,所以称为能耗制动。这种方法精确、平稳、能耗小,但需直流电源.一般直流电流可调整为额定电流的0.5～1倍。2.反接制动反接制动就是通过随意对调三相定子绕组的两相电源来实现的。随意对调两相电源后,旋转磁场反向旋转（速度n1),电磁转矩也反向而起制动作用。返回这种制动方法简洁、快速,但制动时s≈2,电流大，制动不精确,耗能大,冲击较猛烈,易损坏机械零件。当n≈0时,应立刻断开电源,否则电动机将反转,应加制动电阻。四、调速返回异步电动机的转速为变更磁极对数P、电源频率f1和转差率s都可调速。返回第五节三相异步电动机的铭牌和技术数据铭牌和额定值例题返回一、运行特性电动机当电压U1、频率f1为定值时，将I1=f(P2)、cosφ1=f(P2)、η

=f(P2)称为运行特性（工作特性）。I1η

cosφ1P2ηcosφ1I1定子电流特性I1=f(P2)P2=0（空载）

I1=I10(空载电流）

P2↑→I1↑返回一、运行特性电动机当电压U1、频率f1为定值时，将I1=f(P2)、cosφ1=f(P2)、η

=f(P2)称为运行特性（工作特性）。I1η

cosφ1P2ηcosφ1I12.功率因数特性cosφ1=f(P2)P2=0（空载）cosφ1很小P2↑→cosφ1↑（但到确定数值后，又略有下降）返回一、运行特性电动机当电压U1、频率f1为定值时，将I1=f(P2)、cosφ1=f(P2)、η

=f(P2)称为运行特性（工作特性）。I1η

cosφ1P2ηcosφ1I13.效率特性η=f(P2)

η

=P2/P1

P2=0（空载）

η=0P2↑→η↑（但出现最大值后，又略有下降）返回一、铭牌和额定值每台电动机都有一个铭牌,安装在机座上，记载它的额定值,以便按规定的数值运用

三相异步电动机型号Y112M-4功率4.0KW防护等级IP44电压

380V电流

8.8A功率因数

0.84接法△转速1440r/m绝缘等级

B频率

50Hz重量45kg工作方式

S1××电机厂返回1.型号型号是电动机类型、规格的代号。由汉语拼音大写字母或英文字母加阿拉伯数字组成。按依次包括名称代号、规格代号。Y

112

M

－4磁极数机座长度代号（S、M、L）中心高三相异步电动机返回2.额定电压UN额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压。它与绕组接法有对应关系：系列异步电动机的额定电压都是380V,3kW以下的接成形,而4kW以上的均接成△形。一般规定电源电压波动不应超过额定值的±5%。3.额定电流IN是指电动机在额定运行状况下定子绕组的线电流。4.额定功率PN与额定效率ηN电动机在额定运行状况下,轴上输出的机械功率称为额定功率。返回额定效率是指额定功率与输入电功率之比5.额定转速nN

指电动机额定运行时的转速。它略低于同步转速n1

。6.额定功率因数λN指在额定状况下,电动机定子电路的功率因数,φN是定子绕组相电压与相电流之间的相位差。其值约为0.7~0.9。返回7.绝缘等级它是按电动机绕组所用的绝缘材料在运用时允许的极限温度来分级的。8.工作制通常分为连续运行、短时运行和断续运行三种,分别用代号S1、S2、S3表示。9.防护等级它是指电机外壳防护型式的分级。异步电动机铭牌上通常还列出了Ist/IN、Tst/TN

、Tmax/TN。绕线式异步电动机铭牌上还标明转子额定电流和转子绕组的开路电压。例：三相异步电动机额定值为PN=40KW,接法/△,UN=380V/220V,nN=1460r/min,ηN=0.895,cosφN=0.89,Ist/IN=5.5,Tst/TN=1.1,Tmax/TN=2。试求P1N,IN,TN,sN,Tst,Tmax,Ist,f2N。解：△

Ist△=5.5IN△=5.5×132=726AIst=5.5IN=5.5×76=418ATst=1.1TN=262×1.1=288N·mTmax=2TN=2×262=524N·mf2N=sf1=0.027×50=1.35Hz返回返回

λS=Ist/

Ist△=1/3Tst/

Tst△=1/3三相异步电动机常用公式Tst∝(U)2Tst′=(0.9)2Tst例：Y132S-4型三相异步电动机额定值如下,试求sN,IN,TN,Tst,Tmax,Ist。

PN

nNUN

ηN

λNIst/INTm/TNTst/TN

5.5KW1440r/min380V0.855

0.84

7

2.2

2.2解：

Ist

=7IN

=81.48ATst=2.2TN=324.9N·mTmax=2.2TN=324.9N·m磁极对数p=2,n1=1500r/min返回例：三相异步电动机额定值为PN=10KW,△接法,UN=380V,nN=1460r/min,ηN=0.88,λN=0.88,Ist/IN=7,Tst/TN=1.3,λT=2，f=50Hz。试求(1)磁极对数p,IN,TN,sN,Tst,Tmax,Ist。1111(2)若负载转矩TL=55N·m,当U＝0.9UN时，能否起动？电动机若要接受－△换接起动，则Ist，Tst各为多少；能否起动？∴磁极对数p=2,n1=1500r/min∵nN=1460r/min略小于n1

Ist

=7IN

=137.2ATst=1.3TN=85N·mTmax=2TN=130.8N·mTst∝(U)2Tst′=(0.9)2Tst=68.85N·mTst′>TL，可以起动解：接受－△换接起动Ist=Ist/3=45.7ATst=Tst/3=28.3N·m<TL=55N·m不能起动返回例：Y160M-2型三相异步电动机PN=15KW,△接法,UN=380V,nN=2930r/min,ηN=0.882,λN=0.88,Ist/IN=7,λS=2,λM=2.2，起动电流不允许超过150A。若负载转矩TL=60N·m,试问能否带此负载(1)长期运行,(2)短时运行,(3)干脆起动？Tst=2TN=97.8N·mTmax=2.2TN=107.58N·m

Ist

=7IN

=205.45A解：TN<TL=60N·m不能长期运行TMAX>TL能短时运行TST>TL但IST>150A不能干脆起动返回2.电网电压下降10%,电动机在恒定负载转矩下工作,稳定后的状态为______A.转矩不变,转速下降,电流减小;