《电工学及电气设备》课件-7 异步电动机

11:431异步电动机

AsynchronousMotor第七

章Chapter76/12/202311:4327.2三相异步电动机的电磁转矩7.1三相异步电动机及工作原理7.3三相异步电动机的运行内容提纲6/12/202311:4331、了解三相交流异步电动机的基本构造和转动原理；2、理解三相交流异步电动机的电磁转矩与机械特性；3、掌握起动和反转的基本方法及调速和制动的方法。本章要求6/12/2023电动机的分类：鼠笼式异步交流电动机授课内容：

基本结构、工作原理、机械特性、控制方法

电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机第7章交流电动机11:43411:4311:435第1节三相异步电动机及工作原理1.1三相异步电动机的构造转轴机座接线盒吊环罩壳铭牌前端盖三相异步电动机的外形11:4311:436三相异步电动机的总体结构三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、轴承、风扇、罩壳等部件。11:4311:437U1U2三相定子绕组（U相）1.定子定子铁心冲片铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁11:4311:438根据转子绕组结构的不同分为：转子铁心冲片去掉铁心后的转子导条（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）笼型转子绕线型转子（转子铁心槽内嵌有三相绕组）转子铁心转子绕组转轴2.转子笼型转子铁心转子绕组转轴11:4311:439

转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)

鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)

绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。11:4311:4310鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：

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。绕线式：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。11:4311:4311V’VW’U’UW三相异步机的结构定子转子11:43气隙定子和转子之间气隙大小，对电动机性能影响很大。变压器主磁路全部是铁心，磁阻很小，产生主磁通所需励磁电流很小（2~10%）。异步电机主磁路由定、转子铁心和两段气隙构成，气隙虽然很小但磁阻却很大，因此产生一定的主磁通所需要的励磁电流较大，一般为额定电流的20~50%。励磁电流是无功电流，励磁电流较大是异步电动机功率因数较低的主要原因。为提高功率因数，必须减小励磁电流，最有效的方法就是减小气隙长度。异步电动机的气隙大小一般为0.2～1.5mm左右。11:43问题与讨论鼠笼型电动机的定子各部分结构和作用如何？鼠笼型异步机转子各部分的结构和作用是什么？定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其内圆冲有分布的槽。定子铁芯的作用：一是槽内可用来嵌放定子绕组；二是定子铁芯构成电动机磁路的一部分。定子绕组是由铜导线绕制而成。构成电动机电路的一部分。机座是电动机的支架，一般用铸铁或铸钢制成。转子铁芯冲片铸铝笼形转子笼形转子绕组转子铁芯是也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成，在其外圆冲有分布的槽。转子铁芯可嵌放转子绕组，构成电机磁路的另一部分。转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体，构成电机电路的一部分。由转轴输出机械能。11:4311:4314磁铁闭合线圈实验结果：线圈将以n（n<n1)的速度与磁铁同向转动实验ffn11:431.2.1

旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生o1.2三相异步电动机的转动原理11:431511:43o规定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入11:431611:43tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600o11:431711:43AAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线(电路如图)AXCZBY0to11:431811:433.旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：otAXBYCZAXYCBZ11:431911:43

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC11:432011:43极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'011:432111:434.旋转磁场的转速工频：旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ11:432211:43p=2时011:432311:43旋转磁场转速n0与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:11:432411:431.2.2电动机的转动原理1.转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF11:432511:4311:4326三相异步电动机的转动原理11:43旋转磁场的极对数和同步转速n0之间有什么关系？AXYCBZAiBiAiCYZCBX此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数p=1。极对数p=1时：问题与讨论

将每相绕组分成两段，按上图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。XiBiAiCAA'XCX'BC'YZ'ZB'Y'此时同步转速11:432711:43

1.2.3转差率

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转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。11:432811:43异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率S

例1：一台三相异步电动机，其额定转速

n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：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：n0=1000r/min,即p=3额定转差率为11:432911:431.3三相异步电动机的电路分析

三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。1)变压器原、副绕组是与同一主磁通相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。2）变压器：变化eU1E1=4.44fN1

异步机：旋转eU1E1=4.44fN1

3）变压器：I2

增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。

11:433011:43异步机：当负载增加时，转子电流I2

增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。

三相异步电动机与变压器的不同之处。1）变压器是静止的。而异步机是旋转的。2）变压器的磁路是无气隙的。而异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙。3）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。11:433111:431.3.1定子电路1.旋转磁场的磁通异步电动机：旋转磁场切割导体e，

U1

E1=4.44

f1N1每极磁通旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以2.定子感应电势的频率f1感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关f1=电源频率f异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f211:433211:431.3.2转子电路1.转子感应电势频率f2∵定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化定子感应电势频率f1转子感应电势频率f2

转子感应电势频率f2旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同11:433311:432.转子感应电动势E2E2=4.44f2N2=4.44Sf1N2

当转速n=0(s=1)时，f2最高，且E2最大，有E20=4.44

f1N2转子静止时的感应电势即E2=

SE20

转子转动时的感应电势3.转子感抗X2当转速n=0(s=1)时，f2最高，且X2最大，有X20=2

f1L2即X2=

SX20

11:433411:434.转子电流I25.转子电路的功率因数cos2转子绕组的感应电流11:433511:43转子绕组的感应电流转子电路的功率因数结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率

s有关，即与转速

n有关。I2cos2s1I2,O11:433611:43第2节三相异步电动机的电磁转矩2.1转矩公式

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矩之总和。常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数11:433711:43由此得电磁转矩公式由前面分析知：11:433811:43由公式可知电磁转矩公式1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T2.当电源电压U1一定时，T是

S的函数。3.R2

的大小对

T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2

，从而改变转距。11:433911:432.2机械特性曲线OTS根据转矩公式得特性曲线：OT111:434011:43电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN三个重要转矩OT额定转矩(N•m)如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为11:434111:432.最大转矩Tmax转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax

，否则将造成堵转(停车)。电机带动最大负载的能力。令：求得临界转差率OTTmax将Sm代入转矩公式，可得11:434211:43当U1

一定时，Tmax为定值过载系数(能力)一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使T2

<Tmax

，否则电机将停转。电机严重过热而烧坏。(2)Sm与R2有关，R2Smn。绕线式电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。11:434311:433.起动转矩Tst电动机起动时的转矩。起动时n=0时，S=1(2)Tst与R2有关，适当使

R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻

R´2,可使Tst=Tmax

。

Tst体现了电动机带载起动的能力。

若

Tst

>T2电机能起动，否则不能起动。OTTst起动能力11:434411:434.U1和R2变化对机械特性的影响(1)

U1变化对机械特性的影响UTmTstT2TO11:434511:43(2)R2变化对机械特性的影响TOR2Tst

n硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。11:434611:43第3节三相异步电动机的运行3.1起动起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：起动：

n=0，S

=1,接通电源。起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

11:434711:43起动方法(1)直接起动

二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。(2)降压起动：星形-三角形(Y－)

换接起动自耦降压起动（适用于鼠笼式电动机）(3)转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）以下介绍降压起动和转子串电阻起动。11:434811:43设：电机每相阻抗为1.降压起动Y－ 换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的+－

起动U1U2V1V1W1W2+－正常运行U1U2V1V2W1W211:434911:43Y－

起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点11:435011:43Y－

起动器接线简图Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W211:435111:43Y－

起动器接线简图

工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常运行Ul+＿U1V1V2W1W211:435211:43(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(b)Y－

起动Y－

换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y-换接起动应注意的问题正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V111:435311:43(2)自耦降压起动L1L3L2FUQ

Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。

Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QQ2

自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－起动的鼠笼式异步电动机。11:435411:43RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。起动电阻

2.绕线式电动机转子电路串电阻起动•11:435511:43

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­ÞTst

­TO转子电路串电阻起动的特点11:435611:43

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。电动机正转电动机反转三相异步电动机的正、反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~11:435711:43例1:

1)解:

一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

1)额定电流IN?2)额定转差率SN?3)额定转矩

TN、最大转矩Tmax

、和起动转矩TN

。11:435811:43

2）由nN=1480r/min，可知p=2（极对数）

3）11:435911:43解：

在上例中(1)如果负载转矩为510.2N•m,试问在U=UN和U´=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-

换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？

(1)在U=UN时

Tst=551.8N•m>510.2N.m不能起动

(2)Ist

=7IN=784.2=589.4A

在U´=0.9UN时能起动例2:11:436011:43在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动(3)11:436111:431.一般性能的节能调速在过去大量的不变速调速系统中，风机、水泵等机械总量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是过去交流电动机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，从而使许多电能被白白浪费掉了。如果换成交流调速系统，来调节送风和供水的流量，每台风机、水泵平均可节能20%，效果很可观。11:43623.2调速11:432.高性能交流调速系统过去许多需用直流调速的场合，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，因此如果采用交流调速，其静、动态性能完全可以和直流调速系统的性能相媲美。但目前来讲，其控制系统相比与直流调速系统复杂。可用于轧机、造纸机等要求调速性能较高的场合。11:436311:43直流电极换向器的换向能力限制了它的容量和转速，而交流电动机则不受这个限制，因此特大容量的传动，如厚板轧机、矿井提升机等和极高转速的传动，都宜采用交流调速为宜。11:43643.特大容量、极高转速的交流调速系统11:43异步电动机的调速方法三种电气调速方法3.2.1变频调速(无级调速)变频调速应用最广，可构成高性能的交流调速系统，最具有发展前途。电力电子和微机控制技术是现代交流调速的物质基础。有了电力电子变流装置，解决了调速装置过去设备多、体积大、成本高等问题，使交流调速得到飞跃的发展。11:436511:43各类电力电子器件类型不可控器件代号名称全控器件半控器件电流控器件场控器件功率集成电路D整流二极管（Diode)Th、SCR晶闸管（Thyristor)BJT双极型晶体管（BipolarTransistor)GTO门极关断晶闸管（GateTurn-off)P-MOSFET电力场效应晶体管IGBT绝缘栅双极型晶体管MCT场控晶闸管PIC功率集成电路11:436611:43

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~（1）变频调速方法频率调节范围：0.5~几百赫兹根据可知频率f下调时，转速n降低。而频率f上调时，转速n升高。11:436711:431.变频调速原理及其机械特性 在电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持不变。因为如果磁通减弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通增强，又会使铁心饱和，导致励磁电流过大。(1)频率下调时，使则可保持不变。

由

可知若要求电机在不同转速下都达到额定电流频率下调时，因为不变，所以转矩T也不变，属于恒转矩调速。由可知：转矩T随磁通变化。11:436811:431.变频调速原理及其机械特性f（2）频率上调时，因为变小如果电压U也上调，则电压将超过额定电压，这是不允许的，因此在调速过程中，只能保持U