交流电机6学时课时第42周课时共7公开课一等奖市优质课赛课获奖课件

东南大学机械工程学院1第五章交流电机5.1三相异步电动机的结构和工作原理5.2三相异步电动机的定、转子电路分析5.3三相异步电动机的转矩和机械特性5.4三相异步电动机的启动5.5三相异步电动机的的调速特性5.6三相异步电动机的的制动特性5.7单相异步电动机5.8同步电动机东南大学机械工程学院2

电动机有直流电动机和交流电动机两大类，直流电动机不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠.常用的交流电动机有三相异步电动机（或称感应电动机）和同步电动机。第五章交流电机Y系列三相异步电机三相稀土永磁同步电机东南大学机械工程学院3异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，是工业中使用得最为广泛的一种电动机。

本章主要介绍三相异步电动机的工作原理，启动、制动、调速的特性和方法。第五章交流电机东南大学机械工程学院4

5.1三相异步电动机的结构和工作原理

主要内容包括：基本结构、工作原理、旋转磁场、定子绕组、线端连接方式。§5.1.1三相异步电动机的基本结构东南大学机械工程学院5§5.1.1三相异步电动机的基本结构定子由铁心、绕组与机座三部分组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，它是由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的。

定子绕组是电动机的电路部分由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边分别放在两个槽里。三相对称绕组AX，BY，CZ可连接成星型或三角形。机座主要用于固定与支撑定子的铁心。转子有铁心与绕组组成。东南大学机械工程学院6§5.1.1三相异步电动机的基本结构异步电动机转子绕组大多采用鼠笼式，它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端环上而组成，如右图所示。小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成，如图5.4所示。这不仅是以铝代铜，而且制造也快。东南大学机械工程学院7鼠笼式三相异步电动机§5.1.1三相异步电动机的基本结构东南大学机械工程学院8§5.1.1三相异步电动机的基本结构异步电动机的转子绕组除了鼠笼式外还有线绕式，线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。转子绕组一般是连接成星型的三相绕组，转子绕组组成的磁极数与定子相同，绕线式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速如图5.5所示。东南大学机械工程学院9§5.1.2异步电机的工作原理原理：基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。东南大学机械工程学院10§5.1.3三相异步电动机的旋转磁场定子绕组的接法：东南大学机械工程学院11旋转磁场的产生磁场幅值不变，也叫圆形旋转磁场东南大学机械工程学院12相序对调后旋转磁场反向东南大学机械工程学院13相序对调后旋转磁场反向BC对调前：A>B>CBC对调后：A>C>B极对数p=1旋转磁场转速：{n0}r/min=60{f}Hz东南大学机械工程学院14多极对数定子绕组极对数p=2旋转磁场转速：{n0}r/min=60{f}Hz/p东南大学机械工程学院15§5.1.4绕组端子接线方法

实际电动机的每相的绕组比我们分析的例子要多。具体绕制方法不详细叙述。东南大学机械工程学院16

定子三相绕组的连接方式(Y形或△形)的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。如果电动机所接入之电源的线电压等于电动机的额定相电压(即每相绕组的额定电压)，那么、它的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倍，它的绕组就应该接成Y形。通常电动机的铭牌上标有符号Y／△和数字380／220，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。P56页例5.1新书p78§5.1.4绕组端子接线方法东南大学机械工程学院17§5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路定子电路的分析转子电路的分析三相异步电动机的额定值三相异步电动机的能流图

东南大学机械工程学院18、定子电路分析与直流电动机对比东南大学机械工程学院19、定子电路分析东南大学机械工程学院20定子每相绕组的磁通：每相绕组的磁通最大值定子每相绕组中产生的感应电动势：、定子电路分析东南大学机械工程学院21定子每相绕组中产生的感应电动势：感应电动势的有效值：其中绕组系数：故：其中：、定子电路分析东南大学机械工程学院22定子每相绕组中还产生漏磁通：复数表示为：定子每相绕组的电压分量分为三个分量：式中：和为定子的电阻和漏磁感抗（很小）一般认为：eL1、定子电路分析东南大学机械工程学院23、转子电路分析转子每相绕组中产生的感应电动势：感应电动势的有效值：f2为转子电流的频率因为：转差率东南大学机械工程学院24感应电动势的有效值：如：n=0s=1时，转子电动势最大(堵转电动势)、转子电路分析东南大学机械工程学院25转子每相绕组中还产生漏磁通：复数表示为：转子每相绕组的电压分量分为：式中：和为转子的电阻和漏磁感抗eL1eL2、转子电路分析东南大学机械工程学院26当n=0S=1时：eL1eL2而：每相转子的电流：由于转子有漏磁通，相应的感抗为X2，因此I2比E2滞后转子电路的功率因数为：、转子电路分析东南大学机械工程学院27转差率S与功率因数cos的关系、转子电路分析东南大学机械工程学院28§5.2.3三相异步电动机的额定值

电动机在制造工厂所拟订的情况下工作时，称为电动机的额定运行，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电动机的铭牌上，使用电动机时，必须看懂铭牌。铭牌上主要有：型号、额定功率、额定电压、额定频率、额定电流、额定转速、工作方式、温升（绝缘等级）、电机重量。

铭牌上不表明的有：额定功率因数：cosφN、额定效率ηN、额定负载转矩TN等。东南大学机械工程学院29§5.2.3三相异步电动机的额定值（1）额定功率因素：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（2）额定效率：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功率之比。（3）额定负载转矩：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载转矩。（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。

铭牌上不表明的有：额定功率因数：cosφN、额定效率ηN、额定负载转矩TN等。东南大学机械工程学院30§5.2.4三相异步电动机的能流图电动机定子的输入功率定子绕组铜损定子铁心的铁损电磁功率转子绕组铜损机械磨损输出功率电动机效率东南大学机械工程学院31功率因素对转矩的影响§5.3三相异步电动机的转矩和机械特性5.3.1三相异步电动机的转矩

东南大学机械工程学院32§5.3三相异步电动机的转矩和机械特性5.3.1三相异步电动机的转矩

功率因素对转矩的影响东南大学机械工程学院33§5.3三相异步电动机的转矩和机械特性5.3.1三相异步电动机的转矩

功率因素对转矩的影响东南大学机械工程学院34§5.3三相异步电动机的转矩和机械特性5.3.1三相异步电动机的转矩

功率因素对转矩的影响东南大学机械工程学院35四个特殊点（0,ｎ０）、（TN,nN）、（Tst,0）、(Tmax,nm)过载能力系数：实验表达式：§5.3.2三相异步电动机的机械特性－固有机械特性

东南大学机械工程学院361、降低电动机电源电压时的人为特性{n0}r/min=60{f}Hz/p§5.3.2三相异步电动机的机械特性－人为机械特性

东南大学机械工程学院372、定子电路接入电阻或电抗时的人为特性{n0}r/min=60{f}Hz/p

定子电路接入电阻或电抗时，与降低电压基本相同。但其最大转矩比直接降低电源电压时的最大转矩要大。？§5.3.2三相异步电动机的机械特性－人为机械特性

东南大学机械工程学院383、改变定子电路频率时的人为特性

影响因数及过程比较复杂。要求：§5.3.2三相异步电动机的机械特性－人为机械特性

东南大学机械工程学院394、转子电路串电阻时的人为特性(线绕式电机)§5.3.2三相异步电动机的机械特性－人为机械特性

东南大学机械工程学院40§5.4三相异步电动机的启动特性对电动机启动的要求：1、启动转矩足够大。2、启动电流越小越好。3、启动平滑。4、安全可靠，简单，方便。5、功耗小。东南大学机械工程学院41鼠笼式异步交流电机的常用启动方法

1、直接启动：可以使用直接启动的情况：详见（新P96老P68）第一段。东南大学机械工程学院422、定子串电阻或电抗器降压启动

启动时，将启动电阻串入定子电路，以降低启动电流。但启动转矩同时减小。只用于空载、轻载启动。东南大学机械工程学院433、Y-降压启动启动时：1KM闭合，2KM断开，Y连接启动后：1KM断开，2KM闭合，连接

只用于空载或轻载，正常运行时按连接的异步电动机。专用设备：Y-启动器设：U1为电源线电压，IstY为Y连接时的启动电流，Ist为连接时的启动电流，Z为启动时的每相绕组的等效阻抗。则：东南大学机械工程学院444、自耦变压器降压启动启动时：1KM，2KM闭合，KM断开，Y连接，接入自耦变压器。 启动后：1KM，2KM断开，KM闭合，断开自耦变压器，全电压运行。注意：此时的I2、U2接是副边的电流和电压，不是转子的电流和电压。Y-降压启动时：自耦变压器降压启动时：可调专用设备：启动补偿器表5.2鼠笼式异步电动机几种常用启动方法的比较（老P70）东南大学机械工程学院455、延边三角行接法

启动的特性介于直接启动和Y-降压启动之间，对电动机绕组的出线有特殊的要求用的不多。东南大学机械工程学院46绕线式异步电动机的启动方法

鼠笼式电动机的启动转矩小，启动电流大，不能满足大启动转矩的生产机械的要求。必须选用绕线式异步电动机。启动方法：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器法东南大学机械工程学院47绕线式异步电动机的启动方法东南大学机械工程学院48绕线式异步电动机的启动方法东南大学机械工程学院49§5.5三相异步电动机的调速特性可通过Tmax、Sm、f、p四个参数调节速度n东南大学机械工程学院501、调压调速（变Tmax

）§5.5三相异步电动机的调速特性东南大学机械工程学院51§5.5三相异步电动机的调速特性2、转子电路串电阻调速(变Sm)东南大学机械工程学院523、改变极对数调速(p)§5.5三相异步电动机的调速特性应用：变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。由式n0=60f/p可知，如果磁极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n0将提高一倍，转子转速n差不多也提高一倍。因此改变p可以得到不同的转速。如何改变磁极对数，取决于定子绕组的布置和联接方式。

原理：变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速，其转速是按阶跃方式变化，而非连续变化。东南大学机械工程学院533、改变极对数调速(p)§5.5三相异步电动机的调速特性应用：变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。YD系列(IP44)变极多速三相异步电动机东南大学机械工程学院543、改变极对数调速(p)§5.5三相异步电动机的调速特性东南大学机械工程学院553、改变极对数调速(p)a、Y>YY串联改为并联极对数减少一倍，转矩不变，功率增加一倍。b、

>YY极对数也减少一倍，功率不变，转矩减少一倍。注意：相序的同时改变，使调速前后转向不变。4、变频调速(f)，以后介绍§5.5三相异步电动机的调速特性东南大学机械工程学院564、变频调速(f)，§5.5三相异步电动机的调速特性原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速间接变换方式（交-直-交变频）把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。东南大学机械工程学院57§5.6三相异步电动机的制动特性1、反馈制动：A、负载为位能转矩的起重机械在下放重物时的反馈制动。B、变极调速或变频调速时，理想空载转速的下降而产生的反馈制动。只在高速运行东南大学机械工程学院58－1、电源反接制动难于用于准确停车东南大学机械工程学院59－2、倒拉反接制动难于用于准确停车东南大学机械工程学院60、能耗制动1KM打开，2KM合上。可以准确停车。注：停车后断开电源。

单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电动机，功率约在8W～750W之间。§5.7单相异步电动机特点与应用单相异步电动机具有结构简单,成本低廉,维修方便等特点。广泛应用于如冰箱、电扇、洗衣机等家用电器及医疗器械中。但与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电动机的体积较大、运行性能较差、效率较低。

单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电动机，功率约在8W～750W之间。§5.7单相异步电动机类型

单相异步电动机有多种类型，目前应用最多的是电容分相的单相异步电动机，这实际上是一种两相运行的电动机，下面仅就这种电动机进行介绍。结构

结构与三相笼形异步电动机类似，转子绕组也为一笼形转子。单相异步电动机结构图§5.7单相异步电动机结构单相异步电动机结构图§5.7单相异步电动机

定子：单相工作绕组和一个启动绕组。转子：笼形转子。为了能产生旋转磁场，在启动绕组中还串联了一个电容器。220V~NS

当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。在电流正半周在电流负半周？§5.7单相异步电动机工作原理XXX东南大学机械工程学院66§5.7单相异步电动机单相异步电动机的磁场脉动磁场：空间不旋转，而磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化。?转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。一推就转，且能达到稳定，但无启动能力其原理分析如下：§5.7单相异步电动机工作原理可以证明：一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉冲磁场可以分解成两个转速相等而方向相反的旋转磁场。转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方向继续转动。一推就转，且能达到稳定，但无启动能力其原理分析如下：

定子绕组产生的脉动磁场（

），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：t§5.7单相异步电动机工作原理脉动磁场的分解④④⑥⑥⑧⑧②②③③⑦⑦⑨⑨⑤⑤①①正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩起动转矩为零。（正向）（反向）正转转反电容分相式起动单相异步电动机的起动~KDCWSTW:主绕组（工作绕组）ST：启动绕组K：离心开关AXA'X'WSTAXA'X'§5.7单相异步电动机~KDCWST接近90°电容分相式单相异步电动机起动原理

分相后两相电波形如图所示。设则

两相电流波形图电容分相式单相异步电动机起动原理~KDCWST~KDCWSTAXA'X'WSTAXA'X't=t0XNSt=t0WSTAXA'X'XNSWSTAXA'X'NSt=t1X磁场逆时针方向旋转t=t0t=t1启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。~KDCWSTAXA'X'电容分相式单相异步电动机起动原理单相异步电动机的调速

单相异步电动机的调速方法主要有变频调速、晶闸管调速、串电抗器调速和抽头法调速等。变频调速设备复杂、成本高、很少采用。下面简单介绍目前较多采用的串电抗器调速、抽头法调速和晶闸管调速。（1）串电抗器调速在电动机的电源线路中串联起分压作用的电抗器，通过调速开关选择电抗器绕组的匝数来调节电抗值，从而改变电动机两端的电压，达到调速的目的，如图所示。串电抗器调速，其优点是结构简单，容易调整调速比，但消耗的材料多，调速器体积大。串电抗器调速接线图

单相异步电动机的调速（2）抽头法调速如果将电抗器和电机结合在一起，在电动机定子铁心上嵌入一个中间绕组(或称调速绕组)，通过调速开关改变电动机气隙磁场的大小及椭圆度，可达到调速的目的。根据中间绕组与工作绕组和启动绕组的接线不同，常用的有T形接法和L形接法，如图所示。抽头法调速与串电抗器调速相比较，抽头法调速时用料省，耗电少，但是绕组嵌线和接线比较复杂。（a）T形接法（b）L形接法图抽头法调速接线图单相异步电动机的调速（3）晶闸管调速利用改变晶闸管的导通角，来实现加在单相异步电动机上的交流电压的大小，从而达到调节电动机转速的目的，这种方法能实现无级调速，缺点是会产生一些电磁干扰。目前常用于吊式风扇的调速上。单相异步电动机的调速东南大学机械工程学院81电容分相式异步电动机的反转的实现东南大学机械工程学院822、罩极式单相异步电动机

用短路铜环罩住磁极的一部分，使通过铜环的磁通在相位上比主磁通滞后一定的相位角。使转子上产生一个启动转矩。东南大学机械工程学院832、罩极式单相异步电动机东南大学机械工程学院84§5.8同步电动机的工作原理、特点及应用同步电机既可以作发电机运行，亦可以作电动机运行。同步电动机也是一种三相交流电机，它除了用于电力传动外，还用于补偿电网功率因素。发电厂中的交流发电机，全部采用同步电机。东南大学机械工程学院85§5.8.1、同步电动机的基本结构定子：铁心、定子绕组（电枢绕组）机座等；转子:主磁极、直流励磁绕组、启动绕组，电刷等。注：同步电动机同时可作为同步发电机东南大学机械工程学院86§5.8.2、同步电动机的工作原理和运行特性东南大学机械工程学院87

如果If变化，则Фf就要变化,如要保持Ф

不变（磁饱和），则Ф0就要变化，I也变化。又因为T、n不变，输出功率P2也不变，输入功率也是不变的，而U不变，就要变化。

可通过改变If，调节的大小，当时，U和I同相，此时励磁的电流称为正常励磁电流（全部磁电势都由直流产生）。不变输入：不变输出：不变、＋＝总磁通：产生磁通定子电流产生磁通由励磁电流jcos39550/PnI,120f0fUIPTnTIf==FF