电工电子技术（第5版）课件 电子 徐淑华 15- 机电转换15.1

第15章机电转换15.1.1三相异步电动机的基本结构与工作原理15.1.2三相异步电动机的电磁转矩与机械特性15.1.3三相异步电动机的额定数据15.1.4三相异步电动机的使用15.1.5单相异步电动机115.1异步电动机学习目标了解三相异步电动机的基本结构和工作原理；理解三相异步电动机的转矩特性和机械特性；理解三相异步电动机铭牌数据的意义；掌握三相异步电动机启动和反转的方法，了解调速和制动的方法；了解单相异步电动机的转动原理。2交流电动机电动机直流电动机鼠笼式绕线式异步机同步机他励、异励、串励、复励本章重点学习鼠笼式异步交流电动机：基本结构、工作原理、机械特性、控制方法电动机的分类315.1.1三相异步电动机的基本结构和工作原理1.三相异步鼠笼式电动机的基本结构2.三相异步电动机的旋转磁场3.三相异步电动机的转动原理41.三相异步鼠笼式电动机的基本结构定子铁心定子绕组转轴转子风扇罩壳轴承机座接线盒端盖轴承盖5V2V1W2U2U1W12）三相对称的定子绕组：用于产生旋转磁场（1）

定子：铁心、线圈（绕组）U1U2V1V2W1W2可以连成星型或三角型与三相电源相连1）铁心：硅钢片叠成机座定子定子绕组（三相）6定子绕组的连接：三相绕组有六个出线端，首端为：A(U1)、B(V1)、C(W1)

末端为：X(U2)、Y(V2)、Z(W2)可根据需要连成Y形或形。AXBYCZZXYABCAXBYCZZXYABCY形

形7在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。线绕式：接成星型的三相绕组鼠笼式：绕组短路鼠笼转子V2V1W2U2U1W1转子（2）转子：铁心、绕组、转轴转轴1）铁心：硅钢片叠成2）绕组：82.三相异步电动机的旋转磁场（1）旋转磁场的产生BiAXBYCZAiCiiAImiBiCCZAXYBNSt=0°960

CZAXYBNSn0t=60

t=120

NSn0ZCAXBYt=180

NSn0ZCAXBY同理可得其他时刻旋转磁场的方向。iAImiBiC1011结论：旋转磁场的转向旋转磁场的方向取决于三相电流的相序。（当电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的方向沿绕组的首端A-B-C的方向，与电流相序一致。）任意调换电源线中的两相，旋转磁场与原方向相反。1213（2）

旋转磁场的磁极对数(P)当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端相差120

产生的旋转磁场具有一对极，即P=1。CZAXYBNSBiAXBYCZAiCi14C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'当每相绕组只有两个线圈，绕组的始端相差60

产生的旋转磁场具有两对磁极，即P=2。iAiBiC电流变化60

，旋转磁场顺时针转过30

。1516电流变化一周，旋转磁场在空间上顺时针转过180

17如果要产生三对极，即P=3的旋转磁场，如何实现？

每相绕组有三个线圈串联，每相绕组的首端在空间上相差40

（120

/P）的空间角。（3）

旋转磁场的转速P=1电流在时间上变化一周磁场在空间上变化一周f：电流的频率旋转磁场的转速：n0=60f（r/min）P=2电流在时间上变化一周磁场在空间上变化半周旋转磁场的转速：n0=60f/2（r/min）18旋转磁场的转速通常称为：电动机的同步转速min)/r(Pf60n0=P—旋转磁场的极对数对电动机来讲，f和P通常是一定的，此时n0为常数f—电源电流的频率极对数每电流周期，磁场转过角度同步转速(f=50Hz)P=1360

3000r/minP=2180

1500r/minP=3120

1000r/min19旋转磁场小结：1、在定子绕组中通入三相电流，产生一个旋转磁场。2、旋转磁场的转向与三相电流的相序一致。3、旋转磁场的极数与绕组的安排有关。4、旋转磁场的转速n0203.三相异步电动机的转动原理SN0nFn三相定子绕组接入三相电源，产生旋转磁场；旋转磁场切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势，短路的转子导体产生感应电流；载流导体（转子导体）在磁场中受力，转子旋转。（1）电动机转动原理21（2）电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转矩转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流如果旋转磁场转速:n022

转差率的概念：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。电动机起动瞬间:1

,0==sn（转差率最大）电动机额定负载运行时:

s=0.01~0.0923一三相异步电动机的额定转速n=1470r/min。求：P=？sN=？解：从额定转速可知：P=2，n0=1500r/min例12415.1.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性1.三相异步电动机的电路分析2.三相异步电动机的电磁转矩3.三相异步电动机的机械特性251.三相异步电动机的电路分析每相定、转子电路i2R1R2i1u1e1e

1e2e

2

：主磁通产生的感应电动势；e1e2、

：漏磁通产生的感应电动势。e

1e

2、u1：电源电压；i1：定子电流；R1：定子电阻；R2：转子电阻；26电动机与变压器对比1）相似电动机的定子变压器的原边电动机的转子变压器的副边i2i1u1e1e

1e2e

2磁通通过定子和转子铁心闭合2）区别变压器是静止的，

电动机的转子转动。变压器主磁路（铁心）不包含空气隙，

电动机的磁路有空气隙（定、转子之间的空隙）。27电动机的电磁关系u1

i1

e1e2

i2

1

e1

2

e21.定子电路定子每相电路的电压方程：u1=R1i1-e

1-e1忽略R1和e

1U1

E1=4.44K1f1N1

mi2i1u1e1e

1e2e

228

f1——外加电源的频率

N1——每相定子绕组的匝数

m——通过每相绕组磁通的最大值，在数值上

等于旋转磁场的每极磁通。

K1

——考虑电动机定子绕组按一定规律沿定子

铁心内圆周分布而引起的绕组系数。K1<1，但接近于1，可以忽略。U1

E1=4.44

f1N1

mU1

E1=4.44K1f1N1

m29（1）

转子电路转子每相电路的电压方程：如果用相量表示，则为上式中转子电路的各个物理量对电动机的性能都有影响。R2——转子每相绕组的电阻X2——转子每相绕组的感抗（漏磁感抗）i2i1u1e1e

1e2e

2301）转子频率f2旋转磁场与转子间的相对转速为（n0-n）n=0时：s=1，f2=f1=max2）转子电动势E2

E2=4.44K2f2N2

m=4.44K2

sf1N2

mK2——转子绕组的绕组系数。n=0时：s=1E20=4.44K2f1N2

m=max

E2=sE20313）转子感抗X2X2=2

f2L

2=2

sf1L

2n=0时：s=1X20=2

f1L

2

=max

X2=sX204）转子电流I2R2—转子每相绕组的电阻32s05）转子电路的功率因数cos

2由上述可知，转子电路的各个物理量（f2、E2、X2、I2、cos

2）均与转差率s有关，即与转子转速n有关。1n0n0cos

2I2I2和cos

2与s的关系:n

s

I2

、cos

2

n

s

I2

、cos

2

3322cosφIΦKTmT=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。代入参数：

KT——与电动机结构有关的常数。cos

2——转子电路功率因数。2.三相异步电动机的电磁转矩34得转矩表达式：U1——定子绕组的相电压

T

U12

电源电压变化时，对转矩的影响很大；

转矩T还受转子电阻的影响；

当R2

、X20为常数，电源电压U1和f1一定时，电磁转矩T只随转差率s（转子转速n）变化。353.三相异步电动机的机械特性n0TnNTnN（1）

电动机等速运行的条件T=TC电磁转矩=阻力转矩阻力转矩：主要是电动机轴上的机械负载转矩T2

和电动机的空载损耗转矩（主要是机

械损耗转矩）T0TC=T2+T0

T2忽略T0

，电动机等速运行的条件：T=T236T=T2

匀速运行减速运行加速运行T<T2

T>T2

电动机的运行状态：（2）

三个重要转矩1）额定转矩TNn0TnP2——输出的机械功率(kW)N·m电动机在带额定负载时的转矩372）最大转矩Tmax电动机能够产生的最大转矩。dTds=0由R2X20sm=sm—最大转矩时的转差率

Tmax

U12

，而与转子电阻R2无关。

sm

R2,R2

sm

nm

38TnU1U1'U1'<U1T2U1'<U1

Tmax'<Tmax在负载转矩T2的作用下，电动机稳定运行时的转速：n'<nn'n结论：在同一负载转矩的作用下，U1越小，n越小。T2TnR2R2'R2'>R2Tmaxn'nR2'>R2

n'<n结论：在同一负载转矩T2的作用下，R2越大，n越小。39过载系数在短时间内，电动机的负载转矩可以超过额定转矩运行，这种短时允许过载能力用过载系数表示。通常为1.8~2.2NTTmax=λ

m思考：降低电压U1，使Tmax减小，如果Tmax<T2，出现什么现象？Tn当Tmax<T2

T<T2

电机减速

转速n迅速下降至0

电机停转

转子导条以n0速度切割磁力线

电流迅速升高

电机过热、烧毁闷车（堵转）TmaxT2403）起动转矩Tst电动机在起动瞬间的转矩Tstn=0n0Tn启动系数通常为0.8~2NTTSt=λS41

，U1

Tst

stT

U12起动转矩与负载转矩无关！LstTT>Tst体现了电动机带载起动的能力。若

电机能起动，否则将起动不了。

R2

Tst

stT

R2Tst越大，起动过程越快，时间越短。一台三相异步电动机，空载启动和满载启动时启动转矩是否一样？42机械特性与电路参数的关系分析机械特性曲线的三个转矩：额定转矩TN

：在额定负载下的电磁转矩最大转矩Tmax

：起动转矩Tst

：

U1

Tst

、R2

Tst

TN

U12U1

Tmax

、R2

sm

Tmax不变43（3）

电动机运行的两个区域1）不稳定运行区（bc段）TnbcT2eT2"

启动时Tst>T2

电机加速

转速沿机械特性曲线上升

上升到e点

T=T2

电机进入稳定区运行。

若负载变化使T2增加

T2">T2

T不能突变

T<T2"

电机减速

转速沿机械特性曲线下降

很快达到n=0

发生闷车44Tnab2）稳定运行区（ab段）T2n假设：电动机稳定运行在e点。T=T2

若负载变化使T2减小

T2'<T2T不能突变

T>T2'

电机加速T2'n'ee'

转速沿机械特性曲线上升

上升到e'点

T=T2'

电机达到新的稳定状态，转速为n'—

n'<n

若负载变化使T2增加

T2">T2T不能突变

T<T2"

电机减速

转速沿机械特性曲线下降

下降到e"点

T=T2"

电机达到新的稳定状态，转速为n"—

n">ne"n"T2"45TnbcT2ee'T2'T2"电动机的稳定运行区比较平坦，转速变化不大。电动机只能在稳定区运行，不能稳定运行在不稳定区。n0=1500r/min的电动机能否稳定运行在750r/min?不能！电机在750r/min进入不稳定区。461.型号：Y132M—4三相异步

电动机机座中心高（mm）机座长度代号：

S—短机座

M—中机座

L—长机座磁极数（个数）2.额定电压：额定运行时，定子绕组上应加的线电压。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。3.额定电流：额定运行时，定子绕组的线电流。15.1.3三相异步电动机的额定数据474.功率和效率：额定功率：电动机在额定运行状态下，其转子轴上输出的机械功率。额定运行状态：定子加额定电压，转子带额定负载。效率：输入功率

P1N：485.功率因数电机的功率因数指定子的功率因数。电机的功率因数是变量，不同的工作状态cos

不同。6.转速电源电压=UN，频率=fN

，电机的输出功率=P2N时，电动机每分钟的转数。7.接法定子三相绕组的接法。例：铭牌数据：380/220V、Y/

指：UL=380V时，采用Y形连接

UL=220V时，采用

形连接49U1

V1W1U2V2W2U1

V1W1U2V2W2连接方式：Y/

接法U1V1W1U2V2W2接线盒U1U2V1V2W1W2U1

V1W1U2V2W2Y形

形508.绝缘等级：根据电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度（电机中绝缘结构中最热点的最高容许温度）来划分等级的。9.工作方式：对电动机在铭牌规定的条件下持续运行时间的限制，以保证电动机的温升不超过允许值。连续工作短时工作断续周期性工作5115.1.4三相异步电动机的使用1.三相异步电动机的启动2.三相异步电动机的调速3.三相异步电动机的制动521.三相异步电动机的启动（1）

启动状态启动时n=0

，转子导条切割磁力线速度很大。大电流使电网电压降低影响其他负载工作频繁启动时造成热量积累电机过热影响启动电流大。Ist

=5~7IN

原因启动转矩不大。Tst

=0.8~2TN

（Tst过小，不能满载启动）53（2）

启动方法适用：二三十千瓦以下的异步电动机。2）降压启动。Y－

启动自耦降压启动1）直接启动特点：简单，启动电流大不采取启动措施，直接接在三相电源上。54Y－

启动运行时，

接AZBYXC

启动时，Y接；ABCXYZ设：电机每相阻抗为55适用：特点：2UTst

因为Y接时：UPUL3=

接时：UPUL=31=

ststYTT设备简单，启动电流下降大，启动转矩下降。正常工作时定子绕组三角形连接的电动机；可以空载或轻载启动的电动机。自耦降压启动启动时利用自耦变压器降低定子电压，工作时将自耦变压器切除。适用于正常工作时定子绕组星型连接的电动机。56调速：负载不变时，人为的改变电动机的转速。改变P、f1、s

都可以改变电动机的转速。鼠笼式异步电动机：改变P、f1

调速。2.三相异步电动机的调速57（1）变频调速改变异步电动机供电电源的频率。方法：交流电直流电整流器逆变器f、U连续可调的交流电无级调速：转速n可以连续平滑的调节。变频调速是无级调速。变频电源

可变58（2）变极调速通过改变绕组的接法，改变极对数P调速。变极调速是有级调速

P的变化不连续，电动机的转速不能连续、平滑的调节。这种电动机也称：多速电动机。59

反接制动：停车时，将电动机接电源的意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；制动：断开电动机的电源时，克服转子的惯性作用，迅速而

准确的停止转动。

能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产生制动转矩；

发电反馈制动：令电机转子的转速超过旋转磁场的同步转速，便会产生制动转矩。3.三相异步电动机的制动60n

FnoM3~+-运行制动n

F转子能耗制动发电反馈制动61有一Y225M-4型异步电动机，铭牌数据如下表所示：功率转速电压效率功率因数Ist/INTst/TNTmax/TN接法45kW1480r/min380V92.3%0.887.01.92.2

解：1）而求：1）额定电流；

2）额定转差率；

3）额定转矩、最大转矩、启动转矩；

4）若负载转矩为510.2N.m，试问在U=UN和U=0.9UN时电动机能否启动？

5）采用Y-

换接启动时，求启动电流和启动转矩。

又当负载为额定转矩的80%和50%时，电动机能否启动？例262功率转速电压效率功率因数Ist/INTst/TNTmax/TN接法45kW1480r/min380V92.3%0.887.01.92.2

2）额定转差率：3）额定转矩、最大转矩、启动转矩：63求：4）若负载转矩为510.2N.m，试问在U=UN和U=0.9UN时

电动机能否启动？解：4）当U=UN

时：电机能够启动。当U=0.9UN时：Tst

U12

电机不能启动。64求：5）采用Y-

换接启动时，求启动电流和启动转矩。

又当负载为额定转矩的80%和50%时，电动机能否启动？解：5）在80%的额定转矩时：

电机不能启动。在50%的额定转矩时：

电机能够启动。65思考与练习：1、三相异步电动机带额定负载运行时，如果电源电压降低，电动机转矩、电流及转速有无变化？如何变化？有何问题？TnU1T2U'1U'1<U1解：T2不变U1减小

T不变n减小

I1增大长时间运行会导致电机过热。662、异步电动机稳定运行时，当负载转矩增加，为什么定子电流和输入功率会自动增加？T2

T<T2

n

I2

I1

P1

3、电动机的转子因故障已取出修理，若定子绕组上

加额定电压，将会发生什么情况？取出转子，空气隙增大

磁路的磁阻Rm增大由：

不变、Rm

I

电机过热，而容易损坏。TnT2T'26715.1.5单相异步电动机1.单相异步电动机的工作原理结构特征：定子绕组单相（其中通单相交流电）；转子大多为鼠笼式。定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。磁场特征：工作特征：启动转矩为0