《电工电子技术基础（第五版）》 课件 第5章 电动机技术与应用

电动机是一个大家族，国家电网有70%的电能被各种电动机所利用，在工业用电中，有80%的电能被电动机所利用。电动机的广泛应用为社会带来了巨大的经济效益，同时也提供大量的就业岗位。电动机是根据法拉第电磁感应定律和电磁力原理工作的传动电气设备。为提高电动机的效率和减少漏磁通，电动机也是采用铁心线圈结构，用高磁导率的铁磁材料作磁路。电动机是动力设备，根据使用电压和用途不同，分为直流电动机、交流电动机、专用电动机和特种电动机等。近年来，我国的电动机制造技术有了长足发展，旧机型被淘汰，新机型采用新材料、新工艺制造，工作中节能环保，除满足国内需要外，还出口到世界各地。本章学习的主要要求如下：（1）了解三相异步电动机的结构及工作原理；（2）掌握三相异步电动机的机械特性及额定参数；（3）掌握三相变频电动机和永磁同步电动机工作原理与用途；（4）掌握电动机的正确选用。三相异步电动机用量极大，没有特殊需要时均选用该电动机。该电动机是工作在三相交流电网上的电动机，主要由定子和转子两大部分组成，转子分为笼型转子和绕线转子两种。三相异步电动机结构及实物图如图5-1所示。5.1.1定子定子是用来产生旋转磁场的。定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm厚的硅钢片叠制而成。硅钢片之间相互绝缘，可以减少由交变磁通引起的涡流损耗。定子硅钢片内圆上冲有均匀分布的槽口，用来安装定子绕组，如图5-2(b)所示。定子铁心固定在机座内，如图5-2(a)所示。5.1.2转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是用0.35mm厚的硅钢片叠制而成，是电动机的磁路部分。转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽口。用来安装转子绕组。转子绕组的作用是产生感应电流，形成电磁转矩，使电动机转动起来。转子绕组分为笼型（铸铝）和绕线两大类。1.笼型转子笼型转子的导体和端环是用熔化的铝液在模具中压铸而成的，如图5-3（a）所示。转子两端的风叶为电动机冷却用。2.绕线转子绕线转子结构示意图如图5-4(a)所示。转子绕组的结构形式与定子绕组相同，并作星形联结。图5-4(b)所示为三相绕线转子电动机转子绕组与外加变阻器的连接示意图，3个首端分别接到转轴3个互相绝缘的滑环上，通过电刷与外加变阻器连接，改变变阻器的电阻值可以调节电动机的机械特性，电阻阻值越大，机械特性越软，转子的转速越低。通过改变电阻的阻值，可以使起动转矩最大，适用于大起动转矩的设备，如起重设备、卷扬机械、鼓风机和压缩机等。5.2.1旋转磁场和同步转速

1.旋转磁场三相异步电动机的三相绕组分布如图5-5（a）所示，它是由在空间彼此相隔120°空间角的三组相同的线圈（即三相对称绕组）组成，每组线圈为一相绕组。其各相绕组的首端分别用U1、V1、W1表示，末端分别用U2、V2、W2表示。定子绕组可以连接成星形（Y）联结，也可以连接成三角形（D）联结，图5-5（b）所示为（Y）联结。

当把异步电动机三相定子绕组按规定接法与三相电源接通后，定子绕组中便有三相对称电流通过，在三相电流的作用下，定子绕组会产生一个旋转磁场。图5-6(a）是三相定子电流波形图，当分别通入三相电流iU、iV、iW

时，在定子上便产生旋转磁场。见图5-6（b）。当交流电运行一个周期，旋转磁场转过360°。2.旋转磁场的转速

当旋转磁场只有1对NS磁极，三相交流电变化一个周期，旋转磁场在空间转一周。当交流电的频率f为50Hz时，旋转磁场在1s内转50r，即每分钟的转速为当旋转磁场有两对磁极，转速为式中，n1为旋转磁场的转速，单位为r/min；p为磁极对数，p=1，2，3·····。当p=1，n1=3000r/min；p=2，n1=1500r/min；p=3，n1=1000r/min；磁极对数不同，电动机的转速不同。常用电动机的磁极对数是1或2。5.2.2三相异步电动机的转动原理

1.转子转动原理

当三相异步电动机的定子绕组接通三相电源后，绕组中的三相交变电流在定子表面产生旋转磁场。设旋转磁场按顺时针方向旋转，则静止的转子与旋转磁场之间就有了相对运动，根据法拉第电磁感应定律，转子导体因切割磁感线而产生感应电流，因载流导体处在旋转磁场中，受电磁力的作用而对转轴产生电磁转矩，用左手定则判断转矩方向与旋转磁场方向一致，因此，转子在电磁转矩的作用下，就顺着旋转磁场的旋转方向转动起来，如图5-7所示。

电动机工作时，转子的转速n总是小于旋转磁场的转速n1（即同步转速）。

因为电磁力是由切割磁力线产生的，转子与旋转磁场之间总要存在转速差。即转子的转速总是小于旋转磁场的转速（n<n1

），异步电动机也正是因此而得名。又因为这种电动机的转动是基于电磁感应原理，转子上的电流是通过电磁感应得到的，所以也称为感应电动机。如使旋转磁场反转，则转子的旋转方向也随之改变。2.转差率的概念由异步电动机的转动原理可知，三相异步电动机以转速n运转时，旋转磁场与转子之间的相对转速为此相对转速与同步转速之比，称为异步电动机的转差率，用s表示，即或，解：3.定子电压、定子电流与转子电流的关系异步电动机和变压器的工作原理有很多相似之处，如两者都是依靠磁通传递能量。异步电动机定子绕组的感应电动势E1也近似与外加电压U1相平衡，有式中，Ki为异步电动机的电流变化系数，它与定子绕组和转子绕组的匝数及电动机结构有关，当电动机定型后，I1∝I2。即电动机的转子电流增加，定子电流成比例增加。转子电流又和输出转矩成正比，即定子电流亦和输出转矩成正比。式中，k1为定子绕组系数，与电动机的定子结构有关：Φ为旋转磁场的每极平均磁通，当电动机的定子电压和频率一定时，Φ为常量。定子电流I1和转子电流I2的比值近似为常量，即异步电动机转子转动的快慢，与转子切割磁感线的速度有关，也就是说与转差率有关，电动机的输出转矩也与、有关。电动机的转速和转矩是电动机工作的重要参数，下面从电动机转子进行分析5.3.1转子各量之间的关系电动机应用中有起动、恒速运行、调速、降速停机等过程，每个过程中电动机的工作情况是不同的，这就要求掌握转子各个物理量对工作的影响，以便合理应用电动机。

1.转子绕组的感应电动势E2与变压器的分析类似，当转子切割磁感线产生感应电动势时，其有效值的表达式为

E2=4.44f2N2Φk2

（5-5）由式(5-6)可知，转子电流频率f2和转差率s有关，也就是与电动机的转速n有关。当电动机起动时，n=0，s=1；当电动机工作在额定状态时，s=0.02~0.06，当f1=50Hz时，转子电流频率f2为1~3Hz。将式（5-6）代入式（5-5），有最大值。由此可知，转子电流随着转差率的增大而增大，其变化规律如图5-8所示。因感应电流和感应电动势存在相位差φ2，其功率因数为由此可知，转子的功率因数cosφ2随s的增大而减小，当转子停止时，s=1，功率因数最低，其变化规律如图5-8所示。由图中可见，起动时（s=1），虽然I2电流很大，但功率因数很低，起动转矩并不大。（5-10）③改变电阻R2(绕线转子电动机)，可改变sm值。sm改变，Tm出现的位置改变。这正是绕线转子电动机所要达到的目的，以此来进行调速、得到最大起动转矩等，如图5-10所示。5.3.3

三相异步电动机的功率计算

1.

额定转矩

电动机在额定电压下拖动额定负载（即电动机输出额定机械功率）工作的状态，称为电动机的额定运行，此时的转矩称为额定转矩。电动机的额定功率PN、额定转速nＮ、额定转矩TＮ之间的关系为解：2.

电动机其他额定值

①额定电压UN，指电动机定子绕组按铭牌上规定的接法连接时应加的线电压值。现在生产的Ｙ系列三相异步电动机，额定功率在4kW以上的均为三角形联结，其绕组额定电压为380V。②额定电流IＮ，指电动机在额定运行状态下定子电路取用的线电流。③额定功率PＮ，指电动机在额定运行状态下轴上所能输出的机械功率。上述三个额定值之间的关系为式中，ηN为电动机的额定效率。④额定转速nN，指电动机在额定运行状态下的转子转速。⑤额定频率fN，指电动机在额定运行状态下应接入交流电源的频率。我国交流电网的频率为50Hz。3.电动机铭牌电动机出厂时，生产厂家要把该电动机的型号、性能、技术参数和使用条件等在电动机的铭牌中加以说明，以供用户作为选用的依据。因此，使用者先要看懂铭牌，了解电动机的技术参数后，才能有针对性地选用。电动机铭牌如图5-12所示。铭牌数据的含义如下：②绝缘等级：

指电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级。电动机允许的最高工作温度与所用绝缘材料的等级有关，绝缘等级与最高允许温度之间的关系见表5-1。

5.4.1三相异步电动机的起动电动机接通电源后，转速从零上升到稳定转速的过程称为起动。电动机在起动瞬间的电流很大，其值为额定电流的4~7倍。过大的起动电流会使电网电压产生波动，影响同一线路上的其他用电设备的正常工作。电动机频繁起动，还会造成其过热而损坏。因此，对于功率较大的电动机(10kW以上),在起动时需要采取措施把起动电流限制在一定的数值范围内。三相异步电动机常用的起动方法有直接起动、降压起动、绕线转子异步电动机起动等。降压起动是电动机在起动时，利用起动设备使加在定子绕组上的电压降低，以达到限制起动电流的目的。降压起动有定子电路串联电阻降压起动、Y→D（星-三角）降压起动、自耦变压器降压起动、软起动器降压起动等。变频器出现之后，电动机起动、制动及调速工作都在变频器正常工作范围之内，传统的起动、制动方法不再适用。1.Y→D降压起动对正常运行时规定作三角形联结的三相异步电动机，可采用一个双向开关，起动前先将电动机接成星形联结，使加在定子绕组上的相电压降低到额定电压的1//3，以减小起动电流；待电动机的转速升高到接近额定转速时，再通过开关将电路改接成三角形联结，使电动机在额定电压下运行。这种起动方法的优点是：起动电流大大减小，仅为直接起动电流的1/3；起动设备简单、成本低；起动过程中无额外的电力消耗。因为Y→D降压起动时起动转矩较小，多用于空载起动或风机、泵类负载的起动。Y→D降压起动控制电路如图5-13所示。2.软起动器降压起动软起动器是近年来出现的一项新技术。通过晶闸管交流斩波，控制加在电动机上的电压高低，达到降压起动目的。软起动器是嵌入式智能控制电器，内置计算机控制系统，可以控制电动机的起动电压和起动电流，使电动机平稳起动，可对电动机进行软起动和软停机，可进行联网和远程控制，是起动装置换代产品，现在已经得到广泛应用。软起动器的连接图和外形图如图5-14(a)和(b)所示。5.4.2三相异步电动机的制动当电动机被切断电源后，由于转子的转动惯量比较大，转子仍要继续转动一段时间才能停下来。但许多生产机械要求电动机在切断电源后应能及时地停止，因而需要对电动机进行制动。制动的方法有多种，这里仅介绍两种电气制动的方法。

1.反接制动当要求电动机从运行状态迅速停止时，先将定子绕组的接线端由正转连接改为反转连接(即调换三相电源中任意两相之间的位置)。此时电动机的旋转磁场将由原来的正转变为反转，转子也将随之由正转向反转过渡。当转子的转速下降到接近零时，立即切断电源，电动机便能迅速停止。三相异步电动机反接制动控制电路如图5-15所示。这种制动方法形成的制动转矩大，因而制动速度快。但电动机的转速接近零时，应立即切断电源，以免电动机反向起动

2.能耗制动三相异步电动机能耗制动控制电路如图5-16(a)所示。制动时，在切断电动机的交流电源的同时，将一直流电源引入任意两相定子绕组中，直流电流在定子绕组中产生一个固定不动的磁场。当转子因惯性继续旋转时，转子导体切割磁场产生感应电动势和电流，使转子电路成为载流导体，并在磁场的作用下产生一个与转子原来的旋转方向相反的制动转矩，使转子迅速停止。这种制动方法利用电动机转子储存的动能转换成电能，消耗在转子导体电阻上，故称能耗制动。其优点是制动转矩大，制动过程平稳；缺点是需要直流电源，低速时制动效果差，频繁应用转子会发热。5.4.3电动机起动与停机应用案例

1.采用一台55kW三相笼型异步电动机，驱动水泵工作，控制没有太高要求，停机不用控制，选择控制方案。

分析：55kW电动机功率较大（超过直接起动10kW），需采用降压起动。降压起动中较简单、造价较低的就是Y→D降压起动。软起动器造价高一些，是可控起动，起动性能最优。根据该例的要求，可以选择Y→D降压起动，停机时断电自由停机。

2.有一卷绕机，将加工成形的金属丝卷成直径1m、长1.5m的线轴，线轴的转动速度较高。采用30kW电动机驱动，要求停机有制动，选择控制方案。

分析：该例采用30kW电动机，需要降压起动；又有停机制动要求，可选用软起动器进行起动、停机控制。

软起动器的起动电流可以设置，30kW电动机额定电流约为60A，起动电流可设置为60A；停机时可设置为“力矩斜坡停机”，即能耗制动停机，通过设置制动电流的大小，可以准确控制停机时间。软起动器功率的选择比电动机高出一个功率挡位，即选择45kW。5.5.1变频器专用电动机变频器是电动机调速设备，三相异步电动机是调速控制的原型机。三相异步电动机是专为在三相电网（工作频率为50Hz）上工作而设计的，其冷却风扇和转子同轴，绝缘等级为B级。变频器是调速工作，转速较低时，电动机发热，B级绝缘不能满足变频电动机的绝缘要求。变频器专用电动机具有如下特点：

（1）采用独立的冷却风机在转子的后轴上安装独立的轴流风机，转速和电动机没有关系，保证电动机的恒风速冷却。

（2）采用F级绝缘选用优质绝缘材料，如高强度聚酯亚胺漆包线作为匝间绝缘；定子绕组采用无溶剂压力浸渍漆工艺进行处理，增强其绝缘性、机械强度及热稳定性。（3）调速范围广、寿命长变频电动机转速范围可扩展至5~100Hz，在整个频率段工作稳定，无谐振现象。变频电动机采用了一系列的针对措施，消除了温度、绝缘、电磁波造成的影响，电动机能长期稳定工作。图5-17为变频电动机外形图。该电动机是专门配备变频器应用，不适合在电网上应用。5.5.2永磁转子同步电动机交流永磁转子同步电动机是随着变频器、伺服器的广泛应用而开发出的新型专用电动机。因其转子和旋转磁场同步，适合在伺服器上应用，故又称伺服电动机。1.永磁转子同步电动机结构图5-18（a）是永磁转子同步电动机剖面图，图中，定子结构和三相笼型电动机定子相同，也是由互差120°空间角的三相绕组组成，图5-18（b）是定子绕组。2.永磁转子永磁转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成，如图5-19所示。其中，永磁体主要采用钕铁硼永磁材料。转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢或由硅钢片冲制后叠压而成。图中采用了4个永磁体镶嵌在铁心中，形成4磁极转子。转子的磁极对数和定子的磁极对数必须相同，工作中转子才能被定子旋转磁场“吸住”同步转动。2.永磁转子同步电动机转矩特性

（1）工作原理永磁转子同步电动机通上三相交流电，旋转磁场磁极与转子磁极相对应，转子被旋转磁场“吸住”同步转动。同步电动机的转速表达式为式中，f1为电源频