《电工技术》-第7章交直流电动机

7.1三相异步电动机的结构和工作原理

下一页返回7.1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机定子和转子两大部分组成，两部分中间存在气隙，如图7-1所示。1.定子电动机的静止部分称为定子，如图7-2所示。定子由定子铁芯、定子绕组、机座等主要部件组成。定子铁芯是电动机磁路的一部分。铁芯一般用表面涂有绝缘漆的硅钢片冲叠而成，以减小铁芯中的损耗；铁芯内圆周均匀开槽，用于嵌放定子绕组。定子绕组是定子的电路部分，其作用在于接入三相交流电源，产生旋转磁场。7.1三相异步电动机的结构和工作原理2.转子电动机的旋转部分称为转子。转子由转子铁芯、转子绕组、转轴等主要部件组成。转子铁芯也是电动机磁路的一部分。转子铁芯为圆柱形，固定在转轴或转子支架上；铁芯也用表面涂有绝缘漆的硅钢片冲叠而成，外圆周均匀开槽，用于嵌放转子绕组。转子绕组是转子的电路部分，主要作用是产生感应电势、流过感应电流、形成电磁转矩。转子绕组有两种结构：笼型转子和绕线型转子；对应于两种异步电动机类型：笼型异步电动机和绕线式异步电动机。上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理7.1.2三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的机座上都有一块铭牌，其上标明一些主要技术数据，如型号、额定值等，如图7-6所示。主要数据说明如下。1.型号电动机的型号一般由产品代号、规格代号等组成。2.额定值额定值规定了电动机正常运行状态和条件，是选择和使用电动机的依据。上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理7.1.3三相异步电动机的工作原理1.旋转磁场的产生（1）两极电动机的旋转磁场的产生。在定子三相对称绕组的首端接入三相对称交流电源，绕组中流过的三相正弦交流电流分别为：对应的电流波形为如图7-7所示。上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理

我们以定子绕组星形连接为例来说明两极电动机的旋转磁场。两极电动机定子绕组星形连接如图7-8所示。假设电流为正时的流向是从绕组首端流进，末端流出；而电流为负时的流向是从绕组末端流进，首端流出；用“⊕”表示流进，“⊙”表示流出。则在不同的时刻三相对称电流所产生磁场如图7-9所示。（2）四极电动机的旋转磁场的产生。四极电动机定子三相对称绕组星形连接如图7-10所示，对应的绕组空间分布及三相对称电流所产生的合成磁场如图7-11所示。上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理2.旋转磁场的特点对于p对磁极的电动机，根据上述分析可得旋转磁场的一般特点如下。三相对称绕组通入三相对称电流后，产生的合成磁场为旋转磁场，磁极数由定子绕组的结构和接法决定；旋转磁场的转速称为同步转速，用n0表示，大小为上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理7.1.4三相异步电动机工作原理如图7-12所示，当三相定子绕组接入对称电源后，在气隙中产生按顺时针方向旋转的磁场。1.转子电流的产生由于旋转磁场与转子存在相对运动，转子绕组被磁场切割，根据电磁感应定律，绕组内会产生感应电势，其方向由右手定则确定；在转子绕组闭合的情况下，绕组内便有电流流过，并且电流方向与感应电势方向一致。2.转子电磁转矩的产生流过电流的转子导体在磁场中将受到电磁力的作用，电磁力的方向由左手定则确定。图7-12所示转子导体所受电磁力的方向为顺时针方向。上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理7.1.5三相异步电动机的电磁转矩1.定子绕组感应电动势异步电动机的定子相当于变压器的一次侧，差别在于绕组的分布情况，变压器的一次绕组集中绕在铁芯上，是集中绕组；而定子绕组是分别嵌放于各定子铁芯槽内，为分布绕组。根据变压器一次侧感应电势的计算公式，考虑到绕组的分布情况，可得定子绕组感应电势的大小为与变压器类似，忽略定子绕组电阻压降和漏磁通的影响，有上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理2.转子绕组感应电动势和频率异步电动机的转子相当于变压器的二次侧。类似地，转子绕组感应电势的大小为上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理3.转子电流由于异步电动机的转子电流源自转子感应电动势，因此转子电流与转子绕组感应电动势及绕组阻抗有关。与变压器类似，转子绕组中存在绕组电阻r2和由漏磁通产生的漏电感L2，漏电感的感抗为转子电流的有效值I2为上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理转子电路的功率因数为4.电磁转矩电磁转矩T是转子所受到的电磁力对转轴的作用。和电磁力一样，电磁转矩也应该与磁场强弱及转子电流的大小有关，物理表达式为上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理7.1.6三相异步电动机的运行特性1.机械特性三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。（1）机械特性曲线上的特殊点。

图7-13所示的机械特性曲线上有几个特殊的运行点，反映了异步电动机的主要技术指标。（2）机械特性的稳定工作区和非稳定工作区。从图7-13中可以看出，异步电动机机械特性曲线包含以下两个不同的工作区。稳定工作区（曲线的AB段）,非稳定工作区（曲线的BC段）上一页下一页返回7.1三相异步电动机的结构和工作原理2.工作特性异步电动机的工作特性曲线如图7-14所示（1）转速特性n=f(P2)。（2）定子电流特性I1=f(P)。（3）电磁转矩特性T=f(P2)。（4）功率因数特性cosΦ=f(P2)。（5）效率特性η=f(P2)。上一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动7.2.1三相异步电动机的启动1.笼型异步电动机的启动方法（1）直接启动。直接启动就是利用刀开关或接触器将定子绕组直接接到电网上进行启动。因此直接启动又称为全压启动。直接启动是最简单的启动方法。但启动过程中会产生较大的启动电流，容易对电动机和电网产生不利影响，因此一般是小容量电动机，在电网容量允许的条件下使用此方法启动。下一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动（2）降压启动。当电网容量不够大时，电动机不能直接启动，此时可以采用降低电压的启动方法来降低启动电流。降低电压是指在启动时通过一定的方法降低定子绕组的电压，在转速升高到接近稳定转速时，接入全压正常运行。降压启动的方法主要有以下几种。①定子串电阻或电抗降压启动。②星-三角（Y-△）降压启动。③自耦变压器降压启动。2.绕线转子异步电动机的启动方法绕线转子异步电动机可以采用转子串电阻的启动方法，启动原理如图7-18所示。上一页下一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动7.2.2三相异步电动机的调速1.变极调速改变磁极对数p可以改变电动机的转速，这就是变极调速。由于定子磁极对数p是由定子绕组的接法来决定的，因此通过定子绕组引出线的不同连接，可以改变电动机的磁极对数，进而改变电动机的转速。因为磁极对数的改变是成倍的，相应地电动机转速也是成倍的变化。变极调速只能用于笼型异步电动机调速，其优点在于设备简单，机械特性较硬，稳定性好，对不同的生产机械的适应性较好。缺点在电动机绕组抽头较多，且只能实现电动机转速的成倍的变化，不能进行连续、平滑的调速。可以实现变极调速的电动机一般被称为多速电动机。上一页下一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动2.变频调速改变电动机电源频率，可以改变电机的同步转速，进而使电动机转速出现变化，这就是变频调速。电动机电源频率的改变是通过变频器来完成的。变频器在程序的控制下，先由整流设备将工频的三相交流电转换为直流电，再由逆变装置逆变为电压和频率均可调的三相交流电，供电给电动机使用。变频调速平滑性好，效率高，调速范围广，机械特性较硬，稳定性好，对不同的生产机械的适应性较好，是笼型异步电动机调速的发展方向。随着生产技术的不断提高，变频调速在交流调速系统中的应用也越来越广泛。上一页下一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动3.改变转差率调速改变转差率，可以改变电动机的转速。而转差率的改变可以通过降低定子电源电压、绕线转子电路串入电阻等措施来完成。

图7-19所示为笼型异步电动机不同定子电压时的机械特性曲线。从图中可以看出，保持负载不变时，降低定子电压，电动机转速有所下降；由此可知改变定子电压可以调速。但调速的范围较小，并且电压的降低会导致电磁转矩的较多下降，因此这种方法只用于特殊条件下电动机的调速。

图7-20所示为绕线转子串入不同电阻时的机械特性曲线。从图中可以看出，保持负载不变时，不同的转子电阻，对应着不同的转速；并且转子电阻越大，电动机的转速越低。由此可知，改变转子串入的电阻值的大小，可以改变电动机的转速，这就是转子串电阻调速。上一页下一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动7.2.3三相异步电动机的制动与反转1.能耗制动

图7-21所示为三相异步电动机能耗制动电路图。2.反接制动

图7-22所示为三相异步电动机反接制动电路图，3.回馈制动电动机在外力的作用下（如起动机下放重物），可能出现转子转速n超过同步转速n0的情况。此时，转子切割旋转磁场的方向发生改变，将在转子绕组中产生反向的感应电势并流过反向的电流，电流和磁场相互作用产生与旋转方向相反的制动转矩，阻碍重物的加速下放；在此过程中，电动机工作于发电状态，把负载的动能转换为电能，部分消耗在电动机内部电路上，其余通过定子绕组回送电网。回馈制动由此得名。上一页下一页返回7.2三相异步电动机的启动、

调速和制动4.三相异步电动机的反转对调电动机定子绕组所接三相电源中的任意两相接线，可以改变磁场的旋转方向，从而改变电动机的转向，使电动机实现反转。上一页返回7.3直流电动机7.3.1直流电动机的结构直流电动机由静止部分和旋转部分组成，两部分中间存在气隙。1.静止部分电动机的静止部分称为定子。定子由机座、主磁极、换向磁极、电刷装置等主要部件组成。如图7-23所示。2.旋转部分直流电动机的旋转部分称为电枢（或称为转子）。电枢由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等主要部件组成，如图7-25所示。下一页返回7.3直流电动机7.3.2直流电动机的工作原理图7-27所示为二极直流电动机的工作原理图。7.3.3直流电动机的铭牌1.型号电动机的型号一般由汉语拼音字母和数字等组成。字母表示直流电动机的类型，数字表示电动机的结构和尺寸。例如某台直流电动机，型号为Z4-132，其中：Z表示电动机为直流电动机，132代表电动机的中心高。2.额定值额定值规定了电动机正常运行状态和条件，是选择和使用电动机的依据。主要有以下几项内容。上一页下一页返回7.3直流电动机

额定电压：电动机正常运行时所加的直流电压，单位为伏（V）。额定功率：指在额定条件下运行时电动机转轴上输出的功率，单位为千瓦（kW）。额定电流：指在额定电压下、轴上输出额定功率时电动机的输入电流，单位为安（A）。额定转速：额定运行时电动机的转速，单位为转/分（r/min）。直流电动机额定功率、额定电压、额定电流三者间的关系为功率和转矩间的关系为上一页下一页返回7.3直流电动机

励磁方式：电动机正常运行时励磁电流的提供方式。励磁方式有他励、并励、串励、复励等，如图7-28所示。他励方式下的励磁绕组是单独电源供电；并励方式下的励磁绕组和电枢绕组并联；串励方式下的励磁绕组和电枢绕组串联；复励方式下励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组串联，另一部分与电枢绕组并联。7.3.4直流电动机的电压平衡方程和电磁转矩1.电枢感应电动势直流电动机电枢旋转时，会在电枢绕组中产生感应电动势，根据电磁感应定律，感应电势的方向与电枢电流方向相反，是一个反电势，大小为上一页下一页返回7.3直流电动机2.电压平衡方程直流电动机电枢电路如图7-29所示。在图示电枢电流Ia、电枢两端电压U，电枢电动势Ea的方向下，可写出电压平衡方程为3.电磁转矩直流电动机电枢所受电磁力对转轴形成了转矩，该转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向由左手定则来判定，大小为上一页下一页返回7.3直流电动机7.3.5直流电动机的机械特性机械特性指电动机的转速n与电磁转矩T的关系。下面介绍他励直流电动机的机械特性。上一页下一页返回7.3直流电动机7.3.6直流电动机的使用1.直流电动机的启动静止的直流电动机，从接通电源开始，转速升高到稳定转速的过程称为启动。直流电动机启动时，必须先通入励磁电流，保证磁场的建立，再接通电枢绕组电源进行启动。实现直流电动机的启动有以下几种方法。（1）直接启动。（2）降低电枢电压启动。2.直流电动机的调速电动机的调速是指在负载保持不变的情况下，改变电气参数来改变电动机的转速。由他励直流电动机的机械特性方程上一页下一页返回7.3直流电动机

可知，在负载转矩T不变的情况下，电动机的转速与电枢电压、电枢回路电阻、每极磁通有关。因此，调节电动机转速的方法有以下3种。（1）降低电枢电压调速：降低电枢电压，可使电动机的转速下降。连续调节电枢电压，电动机转速可实现连续调节。（2）电枢回路串电阻调速：在电枢回路中串入电阻，可使电动机的转速下降。改变串入的电阻值，转速随之改变。（3）降低主磁通调速：降低励磁电流会减小每极磁通，可使电动机的转速有所升高。上一页下一页返回7.3直流电动机3.直流电动机的制动与反转直流电动机的电气制动主要有能耗制动、反接制动和回馈制动3种方法。（1）能耗制动：制动时，切断电枢绕组直流电源，同时在电枢回路中接入制动电阻。电动机产生与旋转方向相反的制动转矩，阻碍电动机的旋转，电动机减速直至停止运转。（2）反接制动：改变电枢绕组所接的电压极性，同时在电枢回路中接入制动电阻。电