电路与电工技术（第三版） 课件 单元6-交流电动机

电路与电工技术（第三版）广东省”十四五”职业教育规划教材单元1电路模型和电路的基本定理单元2电阻电路的基本分析方法和定理单元3交流电路的分析单元4电路的暂态分析单元5磁路与铁芯线圈电路单元6交流电动机单元7低压电器与继电接触器控制系统目录单元6交流电动机

三相异步电动机的构造6.1

三相异步电动机的工作原理6.2

三相异步电动机的电路分析6.3

三相异步电动机的转矩和机械特性6.4

三相异步电动机的使用6.5内容提要：本单元主要介绍三相异步电动机的基本构造、工作原理、电路分析、机械特性及其使用特性；简要介绍单相异步电动机、同步电动机、直线异步电动机等也较为常用的电动机。重点：三相异步电动机的结构，工作原理和使用。难点：三相异步电动机的定子电路和转子电路分析。单元6交流电动机单元6交流电动机

三相异步电动机的构造6.1

三相异步电动机的工作原理6.2

三相异步电动机的电路分析6.3

三相异步电动机的转矩和机械特性6.4

三相异步电动机的使用6.5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无刷直流电动机有刷直流电动机（串励、他励等）6.1三相异步电动机的构造分类：电动机是根据电磁原理把电能转变为机械能的一种设备。电动机可以分为直流电动机和交流电动机,交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。实际三相异步电动机如图所示。6.1三相异步电动机的构造三相笼型异步电动机的结构三相异步电动机的种类很多,但各类三相异步电动机的基本结构是相同的,它们都由定子和转子这两大基本部分组成,在定子和转子之间具有一定的气隙。此外,还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。U1---U2

V1---V2W1---W2三相绕组机座：铸钢或铸铁6.1三相异步电动机的构造1.定子定子和转子铁芯的硅钢片叠加结构6.1三相异步电动机的构造1.定子定子绕组是三相电动机的电路部分,三相电动机有三相绕组,通入三相对称电流时,就会产生旋转磁场。三相绕组由3个彼此独立的绕组组成,且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相,每个绕组在空间相差120°，定子三相绕组的6个出线端都引至接线盒上,可以接成星形或三角形。1.转子6.1三相异步电动机的构造转子由转子铁芯、转子绕组、转轴和风扇等部分组成笼型绕线型笼型转子的绕组是在转子的线槽中放置一根根铜条,铜条的两端用短路环焊接起来1.转子6.1三相异步电动机的构造绕线型转子绕线型转子的铁芯和笼型转子的铁芯相同。转子绕组和定子绕组相似,是由绝缘导线绕制而成,按一定规律嵌放在转子槽中,组成三相对称绕组。通常其3个绕组的末端连在一起,接成星形。3个绕组的首端分别与固定在转轴上的3个互相绝缘的铜质滑环(集电环)相接。转子绕组通过集电环及其上面的电刷与外加的三相变阻器连接,供电动机启动及小范围内的调速使用。笼型电动机与绕线型电动机的的比较：笼型：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。绕线型：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。6.1三相异步电动机的构造单元6交流电动机

三相异步电动机的构造6.1

三相异步电动机的工作原理6.2

三相异步电动机的电路分析6.3

三相异步电动机的转矩和机械特性6.4

三相异步电动机的使用6.51.定子线圈提供旋转磁场2.转子在变化磁场下产生感生电动势3.转子有了电流后，又在旋转磁场的作用下产生力矩6.2三相异步电动机的工作原理异步电动机转子转动原理实验定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)6.2.1旋转磁场1.旋转磁场的产生对称三相定子绕组及电流波形6.2.1旋转磁场1.旋转磁场的产生i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。当ωt=0瞬间，iU=0,iV为负,iW为正，磁场方向如(a)图所示。当ωt=120°瞬间，iU为正,iV=0,iW为负，磁场顺相序方向转了120°当ωt=240°瞬间，iU为负,iV为正,iW=0，磁场顺相序方向转了240°当ωt=360°瞬间，又转回到(1)旋转方向：旋转磁场的旋转方向与通入的对称三相电流的相序一致,如果改变相序,则旋转磁场的旋转方向也就随之改变。旋转磁场是沿着：U1V1W1iUiVImOtiWiU→U1，iV→V1，iW→W12.旋转磁场的转向U1W1V1i1→U1，i2→W1，i3→V1旋转磁场是沿着：任意对调两根电源进线，磁场反转。每相绕组只有一个线圈,绕组的始端之间相差120°，即：p=13.旋转磁场的极数每相绕组为两个线圈串联,绕组的始端之间相差60°，即：p=2旋转磁场的转速n0取决于磁场的极数p(1)p=1时4.旋转磁场的转速当电流交变了一次(一个周期)时,磁场恰好在空间旋转了一转。设电流的频率为f1,即电流每秒钟交变f1次或每分钟交变60f1次,则旋转磁场的转速为n0=60f1,转速的单位为转/分(r/min)。(1)p=2时当电流交变了一次时,磁场仅旋转了半转。比p

=

1情况下的转速慢了一半,即同理,在三对极的情况下,电流交变一次,磁场在空间仅旋转了1/3转,只是p=1情况下的转速的三分之一,即由此推知,当旋转磁场具有p对极时,磁场的转速为4.旋转磁场的转速(3)p=3时(4)磁极对为p时在我国，工频f1=50Hz

切割转子导条旋转磁场（顺时针方向）感应电流与旋转磁场相互作用电磁转矩（转子转动）定子三相绕组通入三相交流电6.2.2三相异步电动机的转动原理电动机转速n和旋转磁场同步转速n0的关系:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但n<n0异步电动机转速差无转距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）无转子电流提示：如果n=n0

n<n0总是存在，实际上永远不可能同步，故叫异步电动机

6.2.2三相异步电动机的转动原理异步电动机的转速差（n0-n）与旋转磁场转速n0的比率，称为转差率，用s表示

转差率s当转子尚未转动(如启动初始瞬间)时，n

=0，s=1，这时转差率最大；当转子速度接近于磁场转速(空载运行)时，n≈1，s≈0。因此对异步电动机来说，s是在1~0范围内变化。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得6.2.2三相异步电动机的转动原理

例1一台额定转速

=1450r/min的三相异步电动机，试求电动机的极数和额定负载运行时的转差率s。电源频率f1

=50Hz。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=1450r/min,即p=2额定转差率为6.2.2三相异步电动机的转动原理单元6交流电动机

三相异步电动机的构造6.1

三相异步电动机的工作原理6.2

三相异步电动机的电路分析6.3

三相异步电动机的转矩和机械特性6.4

三相异步电动机的使用6.5

三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。定子绕组相当于变压器的原绕组；转子绕组相当于变压器的副绕组。实际上，旋转磁场是由定子电流和转子电流共同作用产生的。可仿照分析变压器的方式进行分析。6.3三相异步电动机的电路分析1.旋转磁场的磁通

异步电动机：旋转磁场切割导体感应电动势U1E1=4.44f

1N1

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6.3.1定子电路式中:Φ—通过每相绕组的磁通最大值,在数值上它等于旋转磁场每极磁通;

f1—e1的频率。旋转磁场和转子之间的相对转速为(n0–n)，所以可见，转子电流频率与转差率s有关，也就是与转速n有关。在s=1

即(n=0)时，转子电流频率最大f2=f1。对额定转速时，s为1~9%，则f2=0.5~4.5Hz。由此，进而可得转子感应电动势的有效值为E20为s=1(或n=0)时转子所产生的感应电动势的有效值6.3.2转子电路单元6交流电动机

三相异步电动机的构造6.1

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三相异步电动机的转矩和机械特性6.4

三相异步电动机的使用6.5

异步电动动机的转矩是由转子电流I2和定子旋转磁场的每极磁通Φ相互作用产生的。但因转子电路是电感性的，转子电流İ2比转子电动势Ė2滞后φ2角；又因可见，电磁转矩与转磁功率成正比，和讨论有功功率一样，也要引入转子回路的功率因数cosφ

2，于是有T=KTΦI2

cosφ

26.4三相异步电动机的转矩和机械特性6.4.1三相异步电动机的转矩将感抗X2代如上式，可得转子电流为可见，转子电流I2也与转差率s有关，如图曲线所示。转差率s增加(转速n减小)时，转子切割磁力线加剧，于是E2增加，I2也增加。0I2,cos

2s1I2cos

2由于转子漏磁通的存在，呈电感性，因此I2比E2滞后

2角。转子绕组的功率因数为也与转差率s有关(见图示曲线)。6.4.1三相异步电动机的转矩转

子

绕

组

中

的

电

流

转子电流也要产生漏磁通

2，每相绕组中的感应电动势为对转子电路应用KVL，有若用相量表示，则为X2与转子频率f2有关，即可见，转子感抗与转差率有关。其中X20是s=1(或n=0)时的转子感抗6.4.1三相异步电动机的转矩由此得电磁转矩公式由前面分析知：6.4.1三相异步电动机的转矩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。2.转子电阻R2

的大小对

T有影响。绕线型异步电动机可变R2

，以改变转矩。6.4.1三相异步电动机的转矩根据转矩公式得机械特性曲线：6.4.2三相异步电动机的机械特性转矩三相异步电动机的T-S曲线三相异步电动机的n-T曲线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(N•m)6.4.2三相异步电动机的机械特性转矩例有两台功率相同的三相异步电动机，一台PN=7.5KW，UN=380V,nN=962r/min，另一台PN=7.5kW，UN=380V，nN=1450r/min，试求它们的额定转矩。解：第一台第二台6.4.2三相异步电动机的机械特性转矩2.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6.4.2三相异步电动机的机械特性转矩当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，R2

sm

n。绕线型电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。

6.4.2三相异步电动机的机械特性转矩3.启动转矩TST电动机启动时的转矩。启动时n=0时，s=1(2)Tst与R2有关，适当使R2

Tst。对绕线式型电机改变转子附加电阻R´2,可使Tst=Tmax

。Tst体现了电动机带载启动的能力。

若

Tst

>T2电机能启动，否则不能启动。OTTst启动能力6.4.2三相异步电动机的机械特性转矩单元6交流电动机

三相异步电动机的构造6.1

三相异步电动机的工作原理6.2

三相异步电动机的电路分析6.3

三相异步电动机的转矩和机械特性6.4

三相异步电动机的使用6.5

6.5三相异步电动机的使用6.5.1技术数据和选用三相异步电动机机座的铭牌上标有该台电动机的主要技术数据。要正确选择、使用和维护电动机,必须要看懂这些铭牌数据的含义。现以Y160M-6型电动机的铭牌为例,逐项说明各个数据的意义。（1）型号产品名称新代号汉字意义旧代号笼型异步电动机Y、Y—L异J、JQ绕线型异步电动机YR异绕JR、JRO防爆型异步电动机YB异爆JB、JBS防爆安全型异步电动机YA异安JA高启动转矩异步电动机YQ异起JQ、JQO表6.2常用三相异步电动机的产品6.5.1技术数据和选用1.技术数据(2)接法定子三相绕组的联接方法。通常6.5.1技术数据和选用电动机容量<3kW,连接成星形电动机容量>4kW,连接成三角形电动机定子三相绕组在额定运行时所应采取的连接方式。例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y连接；线电压为220V时采用连接。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为电动机在满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。(3)电压6.5.1技术数据和选用(4)电流(5)功率与效率铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值，又称额定电流IN，单位是A。铭牌上所标的功率值是电动机在额定运行情况下，其轴上输出的机械功率值，即额定功率，单位是千瓦（kW），通常用P2N（或PN）表示。6.5.1技术数据和选用(6)频率频率是指加到定子绕组上的电源频率，我国工业用电的标准频率为50Hz。(7)转速额定转速表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，用nN表示。6.5.1技术数据和选用最常用的是4极(n0

=1500r/min),而转速一般略小于对应的同步转速n0,则nN

=

1440r/min。(8)绝缘等级(9)工作方式绝缘等级是指三相电动机绕组所采用的绝缘材料按使用时的最高允许温度而划分的不同等级。工作方式又称定额，是指三相电动机的在铭牌规定的技术条件下运行持续时间的限制，以保证电动机的温度不超过允许值。6.5.1技术数据和选用注意：上述最高允许温度是环境温度(40℃)和允许温升之和。二、选用(1)功率的选择如果电动机的功率选大了，虽然能保证正常运行，但不经济。如果选小了，电动机会容易由于过载而过早地损坏。1)对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2)对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。6.5.1技术数据和选用一般应用场合应尽可能选用笼型电动机。只有在需要调速、不能采用笼型电动机的场合才选用绕线型电动机。根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。(2)种类的选择(3)结构型式的选择二、选用6.5.1技术数据和选用电动机电压等级的选择，要根据电动机类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。

电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。但通常转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，且效率也较低。因此就不如购买一台高速电动机，再另配减速器来得合算。(4)电压的选择(5)转速的选择二、选用6.5.1技术数据和选用

启动问题：启动电流大，启动转矩小。

一般中小型笼型电机启动电流为额定电流的5~7倍;电动机的启动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。

启动：

n=0，s=1,接通电源。电动机接通电源后开始转动，转速逐渐加快，直至达到稳定转速为止，这个过程称为启动过程。6.5.2三相异步电动机的启动启动方法:(1)直接启动二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接启动。(2)降压启动：星形-三角形(Y－

)

换接启动自耦降压启动（适用于笼型电动机）(3)转子串电阻启动（适用于绕线型电动机）以下介绍降压启动和转子串电阻启动。6.5.2三相异步电动机的启动1.降压启动(1)Y-

换接启动6.5.2三相异步电动机的启动比较星形连接和三角形连接时的启动电流降压起动时的电流为直接起动时的设电机每相阻抗为|Z|(2)自耦降压启动自耦降压启动适合于容量较大的或正常运行时连接Y形不能采用Y－

启动的笼型异步电动机。6.5.2三相异步电动机的启动自耦降压启动是利用三相自耦变压器将电动机启动时的端电压降低,以减小启动电流。将开关S2扳到“启动”位置,使电动机定子绕组接通自耦变压器的二次侧而降压启动。电动机转速升高到接近额定转速时,再将开关S2由“启动”位置迅速扳至“运行”位置,将自耦变压器与电源断开。对电动机制动，就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转(或限制其转速)。这时的转矩称为制动转矩。三相异步电动机常用的制动方法有能耗制动和反接制动等。6.5.3三相异步电动机的制动1.能耗制动在切断三相电源的同时，在定子绕组的任意二相中通入直流电，迫使电动机迅速停转。这时的转子电流与固定磁场相互作用产生的转矩方向,与电动机转动的方向正好相反，因而起制动的作用。6.5.3三相异步电动机的制动2.反接制动在电动机停车时，可将接到电源的三根导线中的任意两根的一端对调位置，以改变三相异步电动机定子绕组中三相电源的相序，使旋转磁场反向旋转，而转子由于惯性仍在原方向转动。这时的转矩方向与电动机的转动方向相反，因而起制动的作用。6.5.3三相异步电动机的制动异步机的转速为三种电气调速方法6.5.4三相异步电动机的调速电动机的调速是指在负载不变的情况下,改变电动机的转速,以满足生产过程的要求。例如,各种切削机床的主轴运动随着工件与刀具的材料、工件直径、加工工艺的要求及走刀量的大小等的不同,要求有不同的转速,以获得最高的生产率和加工质量。如果采用电机调速,就可以大大简化机械变速机构。1.变极调速（有级调速）6.5.4三相异步电动机的调速改变极对数p的方法一般异步电动机制造出来后,其磁极对数是不能随意改变的。可以改变磁极对数的笼型电动机是专门制造的,有双速或多速电动机的单独产品系列。双速电动机在机床上用得较多,某些镗床、磨床、铣床上都有。这种调速方法简单,但只能进行速度挡数不多的有级调速变频调速方法恒转距调速（f1<f1N）恒功率调速（f1>f1N）频率调节范围：0.5~几百Hz变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。2.变频调速（无级调速）6.5.4三相异步电动机的调速变频调速装置改变转子电路电阻（即在电动机的转子电路中接入一个调速电阻），即可改变电动机转矩特性曲线的位置，就可以得到一个平滑调速。因此旋转磁场的同步转速n0没有改变，故属于改变转差率s的调速方法。这种调速方法线路简单，投资少，但功率损耗较大，只有绕线型电动机可以在转子电路中串接外部可调电阻来实现调速。3.变转