电工与电子技术（第2版）课件 第7章 异步电动机

第7章异步电动机7.2单相异步电动机7.1

三相异步电动机1.了解三相异步电动机的基本构造和工作原理。2.理解三相异步电动机的机械特性，掌握起动和反转的基本方法,了解调速和制动的方法。3.理解三相异步电动机铭牌数据的意义。本章要求：电动机的分类：三相异步电动机授课内容：

基本结构、工作原理、机械特性、控制方法

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感应电机外形图感应电机结构图7.1三相异步电动机7.1.1三相异步电动机的构造三相异步电动机主要由定子、转子、端盖和一些附件组成。1.定子

定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、

流过电流、实现机电能量转换。机座：固定和支撑定子

铁心。因此要求

有足够的机械强

度(铸钢或铸铁)。转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼型绕组和绕线型绕组。

转轴：支撑转子铁心和输出、输入机械转矩。转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子笼型绕组：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体伸出槽外部分与端环联接起来。这种笼型绕组一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。绕线型绕组：与定子绕组相似，一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速。笼型转子与绕线型转子的比较：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。7.1.2三相异步电动机的工作原理1.旋转磁场的产生当线圈中通入三相交流电流时，小磁针会不停地转动。三个相同的线圈互成120°放置，并接成星形或三角形。定子三相对称绕组通入三相交流电(星形联接)规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。(•)电流出(

)电流入两极旋转磁场（p=1）电流变化多少电角度，合成磁场就在空间顺时针旋转多少度。2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。任意调换两根电源进线：取决于三相电流的相序四极旋转磁场（p=2）3.旋转磁场的极数当电流经过60°电角度，旋转磁场在空间旋转了30°。与三相绕组的排列有关4.旋转磁场的转速工频p=1时p=2时电流变化一个周期，合成磁场在空间只旋转了180°。旋转磁场的转速取决于电流频率和合成磁场的极数。极对数123456同步转速

(r/min)300015001000750600500不同极对数时的同步转速5.三相异步电动机的转动原理当摇动马蹄形磁铁时，闭合线圈会跟着转动；当改变磁铁的旋转速度和方向时，线圈的旋转速度和方向也随之改变。带手柄的马蹄形磁铁闭合线圈合成磁场转子绕组三相异步电动机转子的转速和方向与旋转磁场的转速和方向有关。AXYC1BZ定子三相对称绕组通入三相对称交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2左手定则电磁力FF电磁转矩TnF

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流

转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机:由转差率可求得电动机转速：转差率例7-1-1一台三相异步电动机的额定转速nN=2970r/min，f1=50Hz，试求电动机极数和额定工作状态时的转差率。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=3000r/min,即p=1两极额定转差率为

三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。变压器：

变化

eU1

E1=4.44fN1

m

E2=4.44fN2

mE1、E2频率相同，都等于电源频率。f1f27.1.3三相异步电动机的电路异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－1.定子电路1)旋转磁场的磁通

异步电动机：旋转磁场切割导体e，

U1

E1=4.44

f1N1

每极磁通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f1=电源频率f等效匝数2.转子电路1)转子感应电势频率f2∵定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化

定子感应电势频率f1

转子感应电势频率f2

转子感应电势频率f2

旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同2)转子感应电动势E2E2=4.44f2N2

=4.44sf1N2

当转速n=0(s=1)时，f2最高，E2最大，有E20=4.44

f1N2

转子静止时的感应电势即E2=

sE20

转子转动时的感应电势3)转子漏磁感抗X2σ当转速n=0(s=1)时，f2最高，X2σ

最大，有即X2σ=

sX2σ0

4)转子电流I25)转子电路的功率因数cos

2结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率

s有关，即与转速n有关。7.1.4三相异步电动机的功率方程和转矩方程输入功率定子铜耗转子铜耗铁耗电磁功率机械功率输出功率杂散损耗机械损耗功率平衡方程机械功率平衡方程

两边同时除以转子机械角速度Ω，即得到对应的转矩平衡方程式：电磁转矩输出转矩阻力转矩，如忽略杂散损耗则为空载转矩。机械功率平衡方程异步电动机的电磁转矩与气隙合成磁场的每极磁通量Φ和转子电流的有功分量I2cosφ2成正比。转矩常数，与电机结构有关每极磁通转子电流转子电路的功率因数7.1.5三相异步电动机的机械特性因此电磁转矩公式为：由前面分析知：U1

E1=4.44

f1N1

由公式可知：1.Te∝U12

，U1

Te

。2.当电源电压U1一定时，Te

是

s的函数。3.R2

的大小对

Te

有影响。绕线型异步电动机可外接

电阻来改变转子电阻R2

，从而改变转矩。OTes当U1，f1，R2一定时，电磁转矩Te仅与转差率s有关，其关系曲线称为转矩-转差率特性曲线（Te-s曲线）。OTe1机械特性曲线电动机在额定负载时的转矩。忽略空载制动转矩T0时：1.额定转矩TNOTe额定转矩(Nm)如一台三相异步电动机的额定功率为4kW,额定转速为1440r/min,则额定转矩为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OTeTmax将sm代入转矩公式，可得Tmax与R2无关。过载系数(能力)一般三相异步电动机的过载系数为1.6-2.5。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∝R2，R2

sm

n

。绕线型异步电机改变转子附加电阻R2'

可实现调速。(1)Tmax∝U12

，U1

Tmax

。3.起动转矩Tst电动机起动时的转矩。起动时n=0，s=1，则(2)Tst与R2有关，适当使

R2

Tst

。对绕线型电机改变转子附加电阻

R2',可使Tst=Tmax

。Tst体现了电动机带载起动的能力。

若

Tst

>T2，电机能起动，否则不能起动。OTeTst起动能力(1)Tst∝U12

,U1

Tst

。(0.9-1.3)4.电动机的运行分析

电动机的电磁转矩随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载)。此过程中，n

、s

E2,I2

I1

电源提供的功率自动增加。T2

T2>TeTe=T2n

Te

T2'达到新的平衡T2常用特性段TeOs

硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。5.U1和R2变化对机械特性的影响(1)U1变化对机械特性的影响(R2不变)U1

Tmax

Tst

TeO(2)R2变化对机械特性的影响(U1不变)TeOR2

Tst

n

7.1.6三相异步电动机的效率特性异步电动机的效率特性是指转速为额定转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，电动机的效率与输出功率的关系。不变损耗

pFe+pmec与可变损耗

pCu1+pCu2+pad相等时，效率达到最大。鼠笼电机

=72~93％7.1.7三相异步电动机的使用1.铭牌型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、接法、额定频率、防护等级、LW值、绝缘等级、工作制等。1)型号

极数例如：Y112M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。中型机座（L/M/S）机座中心高（112mm）Y系列鼠笼式异步电动机YR、YB、YQ：分别表示绕线型、防爆型和高起动转矩型异步电动机。2)接法定子三相绕组的接法。XAZBYCY联结

联结ZXYBCA接线盒BZACXYCABZXY接电源CABZXY接电源3)额定电压说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机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。4)额定电流电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。

5)额定频率额定频率是指电动机电源电压的频率。(50Hz)

6)额定功率额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。

7)额定转速额定转速是指电机在额定运行状态下的转速。

8)LW值指电动机正常工作时的噪声值。

9)防护等级指防止人体接触电动机转动部分、电动机内带电体和防止固体异物进入电动机内的防护等级。

10)绝缘等级指按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分的等级，按温度由低到高一般分为A、E、B、F、H五个等级，代表的极限温度分别为105、120、130、155和180℃。

11)工作制指电动机的运行方式，一般分为“连续（S1）”、“短时（S2）”和“断续（S3）”三种。注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。1)额定功率因数指电动机在额定运行状态下定子侧的功率因数。三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9，空载或轻载时只有0.2~0.3。异步电动机的技术数据还包括额定功率因数和额定效率。2)额定效率指电动机在额定运行状态下的效率。2.起动起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型笼型电机起动电流为额定电流的5-7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(0.9~1.3)倍。大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：指电动机在接通电源后，从静止状态到稳定运行状态的过度过程。起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

用刀闸开关或接触器，把电动机定子绕组直接接到具有额定电压的电源上，又称为全压起动。该方法的优点是操作简单，无需附加更多设备。缺点是起动电流大，起动转矩小。小型异步电动机可以采用直接起动，但必须根据电源的容量来限制直接起动电动机的容量。(1)直接起动在工程实践中，能否直接起动可按经验公式来判定：(2)降压起动星形-三角形(Y－

)

换接起动自耦降压起动定子电路串电阻或电抗起动可减小起动电流，但相应地起动转矩也将减小，因此只适用于空载或轻载起动工况。1）定子串电抗器起动在定子绕组中串联电抗或电阻都能降低起动电流，但串电阻起动能耗较大，只用于小容量电机中。一般都采用定子串电抗降压起动。在采用电抗降压起动时，若电机端电压降为电网电压的1/a，则起动电流降为直接起动的1/a，起动转矩降为直接起动的1/a2，比起动电流降得更厉害。因此在选择a值使起动电流满足要求时，还必须校核起动转矩是否满足要求。设：电机每相阻抗为Z2)Y－

换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的。+－

起动AXBYCZ正常运行+－AXBYCZY－

起动器接线简图L1L3L2FUSABXYCZCL3YXL2BZL1A△动触点Y动触点静触点L1L3L2FUSABXYCZCL3YXL2BZL1AY起动+－

起动AXBYCZL1L3L2FUSABXYCZCL3YXL2BZL1A

工作正常运行+－AXBYCZ(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(b)Y－

起动Y－

换接起动适合于空载或轻载起动的场合。Y-

换接起动应注意的问题：+－

起动AXBYCZ正常运行+－AXBYCZ例7-1-4

(1)解:一台Y112M-4型三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：PN=4kW，UN=380V，IN=8.8A，nN=1440r/min，

N=84.5%，Ist/IN=5.8,Tst/TN=1.9。求：(1)在额定工作状态下的功率因数及额定转矩；(2)采用Y-△降压起动时的起动电流和起动转矩。(2)解：

上例中的三相异步电动机若采用Y-

降压

起动，能否带80%和50%额定负载起动？例7-1-5在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动L1L3L2FUQ3)自耦降压起动Q2

自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－

起动的笼型异步电动机。L1L3L2FUQQ2下合：接入自耦变压器，降压起动。合刀闸开关QQ2L1L3L2FUQQ2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QQ2根据自耦变压器的工作原理可知，变比为：直接起动时电动机线路起动电流Ist与定子绕组相电流Ip相等，即接入自耦变压器后：电动机线路起动电流I'st与自耦变压器一次侧电流相等；定子绕组相电流I'p与自耦变压器二次侧电流I'st2相等。因此：

采用自耦降压法起动时，若加到电动机上的

电压与额定电压之比为

x，则线路起动电流I'st

为电动机的起动转矩T'st为结论：例7-1-4中的异步电动机若采用变比为1.37的自耦变压器进行降压起动，试求起动电流和起动转矩。例7-1-6解：滑环电刷定子转子起动时将适当的Rst

串入转子电路中，起动后将Rst短路。起动电阻

(3)绕线型电动机转子电路串电阻起动Rst•RstRst

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­

ÞTst

­TeO转子电路串电阻起动的特点1)变频调速(无级调速)

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~变频调速方法恒转矩调速（f1<f1N）恒功率调速（f1>f1N）频率调节范围：0.5~几百赫兹三种电气调速方法3.调速2)变极调速

(有级调速)p=2p=1Teo3)变转差率调速

(无级调速)

变转差率调速是绕线型电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。nn'••TLTLs´s••Teso1)能耗制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动

在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转矩（制动转矩），使转子迅速停止转动。nF转子Te

n0=04.制动2)反接制动

停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

M3~运转制动•nF转子Te

n03)发电反馈制动

当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转矩作用方向发生变化，由驱动转矩变为制动转矩。电动机进入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。nF转子Te

n0n>n0(1)功率的选择

功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。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，应根据过载系数来选择。5)选型(2)电压的选择Y系列异步电动机的额定电压只有380V这一个等级，大功率异步电动机有3000V和6000V可选，应根据电动机类型、功率及使用地点的电源来决定。

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、封闭式电动机等。优先选用笼型异步电动机；对于负载周期性波动的长期工作机械，或对起动转矩要求较高的场合，宜用绕线型异步电动机；只需要几种速度，但不要求调速时，选用多速异步电动机。(3)结构形式的选择(4)类型的选择(5)转速的选择对于不需要调速的机械，一般选用与之转速接近的电动机，方便与机械转轴通过联轴器直接连接；对于不需调速的低转速的传动，一般选用稍高转速的电动机，通过减速机来传动，但电动机转速不应过高，一般可优先选用同步转速15