电工电子技术基础 第2版

1、第四章 异步电动机,第一节 三相异步电动机,第二节 单相异步电动机,返回主目录,电工电子技术基础 第2版,书名：电工电子技术基础 第2版 书号：978-7-111-38785-5 作者：申凤琴 主编 出版社：机械工业出版社 配套试题及答案,图4-1 笼型三相异步电动机,轴承盖,端盖,接线盒,散热筋,转轴,转子,风扇,罩壳,轴承,机座,第一节 三相异步电动机,一、三相异步电动机的基本结构,（3）机座,定子绕组组成一个在空间依次相差 电角度的三相对称绕组，其首端分别为 、 、 ，末端分 、 、 ，可接成星形或三角形，如 图4-2 所示。主要产生旋转磁场。,1定子,电动机主磁路的一部分，有良好的导磁

2、性能。 为了减小铁心损耗，采用0.5mm厚硅钢冲片叠成圆筒形，并压装在机座内。在定子铁心内圆上冲有均匀分布的槽，用于嵌放三相定子绕组。,（2）定子绕组,（1）定子铁心,固定和支撑作用。,图4-2 三相异步电动机定子绕组的联结,星形接法,三角形接法,2转子,电动机的转子电路部分，其作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。,（3）转子绕组,支撑转子铁心和输出电动机的机械转矩。,（2）转轴,电动机主磁路的一部分，也用0.5mm厚且相互绝缘的硅钢片叠压成圆柱体，中间压装转轴，外圆上冲有均匀分布的槽，用以放置转子绕组。,（1）转子铁心,图4- 3 笼型转子,铜条笼型转子,铸铝笼型转子,图4-4 绕线式

3、转子,三相转子绕组,转轴,集电环,电刷,电刷外接线,二、三相异步电动机的铭牌,图4-5 三相异步电动机铭牌,在三相异步电动机的机座上有一块铭牌，铭牌上标出了该电动机的主要技术数据。,磁极数，4表示四极 机座类型（L表示长机座，M表示中 机 座，S表示短机座） 中心高度（mm） 异步电动机,Y 112 M 4,1型号(Y112M4）,2额定值,电动机在加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组的 线电流。,电动机在额定状态下运行时，定子绕组所加的线电压。,电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率。,式中， 为额定效率， 为额定功率因数。,（1）额定功率 (kW),（2）额定电压 (kV或V

4、),（3）额定电流 (A),额定功率与其他额定值之间的关系,（4）额定转速 (r/min),在额定电压下，定子绕组应采用的联结方法。 Y系列电动机，4kW以上者均采用三角形接法。,（6）接法(),电动机所接交流电源的频率。我国电网的频率规定为50Hz。,（5）额定频率 (Hz),电动机在额定状态下运行时的转速。,（7）工作方式 S1连续；S2短时间；S3断续。 （8）绝缘等级 根据绝缘材料允许的最高温度分为Y、A、 E、B、F、H、C级，见表4-1，Y系列电动机多采用E、B级 绝缘。,三、三相异步电动机的基本工作原理,在三相定子绕组中流过三相对称交流电流，其波形如图4-7。,图4-6 两极定子

5、绕组结构示意图,1旋转磁场的产生,结构 示意图,接线 原理图,据电流的参考方向（首端流入） 和波形图判断电流的实际方向,电流为负时，实际电流从线圈末端流进，首端流出。,电流为正时，实际电流从线圈首端流进，末端流出；,图4-8 两极旋转磁场示意图,放大,波形,还原,波形,对于 对磁极电动机，旋转磁场的转速,3) 对于两极（即磁极对数 =1）电动机，旋转磁场转速,旋转磁场的特点,1）定子三相绕组的合成磁场为旋转磁场。,2）旋转磁场的转向取决于三相电流的相序。若要改变旋转磁 场转向，只须将三相电源进线中的任意两相对调即可。,(4-1),式中， 是旋转磁场转速，亦称同步转速（r/min）； 是电源频率

6、（ ）； 是磁极对数。,图4-9 三相异步电动机旋转原理图,2旋转原理,结论：转子的转向和旋转磁场的转向一致。若改变旋转磁 场的转向，则可改变转子的转向。,旋转磁场与转子导体间有相对运动,感应电动势,右手定则,感应电流,左手定则,电磁力,电磁转矩,因为，如果转子的转速 达到同步转速 ，则转子导体将不再切割磁力线，因而感应电动势、感应电流和电磁场转矩均为零，转子将减速，因此，转子转速总是低于同步转速。,“异步”的含义是指转子的转速 永远比同步转速 （既旋 转磁场的转速）小。,异步电动机的“异步”的含义,感应电机,旋转磁场的同步转速 与转子转速 之差称为转差。 转差与同步转速 之比称为转差率 ，用

7、 表示，即,转差率,转差率 是三相异步电动机的一个重要参数。它对电机的运行有着极大的影响。其大小也能反映转子转速。即,(4-2),若定子绕组增加一倍，且每个绕组在空间以相差 的角度排列，并把相差 的两个绕组首尾相串，组成一相绕组，则可构成四极（ =2）电动机。,电动机起动瞬间，转子转速 ，转差率 =1；理 想空载时，转子转速 ，转差率 ；因此，电动机在电动状态下运行时，转差率 =01。,答案1,图4-17,已知Y112M4三相电动机的同步转速 r/min，额定转速为1440r/min，空载时的转差率 。 求该电动机的磁极对数 ， 额定转差率 和空载转速 。,r/min,例4-1,解,式中， 是

8、线电压， 是线电流， 是电动机的功率因数,四、三相异步电动机的运行特性,式中， 是定子绕组及转子绕组中的铜损耗， 铁心中存 在的铁损耗， 是在运行过程中克服机械摩擦、风的阻力等 所形成的机械损耗。此式称为功率平衡方程式 。,转矩特性,1） 三相异步电动机在稳定运行时，电源输入的功率,2）轴上输出的机械功率,3）机械效率,根据力学知识，旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩与它的机械角速度的乘积，即 。,额定输出转矩为,式中， 是额定输出功率（kW）； 是额定转速（r/min）； 是额定输出转矩（Nm）。,(4-5),4）电磁转矩,式中， 为电磁转矩， 为输出转矩， 为空载阻转矩 ，此式称为转

9、矩平衡方程式 。,5）输出转矩,故,式中， 为输出功率（kW）,三相异步电动机的电磁转矩 与定子绕组上的电压和频率、转 差率、转子电路参数等有着密切联系，其关系式为,式中， 是定子绕组电压； 是交流电源的频率； 是转子绕 组每相的电阻； 是电动机静止不动时转子绕组每相的感 抗； 是电动机结构常数； 是转差率。,对于某台电动机而言，当定子绕组上的电压及频率一定 时，转子电路等参数均为常数。此时，电动机的电磁转矩 仅与转差率 有关。,转矩特性曲线,(4-6),图4-10 转矩特性曲线,由图看出：当 时， ，随着 增大， 也开始 增大，达到最大值 以后， 随 增大而减小。,有两台三相异步电动机，额定

10、功率均为10kW，其中一台额定转速为980r/min，另一台为1430r/min。试求它们在额定状态下的输出转矩。,Nm66.78 Nm,Nm97.45 Nm,由式（4-5）可得,例4-2,解,把图4-10顺时针转 并把 换成 ，变成图4-11 所示的 与 之间的关系曲线，该曲线称为机械特性曲线。,图4-11 机械特性曲线,2机械特性,（4-7）,电动机能够提供的极限转矩。电动机的最大转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力，也称过载系数，用 表示，即,（4-8）,（1）起动转矩,（2）最大转矩,问题3：电动机一但过载， 会很快停转。 停转时，会发生什么？,问题2.若电动机所拖动的负载阻力矩大于

11、最大转矩，会怎样？,临界转速 和临界转差率,最大转矩所对应的转速和转差率分别称为临界转速 和 临界转差率 ， 的值约在0.040.4之间，通过分析可知， 可用下式计算,（4-9）,由上式可知，出现最大转矩时的临界转差率 和 成正 比，当 = ， （起动时），则可使最大转矩 出现在起动瞬间。,应用 起重设备中广泛采用的绕线转子异步电动机就是利用了这一特点，保证电动机有足够大的起动转矩来提升重物。,即 转速从 到 之间的区域（电动机正常运行工作区）。该段曲线表明：当负载转矩增大时，电磁转矩增大，电动机转速略有下降。,转速从0到 之间的区域。该段曲线表明：当负载转矩增大到超过电动机最大转矩时，电动机

12、转速将急剧下降，直到停转。通常电动机都有一定的过载能力，起动后会很快通过不稳定运行区而进入稳定运行区工作。由于三相异步电动机机械特性的稳定运行区比较平坦，即随着负载转矩的变化，电动机转速变化很小，因此其机械特性为硬特性。,（2）非稳定运行区,对于机械特性曲线，可分为两个区域：,（1）稳定运行区,1）电动机所产生的电磁转矩 与电源电压 的平方成正 比，因此电源电压的波动对电动机的转矩影响很大。,结合式（4-6）、式（4-9），得出结论：,2）最大转矩 与转子电阻 无关，因此适当调整 可改变 机械特性，而最大转矩不变。,一台三相异步电动机的 =380V， =20A， =10kW， 0.84， 14

13、60r/min， 1.8， 2.2， 试求额定转矩 ，起动转矩 ， 最大转矩 ，额定效率 。,据式（4-5）,据式（4-7）,据式（4-8）,例4-3,解,故,W11.06kW,输入功率 为,2.265.41Nm143.90Nm,1.865.41Nm 117.74Nm,Nm65.451Nm,五、三相异步电动机的起动、反转、调速和制动,1起动 （1）三相笼型异步电动机的起动 1）全压起动 2）减压起动 定子绕组串电阻或电抗减压起动 Y/减压起动 自耦变压器减压起动 （2）三相绕线式异步电动机的起动 1）转子串电阻起动 2）转子串频敏变阻器起动 2反转 3调速（1）变极调速 （2）变频调速 （3）

14、改变转差率s调速 4制动 （1）能耗制动 （2）反接制动 1）电源反接制动 2）倒拉反接制动,3）起动设备简单、经济、操作方便、运行可靠。,三相异步电动机开始起动的瞬间，由于转速 ，转子 导体以最大的相对速度切割旋转磁场，从而产生最大的感应电动势，因此，起动瞬间转子导体电流最大，这样就使定子绕组也出现很大的起动电流，其值约为额定电流的47倍，,1起动,电动机起动的三个基本要求：,1）起动电流 应尽量小；,2）起动转矩 足够大；,起动电流大?,（1）三相笼型异步电动机的起动 1）全压起动 一般10k以下的电动机可采用全压起动。 2）减压起动 减压起动可减小起动电流，但由于起动转矩随 电压的平方而

15、降低，因此也大大减小了起动转矩，因此减压 起动仅适用于在空载或轻载情况下起动的电动机。 定子绕组串电阻或电抗减压起动 Y/减压起动 自耦变压器减压起动, 定子绕组串电阻或电抗减压起动,图4-12 笼型异步电动机定 子串电阻减压起动线路图,缺点: 只适合轻载起动，且起动时电能损耗大。,优点: 起动平稳，运行可靠，设备简单。,这种起动方式，其起动电流和起动转矩只有直接起动时的1/3。,图4-13 笼型异步电动机 Y/减压起动线路图, Y/减压起动,缺点：只适用于正常运行时定子绕组为联结的电动机，而且只能轻载起动。,优点：设备简单，成本低，运行可靠；, 自耦变压器减压起动,图4-14笼型异步电动机自

16、 耦变压器减压起动线路图,缺点：设备成本较高，不能频繁起动。,优点：起动转矩较其他方法大，而且可灵活选择自耦变压器的抽头以得到合适的起动电流和起动转矩。,图 4-15 绕线式异步电动机转子串电阻起动,（2）三相绕线式异步电动机的起动,1）转子串电阻起动,起动时触点全部断开，在起动过程中，逐级依次闭合触点，切除起动电阻。,特点：减小起动电流， 提高起动转矩。,应用：适用于重载起动,图4-18,图4-16 绕线式异步电动机转子串频敏变阻器起动,2）转子串频敏变阻器起动,频敏变阻器是其电阻和电抗值随频率而变化的装置。,特点：减小起动电流，增大起动转矩，同时起动的平滑性优于转子串电阻分级起动；结构简单

17、，成本较低，使用寿命长。,2反转 异步电动机的转动方向是和旋转磁场的方向一致的，因此改变旋转磁场的旋转方向，即可改变电动机的转动方向。而改变旋转磁场的旋转方向，只须把三相异步电动机的任意两根电源线对调即可。,3调速 在一定的负载下，人为地改变电动机的转速以满足生产机 械的工作速度称为调速。 机械调速通过改变传动机构速比的调速方法。 电气调速通过改变电动机电气参数的调速方法。,由此可知，异步电动机的转速可通过改变电源频率 、改变磁极对数 和改变转差率 的方法来调节。,（1）变极调速 这种调速方法是通过改变定子绕组的接线方式，来改变定子 磁极对数，从而改变同步转速，以达到改变转子转速的目的。 变极

18、调速一般只用于笼型异步电动机。,根据式（4-1）、式（4-2）可知，电动机的转速,图4-17 三相笼型异步电动机两种常用变极接线,变极前：电动机每相绕组的两个“半相绕组”电流方向相同，如图实线箭头所示，电动机为多极数 。,变极后：电动机每相绕组的两个“半相绕组”电流方向相反，如图中虚线箭头所示，电动机极数减半，共 个极。,（2）变频调速 由于电源是固定不变的50HZ交流电，因此变频调速需要专 用的变频设备，以便给定子绕组提供不同频率的交流电，才能 实现变频调速。有关变频调速的实现方法将在相关书中讨论， 这里不再述之。,（3）改变转差率s调速,1） 对于绕线式异步电动机，在转子回路中串电阻调速。

19、 当转子回路的电阻改变时，它的转矩特性曲线如图4-18所示（电源电压及频率保持不变）。,图4-18 改变s调速的转矩特性曲线,一定，,缺点：电阻有能量损耗，空载或轻载时调速范围窄，且低速时机械特性软，稳定性差。,优点：设备简单。,主要用于运输、起重设备。,绕线式异步电动机,2） 笼型异步电动机,图4-19 改变电源电压 调速的转矩特性曲线,电扇都采用串电抗器调压调速或用晶闸管装置调压调速。,调压调速,对于通风机型负载（图中的曲线），可获得较低的稳定转速和较宽的调速范围。,4制动,通过改变电动机电气参数使其产生一个与转向相反的电磁转矩。电气制动包括能耗制动、反接制动和回馈制动。,利用机械装置使电动机在切断电源后停转。,机械制动,电气制动,图4-20 三