第4章 异步电动机.ppt

1、第四章 异步电动机,本章概述 交流电机主要分同步电机和异步电机。 交流异步电动机的可将交流电能转换为机械能从而拖 动机械负载。与直流电机及其他电动机相比较，异步电动 机具有结构简单、起动方便、运行可靠、价格低廉、维护 保养方便等优点。目前船舶上几乎所有的甲板机械及机舱 辅机动力电动机都采用三相鼠笼式异步电动机，而对于一 些需要进行变速控制的拖动设备，如起货机、锚机等，目 前也正逐步采用三相异步电动机来替代其它动力设备。异 步电动机的主要缺点是必须从电网吸收滞后的无功功率， 而轻载时功率因数较低，这对船舶电网以及发电机的运行 较为不利。本章主要介绍异步电动机的结构及工作原理。,第四章 异步电动机

2、,本章主要讲解内容 第一节 三相异步电动机结构与铭牌数据 第二节 异步电动机的旋转磁场与工作原理 第三节 异步电动机的定子与转子电路 第四节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 第五节 三相异步电动机工作特性与选择 第六节 单相异步电动机,第一节 三相异步电动机结构与铭牌数据,一、三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机按照转子结构形式不同分为鼠笼式和 绕线式两种，船舶上大多采用鼠笼式。图4-1为一台 三相鼠笼式异步电动机的结构分解图。鼠笼式异步电 动机主要由两个基本部分组成：静止不动的定子和可 以旋转的转子。定子和转子之间有一很窄的空气隙。 此外还有支撑转子的端盖等。,返回,图4-1 三相鼠

3、笼式异步电动机结构,1.定子 三相异步电动机的定子主要是用来产生旋转磁场。它 由机座（外壳）、定子铁心和定子绕组三部分组成。 （1）机座与端盖：机座是用来安装定子铁心和固定整 个电动机用的，一般用铸铁或铸钢制成。机座也是散热 部件，其外表面有散热片。端盖固定在机座上，端盖上 设有轴承室，以放置轴承并支撑转子。,（2）定子铁心：定子铁心是电动机磁路的一部分，由 于异步电动机中产生的是旋转磁场，该磁场相对定 子以一定的同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大 小及方向都是变化的。 定子、转子铁芯如图4-2所示。 异步电动机常用的定子铁心槽的形状如图4-3示。,返回,图4-2 异步电动机定子、转子铁芯形状

4、,（3）定子绕组：定子绕组是定子中的电路部分。定子 绕组为三相绕组，即三个完全相同的独立绕组，一 般采用漆包线绕制。 定子绕组的两种接线方法如图4-4所示。,2.转子 转子是电动机的旋转部分，其作用是在旋转磁场的作 用下获得一个转动力矩，以带动生产机械一同转动。异步 电动机的转子有鼠笼式和绕线式两种型式。两种转子均包 括转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、滑环（仅限绕线式 中有）等。 （1）转子铁心：转子铁心用厚度为0.5mm硅钢片叠 成，压装在转轴上，转子硅钢片形状如图4-2（b）所示。 以此片叠成的铁心外圆的表面有均匀分布且与转轴平行的 糟，槽内嵌放转子绕组。,（2）鼠笼式转子绕组：鼠笼式转子

5、绕组是裸铜条或由 铸铝制成。铜条绕组是把裸铜条插入转子铁心槽内，两端 用两个端环焊成通路，参见图4-5。铸铝绕组是将铝熔化 后浇铸到转子铁心槽内，两个端环及冷却用的风翼也同时 铸成。一般小型笼式异步电动机都采用铸铝转子。,（3）绕线式转子绕组：绕线式转子绕组是由漆包铜 线绕成的三个完全相同的线圈嵌放到转子铁心的槽口内。 另一端分别接到固定在转轴上的三个滑环（也称集电环） 上，滑环间和滑环与转轴间要绝缘。滑环上固定着电刷。 通过滑环、电刷将转子绕组电路与外电路相连。通常外电 路是呈星形连接的电阻，如图 4-6 所示。通过转子电路接 入适当的附加电阻改善异步电动机的起动性能（增大起动 转矩，减小起

6、动电流）或调速性能（通过改变外接电阻的 阻值改变异步电动机的转速）。 图4-7 为绕线式异步电动机的外形结构图。,返回,图4-5 鼠笼式转子,返回,图4-6 绕线式异步电动机转子结构,返回,图4-7 绕线式异步电动机的外形结构,3.气隙 异步电动机的定子与转子之间有一很窄的空气隙。中 小型异步电动机的气隙一般为0.21.0 mm 。气隙的大 小直接关系到电动机的运行性能。通常，气隙越小，电动 机磁路中的磁阻越小，产生一定量磁通所需要的励磁电流 就小，电动机运行性能越好。,二、三相异步电动机的铭牌数据 在每台电动机的外壳上都有装有一块铭牌，该铭牌上 标出这台电动机的主要技术数据。数据主要包括下列

7、几 项： 1.型号 2.额定电压 3.额定电流 4.额定功率因数 5.额定功率 6.额定频率 7.额定转速 8.工作方式 9.接法,第二节 异步电动机的旋转磁场与工作原理,一、三相异步电动机的旋转磁场 1. 定子旋转磁场的产生 以两极三相异步电动机为例，如图4-8所示，三相异 步电动机的定子绕组是结构完全相同的三相绕组，三相绕 组的首、末端分别用U1 - U2、V1 -V2、W1 -W2表示， 在制作时三相绕组沿定子铁心内圆周均匀而对称地放置在 内。所谓对称，即三相线圈的首端（或末端）在定子内圆 周上彼此相隔120，图4-8（a）所示。为分析方便， 每相绕组用一匝线圈代替，三相绕组将分布在六个

8、槽口 中。三相线圈根据需要可以接成星形或者三角形，图4-8 （b）将它们作星形联接（把三个末端U2、V2、W2并接 在一起）。,图4-8 异步电动机的三相绕组与三相电流,当对称三相交流电源接入三相绕组的U1 、V1 、W1 端后，三相定子绕组中便有三相对称电流iA、 iB和iC流 入，三相对称电流分别为 其波形及相位关系如图4-8(c) 所示。设三相电流的正方 向是从绕组的首端流人（用表示），末端流出（用表 示）。下面从几个不同瞬间来分析三相交流电流流过定子 绕组所产生的合成磁场。,t = 0时， iA = 0，U相绕组中没有电流； iB是负 值，即V相绕组中电流由 V2端流进， V1端流出；

9、 iC为正 值，即电流从 W1端流进， W2端流出。根据右手螺旋定 则，可确定合成磁场磁轴的方向如图4-9（a）所示。 t = 60时，iC= 0； iA为正值，电流由U1 端流 进， U2端流出； iB为负值，电流由V2端流进， V1 端流 出，此时合成磁场如图4-9（b）所示。相比t = 0时 刻，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了60。,t= 90时， iA为正值，而 iB 、 iC 均为负值，同 理可得合成磁场的方向如图4-9（c）所示。与t = 0时 刻相比，合成磁场在空间按逆时针方向旋转了90。由此 可见，随着定子绕组中的三相电流随时间不断变化，它所 产生的合成磁场则在空间不断地旋转

10、，这就是旋转磁场。 这种旋转磁场如同一对磁极在空间旋转所起得作用是一样 的。,（a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90 图4-9 一对极旋转磁场的形成,返回,产生旋转磁场必须满足两个条件： （1）至少要有两个定子绕组，这些绕组之间要有空间 相位差； （2）通入这些绕组中的正弦交变电流之间要有时间相 位差。,2.旋转磁场的转向 将相序为ABC的三相电压对应接入三相绕组U、 V、W后，三相绕组中电流达到最大值的顺序是：先是 U 相电流 iA 、其次是V 相的电流iB ，再次是 W 相的电流 iC。由图4-9 可看出：磁场旋转的转动方向是由 U 相线 圈平面（ U1 - U2 ）经

11、V 相线圈平面（ V1 -V2 ）转向W 相线圈平面（ W1 -W2 ）。由此可见，旋转磁场转向是与 三相绕组中电流达到最大值的顺序是一致的，或者说旋转 磁场转动方向是由三相绕组中所通入电流的相序决定的。 若要改变旋转磁场的转向，只需把接入定子绕组的电 源相序改变即可。,（a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90 图4-9 一对极旋转磁场的形成,3.旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系 在两极（一对磁极）旋转磁场的分析中我们知道， 当定子绕组中电流变化一周时，旋转磁场转了一周，若 电流的频率为f1，则电流每秒变化f1周，旋转磁场的转速 为f1转/秒。通常转速是以每分钟转数(r/mi

12、n)计算，若 以n0表示旋转磁场的转速，则有 当f1 50 Hz ,旋转磁场的转速为 3 000 r/min 。,图4-10 四极异步电动机定子绕组,设电流的频率为 f1 ，电流每分钟变化的周数为 60 f1,故每分钟旋转磁场转过（60 f1 ）/p转，故旋转磁场的 转速为： 旋转磁场的转速n0又称异步电动机的同步转速，其 单位为r/min。因为电源的频率和磁极对数通常是固定 的，所以一台异步电动机的同步转速n0 是一个不变的 常数。表4-1 列出了电源频率为 50Hz 和60 Hz时异步 电动机的同步转速 与磁极对数的对应关系。,表4-1 电源频率为50Hz和60Hz时异步电动机的同步转速n

13、0与磁极对数的对应关系,二、异步电动机的转动原理 异步电动机的转动原理可以用图4-12说明。 转子转动的方向与旋转磁场方向相同，当旋转磁场方 向反向时，电动机的转子也跟着反转。 异步电动机的转动是基于电磁感应，故又称之为感应 电动机。,三、异步电动机的转差率 设旋转磁场和转子相对静止的空间的转速分别为n0 、 n，则旋转磁场对转子的的相对转速差为 n= n0 n,它 与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用s表示， 则有: 转差率常用百分率表示，即有,计算转差率公式还可以改写为或 或 异步电动机还可能工作于其它非电动机状态，如转子 转速nn0 , 转差率为 s1的电磁制动状态。,一、定子

14、电路中各电量的关系 1.定子电路中感应电势 由前一节可知三相定子绕组接通交流电源后，定子三 相对称电流在电动机内的空气隙中形成旋转磁场。其磁场 的磁通分两部分，其中大部分同时穿过定子和转子绕组， 称为主磁通；另有少量漏磁通分别穿过定子绕组和转子绕 组，如图 4-14所示。 主磁通在定子绕组感应电势 相位上比主磁通滞后 90，其有效值为,第三节 异步电动机的定子与转子电路,2.定子电路电压平衡方程 异步电动机的定子电路的电压平衡方程为 式中 是定子一相绕组漏阻抗。由于 和 很小，在定量分析时，常可忽略不计。因此 , 即： 图4-15的左半部分是三相异步电动机定子的等效电路。,二、转子电路中各电量

15、的关系 三相异步电动机运行时闭合的转子绕组切割旋转磁 场，且在转子上产生感应电势 ，产生转子电流 ，因 转子中还存在转子漏感电势和转子绕组电阻压降，其等效 电路与变压器副边短路时情况相同。如图4-14的右半部 分电路所示。,返回,1.转子电路电势频率 当异步电动机转子以转速n旋转时，旋转磁场相对于转 子的转速为 n = n0 n，即旋转磁场以n的转速切割转 子绕组，因此在转子绕组中感应电势，该电势的频率为：,2.转子感应电势 每极磁通 切割转子绕组并在其中感应转子电势E2， 其大小为: 当n=0时，s=1，即f2= f1 ，设此时转子感应电势 的有效值为: 定值 并且由前两式比较可得:,与定子

16、漏磁通一样，转子电流所引起的漏磁通在转 子绕组中也要产生漏磁感应电势 。,3.转子电流I2及功率因数cos2 转子电路中的电阻及电抗分别为 、 ，因而转子 电流的有效值为： 由于转子电路为感性电路，所以其电流I2在相位上将 滞后电势 ，转子电路的功率因数为,转子电流I2、功率因数cos2与s之间的关系曲线如图 4-15所示。,4.鼠笼式转子的磁极对数 绕线式异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相 同，则定、转子有相同的磁极对数。鼠笼式异步电动 机的转子绕组是由导电条组成，其磁极对数由定子磁 极对数决定，即恒等于定子的磁极对数。 图4-16是2对极鼠笼式转子的展开图.,图4-18 四极鼠笼转子展开

17、图,三、定子和转子各量的相互关系 1.定子磁场和转子磁场 已知异步电动机定子旋转磁场的同步转速为n0，转 子转速为n，这时转子电流也要产生旋转磁场，设该磁场 相当于转子的转速为n2 ，则 因为转子相对于定子的转速为n，所以转子旋转磁场 相对静止空间的转速应是：,2.定子磁势与转子磁势 定子磁势 转子磁势 空载运行磁势 异步电动机的磁势平衡方程,3.定子电流和转子电流 将磁势平衡方程各项同除k1 N1后可以得到定、转 子电流的平衡关系式，即,第四节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,一、电磁转矩 三相异步电动机的电磁转矩是指电动机的转子受到电 磁力的作用而产生的转矩，它由旋转磁场的每极磁通与

18、转子电流 相互作用产生的。 异步电动机电磁转矩为: 转矩的另一个表达式,返回,二、三相异步电动机的转矩特性与机械特性 1.电磁转矩特性T = f (s ) 在一定的转子电阻R2和电源电压U1下，电动机的电磁 转矩与转差率的关系曲线称为一部电动机的转矩特性。,图4-17 三相异步电动机 T = f (s )曲线,图4-18 三相异步电动机机械特性曲线,返回,2.机械特性n = f (T ) 异步电动机的转子的转速 n与电磁转矩T的关系称 为机械特性。而机械特性很容易通过转矩特性获得。 因为： 故： 三相异步电动机的机械特性曲线如图4-18所示。,机械特性曲线上有三点反映了它的基本性能和特点： （

19、1）最大转矩Tmax，反映过载能力； （2）起动转矩Tst ，反映起动性能； （3）额定转矩TN ，反映稳定运行的负载能力和特 点。,(1)额定转矩TN 异步电动机在额定负载时轴上输出的转矩称为额定转矩 TN。在异步电动机等速转动时，电动机的转矩T必须与阻转 矩相平衡，阻转矩包括负载转矩和空载损耗转矩（电机本 身的风阻、摩擦阻力等）T0，所以: 由于T0很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩 平衡方程为：,由于转轴转动时输出机械功率等于角速度与转矩的乘 积，因此电动机的输出转矩与输出功率P2的关系是： 实用中， P2的单位常用千瓦（kW）,n的单位是转/ 分（r/min），则上式为:,第五节

20、 三相异步电动机工作特性与选择,一、异步电动机的工作特性 三相异步电动机的主要工作特性是指电动机在额定电 压和额定频率下运行时，电动机的定子电流 、效率 及定子绕组功率因数 随输出功率P2的变化关系。 图4-23是一台10kW的三相异步电动机的工作特性曲 线。,返回,1.定子电流特性I1=f(P2) 异步电动机空载运行时，定子电流近似为励磁电流 I0。随着输出功率P2的增加，转子电流增大，定子电流I1 也相应增大。所以其特性曲线是一条从I0逐渐增大的曲 线，当输出功率P2超过额定功率之后，转子电流增大较 快，定子电流也相应增大很快。 异步电动机空载和轻载时，定子电流较大，其空载电 流I0与额定

21、电流IN之比约为2050。这是因为电动机 的磁路存在气隙，磁阻较大，所以产生一定量的磁通所需 要的电流就大。,2.效率特性 =f(P2) 电动机轴上输出的机械功率P2与定子输入功率P1之比 称为效率 。即 通常一般三相异步电动机的额定效率约为0.72 0.93。电动机容量越大效率相对越高。,3.功率因数特性 因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后 一个 角，cos 就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的空载功率因数很低，约为0.2左 右，当输出功率增加时，定子电流中有功分量增大，使功 率因数提高，当接近额定功率时，功率因数达最大值。如 果负载继续增大，由于转差率的增加，转子功率因数降

22、低 较大，定子功率因数开始逐渐减小。,二、三相异步电动机的选择 在船舶上三相异步电动机的使用非常广泛，正确的 选用电动机是关系到船舶安全运行和经济运行的重要保 障。选择电动机应按照生产机械的实际要求，正确选择 电动机的容量、种类、型式等。,1.功率的选择 电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率。若 功率选择太小，电动机会因过载而损坏，甚至烧毁；选择 得太大，则不但增加投资，而且电动机没有充分发挥它的 作用，效率和功率因数都会降低。 一般对连续运行的恒定负载，如果生产机械的功率为 ，则电动机的功率P可按下式算出：,2.种类的选择 一般选择电动机种类主要从以下几方面考虑：交流 还是直流、机械特

23、性（硬特性或软特性）、调速与起动 性能、维护及价格等。,3. 结构型式的选择 电动机的结构型式主要有： （1）开启式：这种电动机的带电部分和旋转部分没有任何 防护装置。散热好，造价低。用于干燥无灰尘的场所。 （2）防护式：在机壳或端盖下面有通风罩，可防水滴、铁 屑等杂物从上面或与垂直方向成45角以内掉入电动机内 部。 （3）封闭式：有封闭外壳保护，电动机靠自身风扇或外部 风扇冷却，外壳带有散热片。适用于潮湿、尘埃多、水土 飞溅的场所。 （4）防爆式：外壳完全封闭，适用于有爆炸气体的场所， 例如船上的蓄电池室。,4.电压与转速的选择 电动机电压的选择是根据使用地点的电源来决定的。 电动机额定转速

24、的选择应由生产机械的转速和传动设备的 情况来决定，通常电动机的转速应尽量与生产机械的转速 一致，以便直接传动，避免传动装置复杂化。,第六节 单相异步电动机,用单相电源供电，且只有一相定子主绕组的异步电动 机称为单相异步电动机。 单相异步电动机也是由转子和定子两部分组成。转子 全部采用普通的鼠笼式结构；而定子通常有两个绕组，一 个为单相运行绕组（也称为主绕组）；另一个为起动绕组 （又称为辅助绕组），在空间相隔90放置。通常起动绕 组通过一个离心开关S与运行绕组并联接入单相电源，当 转子转速达到额定转速的75左右，此开关在离心力的作 用下把该电路切断。,返回,一、单相异步电动机的工作原理 1.脉动

25、磁场 单相异步电动机的定子运行绕组接入正弦交流电后产 生一个振幅随时间作正弦变，磁极在绕组轴线方向的空间 保持不变的脉动磁场，如图4-24所示。 脉动磁场在转子绕组中产生感应电势和电流，此时转 子电流与磁场作用产生的转矩大小相等，方向相反，因此 作用在转子上的合成转矩为零。电动机不能转动。如加一 外力预先推一下转子向任意方向转动，则接通电源后电动 机即可沿着这个方向转动起来，并能带动一定的机械负 载。,图4-24 单相定子脉动磁场,2.电磁转矩特性 脉动磁场分解的两个旋转磁场对转子的作用与三相异步 电动机相同，分别会在转子上产生电磁转矩T+和T-，而总 转矩为二者的合成。 当电动机接通电源转子处于静止尚未转动时， T+与T- 大小相等，方向相反，合成转矩为零，所以单相异步电动 机没有起动转矩，不能自行起动。 当转子借助外力沿某一方向（如正向旋转磁场的方向） 转动时，转子相对于两个反向旋转磁场的转差率