第七章电动机

第七章电动机 第一节三相异步电动机的基本结构第二节三相异步电动机的工作原理第三节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性第四节三相异步电动机的使用第五节三相异步电动机的铭牌和技术数据第六节单相异步电动机第七节三相同步电动机第八节直流电动机第九节控制电机三相异步电动机的结构及制造工艺录像片习题目录

第一节三相异步电动机的基本结构 • 定子 • 转子返回

直流电动机 电动机交流电动机同步电动机交流电动机异步电动机异步电动机三相异步电动机按交流电的相数单相相异步电动机绕线转子异步电动机按结构笼型异步电动机返回

异步电动机由定子和转子两部分组成。 一、定子 • 定子是异步电动机固定不动的部分。 • 由机座、定子铁心、定子三相绕组组成。 • 定子铁心安装在机座内，由硅钢片叠成。定子三相绕组嵌在定子铁心的槽内，三相绕组的始端和末端分别接到电动机出线盒的接线柱上，这样可以根据需要将三相绕组Y形联结或△形联结，使电动机使用于两种不同的工作电压。返回

定子接线端的联结 C A B Z X Y A2 B2 C2 △联结 Y联结 A1 B1 C1 返回

二、转子 • 转子是异步电动机旋转的部分。 • 由转子铁心、转子绕组组成。 • 转子绕组可分为笼型和绕线转子两种。 • 转子铁心仍由硅钢片叠成。 • 笼型转子结构简单，它是在转子铁心的槽内穿入金属导体，两端装上铜环将所有的金属导体短接，自成闭合路径。 • 绕线转子与定子绕组相同，但三相绕组都是Y联结。三个出线端通过电动机轴上的铜环与电刷引到电动机的外部。返回

定子绕组 （三相）定子 A Z Y B C 转子笼型转子 X 机座返回

第二节三相异步电动机的工作原理 旋转磁场转动原理转差率返回

iC iA iB A A Z Y Z Y X X C B C B 一、旋转磁场 1. 旋转磁场的产生定子三相绕组对称，且空间上互差120°，接成Y形。返回

iC iA iB i ωt • iA = Imsinωt • iB = Imsin (ωt－120°) • iC =Imsin(ωt- 240°) 对称三相电流 • 波形如图 O 规定电流正方向由始端向末端，实际流入时用表示，实际流出时用⊙表示。返回

A n1 •  Y Z N S iC iA iB i iA > 0 iA = 0 iA > 0 iA < 0 ωt =60 ° iB < 0 C ωt =180 ° ωt =120 ° ωt =240 ° iB> 0 iB = 0 iB > 0 B ⊙ iA = 0 A iC = 0 iC < 0 iC < 0 iC= 0 •  ⊙ X ωt =0 ° ωt iB < 0 Y Z iC > 0 ○ ⊙ •  •  S N ⊙ • ○ C B A A A •  X Y Z ⊙ •  Y Z N S Y Z ⊙ ⊙ •  N S ⊙ C B •  ⊙ ⊙ •  C B •  C B X X X 180° O 60° 120° 240° N S 对称三相绕组，送入对称三相电流，一定产生旋转磁场。返回

n1 n1 2. 旋转磁场的转向旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。电流的相序：A－B－C 电流的相序：A－C － B 改变电流相序，即任意对调任意两根电源线，可改变旋转磁场的方向，使电动机反转。返回

○ ○ ○ ○ ○ ○ 3、旋转磁场的转速定子每相一个线圈，旋转磁场为二极。旋转磁场的磁极对数 p = 1 电流变化一周，磁场也旋转一周。磁场的转速 n1=60 f 1 (r/min) 定子每相二个线圈，旋转磁场为四极。旋转磁场的磁极对数 p = 2 电流变化一周，磁场也旋转0.5周。磁场的转速 n1=60 f 1 /2 (r/min) 返回

改变定子绕组的接线方式，可以改变异步电动机的极数。改变定子绕组的接线方式，可以改变异步电动机的极数。旋转磁场的转速n1 与电动机的磁极对数p成反比，与交流电的频率 f1成正比。返回

n1 F ⊙ n F  N S 二、转动原理 n1=0, 磁场静止，转子不能感应电流，导体静止。 n1≠0，磁场顺时针旋转。转子产生感应电流，在磁场的作用下产生电磁转矩，使转子转动起来，方向与磁场方向一致。 • 异步电动机要转动起来，要有旋转的磁场，同时转子电路必须闭合。 n1 n 对称三相电源转子旋转定子对称三相绕组旋转磁场 • 改变磁场旋转方向可使电动机反转。返回

三、转差率 异步电动机的转动原理是建立在电磁感应的基础上的，所以电动机的转速n与旋转磁场的转速n1（又叫做同步转速）不能相等。即 n≠n1 其相差的程度用转差率 S来表示。转差率 S是异步电动机重要的参数之一。 S≈0.02～0.06 异步电动机刚起动的瞬间，n = 0 , S = 1 返回

例、某三相异步电动机额定转速nN= 980r/min，接在 f1= 50Hz 的电源上运行。试求在额定状态下,定子旋转磁场速度n1、磁极对数p、额定转差率S。解： ∵一般额定转差率为0.02～0.06 ∴nN≈n1 返回

第三节三相异步电动机的电磁 转矩与机械特性转矩平衡电磁转矩自然机械特性人工机械特性返回

一、转矩平衡关系 三相异步电动机在拖动生产机械工作时，旋转磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为电磁转矩T，它是一个驱动转矩。作用在电动机轴上的各种机械转矩称为负载转矩TL，它是一个阻碍转矩。当电动机稳定运行时，驱动转矩等于阻碍转矩。即： T = TL（转矩平衡方程）若T < TL 电动机减速若T > TL 电动机加速返回

二、电磁转矩 三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的。因此电磁转矩与旋转磁场的每级主磁通Φ、转子电流I2有关。即： T∝ ΦI2 转子电流I2由转子电动势E2产生。İ2、Ė2之间的相位差角为φ2，cosφ2是转子功率因数。所以，电磁转矩T与Φ 和转子电流I2的有功分量I2cosφ2成正比。即： T = KT ΦmI2cosφ2 KT是决定于电动机的常数。返回

u1 e2 e1 i1 i2 f1 f2 u1≈ －e1 1. 定子电路三相电动机的电磁关系与变压器相类似，定子相当与变压器一次侧，转子相当于二次侧。以一相为例：定子每相绕组磁通 Φ = Φmsinωt e1 = -N1dΦ/dt 忽略uZ、eσ1，则 U1≈E1=4.44f1N1 Φm f1=pn1/60 返回

2. 转子电路 E2=4.44f2N2 Φm e2 = -N2dΦ /dt E2、f2为转子电动势和转子电流的频率，因为旋转磁场与定子间的相对转速为n1，定子与转子间的相对转速为n。则有： f2= p（n1-n）/60 = Sf1 E2=4.44 Sf1N2 Φm 电动机起动瞬间n = 0，S =1 f2= f20= pn1/60= f1 E20= 4.44 f1N2 Φm E2=SE20 返回

转子电路呈感性 Z2 = R2+X2 式中漏磁感抗 X2=2π f2LS2= 2πS f1LS2 S=1, X20= 2π f1LS2 X2=SX20 转子电流转子功率因数返回

I2 cosφ2 1 S 1 转子电路的各物理量都与转差率有关，即与转子的转速有关。 I2、cosφ2与S 的关系如曲线所示起动时，S =1，n =0 I2 起动时，I2 很大, cosφ2 很低 cosφ2 O n ↓ →S↑→I2↑ 返回

3. 转矩公式 T = KTΦI2cosφ2 返回

T Tmax Sm 1 S 三、自然机械特性 1. 转矩特性当KT、U1、R2、X20、一定的条件下，把T=f (S)曲线称为转矩特性曲线。如图： S较小， 0 <S < Sm ，S↑ T↑ S较大， Sm < S < 1 ，S↑ T↓ 利用导数可求得 Sm=R2/X20 Tmax=KTU12/2X20 将Tmax 对应的Sm 称为临界转差率. O 返回

T U1> U1′ Tmax Tmax′ U1 U1′ Sm 1 S 0 <S < Sm电动机运行稳定， Sm < S < 1电动机运行不稳定。异步电动机的电磁转矩与定子相电压U12成正比。当电源电压有所变动时，对电磁转矩影响很大。 T∝ U2Sm与U1无关 U1↓→T↓→n ↓ →S↑ →I2↑→I1↑ 电压不足，会造成电流增大，电动机发热。 O 返回

T R2′ R2″ Tmax 1 S Sm′ Sm″ 临界转差率Sm与R2成正比。最大转矩Tmax与R2无关。 R2′ < R2″ O 2. 机械特性在电源电压U1不变时，电动机的转速n 和电磁转矩T间的关系称为电动机的机械特性。返回

n A n1 nN B nm T C Tmax TN Tst n = f (T) 机械特性曲线可由转矩特性曲线得来： n > nm(AB段）：为稳定工作区（S较小），具有硬特性，即电动机具有自动适应负载能力。 TL↓→T >TL→n ↑ →S↓ →T ↓ → T =TL 0<n < nm(BC段）：为不稳定工作区。返回

异步电动机T－n曲线上对应着三个特定转矩： 额定转矩TN ：在额定电压下，当电动机的输出功率等于额定功率PN时的转矩称为额定转矩。对应的转速称为额定转速nN。 N·m kW r/min 最大转矩Tmax ：电动机转矩的最大值。当负载转矩TL>Tmax时，电动机将发生闷车停转。定子电流急剧升高，电动机过热导致烧毁。称最大转矩与额定转矩的比值λ为过载系数。返回

一般，过载系数λm为1.8～2.2。 λm也表示短时允许过载能力。起动转矩Tst ：电动机刚起动 n = 0，S = 1时的转矩。由S=1 可得 Tst∝ U12Tst与R2有关当U1减小时，Tst减小，当R2适当增大时， Tst会增大返回

I2 1 S 1 起动能力λS = 一般Tst=(1～2.2)TN 。只有当TL < Tst 时电动机才能起动。否则会发生“堵转”，此时电流I1 I2都很大。 I2与S 的关系如曲线所示 I2 起动时，S =1，n =0 起动时，I2 很大, n ↓ →S↑→I2↑ O 返回

n n U1′ < U1″ U1′ U1″ R2′ < R2″ T T Tst′ Tst″ R2′ R2″ Tst″ Tst′ 四、人工机械特性 Tst∝ U2 U ↓ ， Tst ↓ U ↓ ， Tmax ↓ R2 ↓ ， Tst↓ R2 ↓ ， Tmax 不变返回

例1、一台三相异步电动机,电源电压U1=220V, f1= 50 Hz，额定转速nN=1425r/min，转子电路的电阻R2=0.03Ω，感抗X20=0.09Ω，磁极对数p=2，E1/E20 =11。求:(1)电动机起动瞬间的E20，f20，I20， cosφ20； (2)转子达到额定转速nN时的E2，f2，I2， cosφ2。解：起动瞬间 U1≈E1= 220V E20=E1/11=20V 转子转速为nN n1 =60f1 / p =1500r/min f20= f1=50HZ SN=(n1－nN)/nN=0.05 E2=SE20=1V f2=Sf20=2.5Hz X2=SX20=0.0045Ω 返回

λS = 例2、一台异步电动机，额定转矩TN=65.9N·m，额定转速nN=1450r/min，起动能力为1.4，过载系数为2.0，求Tmax、Tst 、PN 。解： Tst＝1.4×65.9＝92.9N·m 返回

第四节三相异步电动机的使用 • 起动 • 调速 • 反转 • 制动返回

一、起动 三相异步电动机接通电源后从静止状态过渡到稳定运转状态的过程叫起动。 1. 起动性能要求 • 有足够大的起动转矩,否则电动机不能起动 • Tst > TL • 满足起动转矩的前提下，起动电流Ist 越小越好一般Ist=(5～7)IN，由于起动时间短，电机不会因发热而烧毁，但过大的电流会造成电网电压降落增大，影响其它设备正常工作。返回

2. 起动方法 • 全压起动（直接起动） • 全压起动简单、经济、但Ist较大。适用于 PN ≤10kW 的中小型电动机，或者电动机功率小于变压器容量的20%，同时电网电压下降不超过5%。 • 降压起动 • 降压起动即起动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速接近额定值时，再将定子绕组上的电压恢复到额定值。 • 由于加到定子绕组上的电压U1下降，所以起动电流下降，同时起动转矩也下降。因此降压起动适用于轻载或空载起动。返回

S △形运行 B1 C1 A1 S C2 B2 A2 Y形起动常用的降压起动方法： Y－△换接起动这种方法只适用于正常运转时△形联结的电动机。当S2 接起动端时，定子三相绕组Y形联结。起动电流（线电流） IstY=UP /z 当S2 接运行端时，定子三相绕组△形联结。起动电流（线电流） Ist△= 返回

△联结起动定子绕组相电压是Y联结起动的 倍。利用Y－△换接起动时，起动转矩下降为原来的1/3。 IstY/Ist△ =1/3 △起动电流是Y起动电流的三倍。利用 Y－△换接起动时，电源供给电流可下降为原来的1/3。又因为所以 TstY/Tst△ =1/3 返回

例、一台三相异步电动机，额定功率为30kW，额定转速为1470r/min，△联结，在额定负载下运行线电流为57.5A，Tst/TN=1.2， Ist/IN=7，试求：(1)用Y－△换接起动时的起动转矩和起动电流；(2)当负载转矩为额定转矩的60%和25%时，用Y－△换接起动是否可以？解： TN= 9550×30÷1470N·m = 194.9N·m TL=0.6TN=0.6×194.9N·m=116.94N·m TL > TstY不可以 TL=0.25TN=0.25×194.9N·m=48.725N·m TL < TstY可以起动电流 Ist = 7 IN = 7×57.5A =402.5A Y－△换接起动时 IstY= Ist△/3 = 402.5÷3 A= 134.17A TstY= Tst△/3 = 1.2×194.9÷3 N·m=77.96N·m 返回

 自耦变压器降压起动 这种方法适用于容量较大或不能采用Y－△起动的三相笼型异步电动机。 S2 接起动端时，定子三相绕组接至自耦变压器的二次侧，电压低于电源电压。 S2 接运行端时，定子三相绕组接至电源电压。全压运行降压起动返回

A B C · U1 U2 M 3～ Ist′ IstT 自耦变压器 U1 / U2 = K > 1 直接起动电流 Ist= U1/z 降压起动电流 Ist′= U2 / z = Ist / K 降压起动从电网吸收的电流 IstT= Ist′ ／K=Ist /K2 TstT=Tst /K2 自耦变压器降压起动的起动电流与起动转矩都是直接起动的1 / K2倍。返回

 定子电路串电阻降压起动 起动时定子串联电阻，当电动机的转速接近额定转速时，再将串入电阻去除。此种方法的缺点是起动时电阻上消耗较大的功率。这种方法适用正常运行的Y或△联结的三相异步电动机。 • 绕线转子异步电动机的起动绕线转子异步电动机的起动常用转子串电阻或串频敏变阻器两种方法。转子串电阻起动是在转子电路中串入电阻Rst，起动后，随着转速上升逐渐减小Rst，最终将Rst全部短路。返回

n T R2 R2+Rst Tst″ Tst′ 起动瞬间 n=0，S=1 R2↑→I2↓→Ist↓ R2↑→ Tst ↑ 绕线转子异步电动机的转子串电阻起动，不仅限制起动电流，同时增大起动转矩。因此，绕线转子异步电动机比笼型异步电动机的起动性能好。 O 返回

二、调速 异步电动机的转速为改变磁极对数p、电源频率 f1和转差率S都可调速。返回

1.变极对数调速 极对数的改变,可以通过改变定子统组的接法来实现。变极对数调速是有级调速，可制成专用多速电机，这种方式只适用于笼型异步电动机。 2.变频调速这种调速方法不仅适用于笼型异步电动机,同样适用于绕线转子异步电动机。采用专用的调速变频电源，可实现对电动机的无级调速。返回

此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。 3.变转差率调速在负载转矩一定的情况下,在绕线转子异步电动机的转子电路中串入不同的附加电阻以改变转差率S,实现调速。这种调速方法使机械特性变软,稳定性差,电阻耗能大，但可连续平滑调速, 用于起重、冶金设备。返回

正转反转三、反转三相异步电动机的转向决定于旋转磁场的转向,而旋转磁场的转向又与通入三相定子绕组的电流相序有关, 因此,改变相序即可改变转向。只要将三相定子绕组接电源的三根线中任意两根对调即可。返回

四、制动 用强制的方法迫使电动机迅速停车就叫制动。 1. 能耗制动当电动机脱离三相电源后，将S2 接通直流电源，则在电动机内会产生一个恒定的不旋转的磁场。转子由于机械惯性继续旋转,因而转子导体切割磁力线,产生感应电动势和电流。返回

第七章 电动机