1、第五章 交流电动机的工作 原理及特性5.1 三相异步电动机的结构和工作原理5.2 三相异步电动机的机械特性5.3 三相异步电动机的启动特性5.4 三相异步电动机的调速特性5.5 三相异步电动机的制动特性5.6 单相异步电动机第五章 交流电动机的工作原理 及特性 概 述1.分类：交流电动机：三相异步电动机（或称感应电动机）同步电动机2.性能与应用：三相异步电动机：结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性。作为生产中的动力，广泛使用。同步电动机：具有绝对硬的机械特性，应用在转速稳定性要求非常高的场合，可做发电机用，也可做电动机用。5.1 三相异步电动机的结构和 工作原理5.
2、1.1 三相异步电动机的基本结构图5.1 三相异步电动机的结构图5.2 定子与转子的钢片定子铁芯钢片定子铁芯钢片转子铁芯钢片转子铁芯钢片定子线圈定子线圈转子线圈转子线圈1.定子组成：1）铁心是电动机磁路的一部分，由0.5mm的硅刚片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗；2）绕组电动机的电路部分，由许多线圈连接而成；3）机座用于固定和支撑定子铁心。4）端盖2.转子组成：1）铁心也是电动机磁路的一部分，转子铁心、气隙与定子铁心构成电动机的完整磁路。2）绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成图5.3 鼠笼式转子鼠笼式绕组转子外形图5.3 铝铸的鼠
3、笼式转子转子铁心 异步电动机的转子绕组除了鼠笼式外还有绕线式，绕线式由线圈组成绕组放入转子铁心糟里，转子绕组一般是联接成星形的三相绕组，转子绕组组成的磁极数与定子相同，线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中介入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。图5.5 绕线式转子绕组与外加变阻器的连接转子绕组滑环转轴电刷变阻器三相异步电动机定子转子定子铁心定子绕组机座端盖转轴转子铁心转子绕组笼型转子绕组绕线型转子绕组总结：5.1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机是基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用使转子旋转。转子与旋转磁场之间的转差
4、率是保证转子旋转的主要因素。图5.6 三相异步电动机（a）定子绕组与电源的连接（b）工作原理转差率：由于转子转速不等于同步转速，所以把这种电动机称为异步电动机，而把转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示。（5.1）在这种电动机中，转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象，所以异步电动机又称为感应电动机。00nnnS5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场 1、旋转磁场的形成 当电动机定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流都将产生自己的磁场。由于电流随时间变化，它们产生的磁场也将随时间变化，而三相电流产生的总磁场（合成磁场）不随时间变化，而且是在空间旋转，故称为
5、旋转磁场。图5.7 定子三相绕组（a）嵌放情况（b）星形连接图三相电流的瞬时值可表示为（相序为A-B-C）：()0at()6Tbt()2Tdt()3Tct 图5.8 三相电流的波形图图5.9 两级旋转磁场顺时针转向tIimAsin)32sin(tIimB)34sin(tIimC （5.2）（5.3）（5.4）当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就产生了旋转磁场。2.旋转磁场的旋转方向：图5.8 三相电流的波形图()0at()6Tbt()3Tct()2Tdt 图5.11 两级旋转磁场逆时针旋转A相绕组内的电流，导前于B相绕组内的电流2/3，而B相绕组内的电流有导前于C
6、相绕组内的电流2/3，同时图5.9中所示旋转磁场的旋转方向也是从A-B-C，即向顺时针方向旋转。所以，旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。要改变旋转磁场的旋转方向（亦即改变电动机的旋转方向）时，只要把定子绕租接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。3、旋转磁场的极数与旋转速度图5.12 产生四级旋转磁场的定子绕组()0at()6Tbt()3Tct()2Tdt 图5.13 四级旋转磁场逆时针旋转具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。从上述分析可以得出，电流变化经过一个周期（变化3600电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了3600机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60
7、f转，以n0表之，即：n0=60f当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁场时的一半，即每分钟60f/2转。依此类推，当有p对磁极时，其转速为 （5.5）060/nfp 旋转磁场的旋转速度（即同步转速）n0与电流的频率成正比而与磁极对数成反比。标准工业频率（即电流频率）为50Hz。旋转磁场不仅可以由三相电流来获得，任何两相以上的多相电流，流过相应的多相绕组，都能产生旋转磁场。5.1.4 定子绕组线端连接方式 定子三相绕组的接线方式（Y形或形）的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。如果电动机所接入之电源的线电压等于电动机的额定相电压（即每相绕组的额定电压），那么，它的
8、绕组应该接成三角形；如果电源的线电压是电动机额定相电压的倍，那么，它的绕组就应该接成星形。通常电动机的铭牌上标有符号Y/和数字380/220，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。图5.14 出线端的排列图5.15 星形连接图5.16 三角形连接图5.17 电动机定子绕组的连接星形三角形从电源输送到定子电路的电功率 输入功率与输出功率的比值，称为电动机的效率，即 （5.23）11 113cosPU I1211PPPPP若将和忽略不计，则式中，T电动机的电磁转矩；T2电动机轴上的输出转矩，且 （5.24）22ePTPT2229.55PPTn5.3 三相异步电动机的转矩与机
9、械特性5.3.1 三相异步电动机的转矩 三相异步电动机的转矩式由旋转磁场的每极磁通与转子 相互作用而产生的，它与和 的乘积成正比，此外，它还与转子电路的功率因数 有关。（5.25）式中，仅与电动机结构有关的常数。将式（5.14）代入式（5.21）得 （5.26）22costTKI12222220(4.44)()Sf NIRSX2I2I2costK2()cos1a2()cos0b2()cosc 1图5.22 对T 的影响2cos再将式（5.26）和式（5.22）代入式（5.25），并考虑到式（5.6）和式（5.10），则得出转矩的另一个表示式222122222220220()()SR USR U
10、TKKRSXRSX（5.27）式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的 一个常数；U1，U定子绕组相电压，电源相电压；R2转子每相绕组的电阻；X20电动机不动（n=0）时转子每相绕组的感抗。5.3.2 三相异步电动机的机械特性 T-S曲线：式（5.27）所表示的电磁转矩T和转差率S的关系T=f(S)。在异步电动机中，转速n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将T-S曲线转换成转速与转矩之间的关系n-T曲线，即n=f(T)称为异步电动机的机械特性。它有固有机械特性和人为机械特性之分。1、固有机械特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗式的机
11、械特性称为固有（自然）机械特性。从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：（1）T=0，n=n0（S=0），电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速n0。（2）T=TN，n=nN（S=SN），为电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为 （5.28）（5.29）9.55NNNPTn00NNnnSn（3）T=Tst，n=0（S=1），为电动机的启动工作点。将S=1代入式（5.27），可得 （5.30）（4）T=Tmax，n=nm（S=Sm），为电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可由式（5.27）令dT/dS=0，
12、而得临界转差率 （5.31）再将Sm代入式（5.27），即可得 （5.32）2222220stR UTKRX220/mSRX2max202UTKX 过载能力系数：电动机在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 （5.33）转矩转差率特性的实用表达式（规范化转矩转差率特性）：（5.34）max/mNTTmax2/()mmSSTTSS2、人为机械特性1）降低电动机电源电压时的人为机械特性2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性3）改变定子电源频率时的人为特性4）转子电路串联电阻时的人为特性 5.4 三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下：（1）有足够大的启动转
13、矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。电动机的启动转矩要大于负载转矩，否则电动机不能启动。（2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。（3）要求启动平滑，即要求启动时平滑加强，以减少对生产机械的冲击。（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。（5）启动过程中的功率损耗越小越好。其中，（1）和（2）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。5.4.1 鼠笼式异步电动机的启动方法1、直接启动（全压启动）2、电阻或电抗器降压启动3、Y-降压启动 4、自耦变压器降压启动 5、延边三角形启动5.4.2 绕线式异步电动机的启动方法1、逐级切除启动电阻法(b)起
14、动特性2、频敏变阻器启动法5.4.3 特殊鼠笼式电动机1、双鼠笼式电动机2、深槽式电动机3、高转差率鼠笼式电动机5.5 三相异步电动机的调速特性 根据式（5.34）可以在已知T的条件下求出S为 （5.36）根据式（5.5）和式（5.1）可以得到 （5.37）2maxmax()1mTTSSTT/min0/min60 (1)(1)HzrrfnnSSp5.5.1 调压调速 5.5.2 转子电路串电阻调速P77图5.45.5.3 改变极对数调速5.5.4 串级调速5.55 电磁转差离合器调速5.5.4 变频调速U1=4.44f1*N1*m5.6 三相异步电动机的制动特性 5.6.1 反馈制动5.6.2
15、 反接制动1、电源反接2、倒拉制动5.6.3 能耗制动 5.7 单相异步电动机 单相异步电动机，容量小，结构简单，成本低，用于家用电器。例如：电风扇、洗衣机、电冰箱等。5.7.1 单相异步电动机的磁场结构：定子单相绕组 转子鼠笼式 产生脉动磁场，空间位置固定不变，磁场强度大小随时间做同期性的变化，如图5.47。（5.38）sinmBBt0/min 60/rHznfp（5.39）图5.50 电容分相式异步电动机旋转磁场的产生(b)2、罩极式单相异步电动机 a、结构：磁极侧开一小槽，加短路环图5.52 罩极式单相异步的结构图5.8 同步电动机的工作原理、特点及应用 同步电机的转速等于旋转磁场的转速
16、，并且保持恒速。具有特硬的机械特性，转速不受负载力矩的影响。同步电动机发电机，产生电能，世界上的电能几乎全部由同步电机产生。驱动大功率、运行恒速的生产特性；空载运行，改变励磁电流，改善电网的功率因素。又称调相机或补偿机。5.8.1 同步电动机的基本结构 基本结构、定子、转子 1、定子：定子铁心（0.5mm硅钢片叠落而成），定子绕组（三相绕组），机座，端盖 2、转子：转子铁心（发电机隐极式，电动机凸极式），励磁绕组（扁铜线绕制而成，线圈与铁心绝缘），其它（护环、中心环、滑环、风扇）。(a)隐极式(b)凸极式图5.54 同步电动机的 图图5.53 同步电动机的结构示意图5.8.2 同步电动机的工作
17、原理和运行特性 1、原理 （5.40）三相同步电动机的转子凸极数与定子旋转磁场的极对数相同。定子绕组通三相电源产生旋转磁场。定子 转子060/nfp.0f .ffI.0 通励磁电流，产生励磁磁通f，总的磁通=0+f，内凸极形成磁极。当定、转子磁极相对时，磁路最短，磁阻最小，磁通力图使磁阻最小，惯性力又尽力保持它的原有状态不变，平衡之后，产生，同时磁通力图使磁阻最小的收缩力产生力矩，拖动转子以同步速度旋转。2、功率角 a、负载增大，角增大，n不变，不变，转子的励磁电流不变，定子的电流必须增大，才能使保持不变，T=Tu平衡。b、若改变 ，因不变，0改变，可通过调节If来调节电网的功率因素。fII5.8.3 同步电动机的启动1、无启动能力 t=0，S=1。T 忽顺忽逆转，启动不起来。2、交流启动：t=0，S=1 不加直流，交流启动，产生Tst，至n。n固定值，加入直流，电磁吸力拉入同步。3、电路：启动 QB1 运行 QB2图5.57 同步电工动机的起动绕组
