1、第五章 交流電動機的工作原理及特性,1. 了解三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理； 2.掌握三相異步電動機的連接方法和額定參數(shù)； 3.掌握三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性和機械特性； 4. 掌握三相異步電動機啟動、調(diào)速和制動等各種特性； 5. 掌握實現(xiàn)三相異步電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法及它們的使用場所； 6. 掌握單相異步電動機的工作原理和啟動方法； 7. 了解同步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理、運行特性和啟動方法。,5.1 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,章節(jié)內(nèi)容,5.2 三相異步電動機的額定參數(shù),5.3 三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性和機械特性,5.4 三相異步電動機的啟動特性,5.5 三相異步電動機

2、的調(diào)速特性,5.6 三相異步電動機的制動特性,5.7 單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,5.8 同步電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,51 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,一、三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu),定子：不動的部分; 轉(zhuǎn)子：旋轉(zhuǎn)部分。 在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙。,1.定子,定子由定子鐵心、繞組以及機座組成。,定子鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成，硅鋼片鐵心在疊壓后成為一個整體，固定于機座上。 定子鐵心的硅鋼片內(nèi)圓沖有定子槽，槽中安放線圈定子繞組。,三相電動機的定子繞組分為三個部分對稱地分布在定子鐵心上，稱為三相繞組，分別用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C稱為首端，而X、Y、Z稱為

3、末端。,三相繞組接入三相交流電源，三相繞組中的電流定子在鐵心中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。,2.轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機磁路的一部分，由硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子鐵心裝在轉(zhuǎn)軸上。 轉(zhuǎn)子鐵心的硅鋼片外圓沖有轉(zhuǎn)子槽，槽中安放線圈轉(zhuǎn)子繞組。,轉(zhuǎn)子由鐵心與繞組組成。,線繞式和鼠籠式兩種電動機的轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)造雖然不同，但工作原理是一致的。 轉(zhuǎn)子的作用：產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。,鼠籠式：在轉(zhuǎn)子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅環(huán)上。,由線圈繞組放入轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，并分為三相對稱繞組，與定子產(chǎn)生的磁極數(shù)相同。線繞式轉(zhuǎn)子通過軸上的滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入外加電阻，用以改善啟動性能與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。,二、三相異步電動機的工

4、作原理,1定子旋轉(zhuǎn)磁場,假設(shè)每相繞組只有一個線匝，分別嵌放在定子內(nèi)圓周的6個凹槽之中?，F(xiàn)將三相繞組的末端X、Y、Z相連，首端A、B、C接三相交流電源。三相繞組分別稱為A相、B相、C相。,假定定子繞組中電流的正方向規(guī)定為從首端流向末端，且A相繞組的電流作為參考正弦量，即 iA的初相位為零，則三相繞組A、B、C的電流（相序為ABC）的瞬時值為：,iB為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；,iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。,按右手螺旋法則確定三相電流產(chǎn)生的合成磁場。,iB為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；,iA為正，電流實際方向與正方向一

5、致，即電流從A端流到X端。,合成磁場已從t=0 瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了 /3。,iA=0,iC=0,iC為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Z端流到C端；,iA為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從A端流到X端。,合成磁場已從t=0 瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了2 /3。,iB=0,iC為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Z端流到C端。,iB為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從B端流到Y(jié)端；,合成磁場已從 t=0 瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了 。,按以上分析可以證明：當(dāng)三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場也在不斷旋轉(zhuǎn)，故稱旋轉(zhuǎn)磁場。,2旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向,A相繞組內(nèi)的電流超前

6、B相繞組內(nèi)的電流2 /3，而B相繞組內(nèi)的電流又超前C相繞組內(nèi)的電流2 /3，當(dāng)三相交流電的ABC ，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向為從ABC，即向順時針方向旋轉(zhuǎn)。,如果將定子繞組接至電源的三根導(dǎo)線中的任意兩根線對調(diào)，例如，將B，C兩根線對調(diào)，使B相與C相繞組中電流的相位對調(diào)。,此時A相繞組內(nèi)的電流超前C相繞組內(nèi)的電流2 /3，而C相繞組內(nèi)的電流又超前B相繞組內(nèi)的電流2 /3。,用上述同樣的分析方法可知，此時旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒆優(yōu)锳CB，即向逆時針方向旋轉(zhuǎn)，如圖所示，即與未對調(diào)前的旋轉(zhuǎn)方向相反。,由此可見，要改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，只要把定子繞組接到電源的三根導(dǎo)線中的任意兩根對調(diào)即可。,3.旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)

7、與旋轉(zhuǎn)速度,在交流電動機中，旋轉(zhuǎn)磁場相對定子的旋轉(zhuǎn)速度被稱為同步速度，用n0表示。,磁極對數(shù)：定子磁場N-S的個數(shù)，用p表示。,p1：電流變化經(jīng)過一個周期（變化360電角度），旋轉(zhuǎn)磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)了360機械角度），若電流的頻率為f，旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘將旋轉(zhuǎn)60f 轉(zhuǎn)，即：,如果把定子鐵心的槽數(shù)增加1倍（12個槽），制成如圖所示的三相繞組。,每相繞組由兩個部分串聯(lián)組成，再將這三相繞組接到對稱三相電源使通過對稱三相電流。,p=2：電流變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)了1/2轉(zhuǎn)。,由此可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對磁極時，其旋轉(zhuǎn)速度僅為一對磁極時的一半。依次類推，當(dāng)有p對磁極時，其轉(zhuǎn)速為：,所以，

8、旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的頻率成正比而與磁極對數(shù)成反比。,產(chǎn)生具有兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。,4工作原理,三相異步電動機的工作原理是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子電流的相互作用。,在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，因而在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e從而產(chǎn)生感應(yīng)電流i；,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度稱為電動機的轉(zhuǎn)速，用表示n。,轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F；,力在轉(zhuǎn)子的軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩作用方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)子受此轉(zhuǎn)矩的作用，按旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。,5.轉(zhuǎn)差率 S,由工作原理可知：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n（電動機的轉(zhuǎn)速）恒比旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度n0（同步速度）要小。 轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間的轉(zhuǎn)速差是保證轉(zhuǎn)子

9、轉(zhuǎn)速的主要因素，也是異步電動機的由來。,定義：轉(zhuǎn)速差(n0-n)與同步轉(zhuǎn)速n0的比值稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率，用表示S，即,轉(zhuǎn)差率S是分析異步電動機運行特性的主要參數(shù)。,5.2 三相異步電動機的額定參數(shù),一、 三相異步電動機定子繞組的接法,1兩種接法,定子繞組的首端和末端通常都接在電動機接線盒的接線柱上，一般按圖所示的方法排列。,按照我國電工專業(yè)標準規(guī)定：定子繞組出線端的首端為D1、D2、D3，末端為D4、D5、D6。,三相電動機的定子繞組有星形（Y型）和三角形（形）兩種不同的接法。,星形（Y型）接法,三角形（形）接法,星形（Y型）接法：末端相連，首端分別接三相交流電源。,星形（Y型）接法：首末

10、端相連，分別接三相交流電源。,2線電壓與相電壓,線電壓：兩相繞組首端之間的電壓，用U1表示；,相電壓：每相繞組首、尾之間的電壓，用U相表示。,對于星形接法：,對于三角形接法：,3線電流與相電流,線電流：電網(wǎng)的供電電流，用I1 表示；,相電流：每相繞組的電流，用I相表示。,對于星形接法 ：,對于三角形接法 ：,4. 電動機的輸入功率：,二、額定參數(shù),電動機在制造工廠所擬定的情況下工作時，稱為電動機的額定運行，通常用額定值來表示其運行條件，這些數(shù)據(jù)大部分都標明在電動機的銘牌上。,1. 額定功率PN：,在額定運行情況下，電動機軸上輸出的機械功率。,輸出功率的一般表達式為：,其中：,效率；,P1 輸入

11、功率,P2輸出功率,輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：,I2轉(zhuǎn)子電流,2.額定電壓UN：在額定運行情況下，定子繞組端應(yīng)加的線電壓值。,如標有兩種電壓值（例如220/380V），這表明定子繞組采用/Y連接時應(yīng)加的線電壓值。,即： 三角形接法時，定子繞組應(yīng)接220V的電源電壓；,星形接法時，定子繞組應(yīng)接380的電源電壓。,3.額定頻率f ：在額定運行情況下，定子外加電壓的頻率（ Hz）。,如標有兩種電流值（例如10.35/5.9A），則對應(yīng)于定子繞組為/Y連接的線電流值。,4.額定電流IN ：在額定頻率、額定電壓和軸上輸出額定功率時，定子的線電流值。,即： 三角形接法時，定子電流為10.35A；,星形接

12、法時，定子電流為5.9A。,5.額定轉(zhuǎn)速nN ：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，電動機的轉(zhuǎn)速。,與額定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為額定轉(zhuǎn)差率SN。,一般不標在電動機銘牌上的幾個額定值如下 ：,1.額定功率因數(shù) ：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，定子相電流與相電壓之間相位差的余弦。,2.額定效率 ：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，電動機輸出機械功率與輸入電功率之比，其表達式為,3.額定負載轉(zhuǎn)矩TN ：電動機在額定轉(zhuǎn)速下輸出額定功率時軸上的負載載矩。,4.線繞式異步電動機轉(zhuǎn)子靜止時的滑環(huán)電壓和轉(zhuǎn)子的額定電流。,通常手冊上給出的數(shù)據(jù)就是電動機的額定值。,三、

13、定子繞組連線方法的選用,定子三相繞組的連接方式（Y形或形）的選擇，和普通三相負載一樣，須視電源的線電壓而定。,如果電源的線電壓等于電動機的額定相電壓，那么，電動機的繞組應(yīng)該接成三角形；,如果電源的線電壓是電動機額定相電壓的 倍，那么，電動機的繞組就應(yīng)該接成星形。,通常電動機的銘牌上標有符號 /Y和數(shù)字220 /380 ，前者表示定子繞組的接法，后者表示對應(yīng)于不同接法應(yīng)加的線電壓值。,例 電源線電壓為380V，現(xiàn)有兩臺電動機，其銘牌數(shù)據(jù)如下，試選擇定子繞組的連接方式。,1. J32-4，功率1.0kW，連接方法/Y，電壓220/380V，電流4.25/2.45A，轉(zhuǎn)速1420 r/min，功率因

14、數(shù)0.79。,2. J02-21-4，功率1.1 kW，連接方法 ，電壓380V，電流6.27A，轉(zhuǎn)速1410 r/min，功率因數(shù)0.79。,解： 1. J32-4 電動機應(yīng)接星形（Y） 2. J02-21-4 電動機應(yīng)接成三角形（ ）,星形（Y）,三角形（ ）,53 三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性和機械特性,一、三相異步電動機的定子電路,三相異步電動機的電磁關(guān)系同變壓器類似，定子繞組相當(dāng)于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組（一般是短接的）相當(dāng)于副繞組。,定子繞組接上三相電源電壓（相電壓為u1）時，則有三相電流通過（相電流為i1），定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其磁力線通過定子和轉(zhuǎn)子鐵心而閉合，這磁場不僅在轉(zhuǎn)子

15、每相繞組中要感應(yīng)出電動勢e2，而且在定子每相繞組中也要感應(yīng)出電動勢e1,設(shè)定子和轉(zhuǎn)子每相繞組的匝數(shù)分別為N1和N2，如圖所示電路圖是三相異步電動機的一相電路圖。,旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度沿定子與轉(zhuǎn)子間空氣隙的分布是近于按正弦規(guī)律分布的，因此，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)時，通過定子每相繞相的磁通也是隨時間按正弦規(guī)律變化的，,定子每相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：,它也是正弦量，其有效值為：,式中，f1為e1的頻率。,因為旋轉(zhuǎn)磁場和定子間的相對轉(zhuǎn)速為n0，所以,它等于定子電流的頻率，即,定子每相繞組中還要產(chǎn)生漏磁電動勢,加在定子每相繞組上的電壓也分成三個分量，即,如用復(fù)數(shù)表示，則為,式中， 和 ( )為定子每相繞組的電阻和

16、漏磁感抗。,由于R1和X1較小，其上電壓降與電動勢E1比較起來，?？珊雎?，于是,二、三相異步電動機的轉(zhuǎn)子電路,旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)出的電動勢為,其有效值為,式中，f2為轉(zhuǎn)子電動勢e2或轉(zhuǎn)子電流i2相對于旋轉(zhuǎn)磁場的頻率.,因為旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速為 n0-n,在 n=0 ，即S=1時，轉(zhuǎn)子電動勢為,為轉(zhuǎn)子最大電動勢,可見轉(zhuǎn)子電動勢E2與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。,和定子電流一樣，轉(zhuǎn)子電流也要產(chǎn)生漏磁通，從而在轉(zhuǎn)子每相繞組中還要產(chǎn)生漏磁電動勢。,因此，對于轉(zhuǎn)子每相電路，有,如用復(fù)數(shù)表示，則為,式中，R2和X2轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻和漏磁感抗,在 n=0 ，即 S=1 時，轉(zhuǎn)子感抗為,為轉(zhuǎn)子最大感抗,

17、可見轉(zhuǎn)子感抗E2與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。,轉(zhuǎn)子每相電路的電流為,可見轉(zhuǎn)子電流I2也與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。當(dāng)S增大，即轉(zhuǎn)速n降低時，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間的相對轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體被磁力線切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。,三、轉(zhuǎn)矩特性,電磁轉(zhuǎn)矩是三相異步電動機最重要的物理量之一。機械特性是它的主要特性。,所以,因為,轉(zhuǎn)矩特性,式中，K與電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)、電源頻率有關(guān)的一個常數(shù)； U1 、U定子繞組電壓，電源電壓； R2轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻； X20 電動機不動（S=1）時轉(zhuǎn)子每相繞組的感抗。,四機械特性,在異步電動機中，轉(zhuǎn)速 n=(1-S)n0，為了符合習(xí)慣畫法，可將曲線換成轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，即稱為異步

18、電動機的機械特性。,1固有機械特性,異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉(zhuǎn)子電路中不串聯(lián)任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有（自然）機械特性。,根據(jù),電動機處于理想空載工作點，此時電動機的轉(zhuǎn)速為理想空載轉(zhuǎn)速。,電動機額定工作點。此時額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)差率為,將S=1代入轉(zhuǎn)矩公式中，可得,電壓降低，啟動轉(zhuǎn)矩會明顯減小,轉(zhuǎn)子電阻適當(dāng)增大，啟動轉(zhuǎn)矩會增大；,而若增大轉(zhuǎn)子電抗則會使啟動轉(zhuǎn)矩大為減小。,通常把在固有機械特性上啟動轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN之比 st=Tst/TN 稱為啟動能力系數(shù)，是衡量異步電動機啟動能力的一個重要數(shù)據(jù)。,啟動工作點,令,得臨界轉(zhuǎn)差率,再將Sm代入轉(zhuǎn)矩公式中得,通常把在固有機械特性上最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比max=Tmax/TN稱為電動機的過載能力系數(shù)。它表征了電動機能夠承受沖擊負載的能力大小，是電動機的又一個重要運行參數(shù)。,鼠籠式異步電動機,線繞式異步電動機,臨界工作點,2人為機械特性,由上述分析可知：異步電動機的機械特性與電動機的參數(shù)有關(guān)，也與外加電源電壓、電源頻率有關(guān)，將關(guān)系式中的參數(shù)人為地加以改變而獲得的特性稱為異步電動機的人為機械特性。,改變定子電壓U、定子電源頻率f、定子電路串入電阻或電抗、轉(zhuǎn)子電路串入電阻或電抗等，都可得到異步電動機的人為機械特性。,（1）降低電