電工電子學_06電動機

1、電工電子學1 按電動機所耗用電能種類的不同，電動機可分交流電動機和直流電動機兩大類。交流電動機根據(jù)轉(zhuǎn)速的特點又分為異步電動機和同步電動機兩類。異步電動機按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同又分為繞線式和籠型式兩種。每種電動機又有單相和三相之分。 本章主要以三相異步籠型式電動機為例，介紹異步電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及使用方法。對單相異步電動機只作簡單介紹。26.1 三相異步電動機結(jié)構(gòu) 三相異步電動機由靜止不動的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩個基本組成部分組成，其構(gòu)造如圖 6.1.1所示。 圖 6.1.1 三相異步電動機的構(gòu)造3（a）定子鐵心 （b）轉(zhuǎn)子鐵心 圖6.1.2 定子和轉(zhuǎn)子鐵心1定子三相異步電動機的定子是電動

2、機的固定部分，它由定子鐵心、定子繞組和機座等組成。機座用鑄鐵或鑄鋼所制成。定子鐵心是電動機磁路的組成部分，由相互絕緣的硅鋼片疊成（與變壓器鐵心一樣）一個圓筒，鐵心圓筒內(nèi)表面沖有槽，如圖6.1.2（a）所示，用來放置三相對稱繞組U1 U2、V1 V2、W1 W2，三相繞組可接成星形或三角形。42轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、風扇等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是圓柱狀，也用硅鋼片疊成，外表面有均勻分布的線槽，以放置繞組，如圖6.1.2（b）所示。鐵心裝在轉(zhuǎn)軸上，軸上加機械負載。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)構(gòu)造分為籠型式和繞線式兩種形式，如圖 6.1.4所示。 圖 6.1.4 異步電機的轉(zhuǎn)子51-風扇

3、葉片 2-端環(huán) 3-導(dǎo)條 （a）籠型轉(zhuǎn)子1-滑環(huán) 2-轉(zhuǎn)子鐵心 3-轉(zhuǎn)子繞組 4-軸 （b）繞線式轉(zhuǎn)子6.2 三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理 6.2.1 異步電動機的模型圖6-5是異步電動機模型。裝有手柄的蹄形磁鐵極間放有一個可以自由轉(zhuǎn)動的、由銅條組成的轉(zhuǎn)子，銅條兩端分別用銅環(huán)連接起來，作為籠型轉(zhuǎn)子。磁極和轉(zhuǎn)子之間沒有電氣和機械聯(lián)系。如圖6.2.1（a）所示。 （a） （b） 圖6.2.1 異步電動機模型6u 當轉(zhuǎn)動磁鐵搖柄，即磁場N、S極受外力作用旋轉(zhuǎn)時。處在這個旋轉(zhuǎn)磁場中的閉合導(dǎo)體因切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢的方向可以根據(jù)右手定則確定出來，由于轉(zhuǎn)子各導(dǎo)體兩端已用金屬環(huán)短路成閉合通路，

4、在導(dǎo)體中有電動勢就會有電流通過，如不考慮導(dǎo)體中電動勢與電流之間的相位差，則可認為電流方向與電動勢方向相同，此感應(yīng)電流在磁場中又受到安培力作用，受力方向用左手定則來確定，如圖6.2.1（b）所示。由分析可知，轉(zhuǎn)子將隨磁場的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向一致。若要改變轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，只需改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動方向即可。7 6.2.2 旋轉(zhuǎn)磁場1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 設(shè)有三相相同的繞組（每相一組，即U1U2、V1V2、W1W2）放置在定子槽內(nèi)，彼此在空間互差120，如圖6.2.2所示。定子三相繞組接成星形，通入三相交流電流iU、iV、iW。由于各相繞組的結(jié)構(gòu)相同，它們是一個對稱的三相交流電路，如圖6.

5、2.3所示。取電流由繞組的首端流向繞組的末端為正方向。8圖6.2.2 三相電動機結(jié)構(gòu)示意圖 定子三相繞組電流波形如圖6.2.4所示。在電流波形上分別取t=0、t=60、t=90時刻分析電動機旋轉(zhuǎn)磁場的形成。9UiWi U1 U2 V1 V2W1W2Vi圖6.2.3 定子三相繞組交流電路圖6.2.4 定子三相繞組電流波形iUiViWiO t2旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)三相異步電動機的極數(shù)就是旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相定子繞組的安排有關(guān)。每相只有一個繞組，三相繞組的首端之間相差1200，能產(chǎn)生一對磁極，磁極對數(shù)用p表示，則p=1。當每相有兩個繞組串聯(lián)時，其繞組首端之間的相位差為120 /2= 60的

6、空間角，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有兩對極，即p=2。如圖6.2.6所示。 圖6.2.6 四極（兩對極）旋轉(zhuǎn)磁場10u圖6.2.6中給出了t=0、t=60兩種情況下旋轉(zhuǎn)磁場變化情況，這是一個四極(極對數(shù)為p=2)的旋轉(zhuǎn)磁場，N極S極相間排列。當電流變化電角度為60時，合成磁場在空間旋轉(zhuǎn)了30。若電流變化電角度為360，則合成磁場在空間沿順時針方向旋轉(zhuǎn)180。113旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 根據(jù)上面的分析，當正弦電流變化了一個周期時，兩極旋轉(zhuǎn)磁場（圖6.2.6所示）在空間旋轉(zhuǎn)360。若電流的頻率為f1，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為每秒f1轉(zhuǎn)。若以n0表示旋轉(zhuǎn)磁場的每分鐘轉(zhuǎn)速，則 n0=60，f=3000r/min（電源頻率

7、f1=50HZ）。四極旋轉(zhuǎn)磁場（圖6.2.6所示）電流變化一個周期時，旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)了半周（180）。即p=2時，其轉(zhuǎn)速為n0=60 f1/2=1500r/min。由此可以推廣到p對極的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為 （6.2.1）12 6010pfn 4旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向 旋轉(zhuǎn)磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。這時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。 從圖6.2.5可以看出，當通入三相繞組U1U2、V1V2、W1W2中電流的相序為依次為iU-iV-iW時，旋轉(zhuǎn)磁場的方向是沿繞組首端U1V1W1的方向旋轉(zhuǎn)，即順時針旋轉(zhuǎn)

8、。如果把三根電源線中的任意兩根對調(diào)，以改變通入三相繞組中電流的相序，例如使W1W2繞組中通入電流iV，V1V2繞組中通入電流iW，U1U2繞組中仍通入電流iU，此時旋轉(zhuǎn)磁場的方向為U1W1V1，即逆時針旋轉(zhuǎn)?？梢娬{(diào)換電動機的任意兩根電源線就可以使電動機反轉(zhuǎn)。 136.2.3 電動機的轉(zhuǎn)動原理 異步電動機的轉(zhuǎn)動原理圖如圖6.2.7所示。為了分析問題方便，將轉(zhuǎn)子簡化成出上下兩個導(dǎo)條。三相定子繞組通入三相交流電后，在空間產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場用N極和S極表示。 14圖6.2.7 異步電動機的轉(zhuǎn)動原理圖u 設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場以順時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n 0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條就以逆時針方向切割磁力線，從而在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動

9、勢，其方向由右手定則確定。轉(zhuǎn)子上半部導(dǎo)條中的生的感應(yīng)電動勢方向是從里向外（ ），轉(zhuǎn)子下半部導(dǎo)條中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向是從外向里（）。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的兩端由端環(huán)連通而形成閉合電路，因而在導(dǎo)條中產(chǎn)生了感應(yīng)電流 I2，其方向與電動勢方向一致，該電流處在旋轉(zhuǎn)磁場中將使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條受到電磁力F的作用，電磁力的方向可根據(jù)左手定則確定。作用在上下導(dǎo)條上的一對電磁力形成順時針方向的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n。如果旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向也隨之改變，即電動機反轉(zhuǎn)。15u 電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不能與旋轉(zhuǎn)磁的轉(zhuǎn)速相同，它總是小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即 nn0。因為，如果兩者相等，則轉(zhuǎn)子與旋

10、轉(zhuǎn)磁場之間就沒有相對運動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條就不切割磁力線，因而轉(zhuǎn)子電動勢、轉(zhuǎn)子電流、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩就不存在了。這樣轉(zhuǎn)子就不會繼續(xù)以 n0的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速之間必須保持一定的轉(zhuǎn)速差，即保持異步的關(guān)系。這就是異步電動機名稱的由來。又因為這種電動機的轉(zhuǎn)動原理是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，故又稱為感應(yīng)電動機。166.2.4電動機的電路分析由異步電動機的結(jié)構(gòu)可知，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組是兩個相隔離的電路，相當于變壓器的原邊和副邊，只是轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)是短接的，如圖 6.2.8所示。定子和轉(zhuǎn)子每相繞組的匝數(shù)分別為N1和N2。17 定子電路 轉(zhuǎn)子電路6.2.8 三相異步電動機每相等效電路1. 定子電路2.

11、轉(zhuǎn)子電路轉(zhuǎn)子電路的各個物理量都與轉(zhuǎn)速有關(guān)。（1）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢頻率f 2 （2）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢E 2（3）轉(zhuǎn)子感抗X 2（4）轉(zhuǎn)子電流 I2（5）轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù) cos2186.3 三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與機械特性 6.3.1電磁轉(zhuǎn)矩 由電磁力形成的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，它使轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，從轉(zhuǎn)軸上輸出機械功率。 三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理可知，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流I2與旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通m相互作用而產(chǎn)生的。因此，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與I2及m成正比。由于只有轉(zhuǎn)子電流的有功分量I2cos2與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與cos2成正比。異步

12、電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T可表示為 （6.3.1）1922 cosIKTmT 6.3.2機械特性曲線 由電磁轉(zhuǎn)矩公式知，當電源電壓U1和f1一定，且R2、X20都是常數(shù)時，電磁轉(zhuǎn)矩T只隨轉(zhuǎn)差率s變化。T= f（s）曲線就是電動機的轉(zhuǎn)矩特性，如圖 6.3.1所示。轉(zhuǎn)矩特性描述電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系。 異步電動機的機械特性是指轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，即n=f（T）曲線。將T= f（s）曲線中的s坐標換成n坐標，將T軸平移到 s =1（n=0）處，再將曲線按順時針方向旋轉(zhuǎn)90，即得到如圖6.3.2所示的機械特性曲線。轉(zhuǎn)矩特性和機械特性也統(tǒng)稱為機械特性。20圖 6.3.1 三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性 圖 6.3.

13、2 相異步電動機的機械特性211額定轉(zhuǎn)矩TN2最大轉(zhuǎn)矩 Tm3起動轉(zhuǎn)矩 Tst6.4 三相異步電動機的使用 6.4.1 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù) 獲得一臺電動機的額定數(shù)據(jù)主要有兩種途徑：通過電動機的銘牌或查電動機的使用手冊。下面以某異步電動機銘牌（如圖6.4.1所示）為例，說明銘牌上各數(shù)據(jù)的意義。22 圖6.4.1 電動機的銘牌示例 1型號 電動機的型號是表示電動機的類型、用途和技術(shù)特征的代號。用大寫拼音字母和阿拉伯數(shù)字組成，各有一定含義。表6.4.1列出部分國產(chǎn)異步電動機產(chǎn)品名稱代號。 23三相異步電動機型號 Y132S-6 功 率 3KW 頻 率 50Hz電壓 380V 電 流 15.4A

14、 接 法 Y轉(zhuǎn)速 960r/min 功率因數(shù) 0.76 絕緣等級 B 年 月 編號 電機廠2. 額定功率PN與效率 銘牌上的功率是指電動機的額定功率。額定功率是電動機在額定運行狀態(tài)下，其軸上輸出的機械功率，也用P2N表示。電動機輸出功率P2N與電源輸入的功率P1N不相等，其差值（ ）為電動機的損耗，所以電動機的效率為 （6.4.1）3. 額定電壓 UN 電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓值。它與定子繞組的規(guī)定接法有對應(yīng)關(guān)系。24NNPP21N1N2PP4. 額定電流 IN 電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。對于 Y / 接法的電機，對應(yīng)的線電流有兩個。5. 額定頻率fN銘牌上的頻率是

15、指定子繞組所加的電源頻率。我國工業(yè)用電的標準頻率為50HZ。6. 功率因數(shù) cos N 銘牌上的功率因數(shù)是指三相異步電動機在額定運行時的功率因數(shù)。電動機在額定負載時約為 0.7 0.9?？蛰d時功率因數(shù)很低，只有 0.2 0.3。7. 額定轉(zhuǎn)速 nN 電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉(zhuǎn)速。8. 絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為A、E、B、F、H五級。256.4.2 三相異步電動機的起動電動機接通電源開始旋轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)速不斷上升直至達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，這一過程稱為起動。在電動機接通電源的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動（n = 0，s =1），旋轉(zhuǎn)磁場以最大的相對速度切割轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢

16、和轉(zhuǎn)子電流都很大。類似于變壓器的工作原理，此時定子繞組中的電流相應(yīng)增大，即起動電流Ist很大。一般中小型籠型電動機定子啟動電流（指線電流）是額定電流的57倍。261直接啟動直接起動就是起動時直接給電動機三相定子繞組加上額定電壓，這種起動方式又稱全壓起動。這種方法簡單可靠，起動迅速，不需要專用的起動設(shè)備（如圖6.4.2所示），是小功率異步電動機常常采用的起動方法。直接起動時的起動電流較大，因而只有在電網(wǎng)允許的情況下（即起動電流造成電網(wǎng)壓降較小，對電網(wǎng)其他設(shè)備影響不大），電動機方可采用直接起動的方法。27圖6.4.2 電動機的直接起動2降壓啟動如果電動機的容量較大，不滿足直接起動條件，則必須采用降

17、壓起動。降壓起動就是利用起動設(shè)備降低電源電壓后，加在電動機定子繞組上以減小起動電流，待轉(zhuǎn)速上升到接近額定轉(zhuǎn)速時，再恢復(fù)到全壓運行?；\型電動機降壓起動常用以下兩種方法。（1）星形-三角形 (Y-)換接起動28（a） （b）圖 6.4.3 Y-換接起動 （2）自耦降壓起動自耦降壓起動就是利用自耦變壓器將電壓降低后加到電動機定子繞組上，當電動機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，再加額定電壓的降壓起動方法，其接線圖如圖 6.4.4所示。 起動時把Q扳到“起動”位置，使三相交流電源經(jīng)自耦變壓器降壓后接在電動機的定子繞組上，這時電動機定子繞組得到的電壓低于電源電壓，因而，減小了起動電流，待電動機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，再把

18、Q從起動位置迅速扳到“運行”位置，切除自耦變壓器，讓定子繞組得到全壓。 29圖 6.4.4 自耦降壓起動（3）轉(zhuǎn)子串電阻的降壓起動對于繞線式電動機而言，只要在轉(zhuǎn)子電路串入適當?shù)钠饎与娮?Rst（三相電阻采用星形接法）構(gòu)成轉(zhuǎn)子閉合電路就可以限制起動電流。轉(zhuǎn)子串電阻的降壓起動如圖 6.4.5所示。30圖 6.4.5 繞線式電動機的串電阻起動6.4.3 三相異步電動機的調(diào)速 電動機的調(diào)速是在同一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速，以滿足生產(chǎn)過程的要求。采用電氣調(diào)速，可以大大簡化機械變速機構(gòu)。由電動機的轉(zhuǎn)速公式 可知，改變電動機轉(zhuǎn)速的方法有三種，即改變電源頻率 f1，改變極對數(shù)p和改變轉(zhuǎn)差率 s。前兩種是籠型電動機

19、的調(diào)速方法，后一種是繞線式電動機的調(diào)速方法。（1）變頻調(diào)速（2）變極調(diào)速31pfsnsn106011 6.4.4 三相異步電動機的選擇 1. 功率的選擇 電動機的選擇首先要合理確定電動機的功率（容量），電動機功率選得過小，電動機容易因過過載而過早損壞，電動機功率得過大會使設(shè)備費用增加，加之電動機在輕載下運行時其效率、功率因數(shù)較低，也很不經(jīng)濟，因而電動機的功率大小是由生產(chǎn)機械決定的。 2. 類型的選擇 在無特殊要求的情況下，一般都應(yīng)用交流異步電動機?；\型異步電動機構(gòu)造簡單、價格便宜、運行可靠、維護及控制方便。功率小于100 KW無調(diào)速要求的生產(chǎn)機械應(yīng)盡可能選用籠型異步電動機。例如水泵、風機、壓縮

20、機、破碎機、運輸機、傳送帶等都采用籠型異步電動機。323外形結(jié)構(gòu)的選擇 根據(jù)安裝要求可選擇臥式或立式的外形結(jié)構(gòu)；根據(jù)電動機使用場合（工作環(huán)境）不同選擇電動機的不同結(jié)構(gòu)形式。 4額定電壓和轉(zhuǎn)速的選擇 電動機的額定電壓應(yīng)根據(jù)電動機功率大小和使用地點的電源電壓決定。100KW以下的應(yīng)選用額定電壓為380V/220V的異步電動機，大于100 KW的大功率異步電動機可以根據(jù)當?shù)仉娫措妷嚎紤]采用3000V或6000 V高壓電動機。336.5 單相異步電動機 使用單相交流電源的異步電動機稱為單相異步電動機。它的功率一般在750W以下，常用于功率不大的電動工具、電風扇、攪拌機及其他家用電器等方面。 單相異步電動機定子有一個或兩個繞相，轉(zhuǎn)子是籠型的。 6.5.1 轉(zhuǎn)動原理單相正弦交流電通入單相定子繞組后，產(chǎn)生一個振幅