電工與電子技術Ⅱ：第7章 交流電動機

1、7.1 三相異步電動機的構造第7章 交流電動機7.2 三相異步電動機的轉動原理7.3 三相異步電動機的電路分析7.4 三相異步電動機轉矩與機械特性7.5 三相異步電動機的起動7.6 三相異步電動機的調速7.7 三相異步電動機的制動7.8 三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)7.9 三相異步電動機的選擇(不考)7.11 單相異步電動機(不考)1. 了解三相交流異步電動機的基本構造和轉動 原理。本章要求：2. 理解三相交流異步電動機的機械特性，掌握 起動和反轉的基本方法, 了解調速和制動的 方法。3. 理解三相交流異步電動機銘牌數(shù)據(jù)的意義。第7章 交流電動機電動機的分類：異步交流電動機授課內容： 基本結構、工作

2、原理、 機械特性、控制方法 電動機交流電動機直流電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機第7章 交流電動機1. 定子 定子鐵心：電機主磁路的組成部分，并嵌放定子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成。為了嵌放定子繞組，在定子沖片內圓周上均勻地沖制若干個形狀相同的槽。7.1 三相異步電動機的構造定子繞組：構成電路部分。其作用是感應電動勢、 流過電流、實現(xiàn)機電能量轉換。機座：固定和支撐定 子鐵心。因此 要求有足夠的 機械強度(鑄鋼 或鑄鐵)。 轉子鐵心：電機主磁路的組成部分，并放置轉子繞組。由厚度為0.5mm的硅鋼片疊裝而成，在轉子外圓周上沖制均勻分布的形狀相同的槽。 轉子繞組：構成電路部

3、分。有兩種結構型式：籠型繞組和繞線型繞組。 轉軸：支撐轉子鐵心和輸出、輸入機械轉矩。 轉子: 在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢或電流。2. 轉子2. 轉子 籠型繞組：在轉子鐵心均勻分布的每個槽內各放置一根導體，在鐵心兩端放置兩個端環(huán)，分別把所有的導體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián)接起來。這種籠型繞組一般為鋁澆鑄的，對中大型電機為減小損耗、提高效率，往往采用銅條焊接而成。2. 轉子 繞線型繞組：與定子繞組相似、極數(shù)相同的三相對稱繞組，一般接成星形。將三相繞組的三個引出線分別接到轉軸上三個滑環(huán)上，再通過電刷與外電路接通。繞線型轉子的特點是可以通過滑環(huán)電刷在轉子回路中接入附加電阻，以改善電動機的起動性能、調節(jié)

4、其轉速。 籠型電動機與繞線型電動機的的比較：籠型： 結構簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。繞線型： 結構復雜、價格較貴、維護工作量大；轉子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。7.2 三相異步電動機的轉動原理7. 2. 1 旋轉磁場 定子三相對稱繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接) U1 U2 V1 V2W1W21.旋轉磁場的產生oU1V2W1V1W2U2規(guī)定 i : “+” 首端流入，尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。 ()電流出()電流入oU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2 三相電流合成磁場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋

5、轉60合成磁場旋轉90600 toAU1U2V2W1V1W2分析可知：三相電流產生的合成磁場是一旋轉的磁場 即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過3602.旋轉磁場的旋轉方向結論： 任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。AU1U2V2W1V1W2任意調換兩根電源進線(電路如圖) U1 U2V1V2W1W2取決于三相電流的相序0 to3.旋轉磁場的極對數(shù) p 當三相定子繞組按圖示排列時，產生一對磁極的旋轉磁場，即：U1U2V2W1V1W2 U1 U2 V1 V2W1W20 to 若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián) ，繞組的始端之間互差60，將形成兩對磁極的旋轉磁場。W1U1V1W1V1U2U2U1V2V

6、2W2W2極對數(shù)旋轉磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關OW1U1V1W1V1U2U2U1V2V2W2W24.旋轉磁場的轉速工頻： 旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數(shù)p=1時U1V1W2U2W1V2U1V1W2U2W1V2U1V1W2U2W1V2Op=2時0旋轉磁場轉速n0與極對數(shù) p 的關系旋轉磁場轉速 n0 與頻率 f1 和極對數(shù) p 有關?？梢?極對數(shù)每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速7. 2. 2 電動機的轉動原理1. 轉動原理U1U2V2W1V1W2定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針 切割轉子導體右手定則感應電動勢 E20旋轉磁場感應電流 I2旋轉磁場左手定則電磁力FF電磁轉矩T

7、nF 7. 2. 3 轉差率 旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率。 由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速 n 不可能達到與旋轉磁場的轉速相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流 轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切 割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。異步電動機運行中:轉子轉速亦可由轉差率求得轉差率s 例1：一臺三相異步電動機，其額定轉速 n=975 r/min，電源頻率 f1=50 Hz。試求電動機的極對數(shù)和額定負載下的轉差率。解：根據(jù)異步電動機轉子轉速與旋轉磁場同步轉速的關系可知：n0=10

8、00 r/min , 即p=3額定轉差率為7.3 三相異步電動機的電路分析 三相異步電動機的電磁關系與變壓器類似。變壓器： 變化 eU1 E1= 4.44 f N1 E2= 4.44 f N2 E1 、E2 頻率相同，都等于電源頻率。異步電動機每相電路i1u1e1e 1e2e 2i2+f1f27. 3. 1 定子電路1.旋轉磁場的磁通異步電動機：旋轉磁場切割導體 e， U1 E1= 4.44 f 1N1每極磁通旋轉磁場與定子導體間的相對速度為 n0 ，所以2.定子感應電勢的頻率 f1感應電勢的頻率與磁場和導體間的相對速度有關f 1= 電源頻率 f7. 3. 2 轉子電路1. 轉子感應電勢頻率

9、f 2定子導體與旋轉磁場間的相對速度固定，而轉子導體與旋轉磁場間的相對速度隨轉子的轉速不同而變化 定子感應電勢頻率 f 1 轉子感應電勢頻率 f 2 轉子感應電勢頻率 f 2旋轉磁場切割定子導體和轉子導體的速度不同2. 轉子感應電動勢E 2E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2 當轉速 n = 0(s=1)時， f 2最高，且 E2 最大，有E20= 4.44 f 1N2轉子靜止時的感應電勢即E2= s E20 轉子轉動時的感應電勢3. 轉子感抗X 2當轉速 n = 0(s =1)時， f 2最高，且 X2 最大，有X20= 2 f1L2即X2= sX20 4. 轉子電流 I

10、25. 轉子電路的功率因數(shù) cos2轉子繞組的感應電流轉子繞組的感應電流轉子電路的功率因數(shù)結論：轉子轉動時，轉 子電路中的各量均與轉差率 s有關，即與轉速n有關。I2cos2s1I2,O7.4 三相異步電動機轉矩與機械特性7. 4. 1 轉矩公式 轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉矩之總和。常數(shù)，與電機結構有關旋轉磁場每極磁通轉子電流轉子電路的功率因數(shù)由此得電磁轉矩公式由前面分析知：由公式可知電磁轉矩公式1. T 與定子每相繞組電壓 成正比。U 1 T 2. 當電源電壓 U1 一定時，T 是 s 的函數(shù)。3. R2 的大小對 T 有影響。繞線型異步電動機可外 接電阻來改變

11、轉子電阻R2 ，從而改變轉矩。7. 4. 2 機械特性曲線OTs根據(jù)轉矩公式得特性曲線（U1，R2一定）：OT1電動機在額定負載時的轉矩。1.額定轉矩TNOT額定轉矩(N m) 如某普通機床的主軸電機(Y132M-4型) 的額定功率為7.5kw, 額定轉速為1440r/min, 則額定轉矩為2.最大轉矩 Tmax 轉子軸上機械負載轉矩T2 不能大于Tmax ，否則將造成堵轉(停車)。電機帶動最大負載的能力。令：求得臨界轉差率OTTmax將sm代入轉矩公式，可得當 U1 一定時，Tmax為定值過載系數(shù)(能力)一般三相異步電動機的過載系數(shù)為工作時必須使T2 T2電機能起動，否則不能起動。OTTst

12、起動能力4. 電動機的運行分析 電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。 自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載)。此過程中， n 、sE2 , I2 I1 電源提供的功率自動增加。T2T2 TT =T2n T T2達到新的平衡T2常用特性段TOs硬特性：負載變化時，轉速變化不大，運行特性好。5. U1 和 R2變化對機械特性的影響(1) U1 變化對機械特性的影響(R2不變)UTmaxTstTO(2) R2 變化對機械特性的影響(U1不變)TOR2Tst n7.5 三相異步電動機的起動

13、7. 5. 1 起動性能 起動問題：起動電流大，起動轉矩小。 一般中小型籠型電機起動電流為額定電流的5 7 倍; 電動機的起動轉矩為額定轉矩的(1.02.2)倍。大電流使電網(wǎng)電壓降低，影響鄰近負載的工作頻繁起動時造成熱量積累，使電機過熱后果：原因：起動： n = 0，s =1, 接通電源。起動時 ，n = 0，轉子導體切割磁力線速度很大，轉子感應電勢轉子電流定子電流 7.5.2 起動方法(1) 直接起動 二、三十千瓦以下的異步電動機一般都采用直接起動。(2) 降壓起動：星形-三角形(Y ) 換接起動自耦降壓起動（適用于籠型電動機）(3) 轉子串電阻起動（適用于繞線型電動機）設：電機每相阻抗為Z

14、1. 降壓起動(1) Y 換接起動 降壓起動時的電流為直接起動時的+ 起動U1U2V1V2W1W2正常運行+U1U2V1V2W1W2Y 起動器接線簡圖L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1動觸點Y動觸點靜觸點Y 起動器接線簡圖Y起動L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1 起動UPU1+Ul+U2V1V2W1W2Y 起動器接線簡圖 工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1正常運行+U1U2V1V2W1W2(a) 僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結的電機。 (b)Y 起動Y 換接起動

15、適合于空載或輕載起動的場合Y- 換接起動應注意的問題+ 起動U1U2V1V1W1W2正常運行+U1U2V1V2W1W2L1L3L2FUQ(2) 自耦降壓起動 Q2下合： 接入自耦變 壓器，降壓 起動。 Q2上合： 切除自耦變 壓器，全壓 工作。合刀閘開關QQ2 自耦降壓起動適合于容量較大的或正常運行時聯(lián)成 Y形不能采用Y起動的籠型異步電動機。滑環(huán)電刷定子轉子起動時將適當?shù)腞 串入轉子電路中，起動后將R 短路。起動電阻 2.繞線型電動機轉子電路串電阻起動RstRstRst 若R2選得適當，轉子電路串電阻起動既可以降低起動電流，又可以增加起動轉矩。常用于要求起動轉矩較大的生產機械上。R2 Tst

16、TO轉子電路串電阻起動的特點 方法：任意調換電源的兩根進線，電動機反轉。 電動機正轉電動機反轉三相異步電動機的正、反轉電 源UVWM3UVW電 源M3例1: (1)解: 一臺Y225M-4型的三相異步電 動機，定子繞組型聯(lián)結，其額定數(shù)據(jù)為：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88， Ist/IN=7.0, Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求： (1) 額定電流IN? (2) 額定轉差率sN? (3) 額定轉矩 TN 、最大轉矩Tmax 、和起動轉矩TN 。 (2) 由nN=1480r/min，可知 p=2 （四極電動機） (3

17、)解： 在上例中(1)如果負載轉矩為 510.2Nm, 試問在U=UN和U=0.9UN兩種情況下電動機能否起動？（2）采用Y- 換接起動時，求起動電流和起動轉矩。又當負載轉矩為額定轉矩的80%和50%時，電動機能否起動？ (1) 在U=UN時 Tst = 551.8Nm 510.2 N. m 不能起動 (2) Ist =7IN=784.2=589.4 A 在U= 0.9UN 時能起動例2:在80%額定負載時不能起動在50%額定負載時可以起動(3)例3: 對例1中的電動機采用自耦變壓器降壓起動, 起動時加到電動機上的電壓為額定電壓的64%，求這時的線路起動電流 Ist 和電動機的起動轉矩Tst。

18、解：設降壓起動時電動機中的起動電流為Ist (即自耦變壓器二次側電流) 依據(jù)變壓器的一次、二次側電壓電流關系，可求得線路起動電流Ist。直接起動時 采用自耦降壓法起動時，若加到電動機上的 電壓與額定電壓之比為 x ，則 線路起動電流 Ist 為電動機的起動轉矩Tst為結論：7.6.1 變頻調速 (無級調速) f=50Hz逆變器M3 整流器f1、U1可調+變頻調速方法恒轉矩調速（f1f1N）頻率調節(jié)范圍：0.5幾百赫茲三種電氣調速方法7.6 三相異步電動機的調速7.6.2 變極調速 (有級調速) 變頻調速方法可實現(xiàn)無級平滑調速,調速性能優(yōu)異，因而正獲得越來越廣泛的應用。U11U21U12U22i

19、ip=2U11U12U21U22NNSSU11U21U12U22iip=1 采用變極調速方法的電動機稱作雙速電機，由于調速時其轉速呈跳躍性變化，因而只用在對調速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機床上。U11U12U21U22SNTo7.6.3 變轉差率調速 (無級調速) 變轉差率調速是繞線型電動機特有的一種調速方法。其優(yōu)點是調速平滑、設備簡單投資少，缺點是能耗較大。這種調速方式廣泛應用于各種提升、起重設備中。nnTLTLs sTso7.7 三相異步電動機的制動7.7.1 能耗制動制動方法機械制動電氣制動能耗制動反接制動發(fā)電反饋制動 在斷開三相電源的同時，給電動機其中兩相繞組通入直流電流

20、，直流電流形成的固定磁場與旋轉的轉子作用，產生了與轉子旋轉方向相反的轉矩（制動轉矩），使轉子迅速停止轉動。nF轉子Tn0=07.7.2 反接制動 停車時，將接入電動機的三相電源線中的任意兩相對調，使電動機定子產生一個與轉子轉動方向相反的旋轉磁場，從而獲得所需的制動轉矩，使轉子迅速停止轉動。 M3運轉制動nF轉子Tn07.7.3 發(fā)電反饋制動 當電動機轉子的轉速大于旋轉磁場的轉速時，旋轉磁場產生的電磁轉矩作用方向發(fā)生變化，由驅動轉矩變?yōu)橹苿愚D矩。電動機進入制動狀態(tài)，同時將外力作用于轉子的能量轉換成電能回送給電網(wǎng)。nF轉子Tn0n n07.8 三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)1. 型號 磁極數(shù)( 極對數(shù) p

21、 = 2 )例如： Y 132 M4 用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機異步電動機產品名稱代號產品名稱異步電動機繞線型異步電動機防爆型異步電動機高起動轉矩異步電動機新代號漢字意義老代號Y異異繞異爆異起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2. 接法定子三相繞組的聯(lián)接方法。通常U2U1W2V1V2W1Y 聯(lián)結 聯(lián)結W2U2V2V1W1U1接線盒V1W2U1W1U2V2W1U1V1W2U2V2接電源W1U1V1W2U2V2接電源3. 電壓例如：380/220V、Y/ 是指線電壓為 380V 時采用 Y聯(lián)結；線電壓為 220V 時采用

22、 聯(lián)結。說明：一般規(guī)定，電動機的運行電壓不能高于或低 于額定值的 5% 。因為在電動機滿載或接近 滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使 電動機的電流大于額定值, 從而使電動機過熱。電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。 三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V, 及6000V等多種。4. 電流例如： Y / 6.73 / 11.64 A 表示星形聯(lián)結下電機的線電流為 6.73A；三角形聯(lián)結下線電流為 11.64A。兩種接法下相電流均為 6.73A。 5. 功率與效率 鼠籠電機 =7293電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率 P2，它不等于從電源吸取的電功率 P1。75%PN時，效率最高。注意：實用中應選擇容量合適的電機，防止出現(xiàn) “大馬拉小車” 的現(xiàn)象。6. 功率因數(shù)PN 三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負載時約為 0.7 0.9。空載時功率因數(shù)很低，只有 0.2 0.3。額定負載時，功率因數(shù)最高。 7. 額定轉速電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉速。P2cosO如： n N =1440 轉/分 sN = 4%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