交流電動機(jī)工作原理及特性

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，不需維護(hù)。第四章交流電動機(jī)工作原理及特性缺點：調(diào)速、啟動、制動性能差，若要性能好則控制器（如變頻調(diào)速、矢量調(diào)速）復(fù)雜。缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較高，換向器與電刷處有火花放電，需定期維護(hù)（無刷直流電動機(jī)不必）。優(yōu)點：調(diào)速、啟動、制動性能好，控制器（如降壓調(diào)速）簡單，短時過載能力強(qiáng)。直流電動機(jī)交流電動機(jī)三相電動機(jī)單相電動機(jī)異步電動機(jī)同步電動機(jī)交流電動機(jī)§4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理一.結(jié)構(gòu)1.定子A----XB----YC----Z三相繞組2.轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子鼠籠式：如鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組繞線式定子三相繞組通入三相交流電AXBYCZ1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（1對磁極）二.工作原理AYCBZXAXYCBZAXYCBZAXYCBZ合成磁場方向向下合成磁場旋轉(zhuǎn)60°合成磁場旋轉(zhuǎn)90°t600oAAXZBCYAAXZBCY可見：1對磁極時三相電流產(chǎn)生的合成磁場為旋轉(zhuǎn)磁場，交流電一個周期（即電角度ωt=360°），磁場旋轉(zhuǎn)360°2.旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線就使磁場反轉(zhuǎn)。0toAXBYCZC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'0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（P=2，即4極）旋轉(zhuǎn)磁場。3.磁極對數(shù)P與磁場轉(zhuǎn)速n0磁極對數(shù)p=1時，交流電一個周期（即電角度ωt=360°），磁場旋轉(zhuǎn)360°磁場轉(zhuǎn)速p=2時0所以4.三相異步電動機(jī)的工作原理三相定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢與感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因磁場轉(zhuǎn)速n0需比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n快才能正常切割磁力線，故稱為異步電動機(jī)，又稱為感應(yīng)電動機(jī)。5.轉(zhuǎn)差率S（很重要）磁場轉(zhuǎn)速n0（又稱同步轉(zhuǎn)速）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與n0的比值稱為轉(zhuǎn)差率S。異步電動機(jī)啟動時n=0，S=1；n=n0時，S=0；額定工況下一般例1：一臺三相異步電動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機(jī)的極對數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。解：根據(jù)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知：n0=1000r/min,即p=3額定轉(zhuǎn)差率為三.定子繞組線端連接方式定子三相繞組的六個出線頭可根據(jù)需要靈活地接成星形（Y形）或三角形（Δ形）。Δ聯(lián)結(jié)Y聯(lián)結(jié)§4.2

三相異步電動機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系與變壓器類似。1)異步電動機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的原、副繞組。2）變壓器：變化eU1E1=4.44fN1

異步電動機(jī)：旋轉(zhuǎn)eU1E1=4.44fN1

3）變壓器：I2

增大I1增大，以保持基本不變，以達(dá)到傳遞能量的目的。

異步電動機(jī)：當(dāng)負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)子電流I2

增大I1增大，以保持基本不變，以達(dá)到傳遞能量的目的。三相異步電動機(jī)與變壓器的不同之處。1）變壓器的副繞組是靜止的、不能短路；而異步電動機(jī)的副繞組是旋轉(zhuǎn)的且短路。3）變壓器的磁路是無氣隙的。而異步電動機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子之間是有不大的氣隙。2）變壓器中原、副繞組的感應(yīng)電動勢是同頻率的。而異步電動機(jī)中轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的頻率是隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變的。一.定子電路（取一相分析）漏磁電動勢i1u1e1eL1i2R1e2eL2R2定子電路轉(zhuǎn)子電路感應(yīng)電動勢R1為定子繞組內(nèi)阻i1e1eL1i2R1e2eL2R2u1因R1、X1小,可近似認(rèn)為U1=E1二.轉(zhuǎn)子電路1.轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢e2頻率f2因轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn),故轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢頻率f2定子感應(yīng)電勢頻率f1i1e1eL1i2R1e2eL2R2n=0即轉(zhuǎn)差率S=1時轉(zhuǎn)子切割磁力線最劇烈f2=f1，n=n0

即S=0時轉(zhuǎn)子不切割磁力線f2=0，額定工況下S=1.5~6%，f1=50Hz時，f2=0.75~3Hz2.轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢e2有效值E2=4.44f2N2=4.44Sf1N2

當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0(S=1)時，f2最高，E2最大，記為E20=4.44

f1N2轉(zhuǎn)子靜止時的感應(yīng)電勢故E2=

SE20

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的感應(yīng)電勢當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0(S=1)時，f2最高，X2最大，記為X20=2f1LL2故X2=SX20

3.漏磁電動勢轉(zhuǎn)子靜止時的漏磁感抗轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的漏磁感抗R2與X2對電機(jī)影響均大

4.轉(zhuǎn)子電流I25.轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)202XRS<<S大時(低速)I2s1I2,O1n00n6.電磁轉(zhuǎn)矩

由前面分析知K為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)且正比于1/f1的常數(shù)，U為供電電壓，R2為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻，X20為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的漏磁感抗7.機(jī)械特性曲線交流異步電動機(jī)直流電動機(jī)OTS1n0nNTNn0Tn8.固有機(jī)械特性曲線與4個特殊工作點OTS11）理想空載工作點T=0,n=n0,S=02）額定工作點（重要）TN,nN,SN(一般1.5~6%)3）啟動工作點(重要)Tst,n=0,S=1

一般Tst=0.8~1.5TN(P66頁)，而啟動電流Ist=5~7IN，

適當(dāng)增大R2(線繞式電機(jī))能明顯增大Tst且Ist減小一般Tmax=2~2.2TN，增大R2（線繞式電機(jī)）使Sm增大，而Tmax不變，機(jī)械特性曲線變?yōu)榫G色令：可得再代入轉(zhuǎn)矩公式，可得4）臨界工作點（重要）最大轉(zhuǎn)矩Tmax,nm,Sm

OTS1Sm§4.3

三相異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性與調(diào)速特性一.變磁極對數(shù)調(diào)速改變磁極對數(shù)P能改變磁場轉(zhuǎn)速特點：簡單，機(jī)械特性硬,效率高，有級調(diào)速，啟動時先接低速再接高速可明顯提高啟動性能。

SOT1二.改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速1.降壓調(diào)速由機(jī)械特性公式可知減小U會使T大大下降特點：機(jī)械特性變軟，拖動能力（Tst,Tmax）大大下降，無級調(diào)速，低速時效率低，發(fā)熱大。

TstTOS1降壓調(diào)速時的能量損失：旋轉(zhuǎn)磁場傳到轉(zhuǎn)子上的電磁功率Pe為：可見交流異步電動機(jī)低速時效率低，發(fā)熱大。轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的機(jī)械功率Pm為：功率差(又稱轉(zhuǎn)差功率)Ps為：單位：P--kw，T--N.m，n--r/min2.定子電路串電阻或電抗器調(diào)速串電阻或電抗器使定子繞組電壓下降，故特性與降壓調(diào)速類似。特點：簡單，機(jī)械特性軟，有級調(diào)速，低速時效率低，啟動性能明顯提高。3.轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速（線繞式電機(jī)）OTS1R2R2特點：能量可回饋電網(wǎng)，效率較高，調(diào)速范圍不大，復(fù)雜。4.串級調(diào)速（線繞式電機(jī)）OTS1轉(zhuǎn)子電路串與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢頻率相同、相位相反的附加電動勢，減小轉(zhuǎn)子電流實現(xiàn)降速。書P80圖5.43c不合理轉(zhuǎn)子電流特點：結(jié)構(gòu)簡單，無級調(diào)速，機(jī)械特性軟，效率不高。5.電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速OT電動機(jī)通過電磁轉(zhuǎn)差離合器產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動，離合器無勵磁電流時不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于負(fù)載被“離開”，電磁轉(zhuǎn)差離合器工作原理與異步電動機(jī)類似。電磁轉(zhuǎn)差離合器機(jī)械特性經(jīng)驗公式(If為離合器勵磁電流)：吊扇調(diào)速（通過定子繞組串電容來降壓調(diào)速）吊扇等風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載機(jī)械特性如綠線所示：TstTOM~220V通過改變電容值即可調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：指負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化不大，如起重機(jī)、機(jī)床的一次切削過程等。恒功率負(fù)載：如機(jī)床粗加工時切削深度大、切削力大、開低速；精加工時切削深度小、切削力小、開高速。需用變速箱來與電動機(jī)匹配。風(fēng)機(jī)類負(fù)載：如泵電動機(jī)多工作在恒轉(zhuǎn)矩方式（額定轉(zhuǎn)矩）。1.在額定頻率以下變頻為保持磁通額定,需使不變，即交流電壓隨頻率成比例下降。特點：機(jī)械特性硬，效率高，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，啟動性能大大提高，適合準(zhǔn)確自動調(diào)速。機(jī)械特性曲線如下(教材P65圖5.26，而P83圖5.48不大好)：OTf1N>f11>f12f11f12f1減小，Tmax基本不變，Tst增大三.變頻調(diào)速2.在額定頻率以上變頻交流電頻率增大時，轉(zhuǎn)速將增大，但因電壓不能超過額定電壓，故只能保持U不變，將變小，所以轉(zhuǎn)矩T也變小，屬恒功率調(diào)速。特點：機(jī)械特性硬，效率高，拖動能力下降，屬恒功率調(diào)速。OTfNf§4.4

三相異步電動機(jī)的啟動特性異步電動機(jī)啟動性能差：一般啟動轉(zhuǎn)矩Tst=0.8~1.5TN，而啟動電流Ist=5~7IN常用于10kw以下的電動機(jī)，也可按教材P67處理一.直接啟動（全壓啟動）二.定子電路串電阻或電抗器降壓啟動定子繞組接成星形（Y）時的電壓是接成三角形（Δ）時的，電磁轉(zhuǎn)矩為。三.Y-Δ降壓啟動六.利用控制電路限制啟動電流并保持恒值啟動（軟啟動）四.自耦變壓器降壓啟動五.利用變頻調(diào)速裝置低頻啟動七.線繞式異步電動機(jī)的啟動（轉(zhuǎn)子串電阻）1.逐級切除啟動電阻OTS1R2R22.轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動頻敏變阻器實質(zhì)上是鐵芯損耗很大的電抗器，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流頻率低時阻抗小，適合正常轉(zhuǎn)速；感應(yīng)電流頻率高時阻抗大，適合啟動；2.深槽式電動機(jī)八.特殊鼠籠式電動機(jī)1.雙鼠籠式電動機(jī)3.高轉(zhuǎn)差率鼠籠式電動機(jī)外籠電阻大，啟動性能好，稱為啟動籠。利用電流集膚效應(yīng)，等效使轉(zhuǎn)子啟動時電阻增大，減小啟動電流，提高啟動轉(zhuǎn)矩。增大轉(zhuǎn)子電阻，提高啟動性能，但機(jī)械特性變軟。§4.5

三相異步電動機(jī)的制動特性一.

反饋制動

當(dāng)異步電動機(jī)n>n0時，自動進(jìn)入反饋制動狀態(tài)，常見于電車下坡，變頻降速等。OT將制動能量轉(zhuǎn)為電能回饋電網(wǎng)，節(jié)能。特點：制動轉(zhuǎn)矩大,效率高,能量回饋電網(wǎng)。二.

反接制動1.電源反接制動將三相電源線中的任意兩相對調(diào)，旋轉(zhuǎn)磁場反向旋轉(zhuǎn)，從而制動，因電流很大，對于線繞式電機(jī)需轉(zhuǎn)子電路串電阻，機(jī)械特性如下圖所示；對于鼠籠式電機(jī)則在定子電路串電阻，但制動轉(zhuǎn)矩大大下降。OT特點：制動轉(zhuǎn)矩較大,能量損耗大。2.倒拉制動(線繞式電機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻)OT串大電阻使機(jī)械特性很軟，進(jìn)入倒拉制動狀態(tài)。特點：串入不同的電阻可靈活調(diào)整反轉(zhuǎn)速度，能量損耗較大三.

能耗制動

斷開三相電源，向定子繞組通入直流電，形成固定磁場，轉(zhuǎn)子電磁感應(yīng)產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)距，與直流電動機(jī)能耗制動原理相同。OT教材P87圖5.53b不正確特點：較簡單，制動效果較好，不節(jié)能?！?.6

單相異步電動機(jī)單相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)更簡單，廣泛用于電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱等，其定子繞組為單相。

單相定子繞組接220V單相交流電產(chǎn)生交變磁場（Φ=Φmsinωt），又稱脈動磁場，但不旋轉(zhuǎn)，若轉(zhuǎn)子靜止則無法啟動；此脈動磁場可用正、反兩個方向的旋轉(zhuǎn)磁場來等效，故若轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的則能一直轉(zhuǎn)下去。脈動磁場分解為正、反兩個方向的旋轉(zhuǎn)磁場（P89）⑥⑧⑦①B1B2BB2B1③④⑤⑤B④⑧⑦⑥③②②B

B2B1BB1B2B2B1B1B2BBB1B2BB2B1①一.電容分相式異步電動機(jī)在定子中放置有兩個繞組，一個是工作繞組A–X，另一個是啟動繞組B–Y,兩個繞組在空間互相垂直。其中啟動繞組B經(jīng)電容接單相電，使B繞組電流超前A繞組近90o，即可獲得旋轉(zhuǎn)磁場。iA?ABY???X~SiBiBiAO啟動繞組工作繞組S