第7章 交流電動機(節(jié)選)

電動機的分類：鼠籠式異步交流電動機授課內(nèi)容：

基本結(jié)構(gòu)、工作原理、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他勵、并勵電動機串勵、復(fù)勵電動機第7章交流電動機1.定子7.1

三相異步電動機的構(gòu)造鐵心：由內(nèi)周有槽的硅鋼片疊成。A----XB----YC----Z三相繞組機座：鑄鋼或鑄鐵

轉(zhuǎn)子:在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電流。2.轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。(1)

鼠籠式轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)形成一體?；蜩T鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。(2)

繞線式轉(zhuǎn)子同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式繞線式鼠籠式三相異步電動機（Squirrel-cage

rotor）是指電動機的定子上為三相散嵌式分布繞組，轉(zhuǎn)子為籠式的導(dǎo)條。因為該導(dǎo)條形狀與鼠籠相似，故稱之為鼠籠式異步電動機。電動機在定子繞組加三相交流電后，會形成旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)子上的閉合的導(dǎo)條會因為切割定子磁場的磁力線而感應(yīng)出電勢和電流，而帶電的導(dǎo)體在磁場中就會產(chǎn)生運動。電動機轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來了。這就是鼠籠式三相異步電動機的工作原理異步電機又叫感應(yīng)電機，轉(zhuǎn)子上的電磁場是通過定子磁場感應(yīng)出來的。同步電機轉(zhuǎn)子上要有自帶的磁場。異步電機的轉(zhuǎn)速會隨負載的不同，略有改變，而且這個轉(zhuǎn)速是低于定子磁場的轉(zhuǎn)速的，所以才叫異步電機。同步電機轉(zhuǎn)速嚴格的按定子磁場轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以叫同步電機。異步電動機可以直接啟動。同步電動機要有專門的啟動裝置或者啟動繞組，所以制造工藝復(fù)雜，造價高。異步電機一般用來做電動機，同步電機一般用來做發(fā)電機，也用來做補償機。鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。繞線式：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、維護工作量大；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動原理7.2.1旋轉(zhuǎn)磁場

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZ1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生oo規(guī)定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出(

)電流入

tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ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轉(zhuǎn)60°合成磁場旋轉(zhuǎn)90°600動畫oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉(zhuǎn)的磁場

即：一個電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360°取決于三相電流的相序2.旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向結(jié)論：任意調(diào)換兩根電源進線，則旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)。動畫任意調(diào)換兩根電源進線(電路如圖)AXCZBY0

to3.旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)P當(dāng)三相定子繞組按圖示排列時，產(chǎn)生一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，即：o

tAXBYCZAXYCBZ

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(zhuǎn)磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC極對數(shù)動畫旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關(guān)C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'04.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速工頻：旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于磁場的極對數(shù)p=1時0

toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2時0旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與極對數(shù)p的關(guān)系極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與頻率f1和極對數(shù)p有關(guān)。可見:7.2.2電動機的轉(zhuǎn)動原理1.轉(zhuǎn)動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動勢E20旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF

7.2.3轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。由前面分析可知，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，即異步電動機如果:無轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無轉(zhuǎn)矩因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速間必須要有差別。異步電動機運行中:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦可由轉(zhuǎn)差率求得轉(zhuǎn)差率s

例1：一臺三相異步電動機，其額定轉(zhuǎn)速

n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機的極對數(shù)和額定負載下的轉(zhuǎn)差率。解：根據(jù)異步電動機轉(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7.6

三相異步電動機的起動7.6.1起動性能起動問題：起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩小。

一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍;電動機的起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的(1.0~2.2)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(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線速度很大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子電流定子電流

7.6.2

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（適用于鼠籠式電動機）(3)轉(zhuǎn)子串電阻起動（適用于繞線式電動機）以下介紹降壓起動和轉(zhuǎn)子串電阻起動。設(shè)：電機每相阻抗為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U1U2V1V1W1W2

+－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L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2

正常運行Ul+＿U1V1V2W1W2(a)僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結(jié)的電機。

(b)Y－

起動Y－

換接起動適合于空載或輕載起動的場合Y-

換接起動應(yīng)注意的問題

正常運行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起動+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降壓起動L1L3L2FUQ

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(guān)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－

起動的鼠籠式異步電動機。RRR滑環(huán)電刷定子轉(zhuǎn)子起動時將適當(dāng)?shù)腞串入轉(zhuǎn)子電路中，起動后將R短路。起動電阻

2.繞線式電動機轉(zhuǎn)子電路串電阻起動?

若R2選得適當(dāng)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。常用于要求起動轉(zhuǎn)矩較大的生產(chǎn)機械上。R2-TTst

-TO轉(zhuǎn)子電路串電阻起動的特點

方法：任意調(diào)換電源的兩根進線，電動機反轉(zhuǎn)。電動機正轉(zhuǎn)電動機反轉(zhuǎn)三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)電源~UVWM3~UVW電源~M3~概述7.7

三相異步電動機的調(diào)速直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。但在20世紀的大部分時間里，由于直流傳動具有優(yōu)越調(diào)速性能，因而高性能可調(diào)速傳動都采用直流電動機，而不變速傳動則采用交流電動機。直到70年代末這種交直流傳動按調(diào)速分工的格局終于被打破。此后，交流調(diào)速系統(tǒng)主要沿下述三個方向發(fā)展和應(yīng)用。1.一般性能的節(jié)能調(diào)速在過去大量的不變速調(diào)速系統(tǒng)中，風(fēng)機、水泵等機械總量幾乎占工業(yè)電氣傳動總?cè)萘康囊话肫渲杏胁簧賵龊喜⒉皇遣恍枰{(diào)速，只是過去交流電動機本身不調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，從而使許多電能被白白浪費掉了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，每臺風(fēng)機、水泵平均可節(jié)能20%，效果很可觀。2.高性能交流調(diào)速系統(tǒng)過去許多需用直流調(diào)速的場合，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、維護方便、轉(zhuǎn)動慣量小、效率高，因此如果采用交流調(diào)速，其靜、動態(tài)性能完全可以和直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美。但目前來講，其控制系統(tǒng)相比與直流調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜。可用于軋機、造紙機等要求調(diào)速性能較高的場合。直流電極換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，而交流電動機則不受這個限制，因此特大容量的傳動，如厚板軋機、礦井提升機等和極高轉(zhuǎn)速的傳動，都宜采用交流調(diào)速為宜。3.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動機的調(diào)速方法三種電氣調(diào)速方法7.6.1變頻調(diào)速(無級調(diào)速)變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可構(gòu)成高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，最具有發(fā)展前途。電力電子和微機控制技術(shù)是現(xiàn)代交流調(diào)速的物質(zhì)基礎(chǔ)。有了電力電子變流裝置，解決了調(diào)速裝置過去設(shè)備多、體積大、成本高等問題，使交流調(diào)速得到飛躍的發(fā)展。矢量控制的發(fā)明，提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的性能，但其控制電路的設(shè)計、制造和調(diào)試都很麻煩，采用微機控制后，用軟件實現(xiàn)矢量控制算法，使硬件電路規(guī)范化，從而降低了成本，提高了可靠性，還可實現(xiàn)更復(fù)雜的控制技術(shù)。

f=50Hz逆變器M3~整流器f1、U1可調(diào)+–~（1）變頻調(diào)速方法頻率調(diào)節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲7.7

三相異步電動機的調(diào)速根據(jù)可知頻率f下調(diào)時，轉(zhuǎn)速n降低。而頻率f上調(diào)時，轉(zhuǎn)速n升高。7.7.2變極調(diào)速

(有級調(diào)速)A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii??P=1采用變極調(diào)速方法的電動機稱作雙速電機，由于調(diào)速時其轉(zhuǎn)速呈跳躍性變化，因而只用在對調(diào)速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機床上。A1··A2X1X2SNTo7.7.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻。其優(yōu)點是調(diào)速方法簡單、設(shè)備簡單投資少，缺點是能耗較大。輕載時調(diào)速范圍小。這種調(diào)速方式廣泛應(yīng)用于各種提升、起重設(shè)備中。對泵類也能應(yīng)用nn'??TLTLs

′s??Tso7.8

三相異步電動機的制動7.8.1

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，直流電流形成的固定磁場與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子作用，產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)距（制動轉(zhuǎn)距），使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動。M3~+-運轉(zhuǎn)制動?RPnF轉(zhuǎn)子T

n0=07.8.2

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(diào)，使電動機定子產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，從而獲得所需的制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動。

M3~運轉(zhuǎn)制動?nF轉(zhuǎn)子T

n07.8.3

發(fā)電反饋制動

當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距作用方向發(fā)生變化，由驅(qū)動轉(zhuǎn)距變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)距。電動機進入制動狀態(tài)，同時將外力作用于轉(zhuǎn)子的能量轉(zhuǎn)換成電能回送給電網(wǎng)。nF轉(zhuǎn)子T

n0n>n0

同步電動機在結(jié)構(gòu)上比異步機復(fù)雜，但比直流機簡單。和同容量的直流機相比，它具有效率高，過載能力大，體積小，轉(zhuǎn)動慣量小，等優(yōu)點，并可做到大容量、高電壓、高轉(zhuǎn)速。和異步電動機調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、效率高、控制性能好等優(yōu)點。7.10

同步電動機

同步調(diào)速系統(tǒng)的缺點（1）同步機需在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵磁裝置，其維護量增加。（2）同步機的控制比異步機的復(fù)雜。

同步機的定子（電樞）和三相異步電動機的一樣；而它的轉(zhuǎn)子是磁極，由直流勵磁。7.10.1

同步電動機的工作原理7.10

同步電動機1.轉(zhuǎn)動原理定子三相繞組通入三相交流電旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近n0時，對轉(zhuǎn)子勵磁。轉(zhuǎn)子磁場因受定子磁場磁拉力的作用而隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，達到同步轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)子磁場的磁極對數(shù)與定子磁場的磁極對數(shù)相等。

單相異步電動機主要應(yīng)用于電動工具、洗衣機、電冰箱、空調(diào)、電風(fēng)扇等小功率電器中。單相異步電動機的定子中放置單相繞組,轉(zhuǎn)子一般用鼠籠式。定子繞組中通入單相交流電后,形成脈動磁場，若不采取措施，將無法獲得所需的起動轉(zhuǎn)矩。定子定子繞組轉(zhuǎn)子AA'

NS7.11.1

單相異步電動機的工作原理7.11

單相異步電動機為了獲得所需的起動轉(zhuǎn)矩，單相異步電動機的定子進行了特殊設(shè)計。常用的單相異步電動機有電容分相式異步電動機和罩極式異步電動機。他們都采用鼠籠式轉(zhuǎn)子，但定子結(jié)構(gòu)不同。7.11.2電容分相式異步電動機

電容分相式異步電動機的定子中放置有兩個繞組，一個是工作繞組A–A'，另一個是起動繞組B–B',兩個繞組在空間相隔90o。起動時，B–B'繞組經(jīng)電容接電源，兩個繞組的電流相位相差近90o，即可獲得所需的旋轉(zhuǎn)磁場。為了獲得所需的起動轉(zhuǎn)矩，單相異步電動機的定子進行了特殊設(shè)計。常用的單相異步電動機有電容分相式異步電動機和罩極式異步電動機。他們都采用鼠籠式轉(zhuǎn)子，