电工学原理 第5章 电动机

N
× U2
N
W2 V2 × × ×V· ·W2S来自W1N·
·
U2
·V1
W1
1
W1×
× U2
·V1
S
当U、V、W相电流达到最大值时，合成旋转磁 场的磁极N和S依次从U相绕组的轴线移到V、 W相绕组的轴线上。
合成磁场的旋转方向决定于三相绕组电流的相序。
控制电动机反转L
异步电动机转子的转向与 旋转磁场的方向相同。 所以要改变异步电动机的 转动方向只需改变异步电 动机三相电源的相序。
第二台：
PN 7.5 TN 9550 9550 49.4 N m nN 1450
异步电动机产生的电磁转矩可直接由电磁力定律 , 通过计算转子上各导条所受的力得到。
异步电动机上电磁转矩为：
T CT m I 2 cos 2
CT （包含了力臂）是与电动机的结构有关的常 数称为电动机转矩常数 。
每相转子电路的电动势平衡方程式：
E2 I 2 Z 2 I 2 (r2 jx2σ )
每相转子绕组感应电动势的有效值：
E2 4.44 f 2 N 2 k 2 m
转子感应电动势的频率f2
当转子以转速n转动时，旋转磁场与转子的相对速度：
n2 n0 n
转子绕组中感应电动势和电流的频率为：
E2
I2
E20
T CT m I 2 cos 2
cos 2
r 2 ( 2 ) 2 x20 s r2
E20 4.44 f1 N 2 k2 m
U1 E1 4.44 f1 N1k1 m
r22 ( sx20 ) 2
电动机的电磁转矩（机械特性）：
sr2 E12 sr2U12 T K 2 K 2 2 2 r2 ( x2σ ) r2 ( sx20 )
2. 异步电机的基本工作原理
（1）异步电机的基本工作原理
n0 · f ·n
× ×
·
×
Φ
f
转差率
同步转速n0与转子转速n之差与同步转速n0的比值称 为转差率（也称滑差）：
n0 n s 100% n0
电动机运行在额定状态时，s约为1.5～6％左右。 异步电动机正常运行时的转速总是低于同步转速，即 两种转速之间总是存在差异。异步电动机的名称也由 此而来。
1. 三相异步电动机的转矩平衡
异步电动机带动负载运转时，转子上作用着三个转矩： • 电磁转矩T：由i2和Φ m相互作用引起电磁力所产生的
• 空载制动转矩T0 ：由电动机的机械损耗pm 和附加损 耗pad引起的 • 负载制动转矩T2 ：转子拖动的机械负载反作用在转 子上的力矩 电动机稳定运行时，转矩平衡方程式：
1
L2
L3
S1
S2
U
V
W
3）旋转磁场的磁极对数—— p
当三相异步电动机的每相定子绕组只有一个线圈时， 所产生的合成磁场的极数为 2（一个N极、一个S 极），即磁极对数p＝1
U1
N
V2
×
·
W2
W1×
·V1
S
U2
4极旋转磁场
合成旋转磁场由二个N磁极和二个S磁极组成，极数变 为4，即磁极对数p＝2
4）旋转磁场的转速——同步转速n0
对于两极电机即旋转磁场的磁极对数p＝1，当电 流变化一周（电角度为360°）时，旋转磁场在空 间正好转动一圈（空间角度为360°）。 如果电流每秒变化f1周，则旋转磁场就转动f1圈。 旋转磁场的转速即同步转速为：
60 f1 n0 （转/分，r/min） p
接在工频电源上不同极数的异步电动机的同步转速
f1
N1 k1
N2
k2
f2
异步电动机的定子电路和转子电路之间只有磁的耦合 而没有电的联系 。
每相定子电路的电动势平衡方程式：
U1 E1 I1 Z1 E1 I1 (r1 jx1σ )
定子绕组的电阻和漏电抗很小， 电动机的电源电压： U1
E1 4.44 f1 N1k1 m
n为电动机的转速，单位（转/分，r/min）
例 ： 有 两 台 功 率 都 为 PN=7.5k 的 三 相 异 步 电 动 机 UN=380V 、 nN=962r/min 一 台 ， 另 一 台 UN=380V 、 nN=1450r/min ，求两台电动机的额定转矩。 解：第一台：
PN 7.5 TN 9550 9550 74.45 N m nN 962
i1W
·
W2
0
W1×
t1
t2
t3
t
·V1
S
U2 U1 ×
U1 ×
W2 V2
U1
V2
· S · ·
N
× U2
N
×
W2 V2 × × ×V W1×
· ·W2 ·V1
× U2
S
W1
N
· ·
U2
·V1
W1
1
S
2）磁场的旋转方向
i1U i1V
i1W
0
t1
t2
t3
t
U1 × V2 × × W2
U1
U1
V2
· S · ·
第5章 电动机
5.2 三相异步电动机
5.2.1 三相异步电动机的基本结构和工作原理 1. 三相异步电动机的基本结构
固定部分称为定子 异步电机 旋转部分称为转子
在定子和转子之间有一很小的间隙，称为气隙。
三相异步电动机的结构图
（1）定子
异步电机的定子是异步电动机固定不动的部分。
定子绕组
定子铁心
机座
（2）转子
一台交流电动机，当将交流电源接在定子绕组上，可 以使其转轴带动生产机械运转，从而完成将输入的电 能转换为机械能的过程，即为交流电动机。 在原动机的驱动下，电机向电网输入交流电，完成将 转轴上输入的机械能转换成电能的过程，而成为交流 发电机。 同一台交流电机在不同的外界条件下，即可作为电 动机运行，也可作为发电机运行。这就是交流电机 的可逆性原理。
克服负载制动转矩T2所消耗的功率： P2
T2
——电动机转轴上输出的机械功率为：
2. 三相异步电动机的电磁转矩
T Pmec


P2 pm pad

由于电动机的机械损耗pm和附加损耗pad很小，
P2为异步电动机输出的机械功率，单位为千瓦（kW）
P2 P2 T 9550 （牛顿· 米，N· m） 2n n 60
p n0
(r/min)
1
2
3
4
5
6
3000
1500
1000
750
600
500
（2）三相异步电动机的三种运行状态
转差率s是异步电动机运行时的一个重要物理量。 根据s的正负和大小可以判断异步电动机工作在电动 状态、发电机状态还是电磁制动状态。
1）电动运行状态
n0
·
·
×
Φ
×
f ·n
×
f
当异步电机转子 的转向与旋转磁 场的转向相同而 且 转 速 n<n0 （0<s<1）时。
I2 E2
2 r22 x2σ

sE 20 r22 ( sx 20 ) 2

E 20 r2 2 2 ( ) x20 s
其中：E20 4.44 f1 N 2 k2 m
由于转子电路显感性，所以转子电流 I 2 滞后 转子电路的功率因数为： r2 r2 cos 2 2 2 2 2 r2 x 2 σ r2 ( sx 20 )
n 2 p n0 n n 0 p f2 sf 1 60 n0 60 注意：在当转子静止时，即s=1、f2＝f1。
电动机额定运行时s很小，所以转子的频率较低，约 几赫兹。
由转子电路的电动势平衡方程式：
E2 I 2 Z 2 I 2 (r2 jx2σ )
转子每相电流的有效值：
电动运行状态:定子从电网吸收电功率，转子从轴 上输出机械功率。
2）发电机运行状态
n0
f
×
×
Φ ·
×
n
原动机拖动电机使 n>n0 （s<0）。 电磁转矩对原动机 来说为制动转矩。
·
· f
原动机要保持转子 继续转动，必须输 入机械功率。
异步电机的定子方由原来从电网吸收电功率改为向电 网输出电功率。
3）电磁制动运行状态
式中三项T、Φm和 I 2 cos 2 符合左手定则。
公式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由气隙中的 旋转磁场Φm与转子电流的有功分量 I 2 cos 2相互作 用产生的。
三相异步电动机电路示意图
定子
r1
U1 I1
jx1σ
E1
jx2σ
r2
n
转子
E2
I2
电路是静止的
电路是旋转的
u
i
输出 机械能 e 耦合磁场 T
输入 电能
电系统
机械系统
1）功率平衡
输入的电 功率 P1
pCu1 pFe1 pCu2 pm+ pad
PT
Pmec
P2 输出的机 械功率
电磁功率 PT P p Cu1 p Fe1 1
机械功率 Pmec PT p Cu2 P2 Pmec ( p m p ad )
异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转 轴组成。
转子
风扇
转子铁心
转子铁心为电动机磁路的一部分，一般也由0.5mm厚 的硅钢片叠成。
转轴
转子铁心
转子绕组
转子绕组的作用是感应电动势，流过电流和产生电 磁转矩。 转子绕组的结构型式：鼠笼式和有绕线式两种。