电工学讲义5-电动机详解

n0 n s 100% 1000 975 100% 2.5% 1000 n0
转子旋转方向
转子n
与旋转磁场的方向一致, 即，与相序方向一致。 思考 如何让电动机反转？
磁场n0
三相异步电动机的正、反转 方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。
电源
L1
L2
~
电源
L3
L1
~
L2
t 0
U1
Im
i i 1
i2
i3
t
o
t 60
600
A Y
60
N
Z
t 90
A Y Z C
V2
N
W2
W1
S
U2
C
V1
S
X B
S
X
N
B
i1=0 i2<0(V1出,V2入） i3>0 (W1入，W2出 ） 产生一对磁极
i1>0 i2<0 i3=0 磁场旋转60º
i1>0 i2<0 i3<0 磁场旋转90º
第五章 电动机
基 本 要 求
本章要求：
1. 了解三相交流异步电动机的基本构造和转动 原理。 2. 理解三相交流异步电动机的转矩和机械特性， 掌握起动的基本方法, 了解调速的方法。
3. 理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。
电动机的分类： 同步电动机
交流电动机 电动机
直流电动机
源自文库异步电动机
三相电动机
i1
旋转磁场的产生 i2
i3
磁场 旋转 一周
t =0
t =120
t =240
t =360
i1=0 i2<0 i3>0 磁场旋转120º
i1=0 i1>0 i1<0 i2<0(V1出,V2入） i2=0 i2>0 i3>0 (W1入，W2出 ） i3<0 i3=0 产生一对磁极 磁场旋转120º 磁场旋转120º
又因为转子导体的电流是由旋转磁场感应而来的 （转子并不接电源）所以又称
感应电动机
n与n0的关系
转 差 率: S=(n0-n) / n0
或 S=(n0-n) / n0×100％
转差率是描述异步电动机运行情况的一个重要的概念：
电动机启动瞬时： n =0， S = 1, 转差率最大 空载运行时：
n空 最大，S空 最小
转子沿磁场旋转方向以转速n旋转
F
磁场n0 转子n
N
左手螺旋定则 F
F
S
四指为电流方向,大拇指为电磁力方向
转子n
磁场n0
转子沿旋转磁场方向旋转, 若转子转速n上升为同步转速n0， 则转子与旋转磁场之间没有相对转速， 转子中没有感生电动势和转子电流， 没有电磁转矩的产生
转子转速只能小于同步转速，故称为异步电动机
常数，与电 机结构有关
2 U 1. T 与定子每相绕组电源电压 1 成正比。U 1 T
2. 当电源电压 U1 一定时，T 是转差率s 的函数。
3.转子导体电阻R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电 动机可外接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。
转矩特性曲线
sR2U 根据转矩公式 T K 得转矩特性曲线： 2 2 R2 ( sX 20 )
起动方法
全压直接起动：适用于小容量电机，二三十千瓦以下 的异步电动机一般采用直接起动。 Y– 起动
降压起动 补偿器（自耦变压器）起动法
绕线式电动机的起动
（1）Y－ 起动：
+
U
I l
+
_
U
_
I lY
设：电机每相阻抗为 z
正常运行
I l U Z
U 3 Z
起动
3
I lY
IlY 1 Il 3
i 2 I m sint 120
i 3 I m sint 240
i 3 W1
i2
V1
i i 1 Im
o
i2 i3
()电流入
V2
U1
t
W2 W1 U2 V1
规定 i : “+” 首端流入，尾端流出。 (•)电流出
i : “–”
尾端流入，首端流出。
三相电流合成磁 场 的分布情况
R I 2 I 1
三相异步电动机的调速方法
调速：指负载不变的情况下，人为改变电动机的转速
n=(1-S)n0= 60 (1-S) f1 / p
变频调速 变极调速 无级调速 有级调速
三相异步电动机的调速方法
调速：指负载不变的情况下，人为改变电动机的转速
n=(1-S)n0= 60 (1-S) f1 / p
与相序一致
转子电流的产生
磁场以n0 顺时针旋转 转子以n0逆时针切割磁力线 磁场与转子相对运动 转子导体中产生感生电动势
转子电路闭合
转子电路中产生电流(方向同电动势)
N
右手螺旋定则
转子
磁场
S
大拇指为转子旋转方向,四指为电动势方向
电磁转矩的产生——转子旋转
转子电流产生后
形成电磁转矩
导体在磁场中产生电磁力
T2
n s T2
O
T2 T´2 电动机的电磁转矩可以随负载的变化 而自动调整，这种能力称为自适应负载能力
T
硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。
n0
n
R2
n
O
T2Tst Tmax T
Tst
不同场合应选用不 同的电机。如金属切 削，选硬特性电机； 重载起动则选软特性 电机。
变频调速 变极调速 无级调速 有级调速
f1、U1可调 逆变器
~
f=50Hz
+
整流器
–
M 3~
异步电动机的铭牌
三相异步电动机 型号：Y132M-4 功率：7.5KW 频率：50HZ
电压： 380V
转速：1440r/min
电流：15.4A
绝缘等级：B
接法：
工作方式：连续
××××年××月 编号：××
××电机厂
绕组末端：U2，V2，W2 根据电源电压和电动机绕组 的额定值三相绕组接为星形 或三角形
Y

三相异步电动机的转动原理
旋转磁场的产生
三部曲
转子电流的产生 电磁转矩的产生
转子转动
旋转磁场的产生
电动机三相绕组做“Y”形连接， 三相对称电流通入相应的定子绕组
i1 I m sint
i1
U1 W2 U2 V2
＿
W2 U1 W1 V2 V1 U2
+
Ul
＿
W2 U2 V2 W1
＿
+ UP
U1
V1
正常运行 (b) Y－ 起动 I st Tst (TSt
起动
Y－ 换接起动适合于空载或轻载起动的场合
1 UP Ul 3
U ) 1 TstY TStΔ 3
2
(2) 自耦降压起动
合刀闸开关Q Q
U1 V2’ W2’ V1 W1’ U2’
V1
i2 i3
W1’ V2’ V2 W2 V1’
W1
U2 W1 V1’ W2 U1’V2
i1
U1
U2 U1’ W2’ U2’
N

i2 i3
W1’ V2’ V2 W2 V1’
W1
S
V1
S


N
如图，此时形成的磁极是两对。
极对数
p2
旋转磁场的转速
n0= 60f / p (r/min)
Y－ 起动器接线简图 静触点
W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1
L3 L2 L1 S FU
动触点 动触点
U2
V2
△
U1
V1
Y
W1
W2
Y－ 起动器接线简图
S
W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1
L3 L2 L1
U1 + + UP Ul ＿W2 U2
＿
FU
W1
V2
单相电动机
他励、并励电动机 串励、复励电动机
鼠笼式异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、 机械特性、启动、调速、铭牌
异步电动机的结构
定子：
转子：
铁芯、定子绕组和机座 转子铁心、转子绕组、风扇及转子轴
笼型转子
绕线式转子
异步电动机的结构
常见鼠笼式转子的结构
三相异步电动机的定子绕组共六个出线端，引至机座的出 线盒内。 绕组首端：U1，V1，W1
Tst TN
4. U1 和 R2变化对机械特性的影响 (1) U1 变化对 机械特性的影响 (2) R2 变化 对机械特性的影响
Tm U Tst
O
T


n0
n U U U '''
n0
n
R2
n
O
Tmax T
Tst
5. 电动机的运行分析
n0
n
n
常用特 性段
稳定运行区
L3
L2
L1 Q2上合： 切除自耦变 压器，全压 工作。
FU
Q2 Q2下合：
接入自耦变 压器，降压 起动。
自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时 联成 Y形不能采用Y－起动的鼠笼式异步电动机。
（3）绕线式电动机转子电路串电阻起动 起动电阻
定子 转子 R
R
R
•
电刷 滑环
起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。
PN 7.5 TN 9550 9550 49.7 N . m nN 1440
2.最大转矩 Tmax 电机带动最大负载的能力。
Tmax
2 U1 K 2 X 20
n n0
(1) Tmax U , U 1 Tmax
2 1
O
Tmax
T
当 U1 一定时，Tmax为定值
(2) 过载系数(能力)
旋转磁场的产生
小 结
i1
U1
W2 U2 V2 V1
当电动机三相绕组做“Y”形连接， 三相对称电流通入相应的定子绕组
i 3 W1
i1 I m sint
i 2 I m sint 120
i 3 I m sint 240
磁场旋转产生
i2 在三相绕组中 分别产生磁场
磁极旋转
一般三相异步电动机的过载系数为
Tmax TN
1.8 ~ 2.2
(3)工作时必须使转子轴上机械负载转矩T2 <Tmax ，否则 电机将严重过热而烧坏
3. 起动转矩 Tst 电动机起动时的转矩。 起动时n= 0 时，s =1
n0 n
R2U 12 Tst K 2 2 R2 X 20
额定负载运行时:
n < n空，S>S空
一般 SN=1-6％
例1：一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数 和额定负载下的转差率。 解： 根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n0=1000 r/min , 即 p=3 额定转差率为
合成两个磁极 （磁极对数为1）
电流交变
极对数（P）的概念
U1 V2
补充 U1 W2 U2 V2 V1
N
W2
i1
W1
V1
S
U2
i 3 W1
i2
此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。 即：
p 1
极对数（P）的改变
将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。
i1
U1
U2 U1’ W2’ U2’
软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大， 起动特性好。
异步电动机的起动和调速
电动机从接通电源到正常工作的过程叫起动过程。 对频繁起动停车的电动机，其起动性能对生产影响很大。 起动转矩： 为额定转矩的1~1.2倍 起动电流： 为额定电流的4~7倍（因为转差率S 很高）
定子电流
起动时 ，n = 0，转子导体切割磁力线速度很大， 转子感应电势 转子电流 定子电流 大的起落电流将引起电路中其他用电设备上电压不稳， 必须选用合适的起动方法限制起动电流。
型号：Y 132 M—4
L3
电动机 正转
M 3~
M 3~
电动机 反转
三相异步电动机的转动小结
旋转磁场的产生
三部曲
转子电流的产生 电磁转矩的产生
转子转动
三相异步电动机转矩与机械特性
转矩
转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁 力所形成的转矩之总和。
sR2 2 TK 2 U 1 2 R2 ( sX 20 )
转子静止时，转子导体漏感抗
V1
起动
U1
V1
Y起动
U2
V2
W1
W2
Y－ 起动器接线简图
S
W1 L3 V2 U2 L2 V1 W2 L1 U1
L3 L2 L1
+ Ul
＿
W2 U1
W1 V2 V1 U2
FU
正常运行
工作
U1
V1
W1
U2
V2
W2
Y- 换接起动应注意的问题 (a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 + Ul
Tmax
Tst
TN
2 1
T
n n0
nN
O
S N Sm
1 S
O
TN Tst Tmax T
机械特性曲线
转矩特性曲线 临界转差率
三个重要转矩
nN 1.额定转矩TN 电动机在额定负载时的转矩。
n0
n
PN (千瓦) TN 9550 (N • m) nN (转 / 分) O
TN
T
如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功 率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为
n0称为同步转速
n0取决于电源频率f 和电动机的磁极对数p
极对数 每个电流周期 磁场转过的空间角度 同步转速
( f 50Hz)
n0
p 1
p2 p3
360 180 120
3000(转/分）
1500(转/分） 1000(转/分）
旋转磁场的方向
当三相电流的 相序为：123，
旋转磁场方向为：U1V1W1
(1) Tst U , U1 Tst
2 1
(2) Tst与 R2 有关， 适当使 R2 Tst 。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R´2 , 可使Tst =Tmax 。
Tst T Tst体现了电动机带 载起动的能力。 若 Tst > T2电机能起 动，否则不能起动。
O
起动能力 K st