电工电子技术-刘蕴陶 第4章三相异步电动机

绕线转子
滑环
转子绕组
电刷
外接电阻
转子铁心
绕线转子结构示意
滑环 电刷
转子绕组
转 子
手柄 可变电阻器
26
4-3 三相异步电动机的电磁转矩
与机械特性
电磁转矩是决定电动机输出机械功率大小的重要因 素，也是电动机的一项性能重要指标
一.三相异步电动机电磁转矩的基本公式
T CTΦI 2 cos2
CT 转矩常数
转矩平衡方程
电磁转矩 T= TL+ TO ≈ TL
0
TL
负载转矩 TL 空载转矩 TO
b
c Tm T
稳定运行区 ab段 与转矩特性的0b端对应
电动机在d点稳定运行 T = TL, 转速n
31
负载转矩↓为 TL→ T ＞ TL n
→ n↑→ 工作点沿特性曲线 n
上移 电磁转矩 T↓→ d
n
d d
d
点→ T = TL→ 转矩平衡。 电动机以较高转速 n稳定运
农业方面 脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械 家用电器 电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等 1
本章主要内容 4-1 三相异步电动机的转动原理 4-2 三相异步电动机的构造 4-3 三相异步电动机的机械特性 4-4 三相异步电动机的使用
电 工作原理 电与磁的相互作用 机 电磁感应定律和电磁力定律
4-1 三相异步电动机的转动原理和旋转
磁场的产生 一.转动原理和转差率 s
模型机 p139. 图4-1-1
N
n1
·F
蹄性磁铁
n
转子 短路线圈
F
p145. 图4-2-5(b)
n1
S
（一）转动原理 电磁感应定律---右手定则
旋转磁场
电磁力定律---左手定则
外力拖动蹄性磁铁旋转，形成空间旋转磁场，旋转磁
场的转速n1
使转子同方向转动,转速n
3
(二)转差率s
线仅稍有倾斜，负载转矩在较
大范围内变化，转速n变化不 大，一般仅为2%～8%。适用 于金属切削机床等
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二.三个重要的电磁转矩
b
c
TN
Tm T
1.额定转矩TN
电动机在额定状态下运行,转轴上的机械负载是额定负载,
电动机输出额定机械功率PN,转速是额定转速nN,电动机
所产生的电磁转矩就是额定转矩TN 34
讨论
Tmax
K
U12 2X 20
sm
R2 X 20
（1）Tmax与电源电压U1的平方成正比，但sm（临界转
速nm ）与U1无关
na
过载系数
Tm a x TN
nm
0.8U1
过载系数是表示电动机稳定运
b U1
行的重要数据,同时也表示了
电动机容许的短时过载运行能
力
0
c
Tm ax Tm T
过载系数 越大,电动机适应电源电压U1波动的能力就
电机结构决定的系数
Φ 旋转磁场每极下的磁通量,表示磁场的强弱
I2 转子绕组电流有效值
cosφ2 转子绕组电路功率因数（转子绕组电路是电
感性电路）
27
二.转矩特性 T = f（s）
T
KU12
R22
sR2 (sX 20 )2
K 常数 电机结构决定
U1 交流电源电压的有效值
R2 转子绕组电路的电阻
转差率 s n1 n n1
n
b
行
负载转矩↑为 TL→ T ＜ TL
→ n↓→ 工作点沿特性曲线
下移 → 电磁转矩 T ↑ → d
点→ T = TL→ 转矩平衡。 电动机以较高转速 n稳定运
行
0
TL TL TL
Tm T
结论：电动机在ab段工作，具有自动适应负载变化的
能力
32
n
非稳定运行区 bc段
a
假设电动机原在e点运行
负→载n↑转→矩工T作L突点然沿↓特→性T曲＞线上TL ne
U
iU
U
iV iW
V V
U1
iU
iW
iV
W1
V1
WW
对称三相绕组对称放置在定子铁心圆周的内表面如图41-2(p140)所示
对称三相绕组可做星形或三角形连接。以星形连接为例
三相绕组外接三相电源,三相电流的正方向自绕组的首
端指向末端
6
（一）两极旋转磁场的产生 对称三相电流
iU=Im sin t iV=Im sin( t-120 ) iW=Imsin( t+120 )
稳定运行区 0b段 （ 0＜S＜Sm ） 特性 T ∝S
非稳定运行区 ba段 （ S＞Sm ） 特性 S↑→T↓ 29
T b
Tm
TSt
a
0
n=n1
Sm
理想空载
S
S=1
n=0,起动
②起动转矩TSt （n = 0、S = 1）
30
三.机械特性 n = f (T )
n
U1、R2、X20 为常数
ad
n
(一)稳定运行区 和非稳定运行区
电动机在额定状态下运行,转轴上输出的机械功率 单位 W或kW
三.电压(额定电压)U1N
电动机在额定状态下运行,定子绕组所应加的线电压
四.电流(额定电流)I1N
电动机在额定状态下运行,输出额定功率时,定子绕组 的线电流 五.接法 电动机在额定电压下运行,定子三相绕组的连接方法
Y系列电动机额定电压U1N =380V PN ≤3kW 定子绕组Y连接 PN ＞4kW △连接41
计算公式
TN
PN
N
PN 103 9550 PN
2nN 60
nN
PN的单位 千瓦(kW)
nN的单位 转每分(r／min)
转矩TN的单位 牛米(N·m)
计算举例
三相异步电动机Y160M-4
PN =11kW、 nN =1460 r／min
额定转矩
TN
9550 11 1460
71.95 N m
35
2.起动转矩TSt (p151)
定子
一. 定子
三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕 组组成
定子绕组
机座
铁心
定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成
在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组
U1
U2
V1
V2
W1
W2
三相定子绕组的接法 星形连接
三相电源
U1 V1
W1
U2
V2
W2
三相电源
U1 V1 W1 W2 U2 V2
接线盒 21
之比
42
效率
PN
三相定子绕组的接法 三角形连接
三相电源
U1 V1 W1
U2 V2 W2
三相电源
U1 V1 W1 W2 U2 V2
二.转子 由转子铁心和绕组组成
笼型转子
是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁 心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来
转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成 笼形铸铝转子 p145 图4-2-5（c）
起动瞬间 n = 0，s = 1
T∝
U
2 1
X20 起动瞬间转子绕组电路的感抗
转矩特性 T = f（s）
U1、R2、X20 为常28数
T b
Tm 转矩特性 用曲线表示
TSt
s n1 n n1
a
说明:
0
n=n1
Sm
理想空载
S
S=1
n=0,起动
①以最大电磁转矩Tm对应的转差率Sm为界,分为具有不
同特性的两段
异步电动机的转动原理是建立在旋转磁场与转子导体
相对运动的基础上。因此，转子的转速n必定低于旋 转磁场的转速n1 。即n ＜n1
旋转磁场的转速n1 同步转速
转差率
s n1 n n
n1
n1
转差率s是表示异步电动机运行状态的重要物理量 4
转子轴上的阻转矩越大,异步程度越大;反之,则异步程 度较小。转差率s就反映了这种异步程度
Tst ＞Tst
这一特点使绕线转子异步电动机具有较好的起动特性
和调速特性
39
4-4 三相异步电动机的铭牌数据
一.型号
Y系列电动机型号的表示方法示例 Y 160 M 4 磁极数 S--短机座 机座类别代号 M--中机座 L--长机座 表示机座中心高(mm)
表示异步电动机
40
二.功率(额定功率)PN
六.频率fN 我国使用的电力标准频率是50Hz
七.转速(额定转速)nN
电动机在额定状态下运行时的转速
八.功率因数cosφ
φ是定子绕组相电流滞后相电压的角度
在额定工作状态下,三相异步电动机的功率因数cosφ约 在0.7～0.9之间。空载或轻载运行时， cosφ较低，仅 为0.2～0.3
九.效率η
在额定工作状态下,输出机械功率PN与输入电功率P1N
12
（三）旋转磁场的转速
同步转速n1---r／min（每分钟的转数）
以上分析的是二极旋转磁场（磁极对数 p=1），交流电 变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周
交流电频率f1=50Hz，则
同步转速 n1 =50×60=3000r／min。
改变电动机三相绕组的结构，可使旋转磁场的磁极对数 p=1、2、……
ωt = 0°
8
U
iW
V W1
W
U1
iU iV
V1
U1 V2 W2
S
N
⊙ W1U2 V1 ⊙
⊙
ωt= 90°
U
iW
W1 V
W
U1
iV
V1
S ⊙ U1
V2 W2
⊙ W1 U2 V1 N
ωt= 180°
9
N
V2
U1 ⊙ W2
W1 U2 V1 ⊙ S
ωt = 0°
U1 V2 W2
S
N
⊙ W1U2 V1 ⊙
越强,短时过载运行能力也越强
38
Tmax
K
U12 2X 20
sm
R2 X 20
na
R2
nm R2
b
nm R2 ＜R2
(2)Tmax与转子绕组电路的电 0 阻R2无关,但Sm与R2成正比
c Tst Tst Tmax T
U1保持不变， R2阻值增大， sm增大，对应的转速nm
降低，机械特性曲线下移，特性变软，起动转矩加大
移→ T↑→ n↑ → 经过 b 点，进 入稳定运行区，在对应转速下 0 运行
b e
c TLe Tm T
负载转矩 TL突然 ↑ → T ＜ TL→ n↓→ 工作点沿特性
曲线下移 T↓→ n↓ → 最后导致 n = 0，电动机停转（c 点）
33
硬机械特性
n a
电动机正常工作就在特性曲线 nN
的稳定运行区(ab段)。此段曲 nm
3.最大电磁转矩Tmax
最大电磁转矩Tmax 机械特性临界点所对应的电磁转矩,
又称临界转矩，所对应的转差率称为临界转差率sm
Tmax是在一定的电源电压U1 n a 下电动机能够提供的最大电
磁转矩
nm
最大电磁转矩Tmax
Tmax
K
U12 2X 20
0
临界转差率sm
sm
R2 X 20
b
c Tm T
37
相序 U→V→W
i
iU iV iW
⊙ V2
U1 W2⊙
W1 V1 U2 ⊙
U
iU
iV
V
iW
W
0
t
7
i
iU iV iW
0
U
t V
W
90° 60° 180
°
U
U1
U1
N
iU
V2 W2
V
W1
iV
V1
S
W1 U2 V1 ⊙ ⊙
W
ωt = 60°
U1
iW
W1
iV
V1
N
V2
U1 ⊙ W2
W1 U2 V1 ⊙ S
⊙
ωt= 90°
U1
N
V2 W2
S
W1
U2 V1 ⊙ ⊙
ωt = 60°
S ⊙ U1
V2 W2
⊙ W1 U2 V1
N
ωt= 180°
10
综上分析可以得出：
对称放置(空间位置差120º 角)的对称三相绕组，通入 对称三相电流时，在空间产生强弱不变、转速恒定的 旋转磁场
（二）旋转磁场的旋转方向
由三相绕组通入三相电流的相序决定
电动机起动瞬间 理想空载时
n=0 s=1 n = n1 s = 0
s 的变化范围 0～1
电动机正常工作时 s 约为（0.015～0.06)
二.旋转磁场的产生
极性与强弱（每极下的磁通量）不变，以确定的方向 和转速在空间旋转的磁场。
5
在对称三相绕组中通入对称三相电流，即可产生旋转
磁场
⊙ V2 U1 W2⊙ W1 V1 U2 ⊙
第四章 三相异步电动机
交流电动机的作用 交流电能 → 机械能
交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类
交流异步电动机由交流电源供电,结构简单,性能 良好、价格便宜、使用维护方便，是使用最广的 动力机械 , 其消耗的电功率约占电网总电量的 70%
工业方面 中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起
重机械，矿山机械等
增加磁极对数 p=2（四极旋转磁场）旋转磁场的转速较 前者减半
同步转速
n1
60 f1 2
60 50 2
1500
r
min
13
具有p对磁极的旋转磁场
同步转速
n1
60 f1 p
(r／min)
P143 表4-1
电动机正常运行时，转速n接近但略低于同步转速n1，
转差率s =（n1— n）／n1 约在(0.15～0.06)之间
相序 U→V→W 旋转磁场在空间的旋转方向从U相绕组→V相绕组→W 相绕组。旋转磁场顺时针方向转动
改变通入三相电流的相序，如将V相、W相绕组与电 源的连线对调，旋转磁场将逆时针方向转动
iU U1
U
U
iU U1
W1
iV
V1
V
W
iW
相序U-V-W
iV W1
V
W
iW V1
相序U-W-V
改变电动机的旋转方向
电动机接通电源的瞬间，转速n=0、转差率s=1，电动机
所产生的电磁转矩即为起动转矩TSt
计算公式
na
TSt
KU12
R2
X
2 20
nm
b
注意:
TSt
U
2 1
起动转矩TSt越大，电动机带
负载起动的能力越强
0
起动能力 TSt／TN
c Tst Tm T
一般笼型转子异步电动机的TSt／TN约在1～2.2之间 36
14
4-2 三相异步电动机的构造 定子 产生旋转磁场 转子 产生感应电流和电磁转矩
外形
三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件
端盖
机座
三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件
定子
机座
端盖
轴承 转子