交流电机基础理论

交流电机基础理论
常用的交流电动机有三相异步电机（感应电机）和同步电机。

异步电机可用于一般场所和无特殊性能要求的各种机械设备；同步电机既可作发电机使用，也可作电动机使用。

Y 系列三相异步电机
三相稀土永磁同步电机
4.1 交流电机基础理论 电磁场理论
4.1.1 交流电机的基本工作原理
原理：
基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电流所产生的合成磁场）和转子电流
（转子绕组内的感应电流）的相互作用。

工作原理
定子绕组与电源的连接
4.1.2 交流电机的基本电路分析
由于转子转速不等于同步转速，把转速差（n0－n）与同步转速n0的比值称为
异步电动机的转差率，用S表示，即
三相异步电动机的结构
按结构分类：
鼠笼式异步电动机：结构简单，坚固，成本低。

绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。

4.2.1 三相异步电动机的基本结构
定子
定子由铁心、绕组与机座三部分组成。

定子铁心是电动机磁路的一部分，它是由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的。

定子绕组是电动机的电路部分由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边分别放在两个槽里。

三相对称绕组AX，BY，CZ可连接成星型或三角形。

机座主要用于固定与支撑定子的铁心。

转子
转子有铁心与绕组组成。

异步电动机的转子绕组有鼠笼式、线绕式。

4.3.1 定子电路分析
定子由铁心、绕组与机座三部分组成；定子铁心是电动机磁路的一部分，它是由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的。

定子绕组是电动机的电路部分，由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边分别放在两个槽里。

三相对称绕组AX，BY，CZ可连接成星型或三角形。

定子每相绕组中产生的感应电动势为：
有效值为：
定子电动势或电流的频率：
漏磁电动势：
定子每相绕组上的电压为：
式中，R1和X1（X1＝2πf1LL1）——定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。

4.4.1 三相异步电动机的电磁转矩
三相异步电动机的转矩:
三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而生成的。

它与Φ和I2 的乘积成正比，此外，它还与转子电路的功率因素cosφ2 有关。

转矩表达式：
式中，K——与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；
U1，U ——定子绕组相电压，电源相电压；
R2——转子每相绕组的电阻；
X20——电动机不动（n＝0）时转子每相绕组的感抗。

4.4.2 三相异步电动机的固有机械特性
固有机械特性：
异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中的不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。

电动机的理想空载转速：
额定转矩及额定转差率：S=(N1-N2)/N1
转矩－转差率特性的实用表达式，即规格化转矩－转差率特性启动转矩：
常见的启动方式：
直接启动（全压启动）
电阻或电抗器将压启动
Y－△将压启动
自耦变压器将压启动
延边三角形启动
4.5.1 直接启动
所谓直接启动，就是将电动机的定子绕组
通过闸刀开关或接触器直接接入电源，再额定下启动，
如图示。

由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么
情况下才允许采用直接启动，主要取决于电动机的果农
功率与供电变压器的容量之比值。

直接启动因无需附加设备，且操作和控
制简单、可靠、所以，在条件允许的情况下应尽量采用
，考虑到目前在大中型厂矿企业中，变压器的容量已经
足够大，因此，绝大数中，小型鼠笼式异步电动机都采
用直接启动。

4.5.2 电阻或电抗器降压启动
异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降
压启动原理接线图如图示。

启动时，接触器1KM断开，
KM闭合，将启动电阻RST串入定子电路，时启动电流
减
小；待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，RST被短
接
，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。

这种启动方法的缺点是：
启动转距随定子电压的平方关系下降，其机械特
性见图示，故它只适用于空载或轻载启动的场合。

不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，
不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器
所需设备较贵，且体积大
由公式在已知T的条件下可推算出S：
再由公式和公式可得到：
根据上述公式，改变其四个参数（Tmax、Sm、f、p），有如下4种相应的调速方法：
调压调速
转子电路串电阻调速
改变极对数调速
变频调速
4.6.1 改变定子磁极数的调速特性
由式n0=60f/p 可知，如果磁极对数p减小一半，则旋转磁场的转速n0将提高一倍，转子转速n差不多也提高一倍。

因此改变p可以得到不同的转速。

如何改变磁极对数，取决于定子绕组的布置和联接方式。

原理：变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速，其转速是按阶跃方式变化，而非连续变化。

应用：变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。

下图是YD系列(IP44)变极多速三相异步电动机。

YD系列(IP44)变极多速三相异步电动机
4.6.2 改变定子回路电压的调速特性
常见的三种制动方式：
能耗制动
反馈制动
反接制动
4.7.1 能耗制动特性
异步电动机的反接制动用于准确停车有一定的困难，因为它容易造成反转，而且电能损耗也比较大；反馈制动虽然是比较经济的制动方法，但它只能在高于同步转速下使用；而能耗制动却是比较常用的准确停车的方法。

原理图如下：
进行能耗制动时，首先将定子绕阻从三相电流电源断开（1KM打开），接着立即将一抵押直流电源统入定子绕阻（2KM闭合）。

直流电流通过定子绕阻后，在电动机内部建立一个固定不变的磁场，由于转子在运动系统存储的机械能维持下继续旋转，转子导体内就产生感应电势和电流，该电流于恒定磁场相互作用产生作用方
向于转子实际旋转方向相反的制动转矩，在它的作用下，电动机转速迅速下降，此时运动系统贮存的机械能被电动机转换成电能后消耗在转子电路的电阻中
单相异步电动机
单向异步电机，是一种容量从几瓦到几百瓦，由单向交流电源供电的旋转电机。

具有结构简单、成本低廉、运行可靠等优点。

被广泛运用于电风扇、洗衣机、电冰箱、吸尘器、医疗器械及自动化控制装置中。

单相异步电机的启动方法：
1、电容分相式异步电动机
2、罩极式单相异步电动机
4.8.1 单相异步电动机的磁场
单相绕组电流建立的脉动磁场：
一个脉动磁场可以分解为两个幅值相等、速度相同、旋转方向相反的两个磁场．
叠加原理：
把一台单相异步电机可以想象成是两台完全相同、旋转方向相反的三相鼠笼式电动机同轴运行，两台三相电机的机械特性完全一样，对称于坐标原点。

当n=0时电动机的转矩为零，即电机无法启动。

结论：
1.在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，即启动转矩为零；
2.单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向不固定，完全取决于启动时的旋转方向。

步电动机：
同步电机既可以作发电机运行，亦可以作电动机运行。

同步电动机也是一种三相交流电机，它除了用于电力传动外，还用于补偿电网功率因素。

发电厂中的交流发电机，全部采用同步电机。

4.9.1 同步电动机的结构特点
与同步电机一样，同步电机也分定子和转子两大基本部分。

定子由铁心、定子绕阻（又叫电枢绕阻，通常是三相对称绕阻，并通有对称三相交流电流）、机座以及端盖等主要部件组成。

转子包括主磁极、装在主磁极上的直流励磁绕组、特别设置的鼠笼型启动绕阻、电刷以及集电环等主要部件。

由于同步电动机中作为旋转部分的转子只通以较小的直流励磁功率，故同步电动机特别适用于大功率高电压的场合。

同步电动机分定子和转子两大基本部分。

定子由铁心、定子（电枢）绕组、机座以及端盖等主要部件组成。

转子则包括主磁极、装在主磁极上的直流励磁绕组、特别设置的鼠笼型启动绕组、电刷以及集电环等主要部分。

同步电动机的工作原理
电枢绕组通以对称的三相交流电流后，气隙中便产生一电枢旋转磁场，其旋转速度为同步转。