三相异步电动机的原理及其应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三相异步电动机的结构包括两个基本部分：定子 （静止部分）、转子（运动部分）。
定子是电动机的静止部分，主要由定子铁心、定子
绕组和机座三部分组成。
转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心、转 子绕组和转轴三者组成。
根据转子绕组的形式，可分为鼠笼式（解释）和绕 线式（解释）两大类
电动机是驱动生产机
械的电器设备，其主要 特性便是机械特性
本章建议学时数：8学时 其中，原理、结构及其使用： 4学时 控制：4学时 学时数较少时也可用4学时左右做个简单介 绍
5.1 感应电动机
电动机属于电机学 研究范畴，为电工电 子技术课程的提高章 节
理解并掌握一定的 电动机方面的知识对 理解各种生产机械在 生产过程中的应用有 十分重要的意义
目前，绝大多数电动机均为感应电动机，可通过如 上所示示意图来理解。
上图中，线圈中的感应电动势与旋转磁场相互作用， 将使线圈受到电磁力，产生电磁转矩，使线圈随着旋 转磁场旋转。旋转磁场旋转越快，线圈旋转也就越快； 旋转磁场反转，线圈也跟着反转。这便是感应电动机
的运转原理。
在左图中，若假定线 圈与旋转磁场转速相 同，那么，线圈也就 不会切割磁力线，也 就不可能生产感应电 动势，线圈也就不可 能旋转。
当三相绕组中流过三相对称电流（解释）时，将 产生旋转磁场。可通过图5-1-4来理解。
可见，当定子绕组中通入上述三相电流后，它们 共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间 不断地旋转，即三相电源可产生旋转磁场
5.2 三相异步电动机的结构及主要特性
三相异步电动机的工作原理和感应电动机的 原理相同，外观如图5-2-1，内部结构如上
普通高等教育“十-·五”国家级规划教材 电工电子技术（高职高专版）
主 编： 陈 新 龙
第5章三相异步电动机的原理及其应用
本章从感应电动机的原理出发，介绍了三相 异步电动机的工作原理、结构、机械特性、使 用及其控制方法。读者学习本章应深入理解电 磁感应是电动机的运转基础，理解交流电动机 的工作原理；深入理解电动机电磁转矩、转差 率等概念，进而理解电动机的机械特性；理解 电动机使用过程中起动、制动、反转、调速等 概念及方法，理解常见控制电器特点，掌握三 相异步电动机控制的初步知识。
因此，线圈的转速总是略小于旋转磁场的转速，因 此，感应电动机又叫异步电动机。
异步电动机的分类
显然，图5-1-1示电动机缺乏实用性。
由于直接旋转实际的磁极不太现实，也难以保证 电动机运行足够的功率和稳定性，因此，以某种 方式产生旋转的磁场是电动机走向实用的关键。
实际三相电动机的运动部分是转子，而产生旋转 磁场的电气部件是静止不动的，称它为定子。定 子中嵌有三相绕组，具体如图5-1-2。
理解电动机的机械特 性应理解电动机的转 差率、转矩等概念
三相电源产生旋转磁场，带动转子转动。但转子的 转速n总是要略小于旋转磁场的转速（用n0表示，常 称为三相异步电动机的同步转速）。
异步电动机的转差率s用于描述转子转速与旋转磁场 的转速之间的差别，定义为转子转速n与旋转磁场转 速n0相差的程度，定义式如上
电动机的T=f（s）的关系曲线的一个实例如上图。 由图可直观看出电磁转矩随转差率之间的变化关系
T=f（s）特性曲线只是间接地表示了电磁转矩与转 速之间的关系。若把T=f（s）特性曲线的s轴变成n 轴，然后把T轴平行移动到n=0，s=1处，将换轴后 的坐标轴顺时钟旋转90℃，便可得到电动机机械特 性曲线的另一种形式（转速n与转矩T的关系曲线） 如上图
转差率是异步电动机的一个重要物理量。一般情况 下，转子转速只是略小于电动机的同步转速。在额 定负载下，电动机的转差率约为1%~9%。
计算转差率需要计算电动机的同步转速n0。对某 一电动机而言，同步转速是个常数，由上式确定 式中，p为旋转磁场的极对数，f为通入绕组的三相 电流的频率。
一般情况下，三相电流的频率是个常数，为工频。 在我国，工频f=50Hz。 可见，旋转磁场的转速决定于磁场的极对数（和三 相绕组的安排有关）
【例5.2.1】 有一台三相异步电动机，其额定 转速n=1425 r/min，请计算电动机的磁极对 数和额定负载时的转差率（工频f=50Hz）
在三相异步电动机中， 既存在磁路，也存在电 路。可画出三相异步电 动机的每相电路如右
可对照变压器的电路模 型 理解
比较上图与图4-2-2（变压器的电路模型），不难 发现，三相异步电动机机中的电磁关系与变压器的 电磁关系类似，三相异步电动机的定子绕组相当于 变压器的原绕组，转子绕组相当于变压器的副绕组， 只是电动机的转子绕组一般是短接的。
直接利用上式计算转矩很不方便，可利用电动机的电路模型 来寻找计算转矩更为简便的公式。可导出电磁转矩的另一个 表达式如上（式中，K为一常数）
电磁转矩是反映电动机做功能力的物理量
电磁转矩反映了电
动机做功能力，反 映了电动机的机械 特性。
把转矩T与转差率s的关系 曲线T=f（s）或转速n与转 矩T的关系曲线n=f（T）称 为电动机的机械特性曲线
可见，转子电路的各个物理量，如电动势、 电流、频率、感抗及功率因素等都与转差率 有关。
电动机输送给生产机械 的是电磁转矩T（简称 转矩）和转速。
理解电动机的转矩的 对更好地使用电动机 意义深远
电磁转矩表达式如上
式中，KT为转矩系数，与电动机的结构有关；Фm 为磁通Ф的最大值；I2为转子电流；cosφ2为 转子 电路功率因素。
ab区间为电动机的稳定运行区间 电动机运行在稳定区间不需借助 其它机械和人为调节，自身具有 自动适应负载变化的能力。 电动机的稳定工作区间直线较平 坦，电动机转速变化不大，这种 特性称为电动机硬的机械特性。
可导出三相异步电动 机的转子电路的各个物 理量。
转子绕组中的感应电 动势e2为
式中，f2为转子电流i2的Leabharlann Baidu化频率；f1为磁通Ф的 变化频率；Фm为磁通Ф的最大值；N2为转子绕组的 匝数；S为转差率
令R2、X2为转子每相绕组的电阻和感抗（漏磁感 抗），可得出转子每相电路的转子电流I2和功率因 素cosφ2如上 式中，X20为在n=0，即s=1时的转子感抗， X2=sX20；E20为在n=0，即s=1时的转子电动势， E2=sE20
定子是电动机的静止部分，主要由定子铁心、定子
绕组和机座三部分组成。
转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心、转 子绕组和转轴三者组成。
根据转子绕组的形式，可分为鼠笼式（解释）和绕 线式（解释）两大类
电动机是驱动生产机
械的电器设备，其主要 特性便是机械特性
本章建议学时数：8学时 其中，原理、结构及其使用： 4学时 控制：4学时 学时数较少时也可用4学时左右做个简单介 绍
5.1 感应电动机
电动机属于电机学 研究范畴，为电工电 子技术课程的提高章 节
理解并掌握一定的 电动机方面的知识对 理解各种生产机械在 生产过程中的应用有 十分重要的意义
目前，绝大多数电动机均为感应电动机，可通过如 上所示示意图来理解。
上图中，线圈中的感应电动势与旋转磁场相互作用， 将使线圈受到电磁力，产生电磁转矩，使线圈随着旋 转磁场旋转。旋转磁场旋转越快，线圈旋转也就越快； 旋转磁场反转，线圈也跟着反转。这便是感应电动机
的运转原理。
在左图中，若假定线 圈与旋转磁场转速相 同，那么，线圈也就 不会切割磁力线，也 就不可能生产感应电 动势，线圈也就不可 能旋转。
当三相绕组中流过三相对称电流（解释）时，将 产生旋转磁场。可通过图5-1-4来理解。
可见，当定子绕组中通入上述三相电流后，它们 共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间 不断地旋转，即三相电源可产生旋转磁场
5.2 三相异步电动机的结构及主要特性
三相异步电动机的工作原理和感应电动机的 原理相同，外观如图5-2-1，内部结构如上
普通高等教育“十-·五”国家级规划教材 电工电子技术（高职高专版）
主 编： 陈 新 龙
第5章三相异步电动机的原理及其应用
本章从感应电动机的原理出发，介绍了三相 异步电动机的工作原理、结构、机械特性、使 用及其控制方法。读者学习本章应深入理解电 磁感应是电动机的运转基础，理解交流电动机 的工作原理；深入理解电动机电磁转矩、转差 率等概念，进而理解电动机的机械特性；理解 电动机使用过程中起动、制动、反转、调速等 概念及方法，理解常见控制电器特点，掌握三 相异步电动机控制的初步知识。
因此，线圈的转速总是略小于旋转磁场的转速，因 此，感应电动机又叫异步电动机。
异步电动机的分类
显然，图5-1-1示电动机缺乏实用性。
由于直接旋转实际的磁极不太现实，也难以保证 电动机运行足够的功率和稳定性，因此，以某种 方式产生旋转的磁场是电动机走向实用的关键。
实际三相电动机的运动部分是转子，而产生旋转 磁场的电气部件是静止不动的，称它为定子。定 子中嵌有三相绕组，具体如图5-1-2。
理解电动机的机械特 性应理解电动机的转 差率、转矩等概念
三相电源产生旋转磁场，带动转子转动。但转子的 转速n总是要略小于旋转磁场的转速（用n0表示，常 称为三相异步电动机的同步转速）。
异步电动机的转差率s用于描述转子转速与旋转磁场 的转速之间的差别，定义为转子转速n与旋转磁场转 速n0相差的程度，定义式如上
电动机的T=f（s）的关系曲线的一个实例如上图。 由图可直观看出电磁转矩随转差率之间的变化关系
T=f（s）特性曲线只是间接地表示了电磁转矩与转 速之间的关系。若把T=f（s）特性曲线的s轴变成n 轴，然后把T轴平行移动到n=0，s=1处，将换轴后 的坐标轴顺时钟旋转90℃，便可得到电动机机械特 性曲线的另一种形式（转速n与转矩T的关系曲线） 如上图
转差率是异步电动机的一个重要物理量。一般情况 下，转子转速只是略小于电动机的同步转速。在额 定负载下，电动机的转差率约为1%~9%。
计算转差率需要计算电动机的同步转速n0。对某 一电动机而言，同步转速是个常数，由上式确定 式中，p为旋转磁场的极对数，f为通入绕组的三相 电流的频率。
一般情况下，三相电流的频率是个常数，为工频。 在我国，工频f=50Hz。 可见，旋转磁场的转速决定于磁场的极对数（和三 相绕组的安排有关）
【例5.2.1】 有一台三相异步电动机，其额定 转速n=1425 r/min，请计算电动机的磁极对 数和额定负载时的转差率（工频f=50Hz）
在三相异步电动机中， 既存在磁路，也存在电 路。可画出三相异步电 动机的每相电路如右
可对照变压器的电路模 型 理解
比较上图与图4-2-2（变压器的电路模型），不难 发现，三相异步电动机机中的电磁关系与变压器的 电磁关系类似，三相异步电动机的定子绕组相当于 变压器的原绕组，转子绕组相当于变压器的副绕组， 只是电动机的转子绕组一般是短接的。
直接利用上式计算转矩很不方便，可利用电动机的电路模型 来寻找计算转矩更为简便的公式。可导出电磁转矩的另一个 表达式如上（式中，K为一常数）
电磁转矩是反映电动机做功能力的物理量
电磁转矩反映了电
动机做功能力，反 映了电动机的机械 特性。
把转矩T与转差率s的关系 曲线T=f（s）或转速n与转 矩T的关系曲线n=f（T）称 为电动机的机械特性曲线
可见，转子电路的各个物理量，如电动势、 电流、频率、感抗及功率因素等都与转差率 有关。
电动机输送给生产机械 的是电磁转矩T（简称 转矩）和转速。
理解电动机的转矩的 对更好地使用电动机 意义深远
电磁转矩表达式如上
式中，KT为转矩系数，与电动机的结构有关；Фm 为磁通Ф的最大值；I2为转子电流；cosφ2为 转子 电路功率因素。
ab区间为电动机的稳定运行区间 电动机运行在稳定区间不需借助 其它机械和人为调节，自身具有 自动适应负载变化的能力。 电动机的稳定工作区间直线较平 坦，电动机转速变化不大，这种 特性称为电动机硬的机械特性。
可导出三相异步电动 机的转子电路的各个物 理量。
转子绕组中的感应电 动势e2为
式中，f2为转子电流i2的Leabharlann Baidu化频率；f1为磁通Ф的 变化频率；Фm为磁通Ф的最大值；N2为转子绕组的 匝数；S为转差率
令R2、X2为转子每相绕组的电阻和感抗（漏磁感 抗），可得出转子每相电路的转子电流I2和功率因 素cosφ2如上 式中，X20为在n=0，即s=1时的转子感抗， X2=sX20；E20为在n=0，即s=1时的转子电动势， E2=sE20