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1、课程主讲人：第7章 交流电动机第7章交流电动机 主讲教师：杨威电动机+凸轮Taptic Engine电动机简介电机一种利用电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置发电机发电机发电厂发电厂电网电网电动机电动机电动机简介电动机简介电动机简介按用途驱动用电动机控制用电动机（步进电机、伺服电机）按运动方式旋转电动机直线电动机按供电方式直流电动机交流电动机同步电动机异步电动机三相异步电动机单相异步电动机（占比70%）本章知识要点 1 三相异步电动机 的基本结构三相异步电动机的基本构造三相异步电动机结构示意图定子由钢制机座、硅钢片铁心和三相绕组线圈构成三相异步电动机的基本构造定子由钢制机座、硅钢片铁心和三
2、相绕组线圈构成三相异步电动机的基本构造转子由转轴、硅钢片铁心和转子绕组构成转子有两种形式鼠笼式转子和绕线式转子三相异步电动机的基本构造(a) 铁心槽内放铜条端部用短路环形成一体(b) 铸铝形成转子绕组鼠笼式转子结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变机械特性三相异步电动机的基本构造槽内有转子绕组，三相星形联结，绕组通过滑环与电刷联结绕线式转子结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。三相异步电动机的基本构造 2 三相异步电动机 的转动原理1 异步电动机转动的一般原理NSn0eiBlve B磁感应强度 Tl 导条长度 mv导条切割磁力 线的相对速度 m/seiN
3、Sn0neiffBlif B磁感应强度 Tl 导条长度 mi 感应电流 A1 异步电动机转动的一般原理1. 线圈跟着磁铁转 两者转动方向一致2. 线圈比磁场转得慢 nn0n0neiNS旋转磁场旋转磁场f异步)(0nnvv 导条切割磁力线的相对速度1 异步电动机转动的一般原理2 旋转磁场的产生三相对称电流电流流入首端为正2 旋转磁场的产生2 旋转磁场的产生旋转磁场旋转磁场电角度空间角度电角度空间角度2 旋转磁场的产生3 旋转磁场的转向任意对调两根任意对调两根导线即可换向导线即可换向4 旋转磁场的极数NS极对数 p=1产生两对磁极旋转磁场的定子绕组分布及其电气连线NSSN极对数 p=24 旋转磁场
4、的极数5 旋转磁场的转速 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时时工频工频f1=50Hzn0=50(r/s)n0=60f1=3000(r/min)p=2时时 n0=60f1/2=1500(r/min)(r/min 6010pfn 5 旋转磁场的转速)/( 6010分分转转pfn 2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速Hz)50(1 f3p120分）转/( 00014p分分）转转/( 750905 旋转磁场的转速6 三相异步电动机的转动原理定子三相绕组通入三相交流电旋转磁场方向顺时针，
5、转速pfn1060感应电动势e（感应电流i）e=Blv，方向用右手定则判断电磁力f=Bli，方向用左手定则判断转子转动，转速nn0导条切割磁场带电导条处于磁场中7 三相异步电动机的转差率转子转动方向与磁场旋转的方向相同转子转速n小于旋转磁场同步转速n0，即 n R2 220222222222)(cossXRRXRR s12 cos)cos(2 sn)(2 Isn3 转子电路 5 三相异步电动机的 转矩和机械特性1 电磁转矩电磁转矩是由转子电流（I2）和旋转磁场（）共同作用所产生22T cosIKT 常数，与电常数，与电机结构有关机结构有关旋转磁场旋转磁场每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路
6、的转子电路的功率因数功率因数转子电流的有功分量部分（I2cos2）起作用22022212)(sXRUsRKT电磁转矩公式：22022202)( XREIss2202222)(cosXRRs 111444NfU.NfE2120444.22 cosIKTT将下列各式代入1 电磁转矩由公式可知1) T 与定子每相绕组电压U12成正比。U 1 T 3) 当电源电压 U1 和电阻R2一定时，T 是转差率 s 的函数。2) R2 的大小对 T 有影响。绕线型异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转矩。电磁转矩公式：22022212)(sXRUsRKT1 电磁转矩2 机械特性22022212)(
7、sXRUsRKTs较小，202XRs时sRsUKT221s较大，202XRs时ssXURKT122021222022212)(sXRUsRKT2 机械特性1. 额定转矩电动机在额定负载时的转矩nPT260min)/()(rkW9550N2NNnPT 额定转矩(N m)可由额定功率 P2N和额定转速nN求得RFT602nRFVFP2 机械特性转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则将造成堵转(停车)20212XUKTmax202mXRss2. 最大转矩电动机带动负载的最大能力22022212)(sXRUsRKT对转矩公式求导，并令其导数为零，可求出临界转差率sm及对应的Tmax电机严重
8、过热而烧坏12 II2 机械特性20212XUKTmax3) 过载系数NmTTmax 2281m. 1) Tmax 与定子每相绕组电压U12成正比 U 1 Tmax 2) R2 对 Tmax 没有影响 但会影响临界转差率sm，R2 sm n 绕线型异步电动机改变转子电阻R2，可实现调速202mXRss，一般2. 最大转矩2 机械特性22022212stXRURKT起动时，n= 0 ，s =1Tst T2，电机能起动，否则不能起动3. 起动转矩电动机在起动时的转矩22022212)(sXRUsRKT2 机械特性3. 起动转矩1) Tst 与定子每相绕组电压U12成正比 U 1 Tst 3) 起动
9、系数NststTT 221st. 2) Tst 受R2影响。适当增加R2可使Tst增大，一般22022212stXRURKT2 机械特性4. 电动机的运行分析常用特性段自适应负载能力电磁转矩可以随负载的变化而自动调整是电动机区别于其它动力机械的重要特点n 原状态，T=T2，转矩平衡，转速为nT2T转矩不平衡s E2=sE20 I2 T 达到新平衡T2=TI1 Pin 支撑2 机械特性5. U1 对机械特性的影响20212XUKTmax202mXRss22022212stXRURKT电压下降，曲线左移Tmax，Tst都降低，sm不变不适于通过调压来调速2 机械特性6. R2 对机械特性的影响20
10、212XUKTmax202mXRss22022212stXRURKT电阻增大，曲线下移R2=X20时， Tst=Tmax适于通过调电阻来调速Tmax不变，sm增大， Tst增大2 机械特性硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。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。不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；如电梯或起重机，选软特性电机。6. R2 对机械特性的影响2 机械特性6 三相异步电动机的起动1 三相异步电动机的起动问题起动问题：起动电流 Ist大，起动转矩 Tst小。一般中小型笼型电机的起动电流为额定电流的57 倍起动转矩为额定转矩的12.2倍，小于
11、最大转矩大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：转子转速 n=0，转差率 s=1。转子感应电动势为最大值E20 转子电流I2大 定子电流I1(Ist)大转子导体切割磁力线速度最大2 三相异步电动机的起动方法二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。星形-三角形(Y ) 换接起动自耦降压起动3 笼型异步电动机的起动ZUIll3YZUIll3 31Y llII 起动正常运行设定子绕组每相阻抗为Z1. Y- 换接降压起动仅适用于正常运行为三角形连接的电动机1. Y- 换接降压起动起动电流减小，起动转矩也减小lUU31PSYtst31TT Y- 换接
12、起动适合于空载或轻载起动的场合3 笼型异步电动机的起动开关下合接入自耦变压器，降压起动开关上合切除自耦变压器，全压工作适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y 换接起动的鼠笼型异步电动机2. 自耦降压起动工作过程3 笼型异步电动机的起动2. 自耦降压起动直接起动时，相电压 Up1，起动电流 Ist接入自耦变压器相电压aP112P1P2kUNNUU电动机端的电流astP1stP22stkIUIUI自耦变压器输入端的起动电流2asta2ststkIkII起动转矩2aststkTT 3 笼型异步电动机的起动4 绕线型异步电动机的起动转子串电阻起动22022202stXREI22022212st
13、XRURKTI2st R2 I1st Tst R2 7 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速三种电气调速方法变极调速；变转差调速；变频调速pfsnsn106011调速：机械调速；电气调速1. 变极调速极对数 p=2极对数 p=1三相异步电动机的调速优点：操作设备简单1. 变极调速缺点：只能有级调速，不能平滑调速，调速时其转速呈跳跃性变化，只能用在对调速性能要求不高的场合只适用于鼠笼型异步电动机，因为鼠笼型转子的磁极对数能自动随定子绕组磁极对数变化而变化三相异步电动机的调速2. 变转差调速调压调速转子串电阻调速调压调速：调速范围有限，容易使电机过电流。转子串电阻调速：调速平滑、设备简单，但能
14、耗较大。三相异步电动机的调速3. 变频调速 fN=50Hz整流器逆变器M3 f1、U1可调UVW变频器三相异步电动机的调速工频(额定频率fN)以下调速 f1 fNUN EN= 4.44 fNN1 U1 E1= 4.44 f1N1 f1和U1同比例减小，保持不变，转矩T近似不变，恒转矩调速f1增加时，U1保持不变，会减小，转矩T会减小转速增加的同时，转矩减小，而功率近似不变，恒功率调速三相异步电动机的调速8 三相异步电动机的制动制动方法机械制动电气制动反接制动能耗制动发电反馈制动三相异步电动机的制动停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调1. 反接制动运行制动三相异步电动机的制动制动时，
15、转子切割磁场的速度是旋转磁场速度和转子速度之和，感应电动势很大，会在转子回路产生很大的冲击电流，从而也对电源产生冲击，常在定子电路串接电阻限流1. 反接制动优点：制动强度大，制动速度快电动机不仅从电源吸取能量，而且还从机械轴上吸收由机械系统降速时释放的动能，两部分能量都以电能形式消耗在转子电阻上缺点：能量损耗大，对电机和电源产生的冲击大，也不易实现准确停车三相异步电动机的制动在切断三相电源同时，将一直流电源接到电动机的任意两相绕组上2. 能耗制动运行制动三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动电动机转子转速大于旋转磁场转速时，驱动转矩变为制动转矩3. 发电反馈制动运行制动电动机进入制动状态，变
16、为发电机，将外力作用于转子的能量转换成电能回馈给电网。 9 三相异步电动机的 铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机三相异步电动机型号型号 Y180M4 功率功率 18.5kW 频率频率 50Hz电压电压 380V 电流电流 35.9A 接法接法 转速转速 1470r/min 绝缘等级绝缘等级 E 功率因数功率因数 0.86效率效率 0.91 温升温升 60 工作方式工作方式 连续连续出厂编号出厂编号xx 出厂日期出厂日期xx xx电机厂电机厂 1. 型号铭牌铭牌 Y 三相异步电动机180 机座中心高（mm） M 机座长度代号 4 磁极数（p = 2） 2. 频率电网电压的频率，在我
17、国是工频50Hz3. 电压也有铭牌表示为：380/220V、Y/ 是指线电压为 380V 时采用 Y联结，线电压为 220V 时采用 联结一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5% 在电动机满载或接近满载情况下运行时：电压过高，磁通增大，励磁电流大，使电动机过热电压过低，电流大于额定值，使电动机过热；转矩下降，易堵转在额定运行时定子绕组上应加的额定线电压UN三相异步电动机的铭牌数据4. 电流也有铭牌表示为：20.73A/35.9A、Y/ 是指线电流在Y联结时为20.73A ， 联结时为35.9A两种接法下相电流都为20.73A在额定运行时定子绕组上的额定线电流IN5. 功率与效率功率
18、是指在额定运行时轴上输出的额定机械功率P2效率 是指 P2与从电网输入电功率P1的比值P1与P2差值是损耗功率，包括铜损、铁损及电动机轴承机械损耗等12PP cos3NN1IUP cos3NN2IUP 三相异步电动机的铭牌数据6. 功率因数额定负载时功率因数最高，约为 0.7 0.9轻载或空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3定子电流比定子电压滞后一个角，cos 就是电动机的功率因数 必须正确选择电动机的容量，尽量使电动机保持在满载下工作7. 转速铭牌中给出的是在额定负载下的转速，也就是额定转速nN重载时稍慢，轻载时稍快，空载时接近同步转速n0根据铭牌数据可以判断极对数p和额定转差率sNnN
19、=1470r/min，则n0=1500r/min，p=2，2% 0N0Nnnns三相异步电动机的铭牌数据8. 接法在额定电压下定子三相绕组的连接方法 三相异步电动机的铭牌数据9. 工作方式10. 绝缘等级、温升连续工作制：可在额定功率下连续运行，绕组不会过热短时工作制：只能在规定的时间内依照额定功率短时运行断续工作制：电动机的工作是短时的，但能多次重复运行绝缘等级是指电动机所采用的绝缘材料的耐热等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)温升是指定子铁心和绕组温度高于环境温度的允许温差三相异步电动机的铭牌数据10 三相异步电动机的选择三相异步电动机的选择1. 三
20、相异步电动机的类型1) 根据运行环境分类开启式电动机全封闭式电动机密闭式电动机防爆电动机1. 三相异步电动机的类型2) 根据电气和机械特性分类普通起动转矩电动机：Tst=(0.71.3)TN，Ist6.4IN (15150kW)高起动转矩电动机：Tst=2TN，Ist6.4IN高转差率电动机：nN=(0.850.9) n0，转差率为10%15%三相异步电动机的选择要求机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械的拖动应尽可能选用鼠笼型电动机只有在需要调速、不能采用鼠笼型电动机的场合才选用绕线型电动机2. 鼠笼型和绕线型的选用原则鼠笼型电动机：结构简单、工作可靠、价格低、维护方便 调速困难、功率因
21、数低、起动性能差绕线型电动机：起动性能好、在一定范围内平滑调速 价格高、不便维护三相异步电动机的选择功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率3. 三相异步电动机功率的选择4. 三相异步电动机转速的选择对于速度较低的机械设备，宁可使用机械变速装置而选用转速较高的电动机，而不使用低速电动机进行直接驱动高速电动机的价格低、尺寸小、效率高、起动转矩大三相异步电动机的选择在不要求速度平滑变化的场合，可以选用双速和多速电动机根据电动机的类型、功率以及
22、使用地点的电源电压来决定Y系列鼠笼型电动机的额定电压只有380V一个等级。大功率电动机才采用3000V和6000V的电压5. 三相异步电动机电压的选择三相异步电动机的选择 11 同步电动机和 单相异步电动机1 同步电动机结构：定子和异步电动机相同，转子是由直流励磁的磁极，极掌处有起动绕组起动：起动绕组提供电磁转矩运行：接近同步转速时，对转子励磁，转子和旋转磁场速度相等1 同步电动机特点1. 当电源频率 f 一定时，同步电动机转速 n 是恒定的。pfnn600 2. 机械特性曲线 n=f(T) 是一条与横轴平行的直线。TnOn03. 改变励磁电流可以改变定子相电压和相电流之间的相位差，即可改变电
23、动机的功率因数。同步补偿机：补偿电网滞后功率因数2 单相异步电动机的起动问题起动问题：定子绕组中通入单相交流电后，只能形成脉动磁场，不能形成旋转磁场，无法获得所需的起动转矩。结构：笼型转子，定子槽中只用一相绕组F：正向旋转磁通B：反向旋转磁通2 单相异步电动机的起动问题F：正向旋转磁通B：反向旋转磁通正向转矩反向转矩3 电容分相式异步电动机工作绕组 U1U2起动绕组 V1V2两个绕组在空间相隔90起动绕组经电容接电源改变电容C的串联位置，可使单相异步电动机反转。3 电容分相式异步电动机4 罩极式异步电动机结构：定子做成凸极式，磁极上开槽，磁极窄边上套短路铜环宽磁极中磁通为1，窄磁极中磁通为2，由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得 2在相位上滞后1 ， 合成出的磁场向短路环方向移动，产生起动转矩。