第七章 異步電動機

第7章異步電動機7.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理7.2三相異步電動機的特性7.3三相異步電動機的使用7.4單相異步電動機和特種電動機7.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理實現(xiàn)機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)機械稱為電機。電機主要分為發(fā)電機和電動機。發(fā)電機主要是把機械能轉(zhuǎn)換為電能。電動機把電能轉(zhuǎn)換為機械能。交流電動機電動機直流電動機鼠籠式繞線式異步機同步機他勵、異勵、串勵、復勵電動機的分類

三相異步電機主要用作電動機，拖動各種生產(chǎn)機械。結(jié)構(gòu)簡單、制造、使用和維護方便，運行可靠，成本低，效率高，得以廣泛應用。但是，功率因數(shù)低、起動和調(diào)速性能差。異步電動機單相電動機三相電動機7.1.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。下面是它主要部件的拆分圖。一、定子部分1.定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成——

導磁部分。2、定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導電部分。3、機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。定子由機座、定子鐵心、定子繞組和端蓋等組成。二、轉(zhuǎn)子部分1、轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。2、轉(zhuǎn)子繞組：1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、風扇等組成。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組有銅條和鑄鋁兩種形式。銅條鼠籠式轉(zhuǎn)子鐵心和繞組結(jié)構(gòu)示意圖采用鑄鋁的鼠籠式轉(zhuǎn)子三相繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖繞線式轉(zhuǎn)子繞組的形式與定子繞組基本相同，3個繞組的末端連接在一起構(gòu)成星形連接，3個始端連接在3個銅集電環(huán)上，通過電刷與外電路的可變電阻器相連接，用于起動和調(diào)速。7.1.2三相異步電動機的工作原理1.定子的旋轉(zhuǎn)磁場把三相定子繞組接成星形接到對稱三相電源，定子繞組中便有對稱三相電流流過。AXYCBZAXBYCZ合成磁場方向：向下同理分析，可得其它電流角度下的磁場方向：結(jié)論：在對稱的三相繞組中通入三相電流，可以產(chǎn)生在空間旋轉(zhuǎn)的合成磁場。各瞬時合成磁場的磁通大小和分布相同，但方向不同，其值等于通過每項繞組的磁通最大值。當電流變化一周時，旋轉(zhuǎn)磁場在空間正好轉(zhuǎn)過一周。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速大小

一個電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360°。則同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場的速度）為：極對數(shù)（P）的概念AXBYCZ此種接法下，合成磁場只有一對磁極，則極對數(shù)為1。即：AXYCBZ極對數(shù)（P）的改變C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'將每相繞組分成兩段，按右下圖放入定子槽內(nèi)。形成的磁場則是兩對磁極。AXBYCZ極對數(shù)C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'極對數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)方向：取決于三相電流的相序。改變電機的旋轉(zhuǎn)方向：換接其中兩相旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向磁鐵閉合線圈2.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動磁極旋轉(zhuǎn)導線切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢導線長磁感應強度切割速度（右手定則）閉合導線產(chǎn)生電流

i（左手定則）通電導線在磁場中受力1.線圈跟著磁鐵轉(zhuǎn)→兩者轉(zhuǎn)動方向一致結(jié)論：異步2.線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢無轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動無轉(zhuǎn)子電動勢（轉(zhuǎn)子導體不切割磁力線）無轉(zhuǎn)子電流提示：如果轉(zhuǎn)差率的概念：異步電機運行中:轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差。即：電動機起動瞬間:（轉(zhuǎn)差率最大）3.電動勢和電流

1）.異步電動機中的電磁關(guān)系異步電動機轉(zhuǎn)動時的電磁關(guān)系與變壓器相似。定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組相當于副繞組。當3個定子繞組接上三相電源電壓時，將有三相電流流過，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。這個旋轉(zhuǎn)磁場不僅要在每相轉(zhuǎn)子繞組中感應出電動勢e2，而且要在每相定子繞組中感應出電動勢e1。下圖是每相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的電路。圖中,eσ1和eσ2是定子電流和轉(zhuǎn)子電流在周圍形成的漏磁通產(chǎn)生的感應電動勢。i2轉(zhuǎn)、定子電路R1R2i1u1e1e

1e2e

2

2）.定子電路分析

電動機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場在垂直于N、S的方向近似呈正弦分布，因此當它勻速轉(zhuǎn)動時切割每相定子繞組的磁通量Φ1也將按正弦規(guī)律變化。設(shè)Φ1=Φmsinω1t。其中Φm為通過每相繞組的最大磁通量，等于磁感應強度的平均值與每極磁場面積的乘積(也就是旋轉(zhuǎn)磁場每極的磁通量)。由上圖可知：式中，R1為定子繞組的損耗電阻。由于磁通Φ1按正弦規(guī)律變化，因此i1，e1、eσ1也都按正弦規(guī)律變化，上式用相量表示為定子繞組的電阻R1和漏磁通Φσ1都很小，和相比可以忽略不計。所以上式說明，電源電壓U1主要用來克服旋轉(zhuǎn)磁場的感生電動勢E1。根據(jù)法拉第電磁感應定律，旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的感應電動勢，由此可求出其有效值為式中，N1為每相定子繞組的匝數(shù)（假設(shè)每匝情況相同），f1為旋轉(zhuǎn)磁場的頻率。3）三相異步電動機的轉(zhuǎn)子電路

旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應出的電動勢為其有效值為式中，f2為轉(zhuǎn)子電動勢e2或轉(zhuǎn)子電流i2相對于旋轉(zhuǎn)磁場的頻率.因為旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速為n0-n在n=0，即S=1時，轉(zhuǎn)子電動勢為為轉(zhuǎn)子最大電動勢可見轉(zhuǎn)子電動勢E2與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。和定子電流一樣，轉(zhuǎn)子電流也要產(chǎn)生漏磁通，從而在轉(zhuǎn)子每相繞組中還要產(chǎn)生漏磁電動勢。因此，對于轉(zhuǎn)子每相電路，有如用復數(shù)表示，則為

式中，R2和X2——轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻和漏磁感抗在n=0，即S=1時，轉(zhuǎn)子感抗為為轉(zhuǎn)子最大感抗可見轉(zhuǎn)子感抗X2與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。

轉(zhuǎn)子每相電路的電流為

可見轉(zhuǎn)子電流I2也與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。當S增大，即轉(zhuǎn)速n降低時，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間的相對轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子導體被磁力線切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。結(jié)論：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子電路中的各量均與轉(zhuǎn)差率

s有關(guān)，即與轉(zhuǎn)速n有關(guān)。7.2三相異步電動機的特性7.2.1轉(zhuǎn)矩特性常數(shù)每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的將其中參數(shù)代入：得到轉(zhuǎn)矩公式7.2.2機械特性在異步電動機中，轉(zhuǎn)速n=(1-S)n0，為了符合習慣畫法，可將曲線換成轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，即稱為異步電動機的機械特性。根據(jù)

三相異步電動機的固有機械特性曲線如圖所示。OT異步電動機自動適應機械負載的變化OT額定工作點穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū)三相異步電動機的機械特性曲線1、穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)以最大轉(zhuǎn)矩為界，機械特性分為兩個區(qū)，上邊為穩(wěn)定運行區(qū)，下邊為不穩(wěn)定運行區(qū)。三個重要轉(zhuǎn)矩.額定轉(zhuǎn)矩：電機在額定電壓下，以額定轉(zhuǎn)速運行，輸出額定功率

時，電機轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。(1)（牛頓?米）如果電機將會因帶不動負載而停轉(zhuǎn)。.最大轉(zhuǎn)矩：(2)電機帶動最大負載的能力。求解過載系數(shù)：三相異步機工作時，一定令負載轉(zhuǎn)矩，否則電機將停轉(zhuǎn)。致使注意：（1）三相異步機的和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。（2）電機嚴重過熱.起動轉(zhuǎn)矩：(3)電機起動時的轉(zhuǎn)矩。其中則體現(xiàn)了電動機帶載起動的能力。若電機能起動，否則將起動不了。和電壓的關(guān)系結(jié)論：3、U1和R2變化對機械特性的影響和轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系R2的

改變

：鼠籠式電機轉(zhuǎn)子導條的金屬材料不同，線繞式電機外接電阻不同。

令：得：結(jié)論：機械特性的軟硬硬特性：負載變化時，轉(zhuǎn)速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加轉(zhuǎn)速下降較快，但起動轉(zhuǎn)矩大，起動特性好。硬特性（R2?。┸浱匦裕≧2大）不同場合應選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電機。三、運行特性電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負載的變化而自動調(diào)整，這種能力稱為自適應負載能力。

自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載）。此過程中，n、sE2,I2

I1電源提供的功率自動增加。T2sT2>TT=T2nT

T′2達到新的平衡T2常用特性段TO7.3三相異步電動機的使用7.3.1三相異步電動機的銘牌和技術(shù)數(shù)據(jù)1.型號Y132M－42.額定功率：

額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率（），不等于從電源吸收的功率（）。兩者的關(guān)系為：其中鼠籠電機=72－93％3.頻率：電動機所接交流電源的頻率。4.額定電壓：

定子繞組在指定接法下應加的線電壓.5.額定電流：

定子繞組在指定接法下的線電流。6.聯(lián)接方式：Y/接法：

Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ接線盒：轉(zhuǎn)差率7.轉(zhuǎn)速:電機軸上的轉(zhuǎn)速（n)。如：n=1440轉(zhuǎn)/分額定負載時一般為0.7~0.9，空載時功率因數(shù)很低約為0.2~0.3。額定負載時，功率因數(shù)最大。注意：實用中應選擇合適容量的電機，防止“大馬”拉“小車”的現(xiàn)象。8.功率因數(shù)(cos1)：P2PNcos1一、類型的選擇一般應用場合應盡可能選用鼠籠式電動機。只有在需要調(diào)速、不能采用鼠籠式電動機的場合才選用繞線式電動機。

7.3.2

三相異步電動機的選擇

在只有單相交流電源或需要功率較小的場合，可采用單相異步電動機。

在有特殊要求的場合，可選用特種異步電動機。二、容量（額定功率）的選擇功率選得過大不經(jīng)濟，功率選得過小電動機容易因過載而損壞。1.對于連續(xù)運行的電動機，所選功率應等于或略大于生產(chǎn)機械的功率。2.對于短時工作的電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產(chǎn)機械的功率。3、對于斷續(xù)工作的電動機，應考慮其負載的持續(xù)率，同一型號的電動機，負載持續(xù)率越小，其額定功率越大。

三、額定電壓的選擇Y系列鼠籠電動機的額定電壓只有380V一個等級。大功率電動機才采用3000V和6000V。單相電動機都選用額定電壓為220V。根據(jù)電動機的類型、功率以及使用地點的電源電壓來決定。四、額定轉(zhuǎn)速的選擇由可知，額定功率相同的電動機，額定轉(zhuǎn)速越高，則額定轉(zhuǎn)矩越?。挥煽芍?，轉(zhuǎn)矩與電流和磁通的乘機成正比，而電流和磁通又大體上決定了電動機所用的導線和鐵心的重量。所以轉(zhuǎn)速高的電動機體積小，價格低。同時必須全面考慮電動機和傳動機構(gòu)各方面因素，確定最合適的額定轉(zhuǎn)速。五、結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)工作環(huán)境的條件選擇不同的結(jié)構(gòu)型式，如開啟式、防護式、封閉式和防爆式電動機。開啟式：在結(jié)構(gòu)上無特殊防護裝置，通風散熱好，價格便宜，適合干燥無灰塵的場所。防護式：一般可防雨、防濺及防止雜物掉入電機內(nèi)部，但不能防塵防潮。適用于灰塵不多且較干燥的場所。封閉式：外殼嚴密封閉，適用于潮濕、多塵或含有酸性氣體的場所。防爆式：整個電機（包含接線端）全部蜜蜂，適用于有爆炸性氣體的場所，例如在石油、化工企業(yè)及礦井中。7.3.3起動起動電流：中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍。定子電流原因：起動時，轉(zhuǎn)子導條切割磁力線速度很大。轉(zhuǎn)子感應電勢轉(zhuǎn)子電流大電流使電網(wǎng)電壓降低影響其他負載工作頻繁起動時造成熱量積累電機過熱影響：三相異步機的起動方法：(1).直接起動。(2).減壓起動。Y－起動自耦降壓起動(3).轉(zhuǎn)子串電阻起動。1．直接起動直接起動是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動機直接接到額定電壓上的起動方式，又叫全壓起動。優(yōu)點：起動簡單。缺點：起動電流較大，將使線路電壓下降，影響負載正常工作。適用范圍：電動機容量在10kW以下，并且小于供電變壓器容量的20％。2.Y－起動：正常運行AZBYXC

起動ABCXYZ設(shè)：電機每相阻抗為AZBYXC正常運行UPABCXYZ起動UP'（2）Y－起動應注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機。所以降壓起動適合于空載或輕載起動的場合Y－起動。自耦降壓起動：利用三相自耦變壓器將電動機在起動過程中的端電壓降低，以達到減小起動電流的目的。自耦變壓器備有40％、60％、80％等多種抽頭，使用時要根據(jù)電動機起動轉(zhuǎn)矩的要求具體選擇。（3）軟起動軟起動是指，起動時通過軟起動器（一種晶閘管調(diào)壓裝置）使電壓從某一較低值逐漸上升至額定值，起動后再用旁路接觸器KM使電動機投入正常運行。圖FU1中是普通熔斷器，而FU2是快速熔斷器，保護軟起動器用的。M3~軟起動器L1L2L3QSFU1FU2KM3.轉(zhuǎn)子串電阻起動定子RRR線繞式轉(zhuǎn)子起動時將適當?shù)腞串入轉(zhuǎn)子繞組中，起動后將R短路。轉(zhuǎn)子串電阻起動的特點：適于轉(zhuǎn)子為線繞式的電動機起動。（1）（2）R2選的適當，轉(zhuǎn)子串電阻既可以降低起動電流，又可以增加起動力矩。7.3.4調(diào)速調(diào)速是指在電動機負載不變的情況下人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。三種電氣調(diào)速方法1、變頻調(diào)速(無級調(diào)速)

f=50Hz逆變器M3~整流器f1、U1可調(diào)+–~頻率調(diào)節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲2、變極調(diào)速(有級調(diào)速)

變頻調(diào)速方法可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速,調(diào)速性能優(yōu)異，因而正獲得越來越廣泛的應用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii??P=1采用變極調(diào)速方法的電動機稱作雙速電機，由于調(diào)速時其轉(zhuǎn)速呈跳躍性變化，因而只用在對調(diào)速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機床上。A1··A2X1X2SNTo3、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

(無級調(diào)速)

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是繞線式電動機特有的一種調(diào)速方法。其優(yōu)點是調(diào)速平滑、設(shè)備簡單投資少，缺點是能耗較大。這種調(diào)速方式廣泛應用于各種提升、起重設(shè)備中。nn'??TLTLs

′s??Tso7.3.5反轉(zhuǎn)和制動方法：和電源相接的任意兩相互換，就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。1、反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)ABCM3~電源ABCM3~電源

2、制動制動方法機械制動電氣制動能耗制動反接制動發(fā)電反饋制動當電動機的定子繞組斷電后，轉(zhuǎn)子及拖動系統(tǒng)因慣性作用，總要經(jīng)過一段時間才能停轉(zhuǎn)，為此需要對電動機進行制動。機械制動：抱閘：加機械抱閘；M3~M3~抱閘電磁鐵制動輪彈簧M3~抱閘電磁鐵制動輪彈簧1）、能耗制動

在斷開三相電源的同時，給電動機其中兩相繞組通入直流電流，直流電流形成的固定磁場與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子作用，產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)距（制動轉(zhuǎn)距），使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動。nF轉(zhuǎn)子Tn0=0M3~+-運轉(zhuǎn)制動?RP

2）.反接制動：停車時，將電動機接電源的意兩相反接，使電動機由原來的旋轉(zhuǎn)方向反過來，以達制動的目的；反接制動時，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速很大。為限制電流，在制動時要在定子或轉(zhuǎn)子中串電阻。即切割磁力線的速度很大，造成，引起。注意：M3~運轉(zhuǎn)制動?nF轉(zhuǎn)子Tn07.4單相異步電動機和特種異步電動機7.5.1單相異步電動機使用單相交流電源的異步電動機稱為單相異步電動機。

單相異步電動機主要應用于電動工具、洗衣機、電冰箱、空調(diào)、電風扇等小功率電器中。單相異步電動機的定子中放置單相繞組,轉(zhuǎn)子一般用鼠籠式。特點在于定子繞組通入的是單相交流電，所產(chǎn)生的是一個位置固定不變，而大小和方向隨時間作正弦變化的脈動磁場。若不采取措施，將無法獲得所需的起動轉(zhuǎn)矩。必須再加一個與此脈動磁場頻率相同、相位不同、在空間相差一個角度的另一脈動磁場與其合成。為了獲得所需的起動轉(zhuǎn)矩，單相異步電動機的定子進行了特殊設(shè)計。常用的單相異步電動機有電容分相式異步電動機和罩極式異步電動機。他們都采用鼠籠式轉(zhuǎn)子，但定子結(jié)構(gòu)不同。一、電容分相式異步