電機拖動第5章1

第5章三相異步電動機的

原理和特性5.1三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理5.1.1基本結(jié)構(gòu)——重點5.1.2工作原理——重點，難點5.1.3額定數(shù)據(jù)5.2異步電動機的基本方程式和等效電路5.2.1轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的異步電動機——簡介5.2.2轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的異步電動機——重點5.2.3籠形轉(zhuǎn)子的極數(shù)、相數(shù)和參數(shù)的折合——不講5.2.4簡化等效電路第5章三相異步電動機的

原理和特性5.3異步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩5.3.1三相異步電動機的功率——難點5.3.2三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩——難點

5.4異步電動機的機械特性5.4.1機械特性的參數(shù)表達式——重點5.4.2固有機械特性——重點5.4.3機械特性的實用公式——重點5.4.4人為機械特性——重點

5.5異步電動機的工作特性——不講5.1三相異步電動機的

基本結(jié)構(gòu)與工作原理5.1.1基本結(jié)構(gòu)5.1.2工作原理5.1.3額定數(shù)據(jù)異步電動機的主要用途電機的可逆性同一電機既可做發(fā)電機又可做電動機本課程討論的電機主要是電動機按電源性質(zhì)，電動機分為直流電動機：直流電能→機械能交流電動機：交流電能→機械能異步電動機的用途：異步電機主要用作電動機拖動各種生產(chǎn)機械異步電動機的優(yōu)缺點異步電動機的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高和具有適用的工作特性。采用現(xiàn)代電力電子功率器件和計算機技術(shù)可得到良好的調(diào)速性能。已經(jīng)取代直流電動機，成為應(yīng)用廣泛的調(diào)速系統(tǒng)異步電動機的缺點：功率體積比較小。功率因數(shù)較差。直接接電網(wǎng)運行時，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流，使它的功率因數(shù)總小于１。通過控制器可使這一缺點得到改善異步電機又叫感應(yīng)電機異步電動機運行時定子繞組接到交流電源上轉(zhuǎn)子繞組自身短路由于電磁感應(yīng)的關(guān)系在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、電流從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩所以，異步電機又叫感應(yīng)電機異步電動機的分類從不同角度看，有不同的分類法：按定子相數(shù)分：單相；三相異步電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：繞線式；鼠籠式。后者又包括單鼠籠、雙鼠籠和深槽式異步電動機此外，根據(jù)電機定子繞組上所加電壓的大小有高壓、低壓異步電動機之分從其它角度看還有高起動轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)差率、高轉(zhuǎn)速異步電機等等說明異步電機也可作為異步發(fā)電機使用單機使用時，常用于電網(wǎng)尚未到達的地區(qū)，又沒有同步發(fā)電機的情況或用于風(fēng)力發(fā)電等特殊場合上在異步電動機的電力拖動中異步電機回饋制動時即運行在異步發(fā)電機狀態(tài)5.1.1基本結(jié)構(gòu)——重點圖5.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機的結(jié)構(gòu)V′VW′U′UW定子轉(zhuǎn)子三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機的主要結(jié)構(gòu)氣隙交流電機的主要結(jié)構(gòu)在定子、轉(zhuǎn)子之間定子鐵心定子繞組機座定子部分stator又稱電樞armature（靜止）轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)軸籠型繞線型轉(zhuǎn)子部分Rotor（旋轉(zhuǎn)）1．定子靜止部分定子又稱電樞定子鐵心定子繞組機座定子部分stator又稱電樞armature（靜止）（1）定子鐵心（1）定子鐵心作用：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場是電動機磁路的一部分，裝在機座里由內(nèi)周有槽的硅鋼片疊成為了降低定子鐵心里的鐵損耗定子鐵心用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的在硅鋼片的兩面還應(yīng)途上絕緣漆定子鐵心內(nèi)圓上均勻開槽，安放定子繞組圖5.2定子鐵心沖片圖定子槽(a)開口槽高壓大中型(b)半開口槽中型500V以下(c)半閉口槽低壓小型(1)層間絕緣；(2)槽楔；(3)扁銅線；(4)槽絕緣；(5)槽楔；(6)圓導(dǎo)線（2）定子繞組是電機電路部分它由三個在空間相差120°電角度、結(jié)構(gòu)相同的繞組連接而成，按一定規(guī)律嵌放在定子槽中分類：單層繞組雙層繞組應(yīng)用：單層繞組一般用在10kW以下的電機雙層短距繞組用在較大容量的電機中定子線圈圖三相異步電動機的引出線(a)三根引出線：高壓大、中型容量，常采用Y接(b)六根引出線：低壓中、小容量，根據(jù)需要可接成Y形或△形(a)三根引出線(b)六根引出線圖三相定子繞組的接法星形接法三角形接法（3）機座（3）機座主要作用用來固定和支撐定子鐵心對于軸承裝于端蓋上的電動機其機座還要支撐轉(zhuǎn)子部分因此，機座應(yīng)有足夠的機械強度和剛度對中、小型異步電動機，通常用鑄鐵機座對大型電機，一般采用鋼板焊接的機座，整個機座和座式軸承都固定在同一個底板上2．空氣隙（1）氣隙大小的決定性因素空氣隙的大小對異步電動機的運行性能有很大影響，具體表現(xiàn)在：為了減少電動機的勵磁電流，提高功率因數(shù)，空氣隙應(yīng)盡可能的小空氣隙過小，將引起裝配困難和運行不可靠從減少附加損耗并減少高次諧波磁動勢產(chǎn)生的磁通來看，空氣隙稍大一點也有其有利的一面（2）氣隙與電機容量的關(guān)系異步電動機的空氣隙比同容量同步電動機小得多在中小型異步電動機中，空氣隙大約為0.2~1.5mm電機容量（kW）10以下10~100100~1500氣隙（mm）0.20~0.450.50~0.800.85~1.503．轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)軸籠型繞線型轉(zhuǎn)子部分Rotor（旋轉(zhuǎn)）（1）轉(zhuǎn)子鐵心作用：是電動機磁路的一部分在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電流

構(gòu)成：由外周有槽的0.5mm厚硅鋼片疊成整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形

安裝：鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上（2）轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩類籠型轉(zhuǎn)子是一個自己短路的繞組。在轉(zhuǎn)子的每個槽里放上一根導(dǎo)體，在鐵心的兩端用端環(huán)連接起來，形成一個短路的繞組如果把轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，剩下的繞組像個松鼠籠子導(dǎo)條的材料有用銅的，也有用鋁的繞線型轉(zhuǎn)子同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形籠型轉(zhuǎn)子照片圖5.5籠型轉(zhuǎn)子(a)銅導(dǎo)條(b)鋁導(dǎo)條繞線型轉(zhuǎn)子照片圖5.4繞線型異步電動機

接線圖外串電阻優(yōu)點改善電動機的啟動性能或調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速圖中：1-定子繞組2-轉(zhuǎn)子繞組3-集電環(huán)（滑環(huán)）4-電刷5-附加電阻A1A2B2B1C1C231452籠型電動機與

繞線型電動機的比較籠型：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠生產(chǎn)機械中使用最廣泛的一種電動機不能人為改變電動機的機械特性繞線型：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、維護工作量大轉(zhuǎn)子外加電阻可人為改變電動機的機械特性只在要求起動電流小，起動轉(zhuǎn)距大或需平滑調(diào)速的場合使用（3）轉(zhuǎn)軸作用：固定轉(zhuǎn)子鐵心和傳遞功率構(gòu)成：一般用中碳鋼制成5.1.2工作原理——重點1．交流電機繞組產(chǎn)生的磁動勢（4.1，4.3.1）——簡介2．交流繞組的感應(yīng)電動勢（4.4）——簡介3．旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生——簡介4．同步轉(zhuǎn)速——重點5．三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理——重點6．轉(zhuǎn)差率——重點1．交流電機繞組產(chǎn)生的磁動勢（4.1，4.3.1）——簡介在電機里，不管什么樣的繞組流過電流時，都要產(chǎn)生磁動勢類似電路中的感應(yīng)電動勢（1）交流電機單個整距線圈的磁動勢（2）三相繞組產(chǎn)生的磁動勢（1）交流電機單個整距線圈的磁動勢磁力線穿過轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心和兩個氣隙由于鐵心磁導(dǎo)率極大，其上消耗的磁動勢降可以忽略不計，線圈在一個氣隙上施加的磁動勢幅值：方向：右手螺旋定則動畫1動畫2（2）三相繞組產(chǎn)生的磁動勢三相對稱交流繞組通過三相對稱交流電流時，三個反向旋轉(zhuǎn)磁勢在空間錯開120電角度相互抵消，三個正向旋轉(zhuǎn)磁動勢在空間同相位，合成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢幅值：

轉(zhuǎn)向：決定于電流的相序從超前相向滯后相旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：同步轉(zhuǎn)速動畫2．交流繞組的感應(yīng)電動勢

（4.4）——簡介（1）交流繞組的構(gòu)成導(dǎo)體——線圈——線圈組——一相繞組——三相繞組（2）感應(yīng)電動勢的波形交流繞組處于旋轉(zhuǎn)磁場中，并切割旋轉(zhuǎn)磁場，在三相對稱交流繞組中會感應(yīng)出三相對稱交流電動勢感應(yīng)電動勢隨時間變化的波形和磁感應(yīng)強度在空間的分布波形相一致只考慮磁場基波時波形為正弦波有效值：方向：右手定則3．旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生——簡介（1）旋轉(zhuǎn)磁場的分類（2）旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)p=1（3）旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向（4）旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)p=2（1）旋轉(zhuǎn)磁場的分類旋轉(zhuǎn)磁場是交流電機工作的基礎(chǔ)在交流電機理論中有兩種旋轉(zhuǎn)磁場：機械旋轉(zhuǎn)磁場通過原動機拖動磁極旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生機械旋轉(zhuǎn)磁場電氣旋轉(zhuǎn)磁場三相對稱的交流繞組通入三相對稱的交流電流，會在電機的氣隙空間產(chǎn)生電氣旋轉(zhuǎn)磁場交流繞組處于旋轉(zhuǎn)磁場中，并切割旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（1）旋轉(zhuǎn)磁場的分類機械旋轉(zhuǎn)磁場電氣旋轉(zhuǎn)磁場（2）旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)p=10U1U2W1W2V1V2定子三相繞組通入三相交流電（星形聯(lián)接）（2）旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)p=1U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2NSNSNSωt=0°ωt=60°ωt=90°合成磁場方向向下合成磁場旋轉(zhuǎn)60°合成磁場旋轉(zhuǎn)90°結(jié)論：當(dāng)p=1時，電流變化一周，磁場旋轉(zhuǎn)360°動畫（3）旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相電流的相序任意調(diào)換兩根電源進線（電路如圖）U1U2W1W2V1V2結(jié)論：任意調(diào)換兩根電源進線，則旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)（4）旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)p=2若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)，繞組的首端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(p=2)（4）旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)p=2結(jié)論：當(dāng)

p=2時，電流變化一周，磁場旋轉(zhuǎn)180°結(jié)論：當(dāng)p=1時，電流變化一周，磁場旋轉(zhuǎn)360°ωt=0°ωt=60°ωt=120°ωt=180°動畫4．同步轉(zhuǎn)速——重點結(jié)論：定子三相對稱繞組流過三相對稱電流時會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)的基波氣隙磁動勢以及基波氣隙磁密并順著三相繞組中所流過電流的相序方向以同步轉(zhuǎn)速

n1

旋轉(zhuǎn)式中，f1

——定子電流頻率；p

——極對數(shù)5．三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理——重點U1U2V2W1V1W2FFNS定子三相繞組通入三相交流電旋轉(zhuǎn)磁場右手定則Blv感應(yīng)電動勢E2電磁力F轉(zhuǎn)速n勻速旋轉(zhuǎn)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩T感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場大?。悍较颍喉槙r針左手定則Bliv動畫6．轉(zhuǎn)差率——重點轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個基本變量在分析異步電動機運行時有著重要的地位切割磁力線是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的必要條件轉(zhuǎn)子必須與旋轉(zhuǎn)磁場保持一定的速度差，才可能切割磁力線旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速用

n1表示，稱為同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速用

n

表示轉(zhuǎn)差Δn=n1-n6．轉(zhuǎn)差率——重點異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

n不可能達到同步轉(zhuǎn)速

n1一般總是略小于

n1“異步”二字就是由此而來的通常把異步電動機同步轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

n二者之差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用

s表示，即（1）電動運行異步電機處于電動運行狀態(tài)時的特點：

0<n<n1

→0<s<1電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n

方向相同異步電機定子從電源吸收電功率通過轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動輸出機械功率n1NSn<n1(a)電動運行圖5.6異步電動機的三種運行狀態(tài)（2）發(fā)電運行

（回饋制動運行）異步電機處于發(fā)電運行狀態(tài)時的特點：n>n1

→s<0電磁轉(zhuǎn)矩T

與轉(zhuǎn)速n

方向相反原動機給異步電機輸入機械功率通過電磁感應(yīng)異步電機定子向電源回饋電功率n1NSn>n1圖5.6異步電動機的三種運行狀態(tài)(b)發(fā)電運行（3）制動運行

（電磁制動運行）異步電機處于制動運行狀態(tài)時的特點：n<0

→s>1電磁轉(zhuǎn)矩T

與轉(zhuǎn)速n

方向相反異步電機定子從電源吸收電功率轉(zhuǎn)子從外部吸收機械功率兩者都將變?yōu)殡姍C內(nèi)部的損耗n1NSn圖5.6異步電動機的三種運行狀態(tài)(c)制動運行異步電機的三種運行狀態(tài)

根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負，異步電機有三種運行狀態(tài)狀態(tài)電動發(fā)電電磁制動實現(xiàn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率電磁轉(zhuǎn)矩能量關(guān)系定子繞組接對稱0<n<n10<s<1驅(qū)動電能→機械能外力使電機快速旋轉(zhuǎn)n>n1s<0制動機械能→電能外力使電機沿磁場反向旋轉(zhuǎn)n<0s>1制動電能和機械能→內(nèi)能轉(zhuǎn)差率總結(jié)可見：起動瞬間：n=0時，s=1；理想空載運行時：n=n1時，s=0；發(fā)電運行時

n>n1時，s<0；制動運行時，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，n與n1的轉(zhuǎn)向相反，即

n為負值：s>1。作為電動機運行：s

的范圍在0~1之間電動機運行時，s一般很小，大約在0.005~0.065.1.3額定數(shù)據(jù)三相異步電動機銘牌銘牌上標(biāo)明電機的型號、額定數(shù)據(jù)等三相異步電動機銘牌三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)型號（如教材P280所示）額定功率PN：指電動機在額定運行狀態(tài)時軸端輸出的機械功率，單位為W或kW額定電壓

UN：指電動機額定運行時，加在定子繞組上的線電壓，單位為V額定電流

IN：指電動機在額定電壓下軸端輸出額定功率時，定子繞組中的線電流，單位為A額定功率

PN、額定電壓

UN、額定電流

IN之間關(guān)系為式中，ηN為交流電動機的額定效率三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)額定頻率

fN：我國規(guī)定電網(wǎng)的頻率為50Hz，除出口電動機外，國內(nèi)通用的異步電動機的額定頻率都是50Hz額定功率因數(shù)

cosφN：指電動機額定運行時定子側(cè)的功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)速

nN：指電動機在額定頻率、額定電壓下，且軸端輸出額定功率時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min此外，銘牌上還標(biāo)明定子繞組接法、絕緣等級、防護等級、冷卻方式和重量等三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，還要標(biāo)明轉(zhuǎn)子繞組接法轉(zhuǎn)子額定電壓

E2N指定子繞組加額定電壓，轉(zhuǎn)子繞組開路時集電環(huán)間的線電壓轉(zhuǎn)子額定電流

I2N指額定運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組短路時集電環(huán)之間流過的線電流等數(shù)據(jù)如何根據(jù)電機的銘牌

進行定子的接線？如果電動機定子繞組有六根引出線，并已知其首、末端，分幾種情況討論當(dāng)電動機銘牌上標(biāo)明“電壓380/220V，接法Y/△”時，這種情況下，究竟是接成Y或△，要看電源電壓（線電壓）的大小。如果電源電壓為380V，則接成Y接；電源電壓為220V時，則接成△接當(dāng)電動機銘牌上標(biāo)明“電壓380V，接法時△”時，則只有這一種△接法。但是在電動機起動過程中，可以接成Y接，接在380V電源上，起動完畢，恢復(fù)△接法對有些高壓電動機，往往定子繞組有三根引出線，只在電源電壓符合電動機銘牌電壓值，便可使用鐵心長度代號：L；M；S異步電動