第五章三相異步電動機

第五章異步電動機

學習目標掌握異步電動機轉動的原理,了解異步電動機的電磁轉矩及機械特性;掌握異步電動機的啟動、制動、調速及反轉的方法;了解異步電動機的結構、銘牌及技術數據,了解異步電動機選擇的基本內容;了解單相異步電動機的工作原理及啟動方法。

電動機是將電能轉換成機械能的裝置。廣泛應用于現代各種機械中作為驅動。由電動機驅動的優(yōu)點：減輕繁重的體力勞動；提高生產率；可實現自動控制和遠距離操縱。電動機的分類：電動機直流電動機交流電動機他勵電動機并勵電動機串勵電動機復勵電動機同步電動機異步電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機兩相電動機交流電動機異步電動機三相電動機電動機工業(yè)生產中廣泛應用著交流電動機，特別是三相異步電動機。它具有結構簡單、易于控制、效率高和功率大等許多優(yōu)點。本章討論的問題：(1)三相異步電動機的結構；(2)三相異步電動機的工作原理；(3)三相異步電動機的轉速與轉差率；(4)轉矩和機械特性及其與轉差率的關系；(5)電動機的起動、反轉、調速及制動的基本原理和方法；第一節(jié)三相異步電動機的結構及工作原理一、三相異步電動機的結構

三相異步電動機按照轉子的不同分為:籠型和繞線型兩種?；\型異步電動機的組成1、三相異步電動機定子的結構三相異步電動機的定子包括：機座、定子鐵心和定子繞組。機座一般由鑄鋼制成，如圖所示。定子鐵心由0.5mm厚，內圓沖有槽孔的環(huán)形硅鋼片疊成，裝于機座中。異步電動機的機座和定子鐵心

定子三相對稱繞組的每一相都有兩個出線頭，它們的始末端分別標以U1、U2，V1、V2，W1、W2，如下圖所示。這些出線頭分別和機座外側的接線盒內端子板上的同標記的六個端子相連接。2、三相異步電動機轉子的結構

三相異步電動機的轉子包括：轉軸、轉子鐵心和轉子繞組。

轉子鐵心由0.5mm厚、外圓沖有槽孔的硅鋼片疊成，壓裝在轉軸上。轉子鐵心外圓均勻分布著軸向線槽，轉子繞組就裝在這些槽中。

三相異步電動機可根據轉子繞組的形式分為：籠型電動機、繞線型電動機。繞線型異步電動機轉子電路接線圖繞線型異步電動機的轉子結構圖二、三相異步電動機工作原理為了說明三相異步電機的轉動原理，我們先做一個演示實驗如圖所示。SN圖旋轉磁場帶動鼠籠轉子旋轉磁極間放一個由銅條構成的鼠籠式轉子，當我們搖動磁極時轉子跟著轉動。異步電機轉子轉動原理與圖相似可用下圖所示加以說明NS-+FFnNS圖轉子轉動原理圖中，轉子由兩根銅條表示，當磁極旋轉時，磁力線切割銅條，感應出電動勢，應用右手定則可確定電動勢的方向。在電動勢的作用下，閉合的銅條中就有電流，感生電流與旋轉磁場相互作用，而使轉子銅條受到電磁力F，電磁力產生電磁轉矩，電磁力的方向由左手定則確定，轉子的方向將與磁極旋轉方向一致。

一）、旋轉磁場1.旋轉磁場是如何產生的把兩極電動機定子的三相對稱繞組用下圖所示的三個單匝線圈表示。每個線圈嵌在定子鐵心槽中的兩個圈邊，空間位置相隔180°。三個始端（或末端）所連圈邊在空間位置上互差120

°。三個線圈的始末端分別標記為U1、U2、V1、V2、W1、W2電流相序為：VWU設三相繞組接成星形，電流參考方向從始端U1、V1、W1進去，從末端U2、V2、W2流出。n0=60fr/min

(轉每分)三相電流周期性地連續(xù)變化，產生的合成磁場的磁極將按順時針方向連續(xù)旋轉，形成一個具有一對磁極（磁極對數p=1）的旋轉磁場。2.旋轉磁場的轉速按一分鐘相當于60f個周期計算，兩極旋轉磁場的轉速n0為：n0=60f／2(r/min)若定子三相對稱繞組包含六組線圈，如圖所示。當繞組按星形聯結并從電源流入三相電流時，將產生四極旋轉磁場。分析可得：按一定規(guī)律改變定子繞組的分布和連接,可得到極對數不同的旋轉磁場，它的轉速同極對數p的關系為：

n0=60f／p(r/min)表明3.旋轉磁場的轉向旋轉磁場的轉向取決于定子繞組中電流的相序：從電流相序在前的繞組，轉向電流相序在后的繞組。二）、轉子轉動原理T——電磁轉矩n——轉子的轉速n0——旋轉磁場的轉速，異步電動機的同步轉速。n總是低于n0，n和n0始終相異，故稱為異步電動機。轉子的轉動方向與旋轉磁場的轉動方向相同。轉差率或滑差率：起動瞬間，n=0，一般電動機正常運行中的s約在0.02~0.08之間

第二節(jié)三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性

電磁轉矩T是三相異步電動機最重要的物理量之一，機械特性是電動機的主要特性。對電動機進行分析往往離不開這兩方面內容。一、轉矩公式異步電動機的轉矩是由旋轉磁場每磁極的磁通與轉子電流I2相互作用產生的。它應與電磁功率成正比，因而與轉子的功率因數有關。于是及且則轉矩公式可表示為轉矩T也與s有關。由上式可見，轉矩還與定子的相電壓U1的平方成正比。所以，電源電壓的變動對轉矩的影響很大。轉矩特性T=T(s)曲線如圖所示，當s很小時，T與s成正比；當s很大時，T與s成反比(以雙曲線為漸近線)，并且有最大轉矩Tmax存在。TssmTmax00nn01二、機械特性曲線在電源電壓U1和轉子電阻R2一定的情況下，轉矩與轉差率的關系曲線T=f(s)或轉速與轉矩的關系曲線n=f(T)，稱為電動機的機械特性曲線。轉矩與轉差率的關系曲線T=f(s)如右側上圖所示，轉速與轉矩的關系曲線

n=f(T)如右側下圖所示。TssmTmax00nn01TbTmax0nn0TNTstnNa實際上，下圖是通過上圖右旋90°得到的。研究機械特性是分析為了分析電動機的運行性能。在機械特性曲線上，要討論三個轉矩。1.額定轉矩TNTbTmax0nn0TNTstnNa在電動機勻速轉動時，其轉矩T必須與阻力轉矩TC平衡，而阻力轉矩包括負載轉矩T2和空載損耗轉矩T0。一般T0很小，?？珊雎?，所以P2是電動機的輸出功率(單位W)，T的單位是(N?m)。n

的單位是(r/min)。若功率單位用千瓦，則額定轉矩是電動機在額定負載時的轉矩?？蓮碾妱訖C銘牌上額定功率和額定轉速等數據求得。如某臺電動機，P2N=7.5kW，額定轉速nN=1440r/min，則額定轉矩為正常情況下，電動機都工作在特性曲線的ab段，當負載轉矩增加時，電動機轉速要降低，但對應的電磁轉矩卻要增加，因為ab段比較平坦，所以電動機的轉速變化不大。這種特征稱為硬的機械特性。TbTmax0nn0TstaTNnN2.最大轉矩Tmax在機械特性曲線的最大值，稱為最大轉矩或臨界轉矩。Tb0nn0TstaTNnNTmax此時對應的轉差率為sm(可由dT/ds=0求得)，即令可得進而可得可見，TmaxU12,且與轉子電阻R2無關，而R2越大sm也越大。當負載轉矩超過最大轉矩時，電動機轉速急劇下降，電動機將停止轉動——產生悶車現象。電動機一旦悶車，電流立即上升6~7倍，電動機嚴重過熱！以至燒壞。從另一方面考慮，若在很短時間內過載，在電動機尚未過熱就恢復達到正常狀態(tài)，未損壞電動機是允許的。因此，最大轉矩也表示電動機具有短時間的過載能力。定義最大轉矩與額定轉矩的比值為過載系數λ，即一般電動機的過載系數為1.8~2.2。3.起動轉矩Tst電動機剛起動(n=0)時的轉矩稱為起動轉矩可見，起動轉矩與U12及R2有關，當電源電壓降低時起動轉矩會減小；當適當增加轉子繞組的電阻會使起動轉矩有所增加?？捎猩鲜阶C明當R2=X20時，Tst=Tmax，及sm=1。T0nU1U1U1<

U1U1對轉矩的影響T0nTmaxR2R2R2

<

R2R2對轉矩的影響第三節(jié)異步電動機的起動、

反轉和調速一、籠型異步電動機的起動

一般情況下，一二十千瓦以下的小型異步電動機，在其容量小于動力供電變壓器容量的20%時，可允許直接起動。否則，就要在起動時采取降壓措施，減小起動電流。Q2

先置于中間位置，接通電源開關Q1

，再把Q2合向“起動”位置，等電動機轉速升高后，把Q2切換到“運轉”位置進入正常運行。操作順序是：相電壓降低為線電流和起動轉矩降低為1.星形﹣三角形換接起動同接成三角形進行直接起動相比：起動補償器由三相自耦變壓器和切換開關組成。2.用起動補償器起動籠型電動機用起動補償起動的接線原理圖先合上Q1

，在合上Q3的同時把Q2合向“起動”位置。等電動機轉速升高后切斷Q3

,同時將Q2合向“運轉”位置，使自耦變壓器同供電線路脫離，電動機進入正常運行。操作順序是：起動時起動前將Q2

、Q3斷開。將電動機與電源相連的三根導線中的任意兩根對調就可以使旋轉磁場反轉，從而使轉子反轉。二、籠型三相異步電動機的反轉三、籠型異步電動機的調速異步電動機的轉速籠型異步電動機的調速方法：調速根據所帶工作機械的需要，通過改變電動機的外部電源條件或內部繞組連接以得到不同的人工機械特性，從而改變電動機和工作機械的轉速。1.改變磁極對數調速2.變頻調速

改變籠型異步電動機定子繞組的接線方式可以改變旋轉磁場的極對數，因為極對數是成倍的變化，所只能是有級調速。1.改變磁極對數調速下圖為極數比為2:4雙速電動機的U相繞組改變接線方式的情況。2.變頻調速

實現無級變頻調速需要有頻率連續(xù)可調的變頻設備，如圖所示。整流器——

將50Hz交流電整流成直流電。逆變器——將直流電變成頻率（f）和電壓（U1）可調的三相交流電，向電動機供電。此外還有

將50Hz交流電直接變成頻率（f）可調但低于工頻的三相交流電的交－交型變頻器，如圖（c）所示。由上式可知，在逆變器供電頻率（f）從電動機額定頻率fN向下改變時，必須相應降低供電電壓有效值U1

，以保持電動機磁通量Φ基本不變。否則電動機鐵心過于飽和，勵磁電流和鐵損耗大增，而這是不允許的。

如圖所示，通過控制電路保持常數，從而保持Φ不變條件下，f下降后，n0下降，但最大轉矩Tm

不變。

對應不同負載轉矩的轉速下降值相同，即變頻后的人工機械特性和自然機械特性平行的。因此低速下仍可輸出額定轉矩TN

，實現恒轉矩調速，調速范圍可達10:1以上。

變頻器供電頻率f也可從fN向上改變，但供電電壓U1只能保持在U1N，不允許隨著升高。因此，f上升時，Φ和Tm

要降低，額定電流I1N

下的T將小于TN，但輸出機械功率因輸入電功率允許達到P1N也可以達到P2=PN，實現恒功率調速。四、三相電動機的制動因為電動機的轉動部分有慣性，所以把電源切斷后，電動機還會繼續(xù)轉動一定時間后停止。為了縮短輔助工時，提高生產機械的生產率，并為了安全起見，往往要求電動機能夠迅速停車和反轉。這就需要對電動機制動。對電動機制動，也就是要求它的轉矩與轉子的轉動方向相反。這時的轉矩稱為制動轉矩。異步電動機的制動常用下列幾種方法：1.能耗制動M3~R+-Φn0=0Fn2.反接制動FΦn0nM3~3.發(fā)電反饋制動Φn0nn＞n0F一、銘牌第四節(jié)三相異步電動機的銘牌和技術數據國家標準規(guī)定，電機產品型號用漢語拼音大寫字母及國際通用符號和阿拉伯數字組成。按順序包括產品名稱代號、規(guī)格代號等。1.型號為了適應不同用途和不同工作環(huán)境的需要，電動機制成不同的系列，每種系列用各種型號表示。型號說明：Y132M-4三相異步電動機磁極數機座中心高機座長度代號（S-短機座；M-中機座；L-長機座）產品名稱新代號新代號的漢字意義老代號異步電動機Y異J、JS、JO繞線型異步電動機YR異繞JR、JRO隔爆型異步電動機YB異爆JB、JBS起重冶金用異步電動機YZ異重JZ起重冶金用繞線型異步電動機YZR異重繞JZR高起動轉矩異步電動機YQ異起JQ、JGQ

異步電動機產品名稱代號2.額定電壓U1N電動機在額定運行時的定子繞組線電壓，它同定子繞組“接法”有對應關系。

Y系列電動機，UIN均為380V，容量在3.0kW以下的接成星形，4.0kW以上的接成三角形。3.額定電流I1N電動機在額定電壓下滿載運行時的定子繞組線電流。4.額定功率PN電動機在額定電壓下，電流達到額定值時，軸上輸出的機械功率。5.額定頻率fN電動機額定運行時的頻率，應同電源頻率一致。我國工頻為50Hz

。6.額定轉速nN電動機額定運行時的轉速。7.絕緣等級銘牌上所標的絕緣等級是按電動機繞組所用的絕緣材料在使用時所允許的極限溫度來分級的。8.工作制又稱為定額。按規(guī)定分為：連續(xù)、短時、斷續(xù)等。電動機型號額定功率/kW額定電壓/V

滿載時速度電流效率功率/(r/min)(A)(﹪)因數起動電流額定電流起動轉矩額定轉矩最大轉矩額定轉矩重量/kgY250M-4553801480102.592.6%0.887.02.02.2450異步電動機技術數據舉例二、技術數據“滿載時的效率”指電動機的額定輸出機械功率PN對定子額定輸入電功率P1N的比值,用ηN表示。是“滿載時的(定子電路)功率因數”“額定轉矩”是電動機在額定運行時軸上的輸出轉矩。軸上機械功率P等于轉矩T和角速度ω的乘積，故：

“額定轉矩為”：式中PN以kW為單位。Y160L-41530.3146088.5％0.852.27.02.2Y180L-42242.5147091.5％0.862.07.02.2Y132M-47.515.4144087％0.852.27.02.2Y112M-448.8144084.5％0.822.27.02.2Y100L1-42.25.0142081％0.822.27.02.2Y90S-41.12.7140078％0.782.26.52.2Y801-40.551.5139073％0.762.26.52.2（二）四級：同步轉速1500r/min（全部型號）Y160M2-2

1529.4293088.2％0.880.27.02.2

Y112M-248.2289085.5％0.872.27.02.2（一）二級：同步轉速3000r/min（部分型號）型號額定滿載時起動轉矩起動電流最大轉矩功率電流轉速效率功率因數額定轉矩額定電流額定轉矩

/kW/A/(r/min)

Y系列三相異步電動機（部分型號）技術數據型號額定滿載時起動轉矩起動電流最大轉矩功率電流轉速效率功率因數額定轉矩額定電流額定轉矩/kW/A/(r/min

)Y225S-43769.8148091.8％0.871.97.02.2Y250M-455102.5148092.6％0.882.07.02.2Y280M-490164.3148093.6％0.891.97.02.2（三）六級：同步轉速1000r/min（部分型號）Y160M-67.517.097086％0.782.06.52.0Y225M-63059.598090.2％0.851.76.52.0（四）八級：同步轉速750r/min（部分型號）Y225M-82247.673090％0.781.86.02.0Y315M2-890180.3