电工电子技术基础第四章申凤琴主编

第四章异步电动机第一节三相异步电动机第二节单相异步电动机返回主目录图4-1笼型三相异步电动机轴承盖端盖接线盒散热筋转轴转子风扇罩壳轴承机座第一节三相异步电动机一、三相异步电动机的基本结构（3）机座定子绕组组成一个在空间依次相差电角度的三相对称绕组，其首端分别为、、，末端分、、，可接成星形或三角形，如图4-2所示。主要产生旋转磁场。1U1V1W2U2V2W1201．定子电动机主磁路的一部分，有良好的导磁性能。为了减小铁心损耗，采用0.5mm厚硅钢冲片叠成圆筒形，并压装在机座内。在定子铁心内圆上冲有均匀分布的槽，用于嵌放三相定子绕组。（2）定子绕组（1）定子铁心固定和支撑作用。2．转子电动机的转子电路部分，其作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。（3）转子绕组支撑转子铁心和输出电动机的机械转矩。（2）转轴电动机主磁路的一部分，也用0.5mm厚且相互绝缘的硅钢片叠压成圆柱体，中间压装转轴，外圆上冲有均匀分布的槽，用以放置转子绕组。（1）转子铁心图4-3笼型转子铜条笼型转子铸铝笼型转子图4-4绕线式转子三相转子绕组转轴集电环电刷电刷外接线转子绕组出线端※型号Y112M－4编号4.0kW8.8A380V1440r/minLW82dB接法△防护等级IP4450Hz45kg标准编号工作制SIB级绝缘年月××电机厂二、三相异步电动机的铭牌图4-5三相异步电动机铭牌在三相异步电动机的机座上有一块铭牌，铭牌上标出了该电动机的主要技术数据。磁极数，4表示四极机座类型（L表示长机座，M表示中机座，S表示短机座）中心高度（mm）异步电动机Y112M—41．型号(Y112M－4）2．额定值电动机在加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组的线电流。电动机在额定状态下运行时，定子绕组所加的线电压。电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率。NNNNNcos3IUP式中，为额定效率，为额定功率因数。NNcos（1）额定功率(kW)NP（2）额定电压(kV或V)NU（3）额定电流(A)NI额定功率与其他额定值之间的关系（4）额定转速(r/min)Nn在额定电压下，定子绕组应采用的联结方法。Y系列电动机，4kW以上者均采用三角形接法。（6）接法(△)电动机所接交流电源的频率。我国电网的频率规定为50Hz。Nf（5）额定频率(Hz)电动机在额定状态下运行时的转速。（7）工作方式S1连续；S2短时间；S3断续。（8）绝缘等级根据绝缘材料允许的最高温度分为Y、A、E、B、F、H、C级，见表4-1，Y系列电动机多采用E、B级绝缘。表4-1绝缘材料耐热等级18018015513012010590CHFBEAY等级最高允许温度/C三、三相异步电动机的基本工作原理在三相定子绕组中流过三相对称交流电流，其波形如图4-7。图4-6两极定子绕组结构示意图1．旋转磁场的产生结构示意图接线原理图UiViWiOωti120240360图4-7三相电流波形据电流的参考方向（首端流入）和波形图判断电流的实际方向电流为负时，实际电流从线圈末端流进，首端流出。电流为正时，实际电流从线圈首端流进，末端流出；图4-8两极旋转磁场示意图放大波形对于对磁极电动机，旋转磁场的转速p3)对于两极（即磁极对数=1）电动机，旋转磁场转速p1160fn旋转磁场的特点1）定子三相绕组的合成磁场为旋转磁场。2）旋转磁场的转向取决于三相电流的相序。若要改变旋转磁场转向，只须将三相电源进线中的任意两相对调即可。pfn1160(4-1)式中，是旋转磁场转速，亦称同步转速（r/min）；是电源频率（）；是磁极对数。1n1fHzp问题1.怎样产生两对磁极?图4-9三相异步电动机旋转原理图2．旋转原理结论：转子的转向和旋转磁场的转向一致。若改变旋转磁场的转向，则可改变转子的转向。旋转磁场与转子导体间有相对运动感应电动势右手定则感应电流左手定则电磁力电磁转矩因为，如果转子的转速达到同步转速，则转子导体将不再切割磁力线，因而感应电动势、感应电流和电磁场转矩均为零，转子将减速，因此，转子转速总是低于同步转速。1nnn1n“异步”的含义是指转子的转速永远比同步转速（既旋转磁场的转速）小。异步电动机的“异步”的含义感应电机旋转磁场的同步转速与转子转速之差称为转差。转差与同步转速之比称为转差率，用表示，即1nn1nss转差率转差率是三相异步电动机的一个重要参数。它对电机的运行有着极大的影响。其大小也能反映转子转速。即s11nnns(4-2))1(1snn若定子绕组增加一倍，且每个绕组在空间以相差的角度排列，并把相差的两个绕组首尾相串，组成一相绕组，则可构成四极（=2）电动机。90180p电动机起动瞬间，转子转速，转差率=1；理想空载时，转子转速，转差率；因此，电动机在电动状态下运行时，转差率=0～1。0ns1nn0ss答案1图4-17已知Y112M－4三相电动机的同步转速r/min，额定转速为1440r/min，空载时的转差率。求该电动机的磁极对数，额定转差率和空载转速。15001n0026.00SpNs0n2150050606011nfp04.01500144015001N1Nnnns1496min/r)15000026.01500()1(100nsnr/min例4-1解式中，是线电压，是线电流，是电动机的功率因数lUlI1cos四、三相异步电动机的运行特性%10012PP11cos3llIUPnFeCu12PPPPP式中，是定子绕组及转子绕组中的铜损耗，铁心中存在的铁损耗，是在运行过程中克服机械摩擦、风的阻力等所形成的机械损耗。此式称为功率平衡方程式。CuPFePnP１．转矩特性1P1）三相异步电动机在稳定运行时，电源输入的功率2P2）轴上输出的机械功率3）机械效率02TTTT根据力学知识，旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩与它的机械角速度的乘积，即。TPnPnPPT22229550π260额定输出转矩为式中，是额定输出功率（kW）；是额定转速（r/min）；是额定输出转矩（N•m）。NPNnNTNNNNNNN9550π2601000nPnPPT(4-5)4）电磁转矩式中，为电磁转矩，为输出转矩，为空载阻转矩，此式称为转矩平衡方程式。T2T0T2T5）输出转矩故2P式中，为输出功率（kW）三相异步电动机的电磁转矩与定子绕组上的电压和频率、转差率、转子电路参数等有着密切联系，其关系式为T式中，是定子绕组电压；是交流电源的频率；是转子绕组每相的电阻；是电动机静止不动时转子绕组每相的感抗；是电动机结构常数；是转差率。1U1f2R20XCs对于某台电动机而言，当定子绕组上的电压及频率一定时，转子电路等参数均为常数。此时，电动机的电磁转矩仅与转差率有关。Ts转矩特性曲线220221212sXRfUsCRT(4-6)图4-10转矩特性曲线由图看出：当时，，随着增大，也开始增大，达到最大值以后，随增大而减小。0s0TsTmTTs有两台三相异步电动机，额定功率均为10kW，其中一台额定转速为980r/min，另一台为1430r/min。试求它们在额定状态下的输出转矩。143010955095502NN22NnPTN·m≈66.78N·m98010955095501NN11NnPTN·m≈97.45N·m由式（4-5）可得例4-2解把图4-10顺时针转并把换成，变成图4-11所示的与之间的关系曲线，该曲线称为机械特性曲线。90nsnT图4-11机械特性曲线2．机械特性stTNststTTK（4-7）电动机刚接通电源,但尚未开始转动（=1）的一瞬间，轴上所产生的转矩称为起动转矩。起动转矩必须大于电动机所带机械负载的阻力矩，否则不能起动。通常用起动能力表示，它定义为起动转矩与额定转矩之比，即sstKstTNT电动机能够提供的极限转矩。电动机的最大转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力，也称过载系数，用表示，即mNmmTT（4-8）（1）起动转矩mT（2）最大转矩问题3：电动机一但过载，会很快停转。停转时，会发生什么？问题2.若电动机所拖动的负载阻力矩大于最大转矩，会怎样？临界转速和临界转差率mnms最大转矩所对应的转速和转差率分别称为临界转速和临界转差率，的值约在0.04～0.4之间，通过分析可知，可用下式计算mnmsmsms202mXRs（4-9）由上式可知，出现最大转矩时的临界转差率和成正比，当=，（起动时），则可使最大转矩出现在起动瞬间。ms2R2R20X1mss应用起重设备中广泛采用的绕线转子异步电动机就是利用了这一特点，保证电动机有足够大的起动转矩来提升重物。即转速从到之间的区域（电动机正常运行工作区）。该段曲线表明：当负载转矩增大时，电磁转矩增大，电动机转速略有下降。0nmn转速从0到之间的区域。该段曲线表明：当负载转矩增大到超过电动机最大转矩时，电动机转速将急剧下降，直到停转。通常电动机都有一定的过载能力，起动后会很快通过不稳定运行区而进入稳定运行区工作。由于三相异步电动机机械特性的稳定运行区比较平坦，即随着负载转矩的变化，电动机转速变化很小，因此其机械特性为硬特性。mn（2）非稳定运行区对于机械特性曲线，可分为两个区域：（1）稳定运行区电动机将因拖不动负载而被迫停转。答案21）电动机所产生的电磁转矩与电源电压的平方成正比，因此电源电压的波动对电动机的转矩影响很大。T1U结合式（4-6）、式（4-9），得出结论：mT2R2R2）最大转矩与转子电阻无关，因此适当调整可改变机械特性，而最大转矩不变。电动机电流很大，若时间过长，则会烧坏电动机。答案3一台三相异步电动机的=380V，=20A，=10kW，0.84，1460r/min，1.8，2.2，试求额定转矩，起动转矩，最大转矩，额定效率。NUNINP1cosNnstKmNTstTmaxTN%44.90%10006.1110%1001NNPP据式（4-5）据式（4-7）据式（4-8）例4-3解故84.0203803cos31NN1IUPW≈11.06kW1P输入功率为NmmaxTT2.2×65.41N·m≈143.90N·mNststTKT1.8×65.41N·m≈117.74N·m14601095509550NNNnPTN·m≈65.451N·m五、三相异步电动机的起动、反转、调速和制动1．起动（1）三相笼型异步电动机的起动1）全压起动2）减压起动·定子绕组串电阻或电抗减压起动·Y/△减压起动·自耦变压器减压起动（2）三相绕线式异步电动机的起动1）转子串电阻起动2）转子串频敏变阻器起动2．反转3．调速（1）变极调速（2）变频调速（3）改变转差率s调速4．制动（1）能耗制动（2）反接制动1）电源反接制动2）倒拉反接制动3）起动设备简单、经济、操作方便、运行可靠。三相异步电动机开始起动的瞬间，由于转速，转子导体以最大的相对速度切割旋转磁场，从而产生最大的感应电动势，因此，起动瞬间转子导体电流最大，这样就使定子绕组也出现很大的起动电流，其值约为额定电流的4～7倍，0n1．起动电动机起动的三个基本要求：stI1）起动电流应尽量小；stT2）起动转矩足够大；起动电流大?（1）三相笼型异步电动机的起动1）全压起动一般10kＷ以下的电动机可采用全压起动。2）减压起动减压起动可减小起动电流，但由于起动转矩随电压的平方而降低，因此也大大减小了起动转矩，因此减压起动仅适用于在空载或轻载情况下起动的电动机。·定子绕组串电阻或电抗减压起动·Y/△减压起动·自耦变压器减压起动·定子绕组串电阻或电抗减压起动图4-12笼型异步电动机定子串电阻减压起动线路图缺点:只适合轻载起动，且起动时电能损耗大。优点:起动平稳，运行可靠，设备简单。这种起动方式，其起动电流和起动转矩只有直接起动时的1/3。图4-13笼型异步电动机Y/△减压起动线路图·Y/△减压起动缺点：只适用