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1电机拖动技术基础总学时：40理论学时：36实验学时：4周学时：4主讲：王伟2第五章：交流电动机的工作原理及特性本章要求：1、了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。2、掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速和制动的各种方法、特点及应用。3、掌握单相电动机的工作原理和启动方法。4、了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。3常用的交流电动机有三相异步电动机(或称感应电动机)和同步电动机。异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机，同步电机既可作发电机使用，也可作电动机使用。本章主要介绍三相异步电动机的工作原理，启动、制动、调速的特性和方法。45.1三相异步电动机的结构和工作原理一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。如图4.1所示。51．定子定子由定子铁心、绕组以及机座组成。定子铁心是磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图4.2所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C称为首端，而X、Y、Z称为末端。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流在定子铁心中产生旋转磁场。机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。62．转子：转子由铁心与绕组组成。转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图4.2所示。异步电动机转子绕组多采用鼠笼式和线绕式两种形式。因此异步电动机按绕组形式的不同分为鼠笼式异步电动机和线绕式异步电动机两种。线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图4.3（ａ）所示，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成，如图4.4所示。这不仅是以铝代铜，而且制造也快。7线绕式异步电动机转子绕组是由线圈组成绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，如图4.5所示。8右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。下面是它主要部件的拆分图。9二、三相异步电动机的旋转磁场由上可知，要使异步电动机转动起来，必须要有一个旋转磁场。异步电动机的旋转磁场是怎样产生的呢?它的旋转方向和旋转速度是怎样确定的呢?现在分别加以说明。1、旋转磁场的产生当电动机定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流都会产生自己的磁场。由于电流随时间变化，它们产生的磁场也将随时间变化，而三相电流产生的总磁场(合成磁场)不仅随时间变化，而且是在空间旋转的，故称旋转磁场。为了简便起见，假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端A、B、C接三相交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图4.6所示。10假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流iA作为参考正弦量，即iA的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为A—B—C）的瞬时值为：240sin120sinsintIitIitIimCmBmA图4.7所示是这些电流随时间变化的曲线。11下面分析不同时间的合成磁场。1).t=0时：iA=0；iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图4.8（a）箭头所示。122).t=T/6时：iA为正，电流从A端流到X端；iB为负，电流从Y端流到B端；iC=0。此时的合成磁场如图4.8（b）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了π/3。3).t=T/3时：iA为正，电流从A端流到X端；iB=0；iC为负，电流从Z端流到A端。此时的合成磁场如图4.8(c)所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2π/3。4).t=T/2：iA=0；iB为正，电流从B端流到Y端；iC为负，电流从Z端流到A端。此时的合成磁场如图4.8(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了π。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。132．旋转磁场的旋转方向从图4.6和图4.7可见，A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2π/3，而B相绕组内的电流又超前C相绕组内的电流2π/3，同时图4.8中所示旋转磁场的旋转方向为从A→B→C，即向顺时针方向旋转。如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调，例如，将B，C两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位对调，如图4.9所示，此时A相绕组内的电流超前C相绕组内的电流2π/3，而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流2π/3，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为A→C→B，即向逆时针方向旋转，如图4.10所示，即与未对调前的旋转方向相反。由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。143．旋转磁场的极数与旋转速度在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化3600电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了3600机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f转，即：f60n0如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图4.11所示的三相绕组，其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流（图4.7），便产生具有两对磁极的旋转磁场。15从图4.12可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了π/2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半，即每分钟60f/p转。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：所以，旋转磁场的旋转速度n0与电流的频率成正比而与磁级对数成反比，因为标准工业频率（即电流频率）为50Hz，因此，对应于p=1、2、3、4时，同步转速分别为3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min。Pf60n016三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转磁场(定子绕组内三相电流所产生的合成磁场)和转子电流(转子绕组内的电流)的相互作用。三、三相异步电动机的基本工作原理如图5．6(a)所示，当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组内相通过对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，该磁场沿定于内圆周方向旋转。图5．6(b)所示为具有一对磁极的旋转磁场，我们拟想磁极位于定子铁心内画有阴影线的部分。17当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电势e2、假设旋转磁场向顺时针方向旋转，则相当于转于导体向逆时针方向旋转切割磁通．根据右手定则，在N极面下转于导体中感应电势的方向系由图而指向读者．而在s极面下转于导体中感应电势方向则由读者指向图面。由于电势e2的存在，转子绕组中将产生转子电流i2。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力F(其方向由左手定则决定，这里假设i2和e2同相，该力在转子的轴上形成电磁转矩．且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩作用，便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。但是，转子的旋转速度n(即电动机的转速)恒比旋转磁场的旋转速度(称为同步转速)小，因为如果两种转速相等，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁通，便不能感应电势e2和产生电流i2，也就没有电磁转矩，转子就不会继续旋转。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转于旋转的主要因素。18由于转子转速不等于同步转速，所以把这种电动机称为异步电动机，而把转速差(n0-n）与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即%10000nnns转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。当转子旋转时，如果在轴上加有机械负载，则电动机输出机械能。从物理本质上分析，异步电动机的运行和变压器相似，即电能从电源输入定子绕组(原绕组)，通过电磁感应的形式．以旋转磁场作媒介。传送到转子绕组(副绕组)，而转子中的电能通过电磁力的作用变换成机械能输出。由于在这种电动机中、转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象，所以异步电动机又称为感应电动机。通常异步电动机在额定负载时，S接近于0，转差率很小，约为0.015一0.06019三相电机的定子绕组．每相都由许多线圈(或称绕组元件)所组成。1．两种接法定子绕组的首端和末端通常都接在大电动机的接线盒的接线柱上，一般按图4.14所示的方法排列。按照我国电工专业标准规定，定子绕组出线端的首端为D1、D2、D3，末端为D4、D5、D6。四、定子绕组线端连接方式三相电动机的定子绕组有星形（Y型）和三角形（△形）两种不同的接法，如图4.15所示。202．线电压与相电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；相电压：一相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。对于星形接法，；对于三角形接法，。3．线电流与相电流线电流：电网的供电电流，用I1表示；相电流：每相绕组的电流，用I相表示。对于星形接法，相I1=I；对于三角形接法，。4．电动机的输入功率相U3U1相UU1相I3I1cosIU3P111215.额定参数电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。使用电动机时，必须看懂铭牌。（1）额定功率PN：在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。PN=ηNP1N输出功率的一般表达式为：P2=ηP1其中：η为效率；P1为输入功率P2为输出功率22（2）额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用Δ/Y连接时应加的线电压值。即：三角形接法时，定子绕组应接~220V的电源电压星形接法时，定子绕组应接~380的电源电压。（3）额定频率f：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（f=50Hz）。（4）额定电流IN：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为Δ/Y连接的线电流值。三角形接法时，定子绕组应接10.35A的电源电压星形接法时，定子绕组应接5.9A的电源电压。（5）额定转速nN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。与此转速相对应的转差率称为额定转差率SN。23一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下。（1）额定功率因数cosϕN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。（2）额定效率ηN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为（3）额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。（4）线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。246、定子绕组连线方法的选用定子三相绕组的连接方式（Y形或Δ形）的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。如果电源的线电压等于电