第5章-交流电动机的工作原理及特性

机电传动控制第5章交流电动机的工作原理及特性本章提要•了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生•掌握异步电动机的工作原理和机械特性。•掌握异步电动机启动、调速和制动的方法，会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；•掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理；•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；•掌握各种异步电动机和同步电动机的使用场所。一、三相异步电动机的基本结构定子和励磁线圈转子和转子线圈定子和转子硅钢冲片三相对称绕组AX，BY，CZ鼠笼转子结构ABC外接变阻器（启动和速度调节）滑环和电刷绕线转子结构二、三相异步电动机的工作原理三相交流电定子三相绕组N-S主磁场以n0顺时针旋转nTFieM顺时针TM产生条件：n0和n相对运动1.500nnnS转差率n0－同步转速n－转子转速工作原理要点三相交流电通过定子绕组产生旋转磁场旋转磁场与转子绕组之间存在相对运动转子绕组切割磁力线从而产生感应电势转子绕组为闭合回路，在感应电势作用下产生感应电流转子绕组成为载流导体，在磁场中受到电磁力（矩）的作用，从而使转子旋转转子转速始终低于旋转磁场的转速(同步转速)三、三相异步电动机的旋转磁场1.旋转磁场的产生34sin32sinsintIitIitIimcmBmACBAiiit0006CBAiiiTtCBAiiiTt03CBAiiiTt02ttTtt020主磁场N-S顺时针旋转180度（旋转磁场n0在一对极p=1时）旋转磁场的产生2.旋转磁场的旋转方向三相交流电流最大值到达的顺序（相序）决定电动机转向。A→B→C电流A→B→C定子绕组（顺时旋转）A→B→C电流A→C→B定子绕组（逆时旋转）3.旋转磁场的极对数与旋转速度CBAiiit0006CBAiiiTtCBAiiiTt03CBAiiiTt02ttTtt0205.5600pfn旋转磁场转速（同步转速）磁场转了90度n0－r/minf－HZp－极对数（p=1、2、3…）四极旋转磁场与旋转速度四极旋转磁场与旋转速度5.5600pfn旋转磁场转速（同步转速）n0－r/minf－HZp－极对数（p=1、2、3…）min/9801480288010001500300032150000rnnnnnnpppHfZPfSnpfnnnnS/60160000四、定子绕组线端连接方式出线端排列短路片线电压相电压铭牌：Y/△－接线方式380/220－不同接线应加的线电压1．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：每相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。对于星形接法：相UU31对于三角形接法：相UU12．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II1对于三角形接法：相II31cosUIP11133.电动机的输入功率：4、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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动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成三角形；如果电源的线电压是电动机额定相电压的倍，那么，电动机的绕组就应该接成星形。通常电动机的铭牌上标有符号/Y和数字220/380，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。3例电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。1.J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流4.25/2.45A，转速1420r/min，功率因数0.79。2.J02-21-4，功率1.1kW，连接方法，电压380V，电流6.27A，转速1410r/min，功率因数0.79。解：1.J32-4电动机应接星形（Y）2.J02-21-4电动机应接成三角形（）星形（Y）三角形（）5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路一、定子电路分析三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。定子绕组接上三相电源电压（相电压为u1）时，则有三相电流通过（相电流为i1），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e1设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，下图为三相异步电动机的一相电路图。旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦规律变化的，tsinm定子每相绕组的感应电势为dtdNetm11sin有效值为6.544.4111NfEffpnf1017.560式中，f1为e1的频率。定子每相绕组中还要产生漏磁电动势tiLedd1L1L1加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL如用复数表示，则为)(j)()(1111111111EXIRIEERIUL式中，和()为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。1R1XL1121LfX由于R1和X1较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是EU111EU忽略漏磁二、转子电路的分析旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为tNedd22其有效值为2222444444SfN.Nf.E式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率。因为旋转磁场和转子间的相对转速为n0-n1000026060Sfpnnnn)nn(pf在n=0，即S=1时，转子电动势为2120444Nf.E为转子最大电动势202SEE可见转子电动势E2与转差率S有关。和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。tiLedd2L2L2因此，转子每相电路，有tiLRieRiedd)(2L222L2222如用复数表示，则为22222222j)(XIRIERIEL式中，R2和X2——转子每相绕组的电阻和漏磁感抗L21L22222LSfLfXL21202LfX202SXX在n=0，即S=1时，转子感抗为为转子最大感抗可见转子感抗E2与转差率S有关。转子每相电路的电流为2202220222222)SX(RSEXREI可见转子电流I2也与转差率S有关。当S增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。转子电路功率因数为(I2滞后E2一个φ2角)22.5cos220222222222SXRRXRR21.52202220222222SXRSEXREI22.5cos220222222222SXRRXRR1cos002220220220SRSEISXRInnS202220202202/cos01SXRCXSEISXRnS三、三相异步电动机的额定值电机名称（类型）小型三相异步电动机制造厂名称大连电机厂产品编号0132出厂年月1986年10月型号Y280S1-4防护型式代号IP44冷却方式代号ICO141额定功率75KW额定电压380V绝缘等级或温升限制B级或80K转速1470r/min定额种类连续S1接法Δ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。电动机铭牌上的额定数据型号额定功率PN(输出的机械功率)额定电压UN(220/380V△/Y)额定频率f(50HZ)额定电流IN(10.35/5.9A△/Y)额定转速nN(额定转差率SN)工作方式(定额)温升(或绝缘等级)电动机重量1、型号组成1）产品代号部分2）规格代号部分3）特殊环境代号4）补充代号部分中心高（mm）132机座长度（字母）SML铁芯长度（数字）1、2极数2、4异步电动机Y、YR同步电动机T同步发电机TF直流电动机Z直流发电机ZF汽轮发电机QF水轮发电机SF潜水电机Q纺织电机F在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。NNNPP1输出功率的一般表达式为：12PP其中：—效率；P1—输入功率P2—输出功率输出功率和输出转矩的关系为：cos55.9222IKnPTtI2—转子电流2、额定功率PN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/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~380V的电源电压。3、额定电压UN4、额定频率f在额定运行情况下，定子外加电压的频率（f=50Hz）。如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为/Y连接的线电流值。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。即：三角形接法时，定子电流为10.35A；星形接法时，定子电流为5.9A。5、额定电流IN6、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。与额定转速相对应的转差率称为额定转差率SN。7、绝缘等级和防护等级IPn1n2AEBFHC105°C120°C130°C155°C180°C180°C0无防护0无防护150mm固体1防滴212mm固体215°防滴32.5mm固体3防淋水41mm固体4防溅水5防尘5防喷水6尘密6防海浪或强力喷水7浸水8潜水8、冷却方式和工作定额空气冷却：自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风液体冷却闭路循环气体冷却表面冷却、内部冷却工作定额分S1~S8：连续、短时、继续、周期等电动机铭牌上不标的额定数据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。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%1003NNNNNconIUP额定转矩TN绕线式异步电动机转子静止时滑环电压和转子额定电流通常手册上给出的数据就是额定值例、有一台三相四极的异步电动机，Y连接，其额定技术数据PN=90kW，UN=380V，IN=22．9A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=2．85％，定子每相绕组匝数N1=320，转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通φ＝0.023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1：(2)转子每相绕组开路电压E20：(3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N。解：(1)E1=4.44f1N1φ=4.44×50×320×0.023＝1634V(2)转子绕组开路时，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压)E20=4.44f2N2φ=4.44f1N2φ=4.44×50×20×0.023=102V(3)求E2NE2N=SNE20=2.9V例、有一台三相四极的异步电动机，其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02Ω，X20=0.08Ω，电源频率f1=50Hz，E20=20V，试求：(l)电动机的同步转速n0：(2)电动机启动时的转子电流I2st：(3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N；(4)电动机在额定转速时的转子电流I2N解：(1)n0=60f1/p=60×50/2=1500r/min(2)AXREIst5.24208.002.020