第八章 异步电动机

1、第八章异步电动机第八章第八章 异步电动机异步电动机8.18.1 三相异步电动机的结构与三相异步电动机的结构与 工作原理工作原理8.28.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性8.38.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用8.48.4 单相异步电动机单相异步电动机交流电动机交流电动机电动机电动机直流电动机直流电动机鼠笼式鼠笼式绕线式绕线式异步机异步机同步机同步机他励、异励、串励、复励他励、异励、串励、复励鼠笼式异步交流电动机授课内容：鼠笼式异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法机械特性、控制方法 电动机的分类电动机的分类控制电

2、机控制电机n0nei8.18.1 三相异步电动机的结构与三相异步电动机的结构与 工作原理工作原理NSf磁铁磁铁闭合闭合线圈线圈磁极旋转磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线切割磁力线产生感应电动势vlBe导线长导线长磁感应强度磁感应强度切割速度切割速度（右手定则）（右手定则）闭合导线产生电流闭合导线产生电流 i（左手定则）（左手定则）通电导线在磁场中受力通电导线在磁场中受力ilBfn0neiNSf1. 线圈跟着磁铁转线圈跟着磁铁转两者转动方向一致两者转动方向一致 结论：结论：异步异步2. 线圈比磁场转得慢线圈比磁场转得慢0nnn0neiNSf三相异步机的结构三相异步机的结构YBZXAC转子转

3、子定子定子定子绕组定子绕组（三相）（三相）机机 座座转子：在旋转磁场作用下，转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或产生感应电动势或 电流。电流。三相定子绕组：产生旋转三相定子绕组：产生旋转 磁场。磁场。线绕式线绕式鼠笼式鼠笼式鼠笼转子鼠笼转子 旋转磁场的产生旋转磁场的产生AYCBZ异步机中异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极旋转磁场代替了旋转磁极AiBiCimIt0n()电流出电流出( )电流入电流入X240sin120sinsintIitIitIimCmBmA0tAXYCBZNSAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁场方向：合成磁场方向：向下向下180tXBZ0nAYC 60tAX

4、YCBZSN0n60A120tXYCBZ0n同理分析，可得同理分析，可得其它电流角度下其它电流角度下的磁场方向：的磁场方向：AiBiCitmI旋转方向旋转方向：取决于三相电流的相序。：取决于三相电流的相序。0n0n改变电机的旋转方向：换接其中两相改变电机的旋转方向：换接其中两相AiBiCimItAiCiBimIt旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转磁场的转速大小转速大小分）转 /( 600fn 一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过360。则。则 同步转速（旋转磁场的速度）为：同步转速（旋转磁场的速度）为：AXYCBZNSAXYCBZSN0n60AXYC

5、BZNSAiBiCimIt极对数（极对数（P）的概念）的概念BiAXBYCZAiCi1p此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：即：AXYCBZNS极对数（极对数（P）的改变）的改变CYABCXYZAXBZAiBiCi 将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。成的磁场则是两对磁极。X AAXBYBYCZCZ极对数极对数2pAXX ANSSNZCZCBYBYCYABCXYZAXBZAiCiBiAiBiCimItXNSASNZBX AYCZBCY0t分）转/( 600pfn

6、 60t A0nAZXXCZCSNSN30极对数和转速的关系极对数和转速的关系AiBiCimIt三相异步电动机的同步转速三相异步电动机的同步转速分）转/( 600pfn 2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速)50(Hzf 0n3p120分）转/( 0001电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速电动机转速:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致， 但但 异步异步电动机电动机0nn无转距无转距转子与旋转磁场间没

7、有相对运动转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流无转子电流提示提示：如果如果0nn 转差率转差率 的概念：的概念：)(s%10000nnns异步电机运行中异步电机运行中:%91s转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间电动机起动瞬间:1 , 0sn（转差率最大）（转差率最大）8.2.1 三相异步电动机的三相异步电动机的“电磁电磁”关系关系 8.2 8.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性i2转、定子电路转、定子电路R1R2i1u1e1e

8、1e2e 2 ：漏磁通：漏磁通产生的感应电动产生的感应电动势。势。 ：主磁通产：主磁通产生的感应电动势。生的感应电动势。e1e2、e 1e 2、dtdNeeeRiu1111111设：设：tsin1m则：则：tNum1111cos定子边：定子边：mmmmNfUUEfNNU11111111144. 422tNum1111cosR1R2i1u1e1e 1e2e 2mNfE22244. 4同理得转子边：同理得转子边：mNfE22244. 42f：转子感应电动势的频率：转子感应电动势的频率2N：转子线圈匝数：转子线圈匝数2f取决于转子和旋转磁场的相对速度取决于转子和旋转磁场的相对速度1000026060

9、SfPnnnnPnnff2与与S有关，有关， E2与与S有关。有关。R1R2i1u1e1e 1e2e 22202220222222)(SXRSEXREI其中其中202122222SXLSfLfX202122244. 444. 4SENSfNfEmm转子功率因数转子功率因数220222222222)(cosSXRRXRRI2与与S有关，有关， COS2与与S有关。有关。I2 、COS2随随S变化曲线如下图所示变化曲线如下图所示S I2COS2011电磁转矩电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。受到电磁力所形成的转距之总和

10、。22cosIKTmT常数常数每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路的转子电路的2cos转矩公式的推导转矩公式的推导 22cosIKTmT22022202)(SXRSEI2202222)(cosSXRRmNfU11144.4将其中参数代入：将其中参数代入：21220222)(UsXRsRKT得到得到转矩公式转矩公式8.2.2 三相电动机的机械特性三相电动机的机械特性)()(TfnSfT21220222)(UsXRsRKT根据转矩公式根据转矩公式Ts10n0Tn得特性曲线：得特性曲线：起动过程：起动过程：以匀速转动上升由到达CTTTnTnTTnTnmax0电动机的自适应负载能力电动机的自适应负

11、载能力 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。这种能力称为自适应负载能力。常用特常用特性段性段n0nT 自适应负载能力是自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）油门，才能带动新的负载。）TISnTL2 直至新的平衡。此过程中，直至新的平衡。此过程中， 时，时， 电源提供的功率自动电源提供的功率自动增加。增加。2 I1 I三个重要转矩三个重要转矩n0TnNT额定转

12、矩额定转矩 ：电机在额定电压下，以额电机在额定电压下，以额定转速定转速 运行，输出额运行，输出额定功率定功率 时，电机转轴时，电机转轴上输出的转矩。上输出的转矩。NPNn( 1 )/()(9550602分转千瓦NNNNNnPnPT（牛顿（牛顿米）米）NTnN 如果如果 电机将会电机将会因带不动负载而停转。因带不动负载而停转。maxTTL最大转矩最大转矩 ：( 2 )maxT电机带动最大负载的能力。电机带动最大负载的能力。n0TnmaxT求解求解0ST21220222)(UsXRsRKT2021max21XKUT202XRSm当过载系数：过载系数：NTTmax三相异步机三相异步机2 .28 .1

13、 工作时，一定令负载转矩工作时，一定令负载转矩 ，否则，否则电机将停转。致使电机将停转。致使注意：注意： （1）三相异步机的）三相异步机的 和电压的平方成正比，所和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。maxTmaxTTL （2）电机严重过热电机严重过热0n121)(s II2021max21XKUTstT起动转矩起动转矩 ：( 3 )电机起动时的转矩。电机起动时的转矩。n0TnstT21220222)(UsXRsRKT0n1)(s 其中其中则则21220222)(UXRRKTstLstTT stT体现了电动机带载起动的

14、能力。若体现了电动机带载起动的能力。若 电机能电机能起动，否则将起动不了。起动，否则将起动不了。1U21220222)(UsXRsRKT 机械特性和电路参数的关系机械特性和电路参数的关系21 UT和电压的关系和电压的关系0Tn0) 0(nnsSTTTUmax1结论：结论： 和转子电阻的关系和转子电阻的关系22RR 2 RR2的的 改变改变 ： 鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。机外接电阻不同。 21220222)(UsXRsRKT0ST令：令：得：得：202XRSm0Tn2RmsmsstTstT mmssststTT结论：结论：

15、 机械特性的软硬机械特性的软硬 硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。动特性好。 硬特性硬特性 （R2小）小）软特性软特性（R2大）大）0Tn 不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。电机；重载起动则选软特性电机。8.3.1 三相异步机铭牌与技术数据三相异步机铭牌与技术数据8.3 8.3 三相异步电动机的使用三相异步电动机的使用1. 型号型号 Y 132M4

16、 磁极数磁极数(极对数极对数 p=2)同步转速同步转速1500转转/分分分）转/( 600pfn 转差率转差率0.04 150014401500s2. 转速转速: 电机轴上的转速（电机轴上的转速（n)。 如：如： n =1440 转转/分分3. 联接方式联接方式：Y/ 接法：接法： Y 接法：接法： 接法：接法：AB CZX YA B CZX YABCXYZAZBYXCABCXYZ接线盒：接线盒：4. 额定电压：定子绕组在额定电压：定子绕组在指定接法指定接法下应加的下应加的线电压线电压. 说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的定值的

17、5 。线线电电压压AZBYXC线线电电压压ABCXYZ例：例：380/220 Y/ 是指：线电压为是指：线电压为380V时采用时采用Y接法；接法； 当线电压为当线电压为220V时采用时采用 接法。接法。11IUNfU11144.4电压波动对电动机的影响电压波动对电动机的影响1U1I11IUsnnns02E202sEE 2I1I1Un小1U大1UTnI5. 额定电流：额定电流：定子绕组在定子绕组在指定接法指定接法下的下的线电流。线电流。如：如：A48. 6/A2 .11/ 表示三角接法下，电机的线电流为表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电，相电流为流为6.48A；星形接法时线、相电流均

18、为；星形接法时线、相电流均为6.48A。6. 额定功率：额定功率： 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率功率（ ），不等于从电源吸收的功率（），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的）。两者的 关系为：关系为： 2P1P12PPCOSIUPNN31其中其中鼠笼电机鼠笼电机 =7293 额定负载时一般为额定负载时一般为0.7 0.9 ， 空载时功率因数很空载时功率因数很低约为低约为0.2 0.3。额定负载时，功率因数最大。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，注意：实用中应选择合适容量的电机，防止防止“大马大马” 拉拉“小车小车”的现象

19、。的现象。7. 功率因数功率因数(cos 1)：P2PN此外还有此外还有绝缘等级绝缘等级等参数，不一等参数，不一 一介绍。一介绍。cos 18.3.2 8.3.2 三相异步机的起动三相异步机的起动stI起动电流起动电流 ：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍。倍。0n定子电流定子电流 原因：起动时原因：起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子感应电势转子电流转子电流大电流使电网电压降低大电流使电网电压降低 影响其他负载工作影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累频繁起动时造成热量积累 电机过热电机过热影响：

20、影响：三相异步机的起动方法：三相异步机的起动方法：（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。采用直接起动。（2） 降压起动。降压起动。Y 起动起动自耦降压起动自耦降压起动（3）转子串电阻起动。）转子串电阻起动。以下介绍以下介绍Y 起动和转子串电阻起动。起动和转子串电阻起动。Y 起动：起动： 正常正常运行运行lUAZBYXClI 起动起动ABCXYZlUlYIZUIllY33ZUIll设：电机每相阻抗为设：电机每相阻抗为Z31llYIIAZBYXC正常正常运行运行UPABCXYZ起起动动UPStstYTT31PPUU31（2）Y 起动

21、应注意的问题：起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。 所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合)(2UTSTY 起动起动也时ststTI,。转子串电阻起动转子串电阻起动定子定子RRR线绕式转子线绕式转子起动时将适当的起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将串入转子绕组中，起动后将R短路。短路。1222202202)(IIRXREIst转子串电阻起动的特点：转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。适于转子为线绕式的电动机起动。（1） （2）R2选的选的适当适当，转子串电阻既可以降低起动电流

22、，转子串电阻既可以降低起动电流， 又可以增加起动力矩。又可以增加起动力矩。0Tn2R2R22RR ststTRXRURKT222022212 方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。反转。 8.3.3 8.3.3 三相异步电动机的正、反转三相异步电动机的正、反转正转正转反转反转A B CM3电电 源源ABCM3电电 源源制动方法：制动方法： 1. 抱闸抱闸：加机械抱闸；：加机械抱闸； 2. 反接制动反接制动：停车时，将电动机接电源的任：停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以

23、达制动的目的；，以达制动的目的； 8.3.4 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。即切割磁力线的速度很大，造成即切割磁力线的速度很大，造成 ，引起，引起 。2I1I注意：注意： 4.发电反馈制动：发电反馈制动： 令电机转子的转速超过令电机转子的转速超过 旋转磁场的同步转速，便旋转磁场的同步转速，便 会产生制动转矩。会产生制动转矩。M3+-运行运行制动制动n F转子转子3. 能耗制动能耗制动：停车时，断开交流电源，

24、接至直流：停车时，断开交流电源，接至直流 电源上，产生制动转矩；电源上，产生制动转矩；n Fno8.3.5 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速pfsnsn1060111. 改变极对数改变极对数 有级调速。有级调速。p2. 改变转差率改变转差率 s无级调速无级调速调速方法：调速方法：0Tn2R2R0ST2R2R22RR 3. 改变电源频率改变电源频率 (变频调速变频调速) 无级调速无级调速1f变频电源变频电源 可变可变Uf ,Hz50pfsnsn106011 此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组要环

25、节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。成）。8.4 8.4 单相异步电动机单相异步电动机8.4.1 8.4.1 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理结构结构：定子放单相绕组（其中通单相交流电）；：定子放单相绕组（其中通单相交流电）； 转子一般用鼠笼式。转子一般用鼠笼式。定子定子转子转子 定子定子绕组绕组定子中通入单相交定子中通入单相交流电后，形成流电后，形成脉动脉动磁场磁场。其磁感应强。其磁感应强度按正弦分布，且度按正弦分布，且随时间按正弦变化。随时间按正弦变化。单相异步电动机的特点单相异步电动机的特点：（1）自身没有起动转矩）自身没有起动转矩 .F转子导条转子导条及电流及

26、电流 当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。相等方向相反，所以没有起动转矩。（2）转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方）转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方 向继续转动。向继续转动。其原理分析如下：其原理分析如下： 定子绕组产生的脉动磁场（定子绕组产生的脉动磁场（ ），可用），可用正、反两个正、反两个旋转磁场合成而等效。即：旋转磁场合成而等效。即：- + -= + -= mt m 脉动磁场的分解脉动磁场的分解 - + + - 02s121ss1T2T正反向旋转磁场的合成转矩特性正反向旋转磁场的合成转矩特性合成转矩合成转矩s起动转矩起动转矩为零。为零。01s22s21s（正向）（正向）（反向）（反向）正正转转转转反反电容分相式起动电容分相式起动8.4.2 单相异步电动机的起动单相异步电动机的起动KDU1I2ICWSTW: 主绕组主绕组ST：启动绕组：启动绕组K：离心开关：离心开关启动时开关启动时开关K闭合，使两闭合，使两绕组电流绕组电流 相位差约相位差约为为90，从而产生旋转磁，从而产生旋转磁