交流电动机工作原理及特性

优点：结构简单，价格便宜，不需维护。第四章交流电动机工作原理及特性缺点：调速、启动、制动性能差，若要性能好则控制器（如变频调速、矢量调速）复杂。缺点：结构较复杂，价格较高，换向器与电刷处有火花放电，需定期维护（无刷直流电动机不必）。优点：调速、启动、制动性能好，控制器（如降压调速）简单，短时过载能力强。直流电动机交流电动机三相电动机单相电动机异步电动机同步电动机交流电动机一.结构§4.1三相异步电动机的结构和工作原理1.定子A----XB----YC----Z三相绕组2.转子鼠笼转子鼠笼式：如铸铝形成转子绕组绕线式240tsinIi120tsinIitsinIimCmBmA定子三相绕组通入三相交流电BiAXBYCZAiCi1.旋转磁场的产生（1对磁极）二.工作原理AYCBZXAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0t60t合成磁场方向向下合成磁场旋转60°0n6090t合成磁场旋转90°SNSN240tsinIi120tsinIitsinIimCmBmACiBiAit600mIo360AAXZBCYAAXZBCY可见：1对磁极时三相电流产生的合成磁场为旋转磁场，交流电一个周期（即电角度ωt=360°），磁场旋转360°2.旋转磁场的旋转方向0t60t任意调换两根电源进线就使磁场反转。0mICiBiAitiomINSNSCiAXBYCZAiBiC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiAXXNSZCZBYBYACSNBiCiAiimIt0若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极（P=2，即4极）旋转磁场。3.磁极对数P与磁场转速n0分）转/(f60n10时频率Hz50f1分）转/(30000n磁极对数p=1时，交流电一个周期（即电角度ωt=360°），磁场旋转360°磁场转速XNSAXABZCYZCYBSN0t60tp=2时BiCiAiitmI0分）转/(150026010fn0n30AXXZCZBYBYACNSNS)/(6010分转pfn所以4.三相异步电动机的工作原理三相定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，转子导体切割磁力线产生感应电动势与感应电流，进而产生电磁转矩使转子旋转，因磁场转速n0需比转子转速n快才能正常切割磁力线，故称为异步电动机，又称为感应电动机。5.转差率S（很重要）磁场转速n0（又称同步转速）和转子转速n之差与n0的比值称为转差率S。%100nnns00异步电动机启动时n=0，S=1；n=n0时，S=0；额定工况下一般%6~5.1S例1：一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1000r/min,即p=3额定转差率为2.5%100%10009751000%10000nnns三.定子绕组线端连接方式定子三相绕组的六个出线头可根据需要灵活地接成星形（Y形）或三角形（Δ形）。Δ联结Y联结§4.2三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。1)异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。2）变压器：变化eU1E1=4.44fN1异步电动机：旋转eU1E1=4.44fN13）变压器：I2增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。异步电动机：当负载增加时，转子电流I2增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。三相异步电动机与变压器的不同之处。1）变压器的副绕组是静止的、不能短路；而异步电动机的副绕组是旋转的且短路。3）变压器的磁路是无气隙的。而异步电动机中的定子和转子之间是有不大的气隙。2）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步电动机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。一.定子电路（取一相分析）漏磁电动势i1u1e1eL1i2R1e2eL2R211L111eeRiu定子电路转子电路感应电动势为漏磁电感1L11L1LLdtdiLe为定子一相绕组的匝数1111NdtdNe2L222eRie其有效值记为为磁通，tsin1m1111111Nf44.4NKf44.4Ee有效值为R1为定子绕组内阻111L1111L111edtdiLRieeRiu1L11Lf2X漏磁感抗60pnfpf60n,,ef011011可写出由磁场转速即交流电源频率的频率为11111Nf44.4NKf44.4E1111111L111EXIjRIEERIU表示为有效值可用复数)(i1e1eL1i2R1e2eL2R2u1因R1、X1小,可近似认为U1=E1二.转子电路1.转子感应电动势e2频率f2因转子在旋转,故转子感应电势频率f2定子感应电势频率f110000201Sf60pnnnnp60nnf60npf可得类比i1e1eL1i2R1e2eL2R22L222eRien=0即转差率S=1时转子切割磁力线最剧烈f2=f1，n=n0即S=0时转子不切割磁力线f2=0，额定工况下S=1.5~6%，f1=50Hz时，f2=0.75~3Hz2.转子感应电动势e2有效值E2=4.44f2N2=4.44Sf1N2当转速n=0(S=1)时，f2最高，E2最大，记为E20=4.44f1N2转子静止时的感应电势故E2=SE20转子转动时的感应电势有错书转子定子58P,dtdNe,dtdNe222111当转速n=0(S=1)时，f2最高，X2最大，记为X20=2f1LL2故X2=SX203.漏磁电动势为转子漏磁电感2L22L2LLdtdiLedtdiLRieRie22L222L22222222L222XIjRIERIE2L12L22LSf2Lf2X转子漏磁感抗转子静止时的漏磁感抗转子转动时的漏磁感抗R2与X2对电机影响均大4.转子电流I25.转子电路的功率因数222222XREI2202220)SX(RSE0I)nn(020s2202220max2XREI)0n(1s220222222222)SX(RRXRRcos202SXR)(s高速很小时1cos22ISn2cos202XRSS大时(低速)相当小,XRcos2022变化曲线随、ScosI22I2s1I2,2cosO2cos1n00n%100nnns006.电磁转矩22tcosIKT220222122022202)SX(RNf44.4S)SX(RSEI2202222)SX(RRcos1111111UkfUNf44.4E由前面分析知220222222022122111t)SX(RUSRK)SX(RUkSRfUkkTK为与电机结构有关且正比于1/f1的常数，U为供电电压，R2为转子内阻，X20为转子不转时的漏磁感抗2202212)SX(RUSk7.机械特性曲线2202222)SX(RUSRKT交流异步电动机TKKRKUn2teae直流电动机NnmaxTstTOnTNT0nS1n0nNTNn0Tn8.固有机械特性曲线与4个特殊工作点2202222)SX(RUSRKTNnmaxTstTOnTNT0nS11）理想空载工作点T=0,n=n0,S=02）额定工作点（重要）TN,nN,SN(一般1.5~6%)3）启动工作点(重要)Tst,n=0,S=1一般Tst=0.8~1.5TN(P66页)，而启动电流Ist=5~7IN，适当增大R2(线绕式电机)能明显增大Tst且Ist减小一般Tmax=2~2.2TN，增大R2（线绕式电机）使Sm增大，而Tmax不变，机械特性曲线变为绿色2220222U)SX(RSRKT202maxX2UKT0ddST令：可得202mXRs临界转差率再代入转矩公式，可得4）临界工作点（重要）最大转矩Tmax,nm,SmmnmaxTstTOnT0nS1Sm§4.3三相异步电动机的人为机械特性与调速特性一.变磁极对数调速改变磁极对数P能改变磁场转速特点：简单，机械特性硬,效率高，有级调速，启动时先接低速再接高速可明显提高启动性能。pf60n10nSmaxTstTOT0n10n5.0二.改变转差率调速1.降压调速2202222)SX(RUSRKT由机械特性公式可知减小U会使T大大下降特点：机械特性变软，拖动能力（Tst,Tmax）大大下降，无级调速，低速时效率低，发热大。Tst0nNUnTONU7.0S1降压调速时的能量损失：9550TnP0e旋转磁场传到转子上的电磁功率Pe为：可见交流异步电动机低速时效率低，发热大。转子上产生的机械功率Pm为：9550TnPm功率差(又称转差功率)Ps为：emesSPPPP单位：P--kw，T--N.m，n--r/min2.定子电路串电阻或电抗器调速串电阻或电抗器使定子绕组电压下降，故特性与降压调速类似。特点：简单，机械特性软，有级调速，低速时效率低，启动性能明显提高。3.转子电路串电阻调速（线绕式电机）maxTstTOnT0nS1R2R2特点：能量可回馈电网，效率较高，调速范围不大，复杂。4.串级调速（线绕式电机）maxTstTOnT0nS1转子电路串与转子感应电动势频率相同、相位相反的附加电动势，减小转子电流实现降速。书P80图5.43c不合理LT22022ad202)SX(RESEI22tcosIKT转子电流特点：结构简单，无级调速，机械特性软，效率不高。5.电磁转差离合器调速OnT1n电动机通过电磁转差离合器产生的电磁转矩带动负载转动，离合器无励磁电流时不能产生电磁转矩，相当于负载被“离开”，电磁转差离合器工作原理与异步电动机类似。1fI电磁转差离合器机械特性经验公式(If为离合器励磁电流)：4f21IkTnn3fI2fI3f2f1fIII吊扇调速（通过定子绕组串电容来降压调速）吊扇等风机、水泵类负载机械特性如绿线所示：Tst0nNUnTONU7.0M~220V通过改变电容值即可调速恒转矩负载：指负载转矩随转速变化不大，如起重机、机床的一次切削过程等。恒功率负载：如机床粗加工时切削深度大、切削力大、开低速；精加工时切削深度小、切削力小、开高速。需用变速箱来与电动机匹配。风机类负载：如泵电动机多工作在恒转矩方式（额定转矩）。1.在额定频率以下变频为保持磁通额定,需使不变，即交流电压随频率成比例下降。特点：机械特性硬，效率高，属恒转矩调速，启动性能大大提高，适合准确自动调速。可知由1111UNf44.4E11fU机械特性曲线如下(教材P65图5.26，而P83图5.48不大好)：nmaxTstTOT0nf1Nf11f12f11f12f1减小，Tmax基本不变，Tst增大三.变频调速2.在额定频率以上变频交流电频率增大时，转速将增大，但因电压不能超过额定电压，故只能保持U不变，将变小，所以转矩T也变小，属恒功率调速。特点：机械特性硬，效率高，拖动能力下降，属恒功率调速。OnTfNf§4.4三相异步电动机的启动特性异步电动机启动性能差：一般启动转矩Tst=0.8~1.5TN，而启动电流Ist=5~7IN常用于10kw以下的电动机，也可按教材P67处理一.直接启动（全压启动）二.定子电路串电阻或电抗器降压启动定子绕组接成星形（Y）时的电压是接成三角形（Δ）时的，电磁转矩为。三.Y-Δ降压启动3131六.利用控制电路限制启动电流并保持恒值启动（软启动）四.自耦变压器降压启动五.利用变频调速装置低频启动七.线绕式异步电动机的启动（转子串电阻）1.逐级切除启动