第4章交流电动机的工作原理及特性

第五章交流电动机的工作原理及特性•了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；•掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；•掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；•掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；•掌握实现三相异步电动机启动、调速和制动的各种方法及它们的使用场所；•掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；•了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。5．1三相异步电动机的基本结构和工作原理一、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。如图所示。n1neiNSf磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定磁场旋转磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势vlBe导线长磁感应强度切割速度（右手定则）闭合导线产生电流i（左手定则）通电导线在磁场中受力ilBfn1neiNSf1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致结论：2.线圈比磁场转得慢1nnn1neiNSf异步三相异步机的结构YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。三相定子绕组：产生旋转磁场。线绕式鼠笼式鼠笼转子1.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。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。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生旋转磁场。2.转子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。硅钢片冲片如图所示。转子由铁心与绕组组成。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，如图所示。线绕式异步电动机转子绕组是由线圈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，二、三相异步电动机的工作原理1．定子旋转磁场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。如图所示。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：tIisinmA)32sin(mBtIi)34sin(mCtIi如图所示是这些电流随时间变化的曲线。时01tiB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（a）箭头所示。iA=0时62Tt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；iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。此时的合成磁场如图（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/3。iC=0时33TtiC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端；iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。此时的合成磁场如图（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2/3。iB=0时24Tt0AiiC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端；iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到Y端。此时的合成磁场如图（d）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了。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。2．旋转磁场的旋转方向A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2/3，而B相绕组内的电流又超前C相绕组内的电流2/3，当三相交流电的A→B→C，旋转磁场的旋转方向为从A→B→C，即向顺时针方向旋转。旋转方向：取决于三相电流的相序。1n1n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此时A相绕组内的电流超前C相绕组内的电流2/3，而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流2/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。3.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360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360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：fn600如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的三相绕组。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，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图所示。从图可以看出，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/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。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：pfn600所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。三相异步电动机的同步转速分）转/(601pfn2p180分）转/(50011p360分）转/(0003极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速)50(Hzf1n3p120分）转/(00014．工作过程三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转差率S：电机同步转速与实际转速差值的相对值。一般情况下，转子的旋转速度n总是略小于同步转速n0，转速差的存在是异步电机运行的必要条件转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。n=（1-S）n000nnnS电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速（额定转速）:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但异步电动机1nn无转距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）无转子电流提示：如果1nn转差率的概念：)(s%10011nnns异步电机运行中:%9~1s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:1,0sn（转差率最大）转差率最小），转子最大转速(01snn10ss范围：分）转/(6011pfn%10011nnns转子感生电流的频率：pnnf6012111160sfpnnnnpnf6011例1：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2min/1000350606011rpfn同步转速：04.01000960100011nnns转差率：Hzsff25004.0125．三相交流异步电机与直流电机（他励）比较1）交流电机在结构上无换向器；直流电机有换向器2）交流电机仅在定子上通入三相交流电，转子电流是感应出来的；直流电机是定子通直流，转子也通直流3）交流电机定子磁场是旋转的；直流电机定子磁场是静止的4）交流电机磁极是隐式的；直流电机磁极是显式的5.2三相异步电动机的额定参数一、三相异步电动机定子绕组的接法1．两种接法定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，一般按图所示的方法排列。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。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，如图所示。XAYBZC(D1)(D2)(D3)(D4)(D5)(D6)XA(D1)(D4)ZC(D3)(D6)YB(D2)(D5)2．线电压与相电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用Ul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13．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4.电动机的输入功率二、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。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。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为转子电流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/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（Hz）。50f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。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。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。00nnnSNN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：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。Ncos2.额定效率：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N%100cos3NNNNIUPN3.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。三、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△；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Y。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2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.