第八章交流电动机

1第八章交流电动机[教学目标]1、了解三相异步电动机的基本结构和工作原理。2、掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性，并能根据其特性来分析三相异步电动机的起动、调速和制动原理。3、了解三相异步电动机的铭牌上数据的含义。4、了解单相异步电动机的结构和工作原理。8.1三相异步电动机的基本结构与工作原理8.1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机由两个基本部分组成：定子(固定部分)和转子(旋转部分)，如图8-1-1所示。定子由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成。机座是用铸钢制成的，它有固定铁心、绕组和支撑端盖的作用。定子铁心是电动机磁路的组成部分，一般是由互相绝缘的硅钢片叠成，见图8-1-2。铁心的表面冲有槽，用于嵌放三相对称绕组，称为定子绕组。定子绕组是定子中的电路部分，有六个出线端，分别接到机座的接线盒内，以便使用时与三相交流电相联结。图8-1-1三相异步电动机的结构2转子是电动机的旋转部分，用来带动机械负载转动，它主要由转子铁心和转子绕组两部分组成。转子铁心是由许多硅钢片叠成的圆柱体，每一片转子硅钢片的形状如图8-1-3所示。其外圈冲有均匀分布的槽，槽内放置转子绕组。根据转子绕组结构不同分为笼型和绕线式两种。笼型转子是在转子铁心槽内压进铜条，铜条两端分别焊在两个铜环上，如图8-1-4a。由于其形状好像笼型，所以由此得名。为了节省铜材，现在中、小型电动机一般采用铸铝转子，如图8-1-4b所示，即把熔化的铝浇铸在转子铁心的槽内，两个端环和风扇也一起铸成。铸铝转子不仅简化了制造工艺，也降低了成本。绕线式转子绕组同定子绕组一样，也是用导线制成对称三相绕组，放置在转子铁心槽内。转子绕组固定联结成丫形，把三个接线端分别接到转轴上三个彼此绝缘的铜质滑环上，滑环与轴也是绝缘的，通过与滑环滑动接触的电刷，将转子绕组的三个始端接到机座的接线盒内，其结构示意图如图8-1-5所示。三个接线端可以把外加的三相变阻器串人转子绕组中，从而改善电动机的起动和调速性能。当不接外加三相变阻器时，必须把三个接线端短接，使转子绕组形成闭合通路，否则电动机将不能转动。两种转子的电动机只是在转子结构上有8-1-2定子硅钢片图8-1-3转子硅钢片a）b）图8-1-4笼型电动机的转子a)笼型转子b)铸铝的笼型转子图8-1-5绕线式转子结构示意图3所不同，其工作原理完全一样。笼型的最多，最普遍；绕线式电动机有较好的起动和调速性能，一般用于要求起动频繁和在一定范围内调速的场合，如大型立式车床和起重设备等。8.1.2三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的三相定子绕组通人三相电流，便产生旋转磁场，即三相异步电动机的工作原理是基于对旋转磁场的利用，所以先说明旋转磁场是怎样产生的。1．旋转磁场1）旋转磁场的产生三相异步电动机的定子绕组如图8-1-6a所示。它是由在空间彼此相隔120°的三组相同的线圈组成(即三相对称绕组)，每组线圈是一相绕组，为了便于分析其基本原理，每组绕组以一个线圈表示。各相绕组的始、末端分别以U1、V1、W1和U2、V2、W2表示。定子绕组可以联成Y，也可以联成△，图8-1-6b所示为Y联结。将定子绕组接在三相电源上，即产生三相正弦交流电流，其波形如图8-1-7a所示。瞬时表达式为图8-1-6定子绕组示意图8-1-7两极（一对磁极）旋转磁场a)三相电流的波形b)合成磁场4Ui=mIsinωtVi=mIsin(ωt－120°)Wi=mIsin(ωt－240°)=mIsin(ωt+120°)我们规定电流的正方向是从绕组首端流人，末端流出，三相绕组通入三相电流后，产生了一个随电流交变而在空间不断旋转的合成磁场，这就是旋转磁场。下面我们在图8-1-7中任取几个不同的瞬间进行分析。图中，符号：“×”表示电流流人纸面，符号“·”表示电流流出纸面。’a)在ωt＝0瞬间，Ui＝0，U1U2绕组中无电流；vi为负，V1V2绕组中电流的方向与正方向相反，电流从V2到V1，即电流从末端V2流人，从首端V1流出；Wi为正，WlW2绕组中电流的方向与正方向相同，电流从Wl到W2，．即电流从首端Wl流人，从末端W2流出。根据右手螺旋定则可知，他们产生的合成磁场如图8-1-7b所示。b)在ωt＝2瞬间，Ui为正，U1、U2绕组中电流的方向与正方向相同，即电流从U1到U2；vi为负，V1V2绕组中电流的方向与正方向相反，电流从V2到V1；Wi为负，W1、W2绕组中电流的方向与正方向相反，电流从W2到W1。此时产生的合成磁场如图8-1-7b所示。与前图相比，在定子内空间旋转了90°。同理可以得出在ωt＝π的瞬间的合成磁场，它在定子内空间又转了90°，如图8-1-7b所示。以此下去，可以得出在ωt＝23和ωt＝2π瞬间的合成磁场，它从一个位置转到另一个位置。由上分析可见，当定子绕组（三相对称绕组）通过三相电流时，由于电流随时间不断的变化，所以他们产生的合成磁场就在定子内空间不停的旋转。2）旋转磁场的转速由以上分析可见，当电流变换一个周期时，旋转磁场在定子内空间转了一转(360°)。对于工频而言，由于电源的频率f1＝50Hz，因此旋转磁场的转速n1＝60f1＝60×50Hz＝3000r/min(8-1-1)以上是一对磁极(P＝1)的旋转磁场。在旋转磁场具有两对磁极的情况下，当电流变化一个周期时，旋转磁场在定子内空间仅转半转(180°)，比P＝1的情况下的转速慢了一半，即26011fn。由此可见，旋转磁场的磁极对数越多，其转速越慢，二者关系如下：5Pfn1160（8-1-2）式中1n——旋转磁场的转速(r/min)，又称同步转速；f1——电源的频率(Hz)；P——磁极对数(一般P=l、2、3和4)。3）旋转磁场的方向图8-1-7中，三相电流的相序是U1—V1—W1，旋转磁场的转向与这个相序一致。如果将三相电流的相序改变，将接在三相电源上的三根导线中的任意两根对调一下，按照以上方法分析可以得出，旋转磁场的转向就要改变，即旋转磁场的转向由定子电流的相序决定。2．转子转动原理电动机定子绕组通人三相正弦交流电流产生的旋转磁场，在图8-1-8中以旋转的磁极N、S表示，转子绕组用一个闭合线圈来表示。旋转磁场以1n速度顺时针方向旋转，切割转子绕组，转子绕组中产生感应电动势，其方向由右手定则来确定。应该注意，旋转磁场顺时针方向旋转，而转子绕组则是逆时针方向切割磁力线的。在N极下，导体中感应电动势垂直纸面向外(以·表示)；在S极下，导体中感应电动势垂直纸面向里(以×表示)。由于转子绕组是闭合的，因此在感应电动势作用下会产生电流，其方向与感应电动势相同。转子绕组中的电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F，其方向由左手定则确定。电动机转子在电磁力F的方向上随旋转磁场的方向旋转，但异步电动机的转子转速一定低于旋转磁场的转速，两者不同步，这就是异步电动机名称的由来。如果两者相等，转向又相同，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁力线不切割转子绕组，转子绕组中就不会感应电动势和电流，电磁转矩也就无法形成。由于它是靠感应电动势和电流而工作，为此又叫感应电动机。综上所述，三相异步电动机的工作原理是由定子绕组产生旋转磁场，在转子导体中产生感应电动势和电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，从而形成电磁转矩，转子就转动起来。通常把旋转磁场的转速1n(又称同步转速)与转子转速n的差值称为转差，转差与on的比值称为转差率，用s表示，即11nnns(8-1-3a)图8-1-8转动原理6或%10011nnns(8-1-3b)例8-1已知一台50Hz的三相异步电动机，额定转速Nn＝1430r/min，试求该机的磁极对数p和额定转差率Ns。解已知Nn＝1430r/min，因为异步电动机的额定转速略小于同步转速，而50Hz异步电动机同步转速靠近1430r/min的只有1500r/min，所以可以断定同步转速n0＝1500r/min。磁极对数1160nfP＝215005060额定转差率11nnnsNn＝047.0150014301500思考题8-1-1三相异步电动机的旋转磁场是如何产生的？怎样确定它的转速和转向?8-1-2有一台三相异步电动机，转子额定转速Nn＝730r/min，电源频率为50Hz，试求它的磁极对数p和额定转差率NS。8-1-3三相异步电动机接通电源后，如果转轴被卡住，长久不能起动，对电动机有什么影响？为什么？8.2三相异步电动机的特性电动机拖动生产机械工作时，负载改变，电动机输出的电磁转矩随之改变，因此电磁转矩是电动机的一个重要参数。当电动机电磁转矩改变时，电动机转速也会变化，这种反映转子转速和电磁转矩之间的关系曲线称为电动机的机械特性，它是电动机运行的重要特性。8.2.1转矩特性因为三相异步电动机的电磁转矩是由转子绕组中电流与旋转磁场相互作用而产生的，所以转矩T的大小与旋转磁场的主磁通Φ及转子电流I2有关。1．旋转磁场的主磁通与转子电流三相异步电动机的电磁关系与变压器类似，定子绕组相当于变压器的一次绕组；转子绕组(一般是短接的)相当于变压器的二次绕组；旋转磁场主磁通相当于变压器中的主磁通，其数学表达式与变压器也相似，为7111144.4NfkU(8-2-1)式中：Φ——旋转磁场每极主磁通；U1——定子绕组相电压；K1——定子绕组的绕组系数（0＜k1＜1）；f1——电源频率；N1——定子每相绕组的匝数。由于k1、f1、N1都是常数，因此旋转磁场每极主磁通Φ与外加电压U1成正比，当U1恒定时，Φ基本上保持不变。旋转磁场的主磁通不仅与定子绕组相交链，同时也交链着转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势，表达式为222244.4NfkE(8-2-2)式中：2E——转子感应电动势；2k——转子绕组的绕组系数（0＜2k＜1）；2f——转子感应电动势、转子电流的频率；2N——转子每相绕组的匝数。与变压器不同，异步电动机的转子并非是静止的，而是不断旋转的。对转子而言，旋转磁场是以（1n－n）的相对速度切割转子导体，所以转子感应电动势和转子电流的频率1111126060sfpnnnnpnnf(8-2-3)由上式可见，转子频率f2与转差率s有关，s=1，f2=f1；s越小，f2越低。将式(8-2-3)代人式(8-2-2)得E20=4.44k2f1N2Φ(8-2-4)在s=1时，转子电动势e2的有效值最大，用E20表示，即E20=4.44k2f1N2Φ，而s为任意值时，转子电动势E2=sE20(8-2-5)和变压器一样，在异步电动机中也有漏磁现象。在定子方面有一小部分磁通只交链定子绕组，不交链转子绕组，称为定子绕组漏磁通；同理，在转子方面也有一小部分磁通只交链转子绕组不交链定子绕组，称为转子绕组漏磁通。82．于转子电路存在漏磁通，在转子绕组中引起漏感抗，因而使转子感应电动势2e与转子电流i2之间出现相位差，这样对电磁转矩T的大小有影响，所以转矩T不仅与旋转磁场的主磁通Φ、转子电流有效值I2有关，而且还与转子电路功率因数cos2有关。综上所述，三相异步电动机的转矩公式为22cosIkTT(8-2-6)式中：Tk——转矩常数。转矩T的国际单位是N·m。而当电源频率1f不变时，转矩T与转差率s、转子电阻2R、定子绕组相电压1U有关，并且有下式成立121220222)(fUsXRsRkT(8-2-7)式中：21212244.4NkNkkkT——与电动机结构有关的比例常数。3．转矩特性由式(8-2-7)知，在电源频率、电源电压和转子电阻一定时，转矩T是随着转差率s而变化的，其变化的曲线T=f(s)，称为三相异步电动机的转矩特性，如图8-2-1所示。当s很小时，22R220)(sX，220)(sX可以忽略，则T随s的增加而增大；当s较大时，220)(sX22R，22R可以忽略，则T随s的增大而减小。每台三相异步电动机都有它的转矩特性曲线，是它的固有特性。由图8-2-1可以看出当s从0变到1之间，转矩T有一个最大值，对应最大转矩mT的转差率称为临界转差率ms。它可以通过式(11-2-7)