電工電子-第4章

第4章電動(dòng)機(jī)4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的電路分析4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理4.4三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性4.5三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)4.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速*4.7三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)4.8三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)退出*4.10直流電動(dòng)機(jī)*4.9單相異步電動(dòng)機(jī)*4.11控制電動(dòng)機(jī)

異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛：在工業(yè)方面：中、小型軋鋼設(shè)備，機(jī)床、輕工機(jī)械、起重機(jī)械，礦山機(jī)械等。在農(nóng)業(yè)方面：脫粒機(jī)、粉碎機(jī)、排灌機(jī)械及加工機(jī)械。在家用電器方面：電風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)等。

電動(dòng)機(jī)的作用是將交流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,電動(dòng)機(jī)分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類。1.

交流電動(dòng)機(jī)按電機(jī)定子相數(shù)分三相異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)。2.按電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分

籠型異步電動(dòng)機(jī)、繞線型異步電動(dòng)機(jī)4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造電動(dòng)機(jī)的外形4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造三相異步電動(dòng)機(jī)主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機(jī)座、軸承、風(fēng)扇等部件。三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖三相異步電動(dòng)機(jī)主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機(jī)座、軸承、風(fēng)扇等部件。端蓋機(jī)座三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖三相異步電動(dòng)機(jī)主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機(jī)座、軸承、風(fēng)扇等部件。定子三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖三相異步電動(dòng)機(jī)主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機(jī)座、軸承、風(fēng)扇等部件。定子轉(zhuǎn)子軸承端蓋機(jī)座

1.定子三相異步電動(dòng)機(jī)的定子是由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組組成。定子繞組機(jī)座鐵心定子鐵心是由沖有槽孔的硅鋼片疊壓而成。定子硅鋼片繞線型轉(zhuǎn)子鐵心與繞組

2.轉(zhuǎn)子

根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同又分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子。繞線型轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)稱繞線型電動(dòng)機(jī)。外接電阻電刷滑環(huán)轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子鐵心是由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子硅鋼片2.轉(zhuǎn)子

籠型轉(zhuǎn)子是由嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)電條組成，在轉(zhuǎn)子鐵心的兩端各用一個(gè)導(dǎo)電端環(huán)把所有的導(dǎo)電條連接起來(lái)?；\型轉(zhuǎn)子2.轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子的電動(dòng)機(jī)稱籠型電動(dòng)機(jī)。在定子槽孔中放置三相彼此獨(dú)立的繞組。AXBYCZABCZXYAXBYCZAXBYCZABCZXY定子繞組星接定子繞組角接端子AZBXCY設(shè)：電流的流入端用+

表示電流的流出端用?

表示在定子槽孔中放置三相彼此獨(dú)立的繞組。定子繞組AXBYCZiAiBiCuAuBuCiAiBiCABCXYZ+++定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組定子繞組轉(zhuǎn)子繞組AZBXCY+++設(shè)：電流的流入端用+

表示電流的流出端用?

表示返回iAiBiCABCXYZiA=ImsintiB=Imsin(t–120)iC=Imsin(t+120)iAiBiC相序

A-B-C-A對(duì)稱三相電流流入對(duì)稱三相繞組。

tiO4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理4.2.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)iAt=0°tiAZBXCYiA=0iB為負(fù)值iC為正值NS0°設(shè)：電流的流入端用+

表示iBiC電流的流出端用?

表示4.2.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生Ott=60°iAZBXCYNS60°iC

=0iB為負(fù)值iA為正值iAiBiCO4.2.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生t=90°AZBXCYNS90°iA為正值iB為負(fù)值iC為負(fù)值tiiAiBiCO4.2.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生t=180°AZBXCYiA=0iB為正值iC為負(fù)值180°NStiiAiBiCO4.2.1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生t=0°AZBXCYNS0°Nt=180

AZBXCYS180°t=90°AZBXCYNS90°t=60AZBXCYNS60°1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生空間相差120o角的三相繞組，通入對(duì)稱三相電流時(shí)，產(chǎn)生的是一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)一個(gè)周期變化時(shí)，磁場(chǎng)也沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了一周(在空間旋轉(zhuǎn)的角度為360o)。綜上分析可以得出：tiiAiBiCOABCXYZiAiC9060°0AZBXCYNS0°AZBXCYNS60°相序

A-C-B-AAZBXCYNS90°iB2.改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向

改變流入三相繞組的電流相序，就能改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向；改變了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，也就改變了三相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。綜上分析可以得出：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)

p與三相定子繞組的連接方式有關(guān)—電源的頻率—磁極對(duì)數(shù)若f1=50Hz，p=1，n0=3000r/min；p=2，n0=1500r/min；p=3，n0=1000r/min。3.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)

p4.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0n0的單位：轉(zhuǎn)/每分U1U2V2W1V1W2定子三相繞組通入三相交流電方向:順時(shí)針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E20旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF4.2.2電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理n=(1–s)n0轉(zhuǎn)差率0<s

<sN=0.015~0.06轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速4.2.3轉(zhuǎn)差率s[例1]

已知n=975r/m，f1=50Hz。求：p、s、f2。[解]p=3返回4.3三相異步電動(dòng)機(jī)的電路分析定子電路R1jX1轉(zhuǎn)子電路R2jX2U1

E1=4.44f1N1：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通N1：每相定子繞組匝數(shù)f1：定子繞組感應(yīng)電勢(shì)的頻率4.3.1定子電路定子電路R1jX1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子導(dǎo)體間的相對(duì)速度為n0

，所以感應(yīng)電勢(shì)的頻率與磁場(chǎng)和導(dǎo)體間的相對(duì)速度有關(guān)f1=電源頻率f感應(yīng)電勢(shì)的頻率與磁場(chǎng)和導(dǎo)體間的相對(duì)速度有關(guān)4.3.2轉(zhuǎn)子電路1.轉(zhuǎn)子頻率

f2轉(zhuǎn)子電路R2jX2∵定子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的相對(duì)速度固定，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的相對(duì)速度隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同而變化旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子導(dǎo)體和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度不同。定子感應(yīng)電勢(shì)頻率f1轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)頻率f2定子感應(yīng)電勢(shì)頻率f1轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)頻率f22.轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)

E23.轉(zhuǎn)子感抗X2E2=4.44f2N2=4.44sf1N2

當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0(s=1)時(shí)，f2最高，且E2最大，有E20=4.44

f1N2轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)即E2=

sE20

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)子電路R2jXS24.轉(zhuǎn)子電路電流5.轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cos2I2cos

2cos

2I2Os1返回

電磁轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

和轉(zhuǎn)子電流的有功分量相互作用而產(chǎn)生的，所以4.4三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性4.4.1轉(zhuǎn)矩公式常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)由此得電磁轉(zhuǎn)矩公式由前面分析知：由公式可知電磁轉(zhuǎn)矩公式1.T與定子每相繞組電壓成正比。U1T2.當(dāng)電源電壓U1一定時(shí)，T是

s的函數(shù)。3.R2

的大小對(duì)

T有影響。繞線型異步電動(dòng)機(jī)可外接電阻來(lái)改變轉(zhuǎn)子電阻R2

，從而改變轉(zhuǎn)距。4.4.2機(jī)械特性曲線OTS根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式得特性曲線：OT1電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩。1.額定轉(zhuǎn)矩TN三個(gè)重要轉(zhuǎn)矩OT額定轉(zhuǎn)矩(N?m)

如某普通機(jī)床的主軸電機(jī)(Y132M-4型)的額定功率為7.5kW,額定轉(zhuǎn)速為1440r/min,則額定轉(zhuǎn)矩為2.最大轉(zhuǎn)矩Tmax

轉(zhuǎn)子軸上機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2不能大于Tmax

，否則將造成堵轉(zhuǎn)(停車)。電機(jī)帶動(dòng)最大負(fù)載的能力。令：求得臨界轉(zhuǎn)差率OTTmax將sm代入轉(zhuǎn)矩公式，可得當(dāng)U1

一定時(shí)，Tmax為定值過(guò)載系數(shù)(能力)一般三相異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)為工作時(shí)必須使T2

<Tmax

，否則電機(jī)將停轉(zhuǎn)。電機(jī)嚴(yán)重過(guò)熱而燒壞。(2)sm與R2有關(guān)，R2smn。繞線型電機(jī)改變轉(zhuǎn)子附加電阻R′2可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。3.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)時(shí)n=0時(shí)，s=1(2)Tst與R2有關(guān)，適當(dāng)使

R2Tst。對(duì)繞線式型電機(jī)改變轉(zhuǎn)子附加電阻

R′2,可使Tst=Tmax

。Tst體現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)帶載起動(dòng)的能力。

若

Tst

>T2電機(jī)能起動(dòng)，否則不能起動(dòng)。OTTst起動(dòng)能力

[例1]

已知PN=4.5kW，nN=950r/min，N=84.5%，U1=380V，Y接，f1=50Hz，=2，st=1.7。求：(1)

磁極對(duì)數(shù)p；(2)

sN；(3)

TN；(4)

輸入功率P1；(5)

Tmax；(6)

Tst。[解](1)

p=3sN

=n1nNn11000950

1000==0.05(2)(3)

TN=9550PNnN=95504.5950=45.24N·m(4)

P1=PNN4.50.845==5.33kW(5)

Tmax=

TN=2×45.24=90.48N·m(6)

Tst=stTN=1.7×45.24=76.91N·m返回4.5.1起動(dòng)性能起動(dòng)初始瞬間，n=0，s=1

(1)

起動(dòng)電流Ist大，5

~

7IN。頻繁起動(dòng)會(huì)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。過(guò)大的起動(dòng)電流在短時(shí)間內(nèi)會(huì)在線路上造成較大的電壓降落，影響鄰近負(fù)載的正常工作。

(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst不大，雖然剛起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電流較大，但轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)很低,不能滿載起動(dòng)。電磁轉(zhuǎn)矩

T=KT

I2cos24.5三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1.直接起動(dòng)直接起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)把電動(dòng)機(jī)的定子繞組直接接入電網(wǎng)。特點(diǎn)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩??；起動(dòng)電流大，比額定值大4~7倍；影響同一電網(wǎng)上其他負(fù)載的正常工作。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)、起動(dòng)過(guò)程快，適用于中小型籠型異步電動(dòng)機(jī)。2.降壓起動(dòng)起動(dòng)時(shí)降低電動(dòng)機(jī)的電源電壓，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，再把電壓恢復(fù)正常。4.5.2起動(dòng)方法(1)

星形—三角形(Y-)換接起動(dòng)FU~~W2U1U2V1V2W1Q1轉(zhuǎn)子定子繞組只適用于電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)定子繞組為連接。SYU1U2V1W1V2W2Y型W1V1U1U2V2W2

型FU~~W2U1U2V1V2W1Q1轉(zhuǎn)子定子繞組SY起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動(dòng)時(shí)的三分之一。型Y型(1)

星形—三角形(Y-)換接起動(dòng)~U1U2V1V2W1W2~S1S2起動(dòng)三相自耦變壓器M3

~(2)

自耦降壓起動(dòng)~U1U2V1V2W1W2~S1S2運(yùn)轉(zhuǎn)起動(dòng)三相自耦變壓器M3

~(b)

自耦降壓起動(dòng)~~繞線式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，可在轉(zhuǎn)子繞組中串電阻，以減小起動(dòng)電流。(3)

轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)Rst轉(zhuǎn)子例1:

(1)解:

一臺(tái)Y225M-4型的三相異步電動(dòng)機(jī)，定子繞組△型聯(lián)結(jié)，其額定數(shù)據(jù)為：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

(1)額定電流IN?(2)額定轉(zhuǎn)差率sN?(3)額定轉(zhuǎn)矩

TN、最大轉(zhuǎn)矩Tmax、和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TN

。(2)由nN=1480r/min，可知p=2（四極電動(dòng)機(jī)）(3)解：

在上例中(1)如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩為510.2N?m,試問(wèn)在U=UN和U′=0.9UN兩種情況下電動(dòng)機(jī)能否起動(dòng)？（2）采用Y-

換接起動(dòng)時(shí)，求起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。又當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的80%和50%時(shí)，電動(dòng)機(jī)能否起動(dòng)？(1)在U=UN時(shí)

Tst=551.8N?m>510.2N?m不能起動(dòng)(2)Ist=7IN=784.2=589.4A

在U′=0.9UN時(shí)能起動(dòng)例2:在80%額定負(fù)載時(shí)不能起動(dòng)在50%額定負(fù)載時(shí)可以起動(dòng)(3)

[練]

已知：TN=260N·m，IN=75A，N=84.5%，

UN=380V，接，f1=50Hz，Ist/IN=7，st=1.2。求：(1)

負(fù)載轉(zhuǎn)矩為280N·m

，在U=UN和U=0.9UN兩種情況下電動(dòng)機(jī)能否直接起動(dòng)；(2)

采用Y—起動(dòng)求起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；(3)

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)和30%時(shí)，利用Y-起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)能否起動(dòng)？[解](1)

U=UNTst=1.2TN=1.2×260=312N·m>280N·m可以起動(dòng)。U=0.9UNTst=0.92Tst=0.92×

312=252.7N·m<280N·m不能起動(dòng)。[解](2)IstY=13Ist=13×

7×

IN=175ATst=Tst=1.2×TN=312N·mTstY

=

13Tst=104N·m

[練]

已知：TN=260N·m，IN=75A，N=84.5%，

UN=380V，接，f1=50Hz，Ist/IN=7，st=1.2。求：(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為280N·m

，在U=UN和U=0.9

UN兩種情況下電動(dòng)機(jī)能否直接起動(dòng)；(2)

采用Y—起動(dòng)，求起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；(3)

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)和30%時(shí)，利用Y—起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)能否起動(dòng)？

[練]

已知：TN=260N·m，IN=75A，N=84.5%，UN=380V，接，f1=50Hz，Ist/IN=7，st=1.2。求：(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為280N·m，在U=UN

和U=0.9UN

兩種情況下電動(dòng)機(jī)能否直接起動(dòng)；(2)

采用Y—起動(dòng)，求起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；(3)

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)和30%時(shí)，利用Y—起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)能否起動(dòng)？(3)

T=50%TN=0.5×260=130N·m>104N·m電動(dòng)機(jī)

不能起動(dòng)。T=30%TN=0.3

×

260=78N·m<104N·m電動(dòng)機(jī)能起動(dòng)。[解]

TN=260

N·mTstY=104N·m返回調(diào)速方法4.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速變頻調(diào)速(籠型電動(dòng)機(jī))變極調(diào)速(籠型電動(dòng)機(jī))變轉(zhuǎn)差率調(diào)速(繞線型電動(dòng)機(jī))4.6.1變頻調(diào)速整流器~f=50Hz+–逆變器M3~f1、U1

可調(diào)變頻調(diào)速裝置兩種變頻調(diào)速方式：(1)低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速由U1=4.44f1N1

知，若保持不變，應(yīng)保持的比值近似不變，所以兩者要成比例同時(shí)調(diào)節(jié)。又電磁轉(zhuǎn)矩

T=KT

I2cos2，T也近似不變，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。由U1=4.44f1N1

知，在減小f1同時(shí)減小。4.6.1變頻調(diào)速整流器逆變器M3~~f=50Hz+–f1、U1

可調(diào)變頻調(diào)速裝置又電磁轉(zhuǎn)矩T=KT

I2cos2，T也減小，是恒功率調(diào)速。(2)f1>f1N，高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速，應(yīng)保持U1U1N，改變極對(duì)數(shù)p調(diào)速—有級(jí)調(diào)速4.6.2變極調(diào)速U1u1U2u2U1U2u1u2XAp=2改變極對(duì)數(shù)p調(diào)速—有級(jí)調(diào)速4.6.2變極調(diào)速U1AXU2u1u2U1u1U2u2p=1在繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串入電阻R

,可改變轉(zhuǎn)差率s和轉(zhuǎn)速n。TNsTO1TstTmsmR2'R2sm′'R2<

R2''A.小范圍無(wú)級(jí)調(diào)速特點(diǎn)B.R2

大→特性變軟4.6.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速返回4.8三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)1.型號(hào)

磁極數(shù)(極對(duì)數(shù)p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動(dòng)機(jī)的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào)機(jī)座中心高（mm）三相異步電動(dòng)機(jī)教材表4.8.1中列出了各種電動(dòng)機(jī)的系列代號(hào)。異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品名稱代號(hào)產(chǎn)品名稱異步電動(dòng)機(jī)繞線型異步電動(dòng)機(jī)防爆型異步電動(dòng)機(jī)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)新代號(hào)漢字意義老代號(hào)Y異異繞異爆異起