第04章 交流電動機

第4章電動機概述電動機的作用是將電能轉換為機械能。電動機直流電動機（他勵、并勵、串勵、復勵）交流電動機異步電動機

同步電動機4.1

三相異步電動機的構造4.2

三相異步電動機的轉動原理4.3

三相異步電動機的電路分析4.4三相異步電動機的轉矩與機械特性4.5三相異步電動機的起動4.6三相異步電動機的調速*4.7三相異步電動機的制動*

異步電動機的應用非常廣泛：在工業(yè)方面：中、小型軋鋼設備，機床、輕工機械、起重機械，礦山機械等。在農業(yè)方面：脫粒機、粉碎機、排灌機械及加工機械。在家用電器方面：電風扇、空調機、洗衣機、電冰箱等。異步電動機的分類：1.按電機定子相數分：三相異步電動機、兩相異步電動機、單相異步電動機。2.按電機的轉子結構分：籠型異步電動機、繞線型異步電動機.這是三相異步電動機的基本結構示意圖三相異步電動機主要部件是由定子和轉子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風扇等部件。4.1

三相異步電動機的構造這是三相異步電動機的基本結構示意圖三相異步電動機主要部件是由定子和轉子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風扇等部件。定子轉子軸承端蓋機座1.定子三相異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組組成。定子鐵心是由沖有槽孔的硅鋼片疊壓而成這是定子硅鋼片在定子槽孔中放置三相彼此獨立的繞組。U1U2V1V2W1W2U1V1W1U2V2W2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子繞組星接定子繞組角接端子AZBXCY設：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立的繞組定子繞組籠型轉子鐵心和繞組結構示意圖三相繞線型轉子結構圖2.轉子根據轉子繞組結構的不同又分為籠型轉子和繞線型轉子同定子繞組一樣，也分為三相，接成星形。鐵芯槽內放銅條，端部用短路環(huán)形成一體。轉子鐵心是由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。這是轉子硅鋼片這是饒線型轉子鐵心與繞組外接電阻電刷滑環(huán)轉子鐵心轉子繞組B(1)

繞線式轉子特點：結構復雜、價格較貴；轉子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。(2)

鼠籠式轉子特點：結構簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。AZBXCY設：電流的流入端用表示電流的流出端用表示定子繞組與轉子繞組定子繞組轉子繞組

轉子:在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢或電流。1.旋轉磁極對導體的作用4.2

三相異步電動機的轉動原理磁鐵閉合線圈e方向用右手定則確定F方向用左手定則確定磁場旋轉n0:同步轉速?；\型轉子的轉向與旋轉磁場的轉向相同。1.旋轉磁極對導體的作用4.2

三相異步電動機的轉動原理iAiBiCiA=ImsintiB=Imsin(t-120)iC=Imsin(t+120)iAiBiC相序A-B-C-A對稱三相電流流入對稱三相繞組。

ti02.三相繞組產生的旋轉磁場ABCXYZAZBXCY設：電流的流入端用表示電流的流出端用表示iA(1)兩極旋轉磁場

t=0°tiAZBXCY

iA=0iB為負值,iC為正值NS0°設：電流的流入端用表示iBiC電流的流出端用表示iAiBiCABCXYZt

t=60°iAZBXCYNS60°iC

=0iB為負值,iA為正值iAiBiC0iAiBiCABCXYZ

t=90°AZBXCYNS90°iA為正值iB為負值,iC為負值tiiAiBiC0iAiBiCABCXYZt=180°AZBXCYiA=0iB為正值,iC為負值180°NStiiAiBiC0iAiBiCABCXYZt=60AZBXCYNS60°t=90°AZBXCYNSt=0°AZBXCYNS90°t=180AZBXCYNS180°0°

空間相差120o

角的三相繞組，通入對稱三相電流時，產生的是一對磁極的旋轉磁場,當電流經過一個周期變化時，磁場也沿著順時針方向旋轉了一周(在空間旋轉的角度為360o

)。綜上分析可以得出：tiiAiBiC0（2）改變旋轉磁場的轉向ABCXYZiAiC9060°0AZBXCYNS0°AZBXCYNS60°相序A-C-B-AAZBXCYNS90°iB

改變流入三相繞組的電流相序,就能改變旋轉磁場的轉向;改變了旋轉磁場的轉向,也就改變了三相異步電動機的旋轉方向。綜上分析可以得出：（3）四極旋轉磁場iAiBiCABCXYZA'B'C'X'Y'Z'60°0°t=0°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'0°SNt=60°NSAZ'BX'C'XCYA'ZB'Y'30°SN0°tiiAiBiC0tiiAiBiC090°180°t=90°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'45°SNt=180°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'90°SN90°ABCXYZA'B'C'X'Y'Z'iAiBiC

當定子每相中有兩個繞組串聯,且每相繞組在空間相差60o時,通入對稱三相交流電后,也產生一個旋轉磁場,但它是一個四極旋轉磁場。當電流變化一周,旋轉磁場在空間只轉了半周(180o空間角),旋轉速度較兩極磁場慢了一半。綜上分析可以得出：（4）旋轉磁場的速度n0pn0=——60

f1—電源的頻率—磁極對數P=1n0=3000r/minP=2n0=1500r/minP=3n0=1000r/min（5）轉子轉速n和旋轉磁場同步轉速n0的關系電機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但

異步電動機n0s=——=—–n0–nn0nn

=(1–s)

n0定義:轉差率∴0

<

s

<s

N=

0.015

~

0.06轉子轉速：（6）轉差率sn：轉子轉速；n0：旋轉磁場轉速；電動機起動瞬間:（轉差率最大）轉差率最?。?，轉子最大轉速時：(0??sn0n（7）

轉子的轉速和轉子磁場的速度定子旋轉磁場???N1S1N2S2n1轉子磁場n=n0(1-s)轉子的轉速n0–nn2=n2

----旋轉磁場和轉子間的相對轉速,即轉子導線切割旋轉磁場的速度,即轉子磁場的轉速而轉子感應電動勢的頻率正比于n2。轉子磁場的速度：=f1sf2=——p

n260=———60p

(n0–n)=———–60n0p

n0(n0–n)n2=n0sn2+

n

=n0pn2=——60

f2設轉子線圈中的感應電動勢的頻率為f2例1：三相異步電動機p=3，電源f1=50Hz，電機額定轉速n=960r/min。求：轉差率s，轉子電動勢的頻率f2同步轉速：轉差率：AZBXCYAXBYCZiAiBiC主磁通=msint漏磁通S(很小)e1eS1uAuBuC4.3三相異步電動機的電路分析三相異步電動機每相的等效電路ES1R1jXs1E1?U1?I1???E2?I2R2jXs2?ES2主磁通=msint變壓器原、副繞組是與同一主磁通相交鏈，異步電動機中定子和轉子繞組與同一旋轉磁通相交鏈。因此異步電動機中定子和轉子繞組相當于變壓器的原、副繞組。

三相異步電動機的電磁關系與變壓器類似:4.3.1定子電路?R1jXs1E1?U1?I1?ES1U1=–

E1–ES1+I1R1

=–E1+I1(R1+jXS1)=–E1+I1Z1????????設：則：定子邊：U1

E1=4.44f1N1K1mm：旋轉磁場每極磁通N1:每相定子繞組匝數K1：定子繞組分布系數Z2=R2+jXS2轉子的內阻抗：E2=4.44f2N2K2m=4.44f1N2K2msm：旋轉磁場每極磁通N2：每相轉子繞組匝數K2：

轉子繞組分布系數E2=–

ES2+I2R2

=I2(R2+j

XS2)=I2Z2??????E2?I2R2jXS2?ES24.3.2

轉子電路E20=4.44f1N2K2m電動機起動時（n=0,s=1）E2=sE20轉子靜止時的感應電勢轉子轉動時的感應電勢Z2=R2+jXS2轉子的內阻抗：E2=4.44f2N2K2m=E20s?E2?I2R2jXS2?ES22R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2XS2=2f2LS=2sf1LS=sX20X20=2f1LS電動機起動時所以I2與s有關I2和cos2均與s有關2R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2?E2?I2R2jXS2?ES2Z2=R2+jXS22R2XS2起動時

三相異步電動機與變壓器的不同之處如:1）變壓器是靜止的。而異步機是旋轉的。2）變壓器中原、副繞組的感應電動勢是同頻率的。而異步機中轉子感應電動勢的頻率是隨轉子轉速改變的。按轉子結構分：繞線型異步電動機鼠籠型異步電動機三相異步電動機每相的等效電路ES1R1jXs1E1?U1?I1???E2?I2R2jXs2?ES2主磁通=msintU1

E1=4.44f1N1K1m定子電路:轉子電路:Z2=R2+jXS2轉子的內阻抗：I2和cos2均與s有關2R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2?E2?I2R2jXS2?ES2Z2=R2+jXS24.4.1電磁轉矩

4.4三相異步電動機的轉矩與機械特性電磁轉矩

T：轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉距之總和。常數每極磁通轉子電流轉子電路的（牛頓米）電磁轉矩

T=KT

mI2cos

2m

————U14.44f1N1K1將代入式得T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222常數2R2+XS2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2U1E1=4.44f1N1K1mm

————U14.44f1N1K1

ST10TstTmsmabcsNTNT與U12成正比T=

KU12—————sR2R2

+

(sX20)22轉矩特性

T=

f(s)根據轉矩公式得電動機的轉矩特性曲線：額定轉矩TN起動轉矩Tst最大轉矩TmTN=————P2N2nN/60額定轉矩：電機在額定電壓下，以額定轉速運行，輸出額定功率

時，電機轉軸上輸出的轉矩。(1)三個重要轉矩TN=

9.55———–P2N(W)nN

(r/min)或TN=

9550———–P2N(kW)

nN

(r/min)Tm

=

K

——U122X20T

=

KU1—————sR2R2

+

(sX20)222R2

+

(sX20)2=2

(sX20)22sm=

–—R2X20解得取正值sm

—

稱為臨界轉差率（2）最大轉矩Tm代入

T

的表達式U12求得最大轉矩Tm求解sT10TstTmsmabcsNTNTm

=

K

——U122X20sm

—

稱為臨界轉差率（2）最大轉矩TmU12最大轉矩

如果電機將會因帶不動負載而停轉。TmsmU1不同電源電壓的轉矩特性sT01U1>

U1>

U1TmU1′′TmU1U1增大sm=

–—R2X20sT0Tmsm1R2當X20不變時,臨界轉差率sm隨R2增大而增加。d.sm=R2/X20sm′sm″R2″R2<R2

<

R2″′不同轉子電阻的轉矩特性Tm

=

K

——U122X20結論：a.TmU12b.Tm與R2無關c.過載系數

Tm

TN1.8

2.2sm=

–—R2X20sm與U1無關R2′R2增大過載系數：三相異步機（1）三相異步機的和定子電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。

工作時，一定令負載轉矩，否則電機將停轉。致使

（2）注意電機嚴重過熱原因Tm

=

K

——U122X20sT01TstTmsm（3）起動轉矩TSTT=

KU12—————sR2R2

+

(sX20)22起動瞬間n=0，s=1Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222U1↓→

TstR2↑→

Tst↑R2′R2U1′U1

負載轉矩

TL>Tst

,不能起動,可空載或輕載起動

負載轉矩TL<Tst

,可帶負載起動

stTst

TN一般

st

1.0

2.2起動轉矩倍數KU1——R2X2022GsT0abc1n0n0TTn0n0TabcTstTmnNTN因為

n=n0(1-s),可以由轉矩特性得到機械特性4.4.2機械特性曲線

n=f(T)（1）分析起動過程d當Tst>TL時,電機起動在cb段n↑→s↓T↑→ba段在ab段n↑→s↓T↓→T=TLTL=TN(在d點)→

s↑直到T=

TL'電機穩(wěn)定運行在新的轉速下,工作于d'點則

:

n↓———n

=(1–

s)n0→

T↑n0n1TabcTstTmTL'd'n'nNTN=TLN

d轉矩平衡方程式T=TL+T0

=負載轉矩+空載損耗轉矩（2）分析轉矩平衡過程

ab

段為穩(wěn)定運行區(qū),電動機工作在穩(wěn)定運行區(qū)時,具有自適應能力。例如,原來在額定負載下穩(wěn)′定運行(工作于d點),若負載轉矩突然增大為TL′,TL>TN

，硬特性：負載變化時，轉速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加轉速下降較快，但起動轉矩大，起動特性好。

硬特性（R2?。┸浱匦裕≧2大）

不同場合應選用不同的電動機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電動機。機械特性的軟硬4.5.1

起動性能4.5三相異步電動機的起動起動初始瞬間，n=0，s=1起動電流IST大，5~7IN。頻繁起動會使電動機過熱。

過大的起動電流在短時間內會在線路上造成較大的電壓降落，影響鄰近負載的正常工作。I2cos

2cos

2I20S11.起動電流2.起動轉矩TST

負載轉矩

TL>Tst

,不能起動,可空載或輕載起動

負載轉矩TL<Tst

,可帶負載起動sT10TstTmsmbcsNTN

stTst

TN一般

st

1.0

2.21.直接起動直接起動是在起動時把電動機的定子繞組直接接入電網。特點：起動轉矩?。黄饎与娏鞔?，比額定值大5~7倍；影響同一電網上其它負載的正常工作。優(yōu)點：簡單、方便、經濟、起動過程快，適用于中小型籠型異步電動機2.降壓起動

起動時降低電動機的電源電壓，待電動機轉速接近穩(wěn)定轉速時，再把電壓恢復正常。4.5.2

起動方法（1）Y-降壓起動法FU~~W2U1U2V1V2W1K1轉子定子繞組只適用于正常運行時為接法的電動機K2YU1U2V1W1V2W2Y型W1V1U1U2V2W2型

起動電流和起動轉矩都降低到直接起動時的三分之一Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222Y－

起動應注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電動機。（2）Y－

起動時，起動電流減小的同時，起動轉矩也減小了。所以降壓起動適合于空載或輕載起動的場合~AXBYCZ~K1K2運轉起動三相自耦變壓器M3

~（2）自耦變壓器降壓起動Ist

=(0.5)2

Ist"Ist=

(0.5)

Ist

'IstIst"Ist'如:變壓器變比為1/k=0.5電動機起動轉矩Tst

=(0.5)2

Tst"結論:

電動機起動電流Ist"和起動轉矩Tst均為直接起動的1/k2。Ist

=0.5Ist'

"則變壓器副方電流而變壓器原方電流繞線式電動機起動可在轉子繞組中串電阻，減小起動電流。（3）轉子串電阻起動sT01TstTmsmR2′R2sm′R2-TTst

-同時提高起動轉矩。RRR滑環(huán)電刷定子轉子起動時將適當的R串入轉子電路中，起動后將R短路。?

繞線式電動機轉子電路串電阻起動起動電阻

方法：任意調換電源的兩根進線，電動機反轉。電動機正轉電動機反轉三相異步電動機的正、反轉電源~UVWM3~UVW電源~M3~例:

一臺Y225M-4型的三相異步電動機，定子繞組△型聯結，其額定數據為：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)額定轉差率sN?3)額定轉矩

TN、最大轉矩Tmax

、和起動轉矩Tst

。說明：額定功率P2N：

額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率（

），不等于從電源吸收的功率（）。兩者的關系為：

2）由Y225M-4

，可知p=2,3）1)解:4）如果負載轉矩為510.2N?m,試問在U=UN和U′=0.9UN兩種情況下電動機能否起動？5）采用Y-

換接起動時，求起動電流和起動轉矩。又當負載轉矩為額定轉矩的80%和50%時，電動機能否起動？

一臺Y225M-4型的三相異步電動機，定子繞組△型聯結，其額定數據為：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：例:解：4)在U=UN時

Tst=551.8N?m>510.2N.m不能起動

在U′=0.9UN時能起動5)Ist

=7IN=784.2=589.4A在80%額定負載時不能起動在50%額定負載時可以起動1.改變極對數p

調速p=

(1–s)

——60

f1n

=(1–s)

n1調速方法2.改變轉差率S

調速p

=2:1,2,3接電源；4,5,6懸空p

=1:4,5,6接電源；1