電工電子技術 第二版 課件 第5章 電動機

第五章電動機

第一節(jié)

三相異步電動機

第二節(jié)單相異步電動機返回主目錄

第三節(jié)直流電動機圖5-1軸承蓋端蓋接線盒散熱筋轉軸轉子風扇罩殼軸承機座第一節(jié)三相異步電動機一、三相異步電動機的基本結構（3）機座定子繞組組成一個在空間依次相差電角度的三相對稱繞組，其首端分別為、、，末端分、、，可接成星形或三角形，如圖5-2

所示。主要產(chǎn)生旋轉磁場。1．定子電動機主磁路的一部分，有良好的導磁性能。為了減小鐵心損耗，采用0.5mm厚硅鋼沖片疊成圓筒形，并壓裝在機座內(nèi)。在定子鐵心內(nèi)圓上沖有均勻分布的槽，用于嵌放三相定子繞組。（2）定子繞組（1）定子鐵心固定和支撐作用。星形接法三角形接法圖5-22．轉子電動機的轉子電路部分，其作用是感應電動勢、流過電流并產(chǎn)生電磁轉矩。（3）轉子繞組支撐轉子鐵心和輸出電動機的機械轉矩。（2）轉軸電動機主磁路的一部分，也用0.5mm厚且相互絕緣的硅鋼片疊壓成圓柱體，中間壓裝轉軸，外圓上沖有均勻分布的槽，用以放置轉子繞組。（1）轉子鐵心圖5-3籠型轉子

銅條籠型轉子鑄鋁籠型轉子圖5-4繞線式轉子

三相轉子繞組轉軸集電環(huán)電刷電刷外接線轉子繞組出線端圖5-5

三、三相異步電動機的基本工作原理在三相定子繞組中流過三相對稱交流電流，其波形如圖5-6。1．旋轉磁場的產(chǎn)生結構示意圖接線原理圖據(jù)電流的參考方向（首端流入）和波形圖判斷電流的實際方向電流為負時，實際電流從線圈末端流進，首端流出。電流為正時，實際電流從線圈首端流進，末端流出；圖5-7旋轉磁場的產(chǎn)生對于對磁極電動機，旋轉磁場的轉速3)對于兩極（即磁極對數(shù)=1）電動機，旋轉磁場轉速旋轉磁場的特點1）定子三相繞組的合成磁場為旋轉磁場。2）旋轉磁場的轉向決定于三相電流的相序。若要改變旋轉磁場轉向，只須將三相電源進線中的任意兩相對調即可。(5-1)式中，是旋轉磁場轉速，亦稱同步轉速（r/min）；是電源頻率（）；是磁極對數(shù)。問題1.怎樣產(chǎn)生兩對磁極?2．旋轉原理結論：轉子的轉向和旋轉磁場的轉向一致。若改變旋轉磁場的轉向，則可改變轉子的轉向。旋轉磁場與轉子導體間有相對運動感應電動勢右手定則感應電流左手定則電磁力電磁轉矩圖5-8因為，如果轉子的轉速達到同步轉速，則轉子導體將不再切割磁力線，因而感應電動勢、感應電流和電磁場轉矩均為零，轉子將減速，因此，轉子轉速總是低于同步轉速。“異步”的含義是指轉子的轉速永遠比同步轉速（既旋轉磁場的轉速）小。異步電動機的“異步”的含義感應電機旋轉磁場的同步轉速與轉子轉速之差稱為轉差。轉差與同步轉速之比稱為轉差率，用表示，即轉差率轉差率是三相異步電動機的一個重要參數(shù)。它對電機的運行有著極大的影響。其大小也能反映轉子轉速。即

(5-2)

若定子繞組增加一倍，且每個繞組在空間以相差的角度排列，并把相差的兩個繞組首尾相串，組成一相繞組，則可構成四極（=2）電動機。電動機起動瞬間，轉子轉速，轉差率=1；理想空載時，轉子轉速，轉差率；因此，電動機在電動狀態(tài)下運行時，轉差率=0～1。答案1已知Y112M－4三相電動機的同步轉速r/min，額定轉速為1440r/min，空載時的轉差率。求該電動機的磁極對數(shù)，額定轉差率和空載轉速。r/min例5-1解式中，是線電壓，是線電流，是電動機的功率因數(shù)三、三相異步電動機的運行特性式中，是定子繞組及轉子繞組中的銅損耗，鐵心中存在的鐵損耗，是在運行過程中克服機械摩擦、風的阻力等所形成的機械損耗。此式稱為功率平衡方程式。１．功率和轉距的關系1）三相異步電動機在穩(wěn)定運行時，電源輸入的功率2）軸上輸出的機械功率3）機械效率根據(jù)力學知識，旋轉體的機械功率等于作用在旋轉體上的轉矩與它的機械角速度的乘積，即。額定輸出轉矩為式中，是額定輸出功率（kW）；是額定轉速（r/min）；是額定輸出轉矩（N?m）。(5-5)故式中，為輸出功率（kW）有兩臺三相異步電動機，額定功率均為10kW，其中一臺額定轉速為980r/min，另一臺為1430r/min。試求它們在額定狀態(tài)下的輸出轉矩。

N·m≈66.78N·mN·m≈97.45N·m由式（5-5）可得例5-2解三相異步電動機的電磁轉矩與定子繞組上的電壓和頻率、轉差率、轉子電路參數(shù)等有著密切聯(lián)系，其關系式為

式中，是定子繞組電壓；是交流電源的頻率；是轉子繞組每相的電阻；是電動機靜止不動時轉子繞組每相的感抗；是電動機結構常數(shù)；是轉差率。對于某臺電動機而言，當定子繞組上的電壓及頻率一定時，轉子電路等參數(shù)均為常數(shù)。此時，電動機的電磁轉矩僅與轉差率有關。(5-6)2、轉矩特性圖5-9轉矩特性曲線由圖看出：當時，，隨著增大，也開始增大，達到最大值以后，隨增大而減小。

把圖5-9順時針轉并把換成，變成圖5-10所示的與之間的關系曲線，該曲線稱為機械特性曲線。2．機械特性圖5-10機械特性曲線

（5-7）電動機剛接通電源,但尚未開始轉動（=1）的一瞬間，軸上所產(chǎn)生的轉矩稱為起動轉矩。起動轉矩必須大于電動機所帶機械負載的阻力矩，否則不能起動。通常用起動能力表示，它定義為起動轉矩與額定轉矩之比，即電動機能夠提供的極限轉矩。電動機的最大轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的過載能力，也稱過載系數(shù)，用表示，即（5-8）（1）起動轉矩（2）最大轉矩問題3：電動機一但過載，會很快停轉。停轉時，會發(fā)生什么？問題2.若電動機所拖動的負載阻力矩大于最大轉矩，會怎樣？臨界轉速和臨界轉差率最大轉矩所對應的轉速和轉差率分別稱為臨界轉速和臨界轉差率，的值約在0.04～0.4之間，通過分析可知，可用下式計算（5-9）由上式可知，出現(xiàn)最大轉矩時的臨界轉差率和成正比，當=，（起動時），則可使最大轉矩出現(xiàn)在起動瞬間。應用起重設備中廣泛采用的繞線轉子異步電動機就是利用了這一特點，保證電動機有足夠大的起動轉矩來提升重。即轉速從到之間的區(qū)域（電動機正常運行工作區(qū)）。該段曲線表明：當負載轉矩增大時，電磁轉矩增大，電動機轉速略有下降。轉速從0到之間的區(qū)域。該段曲線表明：當負載轉矩增大到超過電動機最大轉矩時，電動機轉速將急劇下降，直到停轉。通常電動機都有一定的過載能力，起動后會很快通過不穩(wěn)定運行區(qū)而進入穩(wěn)定運行區(qū)工作。由于三相異步電動機機械特性的穩(wěn)定運行區(qū)比較平坦，即隨著負載轉矩的變化，電動機轉速變化很小，因此其機械特性為硬特性。（2）非穩(wěn)定運行區(qū)對于機械特性曲線，可分為兩個區(qū)域：（1）穩(wěn)定運行區(qū)電動機將因拖不動負載而被迫停轉。

答案21）電動機所產(chǎn)生的電磁轉矩與電源電壓的平方成正比，因此電源電壓的波動對電動機的轉矩影響很大。結合式（5-6）、式（5-9），得出結論：2）最大轉矩與轉子電阻無關，因此適當調整可改變機械特性，而最大轉矩不變。電動機電流很大，若時間過長，則會燒壞電動機。答案3

一臺三相異步電動機的=380V，=20A，=10kW，0.84，1460r/min，1.8，2.2，試求額定轉矩，起動轉矩，最大轉矩，額定效率。

據(jù)式（5-5）據(jù)式（5-7）據(jù)式（5-8）例5-3解故W≈11.06kW輸入功率為2.2×65.41N·m≈143.90N·m1.8×65.41N·m≈117.74N·mN·m≈65.451N·m四、三相異步電動機的起動和調速1．起動（1）三相籠型異步電動機的起動

1）全壓起動

2）減壓起動·定子繞組串電阻或電抗減壓起動·Y/△減壓起動·自耦變壓器減壓起動（2）三相繞線式異步電動機的起動

1）轉子串電阻起動2）轉子串頻敏變阻器起動2．反轉

3．調速（1）變極調速（2）變頻調速（3）改變轉差率s調速4．制動

（1）能耗制動

（2）反接制動1）電源反接制動2）倒拉反接制動

3）起動設備簡單、經(jīng)濟、操作方便、運行可靠。三相異步電動機開始起動的瞬間，由于轉速，轉子導體以最大的相對速度切割旋轉磁場，從而產(chǎn)生最大的感應電動勢，因此，起動瞬間轉子導體電流最大，這樣就使定子繞組也出現(xiàn)很大的起動電流，其值約為額定電流的4～7倍，1．起動電動機起動的三個基本要求：

1）起動電流應盡量小；2）起動轉矩足夠大；起動電流大?（1）三相籠型異步電動機的起動1）全壓起動一般10kＷ以下的電動機可采用全壓起動。2）減壓起動減壓起動可減小起動電流，但由于起動轉矩隨電壓的平方而降低，因此也大大減小了起動轉矩，因此減壓起動僅適用于在空載或輕載情況下起動的電動機。

·定子繞組串電阻或電抗減壓起動

·Y/△減壓起動

·自耦變壓器減壓起動

圖5-11直接起動·

定子繞組串電阻或電抗減壓起動圖5-12串電阻減壓起動缺點:只適合輕載起動，且起動時電能損耗大。優(yōu)點:起動平穩(wěn)，運行可靠，設備簡單。這種起動方式，其起動電流和起動轉矩只有直接起動時的1/3。圖5-13Y/△減壓起動線路圖·

Y/△減壓起動缺點：只適用于正常運行時定子繞組為△聯(lián)結的電動機，而且只能輕載起動。優(yōu)點：設備簡單，成本低，運行可靠；·

自耦變壓器減壓起動圖5-14自耦變壓器減壓起動定子缺點：設備成本較高，不能頻繁起動。優(yōu)點：起動轉矩較其他方法大，而且可靈活選擇自耦變壓器的抽頭以得到合適的起動電流和起動轉矩。圖5-15繞線式異步電動機轉子串電阻起動（2）三相繞線式異步電動機的起動1）轉子串電阻起動起動時觸點全部斷開，在起動過程中，逐級依次閉合觸點，切除起動電阻。特點：減小起動電流，提高起動轉矩。應用：適用于重載起動2）轉子串頻敏變阻器起動頻敏變阻器是其電阻和電抗值隨頻率而變化的裝置。特點：減小起動電流，增大起動轉矩，同時起動的平滑性優(yōu)于轉子串電阻分級起動；結構簡單，成本較低，使用壽命長。圖5-162．調速

在一定的負載下，人為地改變電動機的轉速以滿足生產(chǎn)機械的工作速度稱為調速。

機械調速——通過改變傳動機構速比的調速方法。

電氣調速——通過改變電動機電氣參數(shù)的調速方法。由此可知，異步電動機的轉速可通過改變電源頻率、改變磁極對數(shù)和改變轉差率的方法來調節(jié)。根據(jù)式（5-2）可知，電動機的轉速（1）變頻調速

由于電源是固定不變的50HZ交流電，因此變頻調速需要專用的變頻設備，以便給定子繞組提供不同頻率的交流電，才能實現(xiàn)變頻調速。有關變頻調速的實現(xiàn)方法將在相關書中討論，這里不再述之。圖5-17（2）變極調速

這種調速方法是通過改變定子繞組的接線方式，來改變定子磁極對數(shù)，從而改變同步轉速，以達到改變轉子轉速的目的。變極調速一般只用于籠型異步電動機。（3）改變轉差率s調速1）對于繞線式異步電動機，在轉子回路中串電阻調速。當轉子回路的電阻改變時，它的轉矩特性曲線如圖5-18所示（電源電壓及頻率保持不變）。圖5-18

圖5-18

改變s調速的轉矩特性曲線一定，（<）缺點：電阻有能量損耗，空載或輕載時調速范圍窄，且低速時機械特性軟，穩(wěn)定性差。優(yōu)點：設備簡單。主要用于運輸、起重設備。繞線式異步電動機串電阻調速五．三相異步電動機的反接的制動

1．反轉

異步電動機的轉動方向是和旋轉磁場的方向一致的，因此改變旋轉磁場的旋轉方向，即可改變電動機的轉動方向。而改變旋轉磁場的旋轉方向，只須把三相異步電動機的任意兩根電源線對調即可。通過改變電動機電氣參數(shù)使其產(chǎn)生一個與轉向相反的電磁轉矩。電氣制動包括能耗制動、反接制動和回饋制動。利用機械裝置使電動機在切斷電源后停轉。機械制動電氣制動2.制動（1）反接電源制動特點：比能耗制動更加強烈，制動更快，適用于使反抗性負載快速停車或反轉。缺點：耗能大，經(jīng)濟性差。電源反接制動圖5-19圖5-20三相異步電動機能耗制動（2）能耗制動斷開電源，加直流勵磁，串制動電阻優(yōu)點：制動平穩(wěn)，快速停車，且只吸取少量的直流勵磁電能，制動經(jīng)濟。型號

Y112M－4編號4.0kW8.8A380V1440r/minLW82dB接法

△防護等級IP4450Hz45kg標準編號工作制SIB級絕緣年

月××電機廠六、三相異步電動機的銘牌圖5-21三相異步電動機銘牌在三相異步電動機的機座上有一塊銘牌，銘牌上標出了該電動機的主要技術數(shù)據(jù)。磁極數(shù)，4表示四極機座類型（L表示長機座，M表示中機座，S表示短機座）中心高度（mm）異步電動機

Y112M—4型號(Y112M－4）圖5-22電容器端蓋機座定子繞組軸承轉子端蓋第三節(jié)單相異步電動機一、基本結構和工作原理

1．基本結構

2．工作原理接通單相電源后，只能產(chǎn)生脈振磁場，而不是旋轉磁場，如果轉子原靜止，則在脈振磁場中，轉子不會轉動。若用外力撥動轉子，則轉子就會順著撥動方向轉動起來。因為脈振磁場可以分解成兩個幅值相等、轉速相同、轉向相反的旋轉磁場，即正向旋轉磁場和反向旋轉磁場。當轉子靜止時，兩個旋轉磁場所產(chǎn)生的正向電磁轉矩和反向電磁轉轉矩大小相等、方向相反，因而轉子不會轉動。當撥動轉子正向旋轉時，由于正向電磁轉矩大于反向電磁轉矩，這樣轉子就會沿著撥動方向(正向)轉動起來。結論：單相異步電動機不能自行起動。二、電容分相單相異步電動機如圖5-23所示為電容分相單相異步電動機的原理圖。適當選擇電容器C

的容量，使起動繞組流過的電流與主繞組流過的電流在相位上相差。此時，在定子內(nèi)圓便產(chǎn)生一圓形旋轉磁場，其原理如圖5-23所示。轉子在該旋轉磁場的作用下，獲得較大的起動轉矩，從而轉動起來。問題4：電動機起動后，起動繞組還有用嗎？圖5-23電容分相單相異步電動機圖5-24單相異步電動機旋轉磁場

·在起動前，若起動繞組斷開，則電動機不能起動。認識起動繞組·

在起動后，若把起動繞組去掉，電動機仍能繼續(xù)轉動。

對問題4，你有答案了嗎？三、電阻分相單相異步電動機

將圖5-23中的電容C換成電阻R即可構成電阻分相單相異步電動機。原理：起動繞組的導線較細、主繞組的導線較粗，起動繞組的電阻就比主繞組的電阻大，使得二者流過的電流有一定的相位差，一般小于，從而在定子內(nèi)圓產(chǎn)生一橢圓形的旋轉磁場，使轉子獲得起動轉矩而起動。小知識：電冰箱在工作中突然斷電時不能馬上恢復供電，否則有可能燒壞電動機！特點：起動轉矩不大，適應于空載起動。單相異步電動機與三相異步電動機的比較

單相異步電動機在起動前，若定子起動繞組斷開，則電動機不能起動，但在運行過程中，若起動繞斷開，則電動機仍將繼續(xù)旋轉。

三相異步電動機在起動前，若定子某相繞組斷開，則電動機不能起動，但在運行過程中，若某一相斷開，則電動機仍將繼續(xù)旋轉。由于電動機的負載未變，因此電動機取用的電功率也幾乎不變，這樣，其他兩相繞組中的電流將劇增，以致引起電動機過熱而損壞。由此可見，在實際工作中必須特別注意三相異步電動機在運行過程中有無發(fā)生某相熔絲燒斷的現(xiàn)象。三相異步電動機不能缺相運行！第三節(jié)直流電動機直流電動機是將直流電能轉換為機械能的一種電磁裝置。1．定子（1）主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組組成。當勵磁繞組通入直流電流后，就在鐵心和氣隙中產(chǎn)生勵磁磁場。（2）換向極由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極用以改善電機換向，減小運行時電刷與換向器間產(chǎn)生的火花。（3）電刷裝置由電刷、刷握、刷桿座、彈簧等組成。（4）機座圖5-25一、直流電動機的結構一、直流電動機的結構2．轉子電樞繞組是產(chǎn)生感應電動勢和流過電流而產(chǎn)生電磁轉矩實現(xiàn)機電能量轉換的重要部件。換向器將外部通入的直流電流轉換成電樞繞組內(nèi)的交流電流。電樞鐵心是電動機主磁路的一部分。由0.5mm厚兩面涂有絕緣漆的硅鋼沖片疊制而成，圖5-25二、直流電動機的旋轉原理

1.旋轉原理圖5-26直流電流通過電刷流過電樞繞組，電樞繞組在磁場中受到電磁力的作用，產(chǎn)生電磁轉矩。2。勵磁方式直流電動機的勵磁方式可分為：他勵、并勵、串勵及復勵。圖5-27直流電動機勵磁方式a)他勵b)并勵c)串勵d)復勵三、并勵電動機

1．電磁轉矩（5-10）

2．電壓平衡關系（5-11）

（5-12）

式中，是電動機轉矩常數(shù)，取決于電機的結構。電磁轉矩是由載流導體在磁場中受力而產(chǎn)生的，與每極磁通及電樞電流成正比，即電樞電動勢是由電樞導體在磁場中切割磁力線而產(chǎn)生的。與每極磁通及電動機的轉速成正比，即3。轉速特性：當電源電壓和勵磁電流為額定值時，電動機轉速與電樞電流之間的關系稱作它的轉速特性。

(5-13)四、并勵直流電動機的起動、調速和制動1.起動起動：電動機接至電源后，轉速從零開始逐漸升到穩(wěn)定運行轉速的全部過程。三個基本要求：起動電流(即起動瞬間的電樞電流)應盡量?。黄饎愚D矩(即起動瞬間的電磁轉矩)足夠大；起動設備簡單、經(jīng)濟、操作方便、運行可靠。(1)全壓起動

全壓起動：指不采取任何限流措施，利用刀開關把靜止的電樞直接投入額定電壓的電網(wǎng)上起動。起動開始瞬間，由于機械慣性的影響，轉速，則。對于并勵電動機，約為額定電流的(10～20)倍。注意：起動前，應先建立勵磁磁場，然后再起動。全壓起動的優(yōu)點操作簡單、起動時間短，毋須起動設備。全壓起動的缺點對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；使電機的電刷與換向器之間產(chǎn)生強烈火花，使其表面受損傷；由于也很大，導致電動機軸上所帶工作機構受到嚴重沖擊。限制起動