電工學題解：第五章 電動機修改

1、第五章 電動機5.1基本要求1掌握三相異步電動機的基本構造、轉(zhuǎn)動原理和機械特性。2掌握三相異步電動機的起動、調(diào)速和制動的基本原理和方法。3理解三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)的意義。4了解直流電動機的基本構造和工作原理。5.2基本內(nèi)容5.2.1三相異步電動機的構造三相異步電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構成。定子是靜止部分，由鐵芯和三相繞組組成，繞組的連接方式不同可以構成不同的極對數(shù)。轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動部分，分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式轉(zhuǎn)子自成一個閉合電路，繞線式轉(zhuǎn)子則將接線端通過電刷引出電動機外。5.2.2三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理定子三相繞組通過三相電流后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對運動使轉(zhuǎn)子切割磁場產(chǎn)生

2、感應電動勢和電流，而轉(zhuǎn)子電流又與旋轉(zhuǎn)磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。以下是幾個重要概念：1旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為，與電流頻率和極對數(shù)有關。2旋轉(zhuǎn)磁場的方向與三相電流的相序有關，改變相序可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向。3轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速差是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的必要條件，也是“異步”一詞的由來。4當轉(zhuǎn)差率時，電磁轉(zhuǎn)矩消失，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。5.2.3三相異步電動機的特性三相異步電動機的特性分為電磁轉(zhuǎn)矩特性（曲線）和機械特性（曲線），特性曲線上有三個重要轉(zhuǎn)矩，即：1額定轉(zhuǎn)矩電機可以長期運行的輸出轉(zhuǎn)矩2最大轉(zhuǎn)矩電機的可能達到的最大輸出轉(zhuǎn)矩3起動轉(zhuǎn)矩電機在起動時的輸出轉(zhuǎn)矩5.2.4三相異步電動

3、機的起動、調(diào)速和制動1三相異步電動機的起動方式分為： 全壓起動（直接起動）適用于10kw以下電機 降壓起動可分為Y/起動和自耦調(diào)壓起動 串阻起動用于繞線式電機2三相異步電動機的調(diào)速方式分為： 變頻調(diào)速可實現(xiàn)無級調(diào)速，但需要專用的變頻電源 變極調(diào)速無需專用設備，但只能實現(xiàn)分級調(diào)速，且每相定子繞組要分成幾段 *變轉(zhuǎn)差率調(diào)速類似于串阻起動，用于繞線式電機5.2.5直流電機的構造和工作原理1與三相異步電機一樣，直流電機也是由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成的。直流電機的定子是磁極，用直流勵磁或用永久磁鐵制成；轉(zhuǎn)子又稱作電樞，是產(chǎn)生感應電動勢的部分。此外，在直流電機的軸上還裝有換向器，其作用是當線圈的有效邊從

4、N極（或S極）下轉(zhuǎn)到S極（或N極）下時，改變其中的電流方向，使N極下有效邊中的電流總是一個方向，而S極下有效邊中的電流總是另一個方向，使兩個有效邊上受到的電磁力方向不變，以產(chǎn)生同一方向的力矩。2并勵式直流電機的機械特性是硬特性。當負載變化較大時，轉(zhuǎn)速的變化很小。3直流電機具有良好的調(diào)速性能，可實現(xiàn)均勻平滑的調(diào)速。調(diào)速方法有三種：（a）改變磁通調(diào)速；（b）改變電樞電壓U調(diào)速；（c）在電樞電路中串接電阻調(diào)速。4直流電機具有很大的起動轉(zhuǎn)矩，且起動時電樞電流可達額定值的1020倍，必須串接電阻限流。5.2.6基本公式1同步轉(zhuǎn)速 （：電流頻率；：定子磁極對數(shù)）2轉(zhuǎn)差率3額定轉(zhuǎn)矩（：額定功率，單位KW；：

5、額定轉(zhuǎn)速，單位）4過載系數(shù)（：最大轉(zhuǎn)矩；：額定轉(zhuǎn)矩）5效率（：輸出功率；：輸入功率）5.3 重點和難點1三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理：定子（三相對稱繞組相間互差）通過三相對稱電流（相序互差）后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導線時，在其中感應出電動勢（其方向由右手定則決定）轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩由左手定則確定）電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。2電動機定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速叫做同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速叫做異步轉(zhuǎn)速，（又稱機械轉(zhuǎn)速）。與n方向相同，大小不等，電機轉(zhuǎn)子制造工藝確保n略小于，一旦，沒有相對切割，轉(zhuǎn)子電流為0，失去轉(zhuǎn)矩。3三相異步電動機的啟動和調(diào)速（1）啟動啟動瞬間。啟動的方法有直接啟

6、動和降壓啟動。直接啟動是利用閘刀開關或接觸器將電動機直接接到電源上，一般用于小容量電動機。降壓啟動是啟動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，適用于大容量電動機，通常采用降壓換接啟動。啟動是對形運轉(zhuǎn)的電動機，啟動時將定子繞組連成Y形，待電動機接近額定轉(zhuǎn)速時，再將其換接成形。故只適合于啟動輕載或空載起動時。（2）調(diào)速 調(diào)速方案的依據(jù)是：。故有三種調(diào)速方案變頻（改變）調(diào)速；變極（改變）調(diào)速；變轉(zhuǎn)差率（改變s）調(diào)速。4.轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子中電流并不成正比關系，比如啟動時的轉(zhuǎn)矩小于最大轉(zhuǎn)矩，但此時轉(zhuǎn)子的電流為最大值，因為此時轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的相對運動達到最大限度。啟動時轉(zhuǎn)矩并非最大是因為此時的功率因數(shù)很小，隨著轉(zhuǎn)速

7、的提高，功率因數(shù)也變大。5.4 例題與習題解答5.4.1 例題例5-1已知一臺三相異步電動機的三相電源是對稱的，且，求：（1）電機的同步轉(zhuǎn)速；（2）電機的額定轉(zhuǎn)速；（3）電流交變一周旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過的角度；（4）當及時三相定子繞組的電流方向（從繞組首端流進為正）。解：（1） （2）由轉(zhuǎn)差率公式得： （3）因，所以旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘轉(zhuǎn)過的角度是 電流交變一次旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過的角度是 （4）因三相電源是對稱的，所以 當時，（流出），（流進） 當時，（流進），（流出），例5-2一臺四極三相異步電動機的額定功率為30Kw，額定電壓為380V，三角形接法，電源頻率為50Hz，在額定負載下運行時，其轉(zhuǎn)差率為0.02，

8、效率為90%，線電流為57.5A，試求：（1）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；（2）額定轉(zhuǎn)矩；（3）電動機的功率因數(shù)解：（1）因， 所以 由可得旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為 （2）額定功率 故額定轉(zhuǎn)矩為 （注意：在公式中，的單位是kW，的單位是，的單位是） （3）因 故例5-3一臺三相異步電動機的技術數(shù)據(jù)如下：5kW，380V，形接法，求：（1）額定轉(zhuǎn)差率；（2）額定電流；（3）起動電流；（4）額定轉(zhuǎn)矩；（5）起動轉(zhuǎn)矩；（6）最大轉(zhuǎn)矩。解：（1）因可知 故 （2）因 故 （3）因 故 （4） （5）因 故 （6）因 故例5-4某一三相異步電動機的額定電壓，形連接，額定功率，額定轉(zhuǎn)速，。試求： （1）啟

9、動轉(zhuǎn)速； （2）如果負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的70%或20%，能否采用換接啟動？分析：換接啟動，啟動電流可減少到直接啟動的1/3，但啟動轉(zhuǎn)矩也相應的被減少到直接啟動時的1/3。當啟動轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，不宜采用換接啟動。解（1）電動機的額定轉(zhuǎn)矩為則啟動轉(zhuǎn)矩為（2）采用換接啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩為在70%額定轉(zhuǎn)矩時，所以不能起動。在20%額定轉(zhuǎn)矩時，所以可以啟動。例5-5 Y250M-2型三相異步電動機，已知，。（1）試求該電動機的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩（即和）。（2）該電動機可以采用換接降壓啟動法，試求啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。（3）如果該電動機的負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的60%時，采用換接降壓啟動時，該電動機能否啟動？

10、解（1）該電動機工作時是三角形接法，它在啟動時，啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩分別是也可以表示為 （2）換接降壓啟動時的和（3）當負載轉(zhuǎn)矩為時所以該電動機可以啟動5.4.2 習題解答5-1 三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)為3kW，2970r/min，50Hz。求（1）旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；（2）額定轉(zhuǎn)差額；（3）磁極對數(shù)；（4）額定轉(zhuǎn)矩。解：（1），因額定轉(zhuǎn)速為2970r/min，據(jù)此可推斷（2）（3）， （4）5-2 一臺三相異步電動機的技術數(shù)據(jù)如下：5kW，380V，形接法，求：（1）額定轉(zhuǎn)差率；（2）額定電流；（3）起動電流；（4）額定轉(zhuǎn)矩；（5）起動轉(zhuǎn)矩；（6）最大轉(zhuǎn)矩。解：（1）因可知 故 （2）因 故 （3

11、）因 故 （4） （5）因 故 （6）因 故5-3 三相異步電動機的額定電壓為380V，三角形連接。當額定轉(zhuǎn)矩為時轉(zhuǎn)速為740r/min，效率為80%，功率因數(shù)為0.8。求（1）輸出功率；（2）輸入功率；（3）線電流和相電流。解：（1）（2）（3）5-4 三相異步電動機的數(shù)據(jù)如下：4.5kW，220/380V， ，求電壓為380V和220V兩種情況下定子繞組的接法和繞組中電流的數(shù)值。 解：電源電壓為380V時，Y型接法：電源電壓為220V時，型接法：5-5三相異步電動機在正常運行時定子做Y形連接。如果外加電壓不變，將定子繞組改為三角形連接，下列各值將發(fā)生什么變化：（1）線電壓；（2）相電壓；（

12、3）線電流；（4）相電流；（5）每相功率；（6）總功率。在實際應用中是否可以這樣做？解：（1）改變繞組的接法不影響線電壓，故線電壓不變。 （2）當繞組改變?yōu)槿切谓臃〞r，故相電壓較正常運行時增大為倍。 （3）Y接法時：（Z為每相繞組的等效阻抗） 接法時： 故線電流增大3倍。 （4）Y接法時： 接法時： 故相電流增大倍。 （5）Y接法時：每相功率 接法時：每相功率 故每相功率增大3倍。 （6）Y接法時：總功率 接法時：總功率 故總功率增大3倍。由以上分析計算可知實際應用中這樣做將會損壞電機。5-6 設異步電動機在起動時定子電路的阻抗為常數(shù)，證明當采用星形接法降壓起動時的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩均為接成三角形直接啟動時的1/3。解：（1）設星形接法和三角形接法分別如圖a和圖b所示。（a） （b） 圖5-1星形接法起動時：三角形接法起動時：比較上兩式可得：（2）由圖a和圖b可以看出，星形接法起動時的繞組電壓為三角形接法起動時電壓的，而轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此星形接法起動轉(zhuǎn)矩為三角形接法起動轉(zhuǎn)矩的1/3。5-7 并勵式直流電動機的電樞電阻為，勵磁