電工學(xué)少學(xué)時第六章

第6章電動機

第6章電動機

6.1電機概述

6.2三相異步電動機的工作原理

6.5三相異步電動機的機械特性

6.4三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)

6.6三相異步電動機的起動

6.7三相異步電動機的調(diào)速

*6.8單相異步電動機

6.3三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)

*6.9交流伺服電動機*6.10步進電動機

*6.11三相同步電動機

*6.12直流電動機

*6.13電動機的選擇

電動機的分類：電動機交流電動機直流電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機他勵、并勵電動機串勵、復(fù)勵電動機6.1電機概述

電動機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各種機械中作為驅(qū)動。 由電動機驅(qū)動的優(yōu)點：減輕繁重的體力勞動；提高生產(chǎn)率；可實現(xiàn)自動控制和遠距離操縱。6.3三相異步電動機的基本構(gòu)造1.定子鐵心：由內(nèi)周有槽的硅鋼片疊成。A----XB----YC----Z三相繞組機座：鑄鋼或鑄鐵

轉(zhuǎn)子:在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電流。2.轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。(1)鼠籠式轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用端路環(huán)形成一體?；蜩T鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。(2)繞線式轉(zhuǎn)子同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式繞線式鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。繞線式：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、維護工作量大；轉(zhuǎn)子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。6.2三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理一、旋轉(zhuǎn)磁場AXBYCZ1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生o

定子對稱三相繞組中通入對稱三相電流(星形聯(lián)接)o規(guī)定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出()電流入iA旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

t=0°tiAZBXCYiA=0iB為負值iC為正值NS0°iBiCt

t=60°iAZBXCYNS60°iC

=0iB為負值iA為正值iAiBiC0

t=90°AZBXCYNS90°iA為正值iB為負值iC為負值tiiAiBiC0t=180°AZBXCYiA=0iB為正值iC為負值180°NStiiAiBiC0t=60AZBXCYNS60°t=90°AZBXCYNSt=0°AZBXCYNS90°t=180AZBXCYNS180°0°合成磁場方向向下合成磁場旋轉(zhuǎn)60合成磁場旋轉(zhuǎn)90空間相差120o

角的三相繞組，通入對稱三相電流時，產(chǎn)生的是一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場,當(dāng)電流經(jīng)過一個周期變化時，磁場也沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)了一周(在空間旋轉(zhuǎn)的角度為360o

)。綜上分析可以得出：tiiAiBiC0ABCXYZiAiC9060°0AZBXCYNS0°AZBXCYNS60°相序A-C-B-AAZBXCYNS90°iB2.旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向改變流入三相繞組的電流相序,就能改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向;改變了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向,也就改變了三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)方向。綜上分析可以得出：3.旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)P當(dāng)三相定子繞組按圖示排列時，產(chǎn)生一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，即：otAXBYCZAXYCBZ

若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYCiAiBiCABCXYZA'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(dāng)定子每相中有兩個繞組串聯(lián),且每相繞組在空間相差60o時,通入對稱三相交流電后,也產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,但它是一個四極旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)電流變化一周,旋轉(zhuǎn)磁場在空間只轉(zhuǎn)了半周(180o空間角),旋轉(zhuǎn)速度較兩極磁場慢了一半。綜上分析可以得出：4.旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速工頻：旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速取決于磁場的極對數(shù)p=1時0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2時0旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與極對數(shù)p的關(guān)系極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0與頻率f1和極對數(shù)p有關(guān)?？梢?二、電動機的轉(zhuǎn)動原理1.轉(zhuǎn)動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動勢E20旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF三、轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。由前面分析可知，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，即異步電動機如果:無轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無轉(zhuǎn)矩因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速間必須要有差別。異步電動機運行中:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦可由轉(zhuǎn)差率求得轉(zhuǎn)差率s例1：一臺三相異步電動機，其額定轉(zhuǎn)速n=975r/min，電源頻率f1=50Hz。試求電動機的極對數(shù)和額定負載下的轉(zhuǎn)差率。解：根據(jù)異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知：n0=1000r/min,即p=3額定轉(zhuǎn)差率為三相異步電動機的電路分析

三相異步電動機的電磁關(guān)系與變壓器類似。變壓器：變化eU1E1=4.44fN1

E2=4.44fN2E1、E2頻率相同，都等于電源頻率。異步電動機每相電路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f2一、定子電路1.旋轉(zhuǎn)磁場的磁通異步電動機：旋轉(zhuǎn)磁場切割導(dǎo)體e，

U1

E1=4.44

f1N1每極磁通旋轉(zhuǎn)磁場與定子導(dǎo)體間的相對速度為n0，所以2.定子感應(yīng)電勢的頻率f1感應(yīng)電勢的頻率與磁場和導(dǎo)體間的相對速度有關(guān)f1=電源頻率f二、轉(zhuǎn)子電路1.轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢頻率f2∵定子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場間的相對速度固定，而轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場間的相對速度隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不同而變化定子感應(yīng)電勢頻率f1轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢頻率f2

轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢頻率f2旋轉(zhuǎn)磁場切割定子導(dǎo)體和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度不同

方法：任意調(diào)換電源的兩根進線，電動機反轉(zhuǎn)。電動機正轉(zhuǎn)電動機反轉(zhuǎn)電源~UVWM3~UVW電源~M3~2.電磁轉(zhuǎn)矩的方向電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。3.電磁轉(zhuǎn)矩的大小

T

∝，I2cos2

T=CTmI2cos2T=KTsR2U1f1[R2＋(sX2)

2]

22常數(shù)，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)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，T是s的函數(shù)。3.R2

的大小對T有影響。繞線式異步電動機可外接電阻來改變轉(zhuǎn)子電阻R2，從而改變轉(zhuǎn)距。三、轉(zhuǎn)矩平衡

空載轉(zhuǎn)矩：T0輸出轉(zhuǎn)矩：T2=T－T0

T負載轉(zhuǎn)矩：TL當(dāng)T2=TL穩(wěn)定運行當(dāng)T2>TL加速運行當(dāng)T2<TL減速運行電磁轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩電動機在滿載運行或半載運行時，空載轉(zhuǎn)矩可忽略不計電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負載的變化而自動調(diào)整，這種能力稱為自適應(yīng)負載能力。此過程中，n、sE2,I2

I1電源提供的功率自動增加。TLsT2＜TLTL=T2nT

達到新的平衡電動機只有

T2=TL，才能穩(wěn)定運行

T=T2=TL三功率關(guān)系

P2=P1－P輸入的電功率:P1=√3U1I1cos1輸出的機械功率:P2=T22πn60=T2功率損耗:

P

=PCu+PFe+PMe電動機的效率:η=P2/P1100%例6.2.1某三相異步電動機，極對數(shù)

p=2，定子繞組三角形聯(lián)結(jié)，接于50HZ、380V的三相電源上工作，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩TL=91N.m時，測得I1L=30A,P1=16KW,n=1470r/min,求該電動機帶此負載運行時的s、P2、?

和λ60f1η=P2/P1=14/16=87.5%n0

=2=1500

r/min=1500-14701500=0.022πn60=T2

P2

2×3.1460=×91×1470W=14KWλ=P1√3U1LI1L=0.81解6.4三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)1.型號

磁極數(shù)(極對數(shù)p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機異步電動機產(chǎn)品名稱代號產(chǎn)品名稱異步電動機繞線式異步電動機防爆型異步電動機高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機新代號漢字意義老代號Y異異繞異爆異起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接線盒定子三相繞組的聯(lián)接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y聯(lián)結(jié)W1U1V1W2U2V2聯(lián)結(jié)3.電壓例如：380/220V、Y/是指線電壓為380V時采用Y聯(lián)結(jié)；線電壓為220V時采用

聯(lián)結(jié)。說明：一般規(guī)定，電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5%。因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值,從而使電動機過熱。電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓值。三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V,及6000V等多種。4.電流例如：Y/6.73/11.64A

表示星形聯(lián)結(jié)下電機的線電流為6.73A；三角形聯(lián)結(jié)下線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。

5.功率與效率鼠籠電機

=72~93％電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。注意：實用中應(yīng)選擇容量合適的電機，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。6.功率因數(shù)PN三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負載時約為0.7~0.9?？蛰d時功率因數(shù)很低，只有0.2~0.3。額定負載時，功率因數(shù)最高。7.額定轉(zhuǎn)速電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉(zhuǎn)速。P2cosO如：n

N=1440轉(zhuǎn)/分sN=0.048.絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為A、E、B、F、H五級，A級最低(105oC)，H級最高(180oC)。例1：電動機的額定功率是指輸出功率，還是輸入功率？額定電壓是指線電壓，還是相電壓？額定電流是指定子繞組的線電流，還是相電流？功率因數(shù)的角是定子相電流與相電壓間的相位差，還是線電壓與線電流間的相位差？

[例6.4.1]Y180M-2型三相異步電動機，PN=22kW，UN=380V，三角形聯(lián)結(jié)，IN=42.2A，N=0.89,fN=50Hz、nN

=2940r/min。求額定狀態(tài)下運行時的：(1)轉(zhuǎn)差率;(2)定子繞組的相電流;(3)輸入有功功率;(4)效率。[解]

(1)由型號知該電動機的2p＝2，即p＝1，(2)定子三相繞組為三角形聯(lián)結(jié)==0.023000－29403000n0－nNn0sN=IN3=A=24.36A42.23I1P=(4)效率(3)輸入有功功率P1N=3UN

IN

N=3×380×42.2×0.89W=24.8kWPNP1NN

=100%=100%

=89%2224.8固有特性人為特性

在額定電壓、額定頻率，轉(zhuǎn)子電路不外串參數(shù)時在改變電壓、頻率及轉(zhuǎn)子電路參數(shù)時n=f(T)T=f(s)

轉(zhuǎn)矩特性三相異步機的T與s之間的關(guān)系機械特性三相異步機n與T之間的關(guān)系T=f(s)n=f(T)T=f(s)n=f(T)6.5三相異步電動機的機械特性一、固有特性O(shè)TOTS1O轉(zhuǎn)矩特性機械特性MMSSNN電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)矩。1.額定轉(zhuǎn)矩TN三個重要轉(zhuǎn)矩OT額定轉(zhuǎn)矩(N?m)

例：如某普通機床的主軸電機(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N2.最大轉(zhuǎn)矩Tmax電機帶動最大負載的能力。令：求得臨界轉(zhuǎn)差率OTTmax將sm代入轉(zhuǎn)矩公式，可得轉(zhuǎn)子軸上機械負載轉(zhuǎn)矩TL不能大于Tmax，否則將造成堵轉(zhuǎn)(停車)。過載系數(shù)(能力)一般三相異步電動機的過載系數(shù)為工作時必須使TL

<Tmax，否則電機將停轉(zhuǎn)。電機嚴(yán)重過熱而燒壞。

電動機的最大過載可以接近最大轉(zhuǎn)矩。如果過載時間較短，電動機不至于長時間過熱，是允許的。因此，最大轉(zhuǎn)矩也表示電動機短時容許過載能力。電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN比Tmax要小，兩者之比為過載系數(shù)

轉(zhuǎn)子軸上機械負載轉(zhuǎn)矩TL不能大于Tmax，否則電動機就帶不動負載了，發(fā)生悶車現(xiàn)象。悶車后，電動機的電流馬上升高六七倍，電動機嚴(yán)重過熱，以致燒壞。當(dāng)U1一定時，Tmax為定值注意：三相異步機的和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。(2)sm與R2有關(guān)，R2smn。繞線式電機改變轉(zhuǎn)子附加電阻R′2可實現(xiàn)調(diào)速。3.起動轉(zhuǎn)矩Tst電動機起動時的轉(zhuǎn)矩。起動時n=0時，s=1(2)Tst與R2有關(guān)，適當(dāng)使R2Tst。對繞線式電機改變轉(zhuǎn)子附加電阻R′2,可使Tst=Tmax

。OTTst

TS體現(xiàn)了電動機直接起動的能力。若TS>TL電動機能起動，否則將起動不了。起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù):Y系列：KS=1.6～2.2KC=5.5～7.0起動電流:MNSTNsN1TSTMsMTOsTS

TNKS=IS

INKC=4.電動機的運行分析電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負載的變化而自動調(diào)整，這種能力稱為自適應(yīng)負載能力。

自適應(yīng)負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點（如：柴油機當(dāng)負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載）。此過程中，n、sE2,I2

I1電源提供的功率自動增加。TLsTL>T2TL=T2nT

T′2達到新的平衡T2常用特性段TO[例6.5.1]某三相異步電動機，額定功率PN=45kW，額定轉(zhuǎn)速nN=2970r/min，KM=2.2，KS=2.0。若TL=200N·m，試問能否帶此負載：(1)長期運行;(2)短期運行;(3)直接起動。[解](1)電動機的額定轉(zhuǎn)矩由于TN<TL，故不能帶此負載長期運行。

TN==×N·m=145N·m60

2PNnN60

2×3.1445×1032970(2)電動機的最大轉(zhuǎn)矩TM=KMTN=2.2×145N·m=319N·m由于TM>TL，故可以帶此負載短時運行。

(3)電動機的起動轉(zhuǎn)矩由于TS>TL，故可以帶此負載直接運行。

TS=KSTN=2.0×145N·m=290N·m二.人為特性(1)

U1變化對機械特性的影響UTmTstT2TO(2)R2變化對機械特性的影響TOR2Tstn硬特性：負載變化時，轉(zhuǎn)速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加時轉(zhuǎn)速下降較快，但起動轉(zhuǎn)矩大，起動特性好。(2)R2變化對機械特性的影響

不同場合應(yīng)選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電機。TOR2Tstn硬特性：負載變化時，轉(zhuǎn)速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加時轉(zhuǎn)速下降較快，但起動轉(zhuǎn)矩大，起動特性好。6.6三相異步電動機的起動一、起動性能起動問題：起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩小。

一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍;電動機的起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的(1.0~2.2)倍。大電流使電網(wǎng)電壓降低，影響鄰近負載的工作頻繁起動時造成熱量積累，使電機過熱后果：原因：起動：

n=0，s=1,接通電源。起動時，n=0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線速度很大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子電流定子電流

二、籠型異步電動機的起動1.直接起動(全壓起動)

(a)小容量的電動機；(b)電源容量足夠大時。規(guī)定：7.5kW以下直接起動7.5kW以上，且電源容量能滿足起動電流倍數(shù)≤3+1

4IS

INKC=電源容量(kV·A)電機功率(kW)(2)降壓起動：星形-三角形(Y－)換接起動自耦降壓起動（適用于鼠籠式電動機）(3)轉(zhuǎn)子串電阻起動（適用于繞線式電動機）以下介紹降壓起動和轉(zhuǎn)子串電阻起動。1.降壓起動(1)Y－換接起動

降壓起動時的電流為直接起動時的+－

起動U1U2V1V1W1W2+－正常運行U1U2V1V2W1W2設(shè)：電機每相阻抗為Y－起動器接線簡圖L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△動觸點Y動觸點靜觸點Y－起動器接線簡圖Y起動L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起動UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－起動器接線簡圖工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常運行Ul+＿U1V1V2W1W2(a)僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結(jié)的電機。

(b)Y－起動Y－換接起動適合于空載或輕載起動的場合Y-換接起動應(yīng)注意的問題正常運行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起動+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1例1:1)解:

一臺Y225M-4型的三相異步電動機，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、和起動轉(zhuǎn)矩TN。

2）由nN=1480r/min，可知p=2（四極電動機）3）解：在上例中(1)如果負載轉(zhuǎn)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？（2）采用Y-換接起動時，求起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。又當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的80%和50%時，電動機能否起動？(1)在U=UN時

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

在U′=0.9UN時能起動例2:在80%額定負載時不能起動在50%額定負載時可以起動(3)(2)自耦降壓起動L1L3L2FUQQ2下合：接入自耦變壓器，降壓