三相異步電動機概述-三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

第3章三相異步電動機3.1概述3.2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)3.3三相異步電動機的工作原理3.4三相異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩3.5三相異步電動機的使用1第3章三相異步電動機學(xué)習(xí)目的：理解三相異步電動機工作原理并會正確使用。學(xué)習(xí)重點：功率、轉(zhuǎn)矩、機械特性。學(xué)習(xí)難點：工作原理，自動調(diào)節(jié)過程。關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)磁場、電磁轉(zhuǎn)矩、機械特性。2

異步電動機的應(yīng)用非常廣泛：在工業(yè)方面：中、小型軋鋼設(shè)備，機床、輕工機械、起重機械，礦山機械等。在農(nóng)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(fēng)扇、空調(diào)機、洗衣機、電冰箱等。電動機的分類：

交流電動機的作用是將交流電能轉(zhuǎn)換成機械能,交流電動機分異步電動機和同步電動機兩大類。1.按電機定子相數(shù)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分：籠型異步電動機、繞線型異步電動機.3.1概述3.1.1異步電動機的分類與用途33.1.2三相異步電動機的型號與主要技術(shù)數(shù)據(jù)

規(guī)格代號：中心高132mm，短機座2號鐵心，2極產(chǎn)品型號：異步電動機Y132S－2電動機的額定技術(shù)數(shù)據(jù)：（1）額定電壓UN

電動機額定狀態(tài)下運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓，單位為V或KV。（2）

額定電流IN

電動機在額定狀態(tài)下運行時，定子繞組的線電流，單位為A或KA。（3）額定功率PN

電動機在額定狀態(tài)下運行時，其軸上輸出的機械功率，單位為W或KW。（4）頻率f1

電動機交流電源的頻率，我國規(guī)定為50HZ。4（5）額定轉(zhuǎn)速nN

電動機在額定狀態(tài)下（UN、IN、PN）運行時電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r／min。（6）額定功率因數(shù)cosN在額定負載下，N是定子相電流與相電壓的相位差，三相異步電動機的cos隨負載的變化而變化，其范圍為0.2~0.9，輕載時cos較低。（7）額定效率N

額定輸出機械功率PN與額定輸入電功率之比PN1，即額定輸入電功率電動機的額定技術(shù)數(shù)據(jù)：5電動機銘牌上還標明繞組的接法

如有的電動機銘牌上標識出電壓為220／380V，接法標識為／Y時，則表明，當電源電壓為220V時，電動機定子繞組采用形方式聯(lián)接，而當電源電壓為380V時，電動機定子繞組采用Y形方式聯(lián)接。例：已知一臺三相異步電動機的額定功率PN＝3.8KW，額定電壓UN＝380V，額定功率因數(shù)cosN＝0.7，額定效率N＝0.85，額定轉(zhuǎn)速nN＝950r／min，求額定輸入功率P1N和額定電流IN。[解]根據(jù)額定輸入功率額定電流6這是電動機的外形3.2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)7三相異步電動機主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風(fēng)扇等部件。端蓋機座這是三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)示意圖8這是三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)示意圖三相異步電動機主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風(fēng)扇等部件。定子9這是三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)示意圖三相異步電動機主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風(fēng)扇等部件。定子轉(zhuǎn)子軸承端蓋機座101.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。這是機座定子鐵心和定子繞組示意圖定子繞組機座定子鐵心11A.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12U1W2V1U2W1V2定子繞組轉(zhuǎn)子繞組U1U2U1U2U1U2V1V2W1W2U1U2B.定子繞組13在定子槽孔中放置三相彼此獨立的繞組。U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2U1U2V1V2W1W2定子繞組星接端子C.定子繞組的連接U1U2V1V2W1W214U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子繞組角接C.定子繞組的連接15U1W2V1U2W1V2設(shè)：電流的流入端用表示電流的流出端用表示D.定子繞組電流方向定子繞組U1U2V1V2W1W2iAiBiCuAuBuCiAiBiCU1V1W1U2V2W2轉(zhuǎn)子繞組16這是饒線型轉(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)子籠型轉(zhuǎn)子的電機稱籠型電動機饒線型轉(zhuǎn)子的電機稱饒線型電動機外接電阻電刷滑環(huán)轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組17繞線型轉(zhuǎn)子實物18轉(zhuǎn)子鐵心是由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。這是轉(zhuǎn)子硅鋼片19

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導(dǎo)電端環(huán)把所有的導(dǎo)電條連接起來。這是籠型轉(zhuǎn)子20籠型轉(zhuǎn)子實物注鋁的籠型轉(zhuǎn)子實物21???SNn0ne(i)FF轉(zhuǎn)子導(dǎo)體

旋轉(zhuǎn)磁極形成旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速也稱為同步轉(zhuǎn)速?；\型轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下轉(zhuǎn)動起來，其轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。3.3三相異步電動機的工作原理3.3.1異步電動機的轉(zhuǎn)動原理22iA=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。

ti0設(shè)：電流的流入端用表示電流的流出端用表示3.3.2三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1W2V1U2W1V223iA1兩極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生t=0°tiiA=0iB為負值iC為正值U1W2V1U2W1V2NS0°iBiC24tt=60°iiC

=0iB為負值iA為正值iAiBiC0NS60°U1W2V1U2W1V21兩極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生25t=90°iA為正值iB為負值iC為負值tiiAiBiC0NS90°U1W2V1U2W1V21兩極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生26t=180°iA=0iB為正值iC為負值tiiAiBiC0180°NSU1W2V1U2W1V21兩極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生27t=60NS60°t=90°NSt=0°NS90°t=180NS180°0°U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V2U1W2V1U2W1V21兩極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生28

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：29tiiAiBiC02旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向U1V1W1U2V2W2iAiC9060°0U1W2V1U2W1V2NS0°U1W2V1U2W1V2NS60°相序A-C-B-AU1W2V1U2W1V2NS90°iB30

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313四極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1'V1'W1'U2'V2'W2'60°0°t=0°U1W2'V1U2'W1'NSU2W1V2U1'W2V1'V2'0°SNt=60°NSU1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2'30°SN0°tiiAiBiC032tiiAiBiC090°180°90°t=90°NS45°SNU1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2't=180°NS90°SNU1W2'V1U2'W1'U2W1V2U1'W2V1'V2'iAiBiCU1V1W1U2V2W2U1'V1'W1'U2'V2'W2'3.四極旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生33

當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。4.旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)差率pn0=——60

f1綜上分析可以得出：—電源頻率—磁極對數(shù)n0s=——=—–n0–nn0nP=1n0=3000r/minP=2n0=1500r/minP=3n0=1000r/minn=(1–s)n0定義:轉(zhuǎn)差率0

<

s

<s

N=

0.015

~

0.06轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速34U1

E1=4.44f1N1K1：旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通N1：每相定子繞組匝數(shù)K1：

定子繞組分布系數(shù)U1=–E1+I1(R1+jX1)???U1W2V1U2W1V2漏磁通S主磁通+–+–R1jX1E1?U1?I1??E2?I2R2jX2–+3.3.2三相異步電動機的等效電路X1=2f1L11.定子電壓平衡方程式35轉(zhuǎn)子電動勢E2=4.44f2N2K2：旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通N2：每相轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)K2：

轉(zhuǎn)子繞組分布系數(shù)E2=I2R2+jI2X2

??E2=4.44f1N2K2

s=E20sf2：轉(zhuǎn)子電動勢的頻率旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)速為（n0n），轉(zhuǎn)子頻率X2=2f2L2=2sf1L2=sX20+–+–R1jX1E1?U1?I1??E2?I2R2jX2–+3.3.2三相異步電動機的等效電路2.轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式36I2cos

2cos

2I20S1I2和cos2均與s有關(guān)2R2+X2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

2+–+–R1jX1E1?U1?I1??E2?I2R2jX2–+3.轉(zhuǎn)子電流373.4.1三相異步電動機的功率3.4三相異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩設(shè)輸入電動機的三相總功率為U和I為定子繞組的線電壓和線電流，cos為定子繞組的功率因數(shù)。電磁功率定子繞組的銅損定子的鐵損轉(zhuǎn)子的機械功率電動機軸上輸出給負載的機械功率為P2=P–P0空載損耗38電磁轉(zhuǎn)矩

T=CT

I2cos

2

————U14.44f1N1K11E20=4.44f1N2K24.44f1N1K1=

4.44f1N2K2————U1將代入式得1

電磁轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子電流的有功分量相互作用而產(chǎn)生的，所以與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222常數(shù)2R2+X2E2I2=————2I2=————2=–—————sE20R2+

(sX20)2cos

2=

—————R2

R2+(sX20)2

23.4.2電磁轉(zhuǎn)矩T與U12成正比1.電磁轉(zhuǎn)矩表達式39電磁轉(zhuǎn)矩通常由輸出的機械功率P求出，忽略空載損耗TN=

9.55———–PN(W)nN(r/min)P

=T?=T——2n60T

=————P2n/60T

=

9.55———–P

(W)n

(r/min)（N?m）

電動機軸上輸出的是額定功率PN，電動機轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速nN，這時輸出的轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩TN，即2.電磁轉(zhuǎn)矩的計算40一.轉(zhuǎn)矩特性

T=f(s)3.4.3機械特性T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222TstTmaxnNTNdn0n0Tabc

二.機械特性

n=f(T)sT10TmaxsmabcsNTNn0Tst411.額定轉(zhuǎn)矩TNT

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222

額定轉(zhuǎn)矩是電動機在額定運行狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。如某臺電動機的銘牌數(shù)據(jù)給出的額定功率PN為2.2kW，額定轉(zhuǎn)速nN為1430轉(zhuǎn)／分，則額定轉(zhuǎn)矩為

二.機械特性n=f(T)TstTmaxnNTNdn0n0Tabc42T

=

KU1

______________sR2R2+(sX20)222由dT/ds=0,得Tmax

=

K

——U122X20sm=

–—R2X20sm—臨界轉(zhuǎn)差率2.最大轉(zhuǎn)矩TmaxTmax

是在一定的電源電壓下，電動機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩。

二.機械特性n=f(T)TstTmaxnNTNdn0n0Tabc43Tmax

=

K

——U122X20sm=

–—R2X20sm—臨界轉(zhuǎn)差率2.最大轉(zhuǎn)矩TmaxU1不同電源電壓的機械特性Tn0U1>

U1T'maxU'1TmaxsmR2R'2Tn0R2<R'2不同R2的機械特性Tmaxsms'm44sm與R2成正比Tmax

=

K

——U122X20結(jié)論：a.TmaxU12b.Tmax與R2無關(guān)，c.過載系數(shù)m

mTmax

TN

m1.6

2.5sm=

–—R2X20Tmax的大小表明了電動機所能驅(qū)動的最大負載轉(zhuǎn)矩，即電動機的過載能力，它比TN大得多，通常用過載系數(shù)

m來表示過載能力的大小。2最大轉(zhuǎn)矩Tmax45Tn0T'stsm3.起動轉(zhuǎn)矩TSTT=

CU12—————sR2R2

+

(sX20)22起動瞬間n=0，s=1Tst=

KU1

———–R2R2

+

X20222

KU1——R2X2022U1↓→

Tst↓↓R2↑→

Tst↑R2′R2U1U1負載轉(zhuǎn)矩

T2>Tst,不能起動,可空載或輕載起動，負載轉(zhuǎn)矩T2<Tst，可帶負載起動。

stTst

TN一般st

1.0

2.2特殊st2.2

2.8起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)U'1TmaxTsts'm46三.機械特性曲線的兩個區(qū)域1.起動過程：s由1到0的過程當Tst>T2時,電機起動s由sm到0的過程在cb段n↑→s↓T↑→ba段在ab段n↑→s↓T↓→T=T2T2=TN(穩(wěn)定運行在d點)ab段為穩(wěn)定運行區(qū)域，bc段為不穩(wěn)定運行區(qū)域。轉(zhuǎn)矩

T=CT

I2cos

2TstTmaxnNTNdn0n0Tabc從c到a分析47→

s↑直到T=T2'電機穩(wěn)定運行在新的轉(zhuǎn)速下,工作于d'點則

:

n↓→

T↑n0n0TabcTstTmT2'd'n'nNTN

d轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0

=負載轉(zhuǎn)矩+空載轉(zhuǎn)矩2.轉(zhuǎn)速平衡過程：

電動機工作在穩(wěn)定運行區(qū)時,具有自適應(yīng)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(zhuǎn)矩突然增大為

T2',T'2>TN

，S=n0-n|n0由轉(zhuǎn)差率公式由n定s轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0

=負載轉(zhuǎn)矩+空載轉(zhuǎn)矩2.轉(zhuǎn)速平衡過程：

電動機工作在穩(wěn)定運行區(qū)時,具有自適應(yīng)能力。例如,原來在額定負載下穩(wěn)定運行(工作于d點),若電源電壓突然降低，T、n、I如何變化？U1不同電源電壓的機械特性Tn0U1>

U1T'maxU'1Tmaxd'n'nNTN

d49[例3.4.1]已知某臺三相異步電動機的額定數(shù)據(jù)為：PN＝4.5kW，nN＝950r／min，效率N＝84.5％，UN＝380V，cosN＝0.84，接成星形（Y），f1＝50HZ，過載系數(shù)m＝2，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)st＝1.7。求：（1）磁極對數(shù)P；（2）額定轉(zhuǎn)差率sN；（3）額定轉(zhuǎn)矩TN；（4）額定輸入功率P1N；（5）定子的額定電流IN；（6）最大轉(zhuǎn)矩Tmax；（7）起動轉(zhuǎn)矩Tst。[解]（1）根據(jù)nN＝950r／min，可以得出n0＝1000r／min

磁極對數(shù)（2）額定轉(zhuǎn)差率為50（3）額定轉(zhuǎn)矩為=45.24Nm（4）額定輸入功率（5）根據(jù)額定電流（7）起動轉(zhuǎn)矩

Tst＝stTN＝1.745.24=76.91Nm（6）最大轉(zhuǎn)矩Tmax＝mTN＝245.24=90.48Nm51一.起動過程存在的問題起動初始瞬間，n=0，s=1

（1）起動電流Ist大，(5~7)

IN。頻繁起動會使電動機過熱。

過大的起動電流在短時間內(nèi)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。（2）起動轉(zhuǎn)矩Tst不大，雖然剛起動時轉(zhuǎn)子電流較大，但轉(zhuǎn)子感抗大，使轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)很低,不能帶動較大負載起動。3.5三相異步電動機的使用3.5.1三相異步電動機的起動電磁轉(zhuǎn)矩

T=CT

I2cos

2521.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(wǎng)。特點：起動轉(zhuǎn)矩??；起動電流大，比額定值大4~7倍；影響同一電網(wǎng)上其它負載的正常工作。優(yōu)點：簡單、方便、經(jīng)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，以限制起動電流，待電動機轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，再把電壓恢復(fù)正常。二.起動方法起動轉(zhuǎn)矩與外加電壓平方成正比，降壓的同時也大大的降低了起動轉(zhuǎn)矩，因此這種方法使用于輕載或空載起動。53(1).星形—三角形（Y-）轉(zhuǎn)換降壓起動FU~~W2U1U2V1V2W1Q1轉(zhuǎn)子定子繞組a.連接方法Q2YU1U2V1W1V2W2Y型W1V1U1U2V2W2型只適用于正常運行時為接法的電動機54FU~~W2U1U2V1V2W1Q1轉(zhuǎn)子定子繞組Q2Y

起動電流和起動轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動時的三分之一。型Y型TstY/Tst

=UPY2/UP2

=(Ul/3)2

(Ul)2=1/3IlY=IPY=UPY/|Z|=Ul/(3|Z|)Il

=3IP

=3UP

/

|Z|=3Ul/|Z|(1)星形—三角形（Y-）轉(zhuǎn)換降壓起動b.起動電流和起動轉(zhuǎn)矩55如電源電壓為380V，電動機名牌標記為660/380V，Y/接法，能否采用Y-起動？思考題：56~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2起動三相自耦變壓器M3

~（2）自耦變壓器降壓起動57~U1U2V1V2W1W2~Q1Q2運轉(zhuǎn)起動三相自耦變壓器M3

~（2）自耦變壓器降壓起動58（2）自耦變壓器降壓起動設(shè)自耦變壓器變比為Ku求電動機起動電流

電動機起動電流Ist和起動轉(zhuǎn)矩Tst均為直接起動的1/Ku2。電動機起動轉(zhuǎn)矩定子繞組Z自耦變壓器u定子繞組Zu59

繞線式電動機起動時，在轉(zhuǎn)子繞組中串電阻，減小起動電流。（3）轉(zhuǎn)子串電阻起動2R2+XS2E2I2=————2

起動時先將起動變阻器的阻值置于最大位置，隨著轉(zhuǎn)速的上升，逐漸減小起動電阻，直到電動機轉(zhuǎn)速接近額定值時，再全部切除起動電阻，使電動機進入正常運行狀態(tài)。轉(zhuǎn)子串電阻起動，不但減小了起動電流而且增大了cos2，提高了起動轉(zhuǎn)矩。T=CT

I2cos

2起動電阻Q定子繞組轉(zhuǎn)子繞組滑環(huán)電刷~~60例3.5.1

一臺籠型三相異步電動機定子繞組為三角形聯(lián)接，PN＝28KW，UN＝380V，IN＝58A，cosN＝0.88，nN=1455r/min，st=1.2,Ist/IN=6,m=2.3，起動負載轉(zhuǎn)矩為71.5Nm，要求起動電流不大于150A。（1）該電動機能否采用星形－三角形轉(zhuǎn)換方法進行起動？（2）若采用自耦變壓器降壓起動，當自耦變壓器的抽頭為64％（）時，能否滿足起動要求？

解（1）電動機額定轉(zhuǎn)矩為直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩為61星形－三角形起動時的起動轉(zhuǎn)矩星形－三角形起動時的起動電流直接起動時的起動電流為可以采用星形－三角形轉(zhuǎn)換起動方法。（2）用自耦變壓器降壓起動時能滿足要求。62p=

(1–s)

——60

f1n

=(1–s)

n0調(diào)速方法3.5.1三相異步電動機的調(diào)速在某一確定負載下，人為的改變電動機轉(zhuǎn)速稱為調(diào)速。

改變電動機轉(zhuǎn)速有三種方法：改變磁極對數(shù)P、改變轉(zhuǎn)差率s