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第 7 章异 步 电 动 机,7.1三相异步电动机的结构和工作原理 7.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 7.3三相异步电动机的铭牌 7.4三相异步电动机的启动 7.5三相异步电动机的调速 7.6三相异步电动机的制动 7.7三相异步电动机的选择 7.8单相异步电动机 本章小结,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理7.1.1 三相异步电动机的结构三相异步定动机由静止的定子和旋转的转子两个重要部分组成， 定子和转子之间由气隙隔开。 图7-1为（鼠笼型）三相异步电动机结构示意图。,图7-1 三相异步电动机结构示意图 （a） 外形图；（b） 内部结构图,1. 定子定子由定子铁芯、 定子绕组、 机座和端盖等组成。 机座的主要作用是用来支撑电机各部分部件， 因此机座应有足够的机械强度和刚度， 通常用铸铁制成。 为了减少涡流和磁滞损耗， 定子铁芯用0.5 mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠成， 铁芯内圆周上有许多均匀分布的槽， 槽内嵌放定子绕组， 如图7-2所示。,图7-2 三相异步电动机的定子 (a) 定子铁芯； (b) 定子嵌线后,定子绕组分布在定子铁芯的槽内， 小型电动机通常用漆包线绕制， 三相绕组在定子内圆周空间彼此相隔120， 共有六个出线端， 分别引至电动机接线盒的接线柱上，三相定子绕组可以联接成星形或三角形， 如图7-3所示。 其接法根据电动机的额定电压和三相电源电压而定， 通常三个绕组的首端分别用U1、V1、W1表示，末端分别用U2、V2、W2表示。,图7-3 三相定子绕组的接法 （a） 星形联接; （b） 三角形联接,2. 转子异步电动机按转子绕组形式不同， 可分为绕线式和鼠笼式两种。 绕线式转子的绕组和定子绕组一样， 也是三相绕组， 绕组的三个末端接在一起（Y形）， 三个首端分别接在转轴上的三个彼此绝缘的铜制滑环上， 再通过滑环上的电刷与外电路的电阻器相接， 以便调节转速或改变电动机的启动性能， 如图7-4所示。,图7-4 绕线式转子 （a） 绕线式转子外形图; （b） 等效电路; （c） 绕线式电动机外形,鼠笼式转子绕组可在转子铁芯槽内插入铜条， 两端再用两个铜环焊接而成， 若把铁芯拿出来， 整个转子绕组外形很像一个鼠笼， 故称鼠笼式电动机。 对于中小功率的电机， 目前常用铸铝工艺把鼠笼式绕组及冷却用的风扇叶片一同铸成， 如图7-5所示。,图7-5 鼠笼式转子 (a) 铜条转子； (b) 铸铝转子； (c) 外形图,7.1.2 工作原理1. 旋转磁场的产生三相异步电动机定子绕组是空间对称的三相绕组， 即U1-U2、 V1-V2和W1-W2，空间位置相隔120， 若将它们作星形联接， 如图7-6所示。,图7-6 三相定子绕组的布置,将U2、V2、W2连在一起， U1、V1、 W1分别接三相对称电源的U、 V、 W三个端子， 就有三相对称电流流入对应的定子绕组， 即iU=Im sintiV=Im sin(t120)iW=Im sin(t+120)其波形如图7-7所示。 ,图7-7 电流波形,由波形图可看出， 在t=0时刻， iU=0，iV为负值， 说明iV的实际电流方向与参考方向相反， 即从V2流入， 用表示， V1流出， 用表示； iW为正值， 说明实际电流方向与iW的参考方向相同， 即从W1流入， 用表示， W2流出， 用表示。 根据右手螺旋定则， 可判断出转子铁芯中的磁力线的方向是自上而下， 相当于定子内部是N极在上S极在下的一对磁极在工作， 如图7-8（a）所示。,图7-8 一对磁极的旋转磁场 （a） t=0; (b) t=120; (c) t=240; (d) t=360,当t =120时， iU为正值， 电流从U1流入， 用表示， U2流出， 用表示；iV=0； iW为负值， 电流从W2流入， 用表示， W1流出， 用表示。 则合成磁场如图7-8（b)所示， 从图可以看出， 合成磁场在空间上沿顺时针方向转过了120。,当t =240时， 同理， 合成磁场如图7-8（c)所示， 从图可以看出， 它又沿顺时针方向转过了120。 当t=360时， 与t=0时刻相同， 合成磁场沿顺时针又转过了120， NS磁极回到t =0时刻的原来位置， 如图7-8（d)所示。,在定子铁芯内相当于一对N、 S磁极在旋转。 若把定子铁芯的槽数增加为12个， 即每相绕组由两个串联的线圈构成， 相当于把图7-6中空间360分布6槽的三相绕组， 压缩在180的空间， 显然每个线圈在空间相隔不再是120， 而是60， 如图7-9所示。 若在U1、 V1、 W1三端通三相交流电， 同理， 在定子铁芯内可形成两对磁极的旋转磁场， 如图7-10所示。,图7-9 四极电动机定子绕组的结构布置接线图,图7-10 四极电动机的旋转磁场 (a) t=0; (b)t=120; (c) t=240; (d) t=360,2. 旋转磁场的转速和转向一对磁极的旋转磁场电流每交变一次， 磁场就旋转一周。 设电源的频率为f1， 即电流每秒钟变化f1次， 磁场每秒钟转f1圈， 则旋转磁场的转速n1=f1(r/s)，习惯上用每分钟的转数来表达转速： n1=60f1 (r/min),两对磁极的旋转磁场， 电流每变化f1次， 旋转磁场转f1/2圈， 即旋转磁场的转速为n1=60f12 (r/min)以此类推， P对磁极的旋转磁场， 电流每交变一次， 磁场就在空间转过1/P周，因此， 转速应为n1=60f1P (r/min) (7-1),旋转磁场的转速n1也称为同步转速， 由式（7-1）可知， 它取决于电源频率和旋转磁场的磁极对数。 我国的工频为50 Hz， 因此， 同步转速与磁极对数的关系如表7-1所示。,旋转磁场的转向是由通入定子绕组的三相电源的相序决定的。 由图7-6可知， 定子绕组中电流的相序按顺序U-V-W排列， 旋转磁场按顺时针方向旋转； 如果将三相电源中任意两相对调， 例如V和W两相互换， 则定子绕组中的电流相序为U-W-V， 应用前面讲的分析方法， 旋转磁场的方向也相应地改变为逆时针方向。,3. 转子的转动原理图7-11为三相异步电动机工作原理示意图。 为简单起见， 图中用一对磁极来进行分析。,图7-11 三相异步电动机工作原理图,为了更清楚地分析异步电动机的工作过程， 需要引入转差率s这个参数 (7-2) 转差率是用来表示转子转速与同步转速之差的相对程度的一个物理量， 其中n=n1n为转速差。 当定子绕组接通电源的瞬间， 转子转速n=0， 此时s=1， 转差率最大；稳定运行以后，电机的转速n比较接近同步转速n1，此时s很小， 额定转差率约为0.010.08左右； 空载时， 转子转速可以很接近同步转速, 即s0， 但s=0的情况在实际运行时是不存在的。,例7-1 一台三相异步电动机， 其极对数是2， 电源频率为工频， 若转差率s=0.02，该电机的转速是多少？解 首先求同步转速,r/min,因为,所以 n=n1(1s)=1500(10.02)=1470 r/min,7.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性1.定子电路的电动势当异步电动机的定子绕组接通三相电源后， 定子绕组因切割磁力线而感应电动势， 其有效值为 E1=4.44f1K1N1 (7-3),式中, f1为三相电源频率； K1为定子绕组系数， 与定子绕组结构有关， 略小于1；N1为定子每相绕组匝数； 为旋转磁场的每极磁通， 通常指忽略漏磁后每极下的主磁通m。 在忽略定子绕组本身的阻抗压降及漏磁通之后， 可认为感应电动势与外加电压的有效值近似相等， 即U1E1， 因此可以求得,(7-4）,2. 转子的感应电动势E2当电动机启动时， 转速n=0， 转差率s=1。 此时转子不动， 转子绕组相当于变压器的副边， 其感应电动势可用式（7-4）来求得E20=4.44f20K2N2=4.44f1K2N2 (7-5)式中, K2为转子绕组系数， 与转子绕组结构有关， 略小于1；f20为启动时的转子绕组的频率， 与定子频率f1相等。,当电动机启动后并以转速n旋转时， 旋转磁场与转子的转速差(n1n)=sn1不断减小， 旋转磁场相对转子的旋转速度下降了s倍， 此时的转子感应电动势频率比转子静止的情况下减小， 应为,（7-6）,故转子感应电动势为 E2=4.44f2K2N2=4.44sf1K2N2=sE20 (7-7),3. 转子电流I2 转子绕组的阻抗Z2=R2+jX2， 其中R2是转子绕组本身的电阻， 固定不变。 X2却和频率f2有关， 即 X2=2f2L2=2sf1L2=sX20 (7-8)式中, L2为转子绕组电感值； X20为转子静止时的感抗。,则转子电流为,(7-9),式(7-9)说明转子电流I2与转差率s有关， 转子电流I2随转差率 s的增大而增加。 由于转子电路中有感抗的存在， 所以转子电流I2比感应电动势E2要滞后相位角j2， 转子电路的功率因数为,os,=,cosj2=,(7-10),4. 定子电流I1定子电流和转子电流之间的关系与变压器相似， 即,则,(7-11）,式中, Ki为异步电动机的电流变换系数， 与定子绕组和转子绕组的结构有关。,7.2.1 电磁转矩电磁转矩的大小与转子感应电流的有功分量和旋转磁场的每极磁通成正比， 即 T=CTI2 cosj2 (7-12)式中, CT为异步电动机的转矩系数， 与电动机结构有关； 为旋转磁场的每极磁通， 单位为Wb， 电流的单位为A，所以电磁转矩的单位为N m。,旋转磁场的磁通可通过式(7-4)求得， 即,转子电流I2可由式（7-9）和式（7-5）求得， 即,将上两式及式(7-10)代入式（7-12）， 可得,(7-13）,式中, C是与电动机结构和电源频率有关的常数， 转子每相的电阻和静止时的感抗通常也是常数。 因此， 当电源电压一定时， 电磁转矩为转差率的函数， 即T=f(s)， 其曲线称异步电动机的转矩特性曲线， 如图7-12所示。,图7-12 三相异步电动机的转矩特性,7.2.2 机械特性根据式（7-13）和式（7-2）可画出机械特性曲线， 如图7-13所示， 与图7-12比较可以看出， 图7-13是在图7-12的基础上把转差率换成了转速， 并把坐标顺时针旋转了90即可。 它直接反映了电磁转矩与转速之间的关系。 图中的Tst为电动机的启动转矩。,图7-13 三相异步电动机的机械特性,1. 稳定区和不稳定区由图7-13可知， 以最大转矩为界， 曲线分为两个不同特征的区域。 上边为稳定区，下边为不稳定区。,图7-13 三相异步电动机的机械特性,图7-14所示是一个自适应过程的曲线图， 设当负载转矩为Ta时， 电机稳定运行于a点， 此时电磁转矩也等于Ta， 转速为na； 若负载转矩改变为Tb， 由于惯性， 速度不能突变， 负载改变后的最初的电磁转矩仍为Ta，则由于TTL， 电机加速， 工作点上移， 电磁转矩减小， 直到过渡过程到达b点， 电磁转矩等于Tb， 转速不再上升， 电机便运行于b点， 电机在新的转速下开始稳定运行，完成一次自适应调节过程。,图7-14 自适应过程曲线图,2. 三个重要的转矩(1) 额定转矩TN。 额定转矩是指电动机在额定负载的情况下， 其轴上输出的转矩。 由于电机稳定运行时， 其电磁转矩等于负载转矩， 所以可以用额定电磁转矩来表示额定输出转矩。 电动机的额定转矩可以通过电机铭牌上的额定功率和额定转速来求得， 由物理学可知P2=T,则,(7-14）,式中, 为电机的角速度， 单位为rad/s； P2为额定输出功率， 单位为kW， n的单位为r/min， 则T的单位为N m。,（2） 最大转矩Tm。 最大转矩是指电动机所能提供的极限转矩， 它是对应于临界转差率的临界转矩，可用数学方法求得。 对式（7-13）求s的导数， 令其等于零， 即,则,(7-15）,将上式代入式（7-13）， 可得,(7-16）,通常用最大转矩与额定转矩之比来描述电机的过载情况， 这个比值称为过载系数， 用表示， 即,(3) 启动转矩Tst。 启动转矩是指电动机刚接通电源以后， 电机尚未转动起来， 即转速为0时的电磁转矩。 电机的启动转矩对应图7-13中的n=0, s=1所在点， 即,(7-17）,异步电动机的启动能力用启动转矩与额定转矩的比值来表示， 即 (7-18） 一般鼠笼式异步电动机的启动能力较差， 为0.82.2， 所以有时采用轻载启动； 绕线式异步电动机的转子可以通过滑环外接的电阻器来调节器启动能力。,例7-2 已知两台异步电动机额定功率都是10 kW， 但转速不同。 其中n1N=2930 r/min， n2N=1450 r/min， 如果过载系数都是2.2， 求它们的额定转矩和最大转矩。 解 根据式（7-14）有 第一台电机的额定转矩为,N m,最大转矩为 T1m=2.232.6=71.7 N m 第二台电机的额定转矩为,Nm,最大转矩为,T2m=2.265.9=145 Nm,3. 电源电压对机械特性的影响 由式（7-16）和式（7-17）可以看出， 最大转矩和启动转矩与电源电压的平方成正比， 因此， 电源电压的波动对机械特性的影响极大。 而临界转差率却与电源电压无关，即临界转速与电源电压也无关。 因此， 当电源电压升高时， Tm、 Tst增大， nm不变， 机械特性曲线右移， 如图7-15所示。 由图可见电源电压增大时， 机械特性曲线变硬。,图7-16 转子电阻对机械特性的影响,4. 转子电阻对机械特性的影响转子电阻的改变会影响电动机的临界转差率和启动转矩， 而最大转矩与转子电阻无关， 其中sm与R2成正比。 因此， 当R2增大时， sm也增大， nm降低， Tm保持不变， 机械特性曲线下移， 如图7-16所示。,图7-16 转子电阻对机械特性的影响,7.2.3 运行特性异步电动机在不同的负载下工作时， 则以它的运行特性来表示， 如图7-17所示。在电源电压及频率不变的情况下， 电动机的转速、 转矩、 定子电流、 定子电路的功率因数和电动机的效率与电动机输出功率之间的关系， 称为异步电动机的工作特性。 这里仅介绍I1=f(P2)、 cosj1=f(P2)和=f(P2)三条曲线。,图7-17 三相异步电动机的工作特性曲线,1. 定子电流工作特性曲线I1=f(P2)异步电动机空载运行时电动机的转速最接近同步转速， 这时转子电流很小， 约为零， 定子电流为励磁电流I10(空载电流)。 空载电流约为额定电流的20%40%。 当电动机加上负载后， 随着输出功率P2的增加， 转速下降， 转子电流增大， 定子电流也随之增大。,2. 功率因数工作特性曲线cosj1=f(P2)异步电动机的定子功率因数空载时很低， 通常只有0.20.3， 额定运行时约为0.70.9左右。 所以选用电动机的容量时， 应根据负载情况正确选用， 使其尽量在功率因数较高的情况下运行， 已达到节能的目的。,3. 效率工作特性曲线=f(P2)电动机的效率是指输出功率P2与输入功率P1的比值， 即,100%,式中, Pm为电动机的机械损耗。,7.3 三相异步电动机的铭牌表7-2为某一台异步电动机的铭牌数据。 ,1. 型号 型号表示电动机的结构形式、 机座号和极数。 例如Y100L1-4中， Y表示鼠笼式异步电动机 （表示绕线式异步电动机）； 100表示机座中心高为100毫米； L表示长机座(S表示短机座， M表示中机座)； 1表示铁芯长度代号； 4表示4极电动机。,2. 额定电压UN电压是电动机定子绕组应加线电压的额定值， 有些异步电动机铭牌上标有220/380 V， 相应的接法为/Y。 它说明当电源线电压为220 V时， 电动机定子绕组应接成形； 当电源线电压为380 V时， 应接成Y形。 3.额定电流IN 额定电流是指电动机在额定运行时， 定子绕组的线电流。,6. 工作方式 工作方式是指电动机的运行状态。 根据发热条件可分为三种： S1表示连续工作方式， 允许电机在额定负载下连续长期运行； S2表示短时工作方式， 在额定负载下只能在规定时间短时运行； S3表示断续工作方式， 可在额定负载下按规定周期性重复短时运行。,7. 绝缘等级绝缘等级是由电动机所用的绝缘材料决定的。 按耐热程度不同， 将电动机的绝缘等级分为A、 E、 B、 F、 H、 C等几个等级， 它们允许的最高温度如表7-3所示。,8. 温升在选用电机时， 除了要看电机上的铭牌数据外， 还要了解电机的其他技术数据，通常可在产品资料中查到。 表7-4给出一例。 ,例7-3 一台三相异步电动机的技术数据如下， PN=7.5 kW， UN=380 V， Y接法， nN=1440 r/min， N=0.875， cosj=0.85，Ist/IN=7.0，启动能力=2.2，=2.2。 试求: （1） 额定电流IN； （2） 额定转差率sN； （3） 启动电流Ist； （4） 额定转矩TN； （5） 最大转矩Tm； (6） 启动转矩Tst。 ,解 （1） 电动机的输入功率为,8.6 kW,额定电流为,=15.4 A,（2） 因nN=1440 r/min， 可知电动机的n1=1500 r/min， 极对数P=2， 则额定转差率为,（3） 因Ist/IN=7.0， 则启动电流为 Ist=7.0IN=715.4=107.8 A,7.4 三相异步电动机的启动 对电动机启动的要求， 一般从以下几个方面来考虑： （1） 启动电流应尽可能的小， 即Ist（47）IN； （2） 启动转矩应尽可能的大， 即Tst(1.11.2)TL； （3） 启动的时间应尽可能短； （4） 转速的提升应尽可能平稳； （5） 启动方法应方便、 可靠、 启动设备应简单、 经济、 易维护修理。,7.4.1 直接启动直接启动又称为全压启动， 启动时， 将电机的额定电压通过刀开关或接触器直接接到电动机的定子绕组上进行启动。 直接启动最简单， 不需附加的启动设备， 启动时间短， 只要电网容量允许， 应尽量采用直接启动。 但这种启动方法启动电流大， 一般只允许小功率的异步电动机（PN7.5 kW）进行直接启动； 对大功率的异步电动机，应采取降压启动， 以限制启动电流。,7.4.2 降压启动1 Y-降压启动这种启动方法适用于电动机正常运行时接法为三角形的异步电动机。 电机启动时， 定子绕组接成星形， 启动完毕后， 电动机切换为三角形。,图7-18是一个Y-降压启动控制线路， 启动时， 合电源开关QS， 控制电路先使得KM1和KM3闭合， 电机星形启动， 定子绕组由于采用了星形， 其每相绕组上承受的电压比正常接法时下降了， 当电机转速上升到稳定值时， 控制电路再控制KM3断开、 KM2闭合， 于是定子绕组换成三角形接法， 电机开始稳定运行。,图7-18 Y-降压启动控制线路,定子绕组每相阻抗为|Z|， 电源电压为U1， 则采用连接直接启动时的线电流为,采用Y连接降压启动时， 每相绕组的线电流为,则,(7-19）,由式（7-19）可以看出， 采用Y-降压启动时， 启动电流比直接启动时下降了1/3。 电磁转矩与电源电压的平方成正比， 由于电源电压下降了， 所以启动转矩也减小了1/3。,2 自耦变压器降压启动如图7-19为自耦变压器的降压启动线路， 自耦变压器的原边接电源电压， 副边接接触器KM1。 启动时， 合电源开关， 先通过控制电路使得KM1闭合， 接通自耦变压器的副边， 则定子绕组所加电压低于额定电压， 电机开始启动， 当电机的转速上升到一定速度时， KM1断开, KM2闭合， 切除自耦变压器， 电机开始稳定运行。,图7-19 自耦变压器降压启动控制线路,3 转子串电阻降压启动 图7-20为转子串电阻的启动电路图， 启动时， 将电阻器调到最大， 合电源开关，转子串电阻开始启动运行。 随着转速的上升， 不断减小转子电阻， 当转速稳定时， 短接转子电阻， 使电动机正常运行。,图7-20 转子串电阻启动控制线路图,例7-4 已知一台鼠笼异步电动机，PN=75 kW， 连接运行，UN=420 V，IN=126 A，cosjN=0.88，nN=1480 r/min， Tst/TN=1.9， Ist/IN=5.0，负载转矩TL=100 N m， 现要求电动机启动时Tst1.1TL， Ist240 A， 问:（1） 电动机能否直接启动？（2） 电动机能否采用Y-启动？ （3） 若采用三个抽头的自耦变压器启动， 则应用50%、 60%、 80%中的哪个抽头？,解 （1） 一般来说， 7.5 kW以上的电动机不能采用直接启动方法。 计算方法如下： 电动机的额定转矩为,N m,直接启动时的启动转矩为 Tst=1.9TN=1.9483.95=919.5 N m,又1.1TL=1.1100=110 N m故Tst1.1TL直接启动电流Ist=5IN=5126=630 A， 远大于本题要求的240 A。,（2） 采用Y-启动方式， 则启动转矩应为,N m1.1TL,启动电流,240 A,（3） 采用自耦降压启动， 启动电流和启动转矩分别为50%抽头： Tst1=(0.5)2Tst=(0.5)2919.5=229.88 NmIst1=(0.5)2Ist=(0.5)2630=157.5 A60%抽头：Tst2=(0.6)2Tst=331.02 NmIst2=(0.6)2Ist=226.8 A80%抽头：Tst3=(0.8)2Tst=588.48 NmIst3=(0.8)2Ist=403.2 A,7.5 三相异步电动机的调速调速是指在同一负载下人为改变电动机的转速。 由前面所学可知， 电动机的转速有这样一个公式： (7-20）,7.5.1 变频调速变频调速是指通过改变电源的频率从而改变电机转速。 它是采用一套专用的变频器来改变电源的频率以实现变频调速。 变频器本身价格较贵， 但它可以在较大范围内实现较平滑的无极调速， 且具有硬的机械特性， 是一种较理想的调速方法。 近年来， 随着电力电子技术的发展， 交流电机采用这种方式进行调速越来越普遍。,7.5.2 变极调速变极调速是指通过改变异步电动机定子绕组的接线以改变电动机的极对数而实现调速的方法。 由式（7-20）可知， 改变电动机的磁极对数， 可以改变电动机的转速。但由电动机的工作原理可知， 电动机的磁极对数总是成倍增长， 所以电机的转速也就阶段性的上升， 无法实现无极调速。,异步电动机可以通过改变电动机的定子绕组接法来实现变极调速， 也可以通过在定子上安装不同的定子绕组来实现调速， 这种能改变定子磁极对数的电动机又称为多速电动机。 图7-21所示为一个4/2极双速电机的定子绕组接法及对应的单相磁场分布示意图。 电动机每相有两个线圈， 如果把两两线圈并联起来， 接成双Y形， 合成磁场为一对磁极， 将两两线圈串联起来， 接成形， 则合成磁场为两对磁极。 这两种接法下电动机同步转速差一倍。,图7-21 变极调速(a) 形接法(P=2); (b) 双Y形接法（P=1）,7.5.3 变转差率调速在绕线式异步电动机中， 可以通过改变转子电阻来改变转差率， 从而改变电机的速度。 如图7-22所示， 设负载转矩TL不变， 转子电阻R2增大， 电动机的转差率s增大， 转速下降， 工作点下移， 机械特性变软。 当平滑调节转子电阻时， 可以实现无极调速， 但调速范围较小， 且要消耗电能， 一般用于起重设备上。,图7-22 变转差率调速,7.6 三相异步电动机的制动7.6.1 能耗制动能耗制动是指电动机断开三相交流电源的同时， 对它的定子绕组通入直流电， 此直流电产生的固定磁场与惯性旋转的转子之间相互作用， 产生一个制动力矩， 从而使得电动机停转， 当电动机的转速为零时， 转子与固定磁场之间不再有相对运动， 电动机的制动转矩自动消失， 制动过程结束。 如图7-23所示。,图7-23 能耗制动示意图 (a) 接线图； (b) 原理示意图,正常运行时， 接通QS， 通过控制电路将KM1接通， 电动机接三相交流电源启动运行。 制动时， 通过控制电路将KM1断开， 切断交流电源的连接， 同时将KM2接通，将直流电源引入电机的V、 W两相， 在电机内部形成固定的磁场， 电动机由于惯性仍顺时针旋转， 则转子绕组做切割磁力线的运动， 依据右手定则， 转子绕组中将产生感应电流， 如图7-23所示。,7.6.2 反接制动反接制动是指制动时， 改变定子绕组任意两相的相序， 使得电动机的旋转磁场换向， 反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用， 产生一个与转子转向相反的电磁转矩， 迫使电动机的转速迅速下降， 当转速接近零时， 切断电机的电源， 如图7-24所示。 显然反接制动比能耗制动所用的时间要短。,7.6.3 回馈发电制动 回馈发电制动是指在电动机转向不变的情况下， 由于某种原因， 使得电动机的转速大于同步转速。 比如在起重机械下放重物、 电动机车下坡时， 都会出现这种情况， 这时重物拖动转子， 转速大于同步转速， 转子相对于旋转磁场改变运动方向， 转子感应电动势及转子电流也反向， 于是转子受到制动力矩， 使得重物匀速下降。,7.7 三相异步电动机的选择 7.7.1 种类选择电动机的种类选择应首先使电动机满足生产设备的需求， 然后再考虑结构简单、价格、 可靠性、 维修等方面的问题。 异步电动机有鼠笼式和绕线式两种。 鼠笼式的优点明显多于绕线式， 所以一般选用鼠笼式的多一些。,鼠笼式异步电动机具有结构简单、 价格便宜、 维修方便等优点， 采用传统的调速方法时启动、 调速性能较差， 可以用于没有特殊要求（调速要求不严）的场合， 比如各种泵、 通风机、 普通机床等设备上。 但采用变频器提供的变频电源供电之后， 鼠笼式异步电动机目前已达到良好的无级调速性能。,绕线式异步电动机的转子电路可以串电阻来改善其启动转矩和启动电流， 但它的调速范围仍然不大， 所以对一些要求启动转矩大， 且在一定范围内需要调速的生产机械， 如起重机， 可以采用绕线式电机， 但绕线式电动机结构比鼠笼式复杂， 且价格较贵， 维修比鼠笼式也复杂。,7.7.2 转速选择容量、 电压相同的电机， 转速不一定相同。 由式（7-14）可知， 额定功率相同时，转速越高， 转矩越小， 它的体积也小， 重量轻， 价格越便宜， 经济指标较高； 转速越低的电机， 转矩越大， 价格越贵。 所以选用电动机的转速时， 应该根据实际需要及财力情况权衡利弊， 来选择电动机的转速。 一般情况下， 较多选用1500 r/min的电动机。,7.7.3 功率选择1. 连续工作方式在负载恒定、 连续工作的情况下， 电动机的额定功率应等于或稍大于负载功率，如泵、 通风机等。 若选用的电动机额定功率小于负载功率， 则电动机会出现过载现象，长时间过载， 电动机的绝缘材料会因发热而影响电动机的寿命， 甚至烧毁电机； 若选用电动机的额定功率过大， 则电动机的输出功率得不到充分利用， 输出效率降低。,PN,(7-21）,式(7-21)中， PL为负载功率； 1为生产机械的效率； 2 电动机与生产机械之间的传动效率。 直接连接时2=1， 皮带连接时， 2=0.95。,例7-5 一台三相异步电动机皮带拖动的通风机， 通风机的功率为6 kW， 转速为1440 r/min， 生产机械的效率为0.6， 选择电动机的额定功率。 解 由于皮带拖动， 所以电动机与生产机械之间的传动效率2=0.95。,10.5 kW,可选择11 kW的电动机。,2. 短时工作方式电动机按给定时间工作， 工作时间短， 停机时间长， 如水坝的闸门、 机床的刀库等。 为了充分利用电动机的容量， 允许电动机短时过载， 所以电动机的功率可以小于负载功率， 但必须考虑电动机的过载能力。 我国规定短时工作制的标准时间有10、 30、60、 90分钟四种。 有专门的短时工作制的电机， 其额定功率和标准时间相对应。工作方式可用下式计算,PN,(7-22）,3. 断续工作方式断续工作方式是指电动机重复短时工作， 工作时间与停歇时间交替出现。 我国规定的标准断续工作周期T为10分钟， 其中包括工作时间t1和停歇时间t2。 把工作时间与工作周期的比值称为持续率， 即,标准持续时间有15%、 25%、 40%和60%， 如不特殊说明， 则为25%。,7.8 单相异步电动机7.8.1 工作原理单相异步电动机由于只有一相定子绕组， 当接通正弦交流电源之后， 会产生一个交变的脉动磁场， 但这个磁场不会旋转， 在磁路中各点磁感应强度按正弦规律变化，可表示为B=Bm sint(7-23）,7.8.2 启动方法 1. 凸极式罩极交流电动机凸极式单相电动机的定子铁芯做成凸极式的磁极， 形状类似直流电动机的定子，定子铁芯上面绕有集中绕组， 称为主绕组。 定子铁芯上面的极面开有小槽， 用以嵌放短路铜环。 短路铜环罩住了一部分磁通， 所以把该电动机称为罩极电动机， 如图7-25所示。,图7-25 凸极式罩极交流电动机定子结构示意图,通入单相交流电后， 产生脉动磁场， 铜环把磁通分成两部分未被罩住的磁通1和被罩住的磁通2， 2在短路环内产生感应电流， 此感应电流又产生一定的磁通来阻碍原来磁通的变化， 使得2在相位上滞后1一个相位角。 如图7-26所示， 由于被罩住的磁通2是一小部分， 所以磁场的中线偏向未罩部分1的中线。 当电流增大时， 磁场的中线在磁极的左边； 当电流处于最大值附近时， 变化不大， 所以磁场的中线大致与几何中线吻合； 当电流减小时， 磁场中线偏向右边。,图7-26 凸极式罩极交流电动机的磁通 (a) i增强； (b) i不变； (c) i减小,2. 分相电容式启动异步电动机这种电动机是在定子上放置两个绕组， 一个主绕组， 一个副绕组， 如图7-27所示。两个绕组在空间上相隔90， 副绕组串电容器后与主绕组并联， 电容器的作用是使得副绕组回路的阻抗呈容性， 如果电容器选择得当， 可以做到副绕组的电流基本上超前于主绕组90。,图7-27 分相电容式启动异步电动机 (a) 内部结构等效图； (b) 相量图,本 章 小 结(1)电动机是将电能转换成机械能的旋转机械， 主要由定子和转子构成。 三相异步电动机按其结构可以分为鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机两种类型。,(2) 三相异步电动机的工作原理是定子绕组通入三相电源之后， 在电机定子中产生旋转磁场， 转子绕组切割旋转磁场的磁力线， 并在闭合的转子回路中产生感应电流， 产生感应电流的转子在旋转磁场中受到作用力， 产生电磁转矩， 带动转子旋转。 转子的转向取决于旋转磁场的方向， 旋转磁场的方向受制于电源的相序。,(3)旋转磁场的转速又称为同步转速， 同步转速n1与电源频率和磁极对数有关，算式为n1=60f1/P，电机转子的转速n小于同步转速n1， 所以称为异步电动机， 转差率s=(n1n)/n1。 (4) 三相异步电动机定子端电压的有效值U1E1=4.44f1K1N1， 当外加电压U1不变时， 旋转磁场的磁通基本不变。 与变压器原理相同， 定子电流受制于转子电流。,(5) 转子感应电动势的有效值E2=4.44f2K2N2=sE20转子电流,功率因数,(6) 三相异步电动机的电磁转矩,异步电动机的转矩特性和机械特性表达式分别为T=f(s)和n=f(T)， 机械特性曲线分稳定区和不稳定区， 电动机正常运行时，工作点在稳定区， 电动机的转子电阻和电源电压都会影响电动机的机械特性。,(7) 异步电动机的额定值： 额定电压和额定电流是指定子上的线电压和线电流，额定功率是指轴上输出的功率。 (8) 异步电动机有直接启动和降压启动两种启动方法， 直接启动时， 启动电流太大， 所以对于大容量的异步电动机应该采用降压启动。 启动要求： 启动电流Ist（47）IN； 启动转矩Tst(1.11.2)TL。 一般鼠笼式异步电动机多采用Y-、 自耦变压器启动； 绕线式异步电动机多采用转子串电阻启动。,(9) 异步电动机的调速方法有变频调速、 变转差率调速和变极调速， 前两种可以实现无极调速， 后一种只能实现有极调速。 目前采用变频器进行调速已成为主流。 (10) 异步电动机有机械制动和电气制动两种制动方法， 机械制动采用电磁抱闸来实现， 电气制动有能耗制动、 反接制动和回馈发电制动三种。,能耗制动所需时间较长，需要直流电源， 但耗能少； 反接制动只需要把定子绕组的相序改变， 就可以实现制动，转速接近零时， 必须切断电源， 反接制动耗能较多、 冲击大， 但制动迅速； 回馈发电制动不需改变电源的相序， 也不需直流电源， 它是把势能转化为机械能， 机械能又转化为电能回馈给电网， 在这个过程中， 转子转速大于同步转速， 电动机处于发电制动的状态。,(11) 电动机的选择应尽量选择鼠笼式异步电动机， 转速越高越经济， 转速越低转矩越大， 一般选用1500 r/min的电动机， 电动机的功率是一个非常重要的参数， 应该在合理计算后选择。,(12) 单相异步电动机一般作为家用电器和医疗器械的原动机。 其结构与三相电机类似， 只是把三相定子绕组换成了单相。 单相异步电动机接通电源后， 产生脉动磁场，不能产生旋转磁场， 需要外加一定的元器件进行启动， 一般采用电容启动法和凸极式罩极法， 电容启动式可以改变电机的转向， 凸极式不能改变电机的方向。,
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