第5章交流电动机的工作原理及特性课件

20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1 1第第5 5章章 交流电动机的交流电动机的工作原理及特性工作原理及特性本章重点：本章重点：了解异步电动机的基本结构和原理；了解异步电动机的基本结构和原理；掌握异步电动机的机械特性，以及掌握异步电动机的机械特性，以及 启动、调速和制动的方法；启动、调速和制动的方法；掌握用机械特性的四个象限掌握用机械特性的四个象限 来分析异步电机的运行状态。来分析异步电机的运行状态。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2 2 常用的交流电动机有：常用的交流电动机有：三相异步电机三相异步电机（感应电动机）和（感应电动机）和 同步电动机同步电动机（即可作发电机又可作电动机）。（即可作发电机又可作电动机）。异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格 便宜，具有较好的稳态和动态特性。便宜，具有较好的稳态和动态特性。异步电动机是工业中使用得最为广泛的一种电动机。异步电动机是工业中使用得最为广泛的一种电动机。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3 35.1 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理5.1.1 5.1.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和 转子之间有一定的气隙。如转子之间有一定的气隙。如P.50P.50图图5.15.1所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4 4定子定子转子转子轴承轴承端盖端盖机座机座三相异步电动机的三维结构图三相异步电动机的三维结构图20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5 5定子定子20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6 6 定子由铁芯、绕组和机座三部分组成。定子由铁芯、绕组和机座三部分组成。1.1.定子定子定子绕组定子绕组机座机座铁心铁心20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7 720232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件8 8 定子铁芯是电机定子铁芯是电机磁路磁路的一部分，由的一部分，由0.5mm0.5mm厚的硅钢片厚的硅钢片 叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁芯的硅钢片内圆上冲有定子铁芯的硅钢片内圆上冲有定子槽定子槽，用以安放，用以安放 定子绕组。定子绕组。AZBXCY定子绕组定子绕组+20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件9 9A AZ ZB BX XC CY Y电流的流入端用电流的流入端用 +表示表示 电流的流出端用电流的流出端用 表示表示在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。定子绕组定子绕组A AX XB BY YC CZ Zi iA Ai iB Bi iC Cu uA Au uB Bu uC Ci iA Ai iB Bi iC CA AB BC CX XY YZ Z+每个线圈有每个线圈有两个两个有效边有效边。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件10102.2.转子转子 转子由铁芯和转子绕组组成。转子由铁芯和转子绕组组成。转子铁芯是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。转子铁芯是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。转转子子硅硅钢钢片片20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1111 转子铁芯也是电机磁路的一部分。转子铁芯也是电机磁路的一部分。转子铁芯、气隙与定子转子铁芯、气隙与定子 铁芯构成了电机的完整铁芯构成了电机的完整 磁路。磁路。根据转子绕组结构的不同根据转子绕组结构的不同 电机转子又分为笼型转子电机转子又分为笼型转子 和绕线型转子。和绕线型转子。绕线型转子的电动机称绕线型电动机。绕线型转子的电动机称绕线型电动机。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1212 异步电机的异步电机的转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子 铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个 铜环上而组成。铜环上而组成。小型鼠笼式电机的小型鼠笼式电机的转子转子 绕组多用铝浇注而成，绕组多用铝浇注而成，既降低了成本（以铝代铜），既降低了成本（以铝代铜），也方便了制造。也方便了制造。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件131320232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1414 转子绕组通过转子绕组通过 轴上的滑环和轴上的滑环和 电刷在转子电刷在转子 回路中接入回路中接入 外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。线绕式异步电动机的转子绕组是将线圈绕组放入线绕式异步电动机的转子绕组是将线圈绕组放入 转子铁心的槽内。转子铁心的槽内。转子绕组一般转子绕组一般 被连接成星形被连接成星形 的三相绕组。的三相绕组。外接电阻外接电阻电刷电刷滑环滑环转子铁心转子铁心转子绕组转子绕组 转子绕组组成转子绕组组成 的磁极数与的磁极数与 定子相同。定子相同。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件151520232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件16165.1.2 5.1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 三相异步电机是基于定子产生的旋转磁场和转子内三相异步电机是基于定子产生的旋转磁场和转子内 的感应电流相互作用而工作的。的感应电流相互作用而工作的。当定子内的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组当定子内的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组 既产生旋转磁场。图既产生旋转磁场。图5.6(b)5.6(b)为一对磁极的旋转磁场。为一对磁极的旋转磁场。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件17171 1、电生磁：三相对称绕组通过三相对称电流产生圆形、电生磁：三相对称绕组通过三相对称电流产生圆形 旋转磁场。旋转磁场。2 2、磁生电：旋转磁场切割、磁生电：旋转磁场切割 转子导体感应电动势和转子导体感应电动势和 电流。电流。3 3、电磁力：转子载流（、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在有功分量电流）体在 磁场作用下受电磁力磁场作用下受电磁力 作用，形成电磁转矩，作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。驱动电动机旋转。U2U2U1U1W2W2V1V1W1W1V2V21nn n20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1818 但但转子转速转子转速n n 恒小于旋转磁场转速（同步转速）。恒小于旋转磁场转速（同步转速）。所以，称为异步电机。所以，称为异步电机。所以，转子与旋转磁场才会永远有切割磁力线的所以，转子与旋转磁场才会永远有切割磁力线的 相对运动，才有感应电动势和感应电流，才会产生相对运动，才有感应电动势和感应电流，才会产生 驱动转子的电磁转矩驱动转子的电磁转矩转子旋转的主要因素。转子旋转的主要因素。我们把转速差我们把转速差(n n0 0-n n)与与同步转速同步转速n n0 0的比值称为异步的比值称为异步 电动机的电动机的转差率转差率，用，用S S表示，即：表示，即：00nnnS 转差率转差率S S是分析异步电动机运行特性的主要参数。是分析异步电动机运行特性的主要参数。通常，通常，异步电动机在额定负载时，异步电动机在额定负载时，n n 接近接近n n0 0，转差率转差率S S 很小，一般为很小，一般为0.0150.0150.0600.060。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件19195.1.3 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场1.1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生 假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子 内圆周的内圆周的6 6个凹槽之中。现将三相绕组的末端个凹槽之中。现将三相绕组的末端X X、Y Y、Z Z相连，首端相连，首端A A、B B、C C接三相交流电源。且三相接三相交流电源。且三相 绕组分别叫做绕组分别叫做A A、B B、C C相绕组。如相绕组。如P.52P.52图图5.75.7所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2020定子绕组与转子绕组定子绕组与转子绕组定子绕组定子绕组转子绕组转子绕组A AZ ZB BX XC CY Y+电流的流入端用电流的流入端用 +表示表示 电流的流出端用电流的流出端用 表示表示20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2121 假定定子绕组中，电流假定定子绕组中，电流 的正方向规定为从各自的正方向规定为从各自 绕组的首端流向末端，绕组的首端流向末端，且将且将A A相绕组的电流作为相绕组的电流作为 参考正弦量。参考正弦量。即即iA A的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三相绕组A A、B B、C C的电流（的电流（相序为相序为ABCABC）的瞬时值为：）的瞬时值为：tIi sinmA)32sin(mB tIi)34sin(mC tIi 图图5.85.8是这些电流随时间是这些电流随时间 变化的曲线。变化的曲线。下面分析这些电流在不同下面分析这些电流在不同 时间产生的合成磁场。时间产生的合成磁场。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2222（1 1）t t=0 =0 时时 iA=0；iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 Y端流到端流到B端；端；iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 C端流到端流到Z端。端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图如图5.95.9（a a）箭头所示。）箭头所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2323（2 2）t t=T T/6/6 时时 iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 A端流到端流到X端端；iB B为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 Y端流到端流到B端；端；iC=0=0。此时的合成磁场如图（此时的合成磁场如图（b b）所示，合成磁场已从）所示，合成磁场已从t t=0=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了瞬间所在位置顺时针方向旋转了 /3/3。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2424（3 3）t t=T T/3/3 时时 iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 A端流到端流到X端端；iB B=0=0；iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 Z端流到端流到C端。端。此时的合成磁场如图（此时的合成磁场如图（c c）所示，合成磁场已从）所示，合成磁场已从t t=0=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了瞬间所在位置顺时针方向旋转了2 2 /3/3。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2525（2 2）t t=T T/2/2 时时 iA=0=0；iB B为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 B端流到端流到Y端；端；iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 Z端流到端流到C端。端。此时的合成磁场如图（此时的合成磁场如图（d d）所示，合成磁场已从）所示，合成磁场已从t t=0=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了瞬间所在位置顺时针方向旋转了 。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2626 按以上分析可证明：当三相电流随时间不断变化时，按以上分析可证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场不断旋转，故称合成磁场不断旋转，故称旋转磁场旋转磁场。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件27272.2.旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 由由P.53P.53图图5.75.7和图和图5.85.8可知，可知，A A 相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前 B B相绕组内的电流相绕组内的电流2 2/3/3，而，而B B相绕组内的电流又超前相绕组内的电流又超前 C C相绕组内的电流相绕组内的电流2 2/3/3，所以旋转磁场的旋转方向，所以旋转磁场的旋转方向 为：为：ABCABC，即顺时针方向旋转，与三相电流的，即顺时针方向旋转，与三相电流的 相序一致。相序一致。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2828 如果将定子绕组的三根电源线中的任意两根线对调，如果将定子绕组的三根电源线中的任意两根线对调，例如，将例如，将B B，C C两根线对调，使两根线对调，使B B相与相与C C相绕组中电流相绕组中电流 的相位对调，如图的相位对调，如图5.105.10所示。所示。此时此时A A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前C C相绕组内的电流相绕组内的电流2 2/3/3，而而C C相绕组内的电流又超前相绕组内的电流又超前B B相绕组内的电流相绕组内的电流2 2/3/3，因此，旋转磁场的旋转方向将变为因此，旋转磁场的旋转方向将变为ACBACB，即与，即与 未对调前的旋转方向相反。未对调前的旋转方向相反。由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组的三根电源导线中的任意两根对调即可。组的三根电源导线中的任意两根对调即可。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件29293.3.旋转磁场的极数与旋转速度旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度 被称为同步速度，用被称为同步速度，用n n0 0表示。表示。fn600 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数 用用p p 表示）即表示）即p=p=1 1。电流变化经过一个周期（变化电流变化经过一个周期（变化360360电角度），旋转电角度），旋转 磁场在空间也旋转了一转（转了磁场在空间也旋转了一转（转了360360机械角度），机械角度），若电流的频率为若电流的频率为f f，旋转磁场每分钟将旋转，旋转磁场每分钟将旋转6060f f 转，转，即：即：20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3030 如果把定子铁心的槽数增加如果把定子铁心的槽数增加1 1倍（倍（1212个槽），制成个槽），制成 如图所示的三相绕组。如图所示的三相绕组。其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相 绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便 产生具有两对磁极的旋转磁场。产生具有两对磁极的旋转磁场。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3131 从图从图5.135.13可以看出，此情况下，电流变化半个周期，可以看出，此情况下，电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了旋转磁场在空间只转过了/2/2，即，即1/41/4转，电流变化转，电流变化 一个周期，旋转磁场在空间只转了一个周期，旋转磁场在空间只转了1/21/2转。转。由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p p=2=2）时，）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。其旋转速度仅为一对磁极时的一半。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3232 依次类推，当有依次类推，当有p p对磁极时，其转速为：对磁极时，其转速为：pfn600 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比 而与磁级对数成反比。而与磁级对数成反比。重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件33335.1.4 5.1.4 定子绕组线端连接方式定子绕组线端连接方式 定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的 接线柱上，一般按图接线柱上，一般按图5.145.14所示的方法排列。所示的方法排列。按照我国电工专业标准规定：按照我国电工专业标准规定：定子绕组出线端的定子绕组出线端的 首端为：首端为：U U1 1、V V1 1、W W1 1，末端为：末端为：U U2 2、V V2 2、W W2 2。三相电动机的定子绕组有三相电动机的定子绕组有 星形（星形（Y Y型）型）和和三角形（形）三角形（形）两种不同的接法。两种不同的接法。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3434在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。A AX XB BY YC CZ ZA AB BC CZ ZX XY YA AX XB BY YC CZ ZA AX XB BY YC CZ ZA AB BC CZ ZX XY Y定子绕组定子绕组星型连接星型连接定子绕组定子绕组三角型连接三角型连接端子端子20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3535 如果电源的线电压如果电源的线电压=电机的额定电压，电机的额定电压，那么那么定子绕组应该接成三角形；定子绕组应该接成三角形；如果电源的线电压如果电源的线电压=电机的额定电压的电机的额定电压的 倍，倍，那么那么定子绕组应该接成星形；定子绕组应该接成星形；3三相绕组的连接方式需视电源的线电压而定三相绕组的连接方式需视电源的线电压而定20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3636 通常电动机的铭牌上标有符号通常电动机的铭牌上标有符号/Y/Y和数字和数字220/380 220/380，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同 接法应加的线电压值。接法应加的线电压值。例例 电源线电压为电源线电压为380V380V，现有两台电动机，其铭牌，现有两台电动机，其铭牌 数据如下，试选择定子绕组的连接方式。数据如下，试选择定子绕组的连接方式。（1 1）J32-4J32-4，功率，功率1.0kW1.0kW，连接方法，连接方法/Y/Y，电压，电压 220/220/380V380V，电流，电流4.25/2.45A4.25/2.45A，转速，转速1420 r/min1420 r/min，功率因数功率因数0.790.79；（2 2）J02-21-4J02-21-4，功率，功率1.1kW1.1kW，连接方法，连接方法，电压，电压 380V380V，电流，电流6.27A6.27A，转速，转速1410 r/min1410 r/min，功率因数功率因数0.790.79。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3737解解：J32-4 J32-4 电动机接星形（电动机接星形（Y Y），如图），如图5.17(a)5.17(a)所示；所示；J02-21-4 J02-21-4电动机接成三角形（电动机接成三角形（），如图），如图(b)(b)所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件38385.2 5.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的定子电路和转子电路5.2.1 5.2.1 定子电路的分析定子电路的分析 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子 绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是 短接的）相当于副绕组。短接的）相当于副绕组。当当定子绕组接上三相电源电压（相电压为定子绕组接上三相电源电压（相电压为u u1 1）时，）时，则有三相电流通过（相电流为则有三相电流通过（相电流为i i1 1），），定子三相电流产生旋转磁场，定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而其磁力线通过定子和转子铁心而 闭合，这磁场不仅在转子每相闭合，这磁场不仅在转子每相 绕组中要感应出电动势绕组中要感应出电动势e e2 2，而且，而且 在定子每相绕组中也要感应出在定子每相绕组中也要感应出 电动势电动势e e1 1。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3939 设定子和转子每相绕组的匝数分别为设定子和转子每相绕组的匝数分别为N N1 1和和N N2 2，图，图 5.19 5.19所示是三相异步电动机的一相电路图。所示是三相异步电动机的一相电路图。旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的 分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转 时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦 规律变化的，即：规律变化的，即：t sinm 其中其中，m m是通过每相绕组磁通的最大值。是通过每相绕组磁通的最大值。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4040 定子每相绕组中产生的定子每相绕组中产生的感应电动势感应电动势为：为：tNedd11 它也是正弦量，其有效值为：它也是正弦量，其有效值为：1111444444fN.Nf.E 式中，式中，f f1 1为为e e1 1的频率。的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为因为旋转磁场和定子间的相对转速为n n0 0，所以有所以有 6001pnf 它等于定子电流的频率，即它等于定子电流的频率，即 。ff 1 定子每相绕组中还要产生定子每相绕组中还要产生漏磁电动势：漏磁电动势：tiLedd1L1L1 重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4141 加在定子每相绕组上的电压分为三个分量，即：加在定子每相绕组上的电压分为三个分量，即：)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL 如用复数表示，则为：如用复数表示，则为：)(j)()(1111111111EXIRIEERIUL 式中，式中，和和 为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗，为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗，1R1XL111 2LfX 由于由于R R1 1和和X X1 1较小，其上电压降与电动势较小，其上电压降与电动势E E1 1比较起来，比较起来，常可忽略，于是：常可忽略，于是：EU111EU 20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件42425.2.2 5.2.2 转子电路的分析转子电路的分析 在讨论电机转矩之前，必须弄清转子电路中的各项在讨论电机转矩之前，必须弄清转子电路中的各项 物理量：电动势物理量：电动势e2 2、转子电流、转子电流i2 2、转子电流频率、转子电流频率f2 2、转子电路的功率因数转子电路的功率因数coscos2 2、转子绕组的感抗、转子绕组的感抗X X2 2。旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为：旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为：tNedd22 其有效值为其有效值为 ：2222444444SfN.Nf.E 式中，式中，f f2 2为转子电动势为转子电动势e e2 2或转子电流或转子电流i i2 2相对于旋转相对于旋转 磁场的频率。磁场的频率。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4343 因为旋转磁场和转子间的相对转速为因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n n0 0-n n。1000026060Sfpnnnn)nn(pf 在在 n n=0=0，即，即S S=1=1时，转子电动势为：时，转子电动势为：2120444Nf.E 为转子最大电动势。为转子最大电动势。202SEE 可见转子电动势可见转子电动势E E2 2 与转差率与转差率S S 有关。有关。重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4444 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而 在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。tiLedd2L2L2 因此，对于转子每相电路，有因此，对于转子每相电路，有 ：tiLRieRiedd)(2L222L2222 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 ：22222222j)(XIRIERIEL 式中，式中，R R2 2和和X X2 2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 。L21L22222LSfLfX 20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4545 在在n n=0=0，即，即S S=1=1 时，转子感抗为：时，转子感抗为：L21202LfX 为转子最大感抗。为转子最大感抗。202SXX 可见转子感抗可见转子感抗E E2 2 与转差率与转差率S S 有关。有关。转子每相电路的电流为：转子每相电路的电流为：2202220222222)SX(RSEXREI 可见可见转子电流转子电流I I2 2 也与转差率也与转差率S S 有关有关。当。当S S 增大，增大，即转速即转速n n 降低时，转子与旋转磁场间的相对转速降低时，转子与旋转磁场间的相对转速 增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是 E E2 2 增加，增加，I I2 2 也增加。也增加。重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4646 转子电流转子电流I I2 2 随转差率随转差率S S 的变化关系如图的变化关系如图5.205.20所示。所示。当当S S=0=0，即，即n n0 0-n=0-n=0，I I2 2=0=0；当当S S 很小时，很小时，即与即与S S近似地成正比；近似地成正比；202SXR 2202RSEI 当当S S 接近于接近于1 1时，时，为常数。为常数。202SXR 20202XEI 20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4747 由于转子有漏磁通由于转子有漏磁通L2L2，相应的感抗为，相应的感抗为X X2 2。因此，因此，I I2 2比比E E2 2滞后滞后2角，角，因而转子电路的功率因数为：因而转子电路的功率因数为：220222222222)(cosSXRRXRR 它也与转差率它也与转差率S S有关。有关。1cos2 当当S S很小时，很小时，；当当S S增大时，增大时，X2X2也增大，于是也增大，于是coscos 2 减小；减小；当当S S接近于接近于1 1时，时，coscos 2 R2/X20。可见电动势、电流、频率、感抗及功率因数都可见电动势、电流、频率、感抗及功率因数都与转速有关。与转速有关。重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4848 自学和。自学和。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件49495.3 5.3 三相异步电机的转矩与机械特性三相异步电机的转矩与机械特性5.3.1 5.3.1 三相异步电机的转矩三相异步电机的转矩 三相异步电机的转矩是由旋转磁场的每极磁通三相异步电机的转矩是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流与转子电流I2 2 相互作用而产生的。相互作用而产生的。其计算公式为：其计算公式为：22cos IKTt 该计算公式的另一表达式为：该计算公式的另一表达式为：220222222022212)()(SXRUSRKSXRUSRKT 其中，其中，Kt与电机结构有关的常数；与电机结构有关的常数；I2转子电流；转子电流；每极磁通；每极磁通；2I2比比E2滞后角；滞后角；R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻；U1定子绕组相电压；定子绕组相电压；U电源电压；电源电压；X20电机不动时转子每相绕组的感抗；电机不动时转子每相绕组的感抗；K与电机结构、电源频率有关的常数。与电机结构、电源频率有关的常数。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件50505.3.2 5.3.2 三相异步电机的机械特性三相异步电机的机械特性1 1、固有机械特性、固有机械特性 异步电动机在异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的额定电压和额定频率下，用规定的 接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或 电抗时的机械特性电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。称为固有（自然）机械特性。根据公式根据公式2202222)SX(RUSRT 00nnnS 得三相异步电动机的得三相异步电动机的 固有机械特性曲线固有机械特性曲线 如图如图5.235.23所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5151 从特性曲线上可以看出，其上有从特性曲线上可以看出，其上有 四个特殊点四个特殊点可以决定特性曲线的可以决定特性曲线的 基本形状和异步电动机的运行基本形状和异步电动机的运行 性能，这四个特殊点是：性能，这四个特殊点是：(1)T=0(1)T=0，n=nn=n0 0(S=0)(S=0)时，时，电动机处于电动机处于理想空载工作点理想空载工作点，此时电动机的转速为，此时电动机的转速为理想空载转速理想空载转速即同步转速。即同步转速。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5252(2)T=T(2)T=TN N，n=nn=nN N(S=S(S=SN N)时，时，这时，电动机处于这时，电动机处于额定工作点额定工作点。其额定转矩和额定转差率为其额定转矩和额定转差率为 ：NnPTNN55.9 0N0NnnnS 式中：式中：PN电机的额定功率；电机的额定功率；nN电机的额定转速，一般电机的额定转速，一般nN=(0.940.958)N0；SN电机的额定转差率，一般电机的额定转差率，一般SN=0.060.015；TN电机的额定转矩。电机的额定转矩。重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5353(3)T=T(3)T=Tstst，n=0(S=1)n=0(S=1)时，时，电动机处于电动机处于启动工作点启动工作点。将将S=1 1代入转矩公式中，可得：代入转矩公式中，可得：2202222stXRURKT 可见，异步电动机的启动转矩可见，异步电动机的启动转矩Tst与与U、R2及及X20有关。有关。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件54542202222stXRURKT 当施加在定子每相绕组上的电压降低当施加在定子每相绕组上的电压降低 时，启动转矩会明显减小；时，启动转矩会明显减小；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。通常把在固有机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩与额定转矩TN 之比之比 st=Tst/TN 作为衡量作为衡量异步电动机启动能力异步电动机启动能力的一个的一个 重要数据。一般：重要数据。一般：2.10.1st 重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5555(4)T=T(4)T=Tmaxmax，n=nn=nm m(S=S(S=Sm m)时，时，电机处于电机处于临界工作点临界工作点。欲求转矩的最大值，可令欲求转矩的最大值，可令0 dndT得临界转差率：得临界转差率：202m/XRS 再将再将Sm代入转矩公式中，即可得：代入转矩公式中，即可得：202max2XUKT 上式表明，上式表明，T Tmaxmax对电压的波动很敏感。对电压的波动很敏感。电源电压过低会引起输出转矩明显下降，电源电压过低会引起输出转矩明显下降，甚至低于负载转矩而造成电机停转。甚至低于负载转矩而造成电机停转。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5656 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩 之比之比 称为称为电动机的过载能力系数电动机的过载能力系数。Nmaxm/TT 它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。是电动机的又一个重要运行参数。鼠笼式异步电动机：鼠笼式异步电动机：2.28.1m 线绕式异步电动机：线绕式异步电动机：8.25.2m 重点重点20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件57572 2、人为机械特性、人为机械特性 由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机 的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关。的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关。改变改变定子电压定子电压U、定子电源频率定子电源频率f、定子电路串入定子电路串入 电阻或电抗电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗转子电路串入电阻或电抗等，都可等，都可 得到异步电动机的人为机械特性。得到异步电动机的人为机械特性。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5858（1 1）降低电动机电源电压时的人为特性）降低电动机电源电压时的人为特性 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn n0不变；不变；Sm不变；不变；Tmax随着电压的减小而大大地减小；随着电压的减小而大大地减小；Tst随着电压的减小而大大地减小。随着电压的减小而大大地减小。改变电源电压后的人为特性如图改变电源电压后的人为特性如图5.245.24所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5959 如当定子绕组外加电压为如当定子绕组外加电压为UN、0.8UN、0.5UN时，时，转子输出最大转矩分别为转子输出最大转矩分别为Ta=Tmax、Tb=0.64Tmax和和 Tc=0.25Tmax。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6060 可见，异步电动机对电网电压的波动非常敏感，可见，异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载降低它的过载 能力与启动转矩能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载，甚至使电动机发生带不动负载 或者根本不能启动的现象。或者根本不能启动的现象。例如，电动机运行在额定负载例如，电动机运行在额定负载T TN N下，即使下，即使 m m=2=2，若电网电压下降到若电网电压下降到70%70%U UN N，则由于这时，则由于这时，NN22NNmmax98.07.02TTUUTT 电机也会停转！电机也会停转！此外，电网电压下降此外，电网电压下降 ，在负载不变的条件下，将使电机，在负载不变的条件下，将使电机 转速下降，转差率转速下降，转差率S S 增大，电流增加，引起电动机发热增大，电流增加，引起电动机发热 甚至烧坏。甚至烧坏。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6161（2 2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性 在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机电动机 端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的 压降压降，致使定子绕组相电压降低，致使定子绕组相电压降低,这种情况下的人为这种情况下的人为 机械特性与降低电源电压时的相似，如图机械特性与降低电源电压时的相似，如图5.255.25所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6262 图中，实线图中，实线1 1为降低电源电压为降低电源电压 后的人为机械特性曲线；后的人为机械特性曲线；虚线虚线2 2为定子电路串入电阻为定子电路串入电阻R R1S1S 或电抗或电抗X X1s1s后的人为机械特性；后的人为机械特性；从图中可以看出，串入电阻从图中可以看出，串入电阻R R1S1S 或电抗或电抗X X1s1s后的最大转矩比直接后的最大转矩比直接 降低电源电压时的最大转矩大。降低电源电压时的最大转矩大。这是因为，随着转速的上升和这是因为，随着转速的上升和 启动电流的减小，电阻启动电流的减小，电阻R R1S1S 或电抗或电抗X X1s1s上的压降减小，加到电机定子绕组上的上的压降减小，加到电机定子绕组上的 端电压自动增大，而直接降低电源电压的人为机械端电压自动增大，而直接降低电源电压的人为机械 特性在整个启动过程中，定子绕组的端电压恒定特性在整个启动过程中，定子绕组的端电压恒定 不变，所以，此类最大转矩较大些。不变，所以，此类最大转矩较大些。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6363（3 3）改变定子电源频率时的人为特性）改变定子电源频率时的人为特性 fKfXTTXRURKTXUKTnnnXRSpfn1,26020Nmax2202222st202max0m0202m0注意到：注意到：一般变频调速采用恒转矩调速，一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使电压也要作相应的变化，使U/f=C，这在实质上是使电机，这在实质上是使电机气隙磁通保持不变。气隙磁通保持不变。fn 0fS/1m fT/1st 不不变变maxT因此，改变电源频率因此，改变电源频率后的机械特性后的机械特性如图如图5.265.26所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6464（4 4）转子电路串电阻时的人为特性）转子电路串电阻时的人为特性 在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后，在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后，转子电路中的电阻为：转子电路中的电阻为：见图见图5.27(a)5.27(a)。2r2RR 20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6565 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn n0不变；不变；Tmax不变；不变；Sm随着串接电阻的增加而增大。随着串接电阻的增加而增大。此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图如图5.27(b)5.27(b)所示。所示。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件66665.4 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要 要求如下：要求如下：有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的即要求电动机的启动转矩大于负载转矩启动转矩大于负载转矩，否则，否则 电动机不能启动。电动机不能启动。在满足启动转矩要求的前提下，在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好启动电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身因为过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身 都是不利的。都是不利的。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6767 要求启动平滑要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小，即要求启动时加速平滑，以减小 对生产机械的冲击。对生产机械的冲击。启动设备安全可靠启动设备安全可靠，力求，力求结构简单结构简单，操作方便操作方便。启动过程中的功率损耗越小越好。启动过程中的功率损耗越小越好。其中，其中，“足够大的启动转矩足够大的启动转矩”和和“启动电流越小启动电流越小 越好越好”是衡量电机启动性能的主要技术指标。是衡量电机启动性能的主要技术指标。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6868 异步电动机本身的启动特性为：异步电动机本身的启动特性为：异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电动势和转子电流，从而引起很大的很大的转子电动势和转子电流，从而引起很大的定子电流，一般可达额定电流的定子电流，一般可达额定电流的5 57 7倍。倍。a.定子电流大，定子电流大，Ist=(57)IN。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6969b.启动转矩小，启动转矩小，Tst=(0.81.5)TN。启动时启动时S=1=1，转子功率因数，转子功率因数 很低，很低，2202222XRRcos 因而启动转矩因而启动转矩 却不大。却不大。ststmstcosIKT22 20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7070 异步电动机的固有启动特性如图所示：异步电动机的固有启动特性如图所示：显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的 要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根据要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根据 具体情况，采取不同的启动方法。具体情况，采取不同的启动方法。20232023年年1 1月月2424日星期二日星期二武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传