交流电动机的工作原理与特性课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电机拖动技术基础,总学时：,40,理论学时：,36,实验学时：,4,周学时：,4,主讲：王伟,1,电机拖动技术基础总学时： 40 主讲：王伟1,第五章：交流电动机的工作原理及特性,本章要求：,1、,了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。,2、,掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速和制动的各种方法、特点及应用。,3,、掌握单相电动机的工作原理和启动方法。,4,、了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。,2,第五章：交流电动机的工作原理及特性本章要求：1、了解异步电动,常用的交流电动机有三相异步电动机,(,或称感应电动机,),和同步电动机。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，因此，它是工业中使用得最为广泛的一种电动机，同步电机既可作发电机使用，也可作电动机使用。,本章主要介绍三相异步电动机的工作原理，启动、制动、调速的特性和方法。,3,常用的交流电动机有三相异步电动机(或称感应电动机)和同步电,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,一、 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，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。如图,4.1,所示。,4,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理一、 三相异步电动,1, 定子,定子由定子铁心、绕组以及机座组成。,定子铁心是磁路的一部分，它由,0.5mm,的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图,4.2,所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。,定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用,AX,、,BY,、,CZ,表示，其中，,A,、,B,、,C,称为首端，而,X,、,Y,、,Z,称为末端。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流在定子铁心中产生旋转磁场。,机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。,5,1 定子5,2, 转子：转子由铁心与绕组组成。,转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图,4.2,所示。,异步电动机转子绕组多采用鼠笼式和线绕式两种形式。因此异步电动机按绕组形式的不同分为鼠笼式异步电动机和线绕式异步电动机两种。线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。,鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图,4.3,（）所示，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成，如图,4.4,所示。这不仅是以铝代铜，而且制造也快。,6,2 转子：转子由铁心与绕组组成。鼠笼式异步电动机转子绕组是,线绕式异步电动机转子绕组是由线圈组成绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，如图,4.5,所示。,7,线绕式异步电动机转子绕组是由线圈组成绕组放入转子铁心槽内，并,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,下面是它主要部件的拆分图。,8,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。下面,二、三相异步电动机的旋转磁场,由上可知，要使异步电动机转动起来，必须要有一个旋转磁场。异步电动机的旋转磁场是怎样产生的呢,?,它的旋转方向和旋转速度是怎样确定的呢,?,现在分别加以说明。,1,、旋转磁场的产生,当电动机定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流都会产生自己的磁场。由于电流随时间变化，它们产生的磁场也将随时间变化，而三相电流产生的总磁场,(,合成磁场,),不仅随时间变化，而且是在空间旋转的，故称旋转磁场。,为了简便起见，假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的,6,个凹槽之中。现将三相绕组的末端,X,、,Y,、,Z,相连，首端,A,、,B,、,C,接三相交流电源。且三相绕组分别叫做,A,、,B,、,C,相绕组。如图,4.6,所示。,9,二、三相异步电动机的旋转磁场 由上可知，要使异步电动机转动起,假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且,A,相绕组的电流,iA,作为参考正弦量，即,iA,的初相位为零，则三相绕组,A,、,B,、,C,的电流（相序为,ABC,）的瞬时值为：,图,4.7,所示是这些电流随时间变化的曲线。,10,假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A 相绕组,下面分析不同时间的合成磁场。,1).,t,= 0,时：,i,A = 0,；,i,B,为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从,Y,端流到,B,端；,i,C,为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从,C,端流到,Z,端。,按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图,4.8,（,a,）箭头所示。,11,下面分析不同时间的合成磁场。11,2).t =T/6,时：,iA,为正，电流从,A,端流到,X,端；,iB,为负，电流从,Y,端流到,B,端；,iC = 0,。,此时的合成磁场如图,4.8,（,b,）所示，合成磁场已从,t = 0,瞬间所在位置顺时针方向旋转了,/ 3,。,3).t = T/3,时：,iA,为正，电流从,A,端流到,X,端；,iB = 0,；,iC,为负，电流从,Z,端流到,A,端。,此时的合成磁场如图,4.8(c),所示，合成磁场已从,t = 0,瞬间所在位置顺时针方向旋转了,2 / 3,。,4).t = T /2,：,iA = 0,；,iB,为正，电流从,B,端流到,Y,端；,iC,为负，电流从,Z,端流到,A,端。,此时的合成磁场如图,4.8(d),所示。合成磁场从,t = 0,瞬间所在位置顺时针方向旋转了,。,按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。,12,2).t =T/6 时：12,2,旋转磁场的旋转方向,从图,4.6,和图,4.7,可见，,A,相绕组内的电流超前,B,相绕组内的电流,2 / 3,，而,B,相绕组内的电流又超前,C,相绕组内的电流,2 / 3,，同时图,4.8,中所示旋转磁场的旋转方向为从,ABC,，即向顺时针方向旋转。,如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调，例如，将,B,，,C,两根线对调，使,B,相与,C,相绕组中电流的相位对调，如图,4.9,所示，此时,A,相绕组内的电流超前,C,相绕组内的电流,2 / 3,，而,C,相绕组内的电流又超前,B,相绕组内的电流,2 / 3,，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为,ACB,，即向逆时针方向旋转，如图,4.10,所示，即与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，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。,13,2旋转磁场的旋转方向13,3, 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被称为同步速度，用,n,0,表示。,以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用,p,表示）即,p,= 1,。从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化,360,0,电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了,360,0,机械角度），若电流的频率为,f,，旋转磁场每分钟将旋转,60,f,转，即：,如果把定子铁心的槽数增加,1,倍（,12,个槽），制成如图,4.11,所示的三相绕组，其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流（图,4.7,），便产生具有两对磁极的旋转磁场。,14,3 旋转磁场的极数与旋转速度如果把定子铁心的槽数增加1 倍,从图,4.12,可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了, / 2,，即,1/4,转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了,1/2,转。,由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（,p,= 2,）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半，即每分钟,60,f,/,p,转。依次类推，当有,p,对磁极时，其转速为：,所以，旋转磁场的旋转速度,n,0,与电流的频率成正比而与磁级对数成反比，因为标准工业频率（即电流频率）为,50Hz,，因此，对应于,p,= 1,、,2,、,3,、,4,时，同步转速分别为,3000r/min,、,1500 r/min,、,1000 r/min,和,750 r/min,。,15,从图4.12 可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不,三相异步电动机的,工作原理，,是基于定子旋转磁场,(,定子绕组内三相电流所产生的合成磁场,),和转子电流,(,转子绕组内的电流,),的相互作用。,三、三相异步电动机的基本工作原理,如图,5,6(a),所示，当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组内相通过对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，该磁场沿定于内圆周方向旋转。图,5,6(b),所示为具有一对磁极的旋转磁场，我们拟想磁极位于定子铁心内画有阴影线的部分。,16,三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转磁场(定子绕组内三相,当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电势,e,2,、假设旋转磁场向顺时针方向旋转，则相当于转于导体向逆时针方向旋转切割磁通根据右手定则，在,N,极面下转于导体中感应电势的方向系由图而指向读者而在,s,极面下转于导体中感应电势方向则由读者指向图面。,由于电势,e,2,的存在，转子绕组中将产生转子电流,i2,。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力,F(,其方向由左手定则决定，这里假设,i2,和,e2,同相，该力在转子的轴上形成电磁转矩且转矩的作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩作用，便按旋转磁场的旋转方向旋转起来。但是，转子的旋转速度,n(,即电动机的转速,),恒比旋转磁场的旋转速度,(,称为同步转速,),小，因为如果两种转速相等，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁通，便不能感应电势,e2,和产生电流,i2,，也就没有电磁转矩，转子就不会继续旋转。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转于旋转的主要因素。,17,当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电势e2、假设,由于转子转速不等于同步转速，所以把这种电动机称为异步电动机，而把转速差,(n0-n,）与同步转速,n0,的比值称为异步电动机的转差率，用,S,表示，即,转差率,是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,当转子旋转时，如果在轴上加有机械负载，则电动机输出机械能。从物理本质上分析，异步电动机的运行和变压器相似，即电能从电源输入定子绕组,(,原绕组,),，通过电磁感应的形式以旋转磁场作媒介。传送到转子绕组,(,副绕组,),，而转子中的电能通过电磁力的作用变换成机械能输出。由于在这种电动机中、转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象，所以异步电动机又称为,感应电动机,。,通常异步电动机在额定负载时，,S,接近于,0,，转差率很小，约为,0.015,一,0.060,18,由于转子转速不等于同步转速，所以把这种电动机称为异步电动机，,三相电机的定子绕组每相都由许多线圈,(,或称绕组元件,),所组成。,1,两种接法,定子绕组的首端和末端通常都接在大电动机的接线盒的接线柱上，一般按图,4.14,所示的方法排列。按照我国电工专业标准规定，定子绕组出线端的首端为,D1,、,D2,、,D3,，末端为,D4,、,D5,、,D6,。,四、,定子绕组线端连接方式,三相电动机的定子绕组有星形（,Y,型）和三角形（形）两种不同的接法，如图,4.15,所示。,19,三相电机的定子绕组每相都由许多线圈(或称绕组元件)所组成。,2,线电压与相电压,线电压：两相绕组首端之间的电压，用,U,1,表示；,相电压：一相绕组首、尾之间的电压，用,U,相,表示。,对于星形接法， ；对于三角形接法，,。,3,线电流与相电流,线电流：电网的供电电流，用,I,1,表示；,相电流：每相绕组的电流，用,I,相,表示。,对于星形接法， 相,I,1 =,I,；对于三角形接法， 。,4, 电动机的输入功率,20,2线电压与相电压20,5.,额定参数,电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。使用电动机时，必须看懂铭牌。,（,1,）额定功率,P,N,：在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。,P,N =N,P,1N,输出功率的一般表达式为：,P,2 =,P,1,其中：,为效率；,P,1,为输入功率,P,2,为输出功率,21,5. 额定参数电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动,（,2,）额定电压,U,N,：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。如标有两种电压值（例如,220/380V,），这表明定子绕组采用, /Y,连接时应加的线电压值。即：,三角形接法时，定子绕组应接,220V,的电源电压,星形接法时，定子绕组应接,380,的电源电压。,（,3,）额定频率,f,：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（,f,= 50 Hz,）。,（,4,）额定电流,I,N,：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。,如标有两种电流值（例如,10.35/5.9A,），则对应于定子绕组为, /Y,连接的线电流值。,三角形接法时，定子绕组应接,10.35A,的电源电压,星形接法时，定子绕组应接,5.9A,的电源电压。,（,5,）额定转速,n,N,：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。与此转速相对应的转差率称为额定转差率,S,N,。,22,（2）额定电压UN ：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电,一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下。,（,1,）额定功率因数,cos,N,：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。,（,2,）额定效率,N,：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为,（,3,）额定负载转矩,T,N,：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。,（,4,）线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。,通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。,23,一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下。（3）额定负载转矩T,6,、定子绕组连线方法的选用,定子三相绕组的连接方式（,Y,形或,形）的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成三角形；如果电源的线电压是电动机额定相电压的,倍，那么，电动机的绕组就应该接成星形。,三角形接法时，定子绕组应接,220V,的电源电压,星形接法时，定子绕组应接,380,的电源电压。,（如标有两种电流值（例如,10.35/5.9A,），则对应于定子绕组为, /Y,连接的线电流值。,三角形接法时，定子绕组应接,10.35A,的电源电压,星形接法时，定子绕组应接,5.9A,的电源电压。,24,6、定子绕组连线方法的选用定子三相绕组的连接方式（Y 形或,例,5.1,电源线电压为,380V,，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。,1. Y90S-4,，功率,1.1kW,，电压,220/380V,，连接方法,/Y,，电流,4.67/2.7A,，转速,1400 r/min,，功率因数,0.79,。,2. JY112M-4,，功率,4.0kW,，电压,380V/660V,，连接方法,/Y,，电流,8.8A/5.1A,，转速,1440 r/min,，功率因数,0.82,。,解：,Y90S-4,电动机应接星形（,Y,），如图,4.16(a),所示。,JY112M-4,电动机应接成三角形（,），如图,4.16 (b),所示,25,例5.1 电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如,一、三相异步电动机的定子电路,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（一般是短接的）相当于副绕组。当定子绕组接上三相电源电压（相电压为,u,1,）时，则有三相电流通过（相电流为,i,1,），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闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势,e,2,，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势,e,1,（实际上三相异步电动机中的旋转磁场是由定子电流和转子电流共同产生的），如图,4.17,所示。,5,2,三相异步电动机的定子电路和转子电路,26,一、三相异步电动机的定子电路52 三相异步电动机的定子电路,设定子和转子每相绕组的匝数分别为,N,1,和,N,2,，图,4.18,所示电路图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规律变化的，即, = m sin,t,，,其中，, m,是通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通,，即为空气隙中磁感应强度的平均值与每极面积的乘积。,定子每相绕组中产生的感应电动势为：,它也是正弦量，其有效值为：,式中，,f,1,为,e,1,的频率。,因为旋转磁场和定子间的相对转速为,n,0,，所以，,定子每相绕组中产生的感应电动势频率,为,它等于定子电流的频率，即,f,1 =,f,。,27,设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2 ，图4.18 所,定子电流除产生旋转磁通（主磁通）外，还产生漏磁通,L1,，这漏磁通只围绕定子绕组的一相，而与其他相及转子绕组不相连。因此，在定子每相绕组中还要产生漏磁电动势,和变压器原绕组的情况一样，加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即,如用复数表示，则为,式中，,R,1,和,X,1 (,X,1 = 2,f,1,L,L1,),为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。,由于,R,1,和,X,1,（或漏磁通, L1,）较小，其上电压降与电动势,E,1,比较起来，常可忽略，于是,28,定子电流除产生旋转磁通（主磁通）外，还产生漏磁通和变压器原绕,二、三相异步电动机的转子电路,如前所述,异步电动机之所以能转动，是因为定子接上电源后，在转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，而这电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩之故。因此，在讨论电动机的转矩之前，必须先弄清楚转子电路中的各个物理量,转子电动势,e,2,、转子电流,i,2,、转子电流频率,f,2,、转子电路的功率因数,cos 2,、转子绕组的感抗,X,2,以及它们之间的相互关系。,旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为,其有效值为,式中，,f,2,为转子电动势,e,2,或转子电流,i,2,相对于旋转磁场的频率,29,二、三相异步电动机的转子电路如前所述,异步电动机之所以能转动,可见转子频率,f,2,与转差率,S,有关，也就是与转速,n,有关。,在,n,= 0,，即,S,= 1,（电动机开始启动瞬间）时，转子与旋转磁场间的相对转速最大，转子导体被旋转磁力线切割得最快，所以这时,f,2,最高，即,f,2 =,f,1,。异步电动机在额定负载时，,S,= 1.5% 6%,，则,f,2 = (0.75 3) Hz (,f,1 = 50 Hz),。,因为旋转磁场和转子间的相对转速为,(,n,0 ,n,),，所以,在,n,= 0,，即,S,= 1,时，转子电动势为,E,20,= 4.44,f,1,N,2,这时，,f,2,=,f,1,，转子电动势最大。而,E,2,=,SE,20,可见转子电动势,E,2,与转差率,S,有关。,30,可见转子频率f2 与转差率S 有关，也就是与转速n 有关。因,因此，对于转子每相电路，有,如用复数表示，则为,式中，,R,2,和,X,2 ,转子每相绕组的电阻和漏磁感抗。,X,2,与转子频率,f,2,有关,，即,在,n,= 0,，即,S,= 1,时，转子感抗为,这时,f,2 =,f,1,，转子感抗最大。而,可见转子感抗,X,2,与转差率有关。,转子每相电路的电流为,在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势,31,因此，对于转子每相电路，有如用复数表示，则为式中， R2 和,即转子电流,I,2,也与转差率,S,有关。当,S,增大，即转速,n,降低时，转子与旋转磁场间的相对转速,(,n,0 ,n,),增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是,E,2,增加，,I,2,也增加。,当,S,= 0,，即,n,0 ,n,= 0,时，,I,2 = 0,；当,S,很小时，,R,2,SX,20,即与,S,近似成正比；当,S,接近,1,时，,SX,20 ,R,2,，,32,即转子电流I2 也与转差率S 有关。当S 增大，即转速n 降,由于转子有漏磁通,L2,，相应的感抗为,X,2,，因此，,I,2,比,E,2,滞后, 2,角，因而,转子电路的功率因数为,它也与转差率,S,有关。,当,S,很小时，,R,2 ,SX,20,，,cos 2 1,；当,S,增大时，,X,2,增大，,cos 2,减小；当接近,1,时，,I,2,、,cos 2,随,S,的变化关系可用图,4.19,所示的曲线表示。,由上可知，转子电路的各个物理量，如电动势、电流、频率、感抗及功率因数等都与转差率有关，亦即与转速有关。,33,由于转子有漏磁通 L2 ，相应的感抗为X 2 ，因此， I,34,34,5,2,4,三相异步电动机的能流图,三相异步电动机的功率和损耗可用图,5.21,所示的能流图来说明。,从电源输送到定子电路的电功率,式中，,U1,、,I1,和,cos,1,定子绕组的线电压、线电流和功率因数。,P1,为异步电动机的输入功率，其中，除去定子绕组的铜损,Pcu1,和定子铁心的铁损,Pfe1,外，剩下的这部分电功率,Pe,，借助于旋转磁场从定子电路传递到转子电路，这部分功率称为电磁功率。,从电磁功率中减去转子绕组的铜损,Pcu1,(,转于铁损忽略不计，因为转子铁心中交变磁化的频率,f2,是很低的,),后剩下的即转换为电动机的机械功率,Pm,。,35,524 三相异步电动机的能流图三相异步电动机的功率和损,在机械功率中减去机械损失功率,Pm,后，即为电动机的输出,(,机械,),功率,P2,，异步电动机的铭脾上所标的就是,P2,的额定值。,输出功率与输入功率的比值，称为电动机的效率，即,式中，,P,电动机的总功率损失。,电动机在轻载时效率很低，随着负载的增大，效率逐渐增高，通常在接近额定负载时，效率达到最高值。一般异步电动机在额定负载时的效率为,0.7,一,0.9,。容量愈大，其效率也愈高。,若将,Pcu1,和,Pm,忽略不计，则,式中，,T,电动机的电磁转矩；,T2,电动机轴上的输出转矩，且,电动机的额定转矩则可由铝牌上所标的额定功率和额定转速根据式,(5.24),求得,36,在机械功率中减去机械损失功率Pm后，即为电动机的输出(机,37,37,5.3.1,三相异步电动机的转矩,电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要特性。,三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通,与转子电流,I,2,相互作用而产生的,它与,和,I,2,的乘积成正比，还与转子电路的功率因数,cos 2,有关，图,4.20,所示反映了,cos 2,对转矩的影响。,5.3,三相异步电动机的转矩与机械特性,38,5.3.1 三相异步电动机的转矩5.3三相异步电动机的转矩与,图,4.20(a),所示的是假设转子感抗与其电阻相比可以忽略不计，即,cos 2 = 1,的情况，在图中旋转磁场用虚线所示的磁极表示，根据右手定则不难确定转子导体中感应电动势,E,2,的方向（用外层记号表示）。因为，在这种情况下，,I,2,与,E,2,同相，所以，,I,2,的方向（用内层的记号表示）与,E,2,的方向一致，再应用左手定则确定转子各导体受力的方向，由图可见在,cos 2 = 1,的情况下，所有作用于转子导体的力将产生同一方向的转矩。,39,图4.20(a)所示的是假设转子感抗与其电阻相比可以忽略不计,图,4.20(c),所示的是实际情况，电流,I,2,比电动势,E,2,滞后, 2,角,即,cos 2 1,的情况，这样，各导体受力的方向不尽相同，在同样的电流和旋转磁通之下，产生的转矩较,cos 2 = 1,时为小。由此可以得出,图,4.20(b),所示是假设转子电阻与其感抗相比可以忽略不计，即,cos 2 = 0,的情况，这时,I,2,比,E,2,滞后,90,0,。由图可见，在这种情况下，作用于转子各导体的力正好互相抵消，转矩为零。,因为,40,图4.20(c)所示的是实际情况，电流I 2 比电动势E2,所以转矩的另一个表示式为：,式中，,K,与电动机结构参数、电源频率有关的常数；,U,1,、,U,定子绕组电压，电源电压；,R,2 ,转子每相绕组的电阻；,X,20 ,电动机不动（,n,= 0,）时转子每相绕组的感抗。,41,所以转矩的另一个表示式为：式中， K 与电动机结构参数、,在异步电动机中，转速,n,= (1,S,),n,0,，为了符合习惯画法，可将,T,S,曲线换成转速与转矩之间的关系,n,T,曲线，即,n,=,f,(,T,),称为异步电动机的机械特性。它有固有机械特性和人为机械特性之分。,异步电动机在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接任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。,根据,1,固有机械特性,可得到三相异步电动机的固有机械特性曲线如图,4.21,所示。,5.3.2,三相异步电动机的机械特性,42,在异步电动机中，转速n = (1 S)n0 ，为了符合习惯,从特性曲线上可以看出，四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：,(1),理想空载工作点：,T,= 0,，,n,=,n,0,，,S,= 0,，此时电动机的转速为理想空载转速,n,0,。,(2),额定工作点：,T,=,T,N,，,n,=,n,N,，,S,=,S,N,，此时额定转矩和额定转差率为,式中，,P,N ,电动机的额定功率；,n,N ,电动机的额定转速，一般,n,N = (0.94 0.985),n,0,；,S,N ,电动机的额定转差率，一般,S,N = 0.06 0.015,；,T,N ,电动机的额定输出转矩。,43,从特性曲线上可以看出，四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和,（,3,）启动工作点：,T,=,T,st,，,n,= 0,，,S,= 1,。将,S,= 1,代入转矩公式中，可得,可见，异步电动机的启动转矩,T,st,与,U,、,R,2,及,X,20,有关，当施加在定子每相绕组上的电压,U,降低时，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；而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小，这是我们所不需要的。,通常把在固有机械特性上启动转矩与额定转矩之比,称为电动机的启动能力系数。它表征了电动机启动能力的大小。一般, st = 1.0 1.2,。,44,（3）启动工作点：T = Tst，n = 0，S = 1。将,（,4,）临界工作点：,T,=,T,max,，,n,=,n,m,，,S,=,S,m,。欲求转矩的最大值，可根据转矩特性令,dT,/,dn,= 0,，而得临界转差率,再将,S,m,代入转矩公式中，即可得,最大转矩,T,max,的大小与定子每相绕组上所加电压,U,的平方成正比，这说明异步电动机对电源电压的波动是很敏感的。电源电压过低，会使轴上输出转矩明显下降，甚至小于负载转矩，而造成电机停转；最大转矩,T,max,的大小与转子电阻的大小无关，但临界转差率,S,m,却,正比于,R,2,，这对线绕式异步电动机而言，在转子电路中串接附加电阻，可使,S,m,增大，而,T,max,却不变。,45,（4）临界工作点：T = Tmax ， n = nm ， S,异步电动机在运行中经常会遇到短时冲击负载，如果冲击负载转矩小于最大电磁转矩，电动机仍然能够运行，而且电动机短时过载也不会引起剧烈发热。通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比,称为电动机的,过载能力系数,。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。各种电动机的过载能力系数在国家标准中有规定，如普通的,JO,和,JO 2,系列鼠笼式异步电动机的,m = 1.8,2.2,，供起重机械和冶金机械用的,JZ,和,JZR,型线绕式异步电动机的,m = 2.5,2.8,。,在实际应用中，用转矩特性计算机械特性非常麻烦，如把它化成用,T,max,和,S,m,表示的形式，则方便多了。为此，将上述公式经整理后就可得到,此式为转矩,-,转差率特性的实用表达式，也叫规格化转矩,转差率特性。,46,异步电动机在运行中经常会遇到短时冲击负载，如果冲击负载转矩小,47,47,48,48,2,、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的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将机械特性关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为,异步电动机的人为机械特性，,即改变定子电压、定子电源频率、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。,49,2、人为机械特性49,即最大转矩,T,max,和,T,st,与,U,2,成正比，当降低定子电压时，,n,0,和,S,m,不变，而,T,max,和,T,st,大大减小。在同一转差率情况下，人为特性与固有特性的转矩之比等于电压的平方之比。因此在绘制降低电压的人为特性时，是以固有特性为基础，在不同的,S,处，取固有特性上对应,的转矩乘降低电压与额定电压比值的平方，即可作出人为特性曲线，如图,4.22,所示。,1,）降低电动机电源电压时的人为特性,根据,50,即最大转矩Tmax 和Tst 与U 2 成正比，当降低定子电,如当定子绕组外加电压为,U,N,、,0.8,U,N,、,0.5,U,N,时，转子输出最大转矩分别为,T,a =,T,max,、,T,b = 0.64,T,max,和,T,c = 0.25,T,max,。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。,由于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，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。,例如，电动机运行在额定负载,T,N,下，即使,m = 2,，若电网电压下降到,70%,UN,，则由于这时，,电动机也会停转。,此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率,S,增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。,51,如当定子绕组外加电压为UN 、0.8UN 、0.5UN 时，,2,）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，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压降，致使定子绕组相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似，如图,4.23,所示。,图中实线,1,为降低电源电压的人为特性，虚线,2,为定子电路串入电阻,R,1,S,或电抗,X,1,S,的人为特性。从图中可看出，所不同的是定子串入,R,1,S,或,X,1,S,后的最大转矩要比直接降低电源电压时的最大转矩大一些，这是因为随着转速的上升和启动电流的减小，在,R,1,S,或,X,1,S,上的压降减小，加到电动机定子绕组上的端电压自动增大，致使最大转矩大些；而降低电源电压的人为特性在整个启动过程中，定子绕组的端电压是恒定不变的。,52,2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性图中实线1 为降低电源,3,）改变定子电源频率时的人为特性,改变定子电源频率,f,对三相异步电动机机械特性的影响是比较复杂的，下面仅定性地分析,n,=,f,(,T,),的近似关系。,根据,并注意到上列式中,X,20 ,f,，,K, 1/,f,，且一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩,T,max,保持为恒值，为此在改变频率,f,的同时，电源电压,U,也要作相应的变化，使,U,/,f,=,常数，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。,在上述条件下就存在有,n,0 ,f,，,S,m 1/,f,，,T,st 1/,f,和,T,max,不变的关系，即随着频率的降低，理想空载转速,n,0,要减小，临界转差率要增大，启动转矩要增大，而最大转矩基本维持不变，如图,4.24,。,53,3）改变定子电源频率时的人为特性并注意到上列式中X 20 ,4,）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,R,2r,后见图,4.25(a),，转子电路中的电阻为,R,2 +,R,2r,。,根据,R,2r,的串入对理想空载转速,n,0,、最大转矩,T,max,没有影响，但临界转差率,S,m,则随着,R,2r,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，如图,4.25(b),所示。,54,4）转子电路串电阻时的人为特性R2r 的串入对理想空载转速n,一、异步电动机的启动特性,1,生产机械对电动机启动的主要要求,（,1,）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。一般场合下希望启动越快越好，以提高生产效率。,（,2,）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，对电网和电动机本身都是不利的。,对电网而言,，它会引起较大的线路压降，特别是电源容量较小时，电压下降太多，会影响接在同一电源上的其他负载，例如影响到其他异步电动机的正常运行甚至停车；,对电动机本身而言,，大的启动电流将在绕组中产生大的损耗，引起发热，加速电动机绕组绝缘老化，且在大电流冲击下，电动机绕组端部受电动力的作用，有发生位移和变形的可能，容易造成短路事故。,（,3,）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。,（,4,）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。,（,5,）启动过程中的功率损耗越小越好。,其中，（,1,）和（,2,）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。,5,4,三相异步电动机的启动特性,55,一、异步电动机的启动特性54 三相异步电动机的启动特性55,2,异步电动机的启动特性,（,1,）启动电流大：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，从而引起很大的定子电流，一般启动电流,I,st,可达额定电流,I,N,的,5,7,倍，,（,2,）启动转矩大：异步电动机启动时，虽然启动电流很大，但因启动时,S,= 1,，转子功率因数,cos 2,很低，因而启动转矩,T,st =,K,m,I,2st cos 2st,却不大，一般,T,st = (0.8 1.5),T,N,。,异步电动机的固有启动特性如图,4.26,所示。,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，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。,鼠笼式异步电动机有,直接启动和降压启动,两种方法，线绕式异步电动机启动方法常用的有逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。,采用什么启动方法，要根据实际情况而定。,56,2异步电动机的启动特性显然，异步电动机的这种启动性能和生产,二异步电动机的直接启动（全压启动）,直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动运行。,1, 特点,电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。,2, 直接启动的条件,由于直接启动时启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。分三种情况：,（,1,）独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的,20%,时允许直接启动；,（,2,）独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的,30%,时也允许直接启动；,（,3,）如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。,57,二异步电动机的直接启动（全压启动）57,例,5.7,：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其,P,N = 20kW,，,I,st /,I,N = 6.5,，如果供电变压器（电源）容量为,560kVA,，且有照明负载，问可否直接启动？同样的,I,st /,I,N,比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？,58,例5.7：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN =,鼠笼式异步电动机直接启动的经验数据见表,5.1,。,表,5.1,鼠笼式异步电动机直接启动的经验数据,直接启动因无需附加启动设备，且操作和控制简单、可靠，所以，在条件允许的情况下应尽量采用，考虑到目前在大中型厂矿企业中，变压器容量已足够大，因此，绝大多数中、小型鼠笼式异步电动机都采用直接启动。,59,鼠笼式异步电动机直接启动的经验数据见表5.1。表5.1 鼠笼,三定子串电阻或电抗器降压启动,异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图,4.27,所示。启动时，接触器,1KM,断开，,KM,闭合，将启动电阻,R,st,串入定子电路，使启动电流减小；待转速上升到一定程度后再将,1KM,闭合，,R,st,被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。,这种启动方法的缺点是：,启动转矩随定子电压的平方关系下降，其机械特性见图,4.22,所示，故它只适用于空载或轻载启动的场合；,不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。,60,三定子串电阻或电抗器降压启动这种启动方法的缺点是：60,四,Y ,降压启动,Y ,降压启动的接线图如图,4.28,所示。,启动：触点,KM,和,1KM,闭合，,2KM,断开，将定子绕组接成星形接入电网而启动；,运行：待转速上升到一定程度后再将,1KM,断开，,2KM,闭合，将定子绕组接成三角形接入电网，电动机启动过程完成而转入正常运行。,Y ,启动方法适用于电动机运行时定子绕组接成三角形的情况。,设,U,1,为电源线电压，,I,stY,及,I,st,为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流（线电流），,Z,为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗。则有,即定子接成星形时的启动电流等于接成三角形时启动电流的,1/3,，而接成星形时的启动转矩 ，接成三角形时的启动转矩 ，所以，,T,stY =,T,st/ 3,，即,Y,连接降压启动时的启动转矩只有,连接直接启动时的,1/3,。,所以,61,四 Y 降压启动启动：触点KM 和1KM 闭合，2,Y ,降压启动方法的特点：,设备简单、经济、启动电流小；,启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或轻载启动的场合；,只适用于正常运行时定子绕组,接线的异步电动机。,由于这种方法应用广泛，我国已专门生产能采用,Y ,降压启动的三相异步电动机，其定子额定电压为,380V,，即电源的线电压，连接方法为,。,62,Y 降压启动方法的特点：62,五自耦变压器降压启动,自耦变压器降压启动的原理接线图如图,4.29(a),所示。,启动：,1KM,，,2KM,闭合，,KM,断开，三相自耦变压器,T,的三个绕组连成星形接于三相电源，使接于自耦变压器副边的电动机降压启动：,运行：当转速上升到一定值后，,1KM,，,2KM,断开，自耦变压器,T,被切除，同时,KM,闭合，电动机接上全电压运行。,图,4.29(b),为自耦变压器启动时的一相电路。,63,五自耦变压器降压启动启动：1KM，2KM 闭合，KM 断开,由变压器的工作原理知：副边电压与原边电压之比为，,U,2 =,KU,1,，启动时加在电动机定子每相绕组的电压是全压启动时的,K,倍，因而电流,I,2,也是全压启动时的,K,倍，即,I,2 =,KI,st,（注意：,I,2,为电动机定子电流，即变压器副边电流。,I,st,为全压启动时的启动电流，即全压启动时电网的供电电流）；而变压器原边电流,I,1 =,KI,2 =,K,2,I,st,，即此时电网供电电流,I,1,是直接启动时电流,I,st,的,K,2,倍。,64,由变压器的工作原理知：副边电压与原边电压之比为，U2 = K,特点：,与,Y ,降压启动时情况一样，只是在,Y ,降压启动时的,K,= 1/ 3,为定值，而自耦变压器启动时的,K,是可调节的，这就是此种启动方法优于,Y ,启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的,K,2,倍。,变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于启动频繁的电动机。,所以，它在启动不太频繁，要求启动转矩较大、容量较大的异步电动机上应用较为广泛。,通常把自耦变压器的输出端做成固定抽头（一般有,K=80%,、,65%,和,50%,三种电压，可根据需要进行选择）、连同转换开关（图,4.29,中的,KM,，,1KM,和,2KM,）和保护用的继电器等组合成一个设备，叫启动补偿器。,65,特点：65,六、延边三角形启动,延边三角形启动法就是在启动时使定子绕组的一部分作三角形连接，另一部分作星形连接，如图,4.30(a),所示。从启动时定子绕组连接的图形来看，就好像将一个三角形三边延长了一样，因此，称为“延边三角形”。,启动时将定子绕组接成延边三角形，启动完了后将定子绕组换接成如图,4.30 (b),所示的三角形。,从图,4.30(a),可看出启动时每相绕组的电压低于作三角形连接直接启动时的电压，也是属于降压启动，不过，这种接法与,Y ,换接启动法比，延边三角形接法的相电压较,Y,接法的大，所以，启动电流和启动转矩都较大，具体大多少，则由星形部分绕组与三角形部分绕,组匝数之比来确定。,由于这种启动方法对电动机定子绕组的出线有特殊的要求，所以用得不是很多，这里就不作进一步的分析了。,66,六、延边三角形启动从图4.30(a)可看出启动时每相绕组的电,七、线绕式异步电动机的启动方法,鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大，因此不能满足某些生产机械需要大启动转矩低启动电流的要求。,线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。,在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。,1,逐级切除启动电阻法,采用逐极切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与,3.4,中他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。启动过程如下：如图,4.31(a),所示：,67,七、线绕式异步电动机的启动方法1逐级切除启动电阻法67,启动开始时，触点,1KM,，,2KM,，,3KM,均断开，启动电阻全部接入，,KM,闭合，将电动机接入电网。电动机的机械特性如图,4.31(b),中曲线,所示，初始启动转矩为,T,A,，加速转矩,T,a1 =,T,A ,T,L,，这里,T,L,为负载转矩。,在加速转矩的作用下，转速沿曲线,上升，轴上输出转矩相应下降，当转矩下降至,T,B,时，加速转矩下降到,T,a2 =,T,B ,T,L,，这时，为了使系统保持较大的加速度，让,3KM,闭合，使各相电阻中的,R,st3,被短接（或切除），启动电阻由,R,3,减为,R,2,，电动机的机械特性曲线由曲线,变化到曲线,，只要,R,2,的大小选择合适，并掌握好切除时间，就能保证在电阻刚被切除的瞬间电动机轴上输出转矩重新回升到,T,A,，即使电动机重新获得最大的加速转矩。以后各段电阻的切除过程与上述相似，直到转子电阻全部被切除，电动机稳定运行在固有机械特性曲线上，即图中曲线,上相应于负载转矩,T,L,的点,9,，启动过程结束。,68,启动开始时，触点1KM，2KM，3KM 均断开，启动电阻全部,2,频敏变阻器启动法,采用逐级切除启动电阻法来启动线绕式异步电动机时，可以由手动操作“启动变阻器”或“鼓形控制器”来切除电阻，也可以用继电器,-,接触器自动切换电阻，前者很难实现启动要求，且对提高劳动生产率、减轻劳动强度不利；后者则增加附加设备等费用，且维修较麻烦。因此，单从启动而言，逐级切除启动电阻的方法不是很好的方法。若采用频敏变阻器来启动线绕式异步电动机，则既可自动切除启动电阻，又不需要控制电器。,频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到线绕式异步电动机的转子电路中，如图,4.32,所示。,频敏变阻器为什么能取代启动电阻呢？,因在频敏变阻器的线圈中通过转子电流，它在铁心中产生交变磁通，在交变磁通的作用下，铁心中就会产生涡流，涡流使铁心发热，从电能,损失的观点来看，这和电流通过电阻发热而损失电能一样，所以，可以把涡流的存在看成是一个电阻,R,。另外，铁心中交变的磁通又在线圈中产生感应电势，阻碍电流流通，因而有感抗,X,（即电抗）存在。所以，频敏变阻器相当于电阻,R,和电抗,X,的并联电路,69,2频敏变阻器启动法频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相,启动过程中频敏变阻器内的实际电磁过程如下：,启动开始时，,n,= 0,S,= 1,，转子电流的频率（,f,2 =,Sf ),高，铁损大（铁损与,f,2,2,成正比），,相当于,R,大，且,X,f,2,，所以，,X,也很大，即等效阻抗大，从而限制了启动电流。另一方面由于启动时铁损大，频敏变阻器从转子取出的有功电流也较大，从而提高了转子电路的功率因数，增大了启动转矩。,随着转速的逐步上升，转子频率,f,2,逐渐下降，从而使铁损减少，感应电势也减少，即由,R,和,X,组成的等效阻抗逐渐减少，这就相当于启动过程中自动逐渐切除电阻和电抗。当转速,n,=,nN,时，,f,2,很小，,R,和,X,近似为零，这相当于转子被短路，启动完毕，进入正常运行。,这种电阻和电抗对频率的“敏感”作用，就是“频敏”变阻器名称的由来。,70,启动过程中频敏变阻器内的实际电磁过程如下：启动开始时， n,和逐级切除启动电阻的启动方法相比