三相异步电动机结构、原理概要.ppt

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1、第四章第四章 电动机电动机第一节第一节 三相异步电动机的结构及铭牌三相异步电动机的结构及铭牌第二节第二节 三相异步电动机的的旋转磁场三相异步电动机的的旋转磁场第三节第三节 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理第四节第四节 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行第五节第五节 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动第六节第六节 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速第七节第七节 单相异步电动机单相异步电动机第八节第八节 同步电动机同步电动机第九节第九节 直流电动机直流电动机第一节第一节 三相异步电动机的结构及铭牌三相异步电动机的结构及铭牌一、三相异步电动机的基本结构1.定子：主要

2、用来产生旋转磁场定子：主要用来产生旋转磁场,它由定子铁心、它由定子铁心、定子定子绕组、绕组、机壳等组成。机壳等组成。机壳包括端盖和机座，其作用是支承定子铁心和固定整个电机。中小型电机机座一般采用铸铁铸造,端盖多用铸铁铸成，用螺栓固定在机座两端。定子铁心是磁路的一部分,为了降低铁心损耗,采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，硅钢片间彼此绝缘。铁心内圆周上分布有若干均匀的平行槽，用来嵌放定子绕组。3.定子绕组定子绕组 定子绕组是电机定子的电路部分，应用绝缘铜线或铝线绕制而成。三相绕组对称地嵌放在定子槽内。三相异步电动机定子绕组的三个首端U1、V1、W1和三个末U2、V2、W2，都从机座上的接线盒中引出

3、。图（a）为定子绕组的星形接法；图（b）为定子绕组的三角形接法。三相绕组具体应该采用何种接法，应视电力网的线电压和各相绕组的工作电压而定。目前我国生产的三相异步电动机，功率在4kW以下者一般采用星形接法；在4kW以上者采用三角形接法。三相定子绕组的接法三相定子绕组的接法 二、转子二、转子转子主要用来产生旋转力矩，拖动生产机械旋转。转子由转轴、转子铁心、转子绕组构成。（1）.转轴转轴 转轴用来固定转子铁心和传递功率，一般用中碳钢制成。（2）.转子铁心转子铁心 转子铁心也 属于磁路的一部分，也用0.5mm的硅钢片叠压而成。转子铁心固定在转轴上，其外圆均匀分布的槽是用来放置转子绕组的。转子的硅钢片3

4、.转子绕组转子绕组:三相异步电动机的转子绕组分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式转子是由安放在转子铁心槽内的裸导体和两端的短路环连接而成的。转子绕组就像一个鼠笼形状故称其为鼠笼式转子。铸铝转子：中小型电机，一般采用铸铝绕组。这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内，并连同两端的短路环和风扇浇注在一起。如某三相异步电动机铭牌如下，现对铭牌的各项数据作些简要介绍。三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌型号Y112M4编号功率4.0kW 电流8.8A电压380V1440r/min LW 82dB接法 防护等级IP44 50Hz 45kg标准编号 工作制S1 B级绝缘型号Y112M4：Y产品代号，114

5、机座中心高160 mm；M表示中机座，（S表示短机座，L表示长机座）；4磁极数。(1)额定功率额定功率PN。额定功率为电动机在额定状态下运行时，转子轴上输出的机械功率kW。(2)额定电压和接法额定电压和接法。额定电压指定子绕组按铭牌上规定的接法连接时应加的线电压值。Y系列电动机功率在 4 kW以上均采用三角形连接，以便采用Y-接法。3kW 以下有380v和220v两种，写成380/220v，对应接法两种，即Y/.电源线电压380v时，定子绕组接成星形；电源线电压220v时，定子绕组接成三角形。(3)额定电流额定电流。额定电流指电动机在额定运行情况下，定子绕组取用的线电流值。(4)额定转速。额定

6、转速。额定转速为电动机在额定运行状态时的转速，单位为 r/min。(6)绝缘等级。绝缘等级是电动机定子绕组所用的绝缘材料的等级。(7)工作方式。工作方式即电动机的运行方式。按负载持续时间的不同，国家标准把电动机分成三种工作方式：连续工作制、短时工作制和断续周期工作制绝缘等级YAEBFHC极限工作温度（。C)90105120130155180180（5）防护方式（IP44）。表示电动机外壳防护的方式为封闭式。第二节第二节 三相异步电动机的的旋转磁场三相异步电动机的的旋转磁场1.旋转磁场的产生旋转磁场的产生三相异步电动机的定子，三相定子绕组对称放置在定子槽中，即三相绕组首端U1、V1、W1（或末端

7、U2、V2、W2）的空间位置互差120。若三相绕组连接成星形，末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接到三相对称电源上，则在定子绕组中通过三相对称的电流iU、iV、iW（习惯规定电流参考方向由首端指向末端）(1)t=0 瞬间（iU=0；iV为负值；iW为正值）:此时，U相绕组（U1U2绕组）内没有电流；V相绕组（V1V2绕组）电流为负值，说明电流由V2流进，由V1流出；而W相绕组（W1W2绕组）电流为正，说明电流由W1流进，由W2流出。运用右手螺旋定则，可以确定合成磁场如图(a)所示，为一对极(两极)磁场。(2)t=T/6瞬间（iU为正值；iV为负值；iW=0）:U相绕组电流为正，电流

8、由U1流进，由U2流出；V相绕组电流未变；W相绕组内没有电流。合成磁场如图（b）所示，同t=0瞬间相比，合成磁场沿顺时针方向旋转了 60。(3)t=T/3瞬间（iU为正值；iV=0；iW为负值）:合成磁场沿顺时针方向又旋转了60，如图（c）所示(4)t=T/2瞬间（iU=0；iV为正值；iW为负值）:与t=0瞬间相比，合成磁场共旋转了 180。2.旋转磁场的转速旋转磁场的转速 由以上分析可以看出，旋转磁场的转速与磁极对数、定子电流的频率之间存在着一定的关系。一对极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过360（一转）；两对极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过180（1/2转）；由此类

9、推，当旋转磁场具有p对磁极时，电流变化一周，其旋转磁场就在空间转过 1/p转。常转速是以每分钟的转数来表示的，所以旋转磁场转速的计算公式为异步电动机转速和极对数的对应关系异步电动机转速和极对数的对应关系由上式可得，旋转磁场的转速 n1 取决于电源频率f 和磁极对数 p。我国工频50Hz,可得不同磁极对数旋转磁场的转速如下磁极对数p123456转速n1/r(min)-1 300015001000750600500旋转磁场转向与通入定子绕组的电流相序一致。若使旋转磁场反向，只需把三根电源线的任意两根对调（如U、W对调）第三节第三节 三相异步电动机的转动原理及转差率三相异步电动机的转动原理及转差率一

10、、三相异步电动机的转动原理一、三相异步电动机的转动原理 当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场以n n1 1的速度顺时针旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电动势、感应电流，其方向可根据右手定则判断（假定磁场不动，导体以相反的方向切割磁力线）。由于转子电路为闭合电路，在感应电动势的作用下，产生了感应电流由于载流导体在磁场中要受到力的作用，因此，可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图 所示。这些电磁力对转轴形成一电磁转矩，其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致。这样，转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来。电动机不带机械负载的状

11、态称为空载。这时负载转矩是由轴与轴承之间的摩擦力及风阻力等造成的，称为空载转矩，其值很小。这时电动机的电磁转矩也很小，但其转速n0（称空载转速）很高，接近于同步转速。转子转速n n2 2与旋转磁场n n1 1同向，转子转速n n2 2不可能达到同步转速n n1 1（若n n1 1 n n2 2，转子和旋转磁场不存在相对运动，转子部切割磁力线转子受电磁力F=0）。有n n1 1大于大于 n n2 2。故称为异步电动机异步电动机转差率转差率 异步电动机的转子转速n低于同步转速n1，两者的差值(n1-n)称为转差。转差就是转子与旋转磁场之间的相对转速。转差率就是相对转速（即转差）与同步转速之比，用s

12、表示，即 转差率是分析异步电动机运转特性的一个重要参数。在电动机起动瞬间，n=0，s=1；当电动机转速达到同步转速（为理想空载转速，电动机实际运行中不可能达到）时，n=n1，s=0。由此可见，异步电动机在运行状态下，转差率的范围为0s1；在额定状态下运行时，s=0.020.06。第四节第四节 三相异步电动机的运行三相异步电动机的运行异步电动机之所以能够转动，是因为转子绕组中产生感应电动势，从而产生转子电流，此电流同旋转磁场的磁通作用产生电磁转矩之故。TABn2TNTmTstDOCn1nN三相异步电动机的机械特性曲线图中，启动转矩为 Tst 为启动时对应的电磁转矩，额定转矩 T TN 为电动机带

13、动额定负载时的电磁转矩；最大转矩 T Tm 是电动机在运行中具有的最大转矩根据机械特性曲线分析如下（1）当电动机的启动转矩 Tst 大于负载阻力矩TL时，电机旋转，并在电磁转矩的作用下加速，此时电磁转矩随额定转矩n2 增加而逐渐增大（沿曲线DC段上升），直到最大转矩 T Tm。而后，随着转速的继续增加电磁转矩反而下降 （沿曲线CA段下降），最终当电磁转矩等于负载转矩T=TL 时电机以某一转速匀速稳定旋转。（2）异步电动机一经启动很快进入曲线的AC段，并在某一点稳定运行。在AC段如果负载加重，负载力矩大于电磁转矩，转速下降，同时电磁转矩随转速的下降而增大，与负载力矩达到新的平衡，使电机以比原来稍

14、低的转速运行。（3）若伏在的阻力矩超过了最大转矩 T Tm ，负载力矩则一直大于电磁转矩，再也不存在新的平衡点使T=TL，电动机转速很快下降直到停止，处于堵转状态。定子电流加大可达47倍，时间长损害电机。（4）机械特性曲线AC段为电动机的稳定运行区。从空载到满载转速下降很少，只要负载力矩介于AC区间，均可找到稳定点运行。AC段称电动机的硬机械特性，适合大多数生产机械对拖动的要求。（5）过载能力 电动机的最大电磁转矩T Tm 与转矩T TN 之比称过载能力，一般为1.92.2。电动机的启动转矩 Tst 与与T TN 之比称启动能力，一般为1.72.2。二、转矩与功率的关系二、转矩与功率的关系电动

15、机载运行中若带动负载转动的转矩为T T2 2,轴上输出的机械功率为P P2 2,转子转速为n n2 2 电动机载额定状态下运行TN 为输出的额定转矩PN 为输出的额定功率n nN N 为输出的额定转矩三、电磁转矩与电源电压的关系三、电磁转矩与电源电压的关系电磁转矩与电动机定子绕组上所加电压U的平方成正比U1U2U3当电动机负载的阻力矩T TL L一定时，又有电压降低，电磁转矩T T下降，将使电机可能带不动原有负载，于是转速下降，电流加大。电压下降过低，以致最大转矩也低于负载转矩时，电机停转。第五节第五节 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。直

16、接起动就是利用闸刀开关将电动机直接接入电网使其在额定电压下起动，如图 所示。这种方法最简单，设备少，投资小，起动时间短，但起动电流大，起动转矩小，一般只适用于小容量电动机（10 kW以下）的起动。1)直接起动直接起动 2)降压起动降压起动 降压起动的主要目的是为了限制起动电流，但同时也限制了起动转矩，因此，这种方法只适用于轻载或空载情况下起动。常用的降压起动方法有下列几种：(1)定子电路中串电抗器起动。这种起动方法是在电动机定子绕组的电路中串入一个三相电抗器，其接线如图 所示。(2)Y-起动。起动。这种方法只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机。起动时，先将定子绕组改接成星形，使加在每

17、相绕组上的电压降低到额定电压的1/3，从而降低了起动电；待电动机转速升高后，再将绕组接成三角形，使其在额定电压下运行。Y-起动线路如图 可以证明，星形起动时的起动电流（线电流）仅为三角形直接起动时电流（线电流）的1/3，即IYst=(1/3)Ist；其起动转矩也为后者的1/3，即 TYst=(1/3)Tst。这种方法适用于电动机轻载或空载时启动注(3)自耦变压器起动。自耦变压器起动。对容量较大或正常运行时作星形连接的电动机，可应用自耦变压器降压起动。自耦变压器降压起动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制，可按照允许的起动电流和所需的起动转矩选择不同的抽头，常用于起动容量较大的电动机。其缺点是设

18、备费用高，不宜频繁起动。第六节第六节 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速调速是指人为的改变电动机的转速。调速方法如下：1 1变极调速变极调速通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数p p来调速。因磁极对数只能是按来调速。因磁极对数只能是按1 1、2 2、3 3、的、的规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节。是步级式调速方法不能连续、平滑地进行调节。是步级式调速方法通过变频器把频率为50Hz工频的三相交流电源变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源，然后供给三相异步电动机，从而使电

19、动机的速度得到调节。变频调速属于无级调速，具有机械特性曲线较硬的特点2 2变频调速变频调速可控整流器逆变器M35050HzHz三三相相交交流流电电源源3 3变压调速变压调速变压调速：变压调速：用电抗器或自耦变压器来降低定子绕组上所承受的电压，进而改变转矩，获得一定的调速范围。这种方法常用于拖动电机、泵类负载。家用电器中的风扇就是用这种方法调速的。近年来，交流变频调速在国内外发展非常迅速。由于晶闸管变流技术的日趋成熟和可靠，变频调速在生产实际中应用非常普遍，它打破了直流拖动在调速领域中的统治地位。交流变频调速需要有一套专门的变频设备，所以价格较高。但由于其调速范围大，平滑性好，适应面广，能做到无

20、级调速，因此它的应用将日益广泛。第七节第七节 单相异步电动机单相异步电动机单相异步电动机：由单相电源供电的小功率异步电动机。日常生活中的电风扇、电冰箱、洗衣机、抽排油烟机。由于单相异步电动机绕组通过单相交变电流，若电动机定子铁心只具有单相绕组，所以产生的磁通是交变脉动磁通，它的轴线载空间上是固定不变的，这种磁通不可能使转子启动旋转。必须采取另外的启动措施。电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一个是工作绕组（主绕组）；另一个是起动绕组（副绕组），两个绕组在空间互成90。起动绕阻与电容C串联，使起动绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90相位差，在旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋

21、转，有的单相异步电动机不采用在启动绕组中串入电阻的方法，使得两相绕组中的电流在相位上存在一定的电角度，也可以产生旋转磁场。罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为鼠笼式。在定子磁极上开一个槽，将磁柱分为两部分，在较小磁极上套一个短路铜环，称为罩极。在磁极上绕有单相绕组，通入单相交流电，铁心中便产生交变磁通，铜环中产生感应电流。感应电流产生的磁通将阻碍原磁场的变化，使罩极穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的磁通。总体上看，好像磁场在旋转，从而获得启动转矩。第八节第八节 同步电动机同步电动机同步电动机是一种交流电动机，它的主要特点是转子转速等于同步转速

22、，即 同同步步发发电电机机在电力工业中有着很广泛的应用：火力发电、水力发电、原子能发电等，几乎全部应用三相同步发电机同同步步电电动动机机虽然不像异步电动机那样应用广泛，但由于它的功率因数可以调节，并且大多调节在容性状态下运行，这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流，从而提高电力网的功率因数。同步电动机常用在中等功率(50kW)以上，不需调速且转速要求恒定的生产机械中，如大型的空压机、水压机等。同步电动机按其结构可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转磁极式电动机由于特点突出，在生产实际中有着广泛的应用。旋转磁极式同步电动机的定子与三相异步电动机的定子相似，而其转子为磁极，在磁极的铁心上绕有激磁

23、绕组，该绕组通过电刷、滑环与直流电源相连。转子有两种结构型式，a为凸极式 b隐极式 1.1.同步电动机的基本结构同步电动机的基本结构 1.恒速性当定子绕组中通入三相电流后，便产生了旋转磁场，其转速为n1。旋转磁场的磁极对转子的异性磁极产生较强的吸力，吸住转子，使其按旋转磁场的转向并以同步转速而旋转。在规定的负载范围内，同步电动机的转速为恒定值。2.2.同步电动机的基本原理同步电动机的基本原理 2.功率因数可调:如在一定的负载下，调节直流激磁电流时，可以引起定子电流的相位和大小发生变化，所以，同步电动机的功率因数可以用调节激磁电流大小的方法来调节。有时，同步电动机不带负载，专门用来改善电网的功率

24、因数，这样运行的同步电动机称为同步补偿机。第九节第九节 直流电动机直流电动机（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。直流电机：直流电机：（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速 范围大的大型设备。范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。应用：应用：转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁心上冲有槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也是

25、直流电动机磁路的组成部分。电枢绕组的端装有换向器，换向器由许多铜质换向片组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。换向器是直流电动机的重要构造特征，换向器通过与电刷的摩擦接触，将两个电刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以便形成固定方向的电磁转矩。三相异步电动机也由定子和转子构成。定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。接接通通直直流流电电压压U U时时，

26、直直流流电电流流为为从从a a边边流流入入，b b边边流流出出，由由于于a a边边处处于于N N极极之之下下，b b边边处处于于S S极极之之下下，则则线线圈圈受受到到电电磁磁力力而而形形成成一一个个逆逆时时针针方方向向的的电电磁磁转转矩矩T T，使使电电枢枢绕绕组组绕绕轴轴线线方向逆时针转动。方向逆时针转动。当电枢转动半周后，当电枢转动半周后，a a边处于边处于S S极之下，而极之下，而b b边处于边处于N N极之下。极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从变为从b b边流入，从边流入，从a a边流出。电枢仍受到一

27、个逆时针方向的边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩电磁转矩T T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U