交流电动机的工作原理与特性.pptx

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1、电机电机(dinj)(dinj)拖动技术拖动技术基础基础总学时总学时(xush)(xush)：40 40理论学时理论学时(xush)(xush)：3636实验学时实验学时(xush)(xush)：4 4周学时周学时(xush)(xush)：4 4 主讲主讲(zhjing)(zhjing)：王伟：王伟1第一页，共113页。第五章：交流电动机的工作第五章：交流电动机的工作(gngzu)原理原理及特性及特性本章本章(bn zhn)要求：要求：1 1、了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。、了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。2 2、掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调、掌握异步

2、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、特点及应用速和制动的各种方法、特点及应用(yngyng)(yngyng)。3 3、掌握单相电动机的工作原理和启动方法。、掌握单相电动机的工作原理和启动方法。4 4、了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启、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。动方法。2第二页，共113页。常用的交流电动机有三相异步电动机常用的交流电动机有三相异步电动机(或称感应电动机或称感应电动机)和和同步电动机。异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，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，

3、因此，它是工业价格便宜，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中使用得最为广泛(gungfn)的一种电动机，同步电机既的一种电动机，同步电机既可作发电机使用，也可作电动机使用。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、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。调速的特性和方法。3第三页，共113页。5.1 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构(jigu)和工和工作原理作原理一、一、三相三相(sn xin)异步电动机的基本结构异步电动机的基本结构三相三相(sn xin)异步电动机主要由定子和转子两个部分组成

4、，定子是不动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。所示。4第四页，共113页。1 定子定子由定子铁心、绕组(roz)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(roz)是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组(roz)分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组(ro

5、z)，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(roz)接入三相交流电源，三相绕组(roz)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第五页，共113页。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

6、工作(gngzu)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（）所示，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成，如图所示。这不仅是以铝代铜，而且(r qi)制造也快。6第六页，共113页。线绕式异步电动机转子绕组(roz)是由线圈组成绕组(roz)放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组(roz)，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第七页，共113页。右图是一台三相鼠笼型异步电右图是一台三相鼠笼型异步电

7、动机的外形图。动机的外形图。下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。8第八页，共113页。二、三相(sn xin)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(t men)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(dngz)内

8、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第九页，共113页。假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且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 相绕组的电流相绕组的电流iA 作为参考正弦作为参考正弦(zhngxin)量，即量，即iA 的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三相绕组A、B、C 的电流（相序为的电流（相序为ABC）的瞬时值为：）的瞬时值为：图4.7 所示是这些电流(dinli)随时间变化的曲线。10第十页，共113页。下面分析(fnx)不同时间的合成磁场

9、。1).t=0 时：iA=0；iB 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y 端流到B 端；iC 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（a）箭头所示。11第十一页，共113页。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(hchng)磁场如图（b）所示，合成(hchng)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(hchng)磁场如图4

10、.8(c)所示，合成(hchng)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(hchng)磁场如图4.8(d)所示。合成(hchng)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(hchng)磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。12第十二页，共113页。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

11、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(k zh)，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第十三页，共113页。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

12、被称为(chn wi)同步速度，用n0 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3600 电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了3600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(qzhng)，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），便产生具有两对磁极的旋转磁场。14第十四页，共113页。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

13、电流(dinli)变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了/2，即1/4 转，电流(dinli)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(yc)类推，当有p 对磁极时，其转速为：所以，旋转磁场的旋转速度n0 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第十五页，共113页。三相异步电动机的工作原理，是基于定子旋转

14、磁场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定子绕组内三相电流所产生(chnshng)的合成磁场的合成磁场)和转子电流和转子电流(转子绕组内的电流转子绕组内的电流)的相互作用。的相互作用。三、三相异步电动机的基本工作三、三相异步电动机的基本工作(gngzu)(gngzu)原原理理 如图如图56(a)所示，当定子的对所示，当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，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，该磁场沿在空间产生旋转磁场，该磁场沿定于内圆周方向旋转。图定于内圆周方向旋转。图56(b)所示为具有一对磁

15、极的旋转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磁场，我们拟想磁极位于定子铁心内画有阴影心内画有阴影(ynyng)线的部分。线的部分。16第十六页，共113页。当磁场旋转时，转子绕组的导体切割当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生磁通将产生(chnshng)感应电势感应电势e2、假设旋转磁场向顺时针方向旋转，则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，在割磁通根据右手定则，在N极面下极面下转于导体中感应电势的方向系由图而转于导体中感应电势的方向系由图而指向读者而在指向读者而在s极面下转于导体中极面下转于导

16、体中感应电势方向则由读者指向图面。感应电势方向则由读者指向图面。由于电势由于电势e2的存在，转子绕组中将产生转子电流的存在，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。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其方向由左手定则决定(judng)，这里假设，这里假设i2和和e2同同相，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，转子的旋转速度子受此转矩作用

17、，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(即电动即电动机的转速机的转速)恒比旋转磁场的旋转速度恒比旋转磁场的旋转速度(称为同步转速称为同步转速)小，因为如果两种转速相等，转子和小，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和产生电流和产生电流i2，也就，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。转的主要因素。17第十七页，共113页。由于转子转速不

18、等于同步转速，所以由于转子转速不等于同步转速，所以(suy)把这种电动机称为异步电动机，把这种电动机称为异步电动机，而把转速差而把转速差(n0-n）与同步转速）与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用的比值称为异步电动机的转差率，用S表表示，即示，即 转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映(fnyng)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(xun zhun c chn)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

19、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，约为一18第十八页，共113页。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(fngf)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、定子绕组四、定子绕组(roz)线端连接方式线端连接方式三相(sn xin)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，

20、如图所示。19第十九页，共113页。2线电压与相电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1 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(n din)电流，用I1 表示；相电流：每相绕组的电流，用I相表示。对于星形接法，相I1=I；对于三角形接法，。4 电动机的输入功率20第二十页，共113页。5.额定(dng)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(tiojin)，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PN：在额定运行情况

21、下，电动机轴上输出的机械功率。PN=NP1N输出功率的一般表达式为：P2=P1其中：为效率；P1为输入功率 P2 为输出功率21第二十一页，共113页。（2）额定电压UN：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(linji)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），则对应于

22、定子绕组为/Y 连接(linji)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，定子绕组应接的电源电压。（5）额定转速nN：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SN。22第二十二页，共113页。一般不标在电动机铭牌上的几个额定(dng)值如下。（1）额定(dng)功率因数cos N：在额定(dng)频率、额定(dng)电压和电动机轴上输出额定(dng)功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。（2）额定(dng)效率 N：在额定(dng)频率、额定(dng)电压和电动机轴上输出额定(dng)功率时，电

23、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(fzi)转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载(fzi)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第二十三页，共113页。6、定子(dngz)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(fzi)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(roz)应接220V 的电

24、源电压星形接法时，定子绕组(roz)应接380 的电源电压。（如标有两种电流值（例如），则对应于定子绕组(roz)为/Y 连接的线电流值。三角形接法时，定子绕组(roz)应接 10.35A 的电源电压星形接法时，定子绕组(roz)应接的电源电压。24第二十四页，共113页。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，电压220/380V，连接方法/Y，电流，转速(zhun s)1400 r/min，功率因数。2.JY112M-4，功率，电压380V/660V，连接方法/Y，电流，转速(zhun s)1440 r/min，功率

25、因数。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第二十五页，共113页。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(gun x)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u1）时，则有三相电流通过（相电流为i1），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e2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e1（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

26、），如图4.17 所示。52 三相三相(sn xin)异步电动机的定子电路和转子电路异步电动机的定子电路和转子电路26第二十六页，共113页。设定子和转子每相绕组的匝数分别(fnbi)为N1和N2，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(shz)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(zhngxin)量

27、，其有效值为：式中，f1 为e1 的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，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f1=f。27第二十七页，共113页。定子电流(dinli)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(fn chn)三个分量，即如用复数(fsh)表示，则为式中，R 1和X1(X1=2f1LL1)为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。由于R1 和X1（或漏磁通 L1）较小，其上电压降与电动势E1

28、比较起来，常可忽略，于是28第二十八页，共113页。二、三相异步电动机的转子(zhun z)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(gnyng)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e2、转子电流i2、转子电流频率f2、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(gnyng)出的电动势为其有效值为式中，f2 为转子电动势e2 或转子电流i2 相对于旋转磁场(xun zhun c chn

29、)的频率29第二十九页，共113页。可见转子频率(pnl)f2 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f2 最高，即f2=f1。异步电动机在额定负载时，S=1.5%6%，则f2=(0.75 3)Hz(f1=50 Hz)。因为(yn wi)旋转磁场和转子间的相对转速为(n0 n)，所以在n=0，即S=1 时，转子电动势为 E20=4.44 f1N2这时，f2=f1，转子电动势最大。而 E2=SE20可见(kjin)转子电动势E2 与转差率S 有关。30第三十页，共113页。因此，

30、对于转子(zhun z)每相电路，有如用复数(fsh)表示，则为式中，R2 和X 2 转子(zhun z)每相绕组的电阻和漏磁感抗。X 2 与转子(zhun z)频率f2 有关，即在n=0，即S=1 时，转子感抗为这时f2=f1，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第三十一页，共113页。即转子电流I2 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(n0 n)增加，转子导体(dot)被磁力线切割的速度提高，于是E2 增加，I2 也增加。当S=0，即n0 n=0 时，I2=0；当S 很小时，R

31、2 SX 20即与S 近似(jn s)成正比；当S 接近1 时，SX 20 R2，32第三十二页，共113页。由于转子有漏磁通 L2，相应(xingyng)的感抗为X 2，因此，I2 比E2 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(xiosh)，R2 SX 20，cos 2 1；当S 增大时，X 2 增大，cos 2 减小；当接近1 时，I2、cos 2 随S 的变化关系(gun x)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第三十三页，共113页。34第三十四页，

32、共113页。524 三相(sn xin)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所示的能流图来说明。从电源(dinyun)输送到定子电路的电功率式中，U1、I1和cos1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(dinc)功率。从电磁(dinc)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第三十五页，共113页。在机械功率中减去机

33、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(chn wi)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(ybn)异步电动机在额定负载时的效率为一。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(dinc)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第三十六页，共113页。37第三十七页，共113页。三相异步电动机的转矩电磁

34、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(n l yn sh)cos 2 有关，图4.20 所示反映了 cos 2对转矩的影响。三相(sn xin)异步电动机的转矩与机械特性38第三十八页，共113页。图4.20(a)所示的是假设转子感抗与其电阻(dinz)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E2 的方向（用外层记号表示）。因为，在这种情况下

35、，I 2 与E2 同相，所以，I 2 的方向（用内层的记号表示）与E2 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第三十九页，共113页。图4.20(c)所示的是实际情况，电流I 2 比电动势E2 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(chnshng)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(qngkung)，这时I 2比E2 滞后900。由图可见

36、，在这种情况(qngkung)下，作用于转子各导体的力正好互相抵消，转矩为零。因为(yn wi)40第四十页，共113页。所以(suy)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(yugun)的常数；U1、U 定子绕组电压，电源电压；R2 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第四十一页，共113页。在异步电动机中，转速n=(1 S)n0，为了符合习惯画法(hu f)，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

37、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(jxi)特性可得到(d do)三相异步电动机的固有机械特性曲线如图4.21 所示。三相异步电动机的机械特性42第四十二页，共113页。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(xngzhun)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=n0，S=0，此时电动机的转速为理想空载转速n0。(2)额定工作点：T=TN，n=nN，S=SN，此时额定转矩和额定转差率为式中，PN 电动机的额定(dng)功率；nN 电动机的额定(dng)转速，一般nN=(0.

38、94 0.985)n0；SN 电动机的额定(dng)转差率，一般SN=0.06 0.015；TN 电动机的额定(dng)输出转矩。43第四十三页，共113页。（3）启动(qdng)工作点：T=Tst，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Tst 与U、R2 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(txng)上启动转矩与额定转矩之比称为电动机的启动(qdng)能力系数。它表征了电动机启动(qdng)能力的大

39、小。一般 st=1.0 1.2。44第四十四页，共113页。（4）临界(ln ji)工作点：T=Tmax，n=nm，S=Sm。欲求转矩的最大值，可根据转矩特性令dT/dn=0，而得临界(ln ji)转差率再将Sm 代入转矩公式(gngsh)中，即可得最大转矩Tmax 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Tmax 的大小与转子电阻的大小无关(wgun)，但临界转差率Sm 却正比于R2，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Sm 增大，而Tma

40、x却不变。45第四十五页，共113页。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(ynq)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(ptng)的JO 和JO 2系列鼠笼式异步电动机的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Sm 表示的形式，则方

41、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(txng)的实用表达式，也叫规格化转矩转差率特性(txng)。46第四十六页，共113页。47第四十七页，共113页。48第四十八页，共113页。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(yugun)，也与外加电源电压、电源频率有关(yugun)，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第四十九页，共113页。即最大转矩Tmax 和Tst 与U

42、2 成正比，当降低定子电压时，n0 和Sm 不变，而Tmax 和Tst 大大减小。在同一转差率情况下，人为特性(txng)与固有特性(txng)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(txng)时，是以固有特性(txng)为基础，在不同的S 处，取固有特性(txng)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(txng)曲线，如图4.22 所示。1）降低(jingd)电动机电源电压时的人为特性根据50第五十页，共113页。如当定子绕组外加电压为UN、UN、UN 时，转子输出最大转矩分别为Ta=Tmax、TTmax 和TTmax。可见，电压愈低，人为特性曲线

43、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(gnbn)不能启动的现象。例如，电动机运行在额定负载TN 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(tiojin)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第五十一页，共113页。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(roz)相电压降低,这种情况

44、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(rnwi)特性，虚线2 为定子电路串入电阻R1S 或电抗X1S 的人为(rnwi)特性。从图中可看出，所不同的是定子串入R1S 或X1S 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R1S 或X1S 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(rnwi)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第五十二页，共113页。3）改变定子(dngz)电源频率时的人为特性改变定子(dngz)电源频率f 对

45、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(bin pn)调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩Tmax 保持为恒值，为此在改变频(bin pn)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n0 f，Sm 1/f，Tst 1/f 和Tmax 不变的关系，即随着频率的降低，理想空载转速n0 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。53第五十三页，共113页。4）转子电路串电阻(dinz)时的人为特性在

46、三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻(dinz)R2r 后见图4.25(a)，转子电路中的电阻(dinz)为R2+R2r。根据R2r 的串入对理想空载转速(zhun s)n0、最大转矩T max 没有影响，但临界转差率Sm 则随着R2r 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第五十四页，共113页。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

47、电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，对电网(dinwng)和电动机本身都是不利的。对电网(dinwng)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

48、是衡量电动机启动性能的主要技术指标。54 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动(qdng)特性特性55第五十五页，共113页。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(yuy)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Ist 可达额定电流I N 的57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Tst=KmI 2st cos 2st 却不大，一般Tst=(0.8 1.5

49、)TN。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(xngnng)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第五十六页，共113页。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(dinyun)，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

50、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(dinyun)）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第五十七页，共113页。例：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN=20kW，Ist/