第四章交流电动机new.docx

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第四章交流电动机new

第四章交流电动机及电气控制

交流电机可分为同步电机和异步电机（或称感应电动机）两大类，它们的定、转子磁场是旋转的,而直流电机的磁场是静止。

同步电机是指电机运行时的转子转速与旋转磁场的转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步旋转。

异步电机是指电机运行时的转子转速与旋转磁场的转速不相等，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步。

同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。

现代电力工业几乎都是采用同步发电机，本章不作详细介绍，只介绍同步电动机。

异步电机主要用作电动机。

异步电动机中又有三相异步电动机和单相异步电动机两类，后者常用于使用单相交流电源的家用电器和医疗仪器中。

而三相异步电动机具有结构简单、制造、维护和使用方便、价格低廉、运行可靠、效率较高等一系列优点，因此，在工、农业生产、交通运输业、国防工业中应用最广泛，有90％左右的电动机采用三相异步电动机，在电网总负荷中，异步电动机占60％左右。

但是异步电动机的缺点是功率因数降低，运行时必须从电网中吸取感性无功功率以建立旋转磁场，而且运行时受电网电压波动影响较大；另外，其起动性能与调速性能都较直流电动机差。

不过随着晶闸管元器件及交流调速系统的发展，其调速性能已大大提高。

本章主要介绍三相异步电动机的基本工作原理和基本结构，以及起动、制动、调速等特性和方法及其继电-接触器基本控制电路。

最后介绍单相异步电动机、电磁调速异步电动机及同步电动机。

继电-接触器式控制是应用最早的控制系统，它是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路，来实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速的控制；

实现对电力拖动系统的保护和生产过程的自动化。

尽管电力拖动系统已向无触点、连续控制、弱电化、微机控制方向发展，但由于继电-接触器控制系统具有结构简单、维护方便、价格低廉等优点，能够满足各种生产机械的不同的工艺过程，目前仍然广泛应用。

第一节三相异步电动机的基本工作原理和结构

一、旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕组，若通以三相对称交流电流，将产生旋转磁场。

现采用作图法来证明。

以两极三相异步电动机为例，如图4-1所示，定子绕组是两极的三相对称绕组。

两极的

每个线圈在空间的跨距是1／2圆周，而三相对称绕组是指每相绕组的匝数、连接规律等相同且在空间布置上各相轴线相差120o空间电角的绕组，为了简化分析，可以用轴线相差120o

电角的三个线圈来代表，线圈的首端分别为U1、V1、W1，尾端分别为U2、V2、W2。

图4-1两极旋转磁场示意图

三相对称电流在时间上相差120o，其表达式为

iU=Imcost

iV=Imcos（t-120o）

iW=Imcos（t–240o）

规定：

电流为正时，电流从线圈的首端（U1、V1、W1）流入，从线圈的尾端（U2、V2、W2）流出；电流为负值时则方向相反，从线圈的首端流出，而从线圈的尾端流入。

用符号“”表示电流流入，“”表示电流流出。

选择t=0o，t=120o，t=240o，t=360o等几个特定的时刻分析。

首先以t=0o这一时刻为例，如图4-la所示。

此时iU=Im，电流从U1流入，以“”表示，从U2流出，以“”表示；iV=iW=Im／2，电流分别从V1及W1流出，以“”表示，而从V2及W2流入，以“”表示。

根据右手螺旋定则可知，三相绕组中电流产生的合成磁场的方向是从上向下，用同样的方法可画出t=120o、t=240o、t=360o时的电流及三相合成磁场的方向分别如图4-1的b、c、d所示。

比较图4-l中的四个时刻，可以看出三相基波合成磁场具有如下特点：

第一，三相基波合成磁场在空间是正弦分布，其轴线在空间是旋转的，故称旋转磁场。

其幅值恒定不变，是圆形旋转磁场。

第二，当某相电流达到最大值时，合成磁场的轴线也正好转到该相的相轴上。

因此，在

三相绕组空间排序不变的条件下，旋转磁场的转向由电流的相序决定，若要改变旋转磁场的转向，只需将三相电源进线中的任意两相对调即可。

第三，旋转磁场的转速，如图4-1所示，可知电流在时间上变化了t=360o电角时，即

电流变化一周期，旋转磁场在空间也转过360o电角。

在二极的情况下，转过的机械角也是

360o，即在空间正好转过一圈。

电流每秒变化ƒ周期，则旋转磁场的转速n1为每秒ƒ转或

每分钟60ƒ转，即

n1=60ƒ（r／min）

如果将三相定子绕组排列成四极，

如图4-2所示。

当通以三相对称电流

时，用同样的方法可以画出四个特定

瞬间的电流分布和合成磁场图。

我们

习惯把一对磁极所占的空间角度作为

360o，从电磁观点看，经过N、S一

对磁极时磁场的空间分布曲线或线圈

中的感应电动势正好变化一周期。

这

种角度称为电角度。

但以机械角度计

算只是180o，即1／2圆周。

所以电角

度是机械角度的两倍。

因此，四极电图4-2四极旋转磁场示意图

机的旋转磁场转速为

n1=

（r／min）

并由此可推断：

对于p对极三相交流电机来说，因为电角度是机械角度的p倍，即

电角度=p×机械角度

因此其旋转磁场转速的一般表达式为

n1=

（r／min）（4-1）

从上面的分析可知，旋转磁场的空间旋转电角度与电流在时间上变化的电角度总是相等

的，所以n1又称为同步转速。

二、三相异步电动机的基本工作原理

由上面的分析可知：

当三相异步电动机接到三相交流电源上，三相定子绕组就能在气隙中产生旋转磁场。

若旋转磁场的转向及瞬时位置如图4-3所示，则静止的转子相对磁场运动而切割磁力线，感应出电动势（方向由右手定则判断）。

转子绕组是闭合的，就有转子电流产生，若不考虑电动势与电流的相位差，则电动势的方向就是电流方向，该电流与旋转磁场相互作用，使转子绕组中产生电磁力ƒ（方向由左手定则判断），而转子绕组中均匀分布的每一导体上的电磁力形成一个对转轴的电磁转矩T，它驱动转子沿旋转磁场的方向旋转起来。

显然，三相异步电动机的转子转速最终不会加速到等于旋转磁场的转速。

因为如果同步，转子绕组与旋转磁场之间没有相对运动，就不会感应电动势并产生电流，也不会产生电磁转矩使转子继续转动。

所以转子的转速n总要略低于旋转磁场的转速n1，这就是异步电动机的“异步”由来。

图4-3三相异步电动机旋转原理

转差（n1-n）是异步电动机运行的必要条件，我们将转差（n1-n）与同步转速n1的比值称为转差率，用符号s表示，即

s=

（4-2）

转差率是异步电动机的一个基本参数，它对电机的运行有着很大的影响。

它的大小同样也能反映转子转速，即

n=n1（1-s）

由于异步电机工作在电动状态时，其转速与同步速方向一致但低于同步速，所以电动状

态的转差率s的范围是：

0～1。

其中s=0，是理想空载状态；s=1，是起动瞬间。

对普通的三相异步电动机，为了使额定运行时的效率较高，通常设计成使它的额定转速略低于但很接近于对应的同步速，所以额定转差率sN一般为0.02～0.06。

因此当标准工业频率（即电流频率）为50Hz,对应不同极对数的同步速分别为：

p=1，

n1=3000r／min；p=2，n1=1500r／min；p=3，n1=1000r／min；p=4，n1=750r／min；p=5，n1=600r／min……。

三、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不同的分类方法。

若按转子绕组结构分类有：

笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两类。

笼型转子结构简单、制造、维护方便、成本低、运行可靠；绕线转子可通过外串电阻来改善起动性能并进行调速。

若按机壳的防护形式分类有：

防护式、封闭式和开启式。

还可按电动机容量的大小、冷却方式等分类。

不论三相异步电动机的分类方法如何，各类三相异步电动机的基本结构是相同的。

它们

都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。

图4-4是一台封

闭式三相笼型异步电动机的结构图。

图4-4封闭式三相笼型异步电动机的结构图

下面介绍各主要零部件的结构及作用。

1．定子

三相异步电动机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座等构成。

（1）定子铁心定子铁心是电动机主磁路的一部分，并放置定子绕组。

为了提高导磁性能和减少交变磁场在铁心中的铁心损耗，故采用片间绝缘的0.5mm厚的硅钢片迭压而成。

定子铁心及冲片的示意图如图4-5a、b所示。

为了放置定子绕组，在铁心内圆开有槽，槽的形状有：

半闭口槽、半开口槽和开口槽等，如图4-6所示。

它们分别对应放置小型、中型和大型的三相异步电动机的定子绕组。

图4-5定子铁心及冲片的示意图图4-6定子铁心槽形和绕组分布示意图

a）定子铁心b）定子冲片a）半闭口槽b）半开口槽c）开口槽

（2）定子绕组定子绕组是电动机的定子

电路部分，它将通过电流建立磁场，并感应

电动势以实现机电能量转换。

三相定子绕组的

每相由许多线圈按一定的规律嵌放在铁心槽内，

它可以是单层的，如图4-6a所示；也可以是

双层的，如图4-6b、c所示。

三相绕组的六个

出线端都引至接线盒上，首端分别为U1、V1、

W1，尾端分别为U2、V2、W2。

为了接线方

便，这六个出线端在接线板上的排列如图4-7

所示，根据需要可联成星形或三角形。

图4-7定子绕组的联结

（3）机座机座是电动机机械结构的组成a）星形联接b）三角形联接

部分，主要作用是固定和支撑定子铁心还要固

定端盖。

在中小型电动机中，端盖兼有轴承座的作用，则机座还要支撑电动机的转子部分，故机座要有足够的机械强度和刚度。

中小型电动机一般采用铸铁机座，而大容量的异步电动

机采用钢板焊接机座。

2．转子

三相异步电动机的转子由转轴、转子铁心和转子绕组等所构成。

（1）转子铁心转子铁心也是电动机主磁路的一部分并要放置转子绕组。

它也用0.5mm厚的冲有转子槽形的硅钢片叠压而成。

中小型异步电动机的转子铁心一般都直接固定在转轴上，而大型三相异步电动机的转子铁心则套在转子支架上，然后让支架固定在转轴上。

（2）转轴转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件，它必须具有足够的刚度和强度。

转轴一般用中碳钢车削加工而成，轴端铣有键槽，用来固定带轮或联轴器。

（3）转子绕组转子绕组是转子电路部分，它的作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。

按其结构形式可分为笼型转子和绕线转子两种。

①笼型转子:

在转子铁心的每个槽内插入

一根导体，在铁心的两端分别用两个导电端环

把所有的导条联结起来，形成一个自行闭合的

短路绕组。

如果去掉铁心，剩下来的绕组形状

就像一个松鼠笼子,如图4-8所示,所以称之为

笼型转子。

对于中小型三相异步电动机，笼型

转子绕组一般采用铸铝，将导条、端环和风叶

一次性浇铸，如图4-8b所示。

大型三相异步电图4-8笼型转子绕组结构示意图

动机则采用铜条笼型转子，如图4-8a所示。

a）铜条笼型绕组b）铸铝笼型绕组

②绕线转子：

绕线转子绕组与定子绕组一1-风叶2-端环3-铝导条

样，也是一个对称三相绕组。

它联结成Y后，其三根引出线分别接到轴上的三个集电环，再经电刷引出而与外部电路接通，如图4-9a所示，可以通过集电环与电刷而在转子回路中串入外接的附加电阻或其它控制装置，以便改善三相异步电动机的起动性能及调速性能。

绕线转子异步电动机还装有提刷短路装置，如图4-9b所示。

当电动机起动完毕而又不需调速时，可操作手柄将电刷提起切除全部电阻同时使三只集电环短路起来，其目的是减少电动机在运行中电刷磨损和摩擦损耗。

3．气隙

三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，比同容量直流电动机的气隙要小得多，一

般仅为0.2～1.5mm。

气隙的大小对三相异步电动机的性能影响极大。

气隙大，则磁阻大，由电网提供的励磁电流（滞后的无功电流）大，使电动机运行时的功率因数降低。

但是气隙过小时，将使装配困难，运行不可靠；高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使起动性能变差。

图4-9绕线转子异步电动机示意图

a）接线图b）提刷装置

1-定子2-转子3-电刷4-集电环

四、三相异步电动机的铭牌

每一台三相异步电动机，在其机座上都有一块铭牌，铭牌上标注有型号、额定值等。

如

表4-l所示。

表4-l三相异步电动机的铭牌

1.型号

异步电动机型号的表示方法，与其它电动机一样：

一般采用汉语拼音的大写字母和阿拉

伯数字组成，可以表示电动机的种类、规格和用途等。

如异步电动机用“Y”表示；当然型号中也有用英文字母表示的，如S、M、L分别表示短、中、长机座。

下面举例说明：

Y112M-2

——规格代号，表示中心高112mm，中机座，两极

产品代号，表示异步电动机

YR160S2-4WF

特殊环境代号，W表示户外用，F表示化工防腐用

————规格代号，表示中心高160mm，短机座2号（长）铁心，四极

产品代号，Y表示异步电动机，R表示绕线转子

中心高越大，电动机容量越大，因此异步电动机按容量大小分类与中心高有关：

中心高

80～315mm为小型，315～630mm为中型，630mm以上为大型；在同样的中心高下，机座长即铁心长，则容量大。

2．额定值

额定值规定了电动机正常运行状态和条件，它是选用、安装和维修电动机时的依据。

异

步电动机的铭牌上标注的主要额定值有：

（1）额定功率PN指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率（kW）。

（2）额定电压UN指额定运行时，加在定子绕组出线端的线电压（V）。

（3）额定电流IN指电动机在额定电压额定频率下，轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流（A）。

对三相异步电动机的额定功率与其它额定数据之间有如下关系式

PN=

UNINcosNN（4-3）

式中cosN———额定功率因数；ηN———额定效率。

（4）额定频率ƒN表示电动机所接的交流电源的频率，我国电网的频率（即工频）规定为50Hz。

（5）额定转速nN指电动机在额定电压、额定频率下，轴上输出额定机械功率时的转子

转速（r／min）。

（6）绝缘等级指电动机内部所用绝缘材料允许的最高温升等级，它决定了电动机的允许温升。

（7）接法用Y或Δ表示。

表示在额定运行时，定子绕组应采用的连接方法。

（8）工作制指电动机按定额运行时的持续时间。

分为三种工作制：

长期工作制S1、短时工作制S2、断续工作制S3。

对于绕线转子异步电动机，还标明转子绕组的额定电压（指定子加额定频率的额定电压而转子绕组开路时集电环间的电压）和转子的额定电流，以作为配用起动变阻器等的依据。

五、三相异步电动机的主要系列简介

我国生产的异步电动机种类很多，现有老系列和新系列之分。

老系列电机已不再生产，现有的将逐步被新系列电机所取代。

新系列电机符合国际电工协会（IEC）标准，具有国际通用性，技术、经济指标更高。

我国生产的异步电动机主要产品系列有；

Y系列：

是一般用途的小型笼型全封闭自冷式三相异步电动机，取代了原先的JO2系列。

额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率范围为0.55～315kW，同步转速为600～3000r／

min，外壳防护型式有IP44和IP23两种。

该系列主要用于金属切削机床、通用机械、矿山机

械和农业机械等。

也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、

锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。

YR系列：

为三相绕线转子异步电动机。

用在电源容量小，不能用同容量笼型异步电动机

起动的生产机械上。

YD系列：

为变极多速三相异步电动机。

YQ系列：

为高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。

如压缩机、粉碎机等。

YZ和YZR系列：

为起重和冶金用三相异步电动机，YZ是笼型异步电动机，YZR是绕线转

子异步电动机。

YB系列：

为防爆式笼型异步电动机。

YCT系列：

为电磁调速异步电动机，主要用于纺织、印染、化工、造纸、船舶及要求变速的机械上。

其他系列的情况，可查阅有关电机手册。

例4-1一台Y160M2-2三相异步电动机的额定数据如下：

PN=15kW，UN=380V，cosN=0.88，ηN=88.2％，定子绕组Δ联结。

试求：

该机的额定电流和对应的相电流。

解该机的额定电流为

IN

=

=29.4A

相电流为IN=IN/

=29.4/

≈17A

例4-2一台三相异步电动机，额定功率PN=55kW，电网频率为50Hz，额定电压UN=380V，额定效率ηN=0.79，额定功率因数cosN=0.89，额定转速nN=570r／min，试求：

（1）同步转速n1；

（2）极对数p；（3）额定电流IN；（4）额定负载时的转差率sN。

解

（1）因电动机额定运行时转速接近同步转速，所以同步转速为600r／min。

（2）电动机极对数：

p=60ƒ1/n1=60×50/600=5，即为l0极电动机。

（3）额定电流：

IN

=

=l19A

（4）转差率：

sN=

=

=0.05

第二节三相异步电动机的等效电路

三相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子的。

这一点和变压器完全相似。

三相异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组则相当于变压器的二次绕组。

因此，可以沿用分析变压器的基本方法来分析异步电动机内部的电磁关系。

三相异步电动机的实际电路如图4-10所示。

与变压器的区别在于：

三相异步电动机的定子电路的频率ƒ1和转子电路的频率ƒ2不相等。

图4-10异步电动机的定子和转子电路

一、定子电路的分析

三相异步电动机定子绕组接在对称的三相电源上，转子轴上不带机械负载时的运行，称为空载运行。

空载运行时的定子电流称为空载电流，用

表示。

1．主、漏磁通的分布

为便于分析，根据磁通经过的路径和性质的不同，异步电动机的磁通可分为主磁通和漏

磁通两大类。

当三相异步电动机定子绕组通入三相对称交流电时，将产生旋转磁通势，该磁通势产生的磁通绝大部分穿过气隙，并同时交链定子、转子绕组，这部分磁通称为主磁通，用Ф1表示。

其路径为：

定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心，构成闭合磁路，如图4-11所示。

由于主磁通同时交链定、转子绕组而在其中分别产生感应电动势

和

。

又由于异步电动机的转子绕组为三相或多相短路绕组，在转子电动势的作用下，转子绕组中有电流通过。

转子电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，实现异步电动机的机电能量转换，因此，主磁通起了转换能量的媒介作用。

图4-11主磁通与漏磁通

除主磁通外的磁通称作漏磁通，用Ф1σ表示。

漏磁通只交链于定子绕组，而不交链于转子绕组。

由于漏磁通沿磁阻很大的空气形成闭合回路，因此它比主磁通小很多。

它仅在定子绕组上产生漏电动势

，因此不能起能量转换的媒介作用，只起电抗压降的作用。

2．主、漏磁通感应的电动势

主磁通在定子绕组中感应的电动势为

=-j4.44f1NlkW1

（4-4）

式中N1———定子每相串联匝数。

kW1——定子绕组的基波绕组因素,它反映了交流绕组采用短距和分布绕组后对基波电动势大小的影响。

和变压器一样，定子漏磁通在定子绕组中感应的漏电势可用漏抗压降的形式表示，即

=-jx1

（4-5）

式中x1称为定子每相漏电抗，x1=2ƒ1L1,它是对应于定子漏磁通的电抗。

3．定子电压平衡方程式

设定子绕组上外加电压为U1，相电流为I0，定子每相电阻为r1，与分析变压器时相似，根据基尔霍夫第二定律，可列出每相的定子电压平衡方程式。

=-

+

r1+j

x1=-

+

（r1+jx1）

=-

+

Z1（4-6）

式中，Z1为定子绕组的漏阻抗，Z1＝r1+jx1。

=-

（rm+jxm）（4-7）

式中，rm+jxm=Zm为励磁阻抗，其中rm为励磁电阻，是反映铁心损耗的等效电阻，xm为励磁电抗，与主磁通相对应。

由于r1、x1较小，其电压降与电动势

比较，可忽略，于是

≈-

或U1≈E1

二、转子电路的分析

转子不转时，气隙旋转磁场以同步转速n1切割转子绕组，当转子以转速n旋转后，旋转磁场就以（n1-n）的相对速度切割转子绕组，因此，当转子转速n或转差率s变化时，转子绕组各电磁量将随之变化。

所以在讨论电动机的转矩前，必须先弄清转子绕组各电磁量与s之间的关系。

1．转子电动势的频率

感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度，故转子电动势的频率为

ƒ2=sƒ1（4-8）

式中，ƒ1为电网频率，为一定值，故转子绕组感应电动势的频率ƒ2与转差率s成正比。

当转子不转（如起动瞬间）时，n=0，s=l，则ƒ2=ƒ1，即转子不转时转子感应电动势频率与定子感应电动势频率相等；当转子接近同步速（如空载运行）时，n≈n1，s≈0，则ƒ2≈0。

异步电动机在额定情况运行时，转差率很小，通常在0.02～0.06之间，若电网频率为50Hz，则转子感应电动势频率仅在1～3Hz之间，所以异步电动机在正常运行时，转子绕组感应电动势的频率很低。

2.转子绕组的感应电动势

转子旋转时的转子绕组感应电动势为

E2s=4.44ƒ2N2kW2Ф1（4-9）

若转子不转，其感应电动势频率ƒ2=ƒ1，故此时感应电动势E2为

E2=4.44ƒ1N2kW2Ф1（4-10）

得

E2s=sE2（4-11）

上式表明：

转子绕组感应电动势也与转差率成正比。

当转子不转时，转差率s=1，主磁通切割转子的相对速度最快，此时转子电动势最大。

当转子转速增加时，转差率将随之减小。

因正常运行时转差率很小，故转子绕组感应电动势也就很小。

3．转子绕组的漏阻抗

由于电抗与频率成正比，故转子旋转时的转子绕组漏电抗x2s为

x2s=2ƒ2L2=2ƒ1sL2=sx2（4-12）

式中，x2为转子不转时的漏电抗，L2为转子绕组的每相漏电感。

上式表明：

转子旋转时的转子绕组漏电抗也正比于转差率s。

同样，在转子不转（如起动瞬间）时，s=l，转子绕组漏电抗最大。

当转子转动时，它随转子转速的升高而减小。

4．转子绕组的电流

由于转子绕组感应电动势和转子绕组漏电抗都随s的变化而变化，并考虑转子绕组电

阻r2，故转子绕组电流I2s也与转差率s有关，即

I2s=

=

（4-13）

上式说明了转子电流随s的增大而增大。

当电动机起动瞬间，s=1为最大，转子电流也

为最大；当转子旋转时，s减小，转子电流也随之减小。

5．转子绕组功率因数

cos2=

（4-14）

上式说明，转子回路功率因数也与转差率s有关。

当s＝0时，cos2=1；当s增加时，cos2则减小。

转子绕组各电磁量随s的变化的规律如图4-12所示。

图4-12转子各电磁量与转差率s的关系

三、三相异步电动机的等效电路

因定、转子电路的频率不同，为了象变压器那样，得到一个统一的等效电路，则必须进行两