交流电动机的工作原理及特性

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1、1 第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性本 章 要 求 ：5.1 三 相 异 步 电 动 机 的 结 构 和 工 作 原 理基 本 结 构 、 工 作 原 理 、 定 子 绕 组 接 线 方 式5.2 三 相 异 步 电 动 机 的 定 子 和 转 子 电 路5.3 三 相 异 步 电 动 机 的 转 矩 与 机 械 特 性 2 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

2、 用 。3、 学 会 用 四 个 象 限 来 分 析 异 步 电 动 机 的 运行 状 态 。4、 掌 握 单 相 电 动 机 的 工 作 原 理 和 启 动 方 法 。5、 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 。 3 包 括 定 子 和 转 子 两 部 分 。定 子 绕 组 是 对 称 的 三 相绕 组 ， 产 生 旋 转 磁 场 。三 相 异 步 机 的 结 构 4 三 相 异 步 机 的 结 构 Y BZXAC转 子 定 子定 子 绕 组（ 三 相 ） 机 座转 子 ： 在 旋 转 磁 场 作 用 下， 产 生 感 应

3、 电 动 势 或 电 流 。转 子 有 鼠 笼 式 和 绕 线 式 。 由于 鼠 笼 式 异 步 电 动 机 具 有 一系 列 的 优 点 ， 应 用 广 泛 。鼠 笼 转 子 5 工 作 原 理 ： 它 是 基 于 电 磁 感 应 和 电 磁 力 的 原 理 。定 子 旋 转 磁 场 （ 合 成 磁 场 ） 和 转 子 电 流 的 相 互作 用 。三 相 异 步 机 的 工 作 原 理异 步 电 动 机 的 由 来 。 转 子 和 旋转 磁 场 之 间 的 转 速 差 是 保 证 转子 旋 转 的 主 要 因 素 。 S的 取 值 范围 0-1。 也 是 很 重 要 的 一 个 物 理量 。

4、 00n nns 思 考 定 子 旋 转 磁 场 的 产 生 的 原 因 ？ 6 旋 转 磁 场 的 产 生AYC BZ异 步 机 中 ,旋 转 磁 场 代 替 了 旋 转 磁 极 Ai Bi CimI t0n()电 流 出 ()电 流 入X 240sin 120sinsin tIi tIi tIi mC mB mA 70t AXYC BZNS Ai Bi CimI t Bi AX BYC ZAiCi 合 成 磁 场 方 向 ：向 下 8180t X BZ0n AYC 60t AXYC BZS N0n 60 A 120t XYC BZ0n 同 理 分 析 ， 可 得其 它 电 流 角 度 下的

5、 磁 场 方 向 ： Ai Bi Ci tmI 9 旋 转 方 向 ： 取 决 于 三 相 电 流 的 相 序 。 0n 0n改 变 电 机 的 旋 转 方 向 ： 换 接 其 中 两 相 Ai Bi CimI t Ai Ci BimI t旋 转 磁 场 的 旋 转 方 向 10 旋 转 磁 场 的 转 速 大 小 分 ）转 /( 600 fn 一 个 电 流 周 期 ， 旋 转 磁 场 在 空 间 转 过 360 。 则 同 步 转 速 （ 旋 转 磁 场 的 速 度 ） 为 ：A XYC BZNS AXYC BZS N0n 60 AXYC BZNSAi Bi CimI t 11 极 对 数

6、 （ P） 的 概 念 Bi AX BYC ZAiCi 1p此 种 接 法 下 ， 合 成 磁 场 只 有 一 对 磁 极 ， 则 极 对 数 为 1。即 ： AXYC BZNS 12 极 对 数 （ P） 的 改 变C YA BC X YZ AXBZAi BiCi 将 每 相 绕 组 分 成 两 段 ， 按 右 下 图 放 入 定 子槽 内 。 形 成 的 磁 场 则 是 两 对 磁 极 。X AA XBYB Y CZC Z 13极 对 数 2p AX XAN SS N Z CZC BYB YC YA BC X YZ AXBZAiCi Bi Ai Bi CimI t 14 X N SA S

7、N Z BX A Y CZBC Y 0t分 ）转 /( 600 pfn 60tA 0n A ZX XCZCS N SN30极 对 数 和 转 速 的 关 系 Ai Bi CimI t 15 定 子 绕 组 每 相 都 由 许 多 线 圈 组 成 ， 其 首端 和 末 端 通 常 都 接 在 电 动 机 的 接 线 盒 内 的 接线 拄 上 。当 电 机 为 星 形 联 结 时 ：1、 2、 3点 封 成 星 点 ， 6、4、 5点 接 电 源 。当 电 机 为 三 角 形 联 结 时 ： 1-6、 2-4、 3-5点 封 接 ， 同 时 外 接 电 源 。定 子 绕 组 接 线 方 式 16

8、5.2 三 相 异 步 电 动 机 的 定 子 和 转 子 设 定 子 和 转子 每 相 绕 组 匝 数为 N1和 N2， 旋 转磁 场 的 磁 感 应 强度 近 于 正 弦 分 布 。把 电 动 机 的 电 磁 关 系 同 变 压 器 类 似 。i2定 、 转 子 电 路R1 R2i1u1 e1e 1 e2e 2 17 一 、 定 子 电 路 分 析 ：二 、 转 子 电 路 分 析 ： dtdNe 11 11 UEm 6001 pnff dtdNe 22 12 fSf 转 子 电 流 的 频 率 随 速 度 的 变化 而 变 化 。 mNfE 222 44.4 mNfE 2120 44.4

9、 mNfUUE 11111 44.42 18 设 转 子 回 路 每 相 绕 组 的 电 阻 和 漏 磁 感抗 为 R2和 X2， 且 有 ： 222 2 lLfX 则 转 子 每 相 回 路 电 流 为 ： 2 2022 202222 22 SXR SEXR EI 转 子 电 路 的 功 率 因 素 为 ： 22022 22cos SXR R 19 可 见 ： 转 子 电 路 中 的各 个 物 理 量 均 与 S有关 ， 即 与 转 速 有 关 。三 相 异 步 电 动 机 的额 定 值 三 相 异 步 电 动 机 的 能 流 图 20 5.3三 相 异 步 电 动 机 的 转 矩 与 机

10、械 特 性一 、 电 磁 转 矩 是 一 个 非 常 重 要 的 物 理 量 ， 它 与磁 通 、 和 I2有 关 ， 还 应 考 虑 转 子 电 路 的 功 率 因素 。 22 cos IKT t 22022 22SXR URSKT 22022 202222 22 SXR SEXR EI 22022 22cos SXR R 21 二 、 机 械 特 性 sfT 由 上 式 得 到 ： Tfn5.3三 相 异 步 电 动 机 的 转 矩 与 机 械 特 性 22022 22SXR URSKT 22 1、 固 有特 性 曲 线分 析 四 个 特殊 点 的 情 况 ，并 进 行 讨 论 。理 想

11、空 载 点 ：T=0 S=0 N=N0额 定 运 行 点 ：T=Tn n=nN S=Sn NNN NPT 55.9 23T=Tmax n=Nm s=SmT=Tst n=0 s=1 启 动 点 ：临 界 点 ： 22022 22 XR URKTst 24Sm 和 Tst正 比 于 R2， 反 比于 X20， U决 定 了 Tst 和 Tmax的 大 小 ， Tmax与 R2无 关 。得 出 ： 202 XRSm 202max 2XUKT 25 第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性2、 人 为 特 性 曲 线 ： 22022 22SXR URSKT 在 此 式 中 ，

12、 改 变 U、 R2、f 都 可 以 改 变 机 械 特 性曲 线 。5.3三 相 异 步 电 动 机 的 转 矩 与 机 械 特 性 26降 低 电 压 U， Sm 和 n0不 变 ， 曲 线 左 移 ，降 低 电 压 U， 在 同 一负 载 下 ， N下 降 ， T下 降 ， S增 大 ， I2增大 ， 将 使 电 机 发 热 。 UnUU 12第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性 27 第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性定 子 回 路 串 电 阻 或 电 抗 ，会 引 起 电 动 机 端 电 压 下降 ， 与 降 压 相 似

13、， 但 最大 转 矩 要 大 一 些 。 28 改 变 电 源 频 率 ， 使 用 在恒 转 矩 情 况 下 ， 保 证 磁 通不 变 。 Tmax不 变 。 结 论 ： 则 频 率 下 降 后 ， Tmax不 变 ， Tst和 Sm增大 ， n0 下 降 。 fn 0fSm 1 fTst 1第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性 29 转 子 串 电 阻 ：N0和 Tmax不 变 。 Tst和 Sm随 R2的增 大 而 增 大 。 机械 特 性 曲 线 变 软 。第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性 30 5.4 三 相 异 步 电

14、动 机 的 启 动 特 性三 相 异 步 电 动 机 启 动 的 主 要 要 求 ： 要 有 足 够 大 的 启 动 转 矩 ， 启 动 要 快 、 平 滑 ，启 动 电 流 要 小 ， 启 动 时 安 全 、 可 靠 、 操 作 简便 ， 功 耗 小 等 。 由 于 三 相 异 步 电 动 机 启 动 时 N = 0， S = 1， 从而 引 起 很 大 的 转 子 和 定 子 电 流 ， 而 转 子 功 率因 数 很 低 ， 启 动 转 矩 不 大 。 为 解 决 这 个 矛 盾 ，采 用 不 同 的 启 动 方 法 。 （ 启 动 的 危 害 ）第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工

15、 作 原 理 及 特 性 31 5.4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特 性1、 鼠 笼 式 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法a. 直 接 启 动 （ 全 压 启 动 ）在 一 定 条 件 下 ， 允 许 直 接 启 动 。 书 上 P68页特 点 ： 无 需 启 动 设 备 ， 操 作 和 控 制 简 单 、 可靠 ， 在 大 多 数 工 矿 企 业 中 ， 绝 大 多 数 电 动机 采 用 此 方 法 。 32 b. 电 阻 或 电 抗 降 压 启 动 优 点 ： 将 使 定 子 中 电 流 减 少 。 但 缺 点 ： 启动 转 矩 将 减 少 ， 能 量 消 耗 大 ，

16、不 经 济 。 它 适 合于 不 经 常 启 动 或 用 于 空 载 、 轻 载 的 电 动 机 。c. Y-降 压 启 动 适 合 于 电 动 机 为 接 法 。 Y启 动 ， 待 电 动机 速 度 上 升 到 一 定 值 后 ， 切 换 到 运 行 。5.4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特 性 33 Y启 动 的 线 电 流 是 启 动 线 电 流 的 三 分 之一 ， 同 时 Y启 动 启 动 转 矩 也 是 启 动 转 矩 的 三分 之 一 。 特 点 ： 设 备 简 单 ， 经 济 ， 启 动 电 流 小 。 缺 点 ： 启 动 转 矩 小 ， 只 适 合 于 轻 载 和

17、 空 载启 动 。5.4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特 性 3411212 NNUUK stIKIKI 221 d. 自 耦 变 压 器 降 压 启 动 自 耦 变 压 器 的 三 个 绕 组 连 成 星 形 接于 三 相 电 源 ， 使 接 于 变 压 器 副 边 的 电 动机 降 压 启 动 ， 待 电 动 机 速 度 上 升 到 一 定值 后 ， 切 除 自 耦 变 压 器 。5.4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特 性 35 这 与 Y-降 压 启 动 的 情 况 一 样 ， 只 是 在 Y-降 压 启 动 时 ， 而 自 耦 变 压 器 降 压 启动 的 K值

18、 是 可 以 调 节 的 。31K5.4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特 性 特 点 ： K值 可 调 ， 较 灵 活 。 但 缺 点 是 ： 它 体 积 大 ， 重 量 重 ， 价 格 高 ，修 理 麻 烦 。 常 用 于 不 经 常 启 动 、 启 动 转 矩较 大 、 容 量 较 大 的 电 动 机 上 。 36 e. 延 边 三 角 形 启 动 这 种 方 法 也 属 于 降 压 启 动 ， 由 于 接 法 原 因 ，使 启 动 电 流 和 启 动 转 矩 都 较 大 。 使 用 较 少 。 应 根 据 实 际 情 况 ， 合 理 选 择 电 动 机 启 动 方 法 。5.

19、4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特 性2、 绕 线 式 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法 由 于 鼠 笼 式 异 步 电 动 机 具 有 启 动 力 矩 小 ，启 动 电 流 大 等 特 点 ， 不 能 满 足 某 些 高 启 动 转 矩低 启 动 电 流 的 要 求 ， 故 用 绕 线 式 异 步 电 动 机 。 37 a. 逐 级 切 除 电 阻 法与 直 流 电 机 相 似 ， 转子 串 入 电 阻 ， 逐 步 切除 ， 并 保 证 在 整 个 启动 过 程 中 ， 有 较 大 的启 动 转 矩 。 LAa TTT 1 5.4 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 特

20、 性 38 b. 频 敏 变 阻 器 启 动 法逐 级 切 除 电 阻 较 难 实 现 理 想 的 启 动 ， 同 时 存 在 有劳 动 强 度 大 、 增 加 附 加 设 备 、 维 修 麻 烦 等 缺 点 。采 用 频 敏 变 阻 器 来 启 动 三 相 异 步 电 动 机优 点 ： 具 有 自 动 平 滑 调 节 启 动 电 流 和 启 动 转 矩 的特 性 。 且 结 构 简 单 ， 运 行 可 靠 ， 无 须 经 常 维 修 。 缺 点 ： 功 率 因 数 低 ， 启 动 转 矩 的 增 大 受 到 限 制 ，不 能 作 调 速 电 阻 用 。5.4 三 相 异 步 电 动 机 的

21、启 动 特 性 39 5.5 三 相 异 步 电 动 机 调 速 特 性)1(60)1(0 SP fSnn 改 变 P、 S（ U R） F都 可 以 实 现 调 速 。1、 调 压 调 速 改 变 电 源 电 压 U时 ， 人 为 特 性 曲 线 中 Tmax变小 ， 而 不 变 。 mSn0 对 于 恒 转 矩 负 载 ， 调 速 范 围 不 大 。 对 于风 机 设 备 的 调 速 范 围 稍 宽 一 点 。 40 mS这 种 调 速 方 法能 够 实 现 无 级调 速 ， 但 当 电压 降 低 时 ， 转矩 按 电 压 的 平方 比 例 减 少 。所 以 调 速 范 围不 大 。定 子

22、 串 电 阻 和 晶 闸 管 调 压 调 速 都 属 于 这 种 方 法 。 41 2、 转 子 电 路 串 电 阻 调 速转 子 电 路 中 串 不 同的 电 阻 ， 其 不 变 ， 而 Sm随 电阻 的 增 大 而 增 大 ，电 动 机 的 转 速 降 低 。max0Tn 0nmS它 只 适 应 于 绕 线 式 电 动机 ， 是 有 级 调 速 ， 随 转速 降 低 ， 特 性 变 软 ， 启动 电 阻 兼 作 调 速 电 阻 用 ，要 考 虑 发 热 和 低 速 损 耗 。 它 多 用 在 重 复 短 期 运转 的 起 重 运 输 设 备 中 。 42 3、 改 变 极 对 数 调 速

23、用 于 多 速 鼠 笼 式 电 机 ， 不 需 要 平 滑 调 速 ，只 要 几 个 特 定 速 度 ， 以 双 速 电 机 使 用 最 多 。其 主 要 是 改 变 每 相 定 子 绕 组 中 电 流 的 方 向 ，通 过 改 变 定 子 绕 组 接 线 方 式 来 实 现 。有 两 种 ：YYY 每 相 绕 组 由 串 联 变 为 并 联 ， 极 对 数减 少 1倍 ， 转 速 提 高 1倍 ， 属 于 恒 转矩 调 速 。 43 保 证 改 变 极 对 数 后 转 向 不 变 ， 要 注 意同 时 改 变 相 序 ， 设 计 控 制 线 路 时 要 特 别 注意 。 一 般 先 低 速

24、， 后 高 速 ， 这 样 才 有 大 的启 动 转 矩 。 极 对 数 减 少 1倍 ， 转 速 提 高 1倍 ，但 转 矩 减 少 1倍 ， 属 于 恒 功 率调 速 。YY 3、 改 变 极 对 数 调 速 44 4、 变 频 调 速由 于 ， 若能 够 连 续 改 变 频率 ， 可 实 现 平 滑调 速 。 多 用 于 鼠笼 式 异 步 电 动 机 。可 采 用 SCR和PWM调 速 。fn 45 5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性第 五 章 ： 交 流 电 动 机 的 工 作 原 理 及 特 性5.7 单 相 异 步 电 动 机5.8 同 步 电 动 机 46 5

25、.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性1、 反 馈 制 动由 于 某 种 原 因 ，使 ， S小 于 0，电 动 机 进 入 发 电 状态 。 此 时 转 子 反 向切 割 磁 力 线 ， 故 电流 、 转 矩 均 反 向 ，T起 制 动 作 用 。 0nn 47电 机 吸 收 的 功 率反 馈 给 电 网 。 也是 发 电 制 动 。 一 种 是 负 载 是 位 能转 矩 的 下 放 重 物 时 。一 种 是 发 生 在 变 极或 变 频 调 速 时 。5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性 48 2、 反 接 制 动5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制

26、动 特 性a.电 源 反 接 正 转 运 行 时 ，突 然 改 变 通 电 相序 ， 特 性 曲 线 变到 第 三 象 限 ， 由于 惯 性 作 用 ， N不能 突 变 ， 只 能 过渡 到 第 二 象 限 。 49 由 于 电 源 反 接 ， T变 负 ， 与 N相 反 ，成 为 制 动 转 矩 ， 与负 载 转 矩 一 起 ， 使电 机 减 速 并 停 止 。a b c5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性过 零 时 切 断 电 源 ,否 则电 动 机 将 反 向 启 动 。 50 5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性由 于 反 接 制 动 电流 很 大

27、， 应 在 定子 中 串 入 电 阻 。特 性 曲 线 变 为 3，a d e 51 b.倒 拉 反 接 制 动5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性 使 用 在 起 重 机 下 放 位能 负 载 时 ， 为 使 下 降 速 度不 致 太 快 ， 在 转 子 中 串 入较 大 的 电 阻 。 在 位 能 性 负 载 的 作 用下 ， 电 动 机 沿 曲 线 2减 速过 零 ， 并 在 D点 稳 定 运 行 。 52 dcba 进 入 第 四 象 限 后 ， N变 负 ， S大 于 1， 是 反接 制 动 。 它 是 一 种 能稳 定 运 转 的 制 动 状 态 。5.6 三 相

28、 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性 53 5.6 三 相 异 步 电 动 机 的 制 动 特 性3、 能 耗 制 动由 于 反 接 制 动 在 准确 停 车 上 有 困 难 ，易 造 成 反 车 ， 能 量损 耗 也 较 大 。能 耗 制 动 是 先 断 开电 源 ， 加 低 压 直 流电 于 定 子 ， 建 立 一个 固 定 不 变 的 磁 场 。 54 则 转 子 导 体 内的 电 流 与 该 磁 场 相互 作 用 ， 产 生 与 实际 运 转 方 向 相 反 的制 动 转 矩 ， 在 它 的作 用 下 ， 电 动 机 迅速 下 降 并 能 准 确 停车 。 5.6 三 相 异 步

29、电 动 机 的 制 动 特 性 55 5.7 单 相 异 步 电 动 机a. 磁 场 和 工 作 原 理 由 于 单 相 电 产 生交 变 脉 动 的 磁 场 ， 并可 以 分 解 成 为 两 个 转速 和 大 小 相 等 而 方 向相 反 的 旋 转 磁 场 。 56 从 曲 线 可 以 看 出 ，两 个 电 磁 转 矩 大 小 相 等而 方 向 相 反 ， 合 成 转 矩 为 零 ， 因 而 转 子 不 能 自行 启 动 。 故 要 解 决 电 机的 启 动 转 矩 问 题 。 使 电 机 产 生 一 个 旋 转 磁 场 ， 就 可 以 建 立 启动 转 矩 而 自 行 启 动 。5.7

30、单 相 异 步 电 动 机 57 b. 单 相 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法5.7 单 相 异 步 电 动 机 在 定 子 中 嵌 入 运 行 和 启 动 绕组 ， 并 使 它 们 相 互 垂 直 ， 适 当 选择 电 容 参 数 ， 使 两 者 电 流 在 相 位上 相 差 90度 ， 通 电 后 可 产 生 旋 转磁 场 ， 实 现 启 动 。 方 向 由 相 位 超前 绕 组 流 向 滞 后 绕 组 。 其 规 律 与三 相 电 相 同 。 58 AB 如 要 实 现 反转 ， 必 须 改 变 电容 器 的 串 联 位 置来 实 现 。电 容 分 相 式 异 步电 动 机5.7

31、 单 相 异 步 电 动 机 59 5.8 同 步 电 动 机 其 结 构 上 定 子 为 三 相 对 称 绕 组 ， 转 子 为 直流 电 励 磁 磁 极 。 其 工 作 原 理 ： 三 相 对 称 交 流 电产 生 旋 转 磁 场 ， 与 转 子 磁 极 相 互 作 用 ， 使 转 子与 电 枢 旋 转 磁 场 一 起 以 同 步 转 速 旋 转 。 其 机 械特 性 为 ：同 步 电 机 转 子 励 磁 电 流 调节 可 改 变 功 率 因 数 的 大 小和 性 质 （ 感 性 或 容 性 ） 。 60 同 步 电 机 具 有 功 率 因 数 可 调 、 运 行速 度 恒 定 的 优 点 ， 但 结 构 复 杂 ， 启 动 和控 制 设 备 较 昂 贵 ， 主 要 用 在 低 速 大 功 率场 合 中 。 同 步 电 机 采 用 异 步 启 动 法 。5.8 同 步 电 动 机