《电机驱动与调速》第12讲（三相电机结构、原理与机械特性）

《《电机驱动与调速》第12讲（三相电机结构、原理与机械特性）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电机驱动与调速》第12讲（三相电机结构、原理与机械特性）（24页珍藏版）》请在七七文库上搜索。

1、1 第第 1212 讲讲 项目项目3 3 交流异步电动机及其检修交流异步电动机及其检修 任务任务6 6 三相异步电动机三相异步电动机 情景情景1 1 三相异步电动机的结构、原理三相异步电动机的结构、原理 与机械特性与机械特性 教学目标教学目标 1 1、熟悉三相异步电机的结构与原理、熟悉三相异步电机的结构与原理 2 2、掌握三相异步电机的机械特性、掌握三相异步电机的机械特性 教学重点教学重点 三相异步电机的结构与原理三相异步电机的结构与原理 教学难点教学难点 三相异步电机的机械特性三相异步电机的机械特性 教学方法教学方法 探究式、演示、情境交融、启发互动式教学法探究式、演示、情境交融、启发互动式

2、教学法 教学手段教学手段 多媒体教学、动画演示教学多媒体教学、动画演示教学 作业布置作业布置 作业题作业题3 3-1 1 2 教学过程：教学过程：情景情景1 1 三相异步电动机的结构、原理三相异步电动机的结构、原理 与机械特性与机械特性 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成 电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。生产上主要用的是交流

3、电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简 单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造 机械、功率不大的通风机及水泵等。机械、功率不大的通风机及水泵等。1 1、三相异步电动机的结构、三相异步电动机的结构 （1 1）结构）结构 三相异步电动机的主要组成是三相异步电动机的主要组成是定子（固定）定子（固定）和和转子（旋转）转子（旋转）两个部分。两个部分

4、。如图如图3 3-1 1所示。所示。3 (a)(a)铜条转子绕组铜条转子绕组 (b)(b)铸铝转子铸铝转子 图图3 3-1 1 三相电动机的结构图三相电动机的结构图 图图3 3-2 2 笼型转子绕组笼型转子绕组 三相笼型异步电动机按转子结构不同分为三相笼型异步电动机按转子结构不同分为笼型笼型和和绕线绕线转子三转子三相相 异步电动机。异步电动机。三相笼型异步电动机笼型转子绕组如图三相笼型异步电动机笼型转子绕组如图3 3-2 2所示，其组成如图所示，其组成如图 3 3-3 3所示。所示。4 图图3 3-3 3 三相笼型异步电动机的组成部件图三相笼型异步电动机的组成部件图 5 1 1）定子）定子 定

5、子铁心冲片的具体结构如图定子铁心冲片的具体结构如图3 3-4 4所示。所示。常用的定子铁心槽形如图常用的定子铁心槽形如图3 3-5 5所示。所示。（a a）定子铁心冲片）定子铁心冲片 （b b）转子铁心冲片）转子铁心冲片 1 1-线圈导线线圈导线 2 2-槽绝缘槽绝缘 3 3-槽楔槽楔 4 4-层间绝层间绝缘缘 图图3 3-4 4 铁心冲片铁心冲片 图图3 3-5 5 定子铁心线槽定子铁心线槽 电动机的静止部分称为定子，主要包括定子铁心、定子绕组、电动机的静止部分称为定子，主要包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖、风罩等部件。机座、端盖、风罩等部件。6 2 2）转子）转子 转子是电动机的旋转部分

6、，由转子铁心、转子绕组、转轴和转子是电动机的旋转部分，由转子铁心、转子绕组、转轴和风叶等组成。风叶等组成。笼型转子有两种不同的结构型式。笼型转子有两种不同的结构型式。一种结构为一种结构为铜条转子铜条转子，即在转子铁心槽内放置没有绝缘的铜，即在转子铁心槽内放置没有绝缘的铜条，铜条的两端用短路环焊接起来形成一个笼型的形状，如图条，铜条的两端用短路环焊接起来形成一个笼型的形状，如图3 3-2 2（a a）所示。）所示。另一种结构为中小型异步电动机的笼型转子，一般为另一种结构为中小型异步电动机的笼型转子，一般为铸铝式铸铝式转子转子，将熔化了的铝浇铸在转子铁心槽内成为一个整体，连两端，将熔化了的铝浇铸在

7、转子铁心槽内成为一个整体，连两端的短路环和风扇叶片一起铸成，如图的短路环和风扇叶片一起铸成，如图3 3-2 2（b b）所示。）所示。7 3 3）空气隙）空气隙 为保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定为保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙（的空气隙，中小型电动机的空气隙（0.20.21.01.0）mmmm。鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。（2 2）铭牌）铭牌 三相异步电动机的铭牌标出

8、了电动机的主要技术数据，供正三相异步电动机的铭牌标出了电动机的主要技术数据，供正确选用电动机之用。确选用电动机之用。1 1）型号）型号 8 图图3 3-6 6 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌 2 2）额定功率（）额定功率（kWkW）：电动机在额定工作状态（额定电压、额）：电动机在额定工作状态（额定电压、额 定负载和规定冷却条件）下运行时，转轴上输出的机械功率。输定负载和规定冷却条件）下运行时，转轴上输出的机械功率。输出出 功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗，包括铜损、损耗，包括铜损、铁损及机械损耗铁损及机械损耗等。等。输出功率与输

9、入功率的比值称为效率。一般鼠笼式电动机在输出功率与输入功率的比值称为效率。一般鼠笼式电动机在额额 定运行时的效率约为定运行时的效率约为72%72%93%93%。9 3 3）额定电流（）额定电流（A A）：电动机额定运行时定子绕组的最大线电）：电动机额定运行时定子绕组的最大线电流流 允许值。允许值。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间间 相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建建 立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电立旋转磁场的励磁电

10、流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流流 都随着相应增大。都随着相应增大。4 4）额定电压（）额定电压（V V）：电动机正常运行时电源线电压。）：电动机正常运行时电源线电压。5 5）额定转速（）额定转速（r/minr/min）：电动机在额定状态下运行时的转速。）：电动机在额定状态下运行时的转速。不同的磁极数对应有不同的转速等级。详见后面的专题介绍。不同的磁极数对应有不同的转速等级。详见后面的专题介绍。6 6）功率因数）功率因数 三相异步电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一三相异步电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个个 角，角，coscos 就是电动机的功率因数。就是电动机的

11、功率因数。三相异步电动机的功率因数较低，额定负载时约为三相异步电动机的功率因数较低，额定负载时约为0.70.70.90.9，空载时只有空载时只有0.20.20.30.3。10 选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求缩缩 短空载时间。短空载时间。7 7）接法：电动机定子三相绕组与交流电源的连接方式。）接法：电动机定子三相绕组与交流电源的连接方式。小型电动机（小型电动机（4kW4kW及以下）大多采用星形及以下）大多采用星形(Y)(Y)联结，大中型电联结，大中型电动机（动机（4 kW4 kW以上）采用三角形（）联结。以上）采用三角形（

12、）联结。(a)(a)绕组接法绕组接法 (b)(b)接线盒内接法接线盒内接法 图图3 3-7 7 定子三相绕组的接线方法定子三相绕组的接线方法 11 8 8）绝缘等级：绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使）绝缘等级：绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度（电机绝缘结构中最热点的最高容许温度）用时容许的极限温度（电机绝缘结构中最热点的最高容许温度）来分级的。来分级的。绝缘等级绝缘等级 环境温度环境温度4040时的容许温升时的容许温升 极限允许温度极限允许温度 A A 65650 0C C 1051050 0C C E E 80800 0C C 1201200 0C C B

13、B 90900 0C C 1301300 0C C F F 1151150 0C C 1551550 0C C H H 1401400 0C C 1801800 0C C 12 绕线型绕线型转子绕组是一个对称三相绕组，绕组的结构形式与定转子绕组是一个对称三相绕组，绕组的结构形式与定 子绕组相似，也采用由绝缘导线绕制的三相绕组或成型的三相绕子绕组相似，也采用由绝缘导线绕制的三相绕组或成型的三相绕组组 嵌入转子铁心槽内，并作星形联结，三个引出端分别接到转轴上嵌入转子铁心槽内，并作星形联结，三个引出端分别接到转轴上的的 三个与转轴绝缘的集电环上，再通过电刷装置与外电路相接。三个与转轴绝缘的集电环上，

14、再通过电刷装置与外电路相接。如图如图3 3-8 8所示，外电路与变阻器相接，通过调节该变阻器的电所示，外电路与变阻器相接，通过调节该变阻器的电 阻值来改善异步电动机的起动及调速性能。阻值来改善异步电动机的起动及调速性能。1 1-铜条转子绕组铜条转子绕组 2 2-电刷电刷 3 3-变阻器变阻器 图图3 3-8 8 绕线型转子绕组外接变阻器绕线型转子绕组外接变阻器 13 2 2、三相异步电动机的转动原理、三相异步电动机的转动原理 （1 1）工作原理）工作原理 我们来做如下演示实验说明三相异步电动机的工作原理。我们来做如下演示实验说明三相异步电动机的工作原理。如图如图3 3-9 9（a a）所示。）

15、所示。（a a）原理演示实验）原理演示实验 （b b）原理示意图）原理示意图 图图3 3-9 9 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理 14 1 1）演示）演示 在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。转向，则导体的转向也跟着改变。2 2）解释）解释 当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应

16、电动势和感应电流。体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。可见转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。可见转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。3 3）结论）结论 欲使异步电动机旋转，必须有欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场旋转的磁场和和闭合的转子绕组闭合的转子绕组。15 （2 2）旋转磁场）旋转磁场 1 1）产生）产生 三相定子绕组三相定子绕组U U1 1-U U2 2、V V1 1-V

17、 V2 2、W W1 1-W W2 2在空间按互差在空间按互差1201200 0的规律对的规律对称排列并接成星形，接于三相电源称排列并接成星形，接于三相电源U U、V V、W W，如图，如图3 3-1010所示。所示。则三相定子绕组中便通过三相对称电流，从而产生旋转磁场，则三相定子绕组中便通过三相对称电流，从而产生旋转磁场，如图如图3 3-1111所示。所示。i iU U=Im sin=Im sin t t i iV V=Im sin(=Im sin(t t-1201200 0)i iW W=Im sin(=Im sin(t+120t+1200 0)图图3 3-10 10 三相异步电动机定子接

18、线三相异步电动机定子接线 16 图图 3 3-11 11 旋转磁场的形成旋转磁场的形成 定子绕组中的电流变化一个周期，合成磁场也按电流相序方定子绕组中的电流变化一个周期，合成磁场也按电流相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断作周期变化，向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断作周期变化，产生的合成磁场也不断旋转，故称产生的合成磁场也不断旋转，故称旋转磁场旋转磁场。17 旋转磁场产生的条件：旋转磁场产生的条件：三相绕组对称，定子铁心互差三相绕组对称，定子铁心互差120120 电角度；电角度；通入三相对称绕组的电流也对称，且大小相等、频率相同、通入三相对称绕组的电流也对称，且大

19、小相等、频率相同、相位相差相位相差120120 电角度。电角度。2 2）改变旋转磁场的方向）改变旋转磁场的方向 旋转磁场的方向由三相绕组中电流相序决定，若想改变旋转旋转磁场的方向由三相绕组中电流相序决定，若想改变旋转磁磁 场的方向，只要场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序改变通入定子绕组的电流相序，即将，即将三根电源线三根电源线中中 的任意两根对调的任意两根对调即可。即可。（3 3）三相异步电动机的极数与转速）三相异步电动机的极数与转速 1 1）极对数）极对数p p 三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有

20、关。数和三相绕组的安排有关。p p与绕组始端间的空间角的关系为：与绕组始端间的空间角的关系为：q q=120=120o o/p/p。18 2 2）同步转速）同步转速n n0 0 同步转速即旋转磁场的转速同步转速即旋转磁场的转速n n0 0与电动机磁极对数与电动机磁极对数p p有关，它们有关，它们的关系是的关系是 （3 3-1 1）对某一异步电动机而言，对某一异步电动机而言，f f1 1和和p p通常一定，所以同步转速通常一定，所以同步转速n n0 0是是个常数。我国工频个常数。我国工频f f1 1=50Hz=50Hz。表表3 3-1 1 我国同步转速一览表我国同步转速一览表 p p 1 1 2

21、 2 3 43 4 5 5 6 6 n n0 0 30003000 15001500 10001000 750750 600600 500500 1060 fnp19 3 3）转差率）转差率s s 电动机转子转动方向与旋转磁场的方向相同，但转子的转速电动机转子转动方向与旋转磁场的方向相同，但转子的转速n n不可能达到不可能达到 与旋转磁场的转速与旋转磁场的转速n n0 0，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁感线就不，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁感线就不切切 割转子导体，因而转子电动势、转子电流以及转矩也不存在。割转子导体，因而转子电动势、转子电流以及转矩也不存在。可见旋转磁场

22、与转子之间存在转速差，故称为可见旋转磁场与转子之间存在转速差，故称为异步异步电动机，又因为这种电电动机，又因为这种电 动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应感应电动机。电动机。转差率它表示转子转速转差率它表示转子转速n n与同步转速与同步转速n n0 0相差的程度相差的程度,是异步电动是异步电动 机一个重要物理量。机一个重要物理量。（3 3-2 2）当旋转磁场以同步转速当旋转磁场以同步转速n n0 0开始旋转时，转子因机械惯性尚未转动，转子的开始旋转时，转子因机械惯性尚未转动，转子的瞬瞬 间转速间转速n=0n=0，这时转差率，这时转

23、差率s=1s=1。转子转动起来之后，。转子转动起来之后，n0n0，（，（n n0 0-n n）差值减小，）差值减小，电电 动机的转差率动机的转差率s1s1。异步电动机运行转速与同步转速很接近，转差率很小。额定工作状态时异步电动机运行转速与同步转速很接近，转差率很小。额定工作状态时s s 约在约在(0.015(0.0150.06)0.06)之间。之间。转速公式转速公式:n=(1:n=(1-s)ns)n0 0 （3 3-3 3）000nnnsnn20 3 3、三相异步电机的转矩特性与机械特性、三相异步电机的转矩特性与机械特性 （1 1）电磁转矩（简称转矩）电磁转矩（简称转矩）异步电动机的转矩异步电

24、动机的转矩T T由旋转磁场的每极磁通与转子电流由旋转磁场的每极磁通与转子电流I I2 2相互相互作用产生。经理论证明，它们的关系是作用产生。经理论证明，它们的关系是 T=KT=KT T I I2 2coscos 2 2 （3 3-4 4）式中式中T T电磁转矩电磁转矩 K KT T与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 旋转磁场每个极的磁通量旋转磁场每个极的磁通量 I I2 2转子绕组电流的有效值转子绕组电流的有效值 2 2转子电流滞后于转子电势的相位转子电流滞后于转子电势的相位 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（3 3-4

25、4）修正为修正为 （3 3-5 5）22122220()TsR UTKRsX21 式中式中 K KT T常数常数 U U1 1定子绕组的相电压定子绕组的相电压 s s转差率转差率 R R2 2转子每相绕组的电阻转子每相绕组的电阻 X X2020转子静止时每相绕组的感抗转子静止时每相绕组的感抗 可见可见转矩与定子相电压的平方成比例转矩与定子相电压的平方成比例，故电源电压变动对转，故电源电压变动对转矩影响很大。矩影响很大。（2 2）机械特性曲线）机械特性曲线 当电源电压当电源电压U1U1和转子电阻和转子电阻R R2 2一定时，电动机的转矩一定时，电动机的转矩T T与转差率与转差率s s之间的关系之

26、间的关系 曲线曲线T=f(s)T=f(s)或转速与转矩的关系曲线或转速与转矩的关系曲线n=f(T)n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，如，称为电动机的机械特性曲线，如 图图3 3-1212所示。所示。（a a）T=f(s)T=f(s)（b b）n=f(T)n=f(T)图图 3 3-12 12 三相异步电动机的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性曲线 22 1 1）额定转矩）额定转矩T TN N 额定转矩额定转矩T TN N指异步电动机带额定负载时转轴上的输出转矩。指异步电动机带额定负载时转轴上的输出转矩。（3 3-6 6）式中式中P P2 2为电动机轴上输出的机械功率，其单位是为电动机轴上

27、输出的机械功率，其单位是W W（瓦特），（瓦特），n n 的单位是的单位是r/min r/min（转（转/分），分），T TN N的单位是的单位是NmNm（牛（牛米）。米）。若忽略电动机本身机械摩擦转矩若忽略电动机本身机械摩擦转矩T T0 0，阻转矩约为负载转矩，阻转矩约为负载转矩T TL L，电动机作等速旋转时，电磁转矩电动机作等速旋转时，电磁转矩T T必与阻转矩必与阻转矩TLTL相等（相等（T=TT=TL L）。当）。当 电动机带额定负载时，则有电动机带额定负载时，则有T TN N=T=TL L。2 2）起动转矩）起动转矩T Tstst TstTst为电动机起动初始瞬间的转矩（即为电动机起

28、动初始瞬间的转矩（即n=0n=0，s s1 1时的转矩）。时的转矩）。为确保电动机能够带额定负载起动，需满足为确保电动机能够带额定负载起动，需满足T TststT TN N，三相异步电，三相异步电动机往往动机往往T Tstst/T/TN N=（1 12.22.2）。）。29550NPTn23 3 3）最大转矩（临界转矩）最大转矩（临界转矩）Tm Tm 最大转矩指电动机可能产生的最大电磁转矩，它反映了电动最大转矩指电动机可能产生的最大电磁转矩，它反映了电动机的过载能力。机的过载能力。最大转矩的转差率为最大转矩的转差率为smsm，此时的，此时的smsm叫做临界转差率，如图叫做临界转差率，如图3 3

29、-1212（a a）所示。）所示。最大转矩最大转矩TmTm与额定转矩与额定转矩T TN N之比称为电动机的之比称为电动机的过载系数过载系数，即，即 =Tm/T=Tm/TN N 一般三相异步电动机的过载系数为（一般三相异步电动机的过载系数为（1.81.82.22.2）。）。选用电动机时需根据所选电动机的过载系数算出电动机的最选用电动机时需根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就得重选电动机。大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就得重选电动机。24 （3 3）电动机负载能力的自适应性）电动机负载能力的自适应性 电动机工作时所产生的电磁转矩电动机工作时所产生的电磁转矩T T的大小能够在一定的范围内的大小能够在一定的范围内 自动调整以适应负载的变化的特性称为电动机的自适应负载能力。自动调整以适应负载的变化的特性称为电动机的自适应负载能力。T TL Ln ns sI I2 2T T，直至新的平衡。，直至新的平衡。此过程中，此过程中，I I2 2I I1 1电源提供的功率自动增加。电源提供的功率自动增加。