第七章异步电动机 一、内容提要 电动机是利用电磁原理把电能转换成机械能带动生产机械运转的旋转设备。现代各种生 产机械都广泛应用电动机来驱动。它的种类很多，按照它们所耗用的电能种类不同，可分为 直流电动机和交流电动机，交流电动机又可分为交流异步电动机和交流同步电动机。除此之 外还有用于自动控制系统中作为执行元件、检测元件的控制电机。 本章重点讲述的是三相异步电动机。介绍了三相异步电动机的基本结构，产生旋转磁场 的物理过程及由于电磁感应作用、电磁力作用使用电动机旋转的工作原理。以及三相异步电 动机的机械特性、工作特性及额定值，并讨论了三相异步电动机的启动、反转、调速方法。 简要地分析了绕线式异步电动机、单相异步电动机工作原理及启动方法。 二、基本要求 1.了解三相异步电动机的基本结构和转动原理： 2.理解三相异步电动机的电磁关系、机械特性及工作特性 3.掌握三相异步电动机的电磁转矩、最大转矩、启动转矩之间的关系： 4.了解三相异步电动机的启动、反转和调速方法： 5.理解三相异步电动机铭牌数据的意义： 6.了解绕线式异步电动机转子回路接外电阻，提高启动转矩的特点： 三、学习指导 三相异步电动机是本章的重要内容。单相异步电动机可以从三相当电机单相运行的角度 来学习。 1.结构与工作原理 1)结构 三相异步电动机由定子、转子两个基本部分组成。 (1)定子： ①定子主要由机座、定子铁心和定子绕组构成。机座是用来固定与支撑定子，定子铁心 是用硅钢片叠成圆筒形，内圆周有用来安放三相定子绕组的槽。 ②三相定子绕组对称，每相在空间互差120°，有六个出线端，可接成三角形或星形。 (2)转子： 转子主要由转轴、转子铁心和转子绕组构成。转子铁心用硅钢片叠成圆柱形，与定子铁 心共同构成磁路，外圆周有用来安放转子绕组的槽。转子在旋转磁场作用下，产生感应电动 势或电流。根据构造的不同，转子绕组有鼠笼式和绕线式两种。 ①鼠笼式：是将铜条插入槽内，端部用铜环短线接成一体，或用熔铝浇铸而成短路绕组。 ②绕组式：同定子绕组一样，也分为三相，一端接在一起形成星形，另一端引出连接三个 星形接法的电阻或直接接通过短路环短接。 2)工作原理 电动机转动的基本原理是通有电流的导体，在磁场中受力而产生转矩
1 第七章 异步电动机 一、内容提要 电动机是利用电磁原理把电能转换成机械能带动生产机械运转的旋转设备。现代各种生 产机械都广泛应用电动机来驱动。它的种类很多，按照它们所耗用的电能种类不同，可分为 直流电动机和交流电动机，交流电动机又可分为交流异步电动机和交流同步电动机。除此之 外还有用于自动控制系统中作为执行元件、检测元件的控制电机。 本章重点讲述的是三相异步电动机。介绍了三相异步电动机的基本结构，产生旋转磁场 的物理过程及由于电磁感应作用、电磁力作用使用电动机旋转的工作原理。以及三相异步电 动机的机械特性、工作特性及额定值，并讨论了三相异步电动机的启动、反转、调速方法。 简要地分析了绕线式异步电动机、单相异步电动机工作原理及启动方法。 二、基本要求 1.了解三相异步电动机的基本结构和转动原理； 2.理解三相异步电动机的电磁关系、机械特性及工作特性； 3.掌握三相异步电动机的电磁转矩、最大转矩、启动转矩之间的关系； 4.了解三相异步电动机的启动、反转和调速方法； 5.理解三相异步电动机铭牌数据的意义； 6.了解绕线式异步电动机转子回路 接外电阻，提高启动转矩的特点； 三、学习指导 三相异步电动机是本章的重要内容。单相异步电动机可以从三相当电机单相运行的角度 来学习。 1.结构与工作原理 1）结构 三相异步电动机由定子 、转子两个基本部分组成。 （1）定子： ①定子主要由机座、定子铁心和定子绕组构成。机座是用来固定与支撑定子，定子铁心 是用硅钢片叠成圆筒形，内圆周有用来安放三相定子绕组的槽。 ②三相定子绕组对称，每相在空间互差 120 ，有六个出线端，可接成三角形或星形。 （2）转子： 转子主要由转轴、转子铁心和转子绕组构成。转子铁心用硅钢片叠成圆柱形，与定子铁 心共同构成磁路，外圆周有用来安放转子绕组的槽。转子在旋转磁场作用下，产生感应电动 势或电流。根据构造的不同，转子绕组有鼠笼式和绕线式两种。 ①鼠笼式：是将铜条插入槽内，端部用铜环短线接成一体，或用熔铝浇铸而成短路绕组。 ②绕组式：同定子绕组一样，也分为三相，一端接在一起形成星形，另一端引出连接三个 星形接法的电阻或直接接通过短路环短接。 2）工作原理 电动机转动的基本原理是通有电流的导体，在磁场中受力而产生转矩
(1)旋转磁场 、旋转磁场的产生：定子三相对称绕组以星形或三角形接法通入三相对流电流。 i=Isin ot in =1 sin(ot-120) ie=1.sin(ot+120°) 三相电流产生的合成磁场随电流的交变而在空间不断旋转，这就是旋转磁场。在一个电 流周期内，旋转磁场在空间转过360°。 b、旋转磁场的转向：旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序，任意调换两根电源 进线，则旋转磁场反转。 ©、旋转磁场的极数：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 d、旋转磁场的转速：产生旋转磁场中。，穿过定子、转子铁心并以转速m旋转。转子 绕组切制旋转磁场产生感应电动势口2，并在短路绕组内形成转子电流2，该电流马与旋转 磁场相互作用产生电磁力下，形成转动力矩T,使转子随旋转破场以转速转动。 旋转场的转速为60,式中，D为极对数：为电流频率。旋转场转动方 向取决于电流的相序。 转子感应电动势，与电流，的大小正比于转子导体与旋转磁场间相对运动速度，即转 差△n=n,-:转子频率f方2也正比于转差△n。 由于转子转向与旋转磁场转向相同，并且<n,所以称异步。 转差率定义为5=%-”，0<5<1：转速计算公式为n=1-60上 n 2.三相异步电动机的电路分析 1)定子与转子电路 ①定(44N反，万=0 (2)转子：E,44时N,U,万=Pam= E, SE X2=2L2=sX0,12= +(X)+(sX3)
2 （1）旋转磁场 a、旋转磁场的产生：定子三相对称绕组以星形或三角形接法通入三相对流电流。 sin( 120 ) sin( 120 ) sin 0 C m 0 B m A m = + = − = i I t i I t i I t 三相电流产生的合成磁场随电流的交变而在空间不断旋转，这就是旋转磁场。在一个电 流周期内，旋转磁场在空间转过 0 360 。 b、旋转磁场的转向：旋转磁场的旋转方向取决于三相电流的相序，任意调换两根电源 进线，则旋转磁场反转。 c、旋转磁场的极数：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 三相绕组的安排有关。磁极数与三相每相绕组串联的线圈个数是 2 倍关系，即一个线圈，磁 极数为一对，三个线圈，磁极数为三对，依次类推。磁极对数用 p 表示。 d、旋转磁场的转速：产生旋转磁场 m ，穿过定子、转子铁心并以转速 1 n 旋转。转子 绕组切割旋转磁场产生感应电动势 2 e ，并在短路绕组内形成转子电流 2 i ，该电流 2 i 与旋转 磁场相互作用产生电磁力 F，形成转动力矩 T，使转子随旋转磁场以转速 n 转动。 旋转磁场的转速为 p f n 1 1 60 = ，式中，p 为磁极对数； 1 f 为电流频率。旋转磁场转动方 向取决于电流的相序。 转子感应电动势 2 e 与电流 2 i 的大小正比于 转子导体与旋转磁场间相对运动速度，即转 差△ n = n1 − n ；转子频率 2 f 也正比于转差△n。 由于转子转向与旋转磁场转向相同，并且 n n1 ，所以称异步。 转差率定义为 1 1 n n n s − = ，0＜s＜1;转速计算公式为 p f n s 60 1 = (1− ) 。 2.三相异步电动机的电路分析 1）定子与转子电路 （1）定子： 1 44 1 1 m 1 E 4. f N U ， 60 0 1 pn f = （2）转子： 2 44 1 2 m 1 E 4. sf N U ， 1 0 2 60 ( ) sf p n n f = − = 2 2 1 2 20 X = sf L = sX ， 2 20 2 2 20 2 2 2 2 2 2 ( ) R (sX ) sE R X E I + = + =
R R、 cos,=- R+xVR+(x刀 2)电磁转矩与机械特性 (1)电磁转矩 电磁转矩的计算公式为T=C,④I2cosp,N·m 将hcos%,代入得T=GUE+于 依据T=(5)为异步电动机的转矩特性曲线，如图71所示。 图7-1下s曲线图 由亚=0可得临界转差本5。X刘 d 最大转矩T。=CU2X0 1 由T一5曲线可得出如下结论。 ①由T-5曲线有极值，转子轴上转矩（负载转矩）不能大于T。,否则造成停车（堵 转)。 ②TaU,sn与U无关。 U,T山→n→st-E,eE)T度+x S上0 ↑→1，↑. 电压不足将造成电动机电流增大，电动机发热，严重时烧坏绕组。（如图7-2所示）。 ③Tm与R2无关，Sm与R有关，在负载转矩不变条件下R,↑→n↓→s个
3 2 20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) cos R sX R R X R + = + = 2) 电磁转矩与机械特性 （1）电磁转矩 电磁转矩的计算公式为 T = CTm I 2 cos2N • m 将 2 2 I 、cos 代入得 2 20 2 2 2 2 1 ' R (sX ) sR T G U + = 依据 T = f (s) 为异步电动机的转矩特性曲线，如图 7-1 所示。 图 7-1T-s 曲线图 由 = 0 ds dT 可得临界转差率 20 2 m X R s = 最大转矩 20 2 1 ' 2 1 X Tm = CTU 。 由 T − s 曲线可得出如下结论。 ①由 T − s 曲线有极值，转子轴上转矩（负载转矩）不能大于 Tm ，否则造成停车（堵 转）。 ② m 1 2 1 TU ,s 与U 无关。 → + → → → → = → = 1 2 2 0 2 2 2 0 1 2 2 0 2 ( ) U T ( ) I R sX sE n s E sE I 。 电压不足将造成电动机电流增大，电动机发热，严重时烧坏绕组。（如图 7-2 所示）。 ③ Tm 与 R2 无关， m s 与 R2 有关，在负载转矩不变条件下 R2 → n → s
改变R,可以改变转速和s=1(n=0)市的启动转矩。注意：仅适用于绕线式异步电动机。 ④3=0时，n=m,T=0电动机不产生电磁转矩，此时为理想空载。 (2)机械特性 将T一s曲线转换成n一T曲线，即电磁转矩与转速的关系曲线为机械特性如图7-3 所示。 了 图7-3mT曲线图 ①硬特性，当、<n<片，时，n随者转矩增加而略有下降的性质为硬特性。这时的 转差率sN=0.01~0.07。 ②额定转矩为不=9550，式中，P、为电动机的额定功率，单位干瓦(kW):M 为电动机额定转速，单位转/分(rmin)。 ③启动转矩，T,为n=0,5=1时的电动机转矩。 国启动矩系为会一=17~2 ⑤过蚊转矩系数为：，一元】 =,一般元，=2~22. 3.工作特性与额定值 三相异步电动机n=fB人工2=f人cosg,=fB人I,=f(E人n=f) 称为工作特性。空载时电流I0≈I0%11N,主要用于产生旋转磁场，所以cosp很小。 电动机的额定值有： P:额定功率，轴上输出的机械功率；
4 改变 R2 可以改变转速和 s = 1(n = 0) 市的启动转矩。注意：仅适用于绕线式异步电动机。 ④ s = 0 时， n = n1，T = 0 电动机不产生电磁转矩，此时为理想空载。 （2）机械特性 将 T − s 曲线转换成 n −T 曲线，即电磁转矩与转速的关系曲线为机械特性如图 7-3 所示。 图 7-3 n-T 曲线图 ①硬特性 ，当 nN n n1 时， n 随着转矩增加而略有下降的性质为硬特性。这时的 转差率 sN = 0.01 ~ 0.07 。 ②额定转矩为 N N N 9550 n p T = ，式中， N p 为电动机的额定功率，单位千瓦（kW）; N n 为电动机额定转速，单位转/分（r/min）。 ③启动转矩， Tst 为 n = 0,s = 1 时的电动机转矩。 ④启动转矩系数为 N st st T T = ，一般 st =1.7 ~ 2.2 。 ⑤过载转矩系数为 N m T T T = ，一般 T = 2 ~ 2.2。 3．工作特性与额定值 三相异步电动机 ( ) ( ) cos ( ) ( ) ( ) 2 2 2 1 2 1 2 P2 n = f P 、T = f P 、 = f P 、I = f P 、 = f 称为工作特性。空载时电流 10 10% 1N I I ，主要用于产生旋转磁场，所以 0 cos 很小。 电动机的额定值有： PN ：额定功率，轴上输出的机械功率；
U、:额定电压，是指线电压： I:额定电流，指线电流： 人：额定频率，我国工频50Hz: nv:额定转速：、略低于同步转速m c0s:额定功率因数，一般为0.7-0.90： :额定效率计算公式如下 =5U、l、cos -×100%一般为75%-92% 额定电动机运行情况有三种基本运行方式，即连续、短时、断续。 电动机铭牌上除标明额定值外，还标有接法（三角形或星形）、过载能力等。 电动机的接法与额定电压对应，可根据不同的电源线电压采用星形或三角形接法。学习 时应认真掌握。 4,启动、反转及调速 (1)启动：n=1,s=1T=T 三相异步电动机在额定电压下直接启动时，启动电流很大，I=(4~7)1、,而启动转 矩小，T.=(1.0~2.2)TN 对于小型电动机启动时间短，不会因过热而烧坏，频繁启动应考虑发热问题。过大启动 电流造成电网电压降落增大，影响其它设备工作，使邻近电机转矩下降不能正常工作。 启动方法：常用的有四种。 ①直接起动：P<10kW或P≤20%Sw(S、为供电变压器容量)的电机均可 ②星形一三角形换接启动法： 条件：正常运行应为三角形接法（电源电压=电机三角形接法时额定电压），轻载或空 载启动。 ③自耦变压器降压启动： 其中，kA为自糕变压器的变比：I、T分别为直接启动电流、启动转矩。 条件：正常运行为星形接法，重载启动。 ④转子串电阻启动：适用于绕线式电动机，可获得较小启动电流和最大启动转矩
5 UN ：额定电压，是指线电压； N I ：额定电流，指线电流； N f ：额定频率，我国工频 50 HZ ； N n ：额定转速； N n 略低于同步转速 1 n ； N cos ：额定功率因数，一般为 0.7~0.90； N ：额定效率 计算公式如下 100% 3 cos N N N N N = U I P 一般为 75%~92% 额定电动机运行情况有三种基本运行方式，即连续、短时、断续。 电动机铭牌上除标明额定值外，还标有接法（三角形或星形）、过载能力等。 电动机的接法与额定电压对应，可根据不同的电源线电压采用星形或三角形接法。学习 时应认真掌握。 4．启动、反转及调速 （1）启动： st n =1,s =1,T = T 三相异步电动机在额定电压下直接启动时，启动电流很大， st N I = (4 ~ 7)I ，而启动转 矩小， st N T = (1.0 ~ 2.2)T 。 对于小型电动机启动时间短，不会因过热而烧坏，频繁启动应考虑发热问题。过大启动 电流造成电网电压降落增大，影响其它设备工作，使邻近电机转矩下降不能正常工作。 启动方法：常用的有四种。 ①直接起动： PN 10kW 或 N N N P 20%S (S 为供电变压器容量）的电机均可． ②星形—三角形换接启动法： stY stΔ stY stΔ 3 1 , 3 1 I = I T = T 条件：正常运行应为三角形接法（电源电压=电机三角形接法时额定电压），轻载或空 载启动。 ③自耦变压器降压启动： 2 st A ' 2 st st A ' st 1 , 1 T k I T k I = = 其中， A k 为自耦变压器的变比； st Tst I 、 分别为直接启动电流、启动转矩。 条件：正常运行为星形接法，重载启动。 ④转子串电阻启动：适用于绕线式电动机，可获得较小启动电流和最大启动转矩