机电传动控制电子教材及PPT(冯清秀)电子教案4

第四章 交流电动机的工作原理及特性 4．1 三相异步电动机的基本结构和工作原理 1、 三相异步电动机的基本结构 三相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4.1所示。 图4.1 三相异步电动机的结构 1． 定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 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。 定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，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。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流是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。 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，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。 图4.2定子和转子的钢片 １－定子铁心　２－定子绕组 ２－转子铁心　４－转子绕组 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4.3（ａ）所示，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成，如图4.4所示。这不仅是以铝代铜，而且制造也快。 （ａ）鼠笼式绕组　（ｂ）转子外形 图4.3　鼠笼式转子 １－转子铁心　２－风扇　　３－铸铝条 图4.4铝铸的鼠笼式转子 线绕式异步电动机转子绕组是由线圈组成绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，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。 １－转子绕组　２－滑环　３－轴　４－电刷　５－变阻器 图4.5　线绕式转子绕组与外加变阻器的连接 二、三相异步电动机的工作原理 1．定子旋转磁场 为了简便起见，假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的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。 （a）嵌放情况 （b）连接接线图 图4.6 定子三相绕组 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 作为参考正弦量，即 的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为A—B—C）的瞬时值为： 图4.7所示是这些电流随时间变化的曲线。 图4.7 三相电流的波形图 下面分析不同时间的合成磁场。 1). 时： ； 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端； 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4.8（a）箭头所示。 图4.8 两极旋转磁场 2). 时： 为正，电流从A端流到X端； 为负，电流从Y端流到B端； 。 此时的合成磁场如图4.8（b）所示，合成磁场已从 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 。 3). 时： 为正，电流从A端流到X端； ； 为负，电流从Z端流到A端。 此时的合成磁场如图4.8(c)所示，合成磁场已从 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 。 4). ： ； 为正，电流从B端流到Y端； 为负，电流从Z端流到A端。 此时的合成磁场如图4.8(d)所示。合成磁场从 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，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。 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 ，而B相绕组内的电流又超前C相绕组内的电流 ，同时图4.8中所示旋转磁场的旋转方向为从A→B→C，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 ，而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流 ，用上述同样的分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为A→C→B，即向逆时针方向旋转，如图4.10所示，即与未对调前的旋转方向相反。 图4.9 将B,C两根线对调改变绕组中的电流相序 图4.10 逆时针旋转的两极旋转磁场 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。 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被称为同步速度，用 表示。 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用 表示）即 。从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化 电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了 机械角度），若电流的频率为 ，旋转磁场每分钟将旋转 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，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4.7），便产生具有两对磁极的旋转磁场。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，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 ，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。 (a) 嵌放情况 (b)接线图 图4.11 产生四极旋转磁场的字子绕组 图4.12 四极旋转磁场 由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（ ）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半，即每分钟 转。依次类推，当有 对磁极时，其转速为： 所以，旋转磁场的旋转速度 与电流的频率成正比而与磁级对数成反比，因为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工业频率（即电流频率）为50Hz，因此，对应于 时，同步转速分别为3000r/min、1500 r/min、1000 r/min和750 r/min。 4．工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。 如图4.13所示为异步电动机的工作原理示意图，假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。图中，红色部分为定子，定子上的阴影部分为旋转磁场；黄色部分为转子部分，转子上的两个小圆圈为转子绕组。 图4.13 三相异步电动机工作原理图 在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势 从而产生感应电流 。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 （其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转子的旋转速度称为电动机的转速，用 表示。 5． 差率 由工作原理可知：转子的转速（电动机的转速） 恒比旋转磁场的旋转速度（同步速度） 要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。 定义：转速差 与同步转速 的比值称为异步电动机的转差率，用 表示，即 转差率 是分析异步电动机运行特性的主要参数。 4．2 三相异步电动机的额定参数 一、 三相异步电动机定子绕组的接法 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。 图4.14 出线端的排列 三相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，如图4.15所示。 （a）星形接法 (b) 三角形接法 图4.15 三相交流电动机的两种接法 2．线电压与相电压 线电压：两相绕组首端之间的电压，用 表示； 相电压：一相绕组首、尾之间的电压，用 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：电网的供电电流，用 表示； 相电流：每相绕组的电流，用 表示。 对于星形接法， ；对于三角形接法， 。 4． 电动机的输入功率 2、 额定参数 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，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 ：在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。 输出功率的一般表达式为： 其中： 为效率； 为输入功率 为输出功率 输出功率和输出转矩的关系为： , 为转子电流。 （2） 额定电压 ：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 ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ Hz）。 （4）额定电流 ：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10.35/5.9A），则对应于定子绕组为 /Y连接的线电流值。 （5）额定转速 ：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 。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下。 （1）额定功率因数 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。 （2）额定效率 ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为 （3）额定负载转矩 ：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。 （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。 三、定子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。通常电动机的铭牌上标有符号 和数字380/220，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。 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. J32-4，功率1.0kW，电压220/380V，连接方法 ，电流4.25/2.45A，转速1420 r/min，功率因数0.79。 2. J02-21-4，功率1.1 kW，电压380V，连接方法 ，电流6.27A，转速1410 r/min，功率因数0.79。 解：J32-4电动机应接星形（Y），如图4.16(a) 所示。 J02-21-4电动机应接成三角形（ ），如图4.16 (b)所示。 (a)星形接法 (b)三角形接法 图4.16 电动机定子绕组的连接法 4．3 三相异步电动机的转矩特性和机械特性 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 ）时，则有三相电流通过（相电流为 ），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 ，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势 （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），如图4.17所示。 图4.17 定子和转子电路的感应电势 设定子和转子每相绕组的匝数分别为 和 ，图4.18所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。 图4.18 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 ，其中， 是通过每相绕组的磁通最大值，在数值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： 它也是正弦量，其有效值为： 式中， 为 的频率。 因为旋转磁场和定子间的相对转速为 ，所以 它等于定子电流的频率，即 。 定子电流除产生旋转磁通（主磁通）外，还产生漏磁通 ，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三个分量，即 如用复数表示，则为 式中， 和 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。 由于 和 （或漏磁通 ）较小，其上电压降与电动势 比较起来，常可忽略，于是 二、三相异步电动机的转子电路 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 、转子电流 、转子电流频率 、转子电路的功率因数 、转子绕组的感抗 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出的电动势为 其有效值为 式中， 为转子电动势 或转子电流 相对于旋转磁场的频率 因为旋转磁场和转子间的相对转速为 ，所以 可见转子频率 与转差率 有关，也就是与转速 有关。 在 ，即 （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 最高，即 。异步电动机在额定负载时， ，则 Hz ( Hz)。 在 ，即 时，转子电动势为 这时， ，转子电动势最大。而 可见转子电动势 与转差率 有关。 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通 ，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。 因此，对于转子每相电路，有 如用复数表示，则为 式中， 和 ——转子每相绕组的电阻和漏磁感抗。 与转子频率 有关，即 在 ，即 时，转子感抗为 这时 ，转子感抗最大。而 可见转子感抗 与转差率有关。 转子每相电路的电流为 即转子电流 也与转差率 有关。当 增大，即转速 降低时，转子与旋转磁场间的相对转速 增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是 增加， 也增加。 当 ，即 时， ；当 很小时， ， ，即与 近似成正比；当 接近1时， ， 由于转子有漏磁通 ，相应的感抗为 ，因此， 比 滞后 角，因而转子电路的功率因数为 它也与转差率 有关。 当 很小时， ， ；当 增大时， 增大， 减小； 当接近1时， 。 、 随 的变化关系可用图4.19所示的曲线表示。 图4.19 、 随 的变化关系 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。 3、 转矩特性 电磁转矩（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 相互作用而产生的,它与 和 的乘积成正比，还与转子电路的功率因数 有关，图4.20所示反映了 对转矩的影响。 图4.20(a)所示的是假设转子感抗与其电阻相比可以忽略不计，即 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 的方向（用外层记号表示）。因为，在这种情况下， 与 同相，所以， 的方向（用内层的记号表示）与 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 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。 (a) (b) (c) 图4.20 对T的影响 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 的情况，这时 比 滞后90 。由图可见，在这种情况下，作用于转子各导体的力正好互相抵消，转矩为零。 图4.20(c)所示的是实际情况，电流 比电动势 滞后 角,即 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，产生的转矩较 时为小。由此可以得出 式中， ——仅与电动机结构有关的常数。 因为 所以转矩的另一个表示式为： ……转矩特性 式中， ——与电动机结构参数、电源频率有关的常数； ——定子绕组电压，电源电压； ——转子每相绕组的电阻； ——电动机不动（ ）时转子每相绕组的感抗。 四．固有机械特性 在异步电动机中，转速 ，为了符合习惯画法，可将 曲线换成转速与转矩之间的关系 曲线，即 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 可得到三相异步电动机的固有机械特性曲线如图4.21所示。 图4.21 异步电动机的固有机械特性 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： ，此时电动机的转速为理想空载转速 。 (2) 额定工作点： ，此时额定转矩和额定转差率为 式中， ——电动机的额定功率； ——电动机的额定转速，一般 ； ——电动机的额定转差率，一般 ； ——电动机的额定输出转矩。 （3）启动工作点： 。 将 代入转矩公式中，可得 可见，异步电动机的启动转矩 与 、 及 有关，当施加在定子每相绕组上的电压 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上启动转矩与额定转矩之比 称为电动机的启动能力系数。它表征了电动机启动能力的大小。一般 。 （4）临界工作点： ， ， 。 欲求转矩的最大值，可根据转矩特性令 ，而得临界转差率 再将 代入转矩公式中，即可得 最大转矩 的大小与定子每相绕组上所加电压 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 的大小与转子电阻的大小无关，但临界转差率 却正比于 ，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 增大，而 却不变。 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，如普通的JO和JO 系列鼠笼式异步电动机的 ，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 。 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 和 表示的形式，则方便多了。为此，将上述公式经整理后就可得到 此式为转矩-转差率特性的实用表达式，也叫规格化转矩—转差率特性。 五、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，也与外加电源电压、电源频率有关，将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。 1．降低电动机电源电压时的人为特性 根据 可以看出： 即最大转矩 和 与 成正比，当降低定子电压时， 和 不变，而 和 大大减小。在同一转差率情况下，人为特性与固有特性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时，是以固有特性为基础，在不同的 处，取固有特性上对应的转矩乘降低电压与额定电压比值的平方，即可作出人为特性曲线，如图4.22所示。 图4.22 改变电源电压时的人为特性 如当定子绕组外加电压为 、 、 时，转子输出最大转矩分别为 、 和 。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。 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不能启动的现象。 例如，电动机运行在额定负载 下，即使 ，若电网电压下降到 ，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。 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，致使定子绕组相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似，如图4.23所示。 图4.23 定子电路外接电阻或电抗时的人为特性 图中实线1为降低电源电压的人为特性，虚线2为定子电路串入电阻 或电抗 的人为特性。从图中可看出，所不同的是定子串入 或 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 或 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特性在整个启动过程中，定子绕组的端电压是恒定不变的。 3．改变定子电源频率时的人为特性 改变定子电源频率 对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 的近似关系。 根据 并注意到上列式中 ，且一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩 保持为恒值，为此在改变频率 的同时，电源电压 也要作相应的变化，使 ，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 ， ， 和 不变的关系，即随着频率的降低，理想空载转速 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4.24。 图4.24 改变定子电源频率时的人为特性 （4）转子电路串电阻时的人为特性 在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻 后［见图4.25(a)］，转子电路中的电阻为 。 根据 的串入对理想空载转速 、最大转矩 没有影响，但临界转差率 则随着 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。 (a)原理接线图 (b)机械特性 图4.25 线绕式异步电动机转子电路串电阻 4．4 三相异步电动机的启动特性 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，启动电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，对电网和电动机本身都是不利的。 ·对电网而言，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）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。 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 可达额定电流 的5～7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 ，转子功率因数 很低，因而启动转矩 却不大，一般 。 异步电动机的固有启动特性如图4.26所示。 图4.26 异步电动机的固有启动特性 显然，异步电动机的这种启动性能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，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。 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，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）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。 例5.2：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其 ，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的 比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？ 解：因为没有独立的变压器供电，且电动机经常启动，故应按经验公式计算来确定启动方法。 根据经验公式算出 满足上述关系，故允许直接启动。 由 可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。 鼠笼式异步电动机直接启动的经验数据见表5.1。 表5.1 鼠笼式异步电动机直接启动的经验数据 供电方式 电动机的启动情况 供电网络 上允许的 电压降 供电变压器容量(kVA) 100 180 320 560 750 1000 直接启动电动机的最大功率(kW) 动力与照明 混合 经常启动 不经常启动 2% 4% 4.2 8.4 7.5 15 13.3 27 23 47 31 62 42 84 动力专用 10% 21 37 66 116 155 210 直接启动因无需附加启动设备，且操作和控制简单、可靠，所以，在条件允许的情况下应尽量采用，考虑到目前在大中型厂矿企业中，变压器容量已足够大，因此，绝大多数中、小型鼠笼式异步电动机都采用直接启动。 三．定子串电阻或电抗器降压启动 异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图4.27所示。启动时，接触器1KM断开，KM闭合，将启动电阻 串入定子电路，使启动电流减小；待转速上升到一定程度后再将1KM闭合， 被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。 图4.27 定子串电阻或电抗的降压启动 这种启动方法的缺点是： ·启动转矩随定子电压的平方关系下降，其机械特性见图4.22所示，故它只适用于空载或轻载启动的场合； ·不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。 四． 降压启动 降压启动的接线图如图4.28所示。 图4.28 降压启动 启动：触点KM和1KM闭合，2KM断开，将定子绕组接成星形接入电网而启动； 运行：待转速上升到一定程度后再将1KM断开，2KM闭合，将定子绕组接成三角形接入电网，电动机启动过程完成而转入正常运行。 启动方法适用于电动机运行时定子绕组接成三角形的情况。 设 为电源线电压， 及 为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流（线电流），Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗。则有 ， 所以 ，即定子接成星形时的启动电流等于接成三角形时启动电流的1/3，而接成星形时的启动转矩 ，接成三角形时的启动转矩 ，所以， ，即Y连接降压启动时的启动转矩只有 连接直接启动时的1/3。 降压启动方法的特点： ·设备简单、经济、启动电流小； ·启动转矩小，且启动电压不能按实际需要调节，故只适用于空载或轻载启动的场合； ·只适用于正常运行时定子绕组 接线的异步电动机。 由于这种方法应用广泛，我国已专门生产能采用 降压启动的三相异步电动机，其定子额定电压为380V，即电源的线电压，连接方法为 。 五．自耦变压器降压启动 自耦变压器降压启动的原理接线图如图4.29(a)所示。 (a) 原理接线图图 (b) 一相电路 图4.29 自耦变压器降压启动 启动：1KM，2KM闭合，KM断开，三相自耦变压器T的三个绕组连成星形接于三相电源，使接于自耦变压器副边的电动机降压启动： 运行：当转速上升到一定值后，1KM，2KM断开，自耦变压器T被切除，同时KM闭合，电动机接上全电压运行。 图4.29(b)为自耦变压器启动时的一相电路。 由变压器的工作原理知：副边电压与原边电压之比为， ，启动时加在电动机定子每相绕组的电压是全压启动时的 倍，因而电流 也是全压启动时的K倍，即 （注意： 为电动机定子电流，即变压器副边电流。 为全压启动时的启动电流，即全压启动时电网的供电电流）；而变压器原边电流 ，即此时电网供电电流 是直接启动时电流 的 倍。 特点： ·与 降压启动时情况一样，只是在 降压启动时的 为定值，而自耦变压器启动时的 是可调节的，这就是此种启动方法优于 启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的 倍。 ·变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，因此，不适于启动频繁的电动机。 所以，它在启动不太频繁，要求启动转矩较大、容量较大的异步电动机上应用较为广泛。通常把自耦变压器的输出端做成固定抽头（一般有K=80%、65%和50%三种电压，可根据需要进行选择）、连同转换开关（图4.29中的KM，1KM和2KM）和保护用的继电器等组合成一个设备，叫启动补偿器。 六、延边三角形启动 延边三角形启动法就是在启动时使定子绕组的一部分作三角形连接，另一部分作星形连接，如图4.30(a) 所示。从启动时定子绕组连接的图形来看，就好像将一个三角形三边延长了一样，因此，称为“延边三角形”。 启动时将定子绕组接成延边三角形，启动完了后将定子绕组换接成如图4.30 (b)所示的三角形。 图4.30 延边三角形启动时定子绕组的连接 (a)启动时的连续 (b)运行时的连接 从图4.30(a)可看出启动时每相绕组的电压低于作三角形连接直接启动时的电压，也是属于降压启动，不过，这种接法与 换接启动法比，延边三角形接法的相电压较Y接法的大，所以，启动电流和启动转矩都较大，具体大多少，则由星形部分绕组与三角形部分绕组匝数之比来确定。 由于这种启动方法对电动机定子绕组的出线有特殊的要求，所以用得不是很多，这里就不作进一步的分析了。 七、线绕式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大，因此不能满足某些生产机械需要大启动转矩低启动电流的要求。 线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。 在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。 1．逐级切除启动电阻法 采用逐极切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与§3.4中他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。启动过程如下：如图4.31(a)所示： (a)原理接线图 (b)启动特性 图4.31 逐级切除启动电阻的启动过程 启动开始时，触点1KM，2KM，3KM均断开，启动电阻全部接入，KM闭合，将电动机接入电网。电动机的机械特性如图4.31(b)中曲线Ⅲ所示，初始启动转矩为 ，加速转矩 ，这里 为负载转矩。 在加速转矩的作用下，转速沿曲线Ⅲ上升，轴上输出转矩相应下降，当转矩下降至 时，加速转矩下降到 ，这时，为了使系统保持较大的加速度，让3KM闭合，使各相电阻中的 被短接（或切除），启动电阻由 减为 ，电动机的机械特性曲线由曲线Ⅲ变化到曲线Ⅱ，只要 的大小选择合适，并掌握好切除时间，就能保证在电阻刚被切除的瞬间电动机轴上输出转矩重新回升到 ，即使电动机重新获得最大的加速转矩。 以后各段电阻的切除过程与上述相似，直到转子电阻全部被切除，电动机稳定运行在固有机械特性曲线上，即图中曲线Ⅳ上相应于负载转矩 的点9，启动过程结束。 2．频敏变阻器启动法 采用逐级切除启动电阻法来启动线绕式异步电动机时，可以由手动操作“启动变阻器”或“鼓形控制器”来切除电阻，也可以用继电器-接触器自动切换电阻，前者很难实现启动要求，且对提高劳动生产率、减轻劳动强度不利；后者则增加附加设备等费用，且维修较麻烦。因此，单从启动而言，逐级切除启动电阻的方法不是很好的方法。若采用频敏变阻器来启动线绕式异步电动机，则既可自动切除启动电阻，又不需要控制电器。 频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器，铁心由一定厚度的几块实心铁板或钢板叠成，一般做成三柱式，每柱上绕有一个线圈，三相线圈连成星形，然后接到线绕式异步电动机的转子电路中，如图4.32所示。 图4.32 频敏变阻器接线图 频敏变阻器为什么能取代启动电阻呢？因在频敏变阻器的线圈中通过转子电流，它在铁心中产生交变磁通，在交变磁通的作用下，铁心中就会产生涡流，涡流使铁心发热，从电能损失的观点来看，这和电流通过电阻发热而损失电能一样，所以，可以把涡流的存在看成是一个电阻 。另外，铁心中交变的磁通又在线圈中产生感应电势，阻碍电流流通，因而有感抗X（即电抗）存在。所以，频敏变阻器相当于电阻 和电抗X的并联电路。启动过程中频敏变阻器内的实际电磁过程如下： 启动开始时， ，转子电流的频率（ 高，铁损大（铁损与 成正比），相当于 大，且 ，所以， 也很大，即等效阻抗大，从而限制了启动电流。另一方面由于启动时铁损大，频敏变阻器从转子取出的有功电流也较大，从而提高了转子电路的功率因数，增大了启动转矩。 随着转速的逐步上升，转子频率 逐渐下降，从而使铁损减少，感应电势也减少，即由R和X组成的等效阻抗逐渐减少，这就相当于启动过程中自动逐渐切除电阻和电抗。当转速 时， 很小， 和 近似为零，这相当于转子被短路，启动完毕，进入正常运行。 这种电阻和电抗对频率的“敏感”作用，就是“频敏”变阻器名称的由来。 和逐级切除启动电阻的启动方法相比，采用频敏变阻器的主要优点是：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的良好启动特性，且结构简单，运行可靠，无需经常维修。它的缺点是：功率因数低（一般为0.3～0.8），因而启动转矩的增大受到限制，且不能用作调速电阻。因此，频敏变阻器用于对调速没有什么要求、启动转矩要求不大、经常正反向运转的线绕式异步电动机的启动是比较合适的。它广泛应用于冶金、化工等传动设备上。 我国生产的频敏变阻器系列产品，有不经常启动和重复短时工作制启动的两类，前者在启动完毕后要用接触器KM短接（见图4.32中虚线所示部分），后者则不需要。 频敏变阻器的铁心和铁轭间设有气隙，在绕组上留有几组抽头，改变气隙大小和绕组匝数，用以调整电动机的启动电流和启动转矩，匝数少、气隙大时启动电流和启动转矩都大。 为了使单台频敏变阻器的体积、重量不要过大，当电动机容量较大时，可以采用多台频敏变阻器串联使用。 八、各种启动方法的比较和选用 为了便于根据实际要求选择合理的启动方法，现将上述几种常用启动方法的启动电压、启动电流和启动转矩的相对值列于表4.2。 表4.2 鼠矩式异步电动机几种常用启动方法的比较 启动方法 启动电压相对值 启动电流相对值 启动转矩相对值 直接（全压）启动 1 1 1 定子电路串电阻或 电抗器降压启动 0.8 0.65 0.5 0.8 0.65 0.5 0.64 0.42 0.25 降压启动 0.57 0.33 0.33 自耦变压器 降压启动 0.8 0.65 0.5 0.64 0.42 0.25 0.64 0.42 0.25 表中, 、 和 为电动机的额定电压、全压启动时的启动电流和启动转矩，其数值可从电机的产品 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 中查到； 、 和 为按各种方法启动时实际加在电动机上的线电压、实际启动电流（对电网的冲击电流）和实际的启动转矩。 例4.3：有台拖动空气压缩机的鼠笼式异步电动机, Kw, r/min，启动电流 ，启动转矩 ，运行条件要求启动转矩必须大于 ，电网允许电动机的启动电流不得超过 。试问应选用何种启动方法。 解：按要求，启动转矩的相对值应保证为 启动电流的相对值应保证为 由表4.2可知，只有当自耦变压器降压比为0.8时，才可满足 和 的条件。故选用自耦变压器降压启动方法，变压器的降压比为0.8。 4．5 三相异步电动机的调速特性 根据 如在一定负载下，欲得到不同的转速 ，可以由改变 、 、 和 四个参数入手，则相应地有如下几种调速方法。 一、调压调速 把改变电源电压时的调速特性如图4.33。 图4.33 改变电源电压时的调速特性 由图可见，电压改变时， 变化，而 和 不变。 对于恒转矩性负载 ，负载特性曲线1与不同电压下电动机的机械特性的交点为a、b、c，由图可以看出：当电压变化时，速度的变化很小，即调速范围很小。 对于离心式通风机型负载，负载特性曲线2与不同电压下机械特性的交点为d、e、f，由图可以看出，此时的调速范围稍大。 这种调速方法能够无级调速，但当降低电压时，转矩也按电压的平方比例减小，所以，调速范围不大。 在定子电路中串电阻（或电抗）和用晶闸管调压调速都是属于这种调速方法。 二、 转子电路串电阻调速 原理接线图和机械特性与图4.31相同，从图中可看出，转子电路串不同的电阻，其 和 不变，但 随外加电阻的增大而增大。对于恒转矩负载 ，由负载特性曲线与不同外加电阻下电动机机械特性的交点（9、10、11和12等点）可知，随着外加电阻的增大，电动机的转速降低。 当然，这种调速方法只适用于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用，不过此时要考虑稳定运行时的发热，应适当增大电阻的容量。 转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速。随转速降低，特性变软。转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。 三、 改变磁磁极对数调速 在生产中大量的生产机械，它们并不需要连续平滑调速，只需要几种特定的转速就可以了，而且对启动性能没有高的要求，一般只在空载或轻载下启动，在这种情况下用变磁磁极对数调速的多速鼠笼式异步电动机是合理的。 根据 可知：同步转速 与磁极对数 成反比，故改变磁磁极对数 即可改变电动机的转速。 以单绕组双速电机为例，对变极调速的原理进行分析，如图4.34所示，为简便起见，将一个线圈组集中起来用一个线圈代表。单绕组双速电动机的定子每相绕组由两个相等圈数的“半绕组”组成。图(a)中两个“半绕组”串联，其电流方向相同；图(b)中两个“半绕组”并联，其电流方向相反。它们分别代表两种磁极对数，即2p=4与2p=2。可见，改变磁极对数的关键在于使每相定子绕组中一半绕组内的电流改变方向，即可用改变定子绕组的接线方式来实现。若在定子上装两套独立绕组，各自具有所需的磁极对数，两套独立绕组中每套又可以有不同的连接。这样就可以分别得到双速、三速或四速等电动机，通称为多速电动机。 (a) 串联2p=4 (b) 并联2p=2 图4.34 改变磁极对数调速的原理 注意，多速电动机的调速性质也与连接方式有关，如将定子绕组由Y改接成YY[图4.34(a)]，即每相绕组由串联改成并联，则磁极对数减少了1倍，故 。可以证明：此时转矩维持不变，而功率增加了1倍，即属于恒转矩调速性质；而当定子绕组由 改接成YY[图4.34(b)]时，磁极对数也减少了1倍，即 ，也可以证明，此时功率基本维持不变，而转矩约减少了1倍，即属于恒功率调速性质。 另外，由于磁极对数的改变，不仅使转速发生了改变，而且三相定子绕组中电流的相序也改变了，为了改变磁极对数后仍维持原来的转向不变，就必须在改变磁极对数的同时，改变三相绕组接线的相序，如图4.35所示，将B和C相对换一下，这是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 变极调速电动机控制线路时应注意的一个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 (a)Y-YY (b) -YY 图4.35 单绕组双速电动机的磁极对数变换 多速电动机启动时宜先接成低速，然后再换接为高速，这样可获得较大的启动转矩。 多速电动机虽其体积稍大、价格稍高、只能有级调速，但因结构简单、效率高、特性好，且调速时所需附加设备少，因此，广泛用于机电联合调速的场合，特别是中、小型机床上用得极多。 四、变频调速 从图4.24所示的改变定子电源频率时的人为机械特性可以看出，异步电动机的转速正比于定子电源的频率 ，若连续地调节定子电源频率 ，即可实现连续地改变电动机的转速。 变频调速用于一般鼠笼式异步电动机，采用一个频率可以变化的电源向异步电动机定子绕组供电，这种变频电源多为晶闸管变频装置。 异步电动机的变频调速是一种很好的调速方法。有关变频调速系统的详细内容将在第十二章介绍。 4．6 三相异步电动机的制动特性 异步电动机和直流电动机一样，亦有三种制动方式：反馈制动、反接制动和能耗制动。 一、反馈制动 由于某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，即 ， ，异步电动机就进入发电状态。显然，这时转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反，电流 改变了方向，电磁转矩 也随之改变方向，即 与 的方向相反， 起制动作用。 反馈制动时，电机从轴上吸取功率后，一部分转换为转子铜耗，大部分则通过空气隙进入定子，并在供给定子铜耗和铁耗后，反馈给电网。所以，反馈制动又称发电制动，这时异步电动机实际上是一台与电网并联运行的异步发电机。由于 为负， ，所以，反馈制动的机械特性是电动状态机械特性向第二象限的延伸，如图4.36所示。 图4.36 反馈制动状态异步电动机的机械特性 异步电动机的反馈制动运行状态有两种情况。 1）负载转矩为位能性转矩的起重机械在下放重物时的反馈制动运行状态。 例如，桥式吊车，电动机反转（在第三象限）下放重物。开始在反转电动状态工作，电磁转矩和负载转矩方向相同，重物快速下降，直至 ，即电机的实际转速超过同步转速后，电磁转矩成为制动转矩，当 时，达到稳定状态，重物匀速下降，如图4.35中的a点。 改变转子电路内的串入电阻，可以调节重物下降的稳定运行速度，如图4.35中的b点，转子电阻越大，电机转速就越高，但为了不致因电机转速太高而造成运行事故，转子附加电阻的值不允许太大。 2）电动机在变极调速或变频调速过程中，磁极对数突然增多或供电频率突然降低，同步转速 突然降低时的反馈制动运行状态。 例如，某生产机械采用双速电动机拖动，高速运行时为4极（2p=4）， r/min；低速运行时为8极（2p=8）， r/min；高速和低速情况下的机械特性如图4.37所示。 图4.37 变极或变频调速时反馈制动的机械特性 当电动机由高速档切换到低速档时，由于转速不能突变，在降速开始一段时间内，电机运行到 的机械特性的发电区域内（b点），此时电枢所产生的电磁转矩为负，和负载转矩一起，迫使电动机降速，在降速过程中，电机将运行系统中的动能转换成电能反馈到电网，当电动机在高速档所储存的动能消耗完后，电机就进入2p=8的电动状态，一直到电动机的电磁转矩又重新与负载转矩相平衡，电机稳定运行在c点。 二、 电源反接制动 如果正常运行时异步电动机三相电源的相序突然改变，即电源反接，这就改变了旋转磁场的旋转方向，电动机的机械特性曲线就由第一象限的曲线1变成了第三象限的曲线2，如图4.38所示。 图4.38 电源反接时反接制动的机械特性 由于机械惯性的原因，转速不能突变，系统运行点只能由a点平移至特性曲线2的b点上，电磁转矩由正变负，则转子将在电磁转矩和负载转矩的共同作用下迅速减速。 在从点b到点c的整个第二象限内，电磁转矩 和转速 的方向都相反，电机进入反接制动状态。待 时（点c），应将电源切断，否则电动机将反向启动运行。 由于反接制动时电流很大，因此鼠笼式电动机应在定子电路中串接电阻；线绕式电动机则应在转子电路中串接电阻，这时的人为机械特性如图4.38的曲线3所示，制动时工作点由a点转换到d点，然后沿特性3减速，至 （e点），切断电源。 三、能耗制动 异步电动机的反接制动用于准确停车有一定的困难，因为它容易造成反转，而且电能损耗也比较大；反馈制动虽是比较经济的制动方法，但它只能在高于同步转速下使用；而能耗制动却是比较常用的准确停车的方法。 异步电动机能耗制动的原理线路图一般如图4.39 (a)所示。 (a) 原理线路图 (b)机械特性 图4.39 能耗制动时的原理线路图及机械特性 进行能耗制动时，首先将定子绕组从三相交流电源断开（1KM打开），接着立即将一低压直流电源通入定子绕组（2KM闭合）。直流电流通过定子绕组后，在电动机内部建立一个固定不变的磁场，由于转子在运动系统储存的机械能维持下继续旋转，转子导体内就产生感应电势和电流，该电流与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的制动转矩，在它的作用下，电动机转速迅速下降，此时运动系统贮存的机械能被电动机转换成电能后消耗在转子电路的电阻中。 能耗制动时的机械特性如图4.39 (b)所示，制动时系统运行点从特性1上的a点平移至特性2上的b点，在制动转矩和负载转矩的共同作用下沿特性曲线2迅速减速，直至 。当 时， ，所以能耗制动能准确停车，不像反接制动那样，如不及时切断电源会使电动机反转。 当电动机停止后不应再接通直流电源，因为那样将会烧坏定子绕组。另外，制动的后阶段，随着转速的降低，能耗制动转矩也很快减小，所以，制动较平稳，但制动效果则比反接制动差。可以用改变定子励磁电流 或转子电路串入电阻（线绕式异步电动机）的大小来调节制动转矩，从而调节制动的强弱，由于制动时间很短，所以，通过定子的直流电流 可以大于电动机的定子额定电流，一般取 。 4．7 单相异步电动机的基本结构和工作原理 特点： 1． 为小容量的电动机，从几瓦到几百瓦； 2． 由单相交流电源供电的旋转电机； 3． 具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点。 所以单相异步电动机被广泛用于电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。 一、 单相异步电动机的磁场 单相异步电动机的定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式。当接入单相交流电源时，它在定、转子气隙中产生一个如图4.40所示的脉动磁场。 图4.40 单相异步电动机的脉动磁场 由上可见： 1） 此磁场在空间并不旋转，只是磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化， 即 式中， ——磁感应强度的幅值； ——交流电源角频率。 在电机系统中，常把磁通大小随时间做正弦变化的磁场称脉动磁场，其磁场曲线如图4.41(a)所示 图4.41 脉动磁场分成两个转向相反的旋转磁场 2）可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场（用磁感应强度 表示），可以分解成两个转速相等而旋转方向相反的旋转磁场 和 ，如图4.41（b）所示，磁感应强度的大小为 当脉动磁场变化一个周期，对应的两个旋转磁场正好各转一圈，若交流电源的频率为 ，定子绕组的磁极对数为 ，则两个旋转磁场的同步转速为 ，与三相异步电动机的同步转速相同。 如果仅有一个单相绕组，则在通电前转子原来是静止的，通电后转子仍将静止不动。若此时用手拔动它，转子便顺着拔动方向转动起来，最后达到稳定运行状态。可见这种结构的电动机没有启动能力，但一经推动后，它却能转动起来。因为两个旋转磁场分别作用于鼠笼式转子而产生两个方向相反的转矩，如图4.42所示。 图4.42 单相异步电动机的 曲线 图中， 为正向转矩，由旋转磁场 产生； 为反向转矩，由反向旋转磁场 产生，而 为单相异步电动机的合成转矩， 为转差率。 从曲线可以看出，在转子静止时（ ），由于两个电磁转矩大小相等方向相反，故其作用互相抵消，合成转矩为零，即 ，因而转子不能自行启动。 如果外力拔动转子沿顺时针方向转动，则此时正向转矩 大于反向转矩 ，其合成转矩 为正，将使转子继续沿顺时针方向旋转，直至达到稳定运行状态。同理，如果沿反方向推一下，则电动机就反向旋转。 由此可得出结论： （1）在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，即启动转矩为零； （2）单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向不固定，完全取决于启动时的旋转方向。 因此，要解决单相异步电动机的应用问题，首先必须解决它的启动转矩问题。 二、单相异步电动机的启动方法 单相异步电动机在启动时若能产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动，下面介绍两种常见的单相异步电动机。 1．电容分相式异步电动机 图4.43所示为电容分相式异步电动机的接线原理图。 图4.43 电容分相式异步电动机 定子上有两个绕组AX和BY，AX为运行绕组（或工作绕组），BY为启动绕组，它们都嵌入定子铁心中，两绕组的轴线在空间互相垂直。 在启动绕组BY电路中串有电容C，适当选择参数使该绕组中的电流 在相位上超前AX绕组中的电流 。其目的是：通电后能在定、转子气隙内产生一个旋转磁场，使其自行启动。 根据两个绕组的空间位置及图4.44(a)所示的两相电流之波形，可以画出 为 ， ， 各时刻磁力线的分布如图4.44(b)所示。 (a)两相电流 (b)两相旋转磁场 图4.44 电容分相式异步电动机旋转磁场的产生 从该图可以看出：磁场是旋转的，且旋转磁场旋转方向的规律也和三相旋转磁场一样。是由BY到AX，即由电流超前的绕组转向电流滞后的绕组。 在此旋转磁场作用下，鼠笼转子将跟着旋转磁场一起旋转，若在启动绕组BY支路中，接入一离心开关QC，如图4.43所示。电动机启动后，当转速达到额定值附近时，借离心力的作用，将QC打开，此后电动机就成为单相运行了。此种结构型式的电动机，称为电容分相式电动机。也可不用离心开关，即在运行时并不切断电容支路。 值得指出，欲使电动机反转，不能像三相异步电动机那样掉换两根电源线来实现，必须以掉换电容器C的串联位置来实现，如图4.45所示，即改变QB的接通位置，就可改变旋转磁场的方向，从而实现电动机的反转。洗衣机中的电动机，就是靠定时器中的自动转换开关来实现这种切换的。 图4.45 电容分相式异步电动机正反转接线原理图 2．罩极式单相异步电动机 罩极式电动机的结构如图4.46所示。 图4.46 罩极式单相异步电动机的结构图 在磁极一侧开一小槽，用短路铜环罩住磁极的一部分。磁极的磁通 分为两部分，即 与 ，当磁通变化时，由于电磁感应作用，在罩极线圈中产生感应电流，其作用是阻止通过罩极部分的磁通的变化，使罩极部分的磁通 在相位上滞后于未罩部分的磁通 ，这种在空间上相差一定角度，在时间上又有一定相位差的两部分磁通，合成效果与前面所述旋转磁场相似，即产生一个由未罩部分向罩极部分移动的磁场，从而在转子上产生一个启动转矩，使转子转动。 4．8 同步电动机的基本结构和工作原理 同步电机既可作发电机运行，亦可作电动机运行。同步电动机也是一种三相交流电动机，它除了用于电力传动（特别是大容量的电力传动）外，还用于补偿电网功率因数。发电厂中的交流发电机，全部都是采用同步发电机。 本节电机讨论同步电动机的结构、基本运行原理及工作特性。 一、同步电动机的基本结构 与异步电动机一样，同步电动机也分定子和转子两大基本部分。 定子：由铁心、定子绕组（又叫电枢绕组，通常是三相对称绕组，并通有对称三相交流电流）、机座以及端盖等主要部件组成。 转子：包括主磁极、装在主磁极上的直流励磁绕组、特别设置的鼠笼型启动绕组、电刷以及集电环等主要部件。 同步电动机按转子主磁极的形状分为隐极式和凸极式两种，它们的结构如图4.47所示。隐极式转子的优点是转子圆周的气隙比较均匀，适用于高速电机；凸极式转子呈圆柱形，转子有可见的磁极，气隙不均匀，但制造较简单，适用于低速运行（转速低于1000r/min）。 (a)隐极式 (b)凸极式 图4.47 同步电动机的结构示意图 由于同步电动机中作为旋转部分的转子只通以较小的直流励磁功率（大约为电动机额定功率的0.3%～2%），故同步电动机特别适用于大功率高电压的场合。 二、同步电动机的工作原理和运行特性 1．工作原理 同步电动机的基本工作原理可用图4.48来说明。电枢绕组通以对称三相交流电流后，气隙中便产生一电枢旋转磁场，其旋转速度为同步转速 式中， ——三相交流电源的频率； ——定子旋转磁场的极对数。 图4.48 同步电动机工作原理示意图 在转子励磁绕组中通以直流电流后，同一空气隙中，又出现一个大小和极性固定、磁极对数与电枢旋转磁场相同的直流励磁磁场。这两个磁场的相互作用，使转子被电枢旋转磁场拖着以同步转速一起旋转，即 ,“同步”电动机也由此而得名。 2．机械特性 在电源频率 与电动机转子磁极对数 为一定的情况下，转子的转速 为一常数，因此同步电动机具有恒定转速的特性，它的运转速度是不随负载转矩而变化的。同步电动机的机械特性如图4.49所示。 图4.49 同步电动机的机械特性 异步电动机的转子没有直流电流励磁，它所需要的全部磁动势均由定子电流产生，所以，异步电动机必须从三相交流电源吸取滞后电流来建立电动机运行时所需要的旋转磁场。异步电动机的运行状态就相当于电源的电感性负载了，它的功率因数总是小于1。 同步电动机与异步电动机则不相同，同步电动机所需要的磁动势是由定子与转子共同产生的。同步电动机转子励磁电流 产生磁通 ，而定子电流 产生磁通 ，总的磁通 为两者的合成。当外加三相交流电源的电压 为一定时，总的磁通 也应该为一定，这一点是和感应电动机的情况相似的。因此，当改变同步电动机转子的直流励磁电流 使 改变时，如果要保持总磁通 不变，那么， 就要改变，故产生 的定子电流 必然随着改变。当负载转矩 不变时，同步电动机输出的功率 也是恒定的，若略去电动机的内部损耗，则输入的功率 也是不变的。所以，改变 影响 改变时，功率因数 也是随着改变的。因此，可以利用调节励磁电流 使 刚好等于1，这时，电动机的全部磁动势都是由直流产生的，交流方面毋须供给励磁电流，在这种情况下，定子电流 与外加电压 同相，这时的励磁状态称为正常励磁。当直流励磁电流 小于正常励磁电流时，称为欠励，直流励磁的磁动势不足，定子电流将要增加一个励磁分量，即交流电源需要供给电动机一部分励磁电流，以保证总磁通不变。当定子电流出现励磁分量时，定子电路便成为电感性电路了，输入电流滞后于电压， 小于1，定子电流比正常励磁时要增大一些。另一方面，如果使直流励磁电流 大于正常励磁电流时，称为过励，直流励磁过剩，在交流方面不仅毋须电源供给励磁电流，而且还向电网发出电感性电流与电感性无功功率，正好补偿了电网附近电感性负载的需要，使整个电网的功率因数提高。过励的同步电动机与电容器有类似的作用，这时，同步电动机相当于从电源吸取电容性电流与电容性无功功率，成为电源的电容性负载，输入电流超前于电压， 也小于1，定子电流也要加大。 根据上面的分析，我们可以看出，调节同步电动机转子的直流励磁电流 便能控制 的大小和性质（容性或感性），这是同步电动机最突出的优点。 同步电动机有时在过励下空载运行，在这种情况下电动机仅用以补偿电网滞后的功率因数，这种专用的同步电动机称为同步补偿机。 三、同步电动机的启动 同步电动机虽具有功率因数可以调节的优点,但却没有像异步电动机那样得到广泛应用，这不仅是由于它的结构复杂、价格贵，而且它的启动困难。其原因如下： 如图4.50所示，如果转子尚未转动时，加以直流励磁，产生固定磁场N—S；当定子接上三相电源，流过三相电流时，就产生了旋转磁场，并立即以同步转速 旋转。 (a)二者相吸 (b)二者相斥 图4.50 同步电动机的启动特性 在图(a)所示的情况下，二者相吸，定子旋转磁场欲吸着转子旋转，但由于转子的惯性，它还没有来得及转动时旋转磁场却已转到图(b)所示的位置，二者又相斥，这样，转子忽被吸，忽被斥，平均转矩为零，不能启动。 为了启动同步电动机，采用了异步启动法，即在转子磁极的极掌上装有和鼠笼绕组相似的启动绕组，如图4.51所示。 图4.51 同步电动机的启动绕组 启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产生旋转磁场，鼠笼绕组中产生感应电势，即产生感应电流，从而使转子转动起来，等转速接近同步转速时，再在励磁绕组中通入直流励磁电流，产生固定磁极的磁场，在定子旋转磁场与转子磁场的相互作用下，便可把转子拉入同步。转子达到同步速度后，启动绕组与旋转磁场同步旋转，即无相对运动，这时，启动绕组中便不产生电势和电流。 同步电动机异步启动法原理接线图如图4.52所示。 图4.52 同步电动机异步启动法的接线图 启动步骤如下： 1）励磁电路的转换开关QB投合到1的位置，使励磁绕组与直流电源断开，直接通过变阻器构成闭合回路以免启动时历次绕组受旋转磁场的作用产生较高的感应电势，发生危险； 2）按鼠笼式异步电动机的方法启动，给同步电动机的定子绕组加上额定电压，时转子转速升高到接近同步转速。必要时可采用降压启动； 3）将励磁电路转换开关QB投合到2的位置，励磁绕组与直流电源接通，转子上形成固定磁极，并很快被旋转磁场拖入同步； 4）用变阻器调节励磁电流，使同步电动机的功率因数调节到要求数值。 至此，同步电动机的启动即告结束。 4、 同步电动机的特点 1． 由于同步电动机的是双重励磁和异步启动，故它的结构复杂； 2． 由于需要直流电源、启动以及控制设备，故它的一次性投入要比异步电动机高得多； 3． 同步电动机具有运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高等特点。 因此，在低速和大功率的场合，如大流量低水头的泵，面粉厂的主转动轴、橡胶磨和搅拌机、破碎机、切碎机、造纸工业中的纸浆研磨机、匀浆机、压缩机、直流发电机、轧钢机等都都是采用同步电动机来传动的。 _1125216478.unknown _1125236326.unknown _1125244158.unknown _1125250862.unknown _1125251855.unknown _1125253165.unknown _1125253201.unknown _1125253269.unknown _1125253284.unknown _1125253310.unknown _1125253398.unknown _1125253401.unknown _1125253482.unknown _1125253400.unknown _1125253396.unknown _1125253397.unknown _1125253327.unknown _1125253395.unknown _1125253314.unknown _1125253299.unknown _1125253307.unknown _1125253293.unknown _1125253275.unknown _1125253279.unknown _1125253272.unknown _1125253226.unknown _1125253241.unknown _1125253249.unknown _1125253230.unknown _1125253217.unknown 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