第3章 异步电动机,3.1 三相异步电动机的结构与铭牌数据 3. 2 异步电动机的工作原理 3. 3 异步电动机的运行特性 3. 4 单相异步电动机,内容简介,本章内容主要包括: 异步电动机的结构特点、转动原理、对定子和转子电路的分析以及异步电动机的运行特性。,3.1 三相异步电动机的结构与铭牌数据,3.1.1 三相异步电动机的基本结构,按定子相数分：,单相异步电动机,两相异步电动机,三相异步电动机,按转子结构分：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,三相异步电动机的转子（ROTATOR）,三相异步电动机的转子（ROTATOR）,1、转子铁心：由硅钢片冲叠而成，用来安放转子绕组。 2、转子绕组：有笼型和绕线型两种。,1、机座：起固定和支撑定子铁心的作用，一般用铸铁制造。 2、定子铁心：由硅钢片冲叠而成，铁心内开有均匀的槽，嵌放定子绕组。,三相异步电动机的定子（STATOR） 定子由机座、定子铁心、定子绕组组成。,3、定子绕组：三相对称绕组按一定的规律嵌放在定子 铁心槽中。可接成Y或。,三相异步电动机的定子（STATOR） 定子由机座、定子铁心、定子绕组组成。,3.1.2 额定数据,1) 型号 Y 90L4,磁极数(极对数 p=2) 同步转速1500转/分,铭牌数据,额定运行时电动机轴上输出的机械功率,2) 额定功率PN,其中,额定功率指电机在额定运行时轴上输出的机械功率（ P2 ），不等于从电源吸收的电功率（P1 ）。两者的关系为：,3) 额定电压UN,额定运行时定子绕组所接电源线电压值,4) 联接方式：Y/ 接法,Y 接法,接法,例：380/220 Y/是指：线电压为380V时采用Y接法；当线电压为220V时采用接法。,说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的 5 。,5) 额定电流IN,额定运行时定子绕组的线电流,7) 额定转速nN,额定运行时电动机的转速,6) 额定频率fN,电源频率,有连续运行、短时运行和重复短时运行三种。,8) 额定功率因数,额定运行时的功率因数。,10) 绝缘等级与温升:,9) 定额 (工作方式或工作制):,与所用绝缘材料有关。,额定负载时一般为0.7 0.9 ，空载时功率因数很低约为0.2 0.3。,3. 2 异步电动机的工作原理,三相异步电动机转子转起来的两个基本条件: 即转子绕组自成闭合回路和定子三相绕组通入三相电流能产生旋转磁场.,1 转动原理,右手定则：判定感应电流的方向。,左手定则：判定电磁作用力的方向。,2 旋转磁场,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,向下,同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向,旋转方向：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相,2. 旋转磁场的转动方向,3.旋转磁场的转速,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：,极对数（P）的概念,极对数（P）的改变,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。,极对数,极对数和转速的关系,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期 磁场转过的空间角度,同步转速,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速:,转差率 的概念：,异步电机运行中: S = 0.010.09,转差率S用来表明转子的转速 n 相对于同步转速 n0 的 差别程度。即：,异步电动机的三种工作状态：,3. 3 异步电动机的运行特性,3.3.1 异步电动机的转子磁场及磁势平衡关系,定子磁场以n0旋转时，这一转子磁场将与之同步旋转，即转子旋转磁场与定子旋转磁场转向相同，转速也为n0。转子磁场的存在必将对定子旋转磁场产生影响，称为转子反应。,转子反应的结果与变压器中原、副边磁势平衡关系相似。根据变压器工作原理，变压器负载运行时，副边电流产生的副边磁势对主磁通呈去磁作用。,为了维持主磁通基本不变，原边绕组中的电流就相应地增加，依靠增加的原边磁势来补偿副边磁势的去磁作用。,对于异步电动机而言，当轴上的机械负载增大时，其转速将有下降的趋势，转子绕组切割旋转磁场的相对速度增大，转子电流随之增大，由此产生的转子磁势对主磁场的去磁效应也增大。,为了维持气隙中的主磁通基本不变，定子绕组中的电流也必然增大，以增大的定子磁势来补偿转子磁势的去磁作用。由此可见，异步电动机中，定子绕组的电流大小将与转子电流成比例，且取决于轴上负载的大小。,1) 定子电路,绕组中正弦感应电动势的有效值为,k1为小于1的定子分布绕组系数,3.3.2 异步电动机的等效电路,定子电路相量电压平衡方程式为,由于绕组在正常负载范围内漏阻抗压降远小于感应电动势E1。,2) 转子电路,p对磁极的旋转磁场以n=n0-n的转速切割转子每相绕组。,转子电势e2的频率为,转子每相绕组感应电动势e2的有效值为,其中E20为转子不动(s=1和f2=f1)时的感应电动势, 即,k2为转子绕组系数.,定值,u1,转子功率因数,转子电流及其功率因数均随转差率s或转速n而变.,鼠笼式转子的磁极对数 绕线式异步电动机的转子绕组分布与定子绕组相同，则定、转子有相同的磁极对数。鼠笼式异步电动机的转子绕组是由导电条组成，其磁极对数由定子磁极对数决定，即恒等于定子的磁极对数。,转子旋转磁势相对于定子绕组的转速为,转子旋转磁场绕着转子旋转的转速n2与转子电流的频率f2成正比与磁极对数p成反比, 即,定子磁场和转子磁场,磁动势的平衡方程为：,可以改写为：,定子磁势,转子磁势,空载磁势,定子电流和转子电流,将磁势平衡方程各项同除k1 N1后可以得到定、转子电流的平衡关系式，即,3.3.3 异步电动机的转矩及功率平衡方程,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。,常数,每极磁通,转子电流,1) 电磁转矩,转子电路的,将其中参数代入：,转矩公式,2) 三相异步电动机功率流图,P1 ：定子输入三相电功率 Pe：通过气隙旋转磁场传送给转子的电磁功率 Pm：转子的机械功率功率 P2 ：轴上输出机械功率 PFe1 ：定子铁损 PCu1：定子铜损 PCu2：转子铜损 P0：空载机械损耗功率,Pm=T,旋转磁场的同步角速度0=2n0/60,转子旋转的角速度=2n/60,电磁转矩:,（牛顿米）,Pe=0T,机械转矩:,3.3.4 异步电动机的机械特性,将其中参数代入：,转矩公式,机械特性曲线,T = f (s )曲线,异步电动机机械特性曲线,电磁转矩特性T = f (s ),得特性曲线：,电动机的自适应负载能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,直至新的平衡。此过程中， 时， 电源提供的功率自动 增加。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。,如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。,1) 额定转矩 TN：,电机在额定电压下，以额 定转速nN 运行，输出额 定功率PN 时，电机转轴 上输出的转矩。,三个重要转矩,由于T0很小一般可忽略，因此可得异步电动机中转矩平衡方程为：,（牛顿米）,额定转矩,如果TLTmax电机将会 因带不动负载而停转。,2) 最大转矩 （或临界转矩）Tmax：,电机带动最大负载的能力,求解,可得临界转差率,有两点值得注意:,(1)Tmax U12,(2)最大转矩值与转子电阻无关,一般三相异步电动机的倍数 m=1.62.5.,最大转矩与额定转矩之比m, 称为过载倍数, 即,3) 起动转矩Tst,则,可见 ，并且与R2有关。,一般三相鼠笼电动机的s=1.02.2.,当转子电路外串电阻使R2=X20时, 则s=1(n=0),起动转矩与额定转矩之比称为起动转矩倍数s, 即,机械特性的软硬,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。 软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。,转矩的实用公式,工程上常采用如下两个简便的实用公式, 即,或,1、转速特性,2、转矩特性,3、定子电流特性,4、定子功率因数特性,5、效率特性,工作特性的曲线如图所示：,三相异步电动机的工作特性,机械特性,效率特性,电流特性,转距特性,功率因数,定子电流特性I1=f(P2),异步电动机空载时P2=0、s0、转子电流I20。这时，定子电流，几乎全部用以励磁。随着负载的增大，转子转速下降，s增大，I2增大，为维持磁势平衡，I1随之增大，故电流特性为一上升曲线，起点在I0值。,异步电动机空载和轻载时，定子电流较大，其空载电流I0与额定电流IN之比约为2050。这是因为电动机的磁路存在气隙，磁阻较大，所以产生一定量的磁通所需要的电流就大。,效率特性 =f(P2),当负载很小时，可变损耗很小，这时效率迅速上升。随着负载继续增大时，可变损耗增大，直到不变损耗与可变损耗相等时，效率达到最高，一般中小型电机约在3/4的额定负载时效率最高。若继续增大负载，由于可变损耗增加较快，效率又开始下降。,空载损耗称不变损耗 铜损(平方损失)为可变损耗,效率特性 =f(P2) 电动机轴上输出的机械功率P2与定子输入功率P1之比称为效率 。即 通常一般三相异步电动机的额定效率约为0.720.93。电动机容量越大效率相对越高。,效率对输出功率求导,使之为0,求出效率极值,当不变损失(PFe)与可变损失(PCu)相等时,效率达最大值,功率因数特性,外加电压一定时，其主磁通基本不变，则建立磁场所需的无功电流基本不变。由于电机空载时P2 =0，有功电流分量很小，此时功率因数很低，一般小于0.2。,随负载增大时，输出功率增大，即有功分量增大，cos1随之增加。若负载继续增加，由于转速降低、转差增加，转子功率因数下降较多，使定子电流中与之平衡的无功分量也增大，功率因数有所下降。一般电动机在额定功率附近，将达到最大功率因数。,三相异步电动机的选择 在船舶上三相异步电动机的使用非常广泛，正确的选用电动机是关系到船舶安全运行和经济运行的重要保障。选择电动机应按照生产机械的实际要求，正确选择电动机的容量、种类、型式等。,(1).功率的选择 电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率。若功率选择太小，电动机会因过载而损坏，甚至烧毁；选择得太大，则不但增加投资，而且电动机没有充分发挥它的作用，效率和功率因数都会降低。 一般对连续运行的恒定负载，如果生产机械的功率为P1 ，则电动机的功率P可按下式算出：,(2).种类的选择 一般选择电动机种类主要从以下几方面考虑：交流还是直流、机械特性（硬特性或软特性）、调速与起动性能、维护及价格等。,(3). 结构型式的选择 电动机的结构型式主要有： 1）开启式：这种电动机的带电部分和旋转部分没有任何防护装置。散热好，造价低。用于干燥无灰尘的场所。 2）防护式：在机壳或端盖下面有通风罩，可防水滴、铁屑等杂物从上面或与垂直方向成45角以内掉入电动机内部。 3）封闭式：有封闭外壳保护，电动机靠自身风扇或外部风扇冷却，外壳带有散热片。适用于潮湿、尘埃多、水土飞溅的场所。 4）防爆式：外壳完全封闭，适用于有爆炸气体的场所，例如船上的蓄电池室。,(4).电压与转速的选择 电动机电压的选择是根据使用地点的电源来决定的。 电动机额定转速的选择应由生产机械的转速和传动设备的情况来决定，通常电动机的转速应尽量与生产机械的转速一致，以便直接传动，避免传动装置复杂化。,单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式。,3.4 单相异步电动机,定子放单相绕组（其中通单相交流电）,转子一般用鼠笼式。,3.4.1 定子单相绕组通电时的磁场