第16章 电动机,16.1 三相异步电动机工作原理 16.2 异步电动机的启动 16.3 异步电动机的调速 16.4 单相异步电动机 16.5 直流电动机 16.6 步进电动机 16.7 电动机的选择,电动机是实现能量转换的电磁装置。电动机分为交流电动机和直流电动机两大类，交流电动机又有同步和异步之分。异步电动机按转子结构可分为鼠笼式和绕线式。三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、价格便宜和维护方便等优点，因而被广泛应用于机床、起重机和运输机等。单相异步电动机多用于家电和电动工具等。,16.1 三相异步电动机工作原理,16.1.1三相异步电动机的结构 三相异步电动机(Three-phase Asynchronous Motor)由定子(固定部分)和转子(旋转部分) 两个基本部分构成。,图16.1.1 鼠笼式三相异步电动机的构造,1.定子 (1)定子铁心 (2)定子绕组 (3)机座 (4)端盖,图16.1.2 定子转子铁心,图16.1.3 接线柱的联结,2.转子 (1)转子铁心 (2)转子绕组,图16.1.4 鼠笼式转子,图16.1.5 铸铝鼠笼式转子,图16.1.6 绕线型转子的外形结构,图16.1.7 绕线型转子示意图,16.1.2 三相异步电动机的工作原理 1.旋转磁场 （1）旋转磁场的产生,图16.1.8 三相电流的波形,图16.1.9 二极旋转磁场,图16.1.10 三相绕组,图16.1.11 产生四极旋转磁场的定子绕组,（2）旋转磁场的转速 旋转磁场的转速称为同步转速(Synchronous Speed)，用表示。,表16.1.1 同步转速与磁极对数的关系,（3）旋转磁场的方向 旋转磁场是沿着U1V1W1方向旋转的，即与三相绕组中的三相电流的相序L1L2L3是一致的。所以要改变旋转磁场的转向，就必须改变三相绕组中电流的相序，即如图16.1.12所示，把三相绕组接到电源上的三根导线中的任意两根对调一下位置 2.三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机的定子绕组接通三相交流电源后，在电动机内部产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下就会转动起来。,图16.1.12 改变旋转磁场的转向,图16.1.13 三相异步电动机的转动原理,16.1.3三相异步电动机的电路分析 1.定子电路 ，,图16.1.14 三相异步电动机的每相等效电路图1,2.转子电路 转子电路的各个物理量对电动机的运行性能都有影响；并且由于转子是转动的，所以它们都与转速有关。 （1）转子频率,（2）转子电动势 （3）转子感抗,（4）转子电流 （5）转子电路的功率因数,图16.1.15 和 与转差率S的关系,和,与转差率,的关系,16.1.4三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 1.电磁转矩 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。,2.机械特性 机械特性是指在电源 U1不变的条件下，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系， ，如图16.1.16所示（此曲线可由式(16.1.11)表示的 关系曲线得到）。 nm称为临界转速，n0为同步转速，nN为额定转速，TN为额定转矩，Tst对应 时的电磁转矩，称为启动转矩，Tm为最大转矩。,图16.1.16 机械特性,（2）最大转矩Tm Tm表示电动机可能产生的最大转矩，又称临界转矩，对应于Tm的转差率sm称为临界转差率。 sm和Tm可由 求得。,图16.1.17 U1 对机械特性的影响,图16.1.18 R2 对机械特性的影响,3.启动转矩Tst 电动机启动时， ， ，由式(16.1.10)知，此时电磁转矩为,16.1.5 三相异步电动机的铭牌和技术数据 1.型号 电机型号是电机类型、规格等代号。,2.额定功率 额定功率PN是电动机在额定运行情况下，其轴上输出的机械功率。又称额定容量。 3.额定电压 额定电压UN是指电动机在额定运行时定子绕组线电压，它同定子绕组接法相对应。,4.额定电流 额定电流IN是电动机在额定运行时定子绕组的线电流。 5.额定转速 在额定电压下，输出额定功率时的转速称额定转速nN。 6.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允许的极限温度来划分的。,7.工作方式 8.功率因数 电动机是电感性负载，定子电流比电压滞后一个 角， 就是电动机的功率因数。 9.效率 效率是指电动机在额定状态下运行时输出功率PN对定子输入功率P1的比值。即,16.2 异步电动机的启动,电动机从接通电源开始旋转，转速逐 渐升高，一直达到稳定转速为止，这一过 程称为启动。,16.2.1鼠笼式三相异步电动机的启动 1.直接启动 直接给电动机加上额定电压使之启动的方法称为直接启动，或称全压启动。 2.减压启动,(1)-换接启动 对正常运行采用形接法的异步电动机，在启动时先改接成Y形，待启动完毕电动机转速接近稳定后再接成形，这种启动方法称为-换接启动。,图16.2.1 -换接启动的电路图,Y形接法启动时,形接法启动时,(2)自耦变压器减压启动,图16.2.2 -换接启动,图16.2.3 自耦变压器启动控制原理图,自耦变压器启动与直接启动相比(定子绕组的连接方式相同)，电动机本身的启动电流减小到直接启动时的1/ ，但从电源取用的电流和启动转矩都减小到1/ 。 自耦变压器启动既适用于正常运行时三角形联结的电动机，也适用于星形联结的电动机。容量较大的鼠笼式三相异步电动机常采用自耦变压器降压启动方式。,16.2.2绕线转子电路串联电阻启动,图16.2.4 绕线转子异步电动机的启动电路,16.3 异步电动机的调速,调速(Speed Regulation)就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。电动机在满载时所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，如5:1,10:1等。如果转速只能跳跃式的调节，这种调速称为有级调速；如果在一定的范围内转速可以连续调节则这种调速称为无级调速。无级调速的平滑性好。这和电动机在不同负载下的转速变化是完全不同的两个概念。,16.3.1改变磁极对数调速,图16.3.1 双速电动机定子绕组接线改变示意图,16.3.2改变转差率调速 16.3.3改变电源频率调速 1.变频器的基本原理 常用的通用变频器为交直交变频器(以下简称变频器)。它主要由整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成。,图16.3.2 变频器的基本结构,(1)整流器 (2)逆变器 (3)中间直流环节 (4)控制电路 控制电路包括主控制电路，运算电路，信号检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和保护电路等构成。 2.变频调速工作原理 (1)变频启动,图16.3.3 变频启动,(2)加速过程中电动机的状态,图16.3.4 加速过程,(3)减速过程中的电动机状态,图16.3.5 减速过程,(4)能耗电路 (5)变频器的功能,图16.3.6 制动单元的构成,图16.3.7 直流制动原理和预置,16.4 单相异步电动机,单相异步电动机常用于功率不大的电 动工具(如电钻、搅拌器等)和家用电器(如 洗衣机、电冰箱、电风扇、抽排油烟机 等)。,16.4.1电容分相式异步电动机,图16.4.1 电容分相式异步电动机,图16.4.2 两相电流,图16.4.3 两相旋转磁场,图16.4.4 实现正反转的电路,16.4.2 罩极式单相异步电动机,图16.4.5 罩极式单相异步电动机的结构图,图16.4.6 罩极式电动机的移动磁场,图16.4.7 采用电抗器降压的电扇调速电路,罩极式单相异步电动机结构简单，工作可靠，但启动转矩较小，常用于对启动转矩要求不高的设备中，如风扇、吹风机等。,16.5 直流电动机,由直流电源供电的电动机称为直流电动机。 电枢电流不Ia与每极磁通 相互作用，产生的电磁转矩为,另外，当电枢在磁场中转动(转速为n)时，线圈中要产生感应电动势,图16.5.1 直流电动机的工作原理图,图16.5.2 直流电机的组成部分,图16.5.3 直流电动机的接线图,16.6 步进电动机,步进电动机(Step Motor)可以将脉冲电信号变换为转角或转速，所以又称脉冲电动机。步进电动机的转角与输入的电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，因此，它不受电压、负载以及环境条件变化的影响，广泛应用于脉冲技术和数字控制系统中。 根据步进电动机的结构特点，通常分成反应式和永磁式两种。,图16.6.1 三相反应式步进电动机工作原理,图16.6.2三相单三拍信号波形,图16.6.3 为三相六拍通电方式,图16.6.4 三相六拍步进电动机驱动电路原理图,16.7 电动机的选择,1.种类的选择 2.功率的选择 3.电压的选择 4.转速的选择,5.外形结构的选择 (1)防护式 (2)封闭式 (3)密封式 (4)防爆式 6.安装型式的选择,图16.7.1 电动机的3种基本安装结构型式,7.型号的选择,