第五章第五章 交流电动机的工作原理及特性交流电动机的工作原理及特性 了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；了解三相异步电动机的基本结构及工作原理； 掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性； 掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数； 掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌掌握握实实现现三三相相异异步步电电动动机机启启动动、调调速速和和制制动动的的各各种种方方法法及及它它们们的使用场所；的使用场所； 掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法； 了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。51 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理 一、三相异步电动机的基本结构一、三相异步电动机的基本结构 三三相相异异步步电电动动机机主主要要由由定定子子和和转转子子两两个个部部分分组组成成，定定子子是是不不动动的的部部分分，转转子子是是旋旋转转部部分分，在在定定子子和和转转子子之之间间有有一一定定的的气气隙隙。如如图图所示。所示。异步电动机的结构异步电动机的结构上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节图图 6.1.1 三相笼式异步电动机的部件图三相笼式异步电动机的部件图1. .定子定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。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定子铁心是磁路的一部分，它由分，它由0.5mm的硅钢片叠的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座成为一个整体，固定于机座上。上。 定子绕组是电动机的电定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，表示，其中，A、B、C称为称为首端首端，而，而X、Y、Z称为称为末端末端。 机机座座主主要要用用于于固固定定与与支支撑撑定定子子铁铁心心。中中小小型型异异步步电电动动机机一一般般采采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。 三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生生旋转磁场旋转磁场。 2. .转子转子 转子铁心也是电动机磁转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。硅钢片冲片如图所示。 转子由铁心与绕组组成。转子由铁心与绕组组成。 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。转子的作用是是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩产生转子电流，即产生电磁转矩。 鼠笼式异步电动机转子绕鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，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再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图所示。端环上而组成，如图所示。 线绕式异步电动机转线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，启动性能与调节转速， 对称三相绕组对称三相绕组通入对称三相电流通入对称三相电流旋转磁场旋转磁场(磁场能量磁场能量)磁场绕组切磁场绕组切割转子绕组割转子绕组转子绕组中转子绕组中产生产生 e 和和 i转子绕组在磁场中转子绕组在磁场中受到电磁力的作用受到电磁力的作用转子旋转起来转子旋转起来机械负载机械负载旋转起来旋转起来三相交流电能三相交流电能输出机械能量输出机械能量上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节下一节下一节二、三相异步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理 二、三相异步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理 1定子旋转磁场定子旋转磁场 假假设设每每相相绕绕组组只只有有一一个个线线匝匝，分分别别嵌嵌放放在在定定子子内内圆圆周周的的6个个凹凹槽槽之之中中。现现将将三三相相绕绕组组的的末末端端X、Y、Z相相连连，首首端端A、B、C接接三三相相交流电源。且三相绕组分别叫做交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图所示。相绕组。如图所示。 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且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相相绕组的电流作为参考正弦量，即绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三相绕组A、B、C的的电流（相序为电流（相序为ABC）的瞬时值为：的瞬时值为： 如图所示是这些电流随时间变化的曲线。如图所示是这些电流随时间变化的曲线。 iB为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到端流到B端；端； iC为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到端流到Z端。端。 按按右右手手螺螺旋旋法法则则确确定定三三相相电电流流产产生生的的合合成成磁磁场场，如如图（图（a）箭头所示。箭头所示。 iA=0 iB为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到端流到B端；端； iA为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到端流到X端。端。 此此 时时 的的 合合 成成 磁磁 场场 如如 图图（b）所所示示，合合成成磁磁场场已已从从t=0 瞬瞬间间所所在在位位置置顺顺时时针针方方向向旋旋转了转了 /3。 iC=0 iC为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到端流到C端；端； iA为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到端流到X端。端。 此此时时的的合合成成磁磁场场如如图图（c）所所示示，合合成成磁磁场场已已从从t=0 瞬瞬间间所所在在位位置置顺顺时时针针方方向旋转了向旋转了2 /3。 iB=0 iC为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到端流到C端；端； iB为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到端流到Y端。端。 此此时时的的合合成成磁磁场场如如图图（d）所所示示，合合成成磁磁场场已已从从 t=0 瞬瞬间间所所在在位位置置顺顺时时针针方方向旋转了向旋转了 。 按按以以上上分分析析可可以以证证明明：当当三三相相电电流流随随时时间间不不断断变变化化时时，合合成成磁磁场也在不断旋转，故称场也在不断旋转，故称旋转磁场。旋转磁场。2旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而B相绕组内的相绕组内的电流又超前电流又超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，当三相交流电的当三相交流电的ABC ，旋转磁场的旋转方向为从旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方向旋转。即向顺时针方向旋转。 如如果果将将定定子子绕绕组组接接至至电电源源的的三三根根导导线线中中的的任任意意两两根根线线对对调调，例例如如，将将B，C两两根根线线对对调调，使使B相相与与C相相绕绕组组中中电电流流的的相相位位对对调调，如如图所示。图所示。 此时此时A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而C相绕相绕组内的电流又超前组内的电流又超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，用上述同样的分析方法，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为ACB，即向逆时针方向即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。 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。电源的三根导线中的任意两根对调即可。 （1）旋转磁场的产生旋转磁场的产生（一）旋转磁场（一）旋转磁场上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节图图 6.2.2 二极旋转磁场二极旋转磁场3. .旋转磁场的极数与旋转速度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，用度，用n0表示。表示。 以以上上讨讨论论的的旋旋转转磁磁场场，具具有有一一对对磁磁极极（磁磁极极对对数数用用p表表示示）即即p=1。 从从上上述述分分析析可可以以看看出出，电电流流变变化化经经过过一一个个周周期期（变变化化360电电角角度度），旋旋转转磁磁场场在在空空间间也也旋旋转转了了一一转转（转转了了360机机械械角角度度），若若电电流的频率为流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：转，即： 如果把定子铁心的槽数增加如果把定子铁心的槽数增加1倍（倍（12个槽），制成如图所示的个槽），制成如图所示的三相绕组。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，便产生具有两对磁极的旋转磁场。称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图所示。如图所示。上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈电流每秒钟变化电流每秒钟变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 50 圈圈旋转磁场转旋转磁场转 3000 圈圈电流每分钟变化电流每分钟变化 (5060) 周周p = 1 时：时：电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转半圈旋转磁场转半圈电流每秒钟变化电流每秒钟变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 25 圈圈旋转磁场转旋转磁场转 1500 圈圈电流每分钟变化电流每分钟变化 (2560) 周周p = 2 时：时：上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节三相异步电动机的同步转速三相异步电动机的同步转速600pfn =min）r/( p12 3456n0/(r/min)300015001000750600500 f = 50 Hz 时时,不同极对数时的同步转速如下不同极对数时的同步转速如下:表表 6.2.1 同步转速同步转速p 为任意值时：为任意值时：上一页上一页下一页下一页返回返回上一节上一节下一节下一节 从从图图可可以以看看出出，对对应应于于不不同同时时刻刻，旋旋转转磁磁场场在在空空间间转转到到不不同同位位置置，此此情情况况下下电电流流变变化化半半个个周周期期，旋旋转转磁磁场场在在空空间间只只转转过过了了 /2，即即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。转。 由由此此可可知知，当当旋旋转转磁磁场场具具有有两两对对磁磁极极（p=2）时时，其其旋旋转转速速度度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：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。成反比。5. .转转差率差率 S 由由工工作作原原理理可可知知：转转子子的的转转速速n（电电动动机机的的转转速速）恒恒比比旋旋转转磁磁场场的的旋旋转转速速度度n0（同同步步速速度度）要要小小。因因为为如如果果两两种种速速度度相相等等时时，转转子子和和旋旋转转磁磁场场没没有有相相对对运运动动，转转子子导导体体不不切切割割磁磁力力线线，因因此此，不不能能产产生生电电磁磁转转矩矩，转转子子将将不不能能继继续续旋旋转转。因因此此，转转子子与与旋旋转转磁磁场场之之间间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机异步电动机的由来。的由来。 定定义义：转转速速差差(n0-n)与与同同步步转转速速n0的的比比值值称称为为异异步步电电动动机机的的转转差率，用表示差率，用表示S，即即 转差率转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。是分析异步电动机运行特性的主要参数。