资源简介

【课题】
7.3 交流电动机
【教学目标】
解释三相异步电动机的基本结构和旋转磁场。
【教学重点】
1．三相异步电动机的基本结构。
2．三相异步电动机的旋转磁场。
【教学难点】
三相异步电动机的旋转磁场。
【教学过程】
【一、复习】
1．磁路基本知识。
2．三相交流电的概念。
【二、引入新课】
三相异步电动机作为生产动力应用广泛。其结构上的定子和转子，从电磁能够交换的角度来看，相当于变压器的一次绕组和二次绕组。旋转磁场是使电动机转子旋转的原因。
【三、讲授新课】
三相异步电动机的基本结构与旋转磁场
1．三相异步电动机的基本结构
图7.21所示为具有笼型转子的三相交流异步电动机的结构图。
图7.21　三相笼型异步电动机结构
（1）定子：由铁心和绕在铁心上的三相绕组构成，如图7.22（a）所示。
铁心：由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压[如图7.22（b）所示]而成，其内圆周均匀分布一定数量的槽孔，用以嵌置三相定子绕组。绕组：每相绕组分布在几个槽内,整个绕组和铁心固定在机壳上。
图7.22　电动机定子
1）定子三相绕组的六个接线端子从接线盒引出，如图7.23所示（可接成星形或三角形）。
图7.23　三相异步电动机定子接线盒
2）定子三相绕组的联结方式：
① 每相绕组的额定电压等于电源的相电压时，绕组应作星形联结。
② 每相绕组的额定电压等于电源的线电压时，绕组应作三角形联结。
（2）转子：由转子铁心和转子绕组组成。
1）转子铁心：是由厚的硅钢片叠压而成的圆柱体，其外圆周冲有槽孔，以便嵌置转子绕组，如图7.24(a)所示。
(a) (b) (c)
图7.24　笼型转子
2）转子绕组根据构造分成两种形式：
① 笼型转子：是在转子铁心槽内压进铜条，铜条两端分别焊在两个铜环（端环）上，如图7.24 (b)所示。中、小型电动机一般都将熔化的铝浇铸在转子铁心槽中，连同短路端环以及风扇叶片一次浇铸成形，如图7.24(c)所示。
② 绕线型转子：转子的铁心槽内嵌置对称三相绕组并作星形联结。三个绕组的末端相连，各相绕组首端通过滑环和电刷引到相应的接线盒里。绕线转子型异步电动机转子的结构如图7.25所示。
（a）示意图 （b）绕线转子
图7.25　绕线转子异步电动机结构
2．三相异步电动机的旋转磁场
（1）旋转磁场：在空间上互差120o的三相对称绕组中分别通入三相对称交流电流(如图7.26所示)，它们将产生各自的交变磁场，三个交变磁场合成为一个两极旋转磁场(如图7.27所示)。
图7.26　三相绕组通入三相交流电
图7.27　旋转磁场的产生
旋转磁场的磁极对数p与定子绕组的空间排列有关。通过适当的安排，可以制成两对、三对或更多对磁极的旋转磁场。
（2）旋转磁场转速（同步转速）为
n0 rmin
不同磁极对数旋转磁场的转速如表7.2所示。
表7.2 不同磁极对数旋转磁场的转速
磁极对数p 1 2 3 4 5
旋转磁场转速n0 /（r·min-1） 3 000 1 500 1 000 750 600
（3）对旋转磁场形成过程分析还可知，旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序有关。若要使旋转磁场反转，只需把三根电源线中的任意两根对调，旋转磁场与原来旋转方向相反。
7.3.2 三相异步电动机的转动原理及转差率
异步电动机运转原理：如图7.31所示。
图7.31　异步电动机转动原理
旋转磁场以同步转速顺时针方向旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感生电动势、感生电流，用右手定则判定其方向。有电流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判断转子受力（F）的方向，如图7.31所示。电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向（顺时针方向）旋转。
1．异步电动机：转子转速与旋转磁场转速同方向，且。
2．转差率：同步转速与转子转速的差值与同步转速之比，用s表示。
s
3．电动机的异步程度：电动机在起动瞬间，0，s1转差率最大；空载运行时，接近于同步转速，转差率s最小。
例如：某四极三相异步电动机额定转速（即转子转速）=1 440 rmin，其同步转速1 500 rmin，则额定转差率()0.04。一般情况下，异步电动机额定转差率0.020.06。
7.3.3　三相异步电动机的运行特性
1．电磁转矩T与转子转速n2的关系曲线
（1）机械特性曲线：电动机的电磁转矩T 与转子转速n2的关系曲线，如图7.32所示。
图7.32　三相异步电动机的机械特性曲线
图中：起动转矩Tst为起动时对应的电磁转矩；
额定转矩TN为电动机带额定负载时对应的电磁转矩；
最大矩转Tm为电动机在运行中具有的最大转矩。
可见：
1）电动机的起动转矩大于负载阻力矩时，电磁转矩随转子转速的增加而逐渐增大（沿曲线DC段上升）到最大转矩Tm。而后随着转速的继续增大电磁转矩减小（沿曲线CA段下降）到等于负载阻力矩时，电动机就以某一转速匀速稳定旋转。
2）电动机在AC段工作时若负载加重，负载阻力矩大于电磁转矩，会使电动机转速有所下降，但与此同时，电磁转矩随转速的下降而增大，从而与负载阻力矩达到新的平衡，使电动机以比原来稍低的转速稳定运转。
3）若负载的阻力矩超过了最大电磁转矩 Tm，没有新的平衡点使电磁转矩等于负载转矩，电动机的转速将很快下降直到停止，处于堵转状态。堵转时电动机定子绕组的电流可达到额定值的 4 ~ 7倍。
4）机械特性曲线中AC段为异步电动机的稳定运行区。只要负载阻力矩介于A ~ C区间内，均可以找到平衡点稳定运行。
（2）过载系数（过载能力）：电动机的最大电磁转矩与额定转矩之比。一般异步电动机的过载系数约为2~2.2，特殊用途电动机可达到3或更大。
（3）起动能力：电动机的起动转矩与额定转矩之比。一般比例为1.7~2.2。
2　转矩与功率的关系
电动机在额定状态下运行输出额定转矩
TN9550
式中：TN为电动机输出额定转矩（Nm）；PN为电动机输出的额定功率（kW）；nN为电动机的额定转速（r/min）。
3　电磁转矩与电源电压的关系
电磁转矩T与电动机定子绕组上所加电压U 的平方成正比，即
TU 2
图7.33画出了几条不同电压时的机械特性曲线。
图7.33　电源电压变化时的机械特性曲线
可见：电动机负载阻力矩一定时，电压降低导致电磁转矩的下降，使电动机转速下降，电流增大。如果电压下降过多，最大转矩也低于负载转矩时，则电动机会被迫停转。
[例7.2] 已知某三相异步电动机额定功率PN4kW，额定转速nN1440 rmin，过载能力为2.2，起动能力为1.8。试求额定转矩TN 、起动转矩Tst、最大转矩Tm。若电动机满载运行，定子绕组上电压下降20%时，电动机能否继续旋转？能否在此状态下满载起动？
[解]　额定转矩
TN9 5509 550 Nm26.5 Nm
起动转矩为
Tst =1.8TN =1.8 26.5 Nm = 47.7 Nm
最大转矩为
m2.2 2.2 26.5 Nm = 58.3 Nm
当电压降低20 %时，据T∝ U2，对应的起动转矩、最大转矩分别为
Ts t = 0.82T s t = 0.64 47.7 Nm =30.6 Nm
Tm0.82Tm = 0.64 58.4 Nm37.4 Nm
满载运行时：因为负载转矩等于电磁转矩 TN26.5NmTm 降压后能在新的平衡点以新的转速稳定运行。
满载起动时：因为负载转矩等于电磁转矩TN26.5NmTs t 降压后可满载直接起动。
7.3.4　三相异步电动机的铭牌
三相异步电动机的铭牌如图7.34所示。
图7.34　三相异步电动机铭牌
1．电动机型号（Y112 M4）：指国产Y系列异步电动机，中心机座高度为112 mm，“M”表示中机座（“L”表示长机座，“S”表示短机座），“4”表示旋转磁场为四极（p2）。
2．额定功率PN（4.0kW）：表示电动机在额定工作状态下运行时输出的机械功率。
3．额定电压UN（380V）：表示定子绕组上加的线电压。通常功率3kW以下的异步电动机，定子绕组应接成星形联结；功率在4 kW以上时，定子绕组作三角形联结。
4．额定电流IN（8.8 A）：表示电动机额定运行时定子绕组的线电流。
5．额定转速nN（1440 r/min）：表示电动机在额定运行时转子的转速。
6．防护方式（IP44）：表示电动机外壳防护的方式为封闭式电动机。
7．频率f（50 Hz）：表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。
8．工作制（工作制S1）：表示电动机可以在铭牌标出的额定状态下连续运行。S2为短时运行，S3为短时重复运行。
9．绝缘等级（B级绝缘）：表示电动机各绕组及其他绝缘部件所用绝缘材料的等级。绝缘材料按耐热性能可分为Y、A、E、B、F、H、C七个等级，如表7.3所示。目前，国产Y系列电动机一般采用B级绝缘。
表7.3　绝缘材料耐热性能等级
绝缘等级 Y A E B F H C
最高允许温度 / oC 90 105 120 130 155 180 大于180
此外，铭牌上标注“LW 82 dB”是电动机的噪声等级。
除铭牌上标出的参数之外，在产品目录或电工手册中还有其他一些技术数据。例如：
10．功率因数：指在额定负载下定子电路的功率因数。
11．效率：指电动机在额定负载时的效率。它等于额定状态下 输出功率与 输入功率之比，即
N 100% 100 %
12．温升：指在额定负载时，绕组的工作温度与环境温度的差值。
[例7.3]　在[例7.2]中，若UN = 380 V，cos = 0.82，Ist / IN7.0，效率0.84，求额定电流、起动电流。
[解]
0.84
可得
IN = A8.8 A
Ist7 IN78.8 A61.6 A
7.3.5　单相异步电动机
1．电容分相式单相异步电动机
电容分相式异步电动机的定子电路如图7.35所示。
图7.35　电容分相式单相异步电动机定子电路
定子有两个在空间互差90的绕组U1U2、V1V2。其中U1U2称为工作绕组，流过的电流为I2。V1V2 绕组中串有电容器，称为起动绕组，流过的电流为I1。适当选择电容器C的容量，可使两个绕组中的电流相位差为90，这样在空间上互成90 的两相绕组通入互差90的两相交流电，便产生了旋转磁场，如图7.36所示。
图7.36　互差90的两相电流的旋转磁场
在旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转。
有的单相异步电动机采用在起动绕组中串入电阻的方法，使得两相绕组中的电流在相位上存在一定的角度，也可以产生旋转磁场。
2．罩极式单相异步电动机
罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为笼型，如图7.37所示。
图7.37　罩极式单相异步电动机
罩极：定子磁极上开一个槽，在较小磁极上套一个短路铜环。
磁极绕通入单相交流电，铁心中便产生交变磁通，铜环中产生感应电流。由楞次定律可知，感应电流产生的磁场将阻碍原来磁场的变化，使罩极下穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的磁通，如同磁通总是从未罩部分向罩极移动，好像磁场在旋转，从而获得起动转矩。
电流变化半周期磁通变化情况如图7.38所示。
7.38　罩极式单相异步电动机的旋转磁场
罩极式单相异步电动机不能改变转向（磁场总是从未罩部分向罩极移动），它的起动转矩较分相式单相异步电动机的起动转矩小。
【四、小结】
1．三相异步电动机的结构
2．三相异步电动机定子绕组接入三相电源有两种联结方式：星形或三角形。电动机定子绕组的连接方式与外接电压有关。
3．异步电动机旋转磁场，是在对称三相绕组通入对称三相交流电流时产生的。旋转磁场的转速称为同步转速。
n0
4．旋转磁场方向的改变只需对调三根电源线中的任意两根。
5．三相异步电动机定子绕组通入三相交流电后，会在定子绕组空间产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下会转动。
6．转子的旋转方向和旋转磁场的方向是一致的，因此要想改变异步电动机的旋转方向，只要改变旋转磁场的方向即可。
7．转差率描述转子转速n2和旋转磁场转速n0（同步转速）相差的程度。
8．当电动机通电转子尚未转动瞬间，n2 = 0，则s= 1；当转子转速等于同步转速时，n0 = n2，则s = 0。一般情况下，额定转差率= 0.02 ~ 0.06。
9．电磁转矩T与转子转速n2的之间的关系也称为机械特性。机械特性中，最值得注意的有三点：
（1）起动点，转子的转速n2 0，转差率s1。
（2）额定点。
（3）临界点
10．三相异步电动机的机械特性上以临界点将曲线分成性质不同的两部分：一部分是转矩增大时，转速降低；另一部分是转矩减小时，转速降低。
11．电磁转矩与电源电压的平方成正比，电动机端电压下降较多的情况下，电动机的电磁转矩会显著下降，引起电流增大，严重时会烧毁电动机。
12.了解三相异步电动机的铭牌标识。
13.了解单相异步电动机的工作原理。
【五、习题】
是非题：2、3、4、5、6、7；二、选择题：4、5、6；四、计算题：2、3；五、作图题与简答题：1。

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