第五章：交流电动机的工作原理及特性 本章要求： 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理 基本结构、工作原理、定子绕组接线方式 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理 基本结构、工作原理、定子绕组接线方式 5.2 三相异步电动机的定子和转子电路 5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性

1、了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。 2、掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速和制动的各种方法、特点及应用。 3、学会用四个象限来分析异步电动机的运行状态。 4、掌握单相电动机的工作原理和启动方法。 5、了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。

三相异步机的结构 包括定子和转子两部分。定子绕组是对称的三相绕组，产生旋转磁场。

三相异步机的结构 转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。转子有鼠笼式和绕线式。由于鼠笼式异步电动机具有一系列的优点，应用广泛。 定子绕组 （三相） 三相异步机的结构 定子 Y B Z X A C 转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。转子有鼠笼式和绕线式。由于鼠笼式异步电动机具有一系列的优点，应用广泛。 转子 鼠笼转子 机 座

三相异步机的工作原理 工作原理：它是基于电磁感应和电磁力的原理。定子旋转磁场（合成磁场）和转子电流的相互作用。 异步电动机的由来。转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。S的取值范围0-1。也是很重要的一个物理量。 思考定子旋转磁场的产生的原因？

旋转磁场的产生 异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极 (•)电流出 A Z Y B C X ()电流入

A X B Y C Z A X Y C B Z 合成磁场方向： 向下

同理分析，可得 其它电流角度下 的磁场方向： A X Y C B Z A X Y C B Z X B Z A Y C

旋转磁场的旋转方向 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

旋转磁场的转速大小 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： A X Y C B Z

极对数（P）的概念 A X Y C B Z A X B Y C Z 此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。 即：

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。 A B X C Y Z A X A' Z' X'

C' Y' A B C X Y Z A' X' B' Z' 极对数

极对数和转速的关系

定子绕组接线方式 定子绕组每相都由许多线圈组成，其首端和末端通常都接在电动机的接线盒内的接线拄上。 当电机为星形联结时：1、2、3点封成星点，6、4、5点接电源。 当电机为三角形联结时：1-6、2-4、3-5点封接，同时外接电源。

5.2 三相异步电动机的定子和转子 e 2 e 1 把电动机的电磁关系同变压器类似。 i2 定、转子电路 R1 R2 i1 u1 e1 e 1 e2 e 2 设定子和转子每相绕组匝数为N1和N2，旋转磁场的磁感应强度近于正弦分布。

一、定子电路分析： 二、转子电路分析： 转子电流的频率随速度的变化而变化。

设转子回路每相绕组的电阻和漏磁感抗为R2和X2，且有： 则转子每相回路电流为： 转子电路的功率因素为：

可见：转子电路中的各个物理量均与S有关，即与转速有关。 三相异步电动机的额定值 三相异步电动机的能流图

5.3三相异步电动机的转矩与机械特性 一、电磁转矩是一个非常重要的物理量，它与磁通、和I2有关，还应考虑转子电路的功率因素。

5.3三相异步电动机的转矩与机械特性 二、机械特性 由上式得到：

1、固有特性曲线 分析四个特殊点的情况，并进行讨论。 理想空载点： T=0 S=0 N=N0 额定运行点： T=Tn n=nN S=Sn

启动点： T=Tst n=0 s=1 临界点： T=Tmax n=Nm s=Sm

得出： Sm 和Tst正比于R2，反比于X20，U决定了Tst 和 Tmax的大小， Tmax与R2无关。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 5.3三相异步电动机的转矩与机械特性 2、人为特性曲线： 在此式中，改变U、R2、f 都可以改变机械特性曲线。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 降低电压U，Sm 和 n0不变，曲线左移，降低电压U，在同一负载下，N下降，T下降，S增大，I2增大，将使电机发热。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 定子回路串电阻或电抗，会引起电动机端电压下降，与降压相似，但最大转矩要大一些。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 改变电源频率，使用在恒转矩情况下，保证磁通不变。Tmax不变。 结论：则频率下降后， Tmax不变，Tst和 Sm增大， n0 下降。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 转子串电阻： N0和Tmax不变。 Tst和 Sm随R2的增大而增大。机械特性曲线变软。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 5.4 三相异步电动机的启动特性 5.4 三相异步电动机的启动特性 三相异步电动机启动的主要要求： 要有足够大的启动转矩，启动要快、平滑，启动电流要小，启动时安全、可靠、操作简便，功耗小等。 由于三相异步电动机启动时N = 0，S = 1，从而引起很大的转子和定子电流，而转子功率因数很低，启动转矩不大。为解决这个矛盾，采用不同的启动方法。（启动的危害）

5.4 三相异步电动机的启动特性 1、鼠笼式异步电动机的启动方法 直接启动（全压启动） 在一定条件下，允许直接启动。书上P68页 5.4 三相异步电动机的启动特性 1、鼠笼式异步电动机的启动方法 直接启动（全压启动） 在一定条件下，允许直接启动。书上P68页 特点：无需启动设备，操作和控制简单、可靠，在大多数工矿企业中，绝大多数电动机采用此方法。

5.4 三相异步电动机的启动特性 b. 电阻或电抗降压启动 5.4 三相异步电动机的启动特性 b. 电阻或电抗降压启动 优点：将使定子中电流减少。但缺点：启动转矩将减少，能量消耗大，不经济。它适合于不经常启动或用于空载、轻载的电动机。 c. Y-Δ降压启动 适合于电动机为Δ接法。 Y启动，待电动机速度上升到一定值后， 切换到Δ运行。

5.4 三相异步电动机的启动特性 Y启动的线电流是Δ启动线电流的三分之一，同时Y启动启动转矩也是Δ启动转矩的三分之一。 5.4 三相异步电动机的启动特性 Y启动的线电流是Δ启动线电流的三分之一，同时Y启动启动转矩也是Δ启动转矩的三分之一。 特点：设备简单，经济，启动电流小。 缺点：启动转矩小，只适合于轻载和空载启动。

5.4 三相异步电动机的启动特性 d. 自耦变压器降压启动 5.4 三相异步电动机的启动特性 d. 自耦变压器降压启动 自耦变压器的三个绕组连成星形接于三相电源，使接于变压器副边的电动机降压启动，待电动机速度上升到一定值后，切除自耦变压器。

5.4 三相异步电动机的启动特性 这与Y-Δ降压启动的情况一样，只是在Y-Δ降压启动时 ，而自耦变压器降压启动的K值是可以调节的 。 5.4 三相异步电动机的启动特性 这与Y-Δ降压启动的情况一样，只是在Y-Δ降压启动时 ，而自耦变压器降压启动的K值是可以调节的 。 特点：K值可调，较灵活。 但缺点是：它体积大，重量重，价格高，修理麻烦。常用于不经常启动、启动转矩较大、容量较大的电动机上。

5.4 三相异步电动机的启动特性 e. 延边三角形启动 这种方法也属于降压启动，由于接法原因，使启动电流和启动转矩都较大。使用较少。 5.4 三相异步电动机的启动特性 e. 延边三角形启动 这种方法也属于降压启动，由于接法原因，使启动电流和启动转矩都较大。使用较少。 应根据实际情况，合理选择电动机启动方法。 2、绕线式异步电动机的启动方法 由于鼠笼式异步电动机具有启动力矩小，启动电流大等特点，不能满足某些高启动转矩低启动电流的要求，故用绕线式异步电动机。

5.4 三相异步电动机的启动特性 a. 逐级切除电阻法 与直流电机相似，转子串入电阻，逐步切除，并保证在整个启动过程中，有较大的启动转矩。

5.4 三相异步电动机的启动特性 b. 频敏变阻器启动法 5.4 三相异步电动机的启动特性 b. 频敏变阻器启动法 逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存在有劳动强度大、增加附加设备、维修麻烦等缺点。 采用频敏变阻器来启动三相异步电动机 优点：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的特性。且结构简单，运行可靠，无须经常维修。 缺点：功率因数低，启动转矩的增大受到限制，不能作调速电阻用。

5.5 三相异步电动机调速特性 改变P、S（U R）F都可以实现调速。 1、调压调速 5.5 三相异步电动机调速特性 改变P、S（U R）F都可以实现调速。 1、调压调速 改变电源电压U时，人为特性曲线中Tmax变小，而 不变。 对于恒转矩负载，调速范围不大。对于风机设备的调速范围稍宽一点。

这种调速方法能够实现无级调速，但当电压降低时，转矩按电压的平方比例减少。所以调速范围不大。 定子串电阻和晶闸管调压调速都属于这种方法。

2、转子电路串电阻调速 转子电路中串不同的电阻，其 不变，而Sm随电阻的增大而增大，电动机的转速降低。 它只适应于绕线式电动机，是有级调速，随转速降低，特性变软，启动电阻兼作调速电阻用，要考虑发热和低速损耗。 它多用在重复短期运转的起重运输设备中。

3、改变极对数调速 用于多速鼠笼式电机，不需要平滑调速，只要几个特定速度，以双速电机使用最多。其主要是改变每相定子绕组中电流的方向，通过改变定子绕组接线方式来实现。 有两种： 每相绕组由串联变为并联，极对数减少1倍，转速提高1倍，属于恒转矩调速。

3、改变极对数调速 极对数减少1倍，转速提高1倍，但转矩减少1倍，属于恒功率调速。 保证改变极对数后转向不变，要注意同时改变相序，设计控制线路时要特别注意。一般先低速，后高速，这样才有大的启动转矩。

4、变频调速 由于 ，若能够连续改变频率，可实现平滑调速。多用于鼠笼式异步电动机。可采用SCR和PWM调速。

第五章：交流电动机的工作原理及特性 5.6 三相异步电动机的制动特性 5.7 单相异步电动机 5.8 同步电动机

5.6 三相异步电动机的制动特性 1、反馈制动 由于某种原因，使 ，S小于0，电动机进入发电状态。此时转子反向切割磁力线，故电流、转矩均反向，T起制动作用。

5.6 三相异步电动机的制动特性 一种是负载是位能转矩的下放重物时。一种是发生在变极或变频调速时。 电机吸收的功率反馈给电网。也是发电制动。

5.6 三相异步电动机的制动特性 2、反接制动 a.电源反接 5.6 三相异步电动机的制动特性 2、反接制动 a.电源反接 正转运行时，突然改变通电相序，特性曲线变到第三象限，由于惯性作用，N不能突变，只能过渡到第二象限。

5.6 三相异步电动机的制动特性 由于电源反接，T变负，与N相反，成为制动转矩，与负载转矩一起，使电机减速并停止。 a b c 5.6 三相异步电动机的制动特性 由于电源反接，T变负，与N相反，成为制动转矩，与负载转矩一起，使电机减速并停止。 a b c 过零时切断电源,否则电动机将反向启动。

5.6 三相异步电动机的制动特性 由于反接制动电流很大，应在定子中串入电阻。 特性曲线变为3， a d e

5.6 三相异步电动机的制动特性 b.倒拉反接制动 使用在起重机下放位能负载时，为使下降速度不致太快，在转子中串入较大的电阻。 5.6 三相异步电动机的制动特性 b.倒拉反接制动 使用在起重机下放位能负载时，为使下降速度不致太快，在转子中串入较大的电阻。 在位能性负载的作用下，电动机沿曲线2减速过零，并在D点稳定运行。

5.6 三相异步电动机的制动特性 进入第四象限后，N变负，S大于1，是反接制动。它是一种能稳定运转的制动状态。

5.6 三相异步电动机的制动特性 3、能耗制动 由于反接制动在准确停车上有困难，易造成反车，能量损耗也较大。 5.6 三相异步电动机的制动特性 3、能耗制动 由于反接制动在准确停车上有困难，易造成反车，能量损耗也较大。 能耗制动是先断开电源，加低压直流电于定子，建立一个固定不变的磁场。

5.6 三相异步电动机的制动特性 则转子导体内的电流与该磁场相互作用，产生与实际运转方向相反的制动转矩，在它的作用下，电动机迅速下降并能准确停车。

5.7 单相异步电动机 a. 磁场和工作原理 由于单相电产生交变脉动的磁场，并可以分解成为两个转速和大小相等而方向相反的旋转磁场。

5.7 单相异步电动机 从曲线可以看出，两个电磁转矩大小相等而方向相反，合成转矩 为零，因而转子不能自行启动。故要解决电机的启动转矩问题。 5.7 单相异步电动机 从曲线可以看出，两个电磁转矩大小相等而方向相反，合成转矩 为零，因而转子不能自行启动。故要解决电机的启动转矩问题。 使电机产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动。

5.7 单相异步电动机 b. 单相异步电动机的启动方法 5.7 单相异步电动机 b. 单相异步电动机的启动方法 在定子中嵌入运行和启动绕组，并使它们相互垂直，适当选择电容参数，使两者电流在相位上相差90度，通电后可产生旋转磁场，实现启动。方向由相位超前绕组流向滞后绕组。其规律与三相电相同。

5.7 单相异步电动机 如要实现反转，必须改变电容器的串联位置来实现。 电容分相式异步电动机

5.8 同步电动机 同步电机转子励磁电流调节可改变功率因数的大小和性质（感性或容性）。 5.8 同步电动机 其结构上定子为三相对称绕组，转子为直流电励磁磁极。其工作原理：三相对称交流电产生旋转磁场，与转子磁极相互作用，使转子与电枢旋转磁场一起以同步转速旋转。其机械特性为： 同步电机转子励磁电流调节可改变功率因数的大小和性质（感性或容性）。

5.8 同步电动机 同步电机采用异步启动法。 同步电机具有功率因数可调、运行速度恒定的优点，但结构复杂，启动和控制设备较昂贵，主要用在低速大功率场合中。