[理学]第7章交流电动机.ppt

,第 7 章 交流电动机,7.1 三相异步电动机的构造,7.2 三相异步电动机的转动原理,7.3 三相异步电动机的电路分析,7.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,7.5 三相异步电动机的起动,7.6 三相异步电动机的调速,7.7 三相异步电动机的制动,7.8 三相异步电动机的铭牌数据,第7章 目录,7.9 三相异步电动机的选择,7.10 同步电动机,7.11 单相异步电动机,*7.12 直线异步电动机,异步电动机的应用非常广泛： 在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机 械，矿山机械等。 在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。 在家用电器方面：电风扇、空调、洗衣机、电冰箱等。,电动机的分类：,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能, 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。,概 述,1. 按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、 单相异步电动机。,2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.,第7章 概述,生产机械由电动机驱动有很多优点: 简化生产机械的结构； 提高生产率和产品质量； 能实现自动控制和远距离操纵； 减轻繁重的体力劳动。,对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题： (1)基本构造； (2)工作原理； (3)表示转速与转矩之间关系的机械特性； (4)起动、反转、调速及制动的基本原理和基本方法； (5)应用场合和如何正确接用。,第7章 概述,这是电动机的外形,7.1 三相异步电动机的构造,第7章7.1,这 是三 相异步电动机的基本结构 示意 图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,第7章 7.1,定子,端盖,端盖,机座,这 是三 相异步电动机的基本结构 示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。 此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,第7章7.1,定子,转子,轴承,端盖,机座,1. 定子 三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕 组组成。,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,第7章 7.1,定子绕组,机座,铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,第7章 7.1,这是定子硅钢片,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组 星型联接,定子绕组 三角联接,端子,第7章 7.1,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,第7章 7.1,定子绕组,这 是 饶 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,2. 转子 根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子,笼型转子的电机称笼型电动机 绕线型转子的电机称绕线型电动机,第7章 7.1,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,这 是 转 子 硅 钢 片,第7章 7.1,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。,第7章 7.1,这 是 笼 型 转 子,定子绕组与转子绕组,第7章 7.1,定子绕组,转子绕组,7.2 三相异步电动机的转动原理,7.2.1 旋转磁场,1. 旋转磁极对导体的作用,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,第7章 7.2,7.2.1 旋转磁场,2. 三相绕组产生的旋转磁场,i1,i2,i3,U1,i1=Imsin t,i2=Imsin( t-120 ),i3=Imsin( t+120 ),i1,i2,i3,相序U-V-W-U,对称三相电流 流入 对称三相绕组。,第7章 7.2,U2,V1,V2,W1,W2,i1,（1） 两极旋转磁场, t = 0,t,i,i1= 0 i2为负值 i3为正值,i2,i3,第7章 7.2,t, t = 60,i,i3 = 0 i2为负值 i1为正值,i1,i2,i3,0,第7章 7.2, t = 90,90,i1为正值 i2为负值 i3为负值,t,i,i1,i2,i3,0,第7章 7.2,U1,U2,V1,V2,W1,W2,t = 180,i1= 0 i2为正值 i3为负值,180,t,i,i1,i2,i3,0,第7章 7.2,U1,U2,V1,V2,W1,W2,t=60,N,S,60,t=90,N,S,t=0,N,S,90,t=180,N,S,180,0,第7章 7.2,U1,U1,U1,U1,U2,U2,U2,U2,V1,V1,V1,V1,V2,V2,V2,V2,W1,W1,W1,W1,W2,W2,W2,W2,空间相差120 角的三相定子绕组中，通入三相对称电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周 (在空间旋转的角度为360 )。这旋转磁场同磁极在空间旋转所起的作用是一样的。,综上分析可以得出：,第7章 7.2,t,i,i1,i2,i3,0,3. 旋转磁场的转向,90,60,0,N,60,相序U-W-V-U,第7章 7.2,U1,U2,V1,V2,W1,W2,改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向, 也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,综上分析可以得出：,第7章 7.2,旋转磁场的极数 (2)四极旋转磁场,60,t =6 0,30,0,t,i,i1,i2,i3,0,第7章 7.2,t,i,i1,i2,i3,0,90,180,t = 90,t =180,N,S,90,S,N,90,第7章 7.2,当定子每相中有两个绕组串联, 且每相绕组在空间相差60时, 通入对称三相交流电后, 也产生一个旋转磁场, 但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周, 旋转磁场在空间只转了半周(180 空间角), 旋转速度较两极磁场慢了一半。 当定子每相中有三个绕组串联, 且每相绕组在空间相差40时, 通入对称三相交流电后, 也产生一个旋转磁场, 但它是一个六极旋转磁场。当电流变化一周, 旋转磁场在空间只转了半周(120 空间角), 旋转速度较两极磁场慢了三分之一。,综上分析可以得出：,第7章 7.2,5 旋转磁场的转速(同步转速),P=1 n1 =3000 r/min,P=2 n1 =1500 r/min,P=3 n1 =1000 r/min,第7章 7.2,当 f1 =50Hz时,7.2.2 转子转速 n 和转差率 S,n = (1S) n0,定义: 转差率,0 S ,S N= 0.015 0.06,转子转速,第7章 7.2,nn0,例 有一台三相异步电动机，其额定转速n975rmir。试求电动机的极数和额定负载时的转差率。电源频率150 Hz。 解: 由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数时有一系列固定的数值。显然，与975rmin最相近的同步转速n01000 rmin，与此相应的磁极对数3。因此，额定负载时的转差率为,定子旋转磁场,3. 转子的转速和磁场,N1,S1,N2,S2,n0,n = n0(1-S),转子磁场,当定子的旋转磁 场逆时针转过90 时，转子磁场也 逆时针转过90。,第7章 7.2,转子磁场的磁极对数与定子旋转磁场的磁极对数相等，而且转子磁场与定子旋转磁场具有相同的转向和转速。,转子旋转磁场的转速 n2,综上分析可以得出：,= f1 S,f2 转子电动势的频率,n2 转子旋转磁场相对转子的转速,n2 = n0S,n2 + n = n0,n0,n2,n,第7章 7.2,主磁通,i1,i2,i3,漏磁通 (很小),E1= 4.44 f1N1K1,e1,e1,u1,u2,u3,(很小),7.3 三相异步电动机的电路分析,第7章 7.3,U1,U2,U1,U2,V1,V2,V1,V2,W1,W2,W1,W2,7.3.1 定子电路,Z1 =R1+jX1,定子的内阻抗：,U1 E1=4.44 f1N1K1,： 旋转磁场每极磁通 N1：每相定子绕组匝数 K1： 定子绕组分布系数,第7章 7.3,Z2 =R2+ jX2,转子的内阻抗：,E2=4.44 f2N2K2 =4.44 f1N2K2 S=E20S,：旋转磁场每极磁通 N2：每相转子绕组匝数 K2： 转子绕组分布系数,E2,R2,jX2,7.3.2 转子电路,第7章 7.3,第7章 7.3,三相异步电动机的等效电路,E1,R1,jX1,E1,U1,I1,E2,I2,R2,jX2,E2,第7章 7.3,I2,cos 2,1,U1E1=4.44 f1N1K1,I2和cos2均与S有关,E2,I2,R2,jX2,E2,第7章 7.3,第7章 7.3,由上述可知，转子电路的各个物理量，如电动势、电流、频率、感抗及功率因数等都与转差率有关，亦即与转速有关。这是我们学习三相异步电动机时所应注意的一个特点。,综上分析可以得出：,电磁转矩 T= KT I2cos 2,E20= 4.44 f1N2K2,将,电磁转矩是由旋转磁场和转子电流的有功分量相互作用而产生的，所以,7. 4 . 1 转矩公式,常数,7.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,第7章 7.4,S,T,1,0,a,b,c,（1） 额定转矩 TN,转矩特性 T= f (S),P2 = T ,第7章 7.4,7.4.2 机械特性曲线,T=Tc=T2+T0T2,U1,不同电源电压的转矩特性,由dT/ds =0, 得,1,解得,取正值,Sm 称为临界转差率,（2） 最大转矩 Tmax,代入 T 的表达式, U12,求得最大转矩 Tmax,U1增大,第7章 7.4,当X20不变时,临界转差率Sm随R2增大而增加。,d. Sm=R2 /X20,不同转子电阻的转矩特性,结论：,a. Tm U12,b. Tm 与 R2无关,c. 过载系数, m Tm T N, m 1.6 2.5,Sm= ,R2,X2 0,Sm与 U1无关,R2增大,第7章 7.4,S,T,0,（3） 起动转矩 TST,起动瞬间 n=0，S=1,U1 Tst,R2 Tst,R2,U1,负载转矩 T2Tst ,不能起动, 可空载或轻载起动,负载转矩 T2Tst ，可带负载起动, st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,特殊 st 2.2 2.8,起动转矩倍数,第7章 7.4,S,0,a,b,c,1,Tst,因为 n=n0(1-S), 可以由 转矩特性得到机械特性,7.4.2 机械特性曲线 n = f (T),（1） 分析起动过程,d,当TstT2 时, 电机起动,在cb段 nSTba段,在ab段 nSTT=T2,T2 =TN (在d点),第7章 7.4, S,直到 T = T2,电机稳定运行在新的 转速下,工作于d点,则 : n,n =(1 S)n0, T,n,0,n0,T,a,b,c,Tst,转矩平衡方程式 T=T2+T0 =负载转矩+空载转矩,（2） 分析转速平衡过程,a b 段为稳定运行区, 电动机工作在稳定运行区时, 具有自适应能力。例如, 原来在额定负载下稳,第7章 7.4,第7章 7.5,对应于不同转子 电阻R2 的 n=f(T) 曲线(U1 常数),对应于不同电源电 压U1的 n=f(T)曲线 (R2常数),7.5.1 起动性能,7.5 三相异步电动机的起动,第7章 7.5,起动初始瞬间，n=0，S=1, 起动电流IST大，57 IN。频繁起动会使电动机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落， 影响邻近负载的正常工作。, 起动转矩TST不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的 功率 因数很低。1.02.2TN.,1. 直接起动,直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,缺点： 起动转矩小；起动电流大，比额定值大47倍；影响同一电网上其它负载的正常工作。,优点： 简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机,2 .降压起动,起动时降低电动机的电压，待电动机转速接近额定转速时，再把电压恢复正常。,7.5.2 起动方法,第7章 7.5,（1）Y-降压起动法,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子 绕组,只适用于正常运行时定子绕组为接法的电动机,起动电流和起动转矩都降 低到直接起动时的三分之一,第7章 7.5,第7章 7.5,比较星形联接和三角形联接时的起动电流,U1,U2,V1,V2,W1,W2,Q1,Q2,运转,起动,三相自耦变压器,转子,（2） 自耦变压器降压起动,自耦变压器抽头有 0.55, 0.64, 0.73 等,Ist,如: 变压器变比,则变压器副方电流,而变压器原方电流,电动机起动转矩,结论: 电动机起动,电流Ist和起动转矩Tst 均为直接起动的1/k2。,第7章 7.5,（3） 串电抗降压起动,Q1,FU,M 3,Q2,电动机起动时先合开关Q1, 当电动机的转速接近稳定值时, 再将开关 Q2合上,切除电抗器。,绕线式电动机起动可在转子绕 组中串电阻，减小起动电流。,（4）转子串电阻起动,第7章 7.5,（ 5）延边三角形起动,每相绕组有两个线圈, 将三相绕组中一个线 圈接为 Y 形 , 另一个 线圈接为 形 , 电动 机起动电流,IstY Ist Ist,第7章 7.5,2. 改变极对数 p 调速,调速方法,3. 改变转差率 S 调速,p =2: 1,2,3接电源；4,5,6 悬空,p =1: 4,5,6接电源；1,2,3 短接,：n1=15003000 r/m,绕线式电动机在转子绕组中串入电阻R2 , 可改变转差率 S 和转速 n。,有级调速,A. 小范围无级调速,特点,B. R2大 特性变软,7.6 三相异步电动机的调速,第7章 7.6,1. 改变电源频率 f1 调速,由 U1=4.44 f1N1K1，为保证,不变，在调整电源频率 f1 时, 应同时调整电源电压U1。,A. 大范围无级平滑调速；,B. 调速后机械特性平行，带负载 能力(硬度)不变；,特点,C. 需要专门的变频调速设备，且成本较高。,不变 不变，恒转矩调速 f1 f1, T n p不变,恒功率调速,f1 f1,第7章 7.6,7.7.1 能耗制动,制动时接入直流电源产生固定磁场, i2 受到阻转矩；当 n0, i20,T0制动: 将动能热能,7.7三相异步电动机的制动,7.7.2 反接制动,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使M停机。旋转磁场与转子的相对转速为 (n1+n) I2 I1必须在笼型电动机的定子或绕线式电动机的转子中串入电阻R，以防止烧坏绕组.,7.7.3 发电反馈制动,当转子的转速n超过旋转磁场的转速no时，这时的转矩是 制动转矩。即电动机变为发电机使用.,7.8 三单相异步电动机的铭牌数据,7.9 三单相异步电动机的选择,7.9.3 电压和转速的选择,7.9.2 种类和形式的选择,7.9.1 功率的选择,7.7.1 能耗制动,制动时接入直流电源产生固定磁场,i2 受到阻转矩；当 n0, i20,T0,制动: 将动能电能热能,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转,缺点：需要另外加直流电源,7.7三相异步电动机的制动,第7章 7.7,7.7.2 反接制动,将三相中的任意两相对调， 产生制动转矩，使M停机。,优点：方法简单， 制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为 (n1+n) I2 I1,必须在笼型电动机的定子或 绕线式电动机的转子中串入 电阻R，以防止烧坏绕组。,第7章 7.7,7.7.3 发电反馈制动,当转子的转速n超过 旋转磁场的转速no时， 这时的转矩是制动转矩。,第7章 7.7,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）以及众多的家用电器,7.11 单相异步电动机,作为驱动，其功率一般为几 几百瓦。,单相异步电动机: 定子只有一相主绕组的异步电动机。,（如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等）,7.11.1 概述,单相异步电动机均采用鼠笼式转子，但定子 有所不同。,第7章 7.11,工作 绕组,(1) 电容分相起动电路,A,I1,I,Q,1. 分相起动法,7.11.2 单相异步电动机的起动方法,电容分相 在定子上放置一个起动绕组 B , 与主绕组A在空间相隔 90, 并串联电容器 C，使二绕组中的电流相差约 90,即可产生旋转磁场。,在电机起动后，有的电动机利用离心开关 S 切断起动绕组B。,起动绕组,B,第7章 7.11,（1）电容分相起动电路,反转：只要将起动绕组接电源 的