电机电器及其控制技术.ppt

电气工程概论,1,第2章 电机电器及其控制技术,电气工程概论,2,电机是以电磁感应现象为基础实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械，包括旋转电机和变压器两大类。,旋转电机 机电能量转换装置 发电机 机械能电能 电动机 电能机械能 变压器 电能变换装置,电气工程概论,3,2.1 电机的作用与发展简史,电机的作用,电气工程概论,4,电气工程概论,5,经过100多年的发展，电机的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、材料科学、计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进入了新的阶段。,电气工程概论,6,电机的分类,2.2 电机的分类与结构,电气工程概论,7,特种电机：步进电机，无刷电机，开关灭磁电机，超声波电机，,电气工程概论,8,发电机,电气工程概论,9,电动机,电气工程概论,10,电动机,电气工程概论,11,变压器,电气工程概论,12,特种电机,1）永磁无刷电动机 应用： 航空、航天 家用电器 机器人 电动汽车 电动车组 电动舰船 ,电气工程概论,13,特种电机,2）直线电机 应用： 工业机械； 轨道交通； 电梯； 航空母舰飞机发射； 导弹发射架； 电磁推进潜艇； ,海浪直接驱动直线发电机,电气工程概论,14,特种电机,3）步进电动机 应用： 自动控制装置中的执行元件,各种步进电动机,电气工程概论,15,特种电机,4）超导电机 应用： 超大型发电机或电动机,全电军舰吊舱式推进系统 超导直流电动机剖面图,电气工程概论,16,特种电机,5）超声波压电电动机 应用： 生物生命科学； 光学仪器； 高精密机械； ,微型超声波压电电动机,电气工程概论,17,(一) 异步电机的结构 1 定子：定子铁芯由硅钢片冲片叠成，冲片内圆上的槽用来嵌放定子绕组。 2 转子：主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三者构成。转子绕组分为绕线型和鼠笼型两类。,异步电动机,1、结构,电气工程概论,18,电气工程概论,19,电气工程概论,20,采用铸铝的鼠笼式转子,电气工程概论,21,鼠笼式三相异步电动机结构,电气工程概论,22,绕线式异步电动机结构,电气工程概论,23,2、转动原理,电气工程概论,24,电气工程概论,25,两极旋转磁场的形成 如图所示，将异步电动机的 3 个定子绕组接成“星”型，并将它的 3 个首端A、B、C分别与三相电源相联接。3 个定子绕组的尺寸、匝数和其他特性是完全相同的，仅空间位置彼此相差120。当接通三相对称电源后，其中将产生对称的三相电流，设它们分别为：,电气工程概论,26,三相电流iA、iB和iC的波形,电气工程概论,27,三相两极旋转磁场,电气工程概论,28,二极旋转磁场的如下特点。 （） 空间上互为120的 3 个定子绕组接通相位互为120的三相正弦交流电源时， 可以产生以角速度匀速旋转的磁场。 （） 旋转磁场的方向与三相电源的相序有关。当三相电源的相序为-B-C时，旋转磁场按顺时针方向旋转，电动机正转。 当三相电源的相序改变为A-C-B时，旋转磁场则按逆时针方向旋转，电机反转。 （） 旋转磁场的变化频率与三相电源的变化频率一致。三相交流电变化一个周期，旋转磁场则旋转一圈。三相交流电的频率为50Hz，二极旋转磁场每秒钟就转过50转。即转速为5060=3000 rmin。,电气工程概论,29,旋转磁场的极对数 上面讨论的旋转磁场只有两个极，即只有一对、S极， 故称为一对极。用（p=1）表示。如果电动机的磁场不只两个极，则为多极旋转磁场，如四极旋转磁场有两对、 极，称为二对极，用p=2表示。同理，六极旋转磁场具有对N、S极，称为对极，用p=3表示。通常我们所说的电动机的对极数就是指电动机中旋转磁场的对极数。旋转磁场对极数增加时，电动机的同步转数将会按比例减少。可以证明p对极旋转磁场转速（同步转速）的一般公式为,电气工程概论,30,我国电工标准规定f1=50Hz，则n1和p的对应关系可用下表列出。 表同步转速与极对数的关系,显然，可以通过增加极对数来降低转速，但极对数的增加需要采用更多的定子线圈和加大电动机的铁芯，这将使电动机的成本提高和重量增大。 常用电机的极对数多为14。 需要继续降低转速时，采用其他方法。,电气工程概论,31,转速 上面我们讨论的转速是旋转磁场的转速，即同步转速，电动机的转速是指转子的转速，两者不能混淆。从电动机转动的过程可以看出：转子的转速n与旋转磁场的转速n1有关， 但它不可能超过和完全等于旋转磁场的转速，即nn1。 转子之所以与旋转磁场同向旋转，是因为它们之间存在着相对运动，这样转子的导体才能切割旋转磁场的磁力线，感生出转子电流，并受到磁场力矩的作用而旋转。没有相对运动，就没有转子电流和电磁转矩，转子也就不可能转动。 正是因为电动机的转速n （转子转速）与旋转磁场的转速不同，我们才把这种电动机称为“异步”电动机。,电气工程概论,32,转差率s：旋转磁场的转速n1与转子转速n的差值与同步速度n1的比值。可根据转差率来判断异步电机的运行状态。,1 电动机运行状态：01。,电气工程概论,33,三相异步电动机的“电磁”关系：,3、三相异步电动机的电路分析,电气工程概论,34,i2,电气工程概论,35,取决于转子和旋转磁场的相对速度,电气工程概论,36,电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。,常数,每极磁通,转子电流,转子电路的,1 转矩公式,4、 三相异步电动机的转矩与机械特性,电气工程概论,37,转子功率因数：,i2,电气工程概论,38,结论：,转子电路的电动势、电流、频率、感抗、功率因数等都与转差率S有关，,与转差率 S 的关系如右图所示。,I2、,COS2,电气工程概论,39,得到转矩公式,电气工程概论,40,2 三相电动机的机械特性,根据转矩公式,电气工程概论,41,电动机的自适应负载能力：,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整， 这种能力称为自适应负载能力。,直至新的平衡。此过程中， 时， 电源提供的功率自动 增加。,电气工程概论,42,三个重要转矩：,n1,T,n,（牛顿米）,电气工程概论,43,如果 电机将会 因带不动负载而停转。,n1,T,n,求解,电气工程概论,44,过载系数：,三相异步机,电气工程概论,45,n1,T,n,电气工程概论,46,机械特性和电路参数的关系,和电压的关系,结论：,电气工程概论,47,和转子电阻的关系,电气工程概论,48,机械特性的软硬,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。 软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。 ,电气工程概论,49,5、三相异步机的起动,电气工程概论,50,三相异步机的起动方法：,（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。 工业上一般规定，在用电单位有独立变压器不频繁启动时，电动机功率小于变压器容量的30%；当频繁启动，电动机的功率小于变压器容量的20%时，允许采用直接启动。,（3）转子串电阻起动。,（4）软起动,电气工程概论,51,Y 起动：,电气工程概论,52,电气工程概论,53,电气工程概论,54,转子串电阻起动,起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。,电气工程概论,55,转子串电阻起动的特点：,（2）R选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流， 又可以增加起动转矩。,电气工程概论,56,6、 三相异步电动机的调速,改变定子绕组电压或改变转子绕组电阻,电气工程概论,57,3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速,变频电源,可变,此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,电气工程概论,58,制动方法：机械制动和电气制动 1.机械制动-抱闸：加机械抱闸； 2.电气制动 （1）反接制动：停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；,7、 三相异步电动机的制动,电气工程概论,59,（3）.发电反馈制动： 令电机转子的转速超过 旋转磁场的同步转速，便 会产生制动转矩。,（2）. 能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流 电源上，产生制动转矩；,电气工程概论,60,（4）、涡流制动,涡流制动是另外安装一个利用涡流吸收能量的制动器。利用励磁电磁铁与感应体的相对运动，在感应体中产生涡流，涡流产生的磁场与励磁电磁铁产生的磁场相互作用，获得的与电动机运动方向相反的作用力分量，即为制动力。,电气工程概论,61,（1）. 型号 Y 132M4,转差率,8、 三相异步电动机的铭牌数据,M中机座L长机座S短机座,电气工程概论,62,（3）. 联接方式：Y/ 接法：,电气工程概论,63,三相异步电动机的接线方法,电气工程概论,64,（4）. 额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压.,说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的 5 。,例：380/220 Y/是指：线电压为380V时采用Y接法； 当线电压为220V时采用接法。,电气工程概论,65,电压波动对电动机的影响,电气工程概论,66,（5）. 额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。,如：,表示：三角形接法时，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。,（6）. 额定功率P2： 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率 （ ），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的 关系为：,其中,电气工程概论,67,额定负载时cos一般为0.7 0.9 ， 空载时功率因数很低约为0.2 0.3。额定负载时，功率因数最大。,注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马” 拉“小车”的现象。,（7）. 功率因数(cos)：,P2,PN,cos,电气工程概论,68,9、 三相异步电动机的选择、使用 一、 三相异步电动机的选择 1 种类选择 电动机种类的选择主要依据供电电源、机械性能、调速要求、启动性能和使用、维护以及市场价格等因素，为此我们应该了解各种类型电动机的主要特点。 ,电气工程概论,69,2 结构类型选择 (1） 开启式。这种电动机无特殊遮掩和防护装置， 通风、 散热良好， 适用于干燥、清洁、无易燃易爆气体的场所。 (2） 防护式。这是最常用的电动机结构形式，电动机的机体被保护起来，只有机壳下面有通风孔。能防止杂物落入机内， 通风、散热良好，但不防潮，适用于灰尘不多、比较干燥的场所。 (3） 封闭式。这种电动机的外壳严格密封，内、外隔离，外壳带散热片，靠自身风扇冷却，适用于潮湿、多尘的场所。 (4） 防爆式。包括接线端子在内全部严格密 封， 不让火花串到机壳外，也能防止易燃、易爆气体侵入，并能承受爆炸的压力， 适用于化工、 煤矿或其他有爆炸性气体的场所。,电气工程概论,70,3 转速选择 电动机的转速与价格关系较大。 相同容量和电压的电动机如果其转速不同，其价格就相差较远。转速越低，转差率越大，转矩也就越大。而转矩大则要求电动机内有较大的磁通量和转子电流，这将对电动机的结构提出更高的要求，使生产成本上升、价格变贵。一般尽量选用高转速的电动机，必要时配减速器。 通常的异步电动机都是4极，同步转速n1=1500r/min。,电气工程概论,71,4 容量选择 电动机容量的选择主要依据电动机的工作方式。 一般电动机的工作方式有连续、 短时和重复短时 3 种。 （1） 对于负载恒定、 连续工作的电动机， 其额定功率应该等于或稍大于生产机械所需的功率。这有利于电动机的充分利用和功率因数的提高。 （2） 对于短时工作的电动机，一般允许过载。 因为短时过载不会造成电动机过热。工作时间越短， 过载可以越大。 具体应根据过载系数进行核算。 ,电气工程概论,72,二、 三相异步电动机的绕组连接判别 三相异步电动机本身有星形（Y）和三角形（）两种连接方法，如果电动机的三相定子绕组的6个接线端未标出或字样模糊不清，我们可用下面的实验方法和步骤确定。 1 判别 3 个定子绕组 用万用表的电阻档或用带小灯泡的电池测试电动机的任意两个接线端，如果相通说明它们是同一绕组的首、尾端，否则不是。这样可测出每个定子绕组的两个接线端，并做好 标记。,电气工程概论,73,2 判别定子绕组首尾端 1） 干电池判别法 由此可以判别三个定子绕组的首、尾端，如图所示。具体操作步骤如下： （1） 任选一绕组作为初级，假定其首、尾端； （2） 选一绕组作次级，将万用表调至mA档与此绕组两端相连； （3） 再将干电池通过开关S及限流电阻R接初级绕组的首尾端（正极接尾端，负极接首端），当S闭合瞬间，观察万用表指针的偏转情况；,电气工程概论,74,干电池判别法,电气工程概论,75,（4） 判断首尾端。注视万用表（微安档）指针摆动的方向，合上开关瞬间，若指针摆向大于0的一边，则接电池正极的线头与万用表负极所接的线头同为首端或尾端。如指针反向摆动，则接电池正极的线头与万用表正极所接的线头同为首端或尾端。,（5） 用同样的方法再判别其他绕组的首、尾端。,电气工程概论,76,10、 单相异步电动机,一、概述,1、 应用情况 单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。,2、 优缺点,优点：结构简单，成本低廉，噪音小。 缺点：与同容量三相异步电动机相比较，体积较大，功率因数及过 载能力都较低。故单相异步电动机只能做成小容量： 微型：几瓦750瓦； 小型：550瓦3700瓦。,电气工程概论,77,3、 结构,与三相异步电动机相似，包括定子和转子两大部分。 转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。 定子铁心上嵌有定子绕组。,电气工程概论,78,4 单相异步电动机的工作原理,定子中通入单相交 流电后，形成脉动 磁场。其磁感应强 度按正弦分布，且 随时间按正弦变化。,电气工程概论,79,定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：,电气工程概论,80,脉动磁场的分解,电气工程概论,81,单相异步电动机的特点：,自身没有起动转矩,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,电气工程概