《电动机4课时》PPT课件.ppt

,第6章 电动机,主讲：唐岩 制作：青海大学电工教研室,2009年月日,电工电子学课件,第6章 电动机,6-1 三相异步电动机 6-2 单相异步电动机 6-3 直流电动机 6-4 控制电动机,交流电动机,电动机,直流电动机,鼠笼式,异步机,他励、并励、串励、复励,鼠笼式异步交流电动机学习内容： 基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法,电动机的分类,同步机,绕线式,e方向用 右手定则 确定,f方向用 左手定则 确定,磁场旋转,6-1 三相异步电动机,一、 三相异步电动机的结构与工作原理,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,切割速度,（右手定则）,线圈比磁场转得慢,鼠笼式 绕线式,定子（固定部分） 转子（旋转部分）,组成,（1）定子 (作用：产生旋转磁场),由定子铁心，定子绕组和机座三部分组成,定子绕组：由三相对称绕组组成，这三相绕组按一定的空间角度依次嵌放在定子槽中，定子饶组可作星形连接或作三角形连接，在电机铭牌上均有说明。,1、三相异步电动机的结构,定子铁心：由0.35毫米0.5毫米厚硅钢片叠压而成。槽口用以嵌放定子绕组,是电动机磁路部分。,（2）转子 (作用：在旋转磁场作用下，产生感应电动势 或电流),由转轴，转子铁心，转子绕组三部分组成,转子铁心：由硅钢片叠成，压装在转子轴上，硅钢片 冲有沟槽,供嵌转子绕组（称导线槽）。,转子绕组：由许多铜条或铝条构成。嵌在导线槽内，两端再用金属环（也叫短路环）焊成鼠笼形式。,三相异步机的结构,转子,三相异步机的结构,转子,U,V,W,V,W,异步机中，旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,()电流入,U,2、旋转磁场的产生,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：,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。,（1）旋转磁场的旋转方向,（2）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,电流频率为 f Hz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：,n1称为同步转速,（3）极对数（P）的概念,（4）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。,极对数,（5）极对数和转速的关系,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期 磁场转过的空间角度,同步转速,（1）转子电动势和转子电流,（2）电磁转距和转子旋转方向,定子绕组通入电流后，产生旋转磁场 ，与转子绕组间产生相 对运动 ，由于转子电路是闭合的，产生转子电流。根据左手 定则可知在转子绕组上产生了电磁力。,电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转距 T ，电磁 转距的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁 场的旋转方向转动起来。,3、三相异步电动机的转动原理,（3）电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速（额定转速）:,提示：如果,（4）转子转速和转差率,转子转速 n 与旋转磁场的转速 n1 的方向一致，但不能相等 （应保持一定的转差）。 n1 又称为同步转速。,常用转差率 s 来表示n 与 n1 相差的程度，即,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 磁力对于转轴所形成的转距之总和，是反映电动机做功能量 的一个量。,常数,每极磁通,转子电流,转子电路的,转矩公式的推导,（牛顿米）,二、异步电动机的电磁转矩与机械特性,1、电磁转矩,将如下参数 代入上式：,得到转矩公式,单位（N .m）,2、机械特性,得特性曲线：,启动时n=0,最大转速n=n1时,在U1 及R 2 一定时， T 仅随 S 变化,得特性曲线：,3、三个重要转矩,n1,T,n,（牛顿米）,电机在额定电压下，以额定转速nN 运行，输出额定功率PN 时，电机转轴上输出的转矩。,（1）额定转矩TN,TN、Tmax、Tst,负载转矩用 TL 表示,Tst,Tmax,（2）最大转矩,电机带动最大负载的能力,n1,n,Tst,Tmax,过载系数,（3）启动转矩Ts t,一般,电动机启动时的转矩,Ts t 体现了电动机带载起动的能力。若Ts t TL 电动机能起动，否则将起动不了。,如果TL Tmax电动机将会 因带不动负载而停转。,启动系数,启动：,TstTL (负载转矩)，电机启动转速n，转矩T ,c,c点：转矩达最大Tm ，转速n继续，T，沿cb走,b,b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行,若TL ，暂时T TL,n s I2 T n ,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。,s=0,s=1,正常工作条件：TLTmax， 否则电机将停转。,启动条件： TstTL 否则电动机不能启动。,注意,例：三相异步电动机，额定功率P2N=10kW，额定转速 nN=1450r/min，启动能力Tst/TN=1.4，过载系数=2.0，效率为 87.5%。求额定转矩、启动转矩、最大转矩及额定输入功率。,（1）额定转矩TN,（2）启动转矩Tst,（3）最大转矩Tm,解：,所求量： TN、 Tst、 Tm、 P1N,（4）输入功率P1N,4、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。 ,（1）起动电流：,中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍。,原因：起动时 n=0 ，转子导条切割磁力线速度很大。,转子感应电势,转子电流,定子电流,1、三相异步机的起动,三、三相异步电动机的运行与控制,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。,转子串电阻起动：,（2）三相异步机的起动方法：,先减小定子电压-减小启动电流， 待启动完毕后再加上额定电压,降压起动,下面主要介绍Y 启动方法,（3）Y 起动,设：电机每相阻抗为,主要目的：减小启动电流,启动电流只有原来的1/3,例:三相异步电动机，电源电压 =380V，三相定子 绕组接法运行，额定电流IN=20A，启动系数Ist/IN=7， 求： （1）接法时的启动电流Ist （2）若启动时改为Y接法，求 Ist Y,（1）Ist =7 IN =720=140A,解：,（2）,Ist Y = Ist /3=140/3=47A,2、三相异步电动机的调速,改变极对数 有级调速,改变转差率,无级调速,调速方法：,改变电源频率 (变频调速) 无级调速,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）。,方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。,3、三相异步电动机的正、反转,制动方法：,4、 三相异步电动机的制动,反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。,为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。,即切割磁力线的速度很大，造成 ，引起 。,注意：,能耗制动,发电反馈制动,反接制动： 停车时，将电动机接电源的意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；,抱闸：加机械抱闸,1、三相异步机铭牌与技术数据,（1） 型号 Y 132M4,磁极数(极对数 p=2),转差率,（2）转速: 电机轴上的转速（n）,如： n =1440 转/分,异步电动机,（3）联接方式 ： Y/ 接法,如何 Y 接？,如何 接？,四、三相异步电动机的选择与使用,（4）额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压,一般规定: 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380V时Y接；线电压220V时接,（5）额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流,（6）额定功率：指电机在额定运行时轴上输出的 功率（P2 ）,（7）功率因数(cos1)：,额定负载时一般为0.7 0.9， 空载时约为0.2 0.3 额定负载时最大,注意：容量适当，防止“大马”拉“小车”,此外还有绝缘等级等参数，不一 一介绍。,2、三相异步电动机的选择,6-2 单相异步电动机,一、单相异步电动机的工作原理与特性,在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定子绕组轴线方向变化的磁场，称为脉动磁场。,但一旦让单相异步电动机转动起来，由于顺时针旋转磁场B1和逆时针旋转磁场B2产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成转矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的运动方向继续运转。 由于单相异步电动机总有一个反向的制动转矩存在，所以其效率和负载能力都不及三相异步电动机。,二、单相异步电动机的起动,1、分相法,下图所示分别为t=0、45、90时合成磁场的方向，由图可见该磁场随着时间的增长顺时针方向旋转。这样一来，单相异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下起动了。,2、罩极法,罩极法是在单相异步电动机定子磁极的极面上约1/3处套装了一个铜环（短路环），套有短路环的磁极部分叫做罩极。当定子绕组通入电流产生脉动磁场后，有一部分磁通穿过铜环，使铜环内产生感应电动势和感应电流。根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，结果使得没套铜环的那部分磁极中的磁通与套有铜环的这部分磁极内的磁通有了相位差，罩极外的磁通超前罩极内的磁通一个相位角。随着定子绕组中电流变化率的改变，单相异步电动机定子磁场的方向也就不断发生变化，在电动机内形成了一个旋转磁场。在这个旋转磁场的作用下，电动机的转子就能够起动起来了。,6-3 直流电动机,一、直流电动机的结构及分类,直流电动机也由定子和转子构成。 定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。 转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁心上冲有槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也是直流电动机磁路的组成部分。电枢绕组的端装有换向器，换向器由许多铜质换向片组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。换向器是直流电动机的重要构造特征，换向器通过与电刷的摩擦接触，将两个电刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以便形成固定方向的电磁转矩。,他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的重型机床等设备中。 并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转速调节方便，调速范围大。 串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特别适用于起重设备。 复励式电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械中。,二、直流电动机的工作原理和机械特性,接通直流电压U时，直流电流为从a边流入，b边流出，由于a边处于N极之下，b边处于S极之下，则线圈受到电磁力而形成一个逆时针方向的电磁转矩T，使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动。,1、直流电动机的转动原理,当电枢转动半周后，a边处于S极之下，而b边处于N极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从b边流入，从a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。,2、电磁转矩与电压平衡方程,3、机械特性,直流电动机具有硬的机械特性。,三、直流电动机的运行与控制,1、直流电动机的起动,直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的1020倍，因此必须限制起动电流。限制起动电流的方法就是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rst。起动电阻的值：,一般规定起动电流不应超过额定电流的1.52.5倍。起动时将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将起动电阻逐渐减小。,2、直流电动机的调速,根据直流电动机的转速公式n=（UIaRa）/Ce，可知直流电动机的调速方法有3种：改变磁通调速、改变电枢电压U调速和电枢串联电阻调速。 改变磁通调速的优点是调速平滑，可做到无级调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好。但由于电动机在额定状态运行时磁路已接近饱和，所以通常只是减小磁通将转速往上调，调速范围较小。 改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；控制灵活、方便，可实现无级调速；调速范围较宽，可达到610。但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源，设备较复杂。 电枢串联电阻调速方法简单、方便，但调速范围有限，机械特性变软，且电动机的损耗增大太多，因此只适用于调速范围要求不大的中、小容量直流电动机的调速场合。,3、直流电动机的制动,直流电动机的制动也有能耗制动、反接制动和发电反馈制动3种。 能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。 反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。 发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。,前面介绍的异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，例如将电能转换为机械能。本章介绍控制电机。,概述,控制电机的种类很多，本章主要介绍步进机、伺服机。,对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。,6-4 控制电动机,一、步进电动机,机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。,特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。,种类： 有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,应用： 步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,1、结构,步进机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极 。,定子,转子,定子绕组,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。,注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线圈的联接和组数的区别。,IA,IB,IC,2、工作方式,步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,（1）三相单三拍,三相绕组联接方式：Y 型,工作过程：,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。,这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。,（2）三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。,A、B相同时通电,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。,总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,（3）三相双三拍,三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。,工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S = 30。,二、伺服电动机,伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。,伺服电动机的作用,1、交流伺服电动机,原理与两相交流异步电机相同，定子上装有两个绕组 励磁绕组和控制绕组。,励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。,励磁绕组中串联电容C的目的是为了产生两相旋转磁场。,接线：,励磁绕组的接线,适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90，因此便产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。,例：选择电容，可使交流伺服电机电路中的电压电流的相量关系如图所示