三相异步电动机的构造.ppt

7.1 三相异步电动机的构造,第7章 交流电动机,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 三相异步电动机铭牌数据,7.9 三相异步电动机的选择,7.11 单相异步电动机,7.10 同步电动机(略),本章的主要内容：,第7章 交流电动机,1、 了解三相异步电动机结构； 2、 工作原理； 3、 三相异步电动机的转矩与机械特性； 4、 启动、调速和制动的方法； 5、 介绍单相异步电动机的结构、原理； 6、 应用场合。,第7章 交流电动机,利用电磁现象进行电能和机械能相互转换的机械称 为电机。 将机械能转换成电能的电机称为发电机； 将电能转换为机械能的电机称为电动机。,生产机械用电动机来驱动的优点： 1、 简化生产机械的结构； 2、 提高生产率和产品质量； 3、 能实现自动控制和远距离操纵； 4、 减轻繁重的体力劳动。,电动机的分类：,7.1 三相异步电动机的构造,三相异步电动机分成两个基本部分：定子(固定部分)和转子(旋转部分) 。,1.定子：三相异步电动机的定子是由机座(铸铁或铸钢制成)、装在机座内的圆筒形铁心(由互相绝缘的硅钢片叠成)、铁心内圆周表面槽中放置的对称三相定子绕组(接成星形或三角形)组成的。,转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,2.转子：三相异步电动机转子是铁心和绕组组成的。转子铁心是圆柱状，也用硅钢片叠成，表面冲有槽，如图所示。铁心装在转轴上，轴上加机械负载。根据构造上的不同分为两种形式：笼型和绕线型。,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,笼型转子和铸铝的笼型转子,绕线型转子,线绕式异步电动机的构造如图所示，它的转子绕组同定子绕组一样，也是三相的，并连成星形。每相的始端连接在三个铜制的滑环上，滑环固定在转轴上。环与环、环与转轴都互相绝缘。在环上用弹簧压着碳质电刷。启动电阻和调速电阻是借助于电刷同滑环和转子绕组连接的,绕线型电动机,笼型电动机与绕线型电动机的的比较：,笼型： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线型： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,7.2 三相异步电动机的转动原理,异步电动机是怎样旋转起来的？ 电动机的转子是怎样旋转起来的，各类不同的电动机 各有它的特殊性。为了说明异步电动机的工作原理， 我们先看一个简单的实验。,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,此图为三相异步电动机的示意图，三相绕组AX、 BY、CZ的空间位置互差120o,若将X、Y、Z接于一点 A、B、C分别接三相电源，便有对称的三相电流通入 相应的定子绕组，即,7. 2. 1 旋转磁场,规定 i : “+” 首端流入， 尾端流出。 i : “” 尾 端流入，首 端流出。,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),三相电流合成磁 场 的分布情况,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：在电流一个周期，旋转磁场在空间转过360,综合上述分析可的，获得一对极旋转磁场的条件是： （1）一组三相对称的绕组。 这就是说，由三个线圈组成的三相绕组的始端（或末端） 在空间的位置必须互差1200 。 （2）对称的三相绕组中通过对称的三相电流。,2.旋转磁场的旋转方向,任意调换两根电源进线 (电路如图),3. 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 fHz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：n0称为同步转速,4. 旋转磁场的极数和转速,当三相定子绕组按图 示排列时，产生一对 磁极的旋转磁场，即 此种接法下，合成磁 场只有一对磁极，则 极对数为1。 即：p=1,极对数（P）的改变 如果每个绕组有两个线圈串联（三相绕组有12个有效边）， 那么三个绕组的始端之间相差60空间角，则产生的旋转 磁场具有两对极(即P=2)，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。,4.旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,p=2时,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系：,当频率f1一定时，旋转磁场的转速取决于磁场的极数，当旋转磁场具有P对极时，磁场的转速为 P =1 n0 =3000 转/分 P =2 n0 =1500 转/分 P =3 n0 =1000 转/分 P =4 n0 = 750 转/分,7. 2. 2 电动机的转动原理,1. 转动原理,在定子三相绕组通入三相交流电，产生旋转磁场；由于有旋转 磁场，在转子导体中产生了感应电流而载流导体在磁场中又受到电 磁力的作用，于是使转子转动，这就是异步电动机旋转的基本原理。,2、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）:n 电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致,但 n n0， 所以称为异步电动机。,注意：如果n =n0 ，转子与旋转磁场间没有相对运动，,无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流， 无转距。,7. 2. 3 转差率,转子的转速低于旋转磁场的转速,即有差异(n=n0-n),转 子才能有切割磁场的结果,从而产生转矩,否则不能转动。 因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。 转差率S的概念： 通常，我们把异步电动机转子与旋转磁场之间的相对运动 速度的百分率称为转差率，用S表示。,转差率: 为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差n 与磁场同步转速 n0 之比。即：,转子转速亦可由转差率求得：,转差率S是描述异步电动机运行情况的一个重要的物理 量。在电动机起动瞬间，n=0, S=1; 电动机正常运行时，其额定转速与同步转速相近，所以 一般S很小，S=0.010.09 。,7. 3. 1 定子电路,三相异步电动机的单相“电磁”关系图,定子电路 转子电路,电动机电路与变压器电路类似:定子相当初级, 转子相当次级一般R10, R20。异步电动机的 定子绕组是静止不动的，所以旋转磁场和定子绕组的导 体之间就有相对运动，必然会在定子绕组中产生感应电势。,在异步电动机中只要适当的布置定子绕组，就可以使旋转 磁场的磁感应强度沿定子与转子间的空气隙接近于按正弦 规律分布，磁通的路径通过定子铁心和转子铁心闭合，并 于定子绕组和转子绕组相交链。因此，当空间按正弦规律 分布的磁场旋转时，穿过固定的定子绕组的磁通，便是随 时间按正弦规律变化的。根据电磁感应定律，这个交变磁 通在定子每相绕组中产生的感应电势为：,e1也是正弦量,在相位上比磁通滞后90o,其有效值为: E1=4.44K1f1N1m f1定子绕组中感应电势的频率，与电源的频率相等。 N1定子每相绕组串联的线圈匝数。 m旋转磁场的每极磁通K1定子绕组的绕组系数，其值决 定于绕组的结构，K11。,7. 3. 2 转子电路,1. 转子感应电势频率 f 2,定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子 导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而 变化, 定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,转子感应电势频率 f 2,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,2. 转子感应电动势E 2,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时， f 2最高，且 E2 最大，有,E20= 4.44 f 1N2,即E2= s E20,3. 转子感抗X 2,当转速 n = 0(s =1)时， f 2最高，且 X2 最大，有,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,4. 转子电流 I2,5. 转子电路的功率因数 cos2,转子绕组的感应电流,转子电路的功率因数,结论：转子转动时，转 子电路中的各量均与转 差率 s有关，即与转速 n有关。,O,7.4 三相异步电动机转矩与机械特性,对于电动机的使用者来说，重要的是电动机的电磁转矩和 机械特性。电磁转矩是电机在电能和机械能之间进行能量 形态转换的关键。异步电动机是因为内部电和磁的相互依 赖和相互作用，从而能将电能转换成机械能，带动生产机 械运转。首先，由于旋转磁场产生转子电势和电流，故定 子从电网所吸取的电功率有一部分通过电磁感应传给转子， 转子获得电磁功率。其次，由于转子电流与旋转磁场作用 而产生电磁力和电磁转矩推动转子旋转并带动生产机械做 功，故将电能转换成了机械能。 电磁转矩：电动机的转子受电磁力的作用而产生的转矩。,7. 4. 1 转矩公式,（牛顿米）,KT 与电动机结构有关的常数。,由此得电磁转矩公式,由公式可知,电磁转矩公式,1. T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T ,2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3. R2 的大小对 T 有影响。绕线型异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。,7. 4. 2 机械特性曲线,由转矩公式作出特性曲线如下：,1.额定转矩TN,额定转矩,(N m),将sm代入转矩公式，可得,在电动机的铭牌上，常常给出电动机的输出功率PN （千瓦）及额定转速nN(r/min),通过这些数据，我们可求出额定转矩。,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则将 造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,Sm为临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当电动机运行时，若负载短时突然增大，随后又恢复正常的负载，但只要制动转矩不大于最大的电磁转矩，电动机仍能稳定运行；若大于最大电磁转矩，电动机便停止运转。因此，最大电磁转矩越大，对电机短时过载能力越大。为此，国家标准中对异步电动机的最大电磁转矩作了规定，用过载系数： 表示，称为过载能力。普通的异步电动机=1.82.5，供起重机械和冶金机械用的电动机过载能力较大，=2.33.4。表示短时间过载力。,3. 起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n = 0 时，s =1,Tst体现了电动机带载起动的能力。若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,从上述公式得如下结论：,、最大电磁转矩Tmax与转子电路电阻无关，但对应于最大电磁转矩的转差率Sm却与R2成正比。因此当增加转子电路的电阻时， 出现最大电磁转矩 的转差率也越大 （转速降低） 即T=f(S)曲线向 增大方向偏移。,、随着转子电路电阻的增加，起动转矩逐渐增加，而且当R2X20时，SSm，可使最大转矩在S时出现，这一点在生产上具有实际意义。另外，改变转子电路的电阻，可以在一定范围内实现调速。例如电动机工作在额定转矩时，对于不同的R2的转差率分别由、三点所决定，于是得到了不同的转速，因此需要调速的生产机械，往往选用绕线式异步电动机来拖动。,、影响最大电磁转矩和起动电磁转矩的最突出 因素是电源电压， TmaxU12，TstU12。 例如当降低到 额定电压的 时，转矩只有原来 的，在曲线 上表示出来是曲线 下榻。,4. U1 和 R2变化对机械特性的影响,(1) U1 变化对机械特性的影响,T2,(2) R2 变化对机械特性的影响,不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。,硬特性：负载变化时， 转速变化不大，运行 特性好。,软特性：负载增加时 转速下降较快，但起 动转矩大，起动特性 好。 ,7.5 三相异步电动机的起动,7. 5. 1 起动性能,起动： n = 0，s =1, 接通电源。,电动机从接通电源到开始转动，转速逐渐增高，一直到达稳定转速为止，这一过程称为起动过程。起动过程的时间虽然只有几秒至几十秒但对电网电压及电动机的转矩影响很大。,异步电动机的起动性能包括：起动电流、起动转矩、 起动时间、起动的可靠性。其中最重要的是起动电和 起动转矩。,起动电流 在起动瞬间，旋转磁场对静止的转子有很大的相对转 速，此时转子的感应电势为E20，假设电动机的额度转 差率SN=0.05 ，则起动时 转子的感应电势为 ： 相对于额定转速时转 子感应电势的20倍， 因此，起动时的转子电流 也很大，但不是额度电流的20倍，因为这时转子感抗 X20X2, X2也是随S变化的量。由于转子电流很大，与变 压器负绕组增加引起原绕组电流增加的原理相似，所以 定子电流也很大，中小型鼠笼式电动机起动电流为额定 电流的5 -7 倍。,起动转矩 在刚起动时，虽然转子电流很大，但是由于转子感抗 X20也很大，所以这时转子的功率因素很低，因此起动 转矩Tst=KIstcos2并不大。与额度转矩相比，通常 起动转矩太小，就不能带负载起动，或者起动时间拖得 很长。起动转矩太大，在起动时可能使传动机构受到冲 击而损坏。 一般，为了限制起动电流，并得到适当的电磁转矩，对于不同容量的异步电动机应采用不同的起动方法。,7.5.2 起动方法,(1) 直接起动 直接起动就是把电动机直接接到电网上起动。这种方法即简单又经济，不需要专用得着起动设备，起动时间短，起动方式可靠。在电网容量允许的条件下，起动不太频繁的电动机通常都用这种方法。 二、三十千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。,（适用于笼型电动机）,(3) 转子串电阻起动,（适用于绕线型电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,1. 降压起动,Y 换接起动 仅适用于正常运行时定子绕组 采用三角形接法的电动机。在 起动时先接成星形待转速稳定后再接成三角形。,设：电机每相阻抗为,Y 起动时，起动电流减小的同时，起动转矩也减小了。,所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合。,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2.绕线型电动机转子电路串电阻起动,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,正转,反转,三相异步电动机的正、反转,7.6 三相异步电动机的调速,异步电动机起动投入运行后，为适应生产过程的需要， 有时要人为的改变电动机的转速，这个操作称为调速。 调速不是指电动机负载变化所引起的转速变化。,如何实现调速？,公式表明：异步电动机的转速和f1、S、p这三个因素有关，可以通过改变这三个参数达到改变n的目的。 所以异步电动机的调速方法有： 改变极对数p有级调速；改变转差率S 无级调速； 改变电源频率 (变频调速)f1 无级调速。,7.6.2 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）。,频率调节范围：0.5几百赫兹，变频调速方法可实 现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广 泛的应用。,7.6.2 变极调速 (有级调速),变极调速一般用在鼠笼式异步电动机中。如前所述，当异步电动机的外加电压频率恒定，改变极对数p时可改变定子旋转磁场的同步转速而达到调节转子转速n的目的。 改变定子极对数p的基本方法为： （1）在定子槽内安装两套或多套绕组，各套绕组设计 成不同的极对数，它们彼此独立，没有电的联系。 （2）定子槽内只有一套绕组，用改变绕组的连接法的 到不同的极对数。具有这种绕组的异步电动机称 为单绕组多速异步电动机。,7.6.3 变转差率调速 (无级调速),变转差率调速是绕线型电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。,适用于绕线式电动机.,方法：在绕线式电动机的转子电路中接入调速电阻，改变电阻的大小，就可得到平滑调速。,7.7 三相异步电动机的制动,制动方法： 1. 抱闸：加机械抱闸 2. 反接制动： 3. 能耗制动 4.发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,7.7.1 能耗制动,7