电工电子技术基础教学PPT异步电动机及其控制.ppt

1 电工电子技术基础 武汉职业技术学院机械工程系 第5章异步电动机及其控制 2 目录 1 1电路和电路模型 1 2电路基本物理量 1 3电阻元件 电感元件和电容元件 1 4电压源 电流源及其等效变换 1 5基尔霍夫定律 1 6复杂电路的分析和计算 第5章异步电动机及其控制 5 1三相异步电动机5 2单相异步电动机5 3常用控制电器5 4三相异步电动机基本控制电路5 5安全用电 3 第5章异步电动机及其控制 5 1三相异步电动机5 2单相异步电动机5 3常用控制电器5 4三相异步电动机基本控制电路5 5安全用电 4 5 1三相异步电动机 三相异步电动机由于具有结构简单 运行可靠 维护方便 效率较高 价格低廉等优点 因此被广泛地用来驱动各种金属切削机床 起重机械 鼓风机 水泵及纺织机械等 是工农业生产中使用得最多的电动机 5 5 1 1三相异步电动机的基本构造 三相异步电动机的结构示意图 6 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 三相定子绕组 产生旋转磁场 7 鼠笼式转子结构示意图 8 绕线式异步电动机转子结构示意图 9 定子 由定子铁心 定子绕组和机座组成 定子铁心是电动机磁路的一部分 由0 5mm厚 两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成 在其内部冲有均匀分布的槽 槽内嵌放三相对称绕组 转子 由转子铁心 转子绕组和转轴组成 转子铁心也是由0 5mm厚 两面涂有绝缘漆的硅钢片叠成 在其外圆冲有均匀分布的槽 槽内嵌放转子绕组 转子铁心装在转轴上 笼型转子铁心槽内嵌有铸铝导条 端部有短路环短接 形成一个短接回路 绕线转子铁心槽内嵌放三相绕组 绕组的三个端线接到装在轴上一端的三个滑环上 再通过一套电刷引出 以便与外电路相连 10 5 1 2三相异步电动机的工作原理 让我先来看一下异步电动机的基本原理 11 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 12 异步 2 线圈比磁场转得慢 13 1 旋转磁场 a y c b z 异步机中 旋转磁场代替了旋转磁极 电流出 电流入 x 14 合成磁场方向 向下 15 同理分析 可得其它电流角度下的磁场方向 16 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 旋转磁场的旋转方向 17 旋转磁场的转速大小 18 极对数 p 的概念 19 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 20 极对数 21 极对数和转速的关系 22 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 23 静止的转子与旋转磁场之间有相对运动 在转子导体中产生感应电动势 并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流 其方向用右手定则判定 转子电流在旋转磁场中受到磁场力f的作用 f的方向用左手定则判定 电磁力在转轴上形成电磁转矩 电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致 2 三相异步电动机的转动原理 1 电生磁 磁生电 电磁作用产生旋转力矩 24 电动机在正常运转时 其转速n总是稍低于同步转速no 因而称为异步电动机 又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的 所以也称为感应电动机 异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率 用s表示 即 转差率是异步电动机的一个重要参数 异步电动机在额定负载下运行时的转差率约为1 9 25 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系 电动机转速 26 例 有一台4极感应电动机 电压频率为50hz 转速为1440r min 试求这台感应电动机的转差率 解 因为磁极对数为2 所以同步转速为 转差率为 27 常数 每极磁通 转子电流 转子电路的 5 1 3三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 1 三相异步电动机的电磁转矩 28 经推导可得转矩公式 由上式可知 tem u12 可见电磁转矩对电源电压特敏感 29 2 三相电动机的机械特性 根据转矩公式可得 30 n0 t n 牛顿 米 31 32 如果电机将会因带不动负载而停转 n0 t n 求解 33 过载系数 三相异步机 34 n0 t n 35 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 36 5 1 4三相异步机使用 1 三相异步电动机铭牌 37 1 型号 为了适应不同用途和不同工作环境的需要 电动机制成不同的系列和种类 每种电动机用不同的型号表示 型号说明如下 y180m 4 38 2 额定功率和效率 铭牌上所标额定功率值是指电动机在额定电压 额定频率 额定负载下运行时轴上输出的额定机械功率pn 效率就是电动机铭牌上给出的功率同电动机从电网输入电功率的比值 3 额定频率 指电动机定子绕组所加交流电源的频率 我国工业用交流电标准频率为50hz 4 额定电压 铭牌上所标的额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组上加的额定线电压值 y系列三相异步电动机的额定电压统一为380v 39 5 额定电流 铭牌所标的额定电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的额定线电流值 当电动机空载或轻载时 都小于这个电流值 6 功率因数 因为电动机是电感性负载 定子相电流比定子相电压滞后一个 角 cos 就是电动机的功率因数 三相异步电动机功率因数较低 在额定负载时约为0 7 0 9 而在轻载和空载时更低 空载时只有0 2 0 3 因此 必须正确选择电动机的容量 使电动机能保持在满载下工作 7 额定转速 铭牌所给出的额定转速是电动机在额定电压 额定功率 额定频率下运行时每分钟的转数 电动机所带负载不同转速略有变化 轻载时稍快 重载时稍慢些 如果是空载 接近同步转速 40 8 接法 表示电动机在额定电压下定子三相绕组的连接方法 一般电动机定子三相绕组的首 尾端均引至接线板上 国家标准规定用符号u1 v1 w1分别表示电动机三相绕组线圈的首端 用符号u2 v2 w2分别表示电动机三相绕组线圈的尾端 电动机的的六个线头可以接成y形和 形 如图5 12所示 但必须按铭牌所规定的接法连接 才能正常运行 41 9 工作方式 这一项是指是电动机工作在连续工作制 还是短时或断续工作制 若标为连续表示电动机可在额定功率下连续运行 绕组不会过热 若标为短时表示电动机不能连续运行 而只能在规定的时间内依照额定功率短时运行 这样不会过热 若标为断续表示电动机的工作是短时的 但能多次重复运行 10 绝缘等级及温升 指电动机定子绕组所用的绝缘材料允许的最高温度的等级 中小型电机常用的绝缘分为a e b f h五级 目前一般电动机采用较多的是e级绝缘和b级绝缘 温升是指电动机运行时定子铁心和绕组温度高于环境温度的允许温差 42 例5 2有一三相异步电动机 其铭牌给出额定数据为 pn 7 5kw nn 1470r min u1 380v 86 2 cos 0 81 试求 1 额定电流 2 额定转差率 3 额定转矩 4 若该电机的tst tn 2 0 在额定负载下 电动机能否采用y 方法起动 解 1 额定电流 43 2 由n 1470r min可知 其极对数p 2 同步转速n0 1500 所以 3 额定转矩 44 4 星形接法时的起动转矩是三角形接法时起动转矩的三分之一 见书 0页 即 此时 电动机星形接法时的起动转矩小于负载转矩48 7n m 故不能采用星三角方法起动 45 2 三相异步电动机的起动 1 直接起动 直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式 又叫全压起动 优点 起动简单 缺点 起动电流较大 将使线路电压下降 影响负载正常工作 适用范围 电动机容量在10kw以下 并且小于供电变压器容量的20 为了减小起动电流 同时又有足够大的启动力矩 必须采用适当的启动方法 46 2 降压起动 y 换接起动 在起动时将定子绕组连接成星形 通电后电动机运转 当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形 适用范围 正常运行时定子绕组是三角形连接 且每相绕组都有两个引出端子的电动机 优点 起动电流为全压起动时的1 3 缺点 起动转矩均为全压起动时的1 3 47 y 起动 48 49 自耦降压起动 利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低 以达到减小起动电流的目的 自耦变压器备有40 60 80 等多种抽头 使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择 50 绕线式电动机的启动 起动时将适当的r串入转子绕组中 起动后将r短路 51 转子串电阻起动的特点 2 r2选的适当 转子串电阻既可以降低起动电流 又可以增加起动力矩 52 3 三相异步电动机的调速 三相异步电动机的转速 1 变极调速 通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数p来调速 因磁极对数只能是按1 2 3 的规律变化 所以用这种方法调速 电动机的转速不能连续 平滑地进行调节 53 2 变频调速 通过变频器把频率为50hz工频的三相交流电源变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源 然后供给三相异步电动机 从而使电动机的速度得到调节 变频调速属于无级调速 具有机械特性曲线较硬的特点 3 变转差率调速 通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来调整转差率实现平滑调速的 又称为变阻调速 调速电阻的接法与起动电阻相同 这种方法只适用于绕线式异步电动机 54 方法 和电源相接的任意两相互换 就可实现反转 4 三相异步电动机的正 反转 55 制动方法 1 抱闸 加机械抱闸 2 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 4 三相异步电动机的制动 56 4 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 3 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 57 5 三相异步电动机的选择 58 电动机类型的选择 根据工作环境 性质和条件选择 功率的选择 选择要适当 太大或太小都不好 转速的选择 根据工作机械的速度要求选择 对速度较低的工作机械最好通过加变速装置的办法 电压的选择 根据电动机的类型 功率和使用地点确定 极端的工作条件的影响 59 5 2 1单相异步电动机的工作原理 结构 定子放单相绕组 其中通单相交流电 转子一般用鼠笼式 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 60 单相异步电动机的特点 1 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 61 2 转子借助其它力量转动后 外力去除后仍按原方向继续转动 其原理分析如下 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 62 脉动磁场的分解 63 正反向旋转磁场的合成转矩特性 合成转矩 正向 反向 64 1 电容分相式起动 5 2 2单相异步电动机的起动 65 2 罩极式单相电机 定子通入电流以后 部分磁通穿过短路环 并在其中产生感应电流 短路环中的电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差 从而形成旋转磁场 使转子转起来 图中电机的转动方向 顺时针旋转 因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先 66 67 低压电器 手动电器 自动电器 刀开关按钮 接触器继电器起动器 时间继电器热继电器 5 3常用控制电器 68 5 3 1手动电器 1 刀开关 69 控制对象 390v 5 5kw以下小电机 考虑到电机较大的起动电流 刀开关的额定电流值应如下选择 3 5 异步电机额定电流 一般用于不经常操作的低压电路中 用作接通或切断电源 有时也用来控制小容量电动机作不频繁的直接起动与停机 安装时 电源线应接在静触点上 负荷线接在和闸刀相连的端子上 70 2 组合开关 71 组合开关又叫转换开关 是一种转动式的闸刀开关 主要用于接通或切断电路 换接电源 控制小型鼠笼式三相异步电动机的起动 停止 正反转或局部照明 组合开关有若干个动触片和静触片 分别装于数层绝缘件内 静触片固定在绝缘垫板上 动触片装在转轴上 随转轴旋转而变更通 断位置 72 3 按钮 73 5 3 2自动电器 1 熔断器 74 作用 用于短路保护 异步电机的起动电流ist 5 7 额定电流 75 作用 可实现短路 过载 失压保护 2 自动空气断路器 自动开关 工作原理 过流时 过流脱扣器将脱钩顶开 断开电源 欠压时 欠压脱扣器将脱钩顶开 断开电源 76 3 行程开关 用作电路的限位保护 行程控制 自动切换等 结构与按钮类似 但其动作要由机械撞击 77 4 交流接触器 78 接触器有关符号 79 简单的接触器控制 a b c m3 刀闸起隔离作用 自保持 停止按钮 起动按钮 特点 小电流控制大电流 80 5 继电器 继电器和接触器的作用是一样的 主要区别在于 接触器的主触头可以通过大电流 而继电器的触头只能通过小电流 所以 继电器只能用于控制电路中 81 1 中间继电器中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路 也可用来直接控制小容量电动机或其他电气执行元件 中间继电器的结构和工作原理与交流接触器基本相同 与交流接触器的主要区别是触点数目多些 且触点容量小 只允许通过小电流 在选用中间继电器时 主要是考虑电压等级和触点数目 82 发热元件 功能 过载保护 2 热继电器 结构 i 常闭触头 83 热继电器的符号 发热元件 串联在主电路中 串联在控制电路中 84 3 时间继电器 85 电机起动 停车 点动 连续运行 多地点控制 顺序控制等 电机正反转控制 行程控制 时间控制 速度控制 5 4三相异步电动机的基本控制电路 86 5 4 1电气原理图的绘制规则 1 电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分 主电路就是从电源到电动机大电流通过的路径 辅助电路包括控制电路 照明电路 信号电路及保护电路等 由继电器和接触器的线圈 继电器的触点 接触器的辅助触点 按钮 照明灯 信号灯 控制变压器等电器元件组成 2 控制系统内的全部电机 电器和其他器械的带电部件 都应在原理图中表示出来 87 3 电气原理图中各电器元件不画实际的外形图 而采用国家规定的统一标准图形符号 文字符号也要符合国家标准规定 附录一 和附录二摘录了一些常用的图形和文字符号 4 电气原理图中 各个电气元件和部件在控制线路中的位置 应根据便于阅读的原则安排 同一电气元件的各个部件可以不画在一起 例如 接触器 继电器的线圈和触点可以不画在一起 5 电气原理图中元件 器件和设备的可动部分 都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出 88 6 电气原理图的绘制应布局合理 排列均匀 为了便于看图 可以水平布置 也可以垂直布置 本书为了看图方便 均采用水平布置 7 电气元件应按功能布置 并尽可能按工作顺序排列 其布局顺序应该是从上到下 从左到右 电路垂直布置时 类似项目宜横向对齐 水平布置时 类似项目应纵向对齐 如接触线圈属于类似项目 纵向布置时 接触器线圈应横向对齐 水平布置时 接触器线圈应纵向对齐 8 电气原理图中 有直接联系的交叉导线连接点 要用黑圆点表示 无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点 89 5 4 2三相笼型异步电动机的直接起动控制电路 点动控制电路单向连续运行控制电路 起停控制电路 多地点控制电路点动 连续运行控制电路正 反转互锁控制电路 90 1 点动控制 a b c km fu q b c km sb 动作过程 控制电路 主电路 91 2 单向连续运行控制电路 启停控制电路 自保的作用 92 km sb1 km sb2 fr a b c km fu q fr 电流成回路 只要接两相就可以了 异步机的直接起动 过载保护 93 例如 甲 乙两地同时控制一台电机 方法 两起动按钮并联 两停车按钮串联 3 多地点控制 fr 94 4 点动 连续运行 加中间继电器 ka 95 以下控制电路能否实现即能点动 又能连续运行 思考 不能点动 96 5 电机的正反转控制电路 1 a b c kmf fu q fr 97 电机的正反转控制电路 2 加互锁 互锁作用 正转时 sbr不起作用 反转时 sbf不起作用 从而避免两触发器同时工作造成主回路短路 kmf sb1 kmf sbf fr kmr kmr m3 a