电工学电动机教学PPT.ppt

第4章 电动机 本章主要介绍三相交流异步电动机的基本构造 转动原理 机械特性 铭牌数据以及三相交流异步电动机的使用 本章还将对单相异步电动机 直流电动机和个别控制电机作简单的介绍 第4章电动机 4 1三相异步电动机的构造 4 2三相异步电动机的工作原理 4 3三相异步电动机的电路分析 4 4三相异步电动机的转矩与机械特性 4 5三相异步电动机的起动 4 6三相异步电动机的调速 4 7三相异步电动机的制动 4 8三相异步电动机的名牌数据 4 9单相异步电动机 4 10直流电动机 4 11控制电动机 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等 在家用电器方面 电风扇 空调机 洗衣机 电冰箱等 电动机的作用是将电能转换成机械能 电动机分交流电动机和直流电动机两大类 电动机 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 4 1三相异步电动机的构造 y系列 三相异步电动机的外形 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 三相异步电动机的构造 三相异步电动机的基本结构示意图 端盖 机座 定子 转子 转轴 风扇 三相异步电动机的基本结构示意图 定子 转子 轴承 端盖 机座 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 三相异步电动机的构造 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 定子绕组 机座 定子铁心 机座 定子铁心 定子绕组 转子 三相异步电动机的构造 定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成 定子硅钢片 1 定子 三相异步电动机的构造 2 转子根据转子绕组结构的不同分为笼型转子和绕线型转子 笼型转子的电动机称笼型电动机 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 笼型转子 鼠笼转子绕组 转子 三相异步电动机的构造 转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成 转子硅钢片 2 转子 三相异步电动机的构造 绕线型转子铁心与绕组 2 转子根据转子绕组结构的不同分为笼型转子和绕线型转子 绕线型转子的电动机称绕线型电动机 外接电阻 电刷 滑环 转子铁心 转子绕组 三相异步电动机的构造 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 三相异步电动机的构造 在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组 定子绕组星接 定子绕组角接 端子 三相异步电动机的电路部分 首端 末端 u1 w2 v1 u2 w1 v2 设 电流的流入端用 表示 电流的流出端用 表示 定子绕组 在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组 三相异步电动机的电路部分 定子绕组与转子绕组 定子绕组 转子绕组 u1 w2 v1 u2 w1 v2 设 电流的流入端用 表示 电流的流出端用 表示 三相异步电动机的电路部分 4 2三相异步电动机的工作原理 i1 i2 i3 u1 v1 w1 u2 v2 w2 i1 imsin t i2 imsin t 120 i3 imsin t 120 i1 i2 i3 相序l1 l2 l3 l1 对称三相电流流入对称三相绕组 4 2三相异步电动机的工作原理 4 2 1旋转磁场 星形联接 i1 t 0 t i u1 w2 v1 u2 w1 v2 i1 0i2为负值i3为正值 设 电流的流入端用 表示 i2 i3 电流的流出端用 表示 旋转磁场 1 旋转磁场的产生 o 三相电流合成磁场的分布情况 各相绕组首端与首端或末端与末端之间空间位置相差120o t t 60 i u1 w2 v1 u2 w1 v2 60 i3 0i2为负值i1为正值 i1 i2 i3 o 1 旋转磁场的产生 三相电流合成磁场的分布情况 旋转磁场 t 90 u1 w2 v1 u2 w2 v2 90 i1为正值i2为负值i3为负值 t i i1 i2 i3 o 1 旋转磁场的产生 三相电流合成磁场的分布情况 旋转磁场 t 180 u1 w2 v1 u2 w1 v2 i1 0i2为正值i3为负值 t i i1 i2 i3 o 1 旋转磁场的产生 三相电流合成磁场的分布情况 旋转磁场 1 旋转磁场的产生 旋转磁场 flash 空间相差120 角的三相绕组 通入对称三相电流时 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 综上分析可以得出 旋转磁场 t i i1 i2 i3 o 90 60 0 相序l1 l3 l2 l1 2 旋转磁场的转向 旋转磁场 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 任意调换两根电源进线 则旋转磁场反转 从而改变了三相异步电动机的旋转方向 旋转磁场 旋转磁场的磁极对数p与三相定子绕组的连接方式有关 3 旋转磁场的磁极对数p 当三相定子绕组按图示排列时 产生一对磁极的旋转磁场 旋转磁场 若定子每相绕组由两个线圈串联 绕组的始端之间互差60 将形成两对磁极的旋转磁场 3 旋转磁场的磁极对数p 旋转磁场 磁极对数 旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关 3 旋转磁场的磁极对数p 旋转磁场 4 旋转磁场的转速n0 工频 p 1时 旋转磁场 p 2时 4 旋转磁场的转速n0 旋转磁场 flash 电源的频率 磁极对数 若f1 50hz p 1 n0 3000r min p 2 n0 1500r min p 3 n0 1000r min 4 旋转磁场的转速n0 n0的单位 转 每分 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数 旋转磁场 n0 n e i 转子导体 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 4 2 2电动机的转动原理 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率 由前面分析可知 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致 但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等 即 如果 因此 转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别 4 2 3转差率s n 1 s n0 转差率 0 s sn 1 9 转子转速 转差率s 例1 已知一台三相异步电动机 其额定转速n 975r min 电源频率f1 50hz 求 电动机的极对数和额定负载下的转差率 解 p 3 nn接近与no而略小于no 根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知 n0 1000r min 即 额定转差率为 4 3三相异步电动机的电路分析 三相异步电动机的电磁关系与变压器类似 异步电动机每相电路 n1 n2 u1 e1 4 44f1n1 旋转磁场每极磁通n1 每相定子绕组匝数f1 定子电流频率 4 3 1定子电路 忽略漏磁电动势e 1和电阻压降r1i1 u1 e1 e 1 r1i1 或 u1 e1 旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0 所以 感应电动势的频率与磁场和导体间的相对速度有关 f1 电源频率f 4 3 2转子电路 1 转子感应电势频率f2 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f1 转子感应电势频率f2 旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同 e2 4 44f2n2 4 44sf1n2 se20 2 转子电动势e2 3 转子感抗x2 转子电路 当转速n 0即s 1 转子静止时 时 f2最高 且e2最大 有 e20 4 44f1n2 当转速n 0 s 1 时 f2最高 且x2最大 有 x20 2 f1l2 4 转子电路电流 5 转子电路的功率因数cos 2 i2 cos 2 1 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 转子电路 电磁转矩t kt i2cos 2 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 4 4三相异步电动机的转矩与机械特性 4 4 1转矩公式 可推出 旋转磁场每极磁通 转子电流 转子电路的功率因数 电磁转矩t kt i2cos 2 常数 转矩公式 所以 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 u1 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 绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻r2 从而改变转距 转矩公式 a b c 得特性曲线 4 4 2机械特性曲线 根据转矩公式 机械特性 t f s 或n f t tst 通常三相异步电动机工作在ab段 电动机的运行分析 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 自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点 如 柴油机当负载增加时 必须由操作者加大油门 才能带动新的负载 此过程中 n s e2 i2 i1 电源提供的功率自动增加 t2 s t2 t t t2 n t 达到新的平衡 n 机械特性曲线 机械特性曲线n f t 1 额定转矩tn p2 电动机轴上的输出功率 p2单位 千瓦 kw n单位 转每分 r min t单位 牛 米 n m tst d t2 tn 在d点 三个重要转矩 机械特性曲线 在ab段负载变化时 转速变化不大 具有硬的机械特性 由dt ds 0 得 sm 称为临界转差率 代入t的表达式 得 u12 2 最大转矩tmax tst b sm r2 x20 a tmax与r2无关 sm取决与r2 与u1无关 过载系数 tmax tn 1 8 2 2 机械特性曲线 起动瞬间n 0 s 1 u1 tst r2 tst 负载转矩t2 tst 不能起动 可空载或轻载起动 负载转矩t2 tst 可带负载起动 st tst tn 一般 st 1 0 2 2 起动转矩倍数 3 起动转矩tst tst 机械特性曲线 不同电源电压的转矩特性 n o n0 t tst u1 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 随u1的增减 tmax tst n相应增减 tst u1下降过多可使电动机停车而发生闷车事故 机械特性曲线 不同转子电阻的转矩特性 tmax与r2无关 但其对应的转差率s或转速n随r2变化 tst随r2的变化而变化 且可出现在tmax处 u1和r2变化对机械特性的影响 2 r2变化对机械特性的影响 调节r2可在一定范围内调速 机械特性曲线 4 5 1起动性能 起动初始瞬间 n 0 s 1 1 起动电流ist大 5 7in a 频繁起动会使电动机过热 b 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 2 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 不能满载起动 电磁转矩t kt i2cos 2 4 5三相异步电动机的起动 原因 起动时 n 0 转子导体切割磁力线速度很大 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 特点 起动转矩小 起动电流大 比额定值大5 7倍 影响同一电网上其他负载的正常工作 优点 简单 方便 经济 起动过程快 一般适用于二 三十千瓦以下的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源电压 待电动机转速接近稳定转速时 再把电压恢复正常 4 5 2起动方法 1 星形 三角形 y 换接起动 只适用于电动机在工作时定子绕组为 连接 起动方法 2 降压起动 fu w2 u1 u2 v1 v2 w1 q1 转子 定子绕组 起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的三分之一 型 y型 1 星形 三角形 y 换接起动 2 降压起动 y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合 起动方法 起动 三相自耦变压器 2 自耦降压起动 变比 起动方法 u1 u2 v1 v2 w1 w2 s1 s2 运转 起动 三相自耦变压器 m3 2 自耦降压起动 自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成y形不能采用y 起动的鼠笼式异步电动机 起动方法 绕线式电动机起动时 可在转子绕组上外串电阻 以减小起动电流 3 转子串电阻起动 若r2选得适当 转子电路串电阻起动既可以降低起动电流 又可以增加起动转矩 常用于要求起动转矩较大的生产机械上 起动方法 例1 某三相异步电动机 un 380v pn 40kw nn 1470r min cos 0 84 n 84 5 f1 50hz 接 ist in 7 st 1 2 求 1 负载转矩为280n m 在u un和u 0 9un两种情况下电动机能否直接起动 2 采用y 起动求起动电流及起动转矩 3 当负载转矩为额定转矩的50 时和30 时 利用y 起动 电动机能否起动 解 1 tst 1 2tn 1 2 260 312n m 280n m可以起动 u 0 9un tst 0 92tst 0 92 312 252 7n m 280n m不能起动 u un 260n m 解 tst tst 1 2 tn 312n m 例1 某三相异步电动机 un 380v pn 40kw nn 1470r min cos 0 84 n 84 5 f1 50hz 接 ist in 7 st 1 2 求 1 负载转矩为280n m 在u un和u 0 9un两种情况下电动机能否直接起动 2 采用y 起动求起动电流及起动转矩 3 当负载转矩为额定转矩的50 时和30 时 利用y 起动 电动机能否起动 2 3 t 50 tn 0 5 260 130n m 104n m 电动机不能起动 t 30 tn 0 3 260 78n m 104n m 电动机能起动 解 tn 260n m tsty 104n m 例1 某三相异步电动机 un 380v pn 40kw nn 1470r min cos 0 84 n 84 5 f1 50hz 接 ist in 7 st 1 2 求 1 负载转矩为280n m 在u un和u 0 9un两种情况下电动机能否直接起动 2 采用y 起动求起动电流及起动转矩 3 当负载转矩为额定转矩的50 时和30 时 利用y 起动 电动机能否起动 设电动机自耦降压起动时的起动电流为ist 例2 对例1中的电动机采用自耦变压器降压起动 起动时加到电动机上的电压为额定电压的64 求这时的线路起动电流和电动机的起动转矩tst 解 依据变压器的一次 二次侧电压电流关系 可求得线路起动电流 调速方法 4 6三相异步电动机的调速 4 6 1变频调速 变频调速装置 两种变频调速方式 又电磁转矩t kt i2cos 2 t也近似不变 是恒转矩调速 由u1 4 44f1n1 知 在增大f1同时 减小 变频调速装置 又电磁转矩t kt i2cos 2 t也减小 是恒功率调速 2 f1 f1n 高于额定转速调速 应保持u1 u1n 变频调速 频率调节范围 0 5 320hz 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 改变极对数p调速 有级调速 4 6 2变极调速 p 2 改变极对数p调速 有级调速 变极调速 p 1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机 由于调速时其转速呈跳跃性变化 因而只用在对调速性能要求不高的场合 如铣床 镗床 磨床等机床上 在绕线式电动机转子绕组中串入电阻r 可改变转差率s和转速n a 小范围无级调速 特点 b r2大 特性变软 4 6 3变转差率调速 制动方法 能耗制动反接制动发电反馈制动 4 7三相异步电动机的制动 制动时定子接入直流电源产生固定磁场 i2受到阻转矩 当n 0 i2 0 t 0 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 e2 i2 4 7 1能耗制动 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 n0 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 4 7 2反接制动 4 7 3发电反馈制动 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时 旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化 由驱动转距变为制动转距 电动机进入制动状态 同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网 n n0 4 8三相异步电动机的铭牌数据 1 型号 例如 y132m 4 用以表明电动机的系列 几何尺寸和极数 异步电动机产品名称代号 1 型号 三相异步电动机的铭牌数据 2 接法 定子三相绕组的联接方法 通常 y联结 联结 三相异步电动机的铭牌数据 3 电压 例如 380 220v y 是指线电压为380v时采用y联结 线电压为220v时采用 联结 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 因为在电动机满载或接近满载情况下运行时 电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值 从而使电动机过热 电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值 三相异步电动机的额定电压有380v 3000v 及6000v等多种 三相异步电动机的铭牌数据 4 电流 例如 y 6 73 11 64a表示星形联结下电机的线电流为6 73a 三角形联结下线电流为11 64a 两种接法下相电流均为6 73a 5 功率与效率 鼠笼电机 72 93 电动机在额定运行时定子绕组的线电流值 额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率p2 它不等于从电源吸取的电功率p1 三相异步电动机的铭牌数据 注意 实用中应选择容量合适的电机 防止出现 大马拉小车 的现象 6 功率因数 三相异步电动机的功率因数较低 在额定负载时约为0 7 0 9 空载时功率因数很低 只有0 2 0 3 额定负载时 功率因数最高 定子绕组的功率因数 三相异步电动机的铭牌数据 8 绝缘等级 指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级 分为a e b f h五级 a级最低 105 c h级最高 180 c 7 额定转速 电机在额定电压 额定负载下运行时的转速 不同磁极对数的异步电动机有不同的转速等级 9 工作方式 分为 连续工作方式 短时工作方式 断续周期性工作方式 三相异步电动机的铭牌数据 单相异步电动机的功率一般为几瓦到几百瓦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 如电风扇 电冰箱 洗衣机 抽油烟机等 4 9单相异步电动机 单相异步电动机 定子只有一相主绕组的异步电动机 单相异步电动机均采用笼型转子 但定子有所不同 c b s 4 9 1电容分相式异步电动机 a ia ib a为工作绕组 b为起动绕组 在空间相隔90 s为离心力开关 ia iamsin t ib ibmsin t 90 ia imsin t ib imsin t 90 ia t i ib o 两相绕组形成的旋转磁场 形成旋转磁场 电容分相式异步电动机 c b s a ia ib 1 2 改变电容c的串联位置 可使异步电动机反转 将s合向1 ib超前ia 将s合向2 ia超前ib 电容分相式异步电动机 4 9 2罩极式异步电动机 1和 2之间产生相位差 形成一个向罩极部分移动的旋转磁场 当电流i流过定子绕组时 产生了一部分磁通 1 同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成了磁通 2 由于短路环中感应电流的阻碍作用 使得 2在相位上滞后 1 从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场 使转子获得所需的起动转矩 罩极式单相异步电动机起动转矩较小 转向不能改变 常用于电风扇 吹风机中 电容分相式单相异步电动机的起动转矩大 转向可改变 故常用于洗衣机等电器中 罩极式异步电动机 若三相异步电动机运行时断了一根线 相当 若n 0 则不能起动 此时电流很大 时间 若n 0 则能够继续转动 但仍带额定负载 一长 电动机将会被烧坏 电流势必超过其额定值 时间一长 电动机也将被烧坏 于单相异步电动机 称为三相异步电动机的单相运行 或缺相运行 三相异步电动机的单相运行 直流电动机 将直流电能变为机械能 1 直流电动机的构造 定子 转子 电枢铁心 电枢绕组 转轴 机座 主磁极 换向极 电刷 换向器 直流电机的特征 4 10直流电动机 主磁极 励磁绕组 转子 转轴 定子 转子 电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组 电枢绕组 产生感应电动势 转轴 输入或输出机械功率 机座 起支撑作用 作为部分磁路 主磁极 产生主磁通 换向极 产生附加磁场 改善换向 电刷 引入或引出直流电 换向器 与电刷一起 共同完成直流电和交流电的转换 换向极 换向绕组 1 直流电动机的构造 直流电动机 2 直流电动机的工作原理 在两电刷之间加入直流电压u 则在绕组中产生电流i 通电导体又受到力的作用 产生电磁力矩 由于换向器的作用 在n s 极下受力方向不变 使电枢旋转起来 导体与磁场之间的相互作用 在电枢绕组中产生反电动势e 与电源电压相平衡 直流电动机 3 转矩 电动势和电压平衡方程式 电磁转矩 t kt ia 电动势 e ce n 电压平衡方程式 外加电源电压u e iara e与ia反向 每极磁通 ia 电枢电流 e为反电动势 rst 限制起动电流 改变电枢电流或励磁电流方向实