7-交流电机结构与原理.ppt

中级维修电工培训 曾友州成都航空职业技术学院电子工程系 异步电动机工作原理 目的 学习由电器元件组成的鼠笼式三相交流异步电动机起 停 正反转 多地 多条件控制电路的基本原理 降压起动控制电路 制动控制电路 变极调速 绕线式异步电动机的控制电路 电液控制技术 直流电动机基本控制电路 要求 领会常用控制电路的设计思想 学会分析基础电路的工作原理 熟记起停 正反转 两地控制等电路的电路结构及特点 并要求能够熟练画出这些电路 第一节三相异步电动机的结构和工作原理 一 三相异步电动机的结构 二 三相异步电动机的工作原理 电动机 交流电动机 直流电动机 同步电动机异步电动机 概述 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 发电机 把机械能转换为电能的电机 电动机 把电能转换为机械能的电机 电机 实现机械能与电能相互转换的旋转机械 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 一 三相异步电动机的结构 两部分组成 定子和转子 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 一 定子 铁心 由内周有槽的硅钢片叠成桶状 槽内嵌放三组绕组 绕组与铁心绝缘 定子绕组 一般采用漆包线绕制 分三组分布在定子铁心槽内 机座 铸钢或铸铁 端盖 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 组成 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 定子 定子绕组彼此相隔120o 构成对称三相绕组 可联结成星形或三角形 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 二 转子 铁心 由定子铁心冲片冲下的内圆硅钢片叠成 压装在转轴上 转子铁心与定子铁心之间有空气隙 共同组成磁路 转子绕组 嵌入转子铁心槽内 转轴 风扇 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 组成 转子绕组 笼型 铁芯槽内放铜条 端部用短路环形成一体 或铸铝形成转子绕组外形象笼子 绕线型 分为三相 接成星形 尾端接在一起 首端分别接在转轴上的三个铜制滑环上 通过电刷与外电路的可变电阻器联接 用于启动或调速用于对启动和调速 要求高的场合 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 笼型转子 绕线型转子 二 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机是利用定子绕组中产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而工作的 一 定子的旋转磁场 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 每相一头一尾 共6个头 三相绕组相隔120o 单线圈 星形联接 三相交流电源 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 规定U1 V1 W1为头 U2 V2 W2为尾 流入 流出 首端U1 V1 W1接三相电源L1 L2 L3 相序为1 2 3 三相对称电流i1 i2 i3流入定子绕组 相位互差120o 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 t 0时 i1 0 U1U2中无电流 i2为负 方向为由V2流入 从V1流出 i3为正 方向为从W1流入 从W2流出 三相电流产生N极在上S极在下的合成磁场 i1 0无磁场 i2 为负尾入V2 头出V1 I3 为正头入W1 尾出W2 右手定则判断合成磁场 从波形看电流流向 o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 t 2 3时 i2 0 V1V2中无电流 i3为负 方向为由W2流入 从W1流出 i3为正 方向为从W1流入 从W2流出 合成磁场顺时针旋转120o o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 t 4 3时 i3 0 W1W2中无电流 i1为负 方向为由U2流入 从U1流出 i2为正 方向为从V1流入 从V2流出 合成磁场又顺时针旋转120o o 三相交流电在定子铁心内部空间产生的合成磁场 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 t 2 时 合成磁场又顺时针旋转120o 与 t 0时完全一样 综上所述 在定子的三个空间上互差120o的线圈中分别通入在相位上互差120o的三相交流电时 能产生一个合成的旋转磁场 讨论 将三根导线中的任意两根对调位置 旋转磁场方向如何 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 旋转磁场方向反向旋转 上述定子每相只有一个绕组 放在定子铁心的6个槽内 形成一对N S磁极 二极 的旋转磁场 记为P 1 若定子每相绕组由两个线圈串联 分别放入12个槽内 则将形成两对磁极 四极 的旋转磁场 P 2 绕组的始端之间互差60 电流变化一周 磁极旋转半个周期 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 P 2 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 定子绕组采取不同的接法 可获得3对 6极 4对 8极 5对 10极 等不同极对数的旋转磁场 同步转速 n1 1 电流频率 p 旋转磁场极对数 例如 对于50Hz的工频电 f1 50r min若P 1 则转速n1 60f1 60 50 3000r min若P 2 则转速n1 60f1 2 60 50 2 1500r min f1 50Hz时的同步转速 极对数越多旋转越慢 二 转子的转动 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 定子绕组 转子绕组 分析转子中两根导线 空隙 定子电流产生的磁场以同步转速n1按顺时针方向旋转 相当于静止的转子逆时针方向切割磁力线 产生感应电动势和感应电流 转子电流I2 通有电流I2的转子导体与定子磁场相互作用 转子导体受到电磁力F的作用 F对转轴形成电磁转矩T 转子转速n顺着旋转磁场的方向转动 转子转动方向与旋转磁场的方向一致 大小不一 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 I2 由右手定则判断感应电流I2方向 由左手定则判断电磁力F的方向 转子的转速n n n1 永远不可能达到n n1 因为 若n n1 则磁力线不能切割转子导体 则转子电动势 转子电流及电磁力矩不存在 转子不能继续以n1转动 因此 称为 异步 电动机 转子电流是由电磁感应产生 所以又称 感应 电动机 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 三 转差率 转速差 同步转速n1与转子转速n之差 转差率 转速差与同步转速的比值 用s表示 s是分析异步电动机运行情况的一个重要参数 1 启动时 n 0 s 1 转差率最大 2 稳定运行时 n接近n1 s很小 3 额定运行时 s约为0 01 0 08 5 若n n1 则s 0 称为理想空载状态 实际运行中不存在 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 4 空载时 s约为0 005以下 四 电动势和电流 电动机定子电路中的电动势 电流和转子电路中的电动势 电流与变压器类似 电动机 变压器 定子电路与转子电路由磁路连接 一次绕组与二次绕组由磁路连接 第一节三相异步电动机和结构和工作原理 第二节三相异步电动机的特性 一 转矩特性 二 机械特性 三 运行特性 一 转矩特性 异步电动机的电磁转矩由定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组的感应电流相互作用而产生 第二节三相异步电动机的特性 转子电流 旋转磁场每极磁通 与电动机结构有关的常数 磁场越强 转子电流越大 电磁转矩越大 则电磁转矩的另一个表达式 K 比例常数 s 转差率 U1 加在定子每相绕组上的电压 X20 转子静止时每相绕组的感抗 一般为常数 R2 每相转子绕组的电阻 U1和R2是影响电动机机械特性的两个重要因素 可人为改变其参数 第二节三相异步电动机的特性 转矩特性曲线T f s 表示电源电压U1和转子电阻R2一定时 电磁转矩T与转差率s的关系 转矩特性曲线 1 s 0 即n n1时 T 0 理想空载运行 第二节三相异步电动机的特性 临界转矩 临界转差率 2 0 s sm T随s增大而增大 I2增加快 cos减小慢 3 s sm T随s增大而减小 I2增加慢 cos减小快 二 机械特性 机械特性曲线n f T 表示电源电压一定时 转速n与电磁转矩T的关系 额定转矩 起动转矩 最大转矩 第二节三相异步电动机的特性 转矩特性曲线 机械特性曲线 重点掌握机械特性曲线上的两个区域和三个重要转矩 两个区域 稳定区 不稳定区 三个转矩 额定转矩TN 最大转矩Tm 起动转矩Tst 第二节三相异步电动机的特性 一 稳定区和不稳定区 以最大转矩Tm为界划分 1 工作于稳定区 电磁转矩与负载转矩平衡T TL Ta 电动机以转速na匀速运行于a点 若TL由Ta增大到Tb T TL n T TL 稳定运行于b点 硬特性 负载变化时 转速变化不大 运行特性好 T 第二节三相异步电动机的特性 不稳定区 稳定区 2 工作于不稳定区 TL n T n 停转 堵转 TL n T 进入稳定区 缺点 电动机工作于不稳定区 电磁转矩不能自动适应负载转矩变化 不能稳定运行 第二节三相异步电动机的特性 不稳定区 二 三个重要转矩 1 额定转矩TN 施加额定电压 以额定转速运行 输出额定功率时 轴上输出的转矩 由转轴功率P T 得 单位 rad s PN kWn r min TN N m 电动机应工作于额定工作点 允许短期过载运行 第二节三相异步电动机的特性 额定工作点 2 最大转矩Tm 电动机能够提供的极限转矩 转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tm 否则将造成堵转 停车 堵转时电流一般为额定电流的4 7倍 时间过长 可能会将电机烧毁 因此应避免堵转 允许电机瞬间过载能力的参数 一般三相异步电动机的过载系数为 1 8 2 2 第二节三相异步电动机的特性 最大转矩 3 起动转矩Tst 接通电源起动瞬间n 0 s 1时的转矩 Tst TL 电动机不能起动 与堵转情况相同 应立即切断电源 Tst TL 电动机的工作点沿机械特性曲线从底部很快进入稳定区 表示起动能力的参数 一般三相笼型异步电动机 st 0 8 2 2 绕线型电动机可显著提高起动能力 第二节三相异步电动机的特性 起动转矩 三 影响机械特性的两个重要因素U1和R2 1 R2一定 同一转速n s T与U1的平方成正比 电磁转矩公式 75 UN 50 UN U1 机械特性左移 最大转矩和起动转矩下降 第二节三相异步电动机的特性 UN 2 U1一定 转子电路R2对机械特性的影响 R2 则Tst 但Tm不变 有可能达到Tst Tm R2 R2 R2 R2 斜率增大 电动机的机械特性变软 第二节三相异步电动机的特性 绕线型异步电动机可以采用加大转子电路电阻的办法来增大起动转矩 第三节三相异步电动机的铭牌数据 每台电动机外壳上都有一块铭牌 上面记录着这台电动机的基本数据 如 第三节三相异步电动机的铭牌数据 一 铭牌数据的含义 一 型号 磁极数 极对数p 2 Y160L 4 机座长度代号 L 长 M 中 S 短 机座中心高 160mm 笼型 三相异步电动机 第三节三相异步电动机的铭牌数据 YR绕线型 二 电压 有的电动机铭牌标有两种电压值 电动机定子绕组上应加的线电压有效值 Y系列三相异步电动机的额定电压统一为380V 三 频率 所用交流电的频率 我国电力系统规定为50Hz 第三节三相异步电动机的铭牌数据 例 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 五 电流 例 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 电动机在额定运行时定子绕组的线电流有效值 即额定电流 四 功率 电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2 又称额定容量 它不等于从电源吸取的电功率P1 第三节三相异步电动机的铭牌数据 铭牌标有两种电压的电动机相应标有两种电流 六 接法 额定电压下 三相定子绕组的联接方法 通常 第三节三相异步电动机的铭牌数据 七 工作方式 S1 连续工作 如水泵 机床等 S2 短时工作 工作时间短 停车时间长 如水坝闸门启闭 机床中尾架等 S3 断续工作 电动机运行与停车交替 如吊车 起重机等 八 绝缘等级 电机绝缘材料能够承受的极限温度等级 分为A E B F H C几个等级 第三节三相异步电动机的铭牌数据 九 温升 允许电动机绕组温度高出周围环境温度的最大温差 例 铭牌标的温升75oC 环境温度40oC 允许的最高温度40oC 75oC 115oC 在选用电动机时 除了了解铭牌数据外 还要了解其它一些数据 可从产品手册和电工手册中查到 第三节三相异步电动机的铭牌数据 第四节三相异步电动机的使用 一 起动 二 调速 三 制动 一 起动 起动问题 为额定电流的4 7倍 起动转矩小 起动电流大 转子感 第四节三相异步电动机的使用 n 0 s 1 转子导体切割磁力线速度很大 已知T KT I2cos 由于功率因数很低 所以起动转矩很低 起动系数约为0 8 2 把电动机定子绕组与电源接通 使转子由静止加速到以一定转速稳定运行 后果 要采取措施减小起动电流 增大起动转矩 第四节三相异步电动机的使用 起动方法 直接起动 降压起动 自耦降压起动 Y 换接起动 软起动 绕线型电动机的起动 一 直接起动 将额定电压直接加到定子绕组上使电动机起动 优点 设备简单 操作方便 起动过程短 但需电网容量允许 1 查阅电力部门的规定 判断一台电动机是否可以直接起动 2 满足经验公式 容量小于4kW的三相异步电动机可直接起动 第四节三相异步电动机的使用 熔断器 二 降压起动 在起动时 适当降低定子绕组上的电压 待稳定运行时 再将电压恢复到额定值 目前常用的3种降压起动方法 1 Y 换接起动 稳定 Q扳到运行位置 电动机正常运行 第四节三相异步电动机的使用 起动 闭合电源开关QS Q扳到起动位置 Y 所加电压为额定值的 可见 换接起动时的电流为直接起动时的1 3 由于T U2 所以起动转矩为直接起动的1 3 设 电机每相阻抗为 Y 换接起动的优缺点 优点 设备简单 工作可靠 缺点 只适用于正常工作时 联结的电动机 容量在4kW以上的三相异步电动机均设计成 接法 第四节三相异步电动机的使用 2 自耦降压起动 用自耦变压器起动 自耦变压器接成Y型 起动 Q扳到起动位置 电源通过变压器接到定子绕组 稳定 Q扳到运行位置 定子绕组直接与电源相联 定子电压降为直接起动的1 K 起动转矩降为直接起动的1 K2 K为变压比 优点 起动电压可根据需要选择 缺点 只适合于功率较大和不能采用Y 起动的场合 第四节三相异步电动机的使用 起动补偿器 3 软起动 通过软起动器使电压从某一较低值逐渐上升至额定值 起动后再用KM使电动机正常运行 电磁开关 软起动器 一种晶闸管调压装置 优点 上升时间可调 电磁转矩变化平稳 具有节能和保护功能 广泛应用于水泵 压缩机 传送带等设备中 第四节三相异步电动机的使用 不同起动方法比较 第四节三相异步电动机的使用 软起动 斜坡曲线和上升时间可调 电磁转矩变化平稳 还具有节能和保护功能 三 绕线型电动机的起动 起动 将起动变阻器调最大 接通电源后 随着转子转速升高逐渐减小电阻 第四节三相异步电动机的使用 稳定 转速接近额定值时 把变阻器短接 电动机进入正常运行 转子绕组 定子绕组 电刷滑环 起动电阻 方法一 转子加电阻的方法 起动时 在转子电路中增加电阻 转子电流I2 定子电流I1 R2 R 2 R2 R2 Tst 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 常用于起动频繁 要求起动转矩较大的生产机械上 第四节三相异步电动机的使用 第四节三相异步电动机的使用 方法二 采用频敏变阻器起动 频敏变阻器 频敏变阻器 用厚钢板做铁心的三相电抗器 当转子电流频率变化时 在铁心中产生涡流 铁心发热耗能 效果相当于电阻的作用 电阻和线圈本身电感随转子频率的降低而自动减小 起动后需切除频敏变阻器 二 调速 负载不变的情况下 人为地改变电动机转速 三种方法调速 改变磁极对数p 改变电源频率f1 改变转差率s 第四节三相异步电动机的使用 一 变极调速 P 2 改变定子绕组接线 可以改变极对数 从而改变转速 三相绕组中的U相绕组中的两个绕组串联 第四节三相异步电动机的使用 P 1 三相绕组中的U相绕组中的两个绕组并联 缺点 由于p只能成倍变化 因此不能实现平滑无极调速 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 优点 简单 经济 第四节三相异步电动机的使用 二 变频调速 改变电源频率 可以得到平滑的调速 变频调速 要保证T不变 需磁通量不变 因为 m U 4 44f N所以 需保证U f比值不变 专用变频设备 晶闸管变频器 优点 实现无级平滑调速 机械特性硬度基本不变 因而正获得越来越广泛的应用 第四节三相异步电动机的使用 交流 交流 直流 三 变转差率调速 转子电路中串入调速电阻 通常只用于线绕型电动机 设负载转矩TL 转子电路电阻为Ra 运行于a点 转速na 若TL不变 将Ra增大为Rb 工作点移至b点 转速nb 实现调速 优点 方法简单 调速平滑 缺点 能耗较大 使机械特性变软 第四节三相异步电动机的使用 Ra Ra Rb 三 制动 采取措施使电动机迅速停机 制动方法 机械制动 利用电磁抱闸实现 电气制动 利用反向电磁转矩 能耗制动反接制动 机械制动 起动时 电磁抱闸线圈同时通电 电磁铁吸合 使抱闸打开 断电时 抱闸线圈同时断电 在弹簧作用下 抱闸把转子紧紧抱住 实现制动 第四节三相异步电动机的使用 一 能耗制动 切断电源后 把转子及拖动系统的动能转换为电能在转子电路中以热能形式迅速消耗掉的制动方法 第四节三相异步电动机的使用 停机时 QS从 运行 合向 制动 V W绕组通直流电 可判定转子电流与固定磁场相互作用产生的电磁转矩为逆时针 称制动转矩 电动机停转后 制动转矩消失 第四节三相异步电动机的使用 优点 制动平稳 消耗电能少 缺点 需直流电 二 反接制动 改变电动机三相电流的相序 使电动机的旋转磁场反转的方法 第四节三相异步电动机的使用 优点 简单 停机迅速 缺点 机械冲击和耗能大 接电源3根导线对调2根 转速接近零时切断电源 异步电动机 小结 三相异步电动机 结构 定