第5章 交流电动机的工作原理及特性.doc

第5章 交流电动机的工原理及特性教学内容5.1 三相异步电动机的结构和工作原理5.2 三相异步电动机的定子和转子电路5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性5.4 三相异步电动机的启动5.5 三相异步电动机的调速5.6 三相异步电动机的制动5.7 单相异步电动机5.8 同步电动机的工作原理、特点及应用教学安排本章安排10个学时授课，三相异步电动机的结构和工作原理和三相异步电动机的定子和转子电路2个学时，三相异步电动机的转矩与机械特性2个学时，三相异步电动机的启动2个学时，三相异步电动机的调速和三相异步电动机的制动2个学时，单相异步电动机和同步电动机的工作原理、特点及应用2个学时。采用多媒体授课。知识点及其基本要求1 了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；2 掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速和制动的方法，学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；3 掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理；4 了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法；5 掌握各种异步电动机和同步电动机的使用场所。重点和难点 重点：1 掌握异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；2 对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；3 掌握异步电动机直接启动和 Y-降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；4 掌握异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。难点：本章在分析问题时较难理解的是定子旋转磁场与转子运动的相对性和电动机的制动过程。教学设计*第1次课*1展示三相交流异步电动机的定子和转子相关图片，从感性认识上区分鼠笼式转子和线绕式转子。三相异步电动机主要由定子和转子组成，之间由气隙隔开。定子由铁心、绕组和机座三部分组成。它由0.5mm的硅钢片叠加而成，片与片之间绝缘。三相对称绕组AX、BY、CZ可接成星形或三角形。转子由铁心、绕组和转轴组成。也是由硅钢片叠加而成。异步电动机的转子有两种形式：鼠笼式和线绕式。线绕式转子绕组与定子绕组一样也是三相对称绕组，由线圈组成。转子绕组一般接成星形。转子绕组组成的磁极对数与定子相同。（1）定子和转子硅钢冲片的结构（2）鼠笼转子结构（3）绕线转子结构2先介绍异步电动机的工作原理和工作过程，引出旋转磁场的概念；然后详细介绍旋转磁场的产生、旋转磁场的方向、旋转磁场的速度，以及磁极对数的含义。（1）工作原理 N-S主磁场以n0顺时针旋转 TM产生条件：是n0和n相对运动 转子的旋转速度n恒比旋转磁场的速度n0(同步转速)小。转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。我们称这种电动机为异步电动机。由于转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象，因此异步电动机又称为感应电动机。 转差率: （n0同步转速 n转子转速） 异步电动机带额定负载时，n接近n0，S很小，约为0.0150.06。 （2）旋转磁场的产生如图定子绕组通三相交流电的情况（星形连接）。 相序为ABC下图是iA，iB，iC随时间变化的曲线。主磁场N-S顺时针旋转180度（旋转磁场n0在一对极p=1时）图5.8 三相电流的波形图图5.9 两极旋转磁场结论：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，从而产生旋转磁场。（3）旋转磁场的旋转方向旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。旋转磁场从电流相序在前的绕组转向电流相序在后的绕组。如果要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。AABC 电流AABC 定子绕组（顺时旋转）ABC 电流ACB 定子绕组（逆时旋转）（4）旋转磁场的极对数与旋转速度定子绕组中每相绕组只有一个线圈，彼此在空间互差120，那么产生的旋转磁场只有一对磁极，即P=1。而且，电流变化一个周期T（2），旋转磁场在空间上也旋转一圈。设电流频率为f，则旋转磁场的速度为 （r/min）下图是产生两对磁极的旋转磁场，P=2。定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），每相绕组的首端与首端，末端与末端均在空间相差60，每个线圈的两边分布在空间相隔90。其中每相绕组由两个部分串联组成。由上图可以看出， ，磁场转了90度。由此可以得出结论：旋转磁场的旋转速度n0与电流的频率成正比，而与磁极对数P成反比。 即则电动机的速度：当（5）定子绕组线端连接方式电动机铭牌上若有：额定电压380/220V，接法为Y/，它表明定子每相绕组电压为220V。如果线电压为380V，应接成Y形，如果线电压为220应接成形。 若标明：额定电压380V，接法。它表明定子绕组每相电压为380V，适用于电源线电压为380V的场合。定子绕组的连接方法的选择必须根据电源的线电压而定。如果 ，应接成，若 ，接成Y形。例1：如果电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的接线方式。1.Y90S-4,功率1.1Kw,电压220/380V,连接方法/Y,电流4.67/2.7A,转速1400r/min,功率因数0.79。2.Y112M-4,功率4.0Kw,电压380V/660V,连接方法/Y,电流8.8/5.1A,转速1440r/min,功率因数0.82。解：Y90S-4电动机应接成Y形。 Y112M-4电动机应接成形。补充内容：电动机编号的含义 3通过分析三相异步电动机的定子电路和转子电路并计算，引出电动机的几个重要的物理量，为推导三相异步电动机的机械特性公式作准备。（1）定子电路分析三相异步电动机的电磁关系同变压器，定子绕组相当于原绕组，转子绕组相当于副绕组。匝数分别为N1和N2。定子每相绕组的感应电势：有效值为忽略漏磁有（2）转子电路分析 转子感应电势有效值为: 当额定转速下：转子感应电流有效值为E20转子未转动感应电势X2-转子每相绕组漏磁感抗转子电路功率因素为(I2迟后E2一个2角)I2和COS2与转差率S的关系如下图所示*第2次课*1.了解电动机铭牌上数据的含义和电动机能流图，学习用铭牌上的数据完成部分计算。（1）三相异步电动机的额定值电动机铭牌上的额定数据：n 型号n 额定功率PN (输出的机械功率)n 额定电压 UN (220/380V /Y)n 额定频率f (50HZ)n 额定电流IN (10.35/5.9A /Y)n 额定转速nN (额定转差率SN)n 工作方式 (定额)n 温升(或绝缘等级)n 电动机重量电动机铭牌上不标的额定数据：n 额定功率因数cosNn 额定效率Nn 额定转矩TN n 线绕式异步电动机转子静止时滑环电压和转子额定电流 通常手册上给出的数据就是额定值。例5-1有一台三相四极的异步电动机， Y连接，其额定技术数据为PN=90kW，UN=380V，IN=229A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=285，定子每相绕组匝N1=320，转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通0.023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1：(2)转子每相绕组开路电压E20： (3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N。解：(1)E1=4.44f1N1 =4.445O3200.0231634V (2)转子绕组开路时，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压) E20=4.44f2N2 =4.44f1N2 =4.4450200.023=102V(3)求 E2N f2=SNf10.028550Hz=1.43Hz E2N=4.44f2N2 =4.441.43200.023=2.9V例5-2 有一台三相四极的异步电动机，其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02，X20=0.08 ，电源频率f1=50Hz，E20=20V，试求：(l)电动机的同步转速n0；(2)电动机启动时的转子电流I2st；(3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N；(4)电动机在额定转速时的转子电流 I2N。解：(1) n0=60f1/P=6050/2=1500r/min(2)(3) SN=(n0-nN) /n0=(1500-1440) /1500=0.04 f2N=SNf10.0450Hz=2Hz(4) （2）三相异步电动机的能流图电动机的效率：电动机的输出功率：T-电动机的电磁转矩T2-电动机的输出转矩2.推导三相异步电动机机械特性方程式，了解三相异步电动机机械特性曲线的特点（4个特殊点）。（1）三相异步电动机的转距 直流电动机的转矩 三相异步电动机的转距 Kt-直流电动机的转矩常数 将I2和COS2代入5.25式,得到三相异步电动机的机械特性方程式为:K-三相异步电动机的转矩常数。U,U1-定子绕组相电压，电源电压；R2-转子每相绕组的电阻；X20-n=0时转子每相绕组的感抗；(2) 三相异步电动机的转距特性（3）三相异步电动机的机械特性固有机械特性：异步电机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性。固有机械特性的特点：理想空载转速（0，n0）额定工作点（TN，nN）TN=9.55PN/nNSN=(n0-nN)/n0 (0.060.015)nN=(0.940.985)n0启动工作点Tst(n=0,s=1) 启动能力系数：衡量异步电动机启动能力。st=Tst/TN st=1.01.2临界工作点(T=Tmax,s=sm) dT/ds=0 sm=R2/X20 Tmax=KU2/(X20) 过载能力系数：衡量异步电动机承受冲击负载的能力大小。m=Tmax/TN m=2.02.2转矩-转差率实用公式：T/Tmax代入 sm=R2/X20 化简得 *第3次课* 1.了解三相异步电动机改变电源电压、定子电路串电阻、改变电源频率和转子电路串电阻时的人为特性的特点。 人为特性：改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗所得到的机械特性。（1）降低电源电压的人为特性电压降低后特性变化的特点：n0、 Sm不变；Tmax大大减小，对U敏感；U降低太多，会使过载能力和启动能力大大降低。机械特性变软；TL不变之下，U，n，S，I，电机发热甚至烧坏。例：在额定负载TN下，m=2，若电压降至70%UN，电动机因拖不动负载停转。（2）定子串电阻或电抗时的人为特性（定子外串电阻或电抗，致使定子绕组相电压降低。）定子串电阻或电抗后特性变化的特点：n0、 Sm不变；Tmax减小较小（同降压引起Tmax下降相比）；机械特性变软。（3）改变电源频率时的人为特性巧玲珑 改变电源频率后特性变化的特点：n0，Sm，Tmax不变，Tst机械硬度不变；（4）转子电路串入电阻（线绕式电动机）时的人为特性:转子电路串入电阻特性变化的特点：n0，TMAX不变， Sm增大机械特性变软。2了解三相异步电动机的启动要求和各种启动方式的特点及应用场合。（1）三相异步电动机的启动要求： 启动转矩要足够大。 满足启动转矩要求下，启动电流越小越好。 要求启动平滑，减少对生产机械的冲击。 启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。 启动过程中的功率损耗越小越好。直接启动条件： 独立变压器、启动频繁：PN变压器容量的20% 独立变压器、启动不频繁：PN变压器容量的30% 没有独立变压器、启动比较频繁：（2）鼠笼式异步电动机的启动方法直接启动（全压启动）例5.2 有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN=20KW，IST/IN=6.5，如果供电变压器的容量是560KVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的IST/IN比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？解：（1）（2）缺点： TST与U成平方关系下降，只适合于轻载或空载启动； 机械特性变软； 不经济，能量消耗大，不适合经常启动； 若用电抗器，费用大，体积大。 串电阻、电抗降压启动Y-降压启动IstY=Ist/3TstY=Tst/3优点:简单、经济、电流小。缺点: 启动转矩小，只适合于轻载或空载； 只能应用在正常工作方式为三角形接线电机。自耦变压器降压启动优点:K可调（80%，65%，50%）缺点: 变压器体积大、价格高。 不能应用于经平繁启动电机。启动补偿器：通常把自耦变压器的输出端做成固定抽头，连同转换开关（KM、1KM、2KM）和保护用的继电器等组合成一个设备，称为启动补偿器。例5.3 有台拖动空气压缩机的鼠笼式异步电动机,PN=40KW,nN=1465r/min,启动电流IST=5.5IN,启动转矩TST=1.6TN,运行条件要求启动转矩必须大于(0.91.0)TN,电网允许电动机的启动电流不得超过3.5IN。试问应选用何种启动方法。解：故选择自耦变压器启动，降压比为0.8。 延边三角形启动优点:电流、启动转矩大（同Y-相比）。缺点:特殊要求的电机。（2）绕线式异步电动机的启动方法逐级切除启动电阻法优点：电流小、启动转矩大。缺点：电阻上的损耗大。频敏变阻器启动法n=0，S=1 f2=Sf1 R X I Tn=nN f2 R=X0相当于转子短路，启动完毕优点:电流小、结构简单、无需维修。启动转矩较大。适用于：对调速沒有要求、经常正反转、启动转矩要求不大冶金、化工设备上。缺点:不能用作调速电阻。3了解几种特殊鼠笼式异步电动机的特点和适用场合。 双鼠笼电动机启动时：（1）双鼠笼式电动机正常工作： （2）深槽电机 集肤效应：电流集中在导体上部（启动时） 100千瓦以上鼠笼电机课后练习：P89 5.11 5.14*第4次课*1.了解三相异步电动机调压调速、转子串电阻调速、改变极对数调速的特点和适用场合。由此可见，只要改变Tmax 、Sm、f、P就可改变速度。（1）调压调速 能无级调速； 转矩与按电压的平方比例减小； 恒转矩负载，调速范围不大。通风机型负载调速范围大。说明：定子电路串电阻和用晶闸管调压调速均属于此。（2）转子串电阻调速 有级调速； 特性变软； 低速时损耗大； 只适合于线绕式异步电动机； 启动电阻可兼做调速电阻。适用于：重复短期运转的机械。如起重设备上。（3）改变极对数调速改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不变。启动时宜低速启动。若定子装有两套绕组，可通过不同的连接获得双速、三速或四速等多速电机。YYY， 极对数减半，nYY=2nY，属于恒转矩调速。YY，极对数减半，nYY=2n，属于恒功率调速。多速电机虽然体积大、价格稍高，而且为有级调速，但因其结构简单、效率高、特性好，且调速时所需附加设备少，因此广泛用于中、小型机床上。（4）变频调速 适用于鼠笼式电动机 恒磁通变频调速（基频以下调速nnN） 恒磁通变频调速的条件是：恒磁通变频调速属于恒转矩调速。因。恒功率变频调速（基频以上调速）保持U1不变，因因为。则P=Tw基本不变，所以为恒功率调速。综合使用两种调速方法，可以实现大范围调速。因此，变频调速是一种很好的调速方法，被广泛使用。变频调速的特点： 无论调高调低，n不变，斜率基本不变，机械特性硬； 只要f1连续变化，n也连续变化，调速平滑，调速范围大，运行效率高。 基频以下调速属于恒转矩调速，基频以上调速属于恒功率调速。2了解三相异步电动机的反馈制动、反接制动、能耗制动的特点和适用场合。（1）反馈制动n与T方向相反，进入制动状态。机械特性：电动状态向第二象限的延伸。起重机下放重物时的反馈制动机械特性：反转电动状态向第四象限的延伸。通过串接不同大小的电阻可以获得不同的下放速度，为了不致于因转速太高造成事故，附加电阻不宜太大。变极或变频调速时反馈制动：极对数突然增多电源频率突然降低使nn0（2）电源反接制动（定子两相反接）n0方向改变使n反向，abc断电因此串电阻以限流，鼠笼式定子串电阻，线绕式转子串电阻。串电阻后应为ade特点：制动强烈、冲击大、能耗大适用于：需迅速停车与反向的生产机械。（3）倒拉反接制动（位能性负载时，转子电路中串入较大电阻）提升工作在a点abcd点。机械特性：由第一象限向第四象限的延伸。 稳定运转的制动状态 串接不同的电阻可以获得不同的下放速度。（4）能耗制动 （将定子绕组从三相交流电源上断开，立即接入一低压直流电源。） 当n=0时，T=0，准确停车。特点：u 制动效果不如反接制动强度大；u 制动平稳；u 能够准确停车；u 需直流设备。应用于准确停车和下放重物设备上。课后练习：P89 5.15 5.18*第5次课*1.了解单相异步电动机的工作原理和启动方法。单相异步电动机是一种容量从几瓦到几百瓦,由单相交流电源供电的旋转电机。广泛用于电风扇、洗衣机、电冰箱、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。（1）单相异步电动机的脉动磁场单相绕