电工电子技术-7.ppt

第七章电动机 第一节三相异步电动机的基本结构第二节三相异步电动机的工作原理第三节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性第四节三相异步电动机的使用第五节三相异步电动机的铭牌和技术数据 第一节三相异步电动机的转动原理和基本构造 转动原理基本构造 返回 返回 电动机 直流电动机 交流电动机 交流电动机 同步电动机 异步电动机 异步电动机 按交流电的相数 三相异步电动机 单相相异步电动机 按结构 绕线式异步电动机 鼠笼式异步电动机 返回 一 转动原理 n1 0 磁场静止 转子不能感应电流 导体静止 n1 0 磁场顺时针旋转 异步电动机要转动起来 要有旋转的磁场 同时转子电路必须闭合 改变磁场旋转方向可使电动机反转 转子产生感应电流 在磁场的作用下产生电磁转矩 使转子转动起来 方向与磁场方向一致 返回 二 基本构造 异步电动机由定子和转子两部分组成 1 定子 定子是异步电动机固定不动的部分 由机座 定子铁心 定子三相绕组组成 定子铁心安装在机座内 由硅钢片叠成 定子三相绕组嵌在定子铁心的槽内 三相绕组的始端和末端分别接到电动机出线盒的接线柱上 这样可以根据需要将三相绕组 接或 接 使电动机使用于两种不同的工作电压 返回 定子接线端的连接 U1 V1 W1 W2 U2 V2 WUV XYZ 接 接 2 转子 转子是异步电动机旋转的部分 由转子铁心 转子绕组组成 转子绕组可分为鼠笼式和绕组式两种 转子铁心仍由硅钢片叠成 鼠笼式结构简单 它是在转子铁心的槽内穿入金属导体 两端装上铜环将所有的金属导体短接 自成闭合路径 绕组式与定子绕组相同 但三相绕组都是 接 三个出线端通过电动机轴上的铜环与电刷引到电动机的外部 返回 返回 第二节三相异步电动机的工作原理 旋转磁场转动原理转差率 返回 一 旋转磁场 1 旋转磁场的产生 定子三相绕组对称 且空间上互差120 接成 形 返回 iU Imsin tiV Imsin t 120 iW Imsin t 240 对称三相电流 波形如图 规定电流正方向由始端向末端 实际流入时用 表示 实际流出时用 表示 返回 0 NS 对称三相绕组 送入对称三相电流 一定产生旋转磁场 返回 2 旋转磁场的转向 旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致 电流的相序 U V W 电流的相序 V U W 改变电流相序 即任意对调电源的两根火线 可改变旋转磁场的方向 使电动机反转 返回 3 旋转磁场的转速 定子每相一个线圈 旋转磁场为二极 旋转磁场的磁极对数P 1电流变化一周 磁场也旋转一周 磁场的转速n1 60f1 r min 定子每相二个线圈 旋转磁场为四极 旋转磁场的磁极对数P 2电流变化一周 磁场也旋转0 5周 磁场的转速n1 60f1 2 r min 返回 改变定子绕组的接线方式 可以改变异步电动机的极数 旋转磁场的转速n1与电动机的极数P成反比 与交流电的频率f成正比 二 转动原理 对称三相电源 定子对称三相绕组 旋转磁场 转子旋转 n1 n 返回 三 转差率 异步电动机的转动原理是建立在电磁感应的基础上的 所以电动机的转速n与旋转磁场的转速n1 又叫做同步转速 不能相等 即n n1 其相差的程度用转差率s来表示 转差率s是异步电动机重要的参数之一 s 0 02 0 06异步电动机刚起动的瞬间 n 0 s 1 返回 例 某三相异步电动机额定转速nN 980r min 接在f1 50Hz的电源上运行 试求在额定状态下 定子旋转磁场速度n1 磁极对数P 额定转差率s 解 一般额定转差率为0 02 0 06 n n1 返回 第三节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 转矩平衡自然机械特性人工机械特性 返回 一 转矩平衡关系 三相异步电动机在拖动生产机械工作时 旋转磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为电磁转矩T 它是一个驱动转矩 作用在电动机轴上的各种机械转矩称为负载转矩TL 它是一个阻碍转矩 当电动机稳定运行时 驱动转矩等于阻碍转矩 即 T TL 转矩平衡方程 若TTL电动机加速 返回 三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的 因此电磁转矩与旋转磁场的每级主磁通 转子电流I2有关 即 T I2转子电流I2由转子电动势E2产生 2 2之间的相位差角为 2 cos 2是转子功率因数 所以 电磁转矩T与 和转子电流I2的有功分量I2cos 2成正比 即 T KT mI2cos 2KT是决定于电动机的常数 二 自然机械特性 返回 当K U1 R2 X20 一定的条件下 把T f s 曲线称为转矩特性曲线 如图 s较小 0 s sm s T s较大 sm s 1 s T 将Tmax对应的sm称为临界转差率 1 转矩特性 2 机械特性 返回 n f T 机械特性曲线可由转矩特性曲线得来 n nm AB段 为稳定工作区 s较小 具有硬特性 即电动机具有自动适应负载能力 TL T TL n s T T TL 0 n nm BC段 为不稳定工作区 返回 异步电动机T n曲线上对应着三个特定转矩 额定转矩TN 在额定电压下 当电动机的输出功率等于额定功率PN时的转矩称为额定转矩 对应的转速称为额定转速nN 最大转矩Tmax 电动机转矩的最大值 KW r min N m 当负载转矩TL Tmax时 电动机将发生闷车停转 定子电流急剧升高 电动机过热导致烧毁 称最大转矩与额定转矩的比值 为过载系数 返回 一般 过载系数 m为1 8 2 2 m也表示短时允许过载能力 起动转矩Tst 电动机刚起动n 0 s 1时的转矩 由s 1可得 Tst U12Tst与R2有关当U1减小时 Tst减小 当R2适当增大时 Tst会增大 返回 起动能力 S 一般Tst 1 2 2 TN 只有当TL Tst时电动机才能起动 否则会发生 堵转 此时电流I1I2都很大 起动时 s 1 n 0 起动时 I2很大 n s I2 返回 TST U2U TST U TMAX R2 TST R2 TMAX不变 三 人工机械特性 返回 例 一台异步电动机 额定转矩TN 65 9N m 额定转速nN 1450r min 起动能力为1 4 过载系数为2 0 求Tmax Tst PN 解 S Tst 1 4 65 9 92 9N m 第四节三相异步电动机的使用 起动反转制动调速 返回 返回 一 起动 三相异步电动机接通电源后从静止状态过渡到稳定运转状态的过程叫起动 1 起动性能要求 有足够大的起动转矩 否则电动机不能起动Tst TL满足起动转矩的前提下 起动电流Ist越小越好 一般Ist 5 7 IN 由于起动时间短 电机不会因发热而烧毁 但过大的电流会造成电网电压降落增大 影响其它设备正常工作 返回 2 起动方法 全压起动 直接起动 全压起动简单 经济 但Ist较大 适用于PN 10KW的中小型电动机 或者电动机功率小于变压器容量的20 同时电网电压下降不超过5 降压起动降压起动即起动时降低加在定子绕组上的电压 当电动机转速接近额定值时 再将定子绕组上的电压恢复到额定值 由于加到定子绕组上的电压U1下降 所以起动电流下降 同时起动转矩也下降 因此降压起动适用于轻载或空载起动 返回 常用的降压起动方法 换接起动 这种方法只适用于正常运转时 形连接的电动机 当S2接起动端时 定子三相绕组 接 起动电流 线电流 Ist UP z 当S2接运行端时 定子三相绕组 接 起动电流 线电流 Ist Ist Ist 1 3 接起动电流是 接起动电流的三倍 利用 换接起动时 电源供给电流可下降三倍 又因为 所以 Tst Tst 1 3 接起动定子绕组相电压是 接起动的倍 利用 换接起动时 起动转矩下降三倍 返回 例 一台三相异步电动机 额定功率为30KW 额定转速为1470r min 连接 在额定负载下运行线电流为57 5A Tst TN 1 2 Ist IN 7 试求 1 用 换接起动时的起动转矩和起动电流 2 当负载转矩为额定转矩的60 和25 时 用 换接起动是否可以 起动电流Ist 7IN 7 57 5A 402 5A 换接起动时 Tst Tst 3 1 2 194 9 3 77 96N m Ist Ist 3 402 5 3 134 17A TN 9550 30 1470 194 9N m TL 0 6TN 0 6 194 9 116 94N mTL Tst 不可以TL 0 25TN 0 25 194 9 48 725N mTL Tst 可以 解 返回 自耦变压器降压起动 这种方法适用于容量较大或不能采用 起动的三相鼠笼式异步电动机 降压起动 全压运行 S2接起动端时 定子三相绕组接至自耦变压器的副边 电压低于电源电压 S2接运行端时 定子三相绕组接至电源电压 返回 自耦变压器 U1 U2 K 1 降压起动电流Ist U2 z Ist K 直接起动电流Ist U1 z 降压起动从电网吸收的电流IstT Ist K Ist K2 TstT Tst K2 自耦变压器降压起动的起动电流与起动转矩都是直接起动的1 K2倍 返回 定子电路串电阻降压起动 起动时定子串联电阻 当电动机的转速接近额定转速时 再将串入电阻去除 此种方法的缺点是起动时电阻上消耗较大的功率 这种方法适用正常运行的 或 连接的三相异步电动机 绕线式异步电动机的起动 绕线式异步电动机的起动常用转子串电阻或串频敏变阻器两种方法 转子串电阻起动是在转子电路中串入电阻Rst 起动后 随着转速上升逐渐减小Rst 最终将Rst全部短路 返回 起动瞬间n 0 s 1 R2 I2 Ist R2 Tst 绕线式异步电动机的转子串电阻起动 不仅限制起动电流 同时增大起动转矩 因此 绕线式异步电动机比鼠笼式异步电动机的起动性能好 返回 二 调速 返回 异步电动机的转速为 改变磁极对数P 电源频率f1和转差率s都可调速 返回 1 变极对数调速 极对数的改变 可以通过改变定子统组的接法来实现 变极对数调速是有级调速 可制成专用多速电机 这种方式只适用于鼠笼式异步电动机 2 变频调速 这种调速方法不仅适用于鼠笼式电动机 同样适用于绕线式电动机 采用专用的调速变频电源 可实现对电动机的无级调速 返回 3 变转差率调速 在负载转矩一定的情况下 在绕线式异步电动机的转子电路中串入不同的附加电阻以改变转差率s 实现调速 这种调速方法使机械特性变软 稳定性差 电阻耗能大 但可连续平滑调速 用于起重冶金设备 三 反转 三相异步电动机的转向决定于旋转磁场的转向 而旋转磁场的转向又与通入三相定子绕组的电流相序有关 因此 改变相序即可改变转向 只要将三相定子绕组接电源的三根线中任意两根对调即可 四 制动 用强制的方法迫使电动机迅速停车就叫制动 返回 1 能耗制动 当电动机脱离三相电源后 将S2接通直流电源 则在电动机内会产生一个恒定的不旋转的磁场 转子由于机械惯性继续旋转 因而转子导体切割磁力线 产生感应电动势和电流 载有电流的导体在恒定磁场的作用下 受到制动力FT 产生制动转矩Tz 使转子迅速停车 返回 由于这种方法是用消耗转子的动能 转换成电能 来进行制动的 所以称为能耗制动 这种方法准确 平稳 能耗小 但需直流电源 一般直流电流可调节为额定电流的0 5 1倍 2 反接制动 反接制动就是通过任意对调三相定子绕组的两相电源来实现的 任意对调两相电源后 旋转磁场反向旋转 速度n1 电磁转矩也反向而起制动作用 返回 这种制动方法简单 快速 但制动时s 2 电流大 制动不准确 耗能大 冲击较强烈 易损坏机械零件 当n 0时 应立即断开电源 否则电动机将反转 应加制动电阻 四 调速 返回 异步电动机的转速为 改变磁极对数P 电源频率f1和转差率s都可调速 返回 第五节三相异步电动机的铭牌和技术数据 铭牌和额定值例题 返回 一 运行特性 电动机当电压U1 频率f1为定值时 将I1 f P2 cos 1 f P2 f P2 称为运行特性 工作特性 定子电流特性I1 f P2 P2 0 空载 I1 I10 空载电流 P2 I1 2 功率因数特性cos 1 f P2 P2 0 空载 cos 1很小P2 cos 1 但到一定数值后 又略有下降 3 效率特性 f P2 P2 P1P2 0 空载 0P2 但出现最大值后 又略有下降 返回 一 铭牌和额定值 每台电动机都有一个铭牌 安装在机座上 记载它的额定值 以便按规定的数值使用 电机厂 返回 1 型号 型号是电动机类型 规格的代号 由汉语拼音大写字母或英文字母加阿拉伯数字组成 按顺序包括名称代号 规格代号 Y112M 6 磁极数 机座长度代号 S M L 中心高 三相异步电动机 返回 2 额定电压UN 额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压 它与绕组接法有对应关系 系列异步电动机的额定电压都是380V 3kW以下的接成 形 而4kW以上的均接成 形 一般规定电源电压波动不应超过额定值的 5 3 额定电流IN 是指电动机在额定运行情况下定子绕组的线电流 4 额定功率PN与额定效率 N 电动机在额定运行情况下 轴上输出的机械功率称为额定功率 返回 额定效率是指额定功率与输入电功率之比 5 额定转速nN指电动机额定运行时的转速 它略低于同步转速n1 6 额定功率因数 N指在额定情况下 电动机定子电路的功率因数 N是定子绕组相电压与相电流之间的相位差 其值约为0 7 0 9 返回 7 绝缘等级它是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来分级的 8 工作制通常分为连续运行 短时运行和断续运行三种 分别用代号S1 S2 S3表示 9 防护等级它是指电机外壳防护型式的分级 异步电动机铭牌上通常还列出了Ist IN Tst TN Tmax TN 绕线式异步电动机铭牌上还标明转子额定电流和