第五章电动机.ppt

主讲 陈昌松电话Q 583014127 机电控制基础 1 第五章电动机 三相异步电动机因结构简单 运行可靠 维护方便 效率较高 价格低廉等优点而应用广泛 2 Y Y2系列三相异步电动机 3 洗衣机电机 吸油烟机电机 Z3050钻床 三相异步电动机 异步电动机的应用举例 单相异步电动机 4 一 三相异步电动机的基本结构 定子 产生旋转磁场 转子 感电流产生电磁转矩输出机械能 基本结构 5 三相鼠笼式异步电动机结构图 6 1 定子部分由定子铁芯 定子绕组 机座和端盖等组成 1 定子铁芯一般采用0 5mm厚且表面有绝缘层的硅钢片叠压而成 定子铁芯内圆冲有均匀分布的槽 用于嵌放三相定子绕组 形成磁路 定子铁芯的硅钢片 开口槽半开口槽半闭口槽 7 2 定子绕组定子绕组在铁芯槽内按一定的规律嵌放 小型异步电动机定子绕组一般采用高强度漆包圆铜线绕制 大中型异步电动机则用漆包扁铜线或玻璃丝包扁铜线绕制 其作用是产生定子旋转磁场 8 绕组三相对称 数量 规格一样 每相绕组轴线在空间互差120 9 3 机座和端盖机座只做为支撑 不做为磁路的一部分 10 2 转子部分 感应电流并产生电磁转矩 1 转子铁心结构 用0 5mm厚的硅钢片叠压而成 作用 构成主磁路 放置定子绕组 2 转轴转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件 3 转子绕组 笼型转子 绕线转子 11 异步电动机按结构分类 鼠笼式异步电动机结构简单 坚固 成本低 运行性能不如绕线式 绕线式异步电动机通过外串电阻改善电动机的启动 调速等性能 12 绕线转子 绕线转子绕组与定子绕组一样 是对称三相绕组 联结成Y后 其三根引出线分别接到轴上的三个集电环 再经电刷引出而与外部电路接通 13 绕线型三相异步电动机的转子 14 笼型转子 在转子铁心的每个槽内插入一根导体 在铁心的两端分别用两个导电端环把所有的导条联结起来 形成一个自行闭合的短路绕组 15 笼型异步电动机的转子 铜条转子 铸铝转子 16 转子铁芯是电动机主磁通磁路的一部分 一般由厚度为0 5mm的硅钢片冲片叠成 小型电机常用高强度漆包线绕制的散嵌线圈放入槽内 槽内绝缘通常用聚脂薄膜及青壳纸 17 转子绕组转子绕组用来切割定子旋转磁场 产生感应电动势和电流 并在旋转磁场的作用下受力而使转子旋转 按绕组的不同 异步电动机分为笼型转子和绕线式转子两类 18 19 三相异步电动机主要部件的拆分图 20 1 旋转磁场 1 旋转磁场的产生定子绕组中通以三相对称电流 iU Imsin tiV Imsin t 120 iW Imsin t 120 其定子绕组结构和电流波形如图3 27 图3 28所示 二 三相异步电动机的工作原理 21 一 旋转磁场的产生 磁场旋转示意图 22 一 旋转磁场的产生 t1时刻 t2时刻 23 一 旋转磁场的产生 t4时刻 t3时刻 24 一 旋转磁场的产生 t6时刻 t5时刻 25 一 旋转磁场的产生 结论 电流经过一个周期的变化时 磁场也沿着顺时针方向旋转一周 即在空间旋转的角度为360 26 极对数 p 的概念 二 旋转磁场的旋转速度 旋转磁场转速n1 同步转速如何改变旋转磁场的转速 以Y型接法为例 当每相绕组只有一个线圈时 按右图放入定子槽内 合成的旋转磁场只有一对磁极 则极对数为1 即p 1 上一页 下一页 返回 上一节 下一节 27 当磁极对数p 2时电流变化一周 旋转磁场转半圈 当磁极对数p 3时电流变化一周 旋转磁场转三分之一圈 磁极对数为p时 28 旋转方向 取决于三相电流的相序 三 旋转磁场的旋转方向 旋转磁场是沿着 U1 V1 W1 上一页 下一页 返回 上一节 下一节 i1 U1 i2 V1 i3 W1 29 顺时针方向旋转 怎样改变转子的转向 3 M3 3 M3 逆时针方向旋转 旋转方向 30 与三相绕组中的三相电流的相序 L1 L2 L3一致 通入超前电流的绕组 通入滞后电流的绕组 旋转磁场是沿着 U1 W1 V1 i1 U1 i2 W1 i3 V1 任意对调两根电源进线 磁场反转 上一页 下一页 返回 上一节 下一节 31 2 旋转磁场的速度旋转磁场的转速no称同步转速单位r min p称磁极对数 取决于三相绕组的布置 f1为定子电流的频率 当f1 50Hz时 no与p的关系见下表 3 旋转磁场的转向旋转磁场的旋转方向由三相绕组中电流到达最大值的顺序 即相序决定 实际应用中 常把电动机与电源相连的三相电源线调换任意两根 即可改变电动机的旋转磁场的转向 32 三相异步电动机的铭牌与技术数据 1 型号Y160M 4 磁极数 p 2 中机座 S 短 L 长 中心高 160mm Y系列异步电动机 YR 绕线式 YB 防爆式 YD 多速 2 接法指电动机在额定电压下 三相定子绕组的接法 Y或 33 3 额定频率fN电动机定子绕组所加电源频率 我国工业用交流电标准频率为50Hz 4 额定电压UN指电动机额定运行时加到定子绕组按接法加上的线电压有效值 Y系列UN 380V 5 额定电流IN指电动机在额定运行时 定子绕组线电流有效值 6 额定功率PN和效率 在fN UN IN时 电动机轴上输出的机械功率PN 是指PN与P1的比值 7 额定转速nN转速是指在fN UN PN时 电动机每分钟的转数 34 8 温升和绝缘等级电动机温度高出环境温度的容许值叫容许温升 绝缘等级是指绕组所用绝缘材料允许的最高温度等级 绝缘等级及其最高容许温度关系如下表 9 功率因数cos 定子相电压与相电流相位差的余弦 额定运行时为0 7 0 9 轻载或空载时仅0 2 0 3 10 工作方式 1 连续工作方式S1可按额定值长期连续运行 2 短时工作方式S2只允许规定时间内按PN运行 3 断续工作方式S3以间歇方式运行 35 四 三相异步电动机的起动 调速和制动 1 三相异步电动机的起动 1 直接起动将额定电压加在电动机定子绕组起动 2 降压起动起动时降低电动机定子绕组上的电压 待n升高到接近nN时 恢复到额定电压 转入正常运行 1 定子绕组串电阻起动2 Y 换接起动起动时把定子绕组接成星形 待n升高到接近nN时 换接成三角形进入正常运行 电路如图3 35所示 36 3 自耦降压起动起动时用三相自耦变压器来降低加在定子绕组上的电压 待n升高到接近nN时 换接成三角形进入正常运行 图3 36 2 三相异步电动机的调速 1 变极调速采用多速电动机改变定子绕组的接法 可以改变磁极对数 进行调速 不能实现无级调速 2 变频调速随着电力电子技术的迅速发展 可在大范围内平滑地改变电源频率f1 从而得到平滑的无极调速 3 变转差率调速在转子绕组中串入电阻或降压进行调速 37 3 三相异步电动机的制动常用反接制动和能耗制动 1 反接制动在电动机脱离电源后 把电动机与电源联接的三根导线中的任意两根对调一下 再接入电动机 使旋转磁场反转 它与转子惯性转动方向相反 产生制动转矩而迅速减速 如图3 38 当转速接近于零时 必须将三相电源切断 以免反转 38 2 能耗制动能耗制动如图3 39所示 在切断三相电源的同时给定子绕组通入直流电 在定子与转子之间形成一个固定磁场 由于转子仍按原方向转动 而切割固定磁场 产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩 使电动机迅速停转 停转后 转子与磁场相对静止 制动转矩随之消失 3 回馈制动 图3 339能耗制动 39 洗衣机电机 吸油烟机电机 第二节单相异步电动机 直流伺服电机 单相交流电机 40 单相异步电动机具有结构简单 成本低廉 噪声小等优点 因此广泛用于工业 农业 医疗和家用电器等方面一 单相异步电动机的工作原理单相正弦交流电通入单相定子绕组时 在空气隙中各点的B随交变电流变化按正弦规律变化 产生绕组轴线方向上静止的一个交变脉动磁场 如图3 40所示 可见 单相异步电动机中的磁场是一个静止的脉动磁场 41 脉动磁场可以分解为幅值相等 以同一同步转速no在相反方向旋转的两个旋转磁场 如图3 41所示 分别在转子中感应出大小相等 方向相反的电动势和电流 因此 产生的电磁转矩T1 T2也必然大小相等 方向相反 合成转矩T为零 即单相异步电动机没有起动转矩 它不能自行起动 只有首先在单相异步电动机内部建立一个旋转磁场 才能起动正常运行 42 电容分相式单相异步电动机该电动机的定子有两个绕组 主绕组MC和副绕组SC 它们在空间相隔90 当电容C选择适当时 使绕组SC的电流超前于绕组MC的电流接近90 这两个电流分别通入空间互差90 的绕组 就产生一个旋转磁场 于是转子就能起动起来 如图3 43a b b图是接通电源起动后 当转速接近nN时 借助离心开关使S断开 切断绕组SC 使单相电动机运行 43 3 电容运转单相异步电动机与电容启动单相异步电动机相比 仅将启动开关去掉 使启动绕组和电容器不仅启动时起作用 运行时也起作用 这样可以提高电动机的功率因数和效率 所以这种电动机的运行性能优于电容启动电动机 44 图为洗衣机电机正反转控制原理图 洗涤时要求能实现正反转 且两个转向性能要一致 故两个绕组应完全相同 可以互换 当S置 1 时 则MC作工作绕组 电容C与绕组SC串联 作起动绕组 电动机为正转 当S置 2 时 电动机断电停转 当S置 3 时 则SC作工作绕组 电容C与绕组MC串联 作起动绕组 电动机为反转 B作工作绕组 电容C与绕组A串联 电动机反转 45 1 串电抗器调速在电动机的电源线路中串联起分压作用的电抗器 通过调速开关选择电抗器绕组的匝数来调节电抗值 从而改变电动机两端的电压 达到调速的目的 如图5 14所示 串电抗器调速 其优点是结构简单 容易调整调速比 但消耗的材料多 调速器体积大 图5 14串电抗器调速接线图 单相异步电动机的调速 46 2 抽头法调速如果将电抗器和电机结合在一起 在电动机定子铁心上嵌入一个中间绕组 或称调速绕组 通过调速开关改变电动机气隙磁场的大小及椭圆度 可达到调速的目的 根据中间绕组与工作绕组和启动绕组的接线不同 常用的有T形接法和L形接法 如图5 15所示 抽头法调速与串电抗器调速相比较 抽头法调速时用料省 耗电少 但是绕组嵌线和接线比较复杂 a T形接法b L形接法图5 15抽头法调速接线图 47 3 晶闸管调速利用改变晶闸管的导通角 来实现加在单相异步电动机上的交流电压的大小 从而达到调节电动机转速的目的 这种方法能实现无级调速 缺点是会产生一些电磁干扰 目前常用于吊式风扇的调速上 48 直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂 维修也不便 但由于它的调速性能较好和起动转矩较大 因此 对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动 直流电机的优点 1 调速性能好 调速范围广 易于平滑调节 2 起动 制动转矩大 易于快速起动 停车 3 易于控制 应用 1 轧钢机 电气机车 中大型龙门刨床 矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备 2 用蓄电池做电源的地方 如汽车 拖拉机等 第三节直流电动机 49 直流电机 案例 高铁牵引直流电机机车在牵引状态时 牵引电机将电能转换成机械能 通过轮对驱动机车运行 此时电机处于电动机状态 50 51 一 直流电动机工作原理 1 直流电动机工作原理是将电能转变成机械能的旋转机械 把电刷A B接到直流电源上 电刷A接正极 电刷B接负极 此时电枢线圈中将电流流过 在磁场作用下 由左手定则判断N极性下导体ab受力方向向内 S极下导体cd受力方向向外 该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩 当电磁转矩大于阻转矩时 电机转子逆时针方向旋转 52 直流电动机的工作原理示意图 53 直流电动机的工作原理 U 线圈边中电流不改变方向 则平均Tem 0 54 换向片 电刷 55 外加电源 电刷和换向器 电枢绕组内部 气隙磁场 转子 电动机的电磁关系 56 直流电机励磁方式直流电机产生磁场的方式称为励磁方式 一类是由永久磁铁产生 另一类是给主磁极绕组通入直流电产生 根据励磁绕组和电枢绕组联接方式不同 可分为他励 并励 串励 复励四种励磁方式 2 直流电机的励磁方式 57 二 直流电机的结构 图1 5直流电机的结构1 风扇2 机座3 电枢4 主磁极5 刷架6 换向器7 接线板8 出线盒9 换向极10 端盖 直流电动机和直流发电机在主要结构上基本相同 常用的中小型直流电动机结构如图1 6所示 直流电动机主要由定子 转子 电刷装置 端盖 轴承 通风冷却系统等部件组成 58 直流电机的主要结构 静止部分 旋转部分 中间有气隙 59 直流电机主要由定子 固定部分 和转子 转动部分 两大部分组成 60 1 定子部分主要由主磁极 换向极 机座和电刷装置组成 1 主磁极 主磁极的作是产生气隙磁场 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成 如图所示 图1 6主磁极1 固定主磁极的螺钉2 主磁极铁心3 励磁绕组4 机座 61 2 机座电机定子部分的外壳称为机座 用来固定主磁极 换向磁极和端盖 并起整个电机的支撑和固定作用 另外 机座也是磁路的一部分 借以构成磁极间磁的通路 磁通通过的部分称为磁轭 一般为铸钢件或由钢板焊接面成 62 3 换向极 安装在相邻的两主磁极之间 用螺钉固定在机座上 用来改善直流电机的换向 一般电机容量超过1kW时均应安装换向极 用整块钢制成 也可用厚1 1 5mm厚钢板或硅钢片叠成 63 电刷装置 电刷装置的作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通 将直流电压 电流引出或引入电枢绕组 它与换向器相配合 起整流器或逆变器的作用 电刷装置由电刷 刷握 压紧弹簧和铜丝辫等零件组成 4 电刷 64 5 端盖 主要起支撑作用 端盖固定在机座上 其上放置轴承支撑直流电机的转轴 使直流电机能够旋转 65 转子又称电枢 是电机的转动部分和主要的电路部分 其作用是感应电势和产生电磁转矩 从而实现能量的转换 作用 构成 电枢铁心 换向器 电机转轴 电枢绕组 轴承和风扇 二 转子部分 66 轴 端盖 电枢铁心 电枢绕组和槽碶 电枢绕组端部 换向器 轴承 图18 14直流电机的转子 67 一 电枢铁心 材料 为减小磁滞损耗和涡流损耗 电枢铁心用0 35mm或0 5mm厚的硅钢片叠成 表面有绝缘层 作用 通过磁通和嵌放电枢绕组 68 电枢铁心是主磁路的一部分 结构如图1 10 冲片上有均匀分布的嵌放电枢绕组的槽和轴向通风孔 69 电枢铁心 电枢铁心冲片 0 35 0 5mm厚 硅钢片 涂绝缘漆冲片叠压而成 均匀开槽 直流电枢的铁心模型 70 二 换向器 材料 采用导电性能好 硬度大 耐磨性能好的紫铜或铜合金制成 作用 实现电刷内外交直流的转换 71 换向器直流电机换向的组成部分 它是直流电机特有的关键部件 也是最薄弱的一环 它的质量好坏直接影响直流电机的运行可靠性 小型换向器用热固性环氧树脂热压成整体 换向片数目与元件数目相等 元件首尾端嵌放在换向片端部槽内或升高片上 并焊接在一起 结构如图1 12所示 72 三 转轴 起转子旋转的支撑作用 转轴用来传递转矩 需有一定的机械强度和刚度 为了使直流电动机能安全 可靠地运行 转轴一般用合钢或圆钢锻压加工而成 73 四 电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势 是直流电机进行能量变换的关键部件 它由许多线圈 称元件 按一定规律连接而成 线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成 不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中 线圈与铁心之间以及上 下两层线圈边之间都必须妥善绝缘 为防止将线圈边甩出槽外 槽口用槽楔固定 线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎 74 75 1 直流电机起动要求 直流电动机的起动 就是指直流电动机接通电源后 转速由零上升到稳定运行速度的整个过程 要使起动过程达到最优 应满足以下要求 起动转矩足够大 因为只有起动转矩大于负载转矩时 电动机方可顺利起动 起动电流不可太大 起动设备操作方便 起动时间短 运行可靠 成本低廉 起动方式 直流电动机的起动方式有 全压起动 电枢回路串电阻起动和降压起动 三 直流电动机的起动 制动 调速 76 1 全压起动 直接起动 全压起动 就是指在直流电动机电枢上直接加以额定电压的起动动方式 起动电流为 起动转矩为 全压起动的起动电流很大 可达到额定电流的10 20倍 同样起动转矩也很大 2 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动是电动机电源电压为额定值且恒定不变时 在电枢回路中接电阻来达到限制起动电流的目的 3 降压起动所谓的降压起动就是在起动前将电动机电枢两端电源的电压值降低 以达到减小起动电流的目的 77 3 直流电动机的反转在生产过程中 经常需要改变