电工学简明教程第四章第二版.ppt

第4章电动机 本章要求 了解三相异步电动机的基本结构 工作原理 机械特性及铭牌标记的含义 掌握起动和反转的方法 了解调速方法 了解单相异步电动机的基本结构 特点及应用 电机的分类 1 发电机 直流电动机 同步电动机 鼠笼式 将机械能转换为电能 将电能转换为机械能 绕线式 2 电动机 交流电动机 异步电动机 三相异步电动机由于结构简单 价格便宜 运行可靠 维护方便 得到了广泛的应用 4 1三相异步电动机的构造 一 主要部件 1 定子 2 转子 转子铁心的硅钢片 实物图 根据转子构造的不同 三相异步电动机又分为笼式 或称鼠笼式 和绕线式两种 a 笼式转子 笼式异步电动机的特点 结构简单价格低廉坚固耐用 b 绕线式转子 绕线式异步电动机的特点 转子绕组接成星形 绕组中可以串入附加电阻 以改善电动机的起动和调速性能 结构复杂 价格较高 三相异步电动机的基本结构示意图 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 定子 转子 轴承 端盖 机座 4 2三相异步电动机的工作原理 定子三相绕组通入三相交流电 星形联接 1 旋转磁场的产生 规定 电流出 电流入 三相电流合成磁场的分布情况 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90 分析可知 三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场且一个电流周期 旋转磁场在空间转过360 取决于三相电流的相序 2 旋转磁场的旋转方向 结论 任意调换两根电源进线 则旋转磁场反转 3 旋转磁场的极对数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 即 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 极对数 旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关 极对数 旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关 4 旋转磁场的转速 工频 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数 p 1时 旋转磁场转速n0与极对数p的关系 4 2 2电动机的转动原理 1 转动原理 初始 线圈竖直放置 磁极旋转 导线切割磁力线产生感应电动势 导线长度 切割速度 右手定则 左手定则 通电导线在磁场中受力 电动机转动原理 A X Y C B Z 定子三相绕组通入三相交流电 感应电动势E20 电磁力F 2 转子转向 3 转子转速 转子的转动方向与旋转磁场的方向一致 故将三根电源进线任意对调两根 可使电动机反转 如果 且一定 4 转差率 S 的概念 异步电机运行中 转差率为旋转磁场的同步转速和转子转速之差 即 例4 2 1 一台三相异步电动机 其额定转速n 975r min 电源频率f1 50Hz 试求电动机的极对数和额定负载下的转差率 解 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 电动机的极对数p 3 额定转差率 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 定子绕组 一次绕组 转子绕组 二次绕组 旋转磁通 主磁通 转子电路自行闭合 且转子转动 4 3 1定子电路 1 旋转磁场的磁通 异步电动机 旋转磁场切割导体 e U1 E1 4 44f1N1 每极磁通 旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0 所以 2 定子感应电动势的频率f1 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 转子感应电动势频率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 转子感应电势频率f2 旋转磁场切割定子和转子的速度不同 2 转子感应电动势E2 E2 4 44f2N2 4 44sf1N2 当转速n 0 s 1 时 f2最高 且E2最大 有 E20 4 44f1N2 转子静止时的感应电势 即E2 sE20 转子转动时的感应电势 3 转子感抗X2 当转速n 0 s 1 时 f2最高 且X2最大 有 X20 2 f1L 2 即X2 sX20 4 转子电流I2 5 转子电路的功率因数cos 2 转子绕组的感应电流 转子绕组的感应电流 转子电路的功率因数 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 转子转速n 转子感应电动势E2 转差率s 转子感应电动势频率f2 E2 sE20 转子感抗X2 即X2 sX20 转子电流I2 转子电路的功率因数cos 2 总结 4 4三相异步电动机的转矩与机械特性 4 4 1转矩公式 转子中各载流导体在旋转磁场的作用下 受到电磁力所形成的转矩之总和 常数 与电机结构有关 旋转磁场每极磁通 转子电流 转子电路功率因数 由此得电磁转矩公式 4 4 2机械特性曲线 根据转矩公式 得特性曲线 0 n n0 电动机正常运行情况 转矩 电磁转矩T 阻转矩TC T2 T0 机械负载转矩T2 空载损耗转矩T0 T2 电动机长期稳定运行时 T T2 即匀速转动 电动机在额定负载时的转矩 1 额定转矩TN 额定转矩 N m 输出的机械功率 输入的电功率 电动机的正常运行分析 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 2 最大转矩Tmax 转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax 否则将造成堵转 停车 电机带动最大负载的能力 临界转差率 将sm代入转矩公式 可得 当U1一定时 Tmax为定值 结论 2 sm与R2有关 R2 sm n 绕线式电机改变转子附加电阻R 2可实现调速 T2 s T2 Tmax n T 电动机停车 n n 0 电动机的过载运行分析 过载系数 能力 一般三相异步电动机的过载系数 临界状态说明了电动机的短时过载能力 3 起动转矩Tst 电动机起动时 n 0 s 1 2 Tst与R2有关 适当使R2 Tst 绕线式电机改变转子附加电阻R 2 可使Tst Tmax R2 X20时 R2 Tst R2 X20时 R2 Tst T2 S T2 Tst n T 稳定运行 n 越过临界点 进入稳定区 T T T2 电动机起动后 很快经过非稳定区进入稳定区 正常工作 Tst体现了电动机直接起动的能力 若Tst T2 电机能起动 否则不能起动 起动能力 电动机的启动运行分析 4 5三相异步电动机的起动 4 5 1起动性能 起动问题 起动电流大 起动转矩小 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7倍 电动机的起动转矩为额定转矩的 1 0 2 2 倍 后果 原因 起动 n 0 s 1 接通电源 4 5 2起动方法 1 直接起动二 三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动 简单 但起动电流大 适用于鼠笼式电动机 3 转子串电阻起动 适用于绕线式电动机 以下介绍降压起动和转子串电阻起动 1 降压起动 1 Y 换接起动 降压起动时的电流为直接起动时的 设 电机每相阻抗为 上节内容 1 电动机转动原理 定子三相绕组通入三相交流电 感应电动势E20 电磁力F 上节内容 转差率 S 额定转矩TN 转子感应电势频率f2 Y 起动器接线简图 静触点 Y 起动器接线简图 Y起动 Y 起动器接线简图 工作 2 自耦降压起动 Q2下合 接入自耦变压器 降压起动 Q2上合 切除自耦变压器 全压工作 合刀闸开关Q Q2 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 定子 转子 起动时将适当的R串入转子电路中 起动后将R短路 起动电阻 2 绕线式电动机转子电路串电阻起动 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 R2 Tst 转子电路串电阻起动的特点 方法 任意调换电源的两根进线 电动机反转 电动机正转 电动机反转 三相异步电动机的正 反转 例1 1 解 一台Y225M 4型的三相异步电动机 定子绕组 型联结 其额定数据为 PN 45kW nN 1480r min UN 380V N 92 3 cos N 0 88 Ist IN 7 0 Tst TN 1 9 Tmax TN 2 2 求 1 额定电流IN 2 额定转差率sN 3 额定转矩TN 最大转矩Tmax和起动转矩Tst 2 由nN 1480r min 可知p 2 四极电动机 3 解 在上例中 1 如果负载转矩为510 2N m 试问在U UN和U 0 9UN两种情况下电动机能否起动 2 采用Y 换接起动时 求起动电流和起动转矩 3 又当负载转矩为额定转矩的80 和50 时 电动机能否Y 换接起动 1 在U UN时Tst 551 8N m 510 2N m 不能起动 2 Ist 7IN 7 84 2 589 4A 在U 0 9UN时 能起动 例2 在80 额定负载时 不能起动 在50 额定负载时 可以起动 3 4 6三相异步电动机的调速 1 改变电源频率f1 变频调速 2 改变磁极对数p3 改变转差率s 调速方法 有级调速 有级调速 无级调速 调速指当负载不变时 利用人工的方法改变转子的转速 它与电动机自动适应负载变化而改变转速不同 4 6 1变频调速 变频调速装置 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 在减小f1同时 减小 4 6 1变频调速 整流器 逆变器 M3 f 50Hz f1 U1可调 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 4 6 2变极调速 有级调速 P 2 线圈串联 鼠笼式电机采用 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 线圈并联 4 6 3变转差率调速 有级调速 变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法 其优点是调速平滑 设备简单投资少 缺点是能耗较大 这种调速方式广泛应用于各种提升 起重设备中 4 7三相异步电动机的制动 制动方法 能耗制动反接制动 通过加一个与原转速方向相反的制动力矩 使电动机能迅速停车或反转 4 7 1能耗制动 在断开三相电源的同时 给电动机其中两相绕组通入直流电流 直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用 产生了与转子旋转方向相反的转距 制动转距 使转子迅速停止转动 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 n1 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 返回 4 8三相异步电动机铭牌数据 三相异步电动机型号Y132M 4功率7 5KW频率50Hz电压380V电流15 4A接法 转速1440r min绝缘等级B工作方式连续标准编号工作制S1B级绝缘年月编号 电机厂 1 型号 用以表明电动机的系列 几何尺寸和极数 例如 Y132M 4 异步电动机产品名称代号 2 接法 接线盒 定子三相绕组的联接方法 通常 Y联结 联结 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 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 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 它不等于从电源吸取的电功率P1N 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 7 额定转速 电机在额定电压 额定负载下运行时的转速 如 nN 1440转 分sN 0 04 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 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 电容运转单相机 洗衣机电动机 电风扇电动机 制冷压缩机 单相异步电动机产品图 4 9单相异步电动机 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 4 9 1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