第3章三相异步电动机电工学.ppt

第3章三相异步电动机 3 1概述 3 2三相异步电动机的结构 3 3三相异步电动机的工作原理 3 4三相异步电动机的功率与转矩 3 5三相异步电动机的使用 3 6三相异步电动机的选择 异步电动机的应用非常广泛 在工业方面 中 小型轧钢设备 机床 轻工机械 起重机械 矿山机械等 在农业方面 脱粒机 粉碎机 排灌机械及加工机械 在家用电器方面 电风扇 空调机 洗衣机 电冰箱等 电动机的分类 交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类 1 按电机定子相数分 三相异步电动机 两相异步电动机 单相异步电动机 2 按电机的转子结构分 笼型异步电动机 绕线型异步电动机 3 1概述 3 1 1异步电动机的分类与用途 3 1 2三相异步电动机的型号与主要技术数据 电动机的额定技术数据 1 额定电压UN电动机额定状态下运行时定子绕组上应加的线电压 单位为V或KV 2 额定电流IN电动机在额定状态下运行时 定子绕组的线电流 单位为A或KA 3 额定功率PN电动机在额定状态下运行时 其轴上输出的机械功率 单位为W或KW 4 频率f1电动机交流电源的频率 我国规定为50HZ 5 额定转速nN电动机在额定状态下 UN IN PN 运行时电动机转子的转速 单位为r min 6 额定功率因数cos N在额定负载下 N是定子相电流与相电压的相位差 三相异步电动机的cos 随负载的变化而变化 其范围为0 2 0 9 轻载时cos 较低 7 额定效率 N额定输出功率PN与额定输入功率之比PN1 即 额定输入功率 电动机的额定技术数据 电动机铭牌上还标明绕组的接法 如有的电动机铭牌上标识出电压为220 380V 接法标识为 Y时 则表明 当电源电压为220V时 电动机定子绕组采用 形方式联接 而当电源电压为380V时 电动机定子绕组采用Y形方式联接 例3 1 1 已知一台三相异步电动机的额定功率PN 3 8KW 额定电压UN 380V 额定功率因数cos N 0 7 额定效率 N 0 85 额定转速nN 950r min 求额定输入功率P1N和额定电流IN 解 根据 额定输入功率 额定电流 这是电动机的外形 3 2三相异步电动机的结构 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 端盖 机座 这是三相异步电动机的基本结构示意图 这是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 这是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 1 定子三相异步电动机的定子是由机座 定子铁心和定子绕组组成 这是机座定子铁心和定子绕组示意图 定子绕组 机座 铁心 定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成 这是定子硅钢片 在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组 定子绕组星接 定子绕组角接 端子 这是饶线型转子铁心与绕组 2 转子根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子 笼型转子的电机称笼型电动机饶线型转子的电机称饶线型电动机 外接电阻 电刷 滑环 转子铁心 转子绕组 转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成 这是转子硅钢片 笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成 在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来 这是笼型转子 U1 W2 V1 U2 W1 V2 在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组 定子绕组 转子绕组 n0 n e i 转子导体 旋转磁极形成旋转磁场 旋转磁场的转速也称为同步转速 笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来 其转向与旋转磁场的转向相同 3 3三相异步电动机的工作原理 3 3 1异步电动机的转动原理 iA Imsin t iB Imsin t 120 iC Imsin t 120 iA iB iC 相序A B C A 对称三相电流流入对称三相绕组 3 3 2三相绕组产生的旋转磁场 iA iB iC U1 V1 W1 U2 V2 W2 iA 1两极旋转磁场 t 0 t i U1 W2 V1 U2 W1 V2 iA 0iB为负值iC为正值 iB iC t t 60 i 60 iC 0iB为负值iA为正值 iA iB iC 0 U1 W2 V1 U2 W1 V2 t 90 90 iA为正值iB为负值iC为负值 t i iA iB iC 0 U1 W2 V1 U2 W1 V2 t 180 iA 0iB为正值iC为负值 180 t i iA iB iC 0 U1 W2 V1 U2 W1 V2 t 60 N S 60 t 90 N S t 0 N S 90 t 180 N S 180 0 空间相差120 角的三相绕组 通入对称三相电流时 产生的是一对磁极的旋转磁场 当电流经过一个周期变化时 磁场也沿着顺时针方向旋转了一周 在空间旋转的角度为360 综上分析可以得出 t i iA iB iC 0 2旋转磁场的转向 90 60 0 相序A C B A 改变流入三相绕组的电流相序 就能改变旋转磁场的转向 改变了旋转磁场的转向 也就改变了三相异步电动机的旋转方向 综上分析可以得出 3四极旋转磁场 60 0 t 0 U1 W2 V1 U2 W1 N S U2 W1 V2 U1 W2 V1 V2 0 S N 0 t i iA iB iC 0 t i iA iB iC 0 90 180 t 90 N S 45 S N t 180 N S 90 S N 90 当定子每相中有两个绕组串联 且每相绕组在空间相差60 时 通入对称三相交流电后 也产生一个旋转磁场 但它是一个四极旋转磁场 当电流变化一周 旋转磁场在空间只转了半周 180 空间角 旋转速度较两极磁场慢了一半 4旋转磁场的速度及转差率 综上分析可以得出 电源的频率 磁极对数 P 1n0 3000r min P 2n0 1500r min P 3n0 1000r min n 1 s n0 定义 转差率 0 s sN 0 015 0 06 转子转速 U1 E1 4 44f1N1K1 旋转磁场每极磁通N1 每相定子绕组匝数K1 定子绕组分布系数 3 3 2三相异步电动机的等效电路 X1 2 f1L1 转子电动势E2 4 44f2N2K2 旋转磁场每极磁通N2 每相转子绕组匝数K2 转子绕组分布系数 E2 4 44f1N2K2 s E20s f2 转子电动势的频率 旋转磁场和转子之间的相对转速为 n0 n 转子频率 X2 2 f2L2 2 sf1L2 sX20 I2 cos 2 1 I2和cos 2均与s有关 3 4 1三相异步电动机的功率 3 4三相异步电动机的功率与转矩 设输入电动机的三相总功率为 U和I为定子绕组的线电压和线电流 cos 为定子绕组的功率因数 电磁功率 定子绕组的铜损 定子绕组的铁损 转子的机械功率 电动机轴上输出给负载的机械功率为 P2 P P0 空载损耗 电动机效率 电动机的电磁功率又可表示为 旋转磁场的角速度 电磁转矩 电动机输出的全部机械功率为 转子旋转的角速度 输出转矩 电磁转矩T CT I2cos 2 E20 4 44f1N2K2 将 电磁转矩是由旋转磁场 和转子电流的有功分量相互作用而产生的 所以 常数 3 4 2电磁转矩 电磁转矩也可由输出的机械功率P求出 忽略空载损耗 P T N m 电动机轴上输出的是额定功率PN 电动机转速是额定转速nN 这时输出的转矩为额定转矩TN 即 转矩特性T f s 3 4 3机械特性 机械特性曲线n f T 1 额定转矩TN 额定转矩是电动机在额定运行状态下的电磁转矩 如某台电动机的铭牌数据给出的额定功率PN为2 2kW 额定转速nN为1430转 分 则额定转矩为 由dT ds 0 得 sm 临界转差率 2最大转矩Tmax Tmax是在一定的电源电压下 电动机所能提供的最大转矩 sm与R2成正比 结论 a Tmax U12 b Tm与R2无关 c 过载系数 m m Tmax TN m 1 6 2 5 Tmax的大小表明了电动机所能驱动的最大负载转矩 即电动机的过载能力 它比TN大得多 通常用过载系数 m来表示过载能力的大小 T n 0 T st sm 3起动转矩TST 起动瞬间n 0 s 1 U1 Tst R2 Tst R2 U1 U1 负载转矩T2 Tst 不能起动 可空载或轻载起动 负载转矩T2 Tst 可带负载起动 st Tst TN 一般 st 1 0 2 2 特殊 st 2 2 2 8 起动转矩倍数 U 1 Tmax Tst s m Tst 4 机械特性曲线的两个区域 起动过程 d 当Tst T2时 电机起动 在cb段n s T ba段 在ab段n s T T T2 T2 TN 在d点 ab段为稳定运行区域 bc段为不稳定运行区域 s 直到T T2 电机稳定运行在新的转速下 工作于d 点 则 n n 1 s n0 T n 0 n0 T a b c Tst 转矩平衡方程式T T2 T0 负载转矩 空载转矩 转速平衡过程 电动机工作在稳定运行区时 具有自适应能力 例如 原来在额定负载下稳定运行 工作于d点 例3 4 1 已知某台三相异步电动机的额定数据为 PN 4 5kW nN 950r min 效率 N 84 5 UN 380V cos N 0 84 接成星形 Y f1 50HZ 过载系数 m 2 起动转矩倍数 st 1 7 求 1 磁极对数P 2 额定转差率sN 3 额定转矩TN 4 额定输入功率P1N 5 定子的额定电流IN 6 最大转矩Tmax 7 起动转矩Tst 解 1 根据nN 950r min 可以得出n0 1000r min 磁极对数 2 额定转差率为 3 额定转矩为 45 24N m 4 额定输入功率 5 根据 额定电流 7 最大起动转矩Tst stTN 1 7 45 24 76 91N m 6 最大转矩Tmax mTN 2 45 24 90 48N m 例 已知PN 4 5KW nN 950r min N 84 5 U1 380V Y接 f1 50Hz m 2 st 1 7 求 1 磁极对数P 2 SN 3 TN 4 输入功率P1 5 最大转矩Tm 6 起动转矩Tst 解 1 P 3 5 Tm mTN 2 45 24 90 48Nm 6 Tst stTN 1 7 45 24 76 91Nm 1 起动过程存在的问题 起动初始瞬间 n 0 s 1 1 起动电流IST大 5 7IN 频繁起动会使电动机过热 过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落 影响邻近负载的正常工作 2 起动转矩TST不大 虽然刚起动时转子电流较大 但转子感抗大 使转子的功率因数很低 不能带动较大负载起动 3 5三相异步电动机的使用 3 5 1三相异步电动机的起动 1 直接起动 直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网 特点 起动转矩小 起动电流大 比额定值大4 7倍 影响同一电网上其它负载的正常工作 优点 简单 方便 经济 起动过程快 适用于中小型笼型异步电动机 2 降压起动 起动时降低电动机的电源电压 以限制起动电流 待电动机转速接近稳定转速时 再把电压恢复正常 2 起动方法 起动转矩与外加电压平方成正比 降压的同时也大大的降低了起动转矩 因此这种方法使用于轻载或空载起动 a星形 三角形 Y 转换降压起动 FU W2 U1 U2 V1 V2 W1 Q1 转子 定子绕组 只适用于正常运行时为 接法的电动机 FU W2 U1 U2 V1 V2 W1 Q1 转子 定子绕组 起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的三分之一 型 Y型 IlY Il 1 3 TstY Tst UPY2 UP 2 1 3 a星形 三角形 Y 转换降压起动 U1 U2 V1 V2 W1 W2 Q1 Q2 起动 三相自耦变压器 M3 b自耦变压器降压起动 U1 U2 V1 V2 W1 W2 Q1 Q2 运转 起动 三相自耦变压器 M3 b自耦变压器降压起动 U1 U2 V1 V2 W1 W2 Q1 Q2 运转 起动 三相自耦变压器 M3 b自耦变压器降压起动 自耦变压器抽头有0 55 0 64 0 73等 Ist 如 变压器变比 则变压器副方电流 而变压器原方电流 电动机起动转矩 结论 电动机起动 电流Ist和起动转矩Tst均为直接起动的1 n2 绕线式电动机起动时 在转子绕组中串电阻 减小起动电流 c转子串电阻起动 起动时先将起动变阻器的阻值置于最大位置 随着转速的上升 逐渐减小起动电阻 直到电动机转速接近额定值时 再全部切除起动电阻 使电动机进入正常运行状态 转子串电阻起动 不但减小了起动电流而且增大了cos 2 提高了起动转矩 例3 5 1 一台笼型三相异步电动机定子绕组为三角形联接 PN 28KW UN 380V IN 58A cos N 0 88 nN 1455r min st 1 2 Ist IN 6 m 2 3 起动负载转矩为71 5N m 要求起动电流不大于150A 1 该电动机能否采用星形 三角形转换方法进行起动 2 若采用自耦变压器降压起动 当自耦变压器的抽头为64 时 能否满足起动要求 解 1 电动机额定转矩为 直接起动时的起动转矩为 星形 三角形起动时的起动转矩 星形 三角形起动时的起动电流 直接起动时的起动电流为 可以采用星形 三角形转换起动方法 2 用自耦变压器降压起动时 能满足要求 n 1 s n1 调速方法 3 5 1三相异步电动机的调速 在某一确定负载下 人为的改变电动机转速称为调速 改变电动机转速有三种方法 改变磁极对数P 改变转差率s 改变电源频率f1 改变定子绕组所形成的磁极对数与改变电源频率的调速方法适用于笼型异步电动机 它们是改变旋转磁场转速n0的调速方法 改变电动机转差率的方法只适用于绕线式异步电动机 它不改变旋转磁场的转速n0 而是在转子绕组电路中串联电阻 改变转差率 实现对电动机的调速 变频调速是通过改变电动机电源频率得到的平滑调速 1 变频调速 若电源电压U1不变 则磁通随频率而变 通常电机在设计中 将磁通 的数值选择在接近饱和值上 在改变f1的同时要同步调节电源电压U1 以保持U1 f1比值为恒定 从而维持磁通恒定不变 异步电动机变频调速的控制方式主要有 1 保持U1 f1比值恒定的恒转矩变频调速方式 这种方式是将频率f1从额定值往下调 U1同时减小 这种调速方法的机械特性较硬 调速范围较宽 但低速性能较差 如果电源频率f1能实现连续调节 就能实现无级变频调速 调速过程中 由于U1 4 44f1N1 T CT I2cos 2 如果负载转矩不变磁通又是恒定的 则转子电流不变 电动机输出转矩也不变 故为恒转矩调速 1 保持U1 f1比值恒定的恒转矩变频调速方式 在电源电压U1不变的情况下 提高电源频率会使磁通 减小 输出转矩随之减小 对于恒功率负载 使电动机转速升高 从而异步电动机的电磁功率基本保持不变 属恒功率变频调速方式 2 恒功率变频调速方式 这种方式是将频率从额定值向上调 这种恒功率变频调速方式 也称为恒压弱磁变频调速方式 的机械特性较软 a 大范围无级平滑调速 b 需要专门的变频调速设备 且成本较高 特点 变频器简介实现变频调速就要有变频电源 变频电源是由变频器提供的 变频器的基本结构 主电路包括整流 滤波和逆变三个部分 控制电路的功能是向主电路提供控制信号 它包括进行电压和频率运算的运算电路 对主电路进行电流电压检测的检测电路 将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路以及主电路和控制电路的保护电路 在现代变频器中 普遍采用正弦波脉宽调制 SPWM 方式将直流电转换为频率和电压可调的交流电 它是通过改变输出的脉冲宽度 使输出电压的平均值接近于正弦波 即 使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排 当正弦值为最大值时 脉冲的宽度也最大 当正弦值较小时 脉冲的宽度也小 如果脉冲间的间隔小 相应的输出电压大 反之 脉冲间的间隔较大 相应的输出电压也较小 变频调速器应用实例 变频供水控制系统 系统以可编程序控制器为控制核心 实现系统要求的控制 通过压力传感器检测到用户水压的大小 将这一信号送入PLC PLC与压力的设定值比较后 将按编制好的程序进行处理 然后向变频调速器发出速度调节信号 调节水泵的旋转速度 从而实现恒压供水 3 5 1三相异步电动机的调速 调速方法 n 1 s n1 2 改变极对数p调速 有级调速 变极调速是通过改变异步电动机定子旋转磁场磁极对数来改变旋转磁场转速n0 从而实现调速 当极对数增加一倍时 旋转磁场的转速n0就降低一半 转子转速也将降低一半 显然这种调速方法是有级调速 n1 1500 3000r m P 2 P 1 n 1 s n1 调速方法 3 改变转差率s调速 绕线式电动机在转子绕组中串入电阻R2 可改变转差率s和转速n a 小范围无级调速 特点 b R2大 特性变软 3 5 1三相异步电动机的调速 1 能耗制动 制动时定子接入直流电源产生固定磁场 i2受到阻转矩 当n