第六章交流电动机

第六章交流电动机 电机 电动机 发电机 交流 直流 异步 感应 同步 三相 单相 用于生产领域 0 6kW以下 用于家电 医疗器械 绕线式 鼠笼式 三相 单相 第六章交流电动机 6 1三相异步电动机的结构 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 6 4异步电动机工作状态概述 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 6 6三相异步电动机的起动和调速 6 1三相异步电动机的结构 三相异步电动机按照转子的不同分为 笼型和绕线型两种 笼型异步电动机的组成 一 三相异步电动机定子的结构 三相异步电动机的定子包括 机座 定子铁心和定子绕组 机座一般由铸钢制成 如图所示 定子铁心由0 5mm厚 内圆冲有槽孔的环形硅钢片叠成 装于机座中 异步电动机的机座和定子铁心 一 三相异步电动机定子的结构 定子三相对称绕组的每一相都有两个出线头 它们的始末端分别标以U1 U2 V1 V2 W1 W2 如下图所示 这些出线头分别和机座外侧的接线盒内端子板上的同标记的六个端子相连接 二 三相异步电动机转子的结构 三相异步电动机的转子包括 转轴 转子铁心和转子绕组 转子铁心由0 5mm厚 外圆冲有槽孔的硅钢片叠成 压装在转轴上 转子铁心外圆均匀分布着轴向线槽 转子绕组就装在这些槽中 三相异步电动机可根据转子绕组的形式分为 笼型电动机 绕线型电动机 二 三相异步电动机转子的结构 二 三相异步电动机转子的结构 绕线型异步电动机转子电路接线图 绕线型异步电动机的转子结构图 一 典型演示实验 第六章交流电动机 6 1三相异步电动机的结构 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 6 4异步电动机工作状态概述 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 6 6三相异步电动机的起动和调速 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 一 旋转磁场 把两极电动机定子的三相对称绕组用下图所示的三个单匝线圈表示 每个线圈嵌在定子铁心槽中的两个圈边 空间位置相隔180 三个始端 或末端 所连圈边在空间位置上互差120 三个线圈的始末端分别标记为 电流相序为 一 旋转磁场 V W U 设三相绕组接成星形 电流参考方向从始端U1 V1 W1进去 从末端U2 V2 W2流出 一 旋转磁场 一 旋转磁场 一 旋转磁场 n0 60fr min 转每分 三相电流周期性地连续变化 产生的合成磁场的磁极将按顺时针方向连续旋转 形成一个具有一对磁极 磁极对数p 1 的旋转磁场 按一分钟相当于60f个周期计算 两极旋转磁场的转速n0为 一 旋转磁场 n0 60f 2 r min 若定子三相对称绕组包含六组线圈 如图所示 当绕组按星形联结并从电源流入三相电流时 将产生四极旋转磁场 分析可得 一 旋转磁场 一 旋转磁场 按一定规律改变定子绕组的分布和连接 可得到极对数不同的旋转磁场 它的转速同极对数p的关系为 n0 60f p r min 表明 3000 1500 1000 750 600 500 一 旋转磁场 旋转磁场 旋转磁场的转向取决于定子绕组中电流的相序 从电流相序在前的绕组 转向电流相序在后的绕组 一 旋转磁场 二 转动原理 T 电磁转矩 n 转子的转速 n0 旋转磁场的转速 异步电动机的同步转速 n总是低于n0 n和n0始终相异 故称为异步电动机 右手定则 左手定则 二 转动原理 转差率或滑差率 起动瞬间 n 0 一般电动机正常运行中的s约在0 02 0 08之间 第六章交流电动机 6 1三相异步电动机的结构 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 6 4异步电动机工作状态概述 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 6 6三相异步电动机的起动和调速 一 铭牌 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 国家标准规定 电机产品型号用汉语拼音大写字母及国际通用符号和阿拉伯数字组成 按顺序包括产品名称代号 规格代号等 1 型号 一 铭牌 异步电动机产品名称代号 一 铭牌 一 铭牌 2 额定电压U1N 电动机在额定运行时的定子绕组线电压 它同定子绕组 接法 有对应关系 Y系列电动机 UIN均为380V 容量在3 0kW以下的接成星形 4 0kW以上的接成三角形 3 额定电流I1N 电动机在额定电压下满载运行时的定子绕组线电流 4 额定功率PN 电动机在额定电压下 电流达到额定值时 轴上输出的机械功率 一 铭牌 5 额定频率fN 电动机额定运行时的频率 应同电源频率一致 我国工频为50Hz 6 额定转速nN 电动机额定运行时的转速 7 绝缘等级 铭牌上所标的绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时所允许的极限温度来分级的 8 工作制 又称为定额 按规定分为 连续 短时 断续等 异步电动机技术数据举例 二 技术数据 满载时的效率 指电动机的额定输出机械功率PN对定子额定输入电功率P1N的比值 用 N表示 是 满载时的 定子电路 功率因数 二 技术数据 额定转矩 是电动机在额定运行时轴上的输出转矩 轴上机械功率P等于转矩T和角速度 的乘积 故 额定转矩为 式中PN以kW为单位 二 技术数据 N m 牛 顿 米 N m Y系列三相异步电动机 部分型号 技术数据 第六章交流电动机 6 1三相异步电动机的结构 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 6 4异步电动机工作状态概述 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 6 6三相异步电动机的起动和调速 一 电路 磁路的工作状态 6 4异步电动机工作状态概述 异步电动机旋转磁场磁通量 同定子一相绕组的感应电动势和端电压的有效值E1 U1有如下关系 一 电路 磁路的工作状态 式中 f1 定子绕组中的磁通量和感应电动势e1的交变频率 它同电源频率f相等 N1 定子绕组每相的匝数 k1 绕组系数 是小于1的常数 在电源频率f一定时 旋转磁场的磁通量 取决于定子绕组所加的相电压U1 因此 异步电动机U1N正常工作时 旋转磁场磁通量 保持基本不变 因此 异步电动机也同变压器一样存在磁通势平衡关系 当转子电流I2随机械负载增大时 定子电流I1和输入功率P1也随之增大 保持功率平衡 一 电路 磁路的工作状态 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 表明电磁转矩T是由旋转磁场 和转子感应电流i2相互作用产生的 由于转子绕组有漏电感 i2滞后于感应电动势e2一定的相位差角 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 CT 与电机结构有关的比例常数 因此T应与 I2 cos 2成正比 可写作 1 E2 I2 与转差率s的关系 s为机械量 代表转子转速n和旋转磁场n0的差值 的相对值 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 在任意转差率时 则 s 1时 E2 E20 定子相电压U1 E1和E20有固定的比值 E2正是由旋转磁场与转子间的相对速度 n0 n 产生 s越大 E2越大 1 E2 I2 与转差率s的关系 f2为转子电路中e2或i2的频率 式中 为转子在静止时的漏电抗 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 转子电路有一定的电阻r2和漏电抗 当转子静止 s 1 时 f2 f1 当n n0 和旋转磁场同步 s 0 时 f2 0 因此 1 E2 I2 与转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 以上分析表明 在定子相电压U1和f一定时 E20 X20均一定 I2和都是转差率的函数 按照交流电路理论 2 电磁转矩T和转差率s的关系 从前面的关系式可得 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 上述关系可用转矩 转差率曲线 T s曲线 表达 2 电磁转矩T和转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 当定子相电压U1一定时 笼型电动机的T s曲线如图中的实线所示 对应的I2和随s变化的变化的曲线如虚线所示 2 电磁转矩T和转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 由图可见 在s值较小的区间内 sX20 r2 上式分母中的 sX20 2项可忽略 因此 I2几乎随s成正比变化 2 电磁转矩T和转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 由图可见 在s值较小的区间内 sX20 r2 上式分母中的 sX20 2项可忽略 则几乎等于1不变 T也几乎随s成正比变化 I2几乎随s成正比变化 2 电磁转矩T和转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 由图可见 在s值较大的区间内 sX20 r2 上式分母中的r22项可忽略 则几乎随s成反比变化 T随s的变化也是如此 因此 I2基本不变 2 电磁转矩T和转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 s 1 n 0点 对应刚合上开关起动电动机时的状态 Ist 电动机的 起动电流 常为I1N的 5 5 7 倍 Tst 表示轴上输出的 起动转矩 常为TN 1 0 2 2 倍 Tm 轴上输出的 最大转矩 约为TN的 1 8 2 2 倍 Tm与Tst都与U12成正比 2 电磁转矩T和转差率s的关系 二 电路 旋转磁场相联系的机械系统的工作状态 sm 临界转差率 令上式对s的导数dT ds 0 可以求得 求 1 三相电源线电压为380V 电动机的定子绕组相应如何连接 2 此电动机的额定转差率为何值 3 此电动机的额定电流 起动电流 起动转矩及最大转矩为何值 电动机的额定电流为 额定转差率为 2 电源频率为50Hz 同步转速 额定转速 1 电源电压与电动机电压U1N相符 功率为5 5kW 因大于4kW 按铭牌定子绕组的接法应为 故起动电流为 额定转矩为 起动转矩为 最大转矩为 第六章交流电动机 6 1三相异步电动机的结构 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 6 4异步电动机工作状态概述 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 6 6三相异步电动机的起动和调速 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 一 机械特性 电动机转速n对电磁转矩T的曲线称为机械特性 nm是对应sm的临界转速 在异步电动机轴上加有恒定的小于Tst的机械负载反转矩TL时 由于T TL 电动机能够起动并能加速 当n nm后 T将随n的升高而减小 当T TL时 电动机进入等速运行 工作在机械特性近似直线段上略低于n0的P点 一 机械特性 异步电动机运行在机械特性曲线的n0至nm段上时 能够自动适应负载反转矩TL的变化 该段称为稳定运行段 异步电动机的额定工作点 T TN 约在n0至nm段的中部 转速nN比n0所下降的百分比 即sN 一般只有 1 5 6 通常把这种机械特性称为硬特性 一 机械特性 称为异步电动机 瞬时 的过载能力 一般指电源电压U1和频率f1固定为额定值时的定子电流I1 定子电路的功率因数及电动机效率 对电动机输出机械功率P2的关系曲线 二 运行特性 工作特性 U1 f1固定 基本不变 定子电流I10 空载电流 20 30 I1N 电动机空载运行时 1 I1 P2曲线 二 运行特性 工作特性 随着T TL增大 I2几乎与之成正比地增大 I1也随之增大 选择电动机容量时应避免 大马拉小车 P2 I1 满载运行时 0 7 0 9 空载时 0 2 0 3 二 运行特性 工作特性 注意 3 P2曲线 轻载时 较低 在P2 80 PN时 出现最大值 额定运行P2 PN时 稍有降低 二 运行特性 工作特性 第六章交流电动机 6 1三相异步电动机的结构 6 2三相异步电动机的旋转磁场和转动原理 6 3异步电动机的铭牌和技术数据 6 4异步电动机工作状态概述 6 5异步电动机的机械特性和运行特性 6 6三相异步电动机的起动和调速 6 6异步电动机的起动 反转和调速 一 笼型异步电动机的起动 一般情况下 一二十千瓦以下的小型异步电动机 在其容量小于动力供电变压器容量的20 时 可允许直接起动 否则 就要在起动时采取降压措施 减小起动电流 Q2先置于中间位置 接通电源开关Q1 再把Q2合向 起动 位置 等电动机转速升高后 把Q2切换到 运转 位置进入正常运行 操作顺序是 相电压降低为 线电流和起动转矩降低为 一 笼型异步电动机的起动 1 星形 三角形换接起动 同接成三角形进行直接起动相比 起动补偿器由三相自耦变压器和切换开关组成 2 用起动补偿器起动 一 笼型异步电动机的起动 笼型电动机用起动补偿起动的接线原理图 先合上Q1 在合上Q3的同时把Q2合向 起动 位置 等电动机转速升高后切断Q3 同时将Q2合向 运转 位置 使自耦变压器同供电线路脱离 电动机进入正常运行 操作顺序是 起动时 起动前 将Q2 Q3断开 2 用起动补偿器起动 一 笼型异步电动机的起动 将电动机与电源相连的三根导线中的任意两根对调就可以使旋转磁场反转 从而使转子反转 二 笼型三相异步电动机的反转 三 笼型异步电动机的调速 异步电动机的转速 笼型异步电动机的调速方法 调速 根据所带工作机械的需要 通过改变电动机的外部电源条件或内部绕组连接以得到不同的人工机械特性 从而改变电动机和工作机械的转速 1 改变磁极对数调速 2 变频调速 改变笼型异步电动机定子绕组的接线方式可以改变旋转磁场的极对数 因为极对数是成倍的变化 所只能是有级调速 1 改变磁极对数调速 下图为极