电机工作原理及特性

第1章电动机的工作原理及特性 掌握直流电动机的电势方程式 转矩方程式和电压平衡方程式 三相异步电动机的同步转速和转差率的概念 掌握电动机的机械特性 特别是人工机械特性 掌握电动机起动 制动 调速的各种方法和应用场所 了解用机械特性来分析电动机运行状态的方法 了解常用控制电机的应用场合 1 1直流电机的工作原理及特性 1 直流电机的基本结构 主磁极 电枢 换向器 电刷装置 直流电机的结构图 剖面图 电枢1 主磁极2 换向极4 机座6 电枢铁心冲片 换向器 换向片3 连接片4 云母环2 2 直流电机的基本工作原理 发电机 电动机 简化为一对磁极 一个线圈 1 感应电势E 2 直流电机的基本方程式 2 电磁转矩T 一对磁极的磁通 Wb n 电枢转速 r min Ke 与结构有关的常数 式中 E 电动势 V 一对磁极的磁通 Wb Ia 电枢电流 A Kt 与结构有关的常数 式中 T 电磁转矩 Nm 3 直流电动机的机械特性 1 他激和并激直流电动机的机械特性1 原理电路图 1 直流电动机机械特性方程式 直流电动机电枢电压平衡方程式 上式为直流电动机机械特性的一般表达式 式中 Ra为电枢电阻 以 代入得 由 将Ia值再代入 得 机械特性曲线n f T 4 固有 自然 机械特性和人工机械特性1 他激直流电动机的自然机械特性 正转 在额定电压 额定磁通 电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性 额定负载时 转速降落不多 是硬特性 金属切削机床 冷轧机 造纸机等宜于选用硬特性的电动机 2 自然机械特性曲线的作法已知电动机的PN UN IN nN 由公式可计算出Ra Ke 1 电枢电阻Ra的估算 2 理想空载转速no计算 3 额定转矩Nn的计算 no TN 找出两个点 即理想空载点 o no 和额定运行点 TN nN 通过这两点作出自然机械特性 3 举例 1 一台Z2 51型直流他激电动机 已知额定功率5 5kW 额定电压220V 额定电流31A 额定转速1500r min 忽略损耗 求自然机械特性 解 分析只要求出理想空载点和额定运行点 就可绘出机械特性 0 71 0 132 1667r min 35Nm 4 电动机人工机械特性 三种 1 电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性在自然机械特性方程式中 用 Rad Ra 代替Ra 得到串电阻的人工机械特性方程式 附加电阻Rad越大 机械特性越软 2 改变电枢电压的人工机械特性 U改变 但转速降不变 因此 变电枢电压的人工机械特性是一簇与自然机械特性平行的特性曲线 只允许在额定电压以下调节 在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用 随U的变化而变化 3 改变磁通的人工机械特性 从机械特性方程可知 改变磁通时 电动机的理想空载转速和转速降落都会随磁通的变化而变化 磁通只能在额定值以下调节 理想空载转速和转速降落都要增大 弱磁增速 使用中 要防止电动机过载 更要防止飞车 因此 直流他激电动机设有失磁保护 串激直流电动机的机械特性 1 特点 电枢电流就是激磁电流 2 机械特性分析 第一段 电动机轻载时 机械特性具有双曲线的形状 理想空载转速趋近无穷大 第二段 电动机负载较重时 磁路趋于饱和 机械特性近似一条直线 3 注意事项 直流串激电动机不允许空载运行 飞车事故 4直流他激电动机的起动特性 直流他激电动机的起动电流是额定电流的 10 20 倍 不允许直接起动 限制其起动电流的方法有两种 1 降压起动 组成SCR M自动调速系统的起动环节 是后面学习的一个重点 2 电枢电路串外接电阻起动右图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图和起动特性 其起动特性就是前面刚刚学习过的一种人工机械特性 5 直流他激电动机的制动特性 直流他激电动机的工作状态分为电动状态和制动状态 如右图所示 图中 a 为电动状态 b 为制动状态 1 特点 电动机的转矩T与转速n方向相反 电机处于发电工作状态 2 制动形式 稳定的制动状态 过渡的制动状态 3 制动方法有3种 反馈制动 反接制动 能耗制动 1 反馈制动 1 实现条件 外部作用使电动机的转速n大于其理想空载转速no 如 电车下坡 起重机下放重物 2 机械特性 正转时 是第一象限的机械特性在第二象限内的延伸 如右图所示 3 特点 1 利用位能转矩带动电动机发电 将机械能变成电能 向电源馈送 2 重物下放时电动机的转速仍高于理想空载转速 运行不太安全 2 反接制动 1 实现条件 电枢电压或电枢电势反向 2 分类 1 电源反接制动 改变电枢电压U的方向所产生的制动 机械特性方程式为 为了限制制动时比较大的电枢电流 实施电源反接制动时 一定要在电枢电路中串入限流电阻 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上 2 倒拉反接制动 改变电枢电势方向所产生的制动 如 起重机的重物下降时 电枢反转 电势反向 此时 位能负载转矩TL使重物下放 电动机转矩TM反对重物下放 制动 特点 适当选择电枢电路中的附加电阻 可以得到低的转速 保证安全 转速稳定性较差 制动特性如右图所示 是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸 反接制动 3 能耗制动 1 实现条件 将电枢电压突然降为零 串一外接电阻使电枢短接 此时电动机继续旋转产生的转矩T与n反向 制动 2 特点 制动时的机械能转变为电能使外接电阻发热而消耗 称之为 能耗 稳定性好 电动机不可能反向起动 3 应用 要求迅速准确停车的场合 重物恒速下放 6 直流他激电动机的调速特性 由直流他激电动机人工机械特性方程式直流电动机的调速方法 式中 Ke Kt Ra均为常数 因此 电动机有3种调速方法1 变电枢电路外接电阻Rad 2 变电枢电压U 3 变磁通 1 改变电枢电路外接电阻调速 电动机电枢电路串电阻后 其人工机械特性如右图示 1 应用 起重机 卷扬机 2 缺点 机械特性软 实现无级调速困难 3 注意 串电阻调速与起动特性相似 但起动电阻与调速电阻不同 2 改变电动机电枢供电电压调速 变电枢电压调速的机械特性如右图 1 特点 容易实现无级调速 机械特性是一组平行线 硬度不变 不需用其他起动设备 2 应用 适用于恒转矩负载 组成SCR M系统 在工业生产中广泛应用 第11章将重点学习 3 改变电动机主磁通调速 变磁通调速的机械特性如右图示 1 特点 可以实现无级调速 机械特性软 调速范围不大 2 应用 适用于恒功率负载 一般与调压配合使用 3 注意 在额定转速以上调节 弱磁增速 例题 例 一台直流他激电机的额定数据为 PN 2 2kW UN 220V IN 12 4A nN 1500r min Ra 1 7欧 如果电动机在额定转矩下运行 求 1 电动机的电枢电压降到180V时 电动机的转速是多少 2 激磁电流If IfM 即磁通为额定值的0 8时 时 电动机的转速是多少 3 电枢电路串入2欧的附加电阻时 电动机的转速是多少 解 1 此时 U 180V Ra 1 7欧 14 例题求解 2 此时 U UN 220V Ra 1 7欧 3 此时 U UNa 220V 电枢电路总电阻R Ra Rad 1 7 2 3 7 以上转速单位为r min 1 2三相异步电动机的工作原理及特性 1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由定子和转子构成 定子和转子之间有气隙 1 定子定子由铁心 绕组 机座三部分组成 铁心由0 5mm的硅钢片叠压而成 三相绕组连接成星形或三角形 机座一般用铸铁作成 主要用于固定和支撑定子铁心 2 转子转子由铁心和绕组组成 转子同样由硅钢片叠压而成 压装在转轴上 转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种 线绕式异步电动机还有滑环 电刷机构 鼠笼式三相异步电动机的结构示意图 5 定子铁心 6 定子绕组 7 转轴 8 转子 9 风扇 11 轴承 12 机座 鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线 2 三相异步电动机的工作原理 1 三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组 产生旋转磁场 旋转磁场的转速称之为同步转速 2 旋转磁场切割转子导体 产生感应电势 3 转子绕组中感生电流 4 转子电流在旋转磁场中产生力 形成电磁转矩 电动机就转动起来了 电动机的转速达不到旋转磁场的转速 否则 就不能切割磁力线 就没有感应电势 电动机就停下来了 转子转速与同步转速不一样 差那么一些 称之为异步 设同步转速为no 电动机的转速为n 则转速差为 no n 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S S是分析异步电动机运行情况的主要参数 且 3 三相异步电动机的旋转磁场 1 旋转磁场的产生设电动机为2极 每相绕组只有一个线圈 在0 T 2这个区间 分析有一相电流为零的几个点 规定 当电流为正时 从首端进尾端出 电流为负时 从尾端进首端出 t 0时 iA 0 iB为负 电流实际方向与正方向相反 即电流从Y端流到B端 iC为正 电流实际方向与正方向一致 即电流从C端流到Z端 按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场 如图 a 中箭头所示 t 0时 iA 0 iB为负 iC为正 t T 6时 t T 6 3 iA为正 电流从A端流到X端 iB为负 电流从Y端流到B端 iC 0 此时的合成磁场如图 b 所示 合成磁场已从t 0瞬间所在位置顺时针方向旋转了 3 t T 6时 t T 6 3 iA为正 iB为负 iC 0 此时的合成磁场如图 c 所示 合成磁场已从t 0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2 3 t T 3时 t T 3 2 3 iA为正 iB 0 iC为负 此时的合成磁场如图 d 所示 合成磁场从t 0瞬间所在位置顺时针方向旋转了 按以上分析可以证明 当三相电流随时间不断变化时 合成磁场的方向在空间也不断旋转 这样就产生了旋转磁场 t T 2时 t T 2 iA 0 iB为正 iC为负 旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致 改变三相交流电的相序 即A B C变为C B A 旋转磁场反向 要改变电动机的转向 只要任意对调三相电源的两根接线 2 旋转磁场的旋转方向 式中 f为电源频率50HZ p为电动机的磁极对数 电动机的磁极对数为1时 同步转速为3000r min 电动机的磁极对数为2时 同步转速为1500r min 电动机的磁极对数为3时 同步转速为1000r min 3 旋转磁场的旋转速度 同步转速no 4 定子绕组线端连接方式 注意 三相绕组连接成星形 每相绕组承受相电压220V 三相绕组连接成三角形 每相绕组承受线电压380V 3 三相异步电动机的电路分析 1 定子电路分析电动机定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2 定子每相绕组产生的感应电动势为 其有效值为 定子和转子电路的感应电势 定子电路分析 其大小为 忽略R1和X1上的电压降 有 考虑定子电流产生的漏磁通 用复数表示为 一相电路图 2 转子电路分析 其中 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为 起动瞬间 3 三相异步电动机的额定值 电动机铭牌数据 额定功率PN 额定电压UN 额定频率f 50Hz 额定电流IN 额定转速nN 有的参数要经过计算得出 额定效率额定负载转矩 额定效率 额定负载转矩 4 三相异步电动机的能流图 P2等于P1减去电动机的总损耗 电源输入的功率P1 电动机的输出功率P2 铭牌功率 举例 解 1 由电势计算公式得 3 额定转速时 转子电动势的频率 2 转子绕组开路时 f2 f1 得 1 定子每相绕组感应电动机E1 2 转子每相开路电压E20 3 额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N 例1 有一台Y型接线的三相异步电动机 其额定参数为 功率90KW UN 3000V IN 22 9A 电源频率f 50Hz 额定转差率SN 28 5 定子每相绕组匝数N1 320 转子每相绕组匝数N2 20 旋转磁场每极磁通0 023WB 求 举例 例2 一台4极三相异步电动机 电源频率50Hz 额定转速1440r min 转子电阻0 02欧 转子电抗0 08欧 转子电动势E20 20V 求 1 电动机的同步转速 2 电动机起动时的转子电流 解 1 电动机为4极 磁极对数p 2 有n0 60f P 3000 2 1500r min2 电动机起动时的转子电流 4 三相异步电动机的机械特性 1 三相异步电动机的转矩三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流相互作用而产生的 代入 用 代入 合并上面几个式子得转矩又一公式 注意 转矩与电压平方成正比 2 三相异步电动机的机械特性n f T 固有机械特性 自然机械特性 在额定电压和额定频率下 定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时 电动机的机械特性 2 额定工作点T TN n nN S SN 此时有 自然特性上有4个特殊点 1 理想空载转速点noT 0 n no S 0 3 起动工作点T Tst n 0 S 1 此时有 4 临界工作点T Tanm n nm s Sm 有 自然机械特性 人工机械特性介绍4种人工特性 即 降低定子电压时 定子电路串入电阻或电抗时 变频率时 线绕电动机转子串电阻时 1 降低电压时的人工特性 电压越低 人工特性曲线越往左移 电动机的过载能力和起动转矩会大大降低 电压降低 负载转矩不变时 电动机过热 电压降低太多 电动机将带不动负载 不能起动 2 定子电路串入电阻或电抗时的人工特性 定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中虚线2所示 1为电压降低时的人工机械特性 曲线2与曲线1相比较 最大转矩要大一些 3 改变定子电源频率时的人工特性 随着频率的降低 理想空载转速只能在电源额定频率以下调节 转速no减小 临界转差率Sm减小 起动转矩Tst增大 最大转矩Tmax不变 4 三相线绕式异步电动机转子电路外接电阻时的人工特性 电路图如右图中 a 所示 三相转子绕组通过滑环电刷机构与外接电阻相联接 起动转矩增加 有利 理想空载转速和最大转矩不变 5 三相异步电动机的起动特性 生产机械对电动机起动的要求是 起动转矩大 起动电流小 1 三相鼠笼式异步电动机的起动方法三相异步电动机起动电流是额定电流的 5 7 倍 为满足起动要求 三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类 1 直接起动 全电压起动 适用范围 电动机功率 20 变压器容量 一般中小型鼠笼式异步电动机都采用全电压直接起动 2 降压起动 容量大的电动机起动电流大 为了限制过大的起动电流 采用降压起动 在工厂常用的降压起动方法有4种 定子串电阻或电抗器 Y 变换 自耦变压器 延边三角形 1 定子绕组串电阻或电抗器降压起动电路图如右图 不足之处 起动转矩随定子电压的平方下降 不经济 应用场合 电动机空载或轻载起动 2 Y 降压起动 只有正常运行时定子三相绕组是 接法的电动机才能采用Y 降压起动 对于国产JO JO2 Y Y2系列电动机 功率大于4 5kW的都是采用 接线 也就是说 大容量电动机都可以用Y 降压起动 Y 降压起动的电气原理图如右图所示 起动时 三相绕组接成Y形 运行时 绕组接成 形 电流下降1 3 转矩也下降1 3 特点 电动机Y形起动过程中 可提高电动机的效率和功率因数 起动转矩小 只适用于空载或轻载起动的场合 设备简单 经济 在机床工业上应用较普遍 3 自耦变压器降压起动 特点 起动电流小 而且可以调节 不适用于频繁起动 体积大 重量重 价格高 与定子串电阻或电抗器起动相比较 在相同的起动转矩情况下 起动电流要小 4 延边三角形起动 对电动机定子绕组和绕组出线有特殊要求 起动时绕组一部分Y形 一部分 形接线 运行时绕组 接线 制造成本高 接线复杂 2 三相线绕式异步电动机的起动方法 线绕式电动机在转子电路串电阻 可以获得较大的起动转矩以及较小的起动电流 即有良好的起动特性 1 逐级切除起动电阻法 1 电路图 如右图 转子外接电阻为三相对称电阻 当电动机容量大时 一般采用三相不对称电阻 2 起动过程 起动初瞬 电阻全部接入 在起动过程中 分三次切除外接电阻 人工特性往上提 电阻全部切除后 通过提刷机构 使转子绕组短接 机械特性回到自然特性 3 特点 在起动过程中 电动机能保持最大的加速转矩 2 频敏变阻器起动法 1 频敏变阻器 它是一个铁损很大的三相电抗器 铁心用A3钢板叠成 三相绕组接成Y形 2 起动过程 起动初瞬 转子电流频率接近50Hz 铁损大 即等效阻抗大 从而限制了起动电流 增大了起动转矩 随着转速逐步上升 等效阻抗逐步减小 到转速达额定转速 相当转子被短接 起动结束 3 特点 起动过程能平滑进行 不需要控制电器 功率因数低 只能用于起动 而串电阻起动时 电阻还可用于调速 3 举例 例1 一台Y280S 4三相鼠笼式异步电动机 PN 75kW nN 1480r min Tst TN 1 9 电动机由320kVA的变压器单独供电 电动机所带负载转矩TL 200Nm 问 1 电动机能否直接起动 2 电动机能否用Y 降压起动 解 1 电动机额定功率与供电变压器容量之比为75 320 0 234 0 2电动机不宜直接起动 2 电动机的额定转矩和起动转矩分别为TN 9550 PN nN 9550 750 1480 484NmTst 1 9TN 1 9X484 920Nm如果采用Y 降压起动 则起动转矩仅为起动转矩的三分之一 即TstY 1 3X920 307 200 TL因此 可以采用Y 降压起动 举例 解 电动机直接起动时 n 0 S 1 转子电路每相的电动势 1 E20 E20l 146V 例2 一台JZR 63 10三相线绕式异步电动机的额定数为 PN 60kW nN 577r min 转子滑环间的开路线电压E20l 253V 转子每相绕组的电阻R2 0 0344欧 转子不动时每相绕组的漏抗X20 0 163欧 求 1 电动机直接起动时的E2 I2 2 电动机运行在额定转速时的E2 I2 3 电动机运行在n 528r min时的E2 转子电路每相应串电阻R及 得 得R 0 0732欧 由 由下式 3 2 6 三相异步电动机的制动特性异步电动机制动方法有3种 反馈制动 反接制动 能耗制动 1 反馈制动 1 产生条件 电动机的运行速度高于同步转速 此时S 0 电机进入发电状态 电能反馈给电网 2 运行状态 有两种情况 1 位能转矩负载的起重机在下放重物时的反馈制动状态 可使重物匀速下降如右图中a点 b点是改变转子外接电阻后的稳定工作点 2 多速电动机和变频调速电机的同步速突然降低时的反馈制动状态 2 反接制动 分为电源反接和倒拉制动 电源反接是突然改变三相电源的相序 旋转磁场反向 而倒拉制动则出现在转子位能负载超过电磁转矩的时候 1 电源反接 转子在由正变负的电磁转矩和负载转矩作用下迅速减速 反接制动时电流大 要在定子电路串电阻 在右图c点要切断电源 n 0 否则电动机将反向起动 反接制动 分为电源反接和倒拉制动 2 倒拉制动 电动机减速至右图c点 由于负载转矩大于电磁转矩 起重机的重物迫使电动机反转 电动机进入反接制动状态 3 能耗制动 1 产生条件 电动机定子绕组脱离交流电源后 立即通入低压直流电 直流电建立一个恒稳磁场 产生制动转矩 系统贮存的能量消耗在电阻上 2 机械特性 制动时 特性从下图中的特性曲线1之a点平移至特性曲线2之b点 在制动转矩和负载转矩的共同作用下 沿曲线2迅速减速 到n 0 3 特点 当n 0时 T 0 电动机不可能反方向起动 能使电动机准确停车 7 三相异步电动机的调速特性 由基本公式 异步电动机的调速方法主要有三种 变磁极对数p 变转差率S 变频率f 可得异步电动机的转速方程式为 和基本公式 1 变磁极对数调速 1 方法 改变定子绕组的连接 可以得到两个不同的磁极对数 2 多速电动机 最多在电动机中嵌入两套绕组 使绕组有不同的连接 可分别得到双速 三速 四速电动机 双速应用较多 4极2极 变磁极对数调速 3 特点 结构简单 效率高 特性好 体积大 价格高 在中小机床上应用比较多 双速电动机的高低速转换 一般是先低速 再转换为高速 双速电动机Y YY 2 转子电路串电阻 变转差率 调速 1 应用范围 只适用于线绕式异步电动机 2 原理电路和机械特性与串电阻降压起动相同 线绕式异步电动机的起动电阻 适当增大电阻的容量 可作调速电阻用 3 特点 结构简单 动作可靠 是有级调速 4 应用 用于重复短时工作制的生产机械 如起重机械 三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速 3 变频调速 1 原理 由上式可知 改变交流电源的频率 就可以平滑地调节电动机的转速 2 一般采用频率和电压同时改变的变频电源 3 应用范围 用于鼠笼式异步电动机 组成SCR M调速系统 变频调速是交流调速发展的方向 有关内容在后面的章节详细介绍 1 3控制电机简介 控制电机的主要作用是用来完成信息的传递与交换 而不是进行能量转换 1 直流伺服电动机 1 基本结构 与普通他激直流电动机相同 有换向器 2 分类 电磁式 他激式 永磁式 3 电气原理图 如右图 其中 a 为电磁式 b 为永磁式 4 参数 输出功率1 600W 2 交流伺服电动机 1 结构 1 定子 定子由硅钢片叠成 在定子铁心的内圆表面嵌有两套相差90度电角度的绕组 激磁绕组WF 控制绕组WC 这两套绕组分别由两个电源供电 接线图 两相交流伺服电动机的结构 2 转子 分为鼠笼型和杯型两种 1 鼠笼型转子作得细而长 转子导体采用高电阻率的材料 用于小功率的自动控制系统 产品型号SL系列 2 空心杯型转子作成薄壁圆筒形 放在内外定子之间 用于要求运行平滑的系统 产品型号SK系列 杯型转子伺服电动机结构图激磁绕组1 控制绕组2 内定子3 外定子4 转子5 2 基本工作原理 两相绕组WF和WC分别通入频率相同的交流电 产生旋转磁场 使伺服电动机起动 取消WC后 要防止自转 3 消除自转现象的措施加大转子电阻 如 采用薄壁杯形转子 鼠笼条用高阻材料黄铜 转子电阻不同时的机械特性 4 交流伺服电动机的特性和应用 控制方法 有三种 幅值控制 相位控制 幅 相控制幅值控制原理图 控制电压Uc越高 电动机转速越高 不同控制电压下的机械特性 应用举例 1 参数 交流伺服电动机输出功率为0 1 100W 再大则用直流伺服电动机 电源频率50 400Hz 2 应用 雷达天线的旋转控制 飞机驾驶盘的控制 流体阀门开关控制 应用方框图 2 步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的一种执行元件 1 分类与结构步进电动机分为反应式 永磁式 和混合式三种 三相反应式步进电动机由定子和转子两个部分构成 右图中 定子有6个磁极 两个相对的磁极组成一相 转子上有均匀分布的4个齿 由环形分配器送来的脉冲信号 对定子绕组轮流通电 设相序为A B C A 当A相控制绕组通电 而B C相不通电时 步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合 而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过 故电动机转子受到一个反应转矩 静转矩 的作用 在此转矩的作用下 使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上 如图 a 所示 2 步进电动机的工作原理 然后B相通电如图 b 所示 转子在空间沿逆时针方向转过30度 转子前进一步 同理 C相通