发电机与电动机

1三相异步电动机的构造与原理 第 章发电机与电动机 异步电动机的转矩与机械特性 异步电动机的控制 车用交流发电机 直流电动机 本章要求 第 章发电机与电动机 1 了解三相异步电动机的基本结构 工作原理 2 了解三相异步电动机的机械特性 掌握起动 调速 反转和制动 3 了解车用交流发电机 4 了解直流电机的基本结构和工作原理 5 了解直流并励 他励 串励电动机的机械特性及其应用 6 了解直流电动机的起动 反转和调速 电动机的分类 第 章发电机与电动机 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机 机械能 电能 发电机 电动机 直流电动机的最大特点 优良的调速性能起动转矩也比较大 生产成本较高需要使用直流电源维护要求较高 应用 轧钢机 龙门刨床等主传动机构某些电力牵引和起重设备电车及电力机车 异步电动机 构造简单 价格便宜 工作可靠 使用维护方便 应用 金属切削机床 起重机 传送带 功率不大的水泵 通风机 在全国电动机总容量中有85 以上是三相异步电动机 1三相异步电动机的构造与工作原理 4 1 1 构造 笼型电机的各部件 铁心 由内周有槽的0 5mm厚硅钢片叠成 磁路的一部分 机座 铸铁或钢板焊接 支撑铁心和固定电机 硅钢片 装有三相绕组的定子 1 定子 定子绕组 接线盒 定子三相绕组的联接方法 通常 Y联结 联结 2 转子 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 产生旋转力矩 转轴转子铁心转子绕组 0 5mm的硅钢片叠压 笼型转子 2 绕线式转子 同定子绕组一样 也分为三相 并且接成星形 三相转子绕组通常连接成星形 即三个末端连在一起 三个首端分别与转轴上的三个滑环 滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘 相连 通过滑环和电刷接到外部的变阻器上 以便改善电机的起动和调速性能 绕线式转子绕组与外接变阻器的连接 4 2三相异步电动机的工作原理 4 2 1旋转磁场的产生 规定 电流出 电流入 三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时 将在电机气隙空间产生旋转磁场 动画1 动画2 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 o 分析可知 三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即 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 1 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 任意调换两根电源进线 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 2 旋转磁场的极对数P 极对数 动画 旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关 3 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 p 2时 旋转磁场转速n1与极对数p的关系 4 2 2三相电动机的工作原理 1 转动原理 A X Y C B Z 定子三相绕组通入三相交流电 方向 顺时针 感应电动势E20 电磁力F 4 2 3转差率 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率 由前面分析可知 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致 但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等 即 如果 因此 转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别 异步电动机运行中 转子转速亦可由转差率求得 转差率s 例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 n1 1000r min 即 p 3 额定转差率为 4 2 4三相异步电动机铭牌数据 1 型号 例如 Y132M 4 用以表明电动机的系列 几何尺寸和极数 2 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 电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值 3 电流 电动机在额定运行时定子绕组的线电流值 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 4 功率与效率 额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2 它不等于从电源吸取的电功率P1 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 5 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 6 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 4 2三相异步电动机转矩与机械特性 4 2 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 转子电路的功率因数 电磁转矩公式 可推导出 由公式可知 电磁转矩公式 1 T与定子每相绕组电压成正比 U1 T 2 当电源电压U1一定时 T是s的函数 3 R2的大小对T有影响 绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2 从而改变转矩 4 2 2机械特性曲线 根据转矩公式 得特性曲线 动画 动画 电动机在额定负载时的转矩 1 额定转矩TN 三个重要转矩 额定转矩 N m 如某普通机床的主轴电机 Y132M 4型 的额定功率为7 5kw 额定转速为1440r min 则额定转矩为 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 过载系数 能力 一般三相异步电动机的过载系数为 工作时必须使T2 Tmax 否则电机将停转 电机严重过热而烧坏 3 起动转矩Tst 电动机起动时的转矩 起动时n 0时 s 1 2 Tst与R2有关 适当使R2 Tst 对绕线式电机改变转子附加电阻R 2 可使Tst Tmax Tst体现了电动机带载起动的能力 若Tst T2电机能起动 否则不能起动 起动能力 4 电动机的运行分析 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 4 3异步电动机的运行与控制 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4 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 直接起动 n 0 s 1 接通电源 4 3 1起动方法 直接起动7 5千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动 适用于笼型电动机 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 设 电机每相阻抗为 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 a 仅适用于正常运行为三角形联结的电机 Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合 Y 换接起动应注意的问题 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 起动的笼型异步电动机 R R R 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 1 变频调速 无级调速 频率调节范围 0 5 几百赫兹 4 3 2三相异步电动机的调速 2 变极调速 有级调速 变频调速方法可实现无级平滑调速 调速性能优异 因而正获得越来越广泛的应用 P 2 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 3 变转差率调速 无级调速 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 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 4 3 3三相异步电动机的正 反转 4 2 4三相异步电动机的制动 1 能耗制动 制动方法 能耗制动反接制动发电反馈制动 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 2 反接制动 停车时 将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调 使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场 从而获得所需的制动转矩 使转子迅速停止转动 3 回馈制动 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时 旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化 由驱动转距变为制动转距 电动机进入制 动状态 同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网 n n0 1 直流电动机的构造 4 5直流电动机 4 5 1直流电机的构造与工作原理 定子 转子 机座 主磁极 换向极 电刷装置等 铁心 绕组 换向器 作用是产生磁场和作电机的机械支撑 产生感应电动势实现能量转换的关键部分 直流电机的主要结构 1 他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电 2 直流电机的分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机 并励电动机 串励电动机和复励电动机 2 并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联 由一个直流电源供电 4 复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并 接在同一电源上 3 串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上 额定功率PN 电机轴上输出的机械功率 额定电压UN 额定工作情况下的电枢上加的直流电压 例 110V 220V 440V 额定电流IN 额定电压下轴上输出额定功率时的电流 并励包括励磁和电枢电流 三者关系 PN UNIN 效率 额定转速nN 在PN UN IN时的转速 直流电机的转速一般在500r min以上 特殊的直流电机转速可以做到很低 如每分钟几转 或很高 每分钟3000转以上 调速时对于没有调速要求的电机 最大转速不能超过1 2nN 3 直流电动机的额定值 注意 3 直流电机的基本工作原理 直流电从两电刷之间通入电枢绕组 电枢电流方向如图所示 由于换向片和电源固定联接 无论线圈怎样转动 总是S极有效边的电流方向向里 N极有效边的电流方向向外 电动机电枢绕组通电后中受力 左手定则 按顺时针方向旋转 电刷 换向片 换向器作用 将外部直流电转换成内部的直流电 以保持转矩方向不变 线圈在磁场中旋转 将在线圈中产生感应电动势 由右手定则 感应电动势的方向与电流的方向相反 1 电枢感应电动势 Ea Ce n 由图可知 电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反 所以称反电势 式中 U 外加电压Ra 绕组电阻 2 电枢回路电压平衡式 3 电磁转矩 单位 韦伯 Ia 安 T 牛顿 米 直流电动机电枢绕组中的电流 电枢电流Ia 与磁通 相互作用 产生电磁力和电磁转矩 直流电机的电磁转矩公式为 4 转矩平衡关系 电动机的电磁转矩Tem为驱动转矩 它使电枢转动 在电机运行时 电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡 即 Tem CT Ia 当电动机轴上的机械负载发生变化时 通过电动机转速 电动势 电枢电流的变化 电磁转矩将自动调整 以适应负载的变化 保持新的平衡 转矩平衡过程 例 设外加电枢电压U一定 T T2 平衡 此时 若T2突然增加 则调整过程为 达到新的平衡点 Ia P入 T2 n Ia Tem E Ea Ce n 4 5 2并励直流电动机的机械特性 由图可求得 由上分析可知 当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时 励磁电流If和磁通 不变 即 常数 则 令 由以下公式 求得 4 5 2并励直流电动机的机械特性 转速降 式中 n f T 特性曲线 并励电动机在负载变化时 转速n的变化不大 硬机械特性 自然特性 改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线 4 5 3并励电动机的起动 反转与调速 起动 直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动 Iast太大会使换向器产生严重的火花 烧坏换向器 1 起动问题 1 起动电流大 2 起动转矩大 起动转矩为 10 20 TN 造成机械冲击 使传动机构遭受损坏 一般Iast限制在 1 5 2 5 IN 2 起动方法 3 注意事项 1 电枢串电阻起动法 2 降压起动法 直流电动机在起动和工作时 励磁电路一定要接通 不能让它断开 而且起动时要满励磁 否则 磁路中只有很少的剩磁 可能产生事故 在满磁下将Rst置最大处 逐渐减小Rst使n升高 1 如果电动机是静止的 由于转矩太小 T KT Ia 电机将不能起动 这时反电动势为零 电枢电流很大 电枢绕组有被烧坏的危险 2 如果电动机在有载运行时断开励磁回路 反电动势E立即减小而使电枢电流增大 同时由于所产生的转矩不满足负载的需要 电动机必将减速而停转 更加促使电枢电流的增大 以至烧毁电枢绕组和换向器 3 如果电机在空载运行 可能造成飞车 使电机遭受严重的机械损伤 而且因电枢电流过大而将绕组烧坏 Ea Ia Tem T0 n 飞车 3 反转 电磁转矩 Tem CT Ia 1 改变励磁电流的方向 2 改变电枢电流的方向 注意 改变转动方向时 励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变 改变直流电机转向的方法有两种 4 并励 他励 电动机的调速 1 调速均匀平滑 可以无级调速 2 调速范围大 调速比可达200以上 因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化 主要优点 由转速公式 可见直流电机调速方法有三种 可见 在U一定的情况下 改变 可改变转速n 1 改变磁通调速 保持电枢电压U不变 改变励磁电流If 调Rf 以改变磁通 由式 Rf If n 一般只采用减少励磁电流 减弱磁通 的方法调速 即 改变磁通调速的方法 减小磁通 n只能上调 改变 时的机械特性如图 动画 1 调速平滑 可得到无级调速 但只能向上调 受机械本身强度所限 n不能太高 2 调速设备简单 经济 电流小 便于控制 3 机械特性较硬 稳定性较好 4 对专门生产的调磁电动机 其调速幅度可达 例如530 2120r min及310 1240r min 减小 调速的特点 1 若调速后Ia保持不变 电动机在高速运转时其负载转矩必须减小 2 这种调速方法只适用于恒功率调速 如用于切削机床 使用调磁调速时应注意 2 改变电压调速 调速特性是一组平行曲线 特性曲线 改变电压调速的特点 1 工作时电压不允许超过UN 而n U 所以调速只能向下调 2 机械特性较硬 并且电压降低后硬度不变 稳定性好 3 均匀调节电枢电压 可得到平滑无级调速 4 调速幅度较大 改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备 投资费用较高 近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁 以改变它的转速 3 电枢串电阻调速 电枢中串入电阻 使 n n0不变 即电机的特性曲线变陡 斜率变大 在相同力矩下 n 特性曲线如图 Ra 电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻 电阻增大则转速下降 因此n只能下调 特点 1 设备简单 操作方便 2 机械特性软 稳定性差 3 能量损耗大 只用于小型直流机 Ra R 电阻增大 由直流电动机 单向传动机构和操纵机构三大部分组成 直流电动机是起动机的核心 其作用是产生发动机起动时所需的电磁转矩 单向传动机构的作用是传递或切断发动机与起动机之间的扭矩 4 5 4车用起动机 1 车用起动机基本组成 操纵机构的作用是接通或切断起动机与蓄电池之间的主电路 车用起动机的直流电动机主要由磁极 电枢 换向器等部件组成 一般采用串励式直流电动机 一般的车用起动机的电动机有四个励磁绕组 励磁绕组有两种连接方式 励磁绕组全部串联 或励磁绕组两两串联之后再并联的复式接法 复式接法可以在绕组导体截面相同的情况下 增大起动电流 从而提高了起动转矩 功率大于7 35KW的起动机有采