电工学少学时第六章

第6章电动机 第6章电动机 6 1电机概述 6 2三相异步电动机的工作原理 6 5三相异步电动机的机械特性 6 4三相异步电动机的铭牌数据 6 6三相异步电动机的起动 6 7三相异步电动机的调速 6 8单相异步电动机 6 3三相异步电动机的基本结构 6 9交流伺服电动机 6 10步进电动机 6 11三相同步电动机 6 12直流电动机 6 13电动机的选择 电动机的分类 6 1电机概述 电动机是将电能转换成机械能的装置 广泛应用于现代各种机械中作为驱动 由电动机驱动的优点 减轻繁重的体力劳动 提高生产率 可实现自动控制和远距离操纵 6 3三相异步电动机的基本构造 1 定子 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 2 转子 鼠笼转子 铁心 由外周有槽的硅钢片叠成 2 绕线式转子 同定子绕组一样 也分为三相 并且接成星形 鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较 鼠笼式 结构简单 价格低廉 工作可靠 不能人为改变电动机的机械特性 绕线式 结构复杂 价格较贵 维护工作量大 转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性 6 2三相异步电动机的转动原理 一 旋转磁场 1 旋转磁场的产生 定子对称三相绕组中通入对称三相电流 星形联接 规定 电流出 电流入 iA 旋转磁场的产生 t 0 t i A Z B X C Y iA 0iB为负值iC为正值 iB iC t t 60 i A Z B X C Y 60 iC 0iB为负值iA为正值 iA iB iC 0 t 90 A Z B X C Y 90 iA为正值iB为负值iC为负值 t i iA iB iC 0 t 180 A Z B X C Y iA 0iB为正值iC为负值 180 t i iA iB iC 0 t 60 A Z B X C Y N S 60 t 90 A Z B X C Y N S t 0 A Z B X C Y N S 90 t 180 A Z B X C Y N S 180 0 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90 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 90 60 0 相序A C B A 2 旋转磁场的旋转方向 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 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 iA iB iC A B C X Y Z A B C X Y Z 60 0 t 0 A Z B X C N S X C Y A Z B Y 0 S N t 60 N S 30 S N 0 t i iA iB iC 0 t i iA iB iC 0 90 180 t 90 A Z B X C N S X C Y A Z B Y 45 S N t 180 A Z B X C N S X C Y A Z B Y 90 S N 90 A B C X Y Z A B C X Y Z iA iB iC 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 综上分析可以得出 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 p 2时 旋转磁场转速n0与极对数p的关系 二 电动机的转动原理 1 转动原理 A X Y C B Z 定子三相绕组通入三相交流电 感应电动势E20 电磁力F 三 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 n0 1000r min 即 p 3 额定转差率为 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 变压器 变化 eU1 E1 4 44fN1 E2 4 44fN2 E1 E2频率相同 都等于电源频率 一 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 定子感应电势的频率f1 感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关 f1 电源频率f 二 转子电路 1 转子感应电势频率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 旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同 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 2 电磁转矩的方向 电磁转矩的方向与旋转磁场的转向一致 3 电磁转矩的大小 T I2cos 2T CT mI2cos 2 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 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 从而改变转距 三 转矩平衡 空载转矩 T0 输出转矩 T2 T T0 T 负载转矩 TL 当T2 TL稳定运行当T2 TL加速运行当T2 TL减速运行 电磁转矩 空载转矩 电动机在满载运行或半载运行时 空载转矩可忽略不计 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 此过程中 n s E2 I2 I1 电源提供的功率自动增加 TL s T2 TL TL T2 n T 达到新的平衡 电动机只有T2 TL 才能稳定运行 T T2 TL 三功率关系P2 P1 P输入的电功率 输出的机械功率 P2 T2 功率损耗 P PCu PFe PMe 电动机的效率 P2 P1 100 例6 2 1某三相异步电动机 极对数p 2 定子绕组三角形联结 接于50HZ 380V的三相电源上工作 当负载转矩TL 91N m时 测得I1L 30A P1 16KW n 1470r min 求该电动机带此负载运行时的s P2 和 6 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 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 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 例1 电动机的额定功率是指输出功率 还是输入功率 额定电压是指线电压 还是相电压 额定电流是指定子绕组的线电流 还是相电流 功率因数的角是定子相电流与相电压间的相位差 还是线电压与线电流间的相位差 例6 4 1 Y180M 2型三相异步电动机 PN 22kW UN 380V 三角形联结 IN 42 2A N 0 89 fN 50Hz nN 2940r min 求额定状态下运行时的 1 转差率 2 定子绕组的相电流 3 输入有功功率 4 效率 解 1 由型号知该电动机的2p 2 即p 1 2 定子三相绕组为三角形联结 4 效率 3 输入有功功率 固有特性 人为特性 在额定电压 额定频率 转子电路不外串参数时 在改变电压 频率及转子电路参数时 n f T T f s 转矩特性三相异步机的T与s之间的关系 机械特性三相异步机n与T之间的关系 T f s n f T T f s n f T 6 5三相异步电动机的机械特性 一 固有特性 转矩特性 机械特性 M M S S N N 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 例 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 N 2 最大转矩Tmax 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 转子轴上机械负载转矩TL不能大于Tmax 否则将造成堵转 停车 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TL Tmax 否则电机将停转 电机严重过热而烧坏 电动机的最大过载可以接近最大转矩 如果过载时间较短 电动机不至于长时间过热 是允许的 因此 最大转矩也表示电动机短时容许过载能力 电动机的额定转矩TN比Tmax要小 两者之比为过载系数 转子轴上机械负载转矩TL不能大于Tmax 否则电动机就带不动负载了 发生闷车现象 闷车后 电动机的电流马上升高六七倍 电动机严重过热 以致烧坏 当U1一定时 Tmax为定值 注意 三相异步机的和电压的平方成正比 所以对电压的波动很敏感 使用时要注意电压的变化 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 TS体现了电动机直接起动的能力 若TS TL电动机能起动 否则将起动不了 起动转矩倍数 Y系列 KS 1 6 2 2KC 5 5 7 0 起动电流 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 TL s TL T2 TL T2 n T 达到新的平衡 例6 5 1 某三相异步电动机 额定功率PN 45kW 额定转速nN 2970r min KM 2 2 KS 2 0 若TL 200N m 试问能否带此负载 1 长期运行 2 短期运行 3 直接起动 解 1 电动机的额定转矩 由于TN TL 故不能带此负载长期运行 2 电动机的最大转矩 TM KMTN 2 2 145N m 319N m 由于TM TL 故可以带此负载短时运行 3 电动机的起动转矩 由于TS TL 故可以带此负载直接运行 TS KSTN 2 0 145N m 290N m 二 人为特性 1 U1变化对机械特性的影响 T2 2 R2变化对机械特性的影响 R2 Tst n 硬特性 负载变化时 转速变化不大 运行特性好 软特性 负载增加时转速下降较快 但起动转矩大 起动特性好 2 R2变化对机械特性的影响 不同场合应选用不同的电机 如金属切削 选硬特性电机 重载起动则选软特性电机 6 6三相异步电动机的起动 一 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 二 笼型异步电动机的起动 1 直接起动 全压起动 a 小容量的电动机 b 电源容量足够大时 规定 7 5kW以下直接起动7 5kW以上 且电源容量能满足起动电流倍数 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 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 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 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 P2N 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TN 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 又当负载转矩为额定转矩的80 和50 时 电动机能否起动 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 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 例3 对例1中的电动机采用自耦变压器降压起动 设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64 求这时的线路起动电流Ist 和电动机的