交直流电动机PPT课件

.,1,交直流电动机,第六章,.,2,第一节异步电动机的结构及应用第二节异步电动机基本原理第三节异步电动机的启动和调速第四节直流电动机的基本原理与结构第五节直流电动机的励磁方式第六节直流电动机的运行第七节直流电动机的调速第八节厂用电动机的选择与自启动,主要内容,.,3,一、结构组成,异步电机,定子绕组,定子铁心,转子,机座,转子铁心,转轴,转子绕组,定子,气隙,鼠笼型,绕线型,第一节异步电动机的结构及应用,.,4,二、定子,1.定子铁心作用主磁路的一部分，放置定子绕组。构成0.5mm厚的硅钢片叠成圆柱体；内圆冲有若干均匀分布的形状相同的槽,.,5,定子槽形,半闭口槽小型异步电机，绕组用圆导线绕成。半开口槽低压中型异步电机，绕组是成型线圈。开口槽高压大中型异步电机，绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成型线圈。,.,6,2.定子绕组作用构成电路部分，通过电流，建立旋转磁场，感应电动势，以实现机电能量转换。构成铜线圈。小型异步机采用单层；大、中型异步机采用双层短距。,.,7,定子绕组联接方式星形（Y）接法和三角形（）接法,.,8,3.机座（机壳）作用固定和支撑定子铁心，承受运行中的各种作用力，散热。构成铸铁或钢板焊接而成。,.,9,三、转子,1.转子铁心作用主磁路的一部分，放置转子绕组。构成0.5mm厚的硅钢片叠成，外圆周冲有若干均匀分布的形状相同的槽。,.,10,转子槽,槽形的选择主要取决定于对运行性能和起动性能的要求。,.,11,2.转子绕组作用构成电路部分。感应电动势、流过电流和产生电磁转矩。构成铸铝，铜条焊接，铜绕组。结构型式鼠笼型绕组和绕线型绕组。,鼠笼型转子绕组：由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。一般为铝浇铸的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。,绕线型转子绕组：三个出线端子接到固定在转轴上的三滑环上，通过电刷引出，与外电路接通。其特点是可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的起动性能或调节转速。,.,12,鼠笼型转子绕组结构示意图,.,13,绕线型转子绕组结构示意图,.,14,绕线转子异步电动机示意图（a）接线图;（b）提刷装置,.,15,3.转轴作用支撑转子铁心，输出、输入机械转矩。构成钢。,.,16,.,17,三相异步电机主要部件拆分图,.,18,三相异步电机整体图,鼠笼型异步电机剖视图,鼠笼型异步电机外部视图,.,19,四、气隙,定、转子之间的间隙，是主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小主磁路的磁阻，降低励磁电流，提高功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.21.5mm。,.,20,五、异步电动机的铭牌,异步电机的铭牌,铭牌：型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等,型号：Y132S1-2,Y异步电动机；132机座中心高度132mm，S-短铁心；2-极数,.,21,额定值,5）额定功率因数cosN:指电动机在额定负载时定子侧的功率因数；,1）额定功率PN（kW）:指额定运行时转轴上的输出机械功率。,2）额定电压UN（V）:指加在绕组上的线电压；,3）额定电流IN（A）:指定子绕组中的线电流；,4）额定频率f（Hz）:我国工业用频率为50Hz；,6）额定转速nN（r/min）:指电机额定运行时转轴的转速；,.,22,绝缘等级,绝缘等级电动机各绕组及其绝缘部件所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度的分级。常用绝缘材料的技术数据,.,23,防护等级,IP（INTERNATIONALPROTECTION）防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示防尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。,.,24,异步电机是一种与同步电机相对应的交流电机。因其转子转速与定子电流所产生的磁场转速不同，而称为异步电机。又因其定、转子之间没有电的直接联系，是借助于定、转子之间的电磁感应作用实现机电能量转换的，故又称为感应电机。,六、异步电机的特点及分类,.,25,1.异步电机的特点,优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、使用及维护方便、坚固耐用、运行效率较高和适用的工作特性。缺点：目前还不能经济地在较大范围内实现平滑调速；需要从电网吸收感性的无功功率，以建立磁场，因而功率因数较差，总小于1。,常用于风机、水泵、压缩机、起重机、电梯,.,26,2.分类,异步电机,按相数分,按转子结构分,单相异步电机,三相异步电机,绕线型异步电机,鼠笼型异步电机,.,27,旋转磁场的产生,A,X,B,Y,C,Z,iA=Imsint,iB=Imsin(t-1200),iC=Imsin(t+1200),第二节异步电动机基本原理,一、异步电动机转动原理,.,28,三相电流产生的旋转磁场,.,29,转子转动原理示意图,切割磁力线，产生感应电动势,闭合回路，产生电流,产生F，F=BIL,在T=Fr作用下，旋转,.,30,基本原理,定子接三相对称电源，绕组中流过三相对称电流，产生旋转磁场，转速为同步转速旋转磁场切割转子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，在这个力矩驱动下，转子与磁场同方向旋转,异步电动机转子转速总是低于同步转速，且与旋转磁场转向相同。改变相序可以改变转子转向。,.,31,A,Y,C,B,Z,()电流出,()电流入,X,f,f,若要改变旋转方向呢？,任意两相对调,.,32,二、转差率,背景异步电动机的转子电动势和电流取决于旋转磁场转速与转子转速之差，因此分析异步电动机转速变化时，常不直接用转速，而用转差率来表示。,定义同步转速与转子转速之差与同步转速之比值称为转差率，以表示，即,其中,.,33,三、异步电动机的物理情况分析,三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组；转子绕组相当于变压器的副绕组。定子电流产生的旋转磁场将通过定子和转子铁心而构成的闭合磁路，该磁场不仅在转子的每相绕组中产生感应电动势e2，也要在定子的每相绕组中产生感应电动势e1。实际上，旋转磁场是由定子电流和转子电流共同作用产生的。,.,34,定子绕组中由旋转磁场产生的感应电动势有效值为,f1是e1的频率，由同步转速可得,定子绕组的电势平衡方程,.,35,定子电流不仅产生主磁通，还将产生漏磁通,主磁通要通过转子绕组，而漏磁通将不通过转子绕组，则定子电势平衡方程为,式中R1和X1=2f1L1分别为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。它们都很小，对于主磁通产生的感应电动势可忽略，则,.,36,转子绕组的电势平衡方程,转子绕组中由旋转磁场产生的感应电动势有效值为,f2为转子绕组中电流的频率,因为旋转磁场和转子之间的相对转速为(n1n)，所以,结论：转子电流频率与转差率s有关，也就是与转速n有关。,.,37,由此，可得转子感应电动势的有效值为,E2为s=1(或n=0)时转子所产生的感应电动势的有效值,用相量表示，则为,X2与转子频率f2有关，即,结论：转子感抗与转差率s有关其中X20是s=1(或n=0)时的转子感抗,.,38,由上式，可得转子电流为,结论：转子电路的功率因数cos2也与转差率s有关,结论：电动机在启动时，转子电流最大,.,39,四、电磁转矩,（1）物理表达式,1.T与定子每相绕组电压平方成正比。,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。绕线型异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转矩。,由公式可见,.,40,五、机械特性曲线,由前面转矩公式可得电动机的机械特性曲线,研究电动机的机械特性曲线的目的：分析电动机的运行性能,.,41,1.额定转矩TN,例：某机床的主轴电机的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为,.,42,2.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R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻R2,可使Tst=Tmax。,(3)体现了电动机带载起动的能力,(4)Tst必须大于负载转矩时，电机才能起动，否则不能起动（堵转）。,说明,.,43,3.最大转矩Tmax,电机带动最大负载的能力,令：,将sm代入转矩公式,临界转差率,.,44,绕线型电机改变转子附加电阻R2可实现调速,过载系数,.,45,c,b,s=0,s=1,d,e,4.运行分析,启动,负载转矩增加,启动：开始沿dc，转矩达最大Tm，转速n继续，T，沿cb进行；到达b点，T=TL，转速n不再上升，稳定运行,转矩增加,TL,n,s,T,T=TL1,E2,I2,I1,电源提供的功率增加,.,46,异步电动机的运行特性曲线,转子电路运行特性曲线,.,47,六、功率平衡关系,.,48,第三节异步电动机的启动和调速,三相异步电动机接通三相交流电源后，转速由零逐渐加速到稳定转速的过程称为启动。,影响,一、启动性能,起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大,转子感应电势,转子电流,定子电流,异步电动机固有的启动性能是启动电流大，而启动转矩不大。,.,49,二、鼠笼式异步电动机的启动方式,1.直接启动,直接启动是用刀闸开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上。这种启动方式的优点是操作简单，缺点是启动电流大。,就电动机本身而言，笼型异步电动机设计时均允许在额定电压下直接起动。是否采用直接起动，取决于电源容量的大小。若电网容量足够大，起动电流不致引起显著的电压降落，应优先采用直接起动，因为它简单而且起动快；若电源容量不够大，引起电压降落超过15，则应设法限制起动电流，采用降压起动。,.,50,为什么电压降落不允许超过15？,若引起电压降落超过15，则可能导致其它电动机停机。一般电动机的过载能力km1.6（1.8-2.2），若电压降为额定电压的85，则电动机的最大电磁转矩为Tmax=0.8521.6TN=1.156TN若再降低电压，则可导致停机。为了改善大容量的鼠笼式电动机的启动性能，采用了深槽式或双鼠笼式异步电动机。,.,51,1.深槽式异步电动机,深槽式异步电动机也是一种单笼电机，定子与普通鼠笼电动机一样，但转子槽形窄而深（一般槽深与槽宽之比为1012），以增强集肤效应。,左图为深槽中导条的漏磁场分布图，可见在转子导条下部交链的漏磁通比上部多，漏磁通不会饱和，因而槽口附近的磁导率小于槽底附近的磁导率，即槽口附近的漏电抗小，槽底附近的漏电抗大。,.,52,在起动时s1，转子电流频率f2f1，漏电抗较大，是导条阻抗的主要成分，导条中的电流分布近似与电抗成反比，故导条中电流密度的分布由下(槽底)而上(槽口)逐渐加大。,电流密度向导条表面密集分配，相应于导条截面积减小，这种现象称为集肤效应。,.,53,当起动完毕，转速升高，转子电流频率逐渐降低，集肤效应减弱，转子电流分布将逐渐均匀。到正常运行时，f2很低只有1-3Hz，此时转子的漏电抗比电阻小得多，电流按导条电阻均匀分布在导条中，集肤效应消失，即转子电阻、电抗均恢复正常值，从而保证运行时转子铜耗小和效率高的要求，具有较好的运行性能。目前的中小型异步电动机，为增大电机起动转矩，常采用深槽式。,.,54,2.双鼠笼式异步电动机,上笼,黄铜或青铜制成,电阻率大,截面小,电阻R2大,下笼,紫铜制成,电阻率小,截面大,电阻R2小,漏磁通的磁阻大，漏电抗小,漏磁通的磁阻小，漏电抗大,漏磁通的分布,.,55,所以正常运行时转子电阻较小。,在起动时s1，转子电流频率f2f1，转子的频率高,漏电抗大于电阻，电流的分布取决于漏电抗,上笼漏电抗小，电流被挤到上笼,起动时转子有较大的电阻,转子有较高的功率因数，起动转矩大。,正常运行时,转子电流频率f2sf1，转子的频率低,漏电抗远小于电阻，电流的分布取决于电阻,上笼电阻小，电流主要集中在下笼,起动笼,工作笼,.,56,2.降压启动,如果由于电源容量的限制，不能采用直接启动时，就需要采用降压启动来减小启动电流。由于TMU2，降压启动的同时会使电动机的启动转矩也减小，因此降压启动只适用于对启动转矩要求不高的场合。通常降压启动有以下几种方法：电阻降压或电抗降压启动；自耦变压器降压启动；星三角（Y-）连接降压启动。,.,57,1.电阻降压或电抗降压启动在定子电路中串接电阻，或在定子电路中串接电抗，如图所示。,电阻、电抗降压启动,.,58,2.自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动的原理如图所示，图中QJ为自耦变压器。常用的启动自耦变压器又称为启动补偿器。,电动机从电网吸取的电流为,.,59,自耦补偿器,.,60,3.星三角(Y-)连接降压启动星三角(Y-)连接降压启动方法只适用于定子绕组在正常工作时是三角形连接的三相异步电动机。,.,61,Y-连接启动的原理线路,.,62,三、绕线式异步电动机的启动方式,异步电动机转子串入合适的电阻起动，既可以降低起动电流，又可以提高起动转矩。绕线式异步电动机的转子侧串电阻起动，可以很好地改善电机的起动性能。一般要求串入的电阻随转速的升高而逐步切除，所串的电阻一般有两种形式：分段电阻和频敏电阻,.,63,1、转子串电阻分级起动,为了使整个起动过程中尽量保持较大的起动转矩、绕线式异步电动机可以采用逐级切除起动电阻的转子串电阻分级起动。,转子串电阻后对电动机机械特性(Ts曲线)的影响：转子串电阻后，转子的功率因数提高，故电动机的起动转矩提高，但并不是串入的电阻越大，起动转矩越大。,.,64,2、转子串频敏变阻器起动,对于单纯为了限制起动电流、增大起动转矩的绕线式异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动。频敏电阻：频率高电阻大；频率低电阻小；接触器触点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。起动过程结束后，接触器触点K再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。,频敏变阻器：有较大铁耗的变压器,.,65,四、异步电动机的调速,1变频调速(无级调速),频率调节范围：0.5几百赫兹,.,66,1.恒转矩调速变频调速时是以电源频率fN=50Hz为基本频率的。在基本频率50Hz以下变频调速时，由于U1E14.44f1N1kN11，因此如果降低频率而保持电压不变，则随f1的下降将会使磁通1增大，电动机磁路就会越来越饱和，励磁电流也会大大增加，电动机将无法正常运行，故在降低频率的同时，必须降低电源电压，保持,=常数,.,67,2.恒功率调速从基本频率50Hz往上变频调速时，如果也按比例升高电压，则电压会超过电动机的额定电压，这是不允许的，因此只好保持电压不变，频率越往上调，磁通1就越小，是一种弱磁调速的方法，属于恒功率的调速方法。,.,68,.,69,P=2,2变极调速(有级调速),仅适用于鼠笼式电动机，绕线式电动机转子极对数固定不适用（定、转子绕组极对数相同时才能正常运行）,.,70,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。,.,71,3.变转差率调速(无级调速),变转差率调速是绕线型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。,.,72,五、异步电动机的简单故障分析,电气方面：主回路、控制回路,机械方面：负载,.,73,第四节直流电动机基本原理与结构,一、直流电动机的构成,.,74,二、直流电动机的基本原理,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极，此时电枢线圈中将电流流过。,.,75,当电枢转过半周时，原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,换向器和电刷的作用,将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电把外面不转的电路与转动的电路连接,实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,.,76,三、直流电动机的结构,主磁极,机座,端盖,转轴,轴承,直流电机,换向磁极,电刷装置,电枢铁心,电枢绕组,换向器,.,77,主磁极其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。铁心的上部叫极身，下部叫磁靴。磁靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。机座有两个作用，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电机的机械支撑。换向极换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机格不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。电刷装置其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电机外部直流与内部交流的互换。,1.定子部分,.,78,转子是直流电机的重要部件。由于感应电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。电枢铁心有两个作用：一是作为磁路的一部分；二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁心通常采用0.350.5mm硅钢片冲压叠成。电枢绕组作用是产生感生电动势和电磁转矩，从而实现电能和机械能的相互转换。,2.转子部分,1转轴；2轴承；3换向器；4电枢铁心；5电枢绕组；6风扇；,.,79,换向器是直流电机的关键部件，它与电刷配合，在直流电机中，能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内,直流电机的换向片,.,80,第五节直流电动机的励磁方式,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。按励磁方式不同可分为：他励、自励（并励、串励和复励）。,1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。,他励直流电动机的电枢电流和负载电流相同，即：,.,81,2、并励：电动机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足,3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。且满足,励磁电流随电压变化而变化,极少采用,.,82,4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。,.,83,第六节直流电动机的运行,一、直流电动机的基本方程,产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。根据公式推倒，得,TL=T2+T0，TL负载转矩，T2机械转矩，T0空载转矩。,T电磁转矩,T=TL,电动势,回路方程,.,84,二、机械特性,公式推导,他励直流电动机,.,85,人为机械特性,电枢回路电阻,变电枢电压,变气隙磁通,为了满足生产机械加工的要求,还需要人为地改变电动机的参数,从而获得新的机械特性,称此为人为机械特性,从机械特性方程中可知,人为改变的参数有电枢电压、电枢回路电阻、气隙磁通，从而可得到三种人为机械特性。,.,86,三、直流电动机的启动方法,电枢起动电流应限制到允许值之内具有足够量的起动转矩,启动要求,启动方法,直接启动：一般不采用的原因电枢串电阻启动降压启动,.,87,电枢串电阻启动,起动过程分析串入全部的电枢电阻通电起动，进入第一组起动当到达切换点A，第一级起动完成切除第一级电阻r1，电枢电流增大，电磁转矩增大，进入第二级起动点B，转速沿BC继续上升，重复上述过程，到C点后完成第二组起动切除第二级电阻r2，进入第三级起动点D，转速上升到E点后，完成第三级起动切除第三级电阻r3，进入固有曲线F点，最后转速沿固有曲线上升到稳定运行点,.,88,降压启动,启动过程与前面分析类似,.,89,第七节直流电动机的调速,在机械负荷不变的条件下，改变电动机的转速叫调速。即用人为的方式，改变电动机的参数，使其转速改变，达到预定的转速运行。,他励直流电动机调速方法,1.改变电枢回路电阻调速,保持直流电机的输入电压不变，保持额定励磁不变，电枢回路串入附加电阻，其工作特性与机械特性为:,.,90,过程分析设调速前电机稳定运行于固有特性（曲线1）A点，电磁转矩等于负载转矩，转速n1。串入电枢电阻R瞬间，转速不能突变，因此电流、转矩减小，切换到人为特性曲线2上的E点，由于这时的电磁转矩小于负载转矩T1，电机作减速运动，转速下降随着转速降低，反电势下降，电流回升，电磁转矩回升,直到B点，电磁转矩与负载转矩相等，电机达到稳定运行。若串入的电阻更大，则曲线越软，运行转速越低。,.,91,电枢回路串电阻调速特点：属于恒转矩调速性质由于串入电枢电阻，其转速降低，在调速范围内不会超过额定转速，一般称在基速以下调速。理想空载转速不变，斜率随电阻的增在而增大，特性越软。串入的电阻越大，则电枢电阻损耗越大，转速越低，输出机械功率越小，所以电机工作效率越低，其效率与速度成正比。,.,92,2.改变电压调速,过程分析降低给电枢供电的电源电压时，电动机由原先稳定的特性曲线A点，切换到降压后的特性曲线C点，通过减速过程，到B点处，电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，稳定运行于B点。,特点属于恒转矩调速性质由于电枢端压不允许超过其额定值，其转速就降低，在调速范围内不会超过额定转速，一般称在基速以下调速。输入电压降低，输入功率减小，转速下降，输出功率减小，其损耗基本不变，所以调压调速的效率是较高的。,.,93,3.改变励磁调速（弱磁调速）,直流电动机在额定工作状态时，其磁