机电传动控制教案4.ppt

第五章交流电动机的工作原理及特性,要求：了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生掌握异步电动机的工作原理和机械特性。掌握异步电动机启动、调速和制动的方法，会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理；了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法；掌握各种异步电动机和同步电动机的使用场所。,5.1三相异步电动机的结构和工作原理,一、三相异步电动机的基本结构,定子和励磁线圈,转子和转子线圈,定子和转子硅钢冲片,三相对称绕组AX，BY，CZ,鼠笼转子结构,A,B,C,外接变阻器（启动和速度调节）,滑环和电刷,绕线转子结构,二、三相异步电动机的工作原理,三相交流电,定子三相绕组,N-S主磁场以n0顺时针旋转,顺时针,TM产生条件是n0和n相对运动,转差率,n0同步转速n转子转速,工作原理要点,三相交流电通过定子绕组产生旋转磁场旋转磁场与转子绕组之间存在相对运动转子绕组切割磁力线从而产生感应电势转子绕组为闭合回路，在感应电势作用下产生感应电流转子绕组成为载流导体，在磁场中受到电磁力（矩）的作用，从而使转子旋转转子转速始终低于旋转磁场的转速(同步转速),三、三相异步电动机的旋转磁场,1.旋转磁场的产生,主磁场N-S顺时针旋转180度（旋转磁场n0在一对极p=1时）,旋转磁场的产生,2.旋转磁场的旋转方向,三相交流电流最大值到达的顺序（相序）决定电动机转向。ABC电流ABC定子绕组（顺时旋转）,ABC电流ACB定子绕组（逆时旋转）,3.旋转磁场的极对数与旋转速度,旋转磁场转速（同步转速）,磁场转了90度,n0r/minfHZp极对数（p=1、2、3）,四极旋转磁场与旋转速度,四极旋转磁场与旋转速度,旋转磁场转速（同步转速）,n0r/minfHZp极对数（p=1、2、3）,四、定子绕组线端连接方式,出线端排列,短路片,线电压,相电压,铭牌：Y/接线方式380/220不同接线应加的线电压,5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,一、定子电路分析,定子每相绕组的感应电势为,有效值为,忽略漏磁,转子感应电势有效值为,E20转子未转动感应电势,二、转子电路分析,转子感应电流有效值为,E20转子未转动感应电势X2-转子每相绕组漏磁感抗,转子电路功率因数为(I2滞后E2一个2角),转子电路分析,转子电路的分析,三、三相异步电动机的额定值,电动机铭牌上的额定数据型号额定功率PN(输出的机械功率)额定电压UN(220/380V/Y)额定频率f(50HZ)额定电流IN(10.35/5.9A/Y)额定转速nN(额定转差率SN)工作方式(定额)温升(或绝缘等级)电动机重量,型号组成,1）产品代号部分2）规格代号部分3）特殊环境代号4）补充代号部分,绝缘等级和防护等级IPn1n2,冷却方式和工作定额,空气冷却：自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风液体冷却闭路循环气体冷却表面冷却、内部冷却工作定额分S1S8：连续、短时、继续、周期等,电动机铭牌上不标的额定数据,额定功率因数cosN额定效率N,额定转矩TN绕线式异步电动机转子静止时滑环电压和转子额定电流通常手册上给出的数据就是额定值,解(1)E1=4.44f1N1=4.445O3200.0231634V(2)转子绕组开路时，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压)E20=4.44f2N2=4.44f1N2=4.4450200.023=102V(3)求E2NE2N=SNE20=2.9V,例1、有一台三相四极的异步电动机，Y连接，其额定技术数据为PN=90kW，UN=380V，IN=229A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=285，定子每相绕组匝数N1=320，转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通0.023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1：(2)转子每相绕组开路电压E20：(3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N。,例题,例2有一台三相四极的异步电动机，其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02，X20=0.08，电源频率f1=50Hz，E20=20V，试求：(l)电动机的同步转速n0：(2)电动机启动时的转子电流I2st：(3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N；(4)电动机在额定转速时的转子电流I2N解(1)n0=60f1/P=6050/2=1500r/min(2),(3)SN=(n0-nN)/n0=(1500-1440)/1500=0.04f2N=SNf10.0450Hz=2Hz,(4),四、三相异步电动机的能流图,输入定子的电功率,定子电路中的铜损,转子电路中的铜损,输入转子的电磁功率,铁损(磁滞和涡流损耗),机械损失功率,输出的机械功率,电动机的效率,电动机的输出功率,T-电动机的电磁转矩T2-电动机的输出转矩,5.3三相异步电动机的转矩与机械特性,一、三相异步电动机的转矩直流电动机的转矩,三相异步电动机的转矩,U,U1-定子绕组相电压，电源电压；R2-转子每相绕组的电阻；X20-n=0时转子每相绕组的感抗；K-三相异步电动机的转矩常数。,二、三相异步电动机的转矩特性,cos2对T的影响,三、三相异步电动机的机械特性nf(T),T=f(S)T-S曲线,n=n0,n=0,T,n=f(T)机械特性曲线,机械特性分类,固有机械特性：异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性人为机械特性：改变定子电压U，定子电源频率f，定子电路串入电阻或电抗，转子电路串入电阻或电抗等得到的异步电动机的机械特性。,理想空载转速n0额定工作点T=TNTN=9.55PN/nNSN=(n0-nN)/n0(0.060.015)nN=(0.940.985)n0启动工作点Tst(n=0,s=1)临界工作点(T=Tmax,s=sm)dT/ds=0sm=R2/X20Tmax=KU2/(2X20),固有机械特性,过载能力系数m=Tmax/TNm=2.02.2启动能力系数st=Tst/TNst=1.01.2转矩-转差率实用公式T/Tmax代入sm=R2/X20化简得,Tmax=KU2/(2X0)sm=R2/X20,固有机械特性,降低电源电压的人为特性,电压降低后特性变化的特点：n0、Sm不变；Tmax大大减小，对U敏感；机械特性变软；TL不变下，SI温度升高。,0.25Tmax,0.64Tmax,人为机械特性,特性变化的特点：n0、Sm不变；Tmax比较小的减小(同降压引起Tmax下降相比)；机械特性变软；,定子电路串入电阻或电抗的人为机械特性,特性变化的特点：n0、Sm改变，机械特性基本不变；,ff1f2,改变电源频率时的人为机械特性,转子电路串入电阻（绕线式电动机）的人为机械特性,特性变化的特点：Sm增大，机械特性变软；,5.4三相异步电动机的启动特性,三相异步电动机的启动要求启动转矩要足够大；满足启动转矩要求下，启动电流要小。,1、直接启动2、降压启动电阻或电抗器降压启动Y降压启动自耦变压器降压启动延边三角形启动,鼠笼式异步电动机的启动方法,2、工业与照明共用电源，电动机启动比较频繁，按经验公式估算。,1、有独立变压器供电电动机启动频繁，电动机功率=变压器容量的20时,允许直接启动；电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30时，允许直接启动；,特点：无需附加启动设备，且操作和控制简单、可靠,直接启动（全压启动）,例题,例、有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN20KW，IstIN6.5，如果供电变压器(电源)容量为560kVA，且有照明负载,问可否直接启动?当IstIN6.5，功率为多大的电动机则不允许直接启动?,解：（1）根据IstIN6.524kw时，电动机不允许直接启动。,2.串电阻、电抗降压启动,缺点：机械特性变软消耗能量大，不适合经常启动的电动机,3.Y-降压启动,IstY=Ist/3TstY=Tst/3,优点；简单、经济、电流小。缺点；只能应用于正常工作方式为三角形接线的电机(4KW以上，额定电压380v、接线。),4.自耦变压器降压启动,优点:电压可调、电流小。缺点:变压器体积大、价格高。不能应用于频繁启动电机。,优点：电流、启动转矩大（同Y-相比）；缺点：对定子绕组出线有特殊要求,5.延边三角形启动,6、软启动器,软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转速时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。,1.逐级切除启动电阻法,优点:电流小、启动转矩大。缺点:电阻上的损耗大。,绕线式异步电动机的启动方法,2.频敏变阻器启动法,优点：电流小、结构简单、无需维修。启动转矩较大。适用于：对调速沒有要求、经常正反转、启动转矩要求不大的冶金、化工设备上。缺点；不能用作调速电阻。,n=0，S=1f2=Sf1RXITn=nNf2R=X0相当于转子短路，启动完毕,绕线式异步电动机的启动方法,四、特殊鼠笼式电动机,1.双鼠笼电动机启动时：,黄铜(启动),紫铜(工作),正常工作：,集肤效应电流集中在导体上部（启动时）,100千瓦以上鼠笼电机都做成双鼠笼式或深槽式,深槽电机,5.5三相异步电动机的调速特性,只要改变Tmax、Sm、f、P就可改变速度,调速方法,改变极对数调速变转差率调速：调压调速、转子电路串电阻调速、串级调速（控制附加在转子回路的电势）、电磁转差离合器调速（通过改变电磁离合器的励磁电流来实现调速（异步电动机本身并不调速）变频调速,改变极对数调速,2P,P,2P,P,改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不变。启动时宜低速启动。,改变极对数调速,离心风机,不同负载下可有不同的调速范围,变转差率调速1、调压调速,调压调速时的损耗及容量限制,1.转差功率为（电磁功率）（机械功率）低速时，损耗。2.不适合于长期工作在低速的工作机械。3.特别适合于通风机及泵类等机械。（TL=Kn2）,特点：1、只适用于线绕式异步电动机；2、有级调速；3、随转速降低，特性变软；4、转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。重复短期运转的生产机械,2、转子串电阻调速,3、串级调速,串级调速是指线绕式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。,附加电势的方向（或相位）与转子电势E2相同超同步转速调速与转子电势E2相反低于同步转速调速2.附加电势的频率与E2的频率相同,4、电磁转差离合器调速,电磁调速电动机由鼠笼式电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。,电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。,电磁调速电动机的调速特点,装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐影响；速度损失大、效率低。适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。,适用于鼠笼式电动机,变频调速,T与n方向相反,5.6三相异步电动机的制动特性,一、反馈制动,T与n方向相反,变极或变频调速时反馈制动,反馈制动,T与n方向相反,二、反接制动,1.电源反接制动,n0方向改变T,TL同向,abc断电因为反接电流很大，实际串电阻后应ade特点：制动强烈、控制复杂、不准确、能耗大，需反转场合。,T与n方向相反,2.倒拉反接制动,提升工作在a点下放时串电阻改变机械特性a乛b乛c乛d点。特点：能耗大、电阻大小要适当，起吊机械。,三、能耗制动,特点：制动效果不如反接制动强度大，制动平稳，准确停车，需直流设备，应用于准确停车和下放重物设备上。,5.7单相异步电动机,一、单相异步电动的磁场,单相异步电动的磁场,正向,反向,合成T-S曲线,2.在外力矩作用下能加速到稳定运行状态，转向不固定.,脉动磁场的TS曲线,正向,反向,合成机械特性,单相异步电动的启动方法,1.电容分相式异步电动机,移相电容,离心开关,iB电流超前iA电流90度,1.电容分相式异步电动机,圆形旋转磁场的条件：两相相差90度等幅值的交流电通入两相在空间相差90度的对称绕组.,单相异步电动的启动方法,电容分相式异步电动机的转向,转向取决于电流最大值到达的顺序。或对调两绕组的任一绕组的接线。,罩极铜环,罩极铜环,注意：罩极电动机的转向不可改变。,2.罩极式异步电动机,5.8同步电动机的工作原理、特点及应用,同步电动机的基本概念,同步电机：旋转速度和旋转磁场的转速相同。组成结构：和异步电动机的不同之处是转子有励磁绕组、启动绕组，有时是永磁铁。作用：1、电动机（伺服电机）2、发电机3、功率补偿电机,适用于大功率高电压的场合,气隙不均匀（低速电动机1000r/min以下）,气隙均匀（高速电动机）,直流励磁（电刷、集电环）,同步电动机的基本结构,（一）组成部分1、定子：铁心，定子绕组，机座，端盖；2、转子：主磁极，直流励磁绕组，鼠笼型启动绕组，电刷，集电环,二、同步电动机的工作原理和运行特性,n不随负载变化，恒定转速。,同步电动机的最突出的优点,调节同步电动机转子的直流励磁电流If，便能控制同步电动机的功率因数的大小和性质,1、正常励磁状态cos1,电动机的全部磁动势都由直流产生，定子电流与外加电压同相。同步电动机的所需的磁动势由定子和转子共同产生转子励磁电流If产生磁通f，而定子电流产生磁通0，总的磁通为两者的合成当外加三相交流电源的电压U为一定时，总的磁通也应该为一定因此，当改变同步电动机转子的直流励磁电流If使f改变时，如果要保持总磁通不变，那么，0就要改变，故产生0的定子电流必然随着改变，则功率因数改变。所以我们可以利用调节转子的励磁电流来使cos1,2、欠励状态,直流励磁电流小于正常励磁电流时的状态直流励磁的磁动势不足，交流电源还必须要供给一部分励磁电源，以保证总磁通不变定子电路成为电感性电路定子电路的输入电流滞后于电压，功率因数1，定子电流大于正常励磁状态时的电流值,3、过励状态,直流励磁电流大于正常励磁电流时的状态。直流励磁过剩，交流电源需向电网发出电感性电流与电感性无功功率，补偿电网附近电感性负载的需要，提高整个电网的功率因数。