机电传动控制4交流电动机的工作原理及特性

第四章,交流电动机的工作原理及特性,本章要点:,了解异步电动机的基本结构和工作原理掌握旋转磁场产生的机理；掌握异步电动机的机械特性;掌握异步电动机启动、调速、制动的方法；学会用机械特性的四个象限分析电动机运行状态；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、工作原理、运行特性;掌握各种异步和同步电动机的使用场所。,第四章交流电动机的工作原理及特性,第一节三相异步电动机的结构和工作原理,交流电机,异步电机、异步电动机,同步电机,三相异步电动机,同步发电机,同步电动机,单相异步电动机,分类:,一、基本结构,转子,第一节三相异步电动机的结构和工作原理,定子,一、基本结构,转子,第一节三相异步电动机的结构和工作原理,定子,三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流在定子铁心中产生旋转磁场。,一、基本结构,转子,第一节三相异步电动机的结构和工作原理,定子,线绕式和鼠笼式的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。,鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成。,线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。,第一节三相异步电动机的结构和工作原理,一、基本结构,转差率,所以这种电动机称为异步电动机，也叫感应电动机。,定子线圈通三相交流电产生旋转磁场相当于转子切割磁力线运动在转子回路中产生感应电流(右手定则)带电导体在旋转磁场中受到电磁力(左手定则)产生电磁转矩使转子转动(方向与旋转磁场同向)电动机转动.,二、工作原理,第一节三相异步电动机的结构和工作原理,转子与定子磁场的转速不同,电流正方向为：从各相绕组的首端流到末端为正。AXBYCZ,第一节相异步电动机的结构和工作原理,三、旋转磁场的形成,1、过程分析,abcd,三、旋转磁场的形成,2.旋转磁场的旋转方向,ACBACB,三、旋转磁场的形成,结论：旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。,任意两根导线对调就可以改变磁场旋转方向,3.旋转磁场的极数与旋转速度,上述分析可以得出：电流经过一个周期变化（变化360电角度），旋转磁场在空间上也转过一转（转了360机械角度），若电流频率为f，旋转磁场每分钟旋转60f转，即n0=60f（一对极）。若将定子做如下改变：,三、旋转磁场的形成,结论：因此若有p对磁极，则磁场的转速为：n0=60f/p,过程分析：绕组在空间对称分布，相隔60度。电流变化1次，磁场在空间转过1/2转。此时，磁极对数p=2。,3.旋转磁场的极数与旋转速度,一、定子绕组的连接方式,当电动机接入电源的线电压等于电动机的额定相电压时，应接成三角形；若是相电压的倍，应接成星形。如：铭牌标有和380/220时，电源线电压为380V时接成星形，为220V时接成三角形。,第二节三相异步电动机的额定参数,例电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。,1.J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流4.25/2.45A，转速1420r/min，功率因数0.79。,2.J02-21-4，功率1.1kW，连接方法，电压380V，电流6.27A，转速1410r/min，功率因数0.79。,解：J32-4电动机应接星形（Y），如图(a)所示。J02-21-4电动机应接成三角形（），如图(b)所示。,第二节三相异步电动机的额定参数,1线电压与相电压,线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；,相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。,对于星形接法：,对于三角形接法：,2线电流与相电流,线电流：电网的供电电流，用I1表示；,相电流：每相绕组的电流，用I相表示。,星形接法：,三角形接法：,3.电动机的输入功率,一、定子绕组的连接方式,第二节三相异步电动机的额定参数,1)型号，如Y90S-4、Y112M-4；2)额定功率PN：在额定情况下，电动机轴上输出的机械功率;3)额定电压UN：在额定情况下，定子绕组应加的线电压值;4)额定频率f：在额定情况下，定子外加电压的频率;5)额定电流IN：在额定情况下，定子的线电流值;6)额定转速nN：在额定情况下,电动机的转速;7)温升(或绝缘等级)。,二、三相异步电动机的额定值,第二节三相异步电动机的额定参数,根据以上数据求出其他额定值：1)额定功率因数cosN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦cosN。P=3UPIPcosN.,2)额定效率：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为：,3)额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时,电机轴上的负载转矩。,第二节三相异步电动机的额定参数,三、三相异步电动机的能流图,第二节三相异步电动机的额定参数,第三节三相异步电动机的转矩与机械特性,1、定子电路,一、三相异步电动机的定子与转子电路,第三节三相异步电动机的转矩与机械特性,二、转子电路,第三节三相异步电动机的转矩与机械特性,第三节三相异步电动机的转矩与机械特性,第三节三相异步电动机的转矩与机械特性,可见,三相异步电动机的转子电路的各个物理量如:转子感应电势E2、I2、X20、cos2等都与转差率S有关，也即与转速n有关。,第三节三相异步电动机的转矩与机械特性,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：,讨论：1）当cos2=1，纯电阻性负载，I2与E2同向；2）当cos2TL，且启动转矩越大越好；启动电流IST越小越好，一般IST(4-7)IN；启动平滑，以减小对机械的冲击；启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便；启动功耗越小越好；其中，前两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。,第六节三相异步电动机的启动特性,一、对电动机启动的主要要求；,启动电流大,启动转矩小,二、异步电动机的启动特性：,第六节三相异步电动机的启动特性,特点：直接启动电流大，由于功率因数低，启动转矩小。,三、鼠笼型异步电动机的启动方式：(1)全压直接启动(2)降压启动,第六节三相异步电动机的启动特性,1.直接启动（全压启动）将电动机的定子绕组通过闸刀开关直接接入电源，在额定电压下进行启动。,1.直接启动（全压启动）,特点：控制线路简单；维修工作量小；启动电流大；,应用场合：用于中、小容量的异步电动机启动。,第六节三相异步电动机的启动特性,三、鼠笼型异步电动机的启动方式：,直接启动的条件：独立变压器供电时：电动机启动频繁，电机功率小于变压器容量20，电动机不经常启动，电机功率小于变压器30。没有独立的变压器供电(即与照明共用电源)：电动机启动比较频繁，满足下列关系则可直接启动。,第六节三相异步电动机的启动特性,1.直接启动（全压启动）,2.降压启动启动时先降低电压，当转速接近额定值时，再恢复到额定电压。适用于启动时负载转矩不大的情况，如轻载或空载。常用的降压启动方式有：定子串电阻或电抗器降压启动Y降压启动自耦变压器降压启动,第六节三相异步电动机的启动特性,特点：,1）定子电路串电阻或电抗器降压启动,第六节三相异步电动机的启动特性,启动转矩小，适用于轻载或空载场合。电阻器上的消耗能量大，不适应频繁启动场合，而电抗器成本太高。,2.降压启动,启动时，定子绕组连成Y形，转速接近额定转速时，将定子绕组连成形,电动机进入正常运行。,2）Y降压启动,优点：设备简单、经济；启动电流小；缺点：启动转矩小；启动电压不能按实际需要调节。,适用场合：空载或轻载启动,且正常运行时,定子绕组为三角形连接的异步电动机。,第六节三相异步电动机的启动特性,2.降压启动,星-角启动电流、启动转矩的相互关系：,第六节三相异步电动机的启动特性,UL电源电压Z一相绕组的阻抗,3）延边降压启动,特点：,与Y降压启动相比，相电压增大，且Y形部分绕组越小，电压越大。因此TST、IST都增加。,第六节三相异步电动机的启动特性,2.降压启动,4）自耦变压器降压启动,启动原理：,Ul/U2=Nl/N2=1/K，I1/I2=K，KIfn，cos1；,欠励：IfIfn，cos1；,阻性,感性,容性,3.同步电动机的启动,分析：,结论：平均转矩为零,不能直接启动。,第十节同步电动机的工作原理、特点及应用,异步启动法：,第十节同步电动机的工作原理、特点及应用,1）转子装有启动绕组，启动时，先断开直流电源，直接通过变阻器构成闭合回路；2）按鼠笼式异步电动机的方法启动，给电动机的定子绕组加上额定电压。必要时可采用降压启动；,3）当转子转速升高到接近同步转速，将励磁绕组与直流电源接通，转子上形成固定磁极，并很快被旋转磁场拖入同步；,特点：双重励磁和异步启动；结构复杂；需要直流电源；启动和控制设备昂贵；,运行速度恒定、功率因数可调、运行效率