机电传动控制交流电动机的工作原理及特性

HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,5.交流电动机的工原理及特性,5.1三相异步电动机的结构和工作原理5.2三相异步电动机的定子和转子电路5.3三相异步电动机的转矩与机械特性5.4三相异步电动机的启动特性5.5三相异步电动机的调速方法与特性5.6三相异步电动机的制动特性5.7单相异步电动机5.8同步电动机,本章内容安排：,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第三章直流电动机的工作原理及其特性重点和难点,重点：,（1）掌握异步电动机的机械特性，特别是人为机械特性，它是分析异步电动机启动、调速、制动工作的依据；,（2）异步电动机的铭牌数据、额定值的含义；,（3）异步电动机直接启动和Y-降压启动的条件和优缺点、线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合。,难点：,（4）异步电动机变频调速和变极对数调速的特性和优缺点；,（1）定子旋转磁场与转子运动的相对性；（2）电动机的制动过程。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,三相异步电动机的基本结构,包括定子和转子两部分。定子是固定不变的部分，转子是旋转部分。,定子绕组是对称的三相绕组，产生旋转磁场。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。转子有鼠笼式和绕线式。鼠笼式异步电动机，应用广泛。,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,三相异步电动机的基本结构,定子三相对称绕组AX，BY，CZ，可连接成星形或三角形,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,转差率S是分析异步电动机运行情况的主要参数,转差率,n0同步转速n电动机转速,基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用,三相异步电动机的工作原理,转子(n)和旋转磁场(n0)之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的产生,图中A、B、C和X、Y、Z分别代表各项绕组的首端和末端,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的产生,合成磁场方向向下,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的产生,同样的方法可得到，其它电流角度下的磁场方向如下：,结论：当三相电流随时间变化时，合成磁场的方向在空间产生旋转磁场,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的旋转方向,旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致,要改变旋转磁场的旋转方向（即改变电动机的旋转方向）时，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可,ABC,ACB,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的极数和旋转速度,极对数(p)的概念,此种接法下，合成磁场只有一对磁极，极对数为1。,即：,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的极数和旋转速度,极对数(p)的概念,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的极数和旋转速度,极对数(p)的概念,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1.3三相异步电动机的旋转磁场,旋转磁场的极数与旋转速度,旋转磁场转速（同步转速）,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.1.4定子绕组线端连接方式,铭牌：Y/定子绕组接法380/220不同接线应加的线电压值,电工专业标准规定：定子绕组出线端的首端是U1、V1、W1，末端是U2、V2、W2,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于原绕组，转子绕组相当于副绕组。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,5.2.1定子电路的分析,通过每项绕组的磁通随时间按正弦规律变化,即：,忽略漏磁,每相绕组中产生的感应电动势,其有效值,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,5.2.2转子电路的分析,其有效值,E20转子未转动感应电势,转子每相绕组中感应出的电动势,在n=0时，,最大值,转子电流的频率随速度的变化而变化。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,转子电路功率因素为(I2迟后E2一个2角),5.2.2转子电路的分析,设转子回路每相绕组的电阻和漏磁感抗为R2和X2，且有：,则转子每相回路电流为：,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,5.2.2转子电路的分析,可见：转子电路中的各个物理量均与S有关，即与转速有关。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,电动机铭牌上的额定数据：（1）型号（2）额定功率PN电动机轴输出机械功率（3）额定电压UN定子绕组端应加的线电压（4）额定频率f（5）额定电流IN（6）额定转速nN（7）工作方式（定额）（8）温升（或绝缘等级）（9）电动机重量,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,5.2.3三相异步电动机的额定值,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,定子铜损,转子铜损,定子铁耗,机械损失功率,输出的机械功率,输入定子电路的电功率,输入转子的电磁功率,电动机的输出功率,电动机的机械功率,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,电动机的效率，输出功率与输入功率的比值,电动机效率随负载增大而提高，通常在接近额定负载时，效率达到最大值,若转子铜耗和机械效率损失忽略不计，则,一般额定负载时的效率为0.70.9,式中T电动机的电磁转矩T2电动机的输出转矩,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,所有作用于转子导体上的力将产生同一方向的转距,作用于转子各导体上的力互相抵消，转距为零,各导体受力方向不尽相同，同样的电流和磁通下，产生的转距比等于1时小,5.3.1三相异步电动机的转矩,电磁转矩是一个非常重要的物理量，它与磁通、和I2有关，还应考虑转子电路的功率因素。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.1三相异步电动机的转距,由,可得,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.1三相异步电动机的转距,在式5.27中,K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数U、U1定子绕组相电压、电源相电压；R2转子每相绕组的电阻；X20电动机不动（n=0）时转子每相绕组的感抗；,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,n=f(T)机械特性曲线,式5.27所表示的T=f(S)通常叫做T-S曲线,异步电动机中n(1-S)n0，为了符合习惯画法，将T-S曲线转换成转速与转距之间的关系的n-T曲线，即,n=f（T）称为异步电动机的机械特性,有固有机械特性和人为机械特性之分,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.2三相异步电动机的机械特性,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,1.固有机械特性,（1）T=0，n=n0(S=0)，理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速n0;,（2）T=TN，n=nN(S=SN)，理想额定工作点;,（3）T=Tst，n=0(S=1)，电动机的启动工作点;,（4）T=Tmax，n=nm(S=Sm)，临界工作点;,异步电动机在额定电压和额定功率下，用规定的接线方式，定子和转子电路不串联任何电阻或电抗时的机械特性。,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.2三相异步电动机的机械特性,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,由Tmax=KU2/(2X0)sm=R2/X20得到,几个概念,1.过载能力系数：表征了电动机承受冲击负载的能力大小,m=Tmax/TN,2.启动能力系数：衡量异步电动机启动能力的重要数据,st=Tst/TN一般st=1.01.2,3.规格化转矩-转差率特性,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.2三相异步电动机的机械特性,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,2.人为特性曲线,从5.27式中可以看出，改变定子电压U、定子电源频率f、电子电路传入电阻或电抗、转子电路传入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.2三相异步电动机的机械特性,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,2.人为机械特性降低电动机电源电压的人为机械特性,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.2三相异步电动机的机械特性,电压降低后人为特性的特点：,n0、Sm不变，而Tmax与U的平方成正比，对U敏感；,2.电压越低，机械特性越往左移；,3.TL不变下，S增大，I增大，将使电动机发热甚至烧坏。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,2.人为机械特性定子电路接入电阻或电抗时的人为机械特性,特性变化的特点：1.n0、Sm不变；2.最大转矩比直接降低电源电压时的最大转矩大一些；3.机械特性变软；,第五章交流电动机的工作原理及特性5.3三相异步电动机的转距与机械特性,5.3.2三相异步电动机的机械特性,定子回路串电阻或电抗，会引起电动机端电压下降，与降压相似，但最大转矩要大一些。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,f2f1n0，S=(n-n0)/n00，电动机进入发电状态。此时转子反向切割磁力线，故电流、转矩均反向，T起制动作用。,反馈制动又称发电制动，这时异步电动机实际上是一个与电网并联运行的发电机。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.6三相异步电动机的制动特性,5.6.1反馈制动,异步电动机的反馈制动状态两种情况：,1）负载是位能转矩的下放重物时；如桥式吊车等。,2）发生在变极或变频调速时，极对数突然增多或供电频率突然降低；如双速电动机等。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.6三相异步电动机的制动特性,5.6.2反接制动,1.电源反接制动,正转运行时，突然改变通电相序，特性曲线变到第三象限，由于惯性作用，N不能突变，只能过渡到第二象限。,由于电源反接，T变负，与N相反，成为制动转矩，与负载转矩一起，使电机减速并停止。制动时工作点abc,过零时切断电源,否则电动机将反向启动,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.6三相异步电动机的制动特性,5.6.2反接制动,1.电源反接,由于反接制动电流很大，对于鼠笼式，常在定子电路中串接电阻，对于线绕式，则在转子电路中串电阻。机械特性曲线变为3，制动时工作点ade,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.6三相异步电动机的制动特性,5.6.2反接制动,1.倒拉制动,倒拉制动出现在位能负载超过电磁转矩的时候，如起重机下放重物。,起重机下放重物时，为使下降速度不致太快，在转子中串入较大的电阻。,在位能性负载的作用下，电动机沿曲线2减速过零，并在d点稳定运行。,进入第四象限后，n变负，S大于1，是反接制动。它是一种能稳定运转的制动状态。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.6三相异步电动机的制动特性,5.6.3能耗制动,较常用的准确停车的方法,能耗制动是先断开电源，加低压直流电于定子，建立一个固定不变的磁场。,则转子导体内的电流与该磁场相互作用，产生与实际运转方向相反的制动转矩，在它的作用下，电动机迅速下降并能准确停车。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.7单相异步电动机,5.7.1单相异步电动机的磁场,定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式。,由于单相电产生交变脉动磁场，磁场在空间不旋转，磁通和磁感应强度的大小随时间做正弦变化。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.7单相异步电动机,5.7.1单相异步电动的磁场,按照正弦规律变化的脉动磁场，可分解为两个转速相等而方向相反的旋转磁场，其磁感应强度为,同步转速,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.7单相异步电动机,5.7.1单相异步电动的磁场,结论：,（1）在脉冲磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，启动转矩为零；,（2）一旦启动，能自行加速到稳定运行状态，转向不固定，取决于启动转向；,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.7单相异步电动机,5.7.2单相异步电动启动方法,电容分相式异步电动机,在定子中嵌入运行绕组AX和启动绕组BY，并使它们相互垂直，适当选择电容参数，使BY绕组电流超前AX绕组电流90度，通电后可产生旋转磁场，实现启动。方向由相位超前绕组BY转向滞后绕组AX。其规律与三相电相同。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.7单相异步电动机,5.7.2单相异步电动启动方法,电容分相式异步电动机,电容分相启动电动机,电容分相运转电动机,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.7单相异步电动机,5.7.2单相异步电动启动方法,欲使电动机反转，必须改变电容器的串联位置来实现。即改变QB的接通位置。,洗衣机中的电动机，就是靠定时器中的自动开关来实现这种切换。,HTTP:/WWW.ZZU.EDU.CN郑州大学机械工程学院,第五章交流电动机的工作原理及特性5.8同步电动机,5.8.1同步电动机的基本结构,分定子和转子两大部分。定子由铁芯、定子绕组（电枢绕组）、机座和端盖等部分；转子则包括主磁极、直流励磁绕组、鼠笼启动绕组、电刷以及集电环等部件；,按转