电机电器及其控制技术PPT课件

1、电气工程概论1控制电机阀门控制火炮控制计算机驱动各种机械和装备电动机机床水泵电能的生产、传输和分配发电机变压器电机的作用第1页/共86页电气工程概论218311831年年法拉第创造了第一部感应发电机的模型法拉第创造了第一部感应发电机的模型18341834年年雅可比发明了功率为雅可比发明了功率为15W15W的棒状铁芯电动机的棒状铁芯电动机18361836年年达文波特首先尝试用电动机驱动机械达文波特首先尝试用电动机驱动机械18451845年年惠斯通用电磁铁替代永久磁铁制成第一台电磁铁发惠斯通用电磁铁替代永久磁铁制成第一台电磁铁发电机电机18661866年年西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机西

2、门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机18701870年年格拉姆制成了环形电枢自激发电机格拉姆制成了环形电枢自激发电机18781878年年出现了铁芯开槽法。有槽铁芯和鼓形绕组的结构一出现了铁芯开槽法。有槽铁芯和鼓形绕组的结构一直沿用至今直沿用至今18801880年年爱迪生制造了名为爱迪生制造了名为“巨象巨象”的大型直流发电机的大型直流发电机18851885年年费拉里斯提出旋转磁场原理，研制出两相异步电动费拉里斯提出旋转磁场原理，研制出两相异步电动机机18881888年年俄国人制成一台三相交流单鼠笼异步电动机俄国人制成一台三相交流单鼠笼异步电动机第2页/共86页电气工程概论31882年英国人费朗

3、蒂改进了交流发电机，提出了交流高压输英国人费朗蒂改进了交流发电机，提出了交流高压输电的概念电的概念1882年英国人高登制造了大型两相交流发电机英国人高登制造了大型两相交流发电机1882年法国人高兰德和英国人约翰法国人高兰德和英国人约翰吉布斯成功研制了第一台吉布斯成功研制了第一台实用变压器实用变压器1884年英国人霍普金生又发明了具有封闭磁路的变压器英国人霍普金生又发明了具有封闭磁路的变压器1891年布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，使得远距离高压布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，使得远距离高压输电成为现实输电成为现实第3页/共86页电气工程概论4按电流分类按电流分类直流电机直流电机交流电机交流电机

4、按功能分类按功能分类(1) 将机械功率转换为电功率将机械功率转换为电功率发电机发电机(2) 将电功率转换为机械功率将电功率转换为机械功率电动机电动机(3) 将电功率转换为另一种形式的电功率，又可分为：将电功率转换为另一种形式的电功率，又可分为： 输出和输入有不同的电压变压器 输出与输入有不同的波形，如将交流变为直流变流机 输出与输入有不同的频率变频机 输出与输入有不同的相位移相机(4)在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机控制电机控制电机按运行速度按运行速度分类分类(1) 静止设备静止设备变压器变压器(2) 没有固定的同步速度没有固定的同步速度直流电机

5、直流电机(3) 转子速度永远与同步速度有差异转子速度永远与同步速度有差异异步电机异步电机(4) 速度等于同步速度速度等于同步速度同步电机同步电机(5) 速度可以在宽广范围内随意调节速度可以在宽广范围内随意调节交流换向器电交流换向器电机机按功率大小按功率大小分类分类大型电机大型电机中小型电机中小型电机微型电机微型电机电机的分类第4页/共86页电气工程概论5特种电机：步进电机，无刷电机，开关灭磁电机，超声波电机，第5页/共86页电气工程概论6发电机将机械能转变为电能的机械转子定子(b)定子转子 （a）第6页/共86页电气工程概论7电动机将电能转变为机械能的机械转子定子铁心机座定子绕组第7页/共86

6、页电气工程概论8电动机第8页/共86页电气工程概论9变压器将一种电压的电能变换为另一种电压的电能的装置第9页/共86页电气工程概论10特种电机1）永磁无刷电动机第10页/共86页电气工程概论11特种电机2）直线电机第11页/共86页电气工程概论12特种电机3）步进电动机第12页/共86页电气工程概论13特种电机4）超导电机第13页/共86页电气工程概论14特种电机5）超声波压电电动机第14页/共86页电气工程概论15 (一) 异步电机的结构 1 定子：定子铁芯由硅钢片冲片叠成，冲片内圆上的槽用来嵌放定子绕组。 2 转子：主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三者构成。转子绕组分为绕线型和鼠笼型两类。

7、异步电动机1、结构第15页/共86页电气工程概论16第16页/共86页电气工程概论17第17页/共86页电气工程概论18采用铸铝的鼠笼式转子第18页/共86页电气工程概论19第19页/共86页电气工程概论20第20页/共86页电气工程概论212、转动原理第21页/共86页电气工程概论22第22页/共86页电气工程概论23两极旋转磁场的形成 如图所示，将异步电动机的 3 个定子绕组接成“星”型，并将它的 3 个首端A、B、C分别与三相电源相联接。3 个定子绕组的尺寸、匝数和其他特性是完全相同的，仅空间位置彼此相差120。当接通三相对称电源后，其中将产生对称的三相电流，设它们分别为：)120sin

8、()120sin(sintIitIitIimCmBmA第23页/共86页电气工程概论24OiiA360t240120iBiC三相电流iA、iB和iC的波形第24页/共86页电气工程概论25 三相两极旋转磁场第25页/共86页电气工程概论26 二极旋转磁场的如下特点。 （） 空间上互为120的 3 个定子绕组接通相位互为120的三相正弦交流电源时， 可以产生以角速度匀速旋转的磁场。 （） 旋转磁场的方向与三相电源的相序有关。当三相电源的相序为-B-C时，旋转磁场按顺时针方向旋转，电动机正转。 当三相电源的相序改变为A-C-B时，旋转磁场则按逆时针方向旋转，电机反转。 （） 旋转磁场的变化频率与三

9、相电源的变化频率一致。三相交流电变化一个周期，旋转磁场则旋转一圈。三相交流电的频率为50Hz，二极旋转磁场每秒钟就转过50转。即转速为5060=3000 rmin。第26页/共86页电气工程概论27 旋转磁场的极对数 上面讨论的旋转磁场只有两个极，即只有一对、S极， 故称为一对极。用（p=1）表示。如果电动机的磁场不只两个极，则为多极旋转磁场，如四极旋转磁场有两对、 极，称为二对极，用p=2表示。同理，六极旋转磁场具有对N、S极，称为对极，用p=3表示。通常我们所说的电动机的对极数就是指电动机中旋转磁场的对极数。旋转磁场对极数增加时，电动机的同步转数将会按比例减少。可以证明p对极旋转磁场转速（

10、同步转速）的一般公式为pfn1160第27页/共86页电气工程概论28我国电工标准规定f1=50Hz，则n1和p的对应关系可用下表列出。 表同步转速与极对数的关系 显然，可以通过增加极对数来降低转速，但极对数的增加需要采用更多的定子线圈和加大电动机的铁芯，这将使电动机的成本提高和重量增大。 常用电机的极对数多为14。 需要继续降低转速时，采用其他方法。p（极对数）12345n1/(r/min)300015001000750600第28页/共86页电气工程概论29 转速 上面我们讨论的转速是旋转磁场的转速，即同步转速，电动机的转速是指转子的转速，两者不能混淆。从电动机转动的过程可以看出：转子的转

11、速n与旋转磁场的转速n1有关， 但它不可能超过和完全等于旋转磁场的转速，即nn1。 转子之所以与旋转磁场同向旋转，是因为它们之间存在着相对运动，这样转子的导体才能切割旋转磁场的磁力线，感生出转子电流，并受到磁场力矩的作用而旋转。没有相对运动，就没有转子电流和电磁转矩，转子也就不可能转动。 正是因为电动机的转速n （转子转速）与旋转磁场的转速不同，我们才把这种电动机称为“异步”电动机。第29页/共86页电气工程概论30 转差率s：旋转磁场的转速n1与转子转速n的差值与同步速度n1的比值。可根据转差率来判断异步电机的运行状态。1 电动机运行状态：0s1 2 发电机运行状态:-s1。第30页/共86

12、页电气工程概论31三相异步电动机的“电磁”关系： i2转、定子电路R1R2i1u1e1e 1e2e 2 ：漏磁通产生的漏感应电动势。 ：主磁通产生的感应电动势。e1e2、e 1e 2、dtdNeeeRiu1111111设：tsin1m则：tNum1111cos定子边：3、三相异步电动机的电路分析第31页/共86页电气工程概论32mmmmmNfUUEfNNU11111111144. 422tNum1111cosR1R2i1u1e1e 1e2e 2mNfE22244. 4同理得转子边：i2第32页/共86页电气工程概论33mNfE22244. 42f：转子感应电动势的频率2N：转子线圈匝数2f取决

13、于转子和旋转磁场的相对速度1111126060SfPnnnnPnnf第33页/共86页电气工程概论34电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。22cosIKTmT常数每极磁通转子电流转子电路的2cos1 转矩公式4、 三相异步电动机的转矩与机械特性第34页/共86页电气工程概论35R1R2i1u1e1e 1e2e 22202220222222)(SXRSEXREI其中202122222SXLSfLfX202122244. 444. 4SENSfNfEmm转子功率因数：220222222222)(cosSXRRXRRi2第35页/共86页电气工程概论36C

14、OS2I2I2,COS21S0结论：转子电路的电动势、电流、频率、感抗、功率因数等都与转差率S有关，与转差率 S 的关系如右图所示。I2、 COS2第36页/共86页电气工程概论3722cosIKTmT22022202)(SXRSEI2202222)(cosSXRRmNfU11144.4将其中参数代入：21220222)(UsXRsRKT得到转矩公式第37页/共86页电气工程概论382 三相电动机的机械特性)()(TfnSfT21220222)(UsXRsRKT根据转矩公式Ts10n1Tn得特性曲线：第38页/共86页电气工程概论39电动机的自适应负载能力： 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而

15、自动调整，这种能力称为自适应负载能力。常用特性段n1nT 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。）TISnTL2 直至新的平衡。此过程中， 时， 电源提供的功率自动增加。2 I1 I第39页/共86页电气工程概论40三个重要转矩：n1TnNT额定转矩 ：电机在额定电压下，以额定转速 运行，输出额定功率 时，电机转轴上输出的转矩。NPNn( 1 )/()(9550602分转千瓦NNNNNnPnPT（牛顿米）NTnN第40页/共86页电气工程概论41 如果 电机将会因带不动负载而停转。maxTTL最大转矩 ：( 2 )

16、maxT电机带动最大负载的能力。n1TnmaxT求解0ST21220222)(UsXRsRKT2021max21XKUT第41页/共86页电气工程概论42过载系数：NTTmax三相异步机2 .28 .1 工作时，一定令负载转矩 ，否则电机将停转。致使注意： （1）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。maxTmaxTTL （2）电机严重过热0n121)(s II2021max21XKUT第42页/共86页电气工程概论43stT起动转矩 ：( 3 )电机起动时的转矩。n1TnstT21220222)(UsXRsRKT0n1)(s 其中则21220222

17、)(UXRRKTstLstTT stT体现了电动机带载起动的能力。若 电机能起动，否则将起动不了。第43页/共86页电气工程概论441U21220222)(UsXRsRKT 机械特性和电路参数的关系21 UT和电压的关系0Tn1) 0(nnsSTTTUmax1结论：第44页/共86页电气工程概论45和转子电阻的关系22RR 2 RR2的 改变 ： 鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。 21220222)(UsXRsRKT0ST令：得：202XRSm0Tn2RmsmsstTstT mmssststTT结论：第45页/共86页电气工程概论46机械特性的软硬 硬特性：负载变化时

18、，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。 硬特性 （R2小）软特性（R2大）0Tn 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。第46页/共86页电气工程概论475、三相异步机的起动stI起动电流 ：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍。0n定子电流 原因：起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子电流大电流使电网电压降低 影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累 电机过热影响：第47页/共86页电气工程概论48三相异步机的起动方法：（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。

19、工业上一般规定，在用电单位有独立变压器不频繁启动时，电动机功率小于变压器容量的30%；当频繁启动，电动机的功率小于变压器容量的20%时，允许采用直接启动。（2） 降压起动。Y 起动自耦降压起动（3）转子串电阻起动。以下介绍Y 起动和转子串电阻起动。第48页/共86页电气工程概论49Y 起动： 正常运行lUAZBYXClI 起动ABCXYZlUlYIZUIllY33ZUIll设：电机每相阻抗为z31llYII第49页/共86页电气工程概论50定子转子(a)ZIYUUS1S2Y(b)IU(c)ZIp第50页/共86页电气工程概论51AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UPStstYTT31PP

20、UU31（2）Y 起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。 所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合)(2UTSTY 起动也时ststTI,。第51页/共86页电气工程概论52转子串电阻起动定子RRR线绕式转子起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。122202202)(IIRXREIst第52页/共86页电气工程概论53转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。（1） （2）R选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流， 又可以增加起动转矩。0Tn2R2R22RR ststTRXRURKT222022212第53页/共86页电气工程概论546、 三相异步电动机

21、的调速pfsnsn1601111. 改变极对数 有级调速。p2. 改变转差率 s无级调速调速方法：0Tn2R2R0ST2R2R22RR 第54页/共86页电气工程概论553. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速1f变频电源 可变11,UfHz50pfsnsn116011 此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。第55页/共86页电气工程概论56制动方法：机械制动和电气制动 1.机械制动-抱闸：加机械抱闸； 2.电气制动（1）反接制动：停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的； 7、 三相异步电动机

22、的制动反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。即切割磁力线的速度很大，造成 ，引起 。2I1I注意：第56页/共86页电气工程概论57 （3）.发电反馈制动： 令电机转子的转速超过 旋转磁场的同步转速，便 会产生制动转矩。M3+-运行制动nF转子（2）. 能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流 电源上，产生制动转矩；nFno第57页/共86页电气工程概论58（4）、涡流制动 涡流制动是另外安装一个利用涡流吸收能量的制动器。利用励磁电磁铁与感应体的相对运动，在感应体中产生涡流，涡流产生的磁场与励磁电磁铁产生的磁场相互作用，获得的与电动机运动方向

23、相反的作用力分量，即为制动力。 第58页/共86页电气工程概论59（1）. 型号 Y 132M4 磁极数(极对数 p=2)同步转速1500转/分分）转/( 601pfn 转差率0.04 150014401500s8、 三相异步电动机的铭牌数据（2）. 转速: 电机轴上的转速（n)。 如： n =1440 转/分第59页/共86页电气工程概论60（3）. 联接方式：Y/ 接法： Y 接法： 接法：AB CZX YA B CZX YABCXYZAZBYXCU1V1W1W2U2V2接线板接线端子(a)U1W2V1U2W1V2XAYBZC定子三相绕组(b)第60页/共86页电气工程概论61V2U1U2

24、V1W1W2定子绕组在接线盒中布置定子绕组的Y型连接定子绕组的型连接第61页/共86页电气工程概论62（4）. 额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压. 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 。线电压AZBYXC线电压ABCXYZ例：380/220 Y/是指：线电压为380V时采用Y接法； 当线电压为220V时采用接法。第62页/共86页电气工程概论6311IUNfU11144.4电压波动对电动机的影响1U1I11IUsnnns12E202sEE 2I1I1Un小1U大1UTnI第63页/共86页电气工程概论64（5）. 额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。如：A4

25、8. 6/A2 .11/ 表示：三角形接法时，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。（6）. 额定功率P2： 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（ ），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的 关系为： 2P1P12PPCOSIUPNN31其中鼠笼电机=7293第64页/共86页电气工程概论65 额定负载时cos一般为0.7 0.9 ， 空载时功率因数很低约为0.2 0.3。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马” 拉“小车”的现象。（7）. 功率因数(cos)：P2PN此外还有绝缘等级等参数，不一 一介绍。cos第

26、65页/共86页电气工程概论66 9、 三相异步电动机的选择、使用 一、 三相异步电动机的选择 1 种类选择 电动机种类的选择主要依据供电电源、机械性能、调速要求、启动性能和使用、维护以及市场价格等因素，为此我们应该了解各种类型电动机的主要特点。 第66页/共86页电气工程概论67 2 结构类型选择 (1） 开启式。这种电动机无特殊遮掩和防护装置， 通风、 散热良好， 适用于干燥、清洁、无易燃易爆气体的场所。 (2） 防护式。这是最常用的电动机结构形式，电动机的机体被保护起来，只有机壳下面有通风孔。能防止杂物落入机内， 通风、散热良好，但不防潮，适用于灰尘不多、比较干燥的场所。 (3） 封闭式

27、。这种电动机的外壳严格密封，内、外隔离，外壳带散热片，靠自身风扇冷却，适用于潮湿、多尘的场所。 (4） 防爆式。包括接线端子在内全部严格密 封， 不让火花串到机壳外，也能防止易燃、易爆气体侵入，并能承受爆炸的压力， 适用于化工、 煤矿或其他有爆炸性气体的场所。 第67页/共86页电气工程概论68 3 转速选择 电动机的转速与价格关系较大。 相同容量和电压的电动机如果其转速不同，其价格就相差较远。转速越低，转差率越大，转矩也就越大。而转矩大则要求电动机内有较大的磁通量和转子电流，这将对电动机的结构提出更高的要求，使生产成本上升、价格变贵。一般尽量选用高转速的电动机，必要时配减速器。 通常的异步电

28、动机都是4极，同步转速n1=1500r/min。 第68页/共86页电气工程概论69 4 容量选择 电动机容量的选择主要依据电动机的工作方式。 一般电动机的工作方式有连续、 短时和重复短时 3 种。 （1） 对于负载恒定、 连续工作的电动机， 其额定功率应该等于或稍大于生产机械所需的功率。这有利于电动机的充分利用和功率因数的提高。 （2） 对于短时工作的电动机，一般允许过载。 因为短时过载不会造成电动机过热。工作时间越短， 过载可以越大。 具体应根据过载系数进行核算。 第69页/共86页电气工程概论70 二、 三相异步电动机的绕组连接判别 三相异步电动机本身有星形（Y）和三角形（）两种连接方法

29、，如果电动机的三相定子绕组的6个接线端未标出或字样模糊不清，我们可用下面的实验方法和步骤确定。 1 判别 3 个定子绕组 用万用表的电阻档或用带小灯泡的电池测试电动机的任意两个接线端，如果相通说明它们是同一绕组的首、尾端，否则不是。这样可测出每个定子绕组的两个接线端，并做好标记。 第70页/共86页电气工程概论71 2 判别定子绕组首尾端 1） 干电池判别法 由此可以判别三个定子绕组的首、尾端，如图所示。具体操作步骤如下： （1） 任选一绕组作为初级，假定其首、尾端； （2） 选一绕组作次级，将万用表调至mA档与此绕组两端相连； （3） 再将干电池通过开关S及限流电阻R接初级绕组的首尾端（正极

30、接尾端，负极接首端），当S闭合瞬间，观察万用表指针的偏转情况； 第71页/共86页电气工程概论72尾首尾首 干电池判别法第72页/共86页电气工程概论73（4） 判断首尾端。注视万用表（微安档）指针摆动的方向，合上开关瞬间，若指针摆向大于0的一边，则接电池正极的线头与万用表负极所接的线头同为首端或尾端。如指针反向摆动，则接电池正极的线头与万用表正极所接的线头同为首端或尾端。 （5） 用同样的方法再判别其他绕组的首、尾端。第73页/共86页电气工程概论7410、 单相异步电动机一、概述 1、 应用情况单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）

31、、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。 2、 优缺点 优点：结构简单，成本低廉，噪音小。 缺点：与同容量三相异步电动机相比较，体积较大，功率因数及过 载能力都较低。故单相异步电动机只能做成小容量： 微型：几瓦750瓦； 小型：550瓦3700瓦。第74页/共86页电气工程概论75 3、 结构 与三相异步电动机相似，包括定子和转子两大部分。 转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。 定子铁心上嵌有定子绕组。 第75页/共86页电气工程概论764 单相异步电动机的工作原理定子转子定子绕组定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。第76页/共86页电气工程概论77定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：- + -= + -= mtm第77页/共86页电