机电产品设计实例与分析第五章ppt课件

1、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:基本结构 转子定子定子铁心定子绕组机座转子铁心转子绕组转轴鼠笼式线绕式基本结构基本结构 转子转子定子定子定子铁心定子铁心定子绕组定子绕组机座机座转子铁心转子铁心转子绕组转子绕组转轴转轴鼠笼式鼠笼式线绕式线绕式NSTCn00nnnS 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.工作原理S通常为：0.0

2、150.060旋转磁场的形成) 3/4sin() 3/2sin(sintIitIitIimCmBmA)/tsin(Ii)/tsin(IitsinIimCmBmA3432旋转磁场的形成A XBYCZ+a b c dS SN N旋转磁场的形成结论：任意两根导线对调就可以改变磁场旋转方向；旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。旋转磁场的形成若将定子做如下改变：上述分析可以得出：电流经过一个周期变化，旋转磁场在空间上也转过一转，若电流频率为f，旋转磁场每分钟旋转 60f 转，即n0=60f。旋转磁场的的极数与旋转速度旋转磁场的形成过程分析：绕组在空间对称分布，每相绕组由两部分串连而成。此时，磁极对数p=

3、2。电流变化了半个周期，磁场在空间转过1/4 转。旋转磁场的的极数与旋转速度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例如：f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数.p=1时,同步转速为3000r/min;p=2时,同步转速为1500r/min;p=3时,同步转速为1000r/min.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。3/定子绕组线端连接方式图5.15 星形连接图5.15 三角形连接图5.14 出线端排列60144.

4、 4sin1min/01011111rHzWbHzVmnpfnKNfKEdtdNet，所以相对转速为因为旋转磁场和定子的，其有效值为：应电势为：在定子绕组上产生的感子上的投影分量为：、旋转磁场通过每相定5.2 三相异步电动机的定子与转子电路1111111111111111111111111111111112,EUEUXRLfXXXI jERIEERIUdtdiLeRieeRiudtdiLeLLLLL，都很小，所以：和一般，为漏磁感抗，式中，）（）（）（其复数表达式为：）（）（）（电压平衡方程式为：加上电阻，定子回路的漏磁电动势：定子电流还产生漏磁通5.2 三相异步电动机的定子与转子电路VVWb

5、HzVWbHzVHzrrHzWbHzVESENfEnNfSEfSnnpfnnNfEdtdNe44. 4:044. 46044. 4120221202121min/min/02022222时的感应电势为）（，所以相对转速为因为旋转磁场和转子的其有效值为：感应电势为：、在转子绕组上产生的5.2 三相异步电动机的定子与转子电路20221202122222222222222222222222,2222SXXLfXLSfLfXXXI jRIERIEdtdiLRieRiedtdiLeLLLLL为漏磁感抗，式中，）（其复数表达式为：）（电压平衡方程式为：加上电阻，转子回路的：因此还产生漏磁电动势通外，还产生

6、漏磁通，、转子电流除产生主磁5.2 三相异步电动机的定子与转子电路CSXRXRSXRSSSXRREICXEIXRSSRSEIXRSSXRSEXREI/1cos11coscos1320222222222022222220202222202222202220222222，时，接近当，很小时，当有关，和）（，功率因数为：的相位滞后于由于感抗，时，接近当，很小时，当）（、转子回路的电流为：5.2 三相异步电动机的定子与转子电路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。5.2 三相异步电动机的定子与转子电路AXREIst5

7、.24208. 002. 0202222022202例:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势E20=20V,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子电流.解;1)电动机为4极,磁极对数p=2,有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)电动机起动时的转子电流 举例三相异步电动机的额定值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

8、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(SN)：在额定情况下,电动机的转速;7)温升(或绝缘等级)。5.2 三相异步电动机的定子与转子电路绝缘的温度等级: A级 E级 B级 F级 H级 最高允许温度（）: 105 120 130 155 180 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轴上的负载转矩。5.2 三相异步电动机的定子与转子电路根据以上数据求出其他额定值：1) 额定功率因数：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

9、流与相电压之间相位差的余弦 cosN。 NNNNNIUPcos35.2三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机的能流图三相异步电动机的能流图min/2/22221112111155. 9cos3rwsradwNmenPwPTTPTPPPPPPIUP直流电动机：交流电动机：讨论：1)当cos2 =1，纯电阻性负载，I2与E2同向；2)当cos2=0，纯感性负载, I2与E2相差90度；T=0。3)cos2 TL，且启动转矩越大越好；启动电流IST越小越好，太大对电机和电网都不好；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；启动过程中的功率损耗越小越好；其中，前

10、两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。5.4 三相异步电动机的启动特性鼠笼型异步电动机的启动方式： (1)全压直接启动(2)降压启动启动电流大启动转矩小特点：直接启动电流大，由于功率因数低，启动转矩小。对电动机启动的主要要求5.4 三相异步电动机的启动特性ststtstIKT22cos特点： 控制线路简单； 维修工作量小； 启动电流大；应用场合：通常对中、小容量的异步电动机均采用直 接启动方式。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。5.4 三相异步电动机的启动特性直接启动直接启动条件：独立变压器供电时：电动机启动频繁，电动机功率小于变压器容量的20；电动机不经常启

11、动，电动机功率小于变压器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。5.4 三相异步电动机的启动特性直接启动电动机功率电源总容量额定电流启动电流443NstII启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，当转速接近额定值时，再将电压恢复到额定值，使之在全电压下运行。降压启动只适用于启动时负载转矩不大的情况，如轻载或空载。由于机床电动机一般都为空载启动，所以常采用降压启动方式。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等。5.4 三相异步电动机的启动特性降压启动特点：启动转矩随定子电压的平方关系下降，故它只适用于空

12、载或轻载启动 1定子电路串电阻或电抗器降压启动 不经济,在启动过程中，电阻器上消能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。5.4 三相异步电动机的启动特性降压启动启动时，定子绕组先连成 Y 形，转速接近额定转速时，将电动机定子绕组连成形,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。5.4 三相异步电动机的启动特性降压启动ZUIstY31 ZUIst/31 3ststYII利用自耦变压器来降低电动机启动时的电

13、压，达到限制启动电流的目的。3自耦变压器降压启动启动原理：U 2 / U l = N 2 / N l = K，I1 / I 2 = K， K0.2 电动机不宜直接起动电动机不宜直接起动. (2)(2)电动机的额定转矩和起动转矩分别为电动机的额定转矩和起动转矩分别为 TN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484NmTN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484NmTst=1.9TN=1.9X484=920NmTst=1.9TN=1.9X484=920Nm如果采用如果采用Y- Y- 降压起动降压起动, ,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一则起动转矩仅为起

14、动转矩的三分之一, ,即即TstY=1/3X920=307200=TLTstY=1/3X920=307200=TL因而因而, ,可以采用可以采用Y- Y- 降压起动降压起动. . 例 1 : 一 台 Y 2 8 0 S - 4 三 相 鼠 笼 式 异 步 电 动机,PN=75kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,电动机由320kVA的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=200Nm,问(1)电动机频繁启动时，能否直接起动?(2)电动机能否用Y- 降压起动?举例 电动机的调速 速度调节&速度变化5.5 三相异步电动机的调速特性可知，要改变转速n，则可以通过改变S 、f

15、、p 几个参数来实现。 异步电动机的转矩、转速公式： )1 (60)1 (min/0min/SpfSnnHzrr调速方法 在实际中，存在大量的生产机械，只需要几种特定的转速，且对启动性能没有太高要求，在这种情况下，可用变极对数的调速方法。 磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的接线方式。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。5.5.1改变磁极对数调速 特点：多速电动机虽其体积稍大、价格稍高、只能有级调速、但因结构简单、效率高、特性好，调速时所需附加设备少，因而，广泛用于机电联合调速的场合，特别是中、小型机床。改变极对数调速)1(60)1(0SpfSnn改变极对数调速单绕组双

16、速电机）5.5.1改变磁极对数调速NSA1A2X1X2A1X1A2X2每相绕组每相绕组中两个线中两个线圈并联时圈并联时( p=1) NNSSA1X1A2 X2每相绕组每相绕组中两个线中两个线圈串联时圈串联时( p=2) A1X1A2X2改变极对数调速5.5.1改变磁极对数调速Y-YY属于恒转矩调速-YY属于恒功率调速在变极调速时，不仅使转速发生变化，且使电流相序也发生变化，因此在变极同时需要改变相序。调压调速在定子电路中串电阻(或电抗)和用晶闸管调压调速都是属于这种调速方法。 特点： n0=60f/p不变，Sm不变，TST 、Tmax 减小； 能够实现无级调速； 对于恒转矩负载，D较小，对于通

17、风机负载，D较大； 低速时发热严重，稳定性差5.5.2 改变转差率调速调压特性调压调速5.5.2 改变转差率调速调压损耗及其容量限制9550/min/0rmNkWenTP9550/min/rmNkWmnTPkWemNkWmkWekWsPSnnTPPP95500电磁功率：机械功率：转差功率：转子电路串电阻调速特点： n0 ，Tmax不变，Sm随R2增加而增加； 有级调速，调速范围小，相对稳定性差； 适用于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用应用场合：用在重复短期运转的生产机械中 例如，在起重、运输设备5.5.2 改变转差率调速串级调速思路：转子电路串电阻实际是通过增加转子电路的铜耗来减低

18、转速； 如果用一个频率和转子频率f2相同，相位和转子电势相反的附加电势来吸收转差功率，也可使实际输出功率减小，转速降低的目的；5.5.2 改变转差率调速 一般原理特点：优点是运行效率高；缺点是体积随调速范围扩大而扩大，造价高。 调速原理：电磁转差离合器调速5.5.2 改变转差率调速改变整流电压励磁电流磁极的转速负载的转速 调速系统原理图：改变改变电压电压 滑差电机滑差电机电磁转差离合器调速5.5.2 改变转差率调速 调速系统机械特性：电磁转差离合器调速5.5.2 改变转差率调速引入速度负 反馈后左图所示的机械特性不能直接应用于速度要求比较稳定的工作机械上。一般都要接入转速负反馈4212/fIK

19、Tnn 调速特点： 通过改变电磁离合器的励滋电流来实现调速的，对异步电动机本身并不进行调速。 优点：结构简单、运行可靠、维护方便、加工容易、能平滑调速。用闭环系统可扩大笼型转子异步电动机的调速范围和调速精度。 缺点：必须增加电磁转差离合器设备，低速运行时损耗较大而且调速效率比较低。 电磁转差离合器调速5.5.2 改变转差率调速变压变频调速改变电源频率需要专门的变频装置，控制电路复杂、成本较高，但可实现大范围的无级调速，是一种理想的调速方法。5.5.3 变频调速适合于额定频率f1N以下调速 WbHzVNfKEU44. 411111111144. 41fUKfUNm由：知：为了保持Tm不变，调速时

20、需要保持磁通不变；因此需要保持U1/f1=常数。恒压弱磁变频调速5.5.3 变频调速基频以下属于恒转矩调速，基频以上基本上属于恒功率调速。变频调速的特点5.5.3 变频调速调速范围广调速平滑性好静态特性和动态特性可以和直流调速相比国家报告:中国发电量的66%消耗在电动机上,全国电动机总装机容量超过4亿千瓦,有70%拖动的是风机,泵,压缩机,这其中一半即7500万千瓦适合调速.从目前变频器使用情况看,平均节电30%.2019年国家“节能中长期专项规划的十大重点节能工程中,第5项就是电机系统节能工程,“十一.五期间,将形成200亿千瓦时的节电能力.经济效益高各种调速方法比较5.5 三相异步电动机的

21、调速特性制动：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制 位能负载下降速度的一种运转状态。制动方式： 反馈制动 反接制动 能耗制动22cosIKTt 这时电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向，即T与n的方向相反，起制动作用。 因某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，异步电动机就进入发电状态。反馈电能给电网所以，反馈制动又称发电制动反馈制动n nn0n0N NS S正转反转 改变转子电路串入的电阻，可以调节重物下降速度，为了不致因电机转速太高而造成运行事故，转子附加电阻的值不允许太大。 情况一：负载转矩为位能性转矩如：起重机械下放重物时反馈制动n0=60f/p如：某生产机械采用双速电动机传动，由高速运行时为4极(2P4)，向低速8极(2P8)切换过程。情况二：在变极调速或变频调速过程中，使n0突然降低时。反馈制动由于反接制动时电流很大对鼠笼式电动机常在定子电路中串接电阻；对线绕式电动机则在转子电路中串接电阻，以减小电流。 如果正常运行时异步电动机三相电源的相序突然改变，即电源反接，此时电动机出现制动状态。反接制动 电源反接制动n nn0n0N NS S反接制动