电工学-第6章电动机

1、电工技术电工技术 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系2 电机是实现能量转换或信号转换的电磁装置。电机是实现能量转换或信号转换的电磁装置。 电能电能 机械能机械能 直流电机和交流电机直流电机和交流电机 他励电机他励电机 并励电机并励电机 串励电机串励电机 复励电机复励电机 异步电机异步电机 同步电机同步电机 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系3 伺服电动机：伺服电动机：电压信号转化为角位移或角速度；电压信号转化为角位移或角速度； 测速发电机：测速发电机：将转速转化为电压信号；将转速转化为电压信号； 自自 整整 角角 机机 ：实现角

2、度的传输、变换和接受；实现角度的传输、变换和接受； 步进电动机：步进电动机：电脉冲信号转化为转角或转速；电脉冲信号转化为转角或转速； 旋转变压器：旋转变压器：转角信号变换成电压信号；转角信号变换成电压信号； 感应同步器：感应同步器：转角位移或直线位移转换成电压信号。转角位移或直线位移转换成电压信号。 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系4iUiViW tiO三相三相 (多相多相) 绕组中流过三相绕组中流过三相 (多相多相) 电流。电流。U1U2V1V2W2W1U1 U2 通入通入 iU V1 V2 通通入入 iV W1 W2 通通入入 iW 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系

3、5 t = 0W2U1V2W1U2V1U1W2V1U2W1V2NS t = = 90NSiUiViW tiO大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系6U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相绕组都用两个线圈串联组成：每相绕组都用两个线圈串联组成：形成的磁场则是两对磁极，形成的磁场则是两对磁极，即即 p = 2 U1U2U3U4V1V2V3V4W1W2W3W4NSNSNSNSU1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3 t = 0 t = 90大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系7旋转磁场转速旋转磁场转速 n0 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈电

4、流每秒变化电流每秒变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 50 圈圈 旋转磁场转旋转磁场转 3000 圈圈电流每分变化电流每分变化 (5060) 周周电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转半圈旋转磁场转半圈电流每秒变化电流每秒变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 25 圈圈 旋转磁场转旋转磁场转 1500 圈圈电流每分变化电流每分变化 (2560) 周周大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系8 p12 3456n0/(r/min) 3000 1500 1000750600500 f = 50 Hz 时，不同磁极对数时的同步转速如下：时，不同磁极对数时的同步转速如下： 60 f1pn0 =

5、 磁极对数为磁极对数为 p 时时 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系9旋转磁场的转向为：旋转磁场的转向为：U1V1W1与三相绕组中的三相电流的相序与三相绕组中的三相电流的相序 L1 L2 L3 一致一致L1 L2 L3L1 L2 L3n0n0大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系10 右手定则右手定则 左手定则左手定则大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系11NS 用右手定则判断用右手定则判断 转子绕组中感应转子绕组中感应 电流的方向。电流的方向。 用左手定则判断用左手定则判断 转子绕组受到的转子绕组受到的 电磁力的方向。电磁力的方向。 电磁力电磁力 F 电磁转矩电磁转矩

6、 T 。 T 与与 n0 同方向。同方向。n0Fn 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系12 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：电动机转速和旋转磁场同步转速的关系： n 与与 n0 方向一致。方向一致。 n n0，转差率转差率 :起动起动 (堵转堵转) 时时: n = 0，s = 1 理想空载时理想空载时: n = n0，s = 0 正常工作时正常工作时: 0 s TL 加速运行加速运行当当 T2 TL 电动机能起动，电动机能起动，否则将起动不了。否则将起动不了。起动转矩倍数起动转矩倍数: : Y系列：系列：KS = 1.62.2 KC = 5.57.0起动电流起动电流: :MNST

7、NsN1TSTMsMTOsTS TN KS =IS INKC =大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系28 例例6.5.1 某三相异步电动机，额定功率某三相异步电动机，额定功率 PN = 45 kW，额定转速额定转速 nN = 2 970 r/min， KM = 2.2 ，KS = 2.0。若若 TL = 200 Nm，试问能否带此负载：，试问能否带此负载：(1) 长期运行长期运行; (2) 短期运行短期运行; (3) 直接起动。直接起动。解解 (1) 电动机的额定转矩电动机的额定转矩由于由于TN TL，故可以带此负载短时运行，故可以带此负载短时运行。 (3) 电动机的起动转矩电动机的起

8、动转矩由于由于TS TL，故可以带此负载直接运行，故可以带此负载直接运行。 TS = KSTN = 2.0145 Nm = 290 Nm 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系29UN0.9UN0.81TM0.81TSR2R2 +R TM n0nOT 转子串联合适的电阻转子串联合适的电阻: : TS TMn0nMnOT大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系30异步机的起动特性：异步机的起动特性： 起动电流大起动电流大: IS = KI IN = (57)IN 起动转矩小起动转矩小: TS = KSTN = (1.62.2)TN影响：影响： 频繁起动时造成热量积累频繁起动时造成热量积

9、累, ,易使电动机过热。易使电动机过热。 大电流使电网电压降低，影响其他负载工作。大电流使电网电压降低，影响其他负载工作。 良好的起动性能良好的起动性能: 起动电流小起动电流小 起动转矩大起动转矩大大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系31(全压起动全压起动) (a) 小容量的电动机；小容量的电动机； (b) 电源容量足够大时。电源容量足够大时。 7.5 kW 以下直接起动以下直接起动 7.5 kW 以上，且电源容量能满足起动以上，且电源容量能满足起动电流倍数电流倍数 3 + 1 4IS INKC =电源容量电源容量 (kVA)电机功率电机功率 (kW)大连理工大学电气工程系大连理工大学

10、电气工程系32 适用于：正常运行为适用于：正常运行为形联结的电动机。形联结的电动机。 起动时起动时运行时运行时UVWUNI1LYUVWUNI1L 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系33定子线电压比定子线电压比定子相电压比定子相电压比起动电流比起动电流比起动转矩比起动转矩比电源电流比电源电流比定子相电流比定子相电流比= = 1UNUNU1LYU1L= = U1PYU1PU1PU1PY/ 313= = I1PYI1PU1PU1PY13= = ISYISI1PI1PY133= = IYIISISY13=( ) = U1PYU1PTSYTS213大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系3

11、4降压比降压比KA=UUN定子线电压比定子线电压比定子相电压比定子相电压比M3U UN定子相电流比定子相电流比起动电流比起动电流比电源电流比电源电流比起动转矩比起动转矩比= = KAUUNU1LaU1Lb= = KAU1LaU1LbU1PaU1Pb= = KAU1PaU1PbI1PaI1Pb= = KAI1PaI1PbISaISb= = KAKAISaISbIaIb2=( ) = KAU1PaU1PbTSaTSb22大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系353 软起动器软起动器 M3uOtuNtsiOtiRtsiL限压起动模式限压起动模式限流起动模式限流起动模式大连理工大学电气工程系大连

12、理工大学电气工程系36 例例6.6.1 一台一台 Y250M-6 型三相笼型异步电动机，型三相笼型异步电动机，UN380 V，三角形联结，三角形联结，PN = 37 kW，nN = 985 r/min，IN = 72 A，KS = 1.8，KC = 6.5。已知电动机起动时的负载。已知电动机起动时的负载转矩转矩TL = 250 Nm，从电源取用的电流不得超过，从电源取用的电流不得超过360 A，试问：试问：(1) 能否直接起动？能否直接起动？(2) 能否采用星形三角形起能否采用星形三角形起动？动？(3) 能否采用能否采用 KA = 0.8 的自耦变压器起动？的自耦变压器起动？ 解解 (1) 电

13、动机的额定转矩电动机的额定转矩直接起动时的起动转矩和起动电流直接起动时的起动转矩和起动电流由于由于I= IS 360 A，所以不能直接起动。，所以不能直接起动。TN = = Nm =359 Nm60 2 PN nN60 23.1437103985TS = KSTN = 1.8359 Nm = 646 NmIS = KCIN = 6.572 A = 468 A 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系37(2) 星形三角形起动时的起动转矩和起动电流星形三角形起动时的起动转矩和起动电流由于由于 TSY TL， IS 360 A，所以可以采用自耦，所以可以采用自耦变压器起动。变压器起动。TSY

14、= TS = 646 Nm = 215 Nm1313 ISY = IS = 468 A = 156 A1313TSa = KATS = 0.8 646 Nm = 413 Nm22IS = KAIb= KAI = 0.8 468 A = 300 A222大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系38 减小起动电流减小起动电流 增大起动转矩增大起动转矩 频敏变阻器：频敏变阻器： 频率高，损耗大，电阻大；频率高，损耗大，电阻大； 频率低，则反之。频率低，则反之。 转子电路起动时转子电路起动时: 转子电路运行时转子电路运行时:f2 高，电阻大，高，电阻大，f2 低，电阻小，低，电阻小，自动切除变阻器

15、。自动切除变阻器。 R2n0TnOTsR2Ts R2R2Ts 大，大， Is 小。小。大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系39(1) 改变同步转速改变同步转速 n0 改变频率改变频率 f1 和磁极对数和磁极对数 p(2) 改变转差率改变转差率 s n = (1s) n0 = (1s) p60 f1 调速：在一定的负载下，根据生产的需要调速：在一定的负载下，根据生产的需要 人为地改变电动机的转速。人为地改变电动机的转速。3 变频器变频器 M3大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系40U1U2U3U4(a) p = 2(b) p = 1U1U2U3U4大连理工大学电气工程系大连理工大

16、学电气工程系41UN0.9UNn0nMnOTR2R2 +RTM n0nOT大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系42I2nsI2 T 若相位相同若相位相同T若相位相反若相位相反I2nsI2TT 在转子电路中串入与在转子电路中串入与 E2 频率相同，相位相同或相反频率相同，相位相同或相反的附加电动势的附加电动势 Ea 。I2 = E2EaR2 (sX2) 22引入引入Ea 引入引入Ea 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系43 例例6.7.1 一台绕线转子异步电动机，转子绕组每相一台绕线转子异步电动机，转子绕组每相的电阻的电阻 R2= 0.022，漏电抗，漏电抗 X2 = 0.27

17、5，额定转速额定转速 nN=1 440 r/min。(1) 要使起动转矩等于最大转矩，在转要使起动转矩等于最大转矩，在转子绕组的每相电路中应串联多大的起动电阻？子绕组的每相电路中应串联多大的起动电阻？(2) 在额定在额定负载转矩情况下，在转子绕组的每相电路中应串联多大负载转矩情况下，在转子绕组的每相电路中应串联多大的调速电阻才能将转速降至的调速电阻才能将转速降至1 200 r/min？ O sN sMN s sM sTTMTN解解M M(2) 将转子电路串联电阻将转子电路串联电阻 前后的转矩特性前后的转矩特性 OM 段都近似用直线代替。段都近似用直线代替。 (1) Rst X2 R2 (0.2

18、750.022) 0.253 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系44未串联调速电阻前的转差率未串联调速电阻前的转差率 sN 和临界转差率和临界转差率 sMN串联调速电阻后的转差率串联调速电阻后的转差率串联调速电阻后的临界转差率串联调速电阻后的临界转差率转子每相绕组的总电阻转子每相绕组的总电阻应串联的调速电阻应串联的调速电阻 Rst = R2S R2 = (0.11 0.022) = 0.088 = = 0.041 500 1 440 1 500n0 nNn0sN=R2 X2sMN = 0.08 0.0220.275= = 0.21 5001 200 1 500n0nn0s =0.04

19、sM = s = s = 0.2 = 0.4 TMTNsMNsN0.08R2S = sMX2 = 0.4 0.275 = 0.11 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系45 一、脉振磁场一、脉振磁场 Fm Rm m Fm Rm m Rm Fm tOt1t2t3t4t5t6t7t8大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系46二、工作原理二、工作原理 无起动转矩，有运行转矩。无起动转矩，有运行转矩。TRsF1TFsRTOs(a) 转子顺时针方向旋转转子顺时针方向旋转(b) 转子逆时针方向旋转转子逆时针方向旋转TFsR1TRsFTOs大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系47 原理

20、：两相电流原理：两相电流旋转磁场旋转磁场起动转矩起动转矩三、起动方法三、起动方法转子转子CW1S1iWiSW2S2n转子转子 励磁绕组励磁绕组 短路环短路环 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系48 交流伺服电动机是两相异步电动机。交流伺服电动机是两相异步电动机。 机械特性机械特性Tn0.25UCUC0.75UC0.5UCO原理图原理图 转速控制方式：转速控制方式： 幅值控制幅值控制、相位控制相位控制、幅相控制。幅相控制。 uL +C+uCL大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系49 步进电动机将电信号转变成转角或转速。步进电动机将电信号转变成转角或转速。 U2 V1V2 U1

21、W2W1 1234大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系50( (b) ) V 相通电相通电通电顺序：通电顺序：U V W U( (a) ) U 相通电相通电每一拍转子转过的角度称步距角。每一拍转子转过的角度称步距角。( (c) ) W 相通电相通电W2U1V1W1U2V212343412W2U1V1W1U2V23412W2U1V1W1U2V2 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系51( (a) ) UV 相通电相通电U1W2V1W1U2V23412 W2V1W1U2V23412U1W2V1W1U2V23412U1( (b) ) VW 相通电相通电 ( (c) ) WU 相通电相

22、通电通电顺序：通电顺序：UV VW WU UV通电顺序：通电顺序：U UV V VW W WU U步距角步距角 与转子齿数与转子齿数 Z 和拍数和拍数 N 的关系的关系360 ZN =转子每分钟的转速转子每分钟的转速60f ZNn =大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系52 U1U2V1V2W1W2NSIf 特点：通过改变转子特点：通过改变转子 If，可以调节电动机的，可以调节电动机的 。原理图原理图机械特性机械特性nTn0O大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系53 在两电刷之间加入在两电刷之间加入直流电压，则在绕组中直流电压，则在绕组中产生电流，通电导体又产生电流，通电导体又受到力的作用，产生电受到力的作用，产生电磁力矩。由于换向器的磁力矩。由于换向器的作用，在作用，在 N (S) 极下受极下受力方向不变，使电枢旋力方向不变，使电枢旋转起来。转起来。 FSNiae F e 大连理工大学电气工程系大连理工大学电气工程系54T = CT Ia式中：式中： 每极磁通；每极磁通； Ia 电枢电流；电枢电流； CT 电机结构决定的常数。电机结构决定的常数。E = C