电工学-第6章电动机

电工学-第6章电动机2

电机是实现能量转换或信号转换的电磁装置。

电能机械能

种类：

(1)动力电机：直流电机和交流电机他励电机并励电机串励电机复励电机6.1电机概述异步电机同步电机3(2)控制电机

伺服电动机：电压信号转化为角位移或角速度；

测速发电机：将转速转化为电压信号；

自整角机：实现角度的传输、变换和接受；

步进电动机：电脉冲信号转化为转角或转速；

旋转变压器：转角信号变换成电压信号；

感应同步器：转角位移或直线位移转换成电压信号。4iUiViW

tiO1.旋转磁场的产生一、旋转磁场三相(多相)绕组中流过三相(多相)电流。U1U2V1V2W2W1U1U2通入iUV1V2通入iV

W1W2通入iW6.2三相异步电动机的工作原理5t=0°W2U1V2W1U2V1U1W2V1U2W1V2NSt=

90°

NSiUiViW

tiO6U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3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，即

p=2U1U2U3U4V1V2V3V4W1W2W3W4NSNSNSNSU1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3t=0°

t=90°

72.旋转磁场的转速旋转磁场转速n0——同步转速电流变化一周→

旋转磁场转一圈电流每秒变化50周→

旋转磁场转50圈→旋转磁场转3000圈电流每分变化(50×60)周p=1时：电流变化一周→

旋转磁场转半圈电流每秒变化50周→

旋转磁场转25圈→旋转磁场转1500圈电流每分变化(25×60)周p=2时：8

p123456n0/(r/min)300015001000750600500

f=50Hz时，不同磁极对数时的同步转速如下：60f1pn0=

磁极对数为p

时93.旋转磁场的转向旋转磁场的转向为：U1V1W1与三相绕组中的三相电流的相序L1

→

L2

→

L3

一致L1

L2

L3L1L2L3n0n010二、工作原理1.电磁转矩的产生

右手定则

左手定则11NS

用右手定则判断转子绕组中感应电流的方向。

用左手定则判断转子绕组受到的电磁力的方向。

电磁力F→电磁转矩T。

T与n0同方向。n0Fn

12

电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：①n与n0方向一致。②n<n0，转差率:起动(堵转)时:

n=0，s=1

理想空载时:n=n0，s=0

正常工作时:

0<s<1故称异步电动机或感应电动机n0－nn0s=f2=p(n1－n)60=sf1(转差频率)

=p

n160n1－nn1转子电流的频率f2

132.电磁转矩的方向

转子旋转的方向与旋转磁场的转向相同。电磁转矩的方向与旋转磁场的转向一致。3.电磁转矩的大小

T

∝，I2cos2

T=CTmI2cos2T=KTsR2U1f1[R2＋(sX2)

2]

22

T

∝U12转子轴上输出的转矩为:T2=T

－T0≈T

14三、转矩平衡

空载转矩：T0输出转矩：T2=T－T0

T负载转矩：TL当T2=TL

稳定运行当T2>TL

加速运行当T2<TL

减速运行15四、功率传递

输出的机械功率:

P2=T2260=nT2

功率损耗:

P

=PCu＋PFe＋PMe

电动机的效率:P2P1

=100%输入的有功功率:P2=P1－PP1

=

3U1LI1L

=

3U1PI1P

16

[例6.2.1]

某三相异步电动机，磁极对数

p=2，定子绕组为三角形联结，接于50Hz、380V的三相电源上工作，当负载转矩TL=91N·m时，测得I1L=30A，P1=16kW，n=1470r/min，求该电动机带此负载运行时的s

、P2

、

和

。60f12n0

==1500r/minP2

=T2=2n602×3.1460×91×1470W=14kW[解]=87.5%P2P1=

100%==0.021500－14701500n0－nn0s

=

=P13U1LI1L=0.81176.3三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。

电动机的外形18一、定子

三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。基座

铁心定子绕组端盖19W2U2V2U1V1W1W2U2V2U1V1W1W2U2V2U1V1W1

接线柱的连接星形联结三角形联结20二、转子

根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子。笼型转子绕线型转子转子铁心转轴216.4三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW

频率50Hz电压380V

电流7.2A

联结Y转速960r/min

功率因数0.76

绝缘等级

B1.型号

Y132S－6Y系列异步机机座中心高度机座长度代号2p=6→n0=1000r/min2.额定功率

PN

PN=3kW→轴上输出机械功率的额定值3.额定电压

UN

UN=380V→定子三相绕组应施加的线电压磁极数224.额定电流

IN

IN=7.2A

三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW

频率50Hz电压380V

电流7.2A

联结Y转速960r/min

功率因数0.76

绝缘等级

B→定子三相绕组的额定线电流6.额定转速

nN5.额定功率因数N

=cosNP1N=3

UNINcosNPN=

NP1N=3

UNINcosNN23

[例6.4.1]Y180M-2型三相异步电动机，PN=22kW，UN=380V，三角形联结，IN=42.2A，N=0.89,fN=50Hz、nN

=2940r/min。求额定状态下运行时的：(1)转差率;(2)定子绕组的相电流;(3)输入有功功率;(4)效率。[解]

(1)由型号知该电动机的2p＝2，即p＝1，(2)定子三相绕组为三角形联结==0.023000－29403000n0－nNn0sN=IN3=A=24.36A42.23I1P=(4)效率(3)输入有功功率P1N=3UN

IN

N=3×380×42.2×0.89W=24.8kWPNP1NN

=100%=100%

=89%2224.824固有特性:人为特性:在额定电压、额定频率，定子和转子电路不外串参数时的

T=f(s)和n=f(T)在改变电压、频率及定子电路、转子电路参数时的

T=f(s)和n=f(T)n=f(T)T=f(s)

转矩特性:

异步机的T与s之间的关系机械特性:

异步机n

与T之间的关系6.5三相异步电动机的机械特性25一、固有特性转矩特性机械特性TNsN1TSTMsMTOsn0TnOTSTMnM

和

n=(1－s)n0T=KTsR2U1f1[R2＋(sX2)

2]

22TNnN261.额定状态

在UN

下，以nN

运行、输出额定功率PN

时，电动机转轴上输出的转矩为说明电动机长期运行能力。临界转差率

(Y系列:KM=2～2.2)2.临界状态过载倍数TM

TNKM=R2

X2sM=TN==PN

N602PN

nNMNSTNsN1TSTMsMTOs273.起动状态

TS体现了电动机直接起动的能力。若TS>TL电动机能起动，否则将起动不了。起动转矩倍数:Y系列：KS=1.6～2.2KC=5.5～7.0

起动电流:MNSTNsN1TSTMsMTOsTS

TNKS=IS

INKC=28[例6.5.1]某三相异步电动机，额定功率PN=45kW，额定转速nN=2970r/min，KM=2.2，KS=2.0。若TL=200N·m，试问能否带此负载：(1)长期运行;(2)短期运行;(3)直接起动。[解](1)电动机的额定转矩由于TN<TL，故不能带此负载长期运行。

TN==×N·m=145N·m60

2PNnN60

2×3.1445×1032970(2)电动机的最大转矩TM=KMTN=2.2×145N·m=319N·m由于TM>TL，故可以带此负载短时运行。

(3)电动机的起动转矩由于TS>TL，故可以带此负载直接运行。

TS=KSTN=2.0×145N·m=290N·m29二、人为特性1.定子电压降低时的人为特性UN0.9UN0.81TM0.81TSR2R2+RTM

n0nOT2.转子电阻增加时的人为特性

转子串联合适的电阻:

TS

→TMn0nMnOT30异步机的起动特性：起动电流大:

IS=KIIN=(5～7)IN

起动转矩小:TS=KSTN=(1.6～2.2)TN影响：频繁起动时造成热量积累,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。6.6三相异步电动机的起动

良好的起动性能:

起动电流小起动转矩大31一、笼型异步电动机的起动1.直接起动(全压起动)

(a)小容量的电动机；

(b)电源容量足够大时。规定：

7.5kW以下直接起动

7.5kW以上，且电源容量能满足起动电流倍数≤3+1

4IS

INKC=电源容量(kV·A)电机功率(kW)32

星形－三角形减压起动

适用于：正常运行为Δ形联结的电动机。2.减压起动起动时运行时UVWUNI1LYUVWUNI1L

△33定子线电压比定子相电压比起动电流比起动转矩比电源电流比Y形起动与Δ形起动时起动电流和起动转矩比较定子相电流比=

=

1UNUNU1LYU1LΔ=

=

U1PYU1PΔU1PΔU1PY/313=

=

I1PYI1PΔU1PΔU1PY13=

=

ISYISΔI1PΔI1PY133=

=

IYIΔISΔISY13=(

)=

U1PYU1PΔTSYTSΔ21334(2)自耦变压器减压起动降压比KA=UUN定子线电压比定子相电压比M3~UUN定子相电流比起动电流比电源电流比起动转矩比=

=

KAUUNU1LaU1Lb=

=

KAU1LaU1LbU1PaU1Pb=

=

KAU1PaU1PbI1PaI1Pb==

KAI1PaI1PbISaISb==

KAKAISaISbIaIb2=(

)=

KAU1PaU1PbTSaTSb2235(3)软起动器起动3~

软起动器

M3~uOtuNtsiOtiRtsiL限压起动模式限流起动模式36[例6.6.1]一台Y250M-6型三相笼型异步电动机，UN＝380V，三角形联结，PN=37kW，nN=985r/min，IN=72A，KS=1.8，KC=6.5。已知电动机起动时的负载转矩TL=250N·m，从电源取用的电流不得超过360A，试问：(1)能否直接起动？(2)能否采用星形－三角形起动？(3)能否采用KA=

0.8的自耦变压器起动？[解](1)电动机的额定转矩直接起动时的起动转矩和起动电流由于I△=IS>360A，所以不能直接起动。TN==×N·m=359N·m60

2PNnN60

2×3.1437×103985TS=KSTN=1.8×359N·m=646N·mIS=KCIN=6.5×72A=468A37(2)星形－三角形起动时的起动转矩和起动电流由于TSY<TL，所以不能采用星形－三角形起动。(3)采用自耦变压器起动转矩和从电源取用的电流

由于TSa>TL，IS<360A，所以可以采用自耦变压器起动。TSY=TS=×646N·m=215N·m1313ISY=IS=×468A=156A1313TSa=KATS=0.8×646N·m=413N·m22IS=KAIb=KAI△

=0.8×468A=300A22238二、绕线转子异步电动机的起动方法1.转子电路串联电阻起动

减小起动电流增大起动转矩2.转子电路串频

敏变阻器起动

频敏变阻器：频率高，损耗大，电阻大；频率低，则反之。转子电路起动时:

转子电路运行时:f2高，电阻大，f2低，电阻小，自动切除变阻器。R2n0TnOTsR2′Ts′R2＞R2′Ts大，Is小。′′39(1)改变同步转速n0

改变频率f1和磁极对数p(2)改变转差率s

调速方法：6.7三相异步电动机的调速

n=(1－s)n0=(1－s)p60f1

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。一、变频调速3~

变频器

M3~40二、变极调速U1U2U3U4(a)p=2(b)p=1U1U2U3U441三、变压调速四、转子电路串联电阻调速UN0.9UNn0nMnOTR2R2+RTM

n0nOT42五、串级调速I2↑n↑s↓I2↓T↓若相位相同T↑若相位相反I2↓n↓s↑I2↑T↑T↓

在转子电路中串入与E2

频率相同，相位相同或相反的附加电动势Ea

。I2=E2±EaR2＋(sX2)

22引入Ea

引入Ea

43[例6.7.1]

一台绕线转子异步电动机，转子绕组每相的电阻R2=0.022Ω，漏电抗X2=0.275Ω，额定转速nN=1440r/min。(1)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？(2)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的调速电阻才能将转速降至1200r/min？

O

sNsMNssMsTTMTN[解]MM(2)将转子电路串联电阻前后的转矩特性OM

段都近似用直线代替。(1)Rst

X2－R2

(0.275－0.022)

0.25344未串联调速电阻前的转差率sN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临界转差率转子每相绕组的总电阻应串联的调速电阻

Rst=R2SR2=(0.110.022)Ω=0.088

==0.041500－14401500n0－nNn0sN=R2

X2sMN=0.080.0220.275==0.21500－12001500n0－nn0s

=0.04sM=·s=

·s

=0.2=0.4TMTNsMNsN0.08R2S=sMX2=0.40.275Ω=0.11

45

一、脉振磁场*6.8单相异步电动机

Fm

Rmm

Fm

Rm

－m

Rm

FmtOt1t2t3t4t5t6t7t846二、工作原理

无起动转矩，有运行转矩。TRsF1TFsRTOs(a)转子顺时针方向旋转(b)转子逆时针方向旋转TFsR1TRsFTOs471.两相起动

原理：两相电流→旋转磁场→起动转矩三、起动方法转子CW1S1iWiSW2S22.罩极起动～n转子励磁绕组短路环48*

6.9交流伺服电动机交流伺服电动机是两相异步电动机。

机械特性Tn0.25UCUC0.75UC0.5UCO原理图

转速控制方式：幅值控制、相位控制、幅相控制。－uL+C+uC－L49

步进电动机将电信号转变成转角或转速。*

6.10步进电动机一、步进电动机的结构U2

V1V2

U1W2W1

123450(b)V相通电通电顺序：U→V→W→U(a)

U相通电二、步进电动机的工作原理每一拍转子转过的角度称步距角。(c)W相通电W2U1V1W1U2V212343412W2U1V1W1U2V23412W2U1V1W1U2V21.

m相单m拍51(a)

UV相通电U1W2V1W1U2V234122.

m相双m拍W2V1W1U2V23412U1W2V1W1U2V23412U1(b)

VW相通电(c)

WU