第4章电动机(动画).ppt

1、电工电子应用技术,(电工学II),第4章电动机,教学目标,三相异步电动机的转动原理,三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,电工电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第4章电动机,三相异步电动机的结构,基本概念:,旋转磁场电磁转矩机械特性,三相异步电动机的选择与使用,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,第4章电动机,本章目录,4.1三相交流异步电动机,三相异步电动机,直流电动机,步进电动机,伺服电动机,测速发电机,4.1.1基本构造,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,三相异步电动机主要由定

2、子和转子两大部分组成。,(1)定子,定子由定子铁心和定子绕组组成。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,定子铁心定子铁心由内圆开槽的圆形硅钢片叠压而成。槽内嵌入定子绕组。,定子绕组定子绕组是用外表绝缘的铜线绕制而成。定子绕组为三相对称绕组。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,三相定子绕组的联结方式：,三相异步电动机定子绕组的联结方式是指定子绕组首、末端的连接方式。有Y型和型。是在电动机的接线盒内完成的。,(2)转子,转子由转子铁心和转子绕组组成。铁心的外圆开槽，用来安装转子绕组。三

3、相异步电动机的转子有两种型式：笼型和绕线型。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,笼型转子,绕线型转子,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,4.1.2工作原理,磁铁,实验结论,介于磁场内的铜质笼型绕组跟随磁场而旋转。,启示,三相异步电动机的转动原理与上述实验结论相似。,关键点,三相异步电动机的旋转磁场是如何产生的？,实验举例,铜质笼型绕组,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,1.三相异步电动机的旋转磁场,（1）旋转磁场的产生,定

4、子电流,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,结论：,三相定子绕组在空间对称时，磁场的磁极为一对。三相定子电流交变一周，磁场就旋转一周。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,（2）旋转磁场的旋转方向,定子电流顺相序,定子电流逆相序,磁场顺时针旋转,磁场逆时针旋转,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,(3)旋转磁场的转速,一个电流周期，一对磁极的旋转磁场在空间转过360,一个电流周期，二对磁极的旋转磁场在空间转过180,结论：旋转磁

5、场的转速为,电源频率,磁极对数,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,（4）旋转磁场的磁极对数,三相定子绕组空间成对称时，旋转磁场,三相定子绕组空间成对称时，旋转磁场,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,2.三相异步电动机的转动原理,转子导体切割旋转磁场，转子导体产生感应电流。带电的转子导体与旋转磁场相互作用形成电磁转矩T，电磁转矩使转子跟随旋转磁场旋转。,转动原理,转子的转向与旋转磁场的转向一致。,转子的转向,转差率,“异步”：电动机运行时,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“

6、十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,4.1.3电磁转矩和机械特性,常数,每极磁通,转子电路功率因数,（牛顿米）,1.电磁转矩T,转子电流,三相异步电动机的电磁转矩T是由旋转磁场与转子导体相互作用产生。T与每极磁通、转子电流的有功分量成正比。,4.1三相交流异步电动机,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,定子电路等效,转子电路等效,（1）三相异步电动机的电磁关系,（定子绕组相电压）,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,（2）电磁转矩特性,将,、,代入,得到下式：,电磁转矩与转差率的关系曲线,最大电

7、磁转矩,起动电磁转矩,额定电磁转矩,额定转差率,临界转差率,常数,转差率,转子每相绕组内阻,转子绕组漏感抗,n=0时,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,（3）三个特定的电磁转矩,额定电磁转矩,额定功率,额定转速,起动电磁转矩,最大电磁转矩,三相异步电动机的两个使用参数,（1.82.2),过载系数：,起动能力：,（0.82.0),电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,2.机械特性,AB段电动机转速n与电磁转矩T成反比,在这一区域,电动机才能带负载稳定运行,故称AB段为硬特性区。,BC段

8、为软特性区,电动机不能带负载稳定运行。,负载突降,负载突升,带负载稳定运行,在硬特性区，电动机能自适应负载的变化。,（1）特性曲线,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,（2）机械特性与定、转子电路参数的关系,结论：转子电路内阻增大时，机械特性AB段变软，但起动转矩增大,即电动机的起动能力增强。,定子电压变化,转子电阻变化,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,4.1.4三相异步电动机的使用,起动,起动定义：有载时电动机转子从静止加速至稳定运行的过程。,方法：全压起动和降压起动,全压起动

9、的定义：额定电压下起动。优点：大。缺点：大,降压起动方法：换接降压起动和自耦变压器降压起动。优点：减小；缺点：减小,换接降压起动：、,自耦变压器降压起动：起动转矩为全压起动的起动电流为全压起动的,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,1.笼型电动机两种降压起动,（1）换接起动,起动时定子绕组星形联结,起动时定子绕组三角形联结,起动电流关系,星形联结起动,三角形联结起动,关系,起动电磁转矩关系,星形联结起动,三角形联结起动,关系,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,（2）自耦变压器降压起

10、动,起动转矩关系,起动电流关系,全压起动时,降压起动时,关系,（3）两种降压起动方法的实现,4.1三相交流异步电动机,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,2.绕线型电动机转子串电阻起动,绕线型电动机除了上述降压起动之外还可采用转子绕组外接电阻起动,优点,增大转子绕组电阻，可减小起动电流。因为，所以可增大起动转矩。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,调速,三相异步电动机转速公式：,变频调速即改变,变极调速即改变,变转差率调速即改变,优点：调速平滑，是无级调速。,改变定子绕组的空间分布来实现。缺点：调速不平滑，

11、是有级调速。,改变转子电阻来实现。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,正反转,磁场顺时针旋转,磁场逆时针旋转,改变旋转磁场的转向实现电动机的正反转。,改变定子电源的相序,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,制动,反接制动,能耗制动,制动时：改变定子电源的相序即任意对调两根定子电源线，使电机产生反向的电磁转矩即制动转矩，使电机减速，并停转。,注意,制动瞬间，定子绕组中的电流很大，必须加以限制。当转速为零时，必须迅速切断制动电源。,制动时：在切断定子电源的同时，在任意两相定子绕组中加入

12、制动直流电源，产生制动电磁转矩，使电机减速并停转。,限制电流,4.1三相交流异步电动机,例,已知三相异步电动机Y225-4的,(1)采用,换接起动时的起动电流和起动转矩各为多少?,(2)若负载转矩,时电动机能否起动?,(3)满载和半载时能否用,换接起动?,问?,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1三相交流异步电动机,4.1.5三相异步电动机的铭牌数据,例,4.1三相交流异步电动机,电路与电子技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,1.型号,异步的“异”字的拼音缩写,机座中心高度（毫

13、米）,机座长度，S为短型、M为中型、L为长型,4极电动机，极对数,2.额定电压,定子绕组按规定接法施加的电源线电压,3.额定电流,额定条件下定子绕组的线电流,4.额定功率额定效率,额定条件下电机轴上输出的机械功率,额定输入功率,功率关系,输入功率,输出功率,电机功耗,电动机功耗包括绕组的铜损、铁心的铁损和机械损耗。,4.1三相交流异步电动机,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,5.定子绕组接法,在电动机接线盒中用短路铜片将定子绕组接成星形或三角形。,铭牌上规定电机的接法是为了满足定子绕组的相电压。本例的接法为，。,注意,使用时必须按铭牌规定的接法接线，否则会出现以

14、下两种情况：实际加在每相定子绕组的电压超过，烧毁电机；实际加在每相定子绕组的电压小于，电机不能额定运行。,铜牌,4.1三相交流异步电动机,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,6.额定转速,转子的最高转速。使用时，根据实际机械负载来选择。,7.额定工作频率,定子电源的频率。对电机采用变频调速时，应尽量在以下实施。,8.其他,工作方式：有连续、短时、断续三种。根据实际情况来选择。,绝缘等级。与电动机的温升有关。,额定功率因数。电机空载、轻载时，较小，额定负载时，为。,4.1三相交流异步电动机,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.1.6

15、三相异步电动机的选择,种类选择,笼型电动机用于调速性能要求不高的场合：水泵、风机、运输机械的传动。绕线型电动机用于调速性能要求高的场合：电梯、起重机等的传动。,功率选择,按选择电动机的,生产机械功率,生产机械效率,传动装置效率,转速和电压的选择,电动机的额定电压应与现场电网电压一致电动机转速应尽量接近生产机械的转速，尽量简化传动机构。,结构形式的选择,应根据现场环境选择电动机的结构形式：开启型、防护型、封闭型、防爆型。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.2单相交流异步电动机,*4.2单相交流异步电动机,1.基本结构,定子绕组是单相的，称为工作绕组。电动机要运

16、转必须要产生旋转磁场，因此，必须增加起动绕组，电动机才能产生旋转磁场。,定子,转子,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.2单相交流异步电动机,起动绕组的两种形式,电容分相式,罩极式,起动绕组,起动绕组短路铜环,电容分相式单相电机的工作绕组与起动绕组在空间成嵌入定子铁心中。,罩极式单相电机的起动绕组为短路铜环，铜环套在磁极上。,2.工作原理,与三相电动机的工作原理类似,工作绕组,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.3直流电动机,*4.3直流电动机,4.3.1基本结构,定子,磁极,机座,电刷,转子,电枢绕组,电枢铁心,换向器,转轴

17、,等,等,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.3直流电动机,直流电动机的性能优点,（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。,应用场合,（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具,型式,他励式,并励式,串励式,复励式,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.3直流电动机,4.3.2工作原理,电刷,换向片,电枢电源,电刷,换向器,在电枢线圈中形成电枢电流

18、,载流导体和在磁场中受电磁力作用,由形成电磁转矩,驱动电枢（转子）旋转,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.3直流电动机,4.3.3机械特性,电枢绕组感应电动势，总与方向相反，成为反电势。,电枢电流,电枢绕组内阻,每极磁通,常数,电机转速,或,特性曲线,越小，机械特性越硬,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.3直流电动机,4.3.4直流电动机的应用,起动,正反转,调速,注意,起动前必须先加励磁电源，且要满磁。要限制电枢电流。,改变电枢电源极性或励磁电源极性。,改变,改变,改变,使改变,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“

19、十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,*4.4控制电动机,步进电动机,伺服电动机,测速发电机,异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量转换，将电能转换为机械能。控制电机主要功能是转换和传递信号。伺服机将电压信号转换为转矩和转速；步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移；测速电机将转速转换为电压信号。控制电机的要求是动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,4.4.1伺服电动机,分类,交流伺服电动机,直流伺服电动机,作用,伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的转距和转速受信号电压

20、控制，信号电压的大小和极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,1.交流伺服电动机,结构、工作原理与电容分相式单相异步电动机相似,励磁绕组和控制绕组在空间相隔90。,（1）结构,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,接线方式,（2）工作原理,相位相差90的电流和使电机产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子就旋转起来，这就是交流伺服电动机的工作原理。,控制电源,励磁电源,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,（3）电

21、磁转矩特性,当Uc=0V时，脉动磁场分成的正反向旋转磁场产生的转距T、T的合成转矩T与单相异步机不同。合成转矩的方向与旋转方向相反，所以电机在Uc=0V时，能立即停止，体现了控制信号的作用(有控制电压时转动，无控制电压时不转)，以免失控。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,（4）机械特性,从图中可看出，交流伺服电动机的机械特性较软。当控制电压Uc大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压Uc成正比。Uc的极性改变时，转子的转向改变。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,（5）特点,1）UC=0时，转

22、子停止。,2）交流伺服电机R2设计得较大，使Sm1，Tst大，启动迅速，稳定运行范围大。,3）控制电压U2大小变化时，转子转速相应变化，转速与电压U2成正比。U2的极性改变时，转子的转向改变。,应用,交流伺服电机的输出功率一般为0.1瓦到几十千瓦，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在自动控制、温度自动记录等系统中。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,2.直流伺服电动机,结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些。,工作原理：与直流电动机相同。,供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：,电工与电子应用

23、技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,直流伺服电动机的机械特性,由机械特性可知：(1)U1（即磁通）不变时，一定的负载下，U2,n。(2)U2=0时，电机立即停转。,电枢电压的极性改变，电机反转。,正反转,应用,直流伺服电机的特性比交流伺服电机硬。经常用在功率稍大的系统中，它的输出功率一般为1-600W。它的用途很多，如随动系统中的位置控制等。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,4.4.2步进电动机,原理,步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移

24、动一小段距离。,特点,(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变方向。,种类,有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,应用,步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动绘图仪等设备中都得到应用。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,1.反应式步进电动机的结构,定子,转子,定子绕组,组成,定子,转子,均由磁性材料构成，定子有六个磁极，六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相，步进电机的“相”是绕组的组数，绕组中输入直流电脉冲，与异步电机的“相”不同。转子有四个磁极。,电工与电子应用技术(电工学)普通高等教育“十一五”国家级规划教材,4.4控制电动机,2.步进电动机的工作方式,三相单三