电工学电动机.ppt

1、第八章 电动机,第一节 三相异步电动机的基本构造,第二节 三相异步电动机的转动原理,第三节 三相旋转 磁场,第四节 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,第五节 三相异步电动机的铭牌和技术数据,第六节 三相异步电动机的起动、反转、调速和 制动,概述,电动机,交流,三相,同步机,发电机,电动机,鼠笼式,按所用 电源 不同,按内部磁场与 轴转速的关系,按相数,按转子 结构,绕线式,电机,直流,异步机,单相,8.1 三相异步电动机的基本构造,主要由定子和转子两部分组成,定子：固定不动的部分,转子：转动的部分,鼠笼式异步电动机的组成部件,绕线式三相异步电动机的结构,一、定子,机座,定子绕组,铭牌数据,出

2、线端子,(不动的部分),主要由机座、定子铁心和定子绕组等组成,定 子 铁 心,定子绕组,定子铁心硅钢片,内表面有凹槽（下线槽），用于嵌放绕组,由互相绝缘的硅钢片叠成,定子铁心,下线槽,定 子 绕 组, 用带有绝缘层的导线（漆包线或纱包线）绕成, 每组绕组称为一相，每相有两个出线端, U1、V1、W1称为三相绕组的首端，U2、V2、W2为末端,三 相 定 子 绕 组, 均匀分成三组，按一定规律嵌放在定子内表面的下线槽内,三相笼型异步电动机出线端及接法,定子绕组六个端线引到接线盒内，可以接成Y形或形接法。,Y形连接,形连接,二、转子,由转子铁心、转子绕组和转轴构成,(转动的部分),鼠笼式转子,转

3、子 铁 心,转子铁心是电动机磁路的一部分，一般由相互绝缘的硅钢片叠压而成，表面有均匀分布的凹槽，用来嵌放转子导体。,转子硅钢片,转 子 绕 组,(1)鼠笼式绕组,转子绕组按其结构分有鼠笼式和绕线式两种,鼠笼绕组,铸铝转子,这种转子是将融化了的铝液直接浇注在转子槽内，并连同两端的短路环和风扇浇注在一起。,在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁心两端安放两个端环，称为短路环，然后把所有导体伸出槽外的部分与端环联接起来。若去掉铁心，则绕组部分就像一个鼠笼，这也是鼠笼式电动机名称的由来。这种鼠笼式绕组既可以用铜条焊接而成，也可以用铝浇铸。,(2)绕线式绕组,绕线式转子接线,绕线式绕组是与定子

4、绕组相似的对称三相绕组，一般接成Y形。每相出线端分别联接到安装在转轴上的滑环上，环与环、环与转轴之间相互绝缘，依靠滑环与电刷的滑动接触与外电路相联接。绕线式转子的特点是可以通过滑环和电刷在转子绕组回路接入附加电阻，用以改善电动机的起动性能或调节电动机的转速。,绕线式转子结构图,8.2 三相异步电动机的转动原理,e方向用 右手定则 确定,F方向用 左手定则 确定,磁场旋转,异步电动机的转动原理,定子绕组通电,转子导体（闭合）切割磁力线产生感应电动势及感应电流,带电的转子导体在磁场中受力（左手定则）,旋转磁场（转速为n1）,转子导体受到电磁转矩T的作用,转子转动起来，且与旋转磁场同方向，转速为n,

5、怎样实现电动机 的反向旋转?,任意对调 两接线端的接线,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,旋转磁场转速:,无转距,转子与旋转磁场间没有相对运动,无转子电动势（转子导体不切割磁力线）,转子无电流,提 示：,转子不能转动,电动机转速:,n和n1是否相等？,异步电机： n n1，且 n n1,如果 n= n1,转差率 S 的概念,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差 与同步转速的比值。即：,一般地,以额定转速 运行时:,转差率s是异步电动机运行的一个重要物理量。,根据s的正负和大小可以判断出异步电动机的运行状态。,（3）s1时，为电磁制动状态。,（1）0s1时，为电动机电动运行状态。,（2）

6、s=1时，为电动机的起动状态。,（4）s0时，为电动机的发电机运行状态。,异步电动机的额定转速nN=720r/min，电源频率为50Hz.,求：电机是极数？额定转差率是多少？,解：,额定转速接近同步转速n1=750r/min,该电机是极对数是4,例,则：,8.3 三相旋转磁场,一、旋转磁场的产生,三相定子绕组在空间上互差1200 放置，并通入三相对称电流,规定：,U1,V2,W1,V1,W2,()电流出,()电流入,U2,当i0时，电流从绕组的首端流向末端，当i0时，电流从绕组的首端流出。电流流入用符号“”表示；电流流出用符号“”表示。,U1,U2,V2,W1,V1,W2,合成磁场方向：,向下

7、,iA=0；,iB0；,iC0,一对磁极 （两极）,时刻,其它时刻磁场方向,U2,V1,W2,U1,V2,W1,U1,U2,V2,W1,V1,W2,A,U2,V2,W1,V1,W2,U1,当定子绕组中通入三相电流后，产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。,二、旋转磁场的旋转方向,与三相电源的相序一致,换接任意两相电源可改变磁场的旋转方向,怎样可以改变 旋转磁场的方向？,三、旋转磁场的转速,电流变化一周，两极磁场在空间正好转过一周,磁极对数P=1时：,如果电流的频率为f1，则旋转磁场每分钟的转速为：,r,/,(,60,1,f1,n,=,min,）,旋转磁场的转速n1

8、也称为异步电动机的同步转速,1、极对数（P）的概念,此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。,即：,将每相绕组分成两段,V1,按下图放入定子槽内,2、极对数（P）的改变,极对数,iA=0；,iB0；,iC0,V1,3、极对数和转速的关系,时,磁极对数,电源频率,电机同 步转速,若电源频率为工频,当电动机为2p个磁极时， 旋转磁场的转速为:,8.4 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,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。,常数,每极主磁通,转子电流,转子回路的 功率因数,一、 电磁转矩,其物理表达式为：,该式不方便 测量和计算,三相异步电动机

9、的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组；转子绕组相当于变压器的副绕组。定子电流产生的旋转磁场将通过定子和转子铁心而构成的闭合磁路，该磁场不仅在转子的每相绕组中产生感应电动势 e2，也要在定子的每相绕组中产生感应电动势 e1。而实际上，旋转磁场是由定子电流和转子电流共同作用产生的。,设定子和转子的每相绕组匝数分别为N1和N2，下面将对电动机的电路进行分析。,1.旋转磁场磁通量与定子相电压的关系,电动机内旋转磁场的磁感应强度在沿定子与转子间气隙应是接近于正弦规律变化分布。因此，通过每想定子绕组的磁通也应是随时间作正弦规律变化的，即 =msint,因此，每相定子绕组中由旋转磁场产生的感

10、应电动势为,也是正弦量，其有效值为,f1 是 e1 的频率，由同步转速可得,每相绕组的电路图,定子电流不仅产生主磁通，还将产生漏磁通,每相绕组的电路图,主磁通要通过转子绕组，而漏磁通将不通过转子绕组。这样在原绕组的电压约束方程为,如用相量表示，则可认为,式中R1和X1=2f1L1分别为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。它们都很小，对于主磁通产生的感应电动势可忽略，则,或,2.转子回路各物理量,根据电动机的转动原理，异步电动机之所以能够转动，是因为转子绕组在旋转磁场中要产生感应电动势e2，进而产生转子电流i2，而与旋转磁场作用产生电磁转矩T 。下面讨论转子电路中的各物理量：,每相绕组的电路图,（1）

11、转子绕组中的感应电动势,旋转磁场的主磁通在每相转子绕组产生感应电动势,其有效值为,f2为转子绕组中电流的频率。,（2）转子绕组中电流的频率 f2,因为旋转磁场和转子之间的相对转速为 (n0 n)，所以,可见，转子电流频率与转差率 s 有关，也就是与转速n 有关。,在 s=1 即(n =0)时，转子电流频率最大 f2= f1。对额定转速时，s为26%。,由此，进而可得转子感应电动势的有效值为,E20为 s = 1 (或n=0)时转子所产生的感应电动势的有效值，,（3）转子绕组中的电流,转子电流也要产生漏磁通2，每相绕组中的感应电动势为,对转子电路应用KVL，有,若用相量表示，则为,每相绕组的电路

12、图,X2与转子频率f 2有关，即,可见，转子感抗与转差率s有关。其中X20是s=1(或n=0)时的转子感抗,转子电流I2也与转差率s有关,将感抗X2代如上式，可得转子电流为,可见，,如曲线所示，s增加时， 转子切割磁力线加剧， e增加，I2也增加。,（4）转子电路的功率因数 cos2,由于转子漏磁通的存在，呈电感性，因此 I2 比 e2 滞后2角。转子绕组的功率因数为,转子电路的功率因数 cos 2也与转差率s有关,2. 电磁转矩特性T=f(s),由此得电磁转矩公式,由公式可知,电磁转矩公式,1.T 与定子每相绕组电压 成正比。,2.当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数,3.R2 的大

13、小对T 有影响。绕线型异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转矩。,U 1 T ,3. 机械特性,根据转矩公式,得特性曲线：,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,三个重要转矩,额定转矩,(N m),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为,2.最大转矩Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车),电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当 U1 一定时，Tmax为定值,绕线型电机改变转子附加电阻R2 可实现调速,过载系数(能力),一般三相异步电动

14、机的过载系数为,工作时必须使T2 Tmax ，否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,3. 起动转矩 Tst,起动时n= 0 时，s =1,(2) Tst与 R2 有关， 适当使R2 Tst 。对绕线式型电机改变转子附加电阻R2 , 可使Tst =Tmax 。,Kst 体现了电动机带载起动的能力。一般鼠笼异步电动机的启动能力为1.02.0。,起动能力,Tst T2 时电机能起动，否则不能起动。,4.电动机的运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整，这种能力称为自适应负载能力。,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

15、能带动新的负载)。,此过程中， n 、sE2 , I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T =T2,n ,T ,达到新的平衡,例,已知Y225M-2型三相异步电动机的有关技术数据如下：pN=45KW,电源频率f1=50Hz，nN=2940r/m， ，启动能力Kst=2.0，过载系数KM2.2，求该电机的额定转差率、额定转速时电动机转子回路电流的频率、额定转矩、启动转矩、最大转矩和额定输入功率。,解：,由电机型号极额定转速可知，该电动机的同步转速为3000r/min。则有,转子回路电流频率：,额定转矩,启动转矩,最大转矩,额定输入功率,5. U1 和 R2变化对机械特性的影响

16、,(1) U1 变化对机械特性的影响,T2,(2) R2 变化对机械特性的影响,R2,Tst ,n,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。,软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。 ,(3) R2 变化对机械特性的影响,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。,8.5 三相异步电动机的铭牌和技术数据,1. 型号,例如： Y 132 S4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表8-14中给出了电动机的铭牌。,一、 铭牌,异步电动机产品名称代号,3. 额定电压UN与接法,例如：380/220V、Y/ 是指线电压为 380V 时

17、采用 Y联结；线电压为 220V 时采用 联结。,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% 。因为在电动机满载或接近 满载情况下运行时，电压过高 或过低都会使 电动机的电流大于额定值, 从而使电动机过热。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,通常,Y 联结, 联结,W2,U2,V2,V1,W1,U1,接线盒,定子三相绕组的联接方法,电流,例如： Y / 6.73 / 11.64 A 表示星形联结下电机的线电流为 6.73A；三角形联结下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。,功率与效率,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,额定功率是指电机

18、在额定运行时轴上输出的机械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。,功率因数,注意：实用中应选 择容量合适的电机，防止出现 “大马拉 小车” 的现象。,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。,额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,绝缘等级,如： n N =1440 转/分 sN = 0.04,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)。,1. 功率的选择,功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。,对于连

19、续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。,二、三相异步电动机的技术数据,2.种类和型式的选择,1. 种类的选择,一般应用场合应尽可能选用笼型电动机。只有在需要调速、不能采用笼型电动机的场合才选用绕线型电动机。,2. 结构型式的选择,根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。,3.电压和转速的选择,根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。,Y系列笼型电动机的额定电压只有380V一个 等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。,8.6 三相异步电动机

20、的起动、反转、调速和制动,一、起动,起动问题：起动电流大，起动转矩小。 一般中小型笼型电机起动电流为额定电流的5 7 倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,起动： n = 0，s =1, 接通电源。,1、 起动方法,(1) 直接起动（全电压启动）,(2) 降压起动：,星形-三角形(Y ) 换接起动,自耦降压起动,（适用于笼型电动机）,(3) 转子串电阻起动,（适用于绕线型电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,1. 降压起动,(1) Y 换接起动,降压起动时的电流 为直接起动时的,设：电机每相阻抗为,三角形

21、联接时：,星形联接时：,Y 起动器接线简图,Y起动,Y 起动器接线简图, 工作,(a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y- 换接起动应注意的问题,正常运行,(2) 自耦降压起动,Q2下合： 接入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合： 切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦变压器备有抽头，以便得到不同的电压（例如为电源电压的73%、64%、55%），根据对起动转矩的要求而选用。,自耦降压起动适用于容量较大的或正常运行时联成星形不能采用三角起动器的鼠笼式异步电动机。,自耦变压器降压起动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制，可按照允许

22、的起动电流和所需的起动转矩选择不同的抽头，常用于起动容量较大的电动机。其缺点是设备费用高，不宜频繁起动。,（3）绕线型电动机转子电路串电阻起动,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst ,转子电路串电阻起动的特点,例,(1),解:,一台Y225M-4型的三相异步电 动机，定子绕组型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88， Ist/IN=7.0, Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：(1) 额定电流IN； (2) 额定转差率sN； (3) 额定转矩 TN 、最大转矩Tmax 、和起动转矩TN,(2) 由nN=1480r/min，可知 p=2,(3),例,解：,在上例中(1)如果负载转矩为510.2Nm,试问在U=UN和U=0.9UN两种情况下电动机能否起动？ (2)采用Y- 换接起动时，求起动电流和起动转矩。 又当负载转矩为起动转矩的80%和50