机电传动控制教案5.ppt

1、第五章 交流电动机的工作原理及特性,要求： 了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生 掌握异步电动机的工作原理和机械特性。 掌握异步电动机启动、调速和制动的方法，会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态； 掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理； 了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法； 掌握各种异步电动机和同步电动机的使用场所。,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,一、三相异步电动机的基本结构,定子和励磁线圈,转子和转子线圈,定子和转子硅钢冲片,三相对称绕组AX，BY，CZ,鼠笼转子结构,A,B,C,外接变阻器（启动和速度调节）,滑环和电刷,绕线转子结构,二、三相

2、异步电动机的工作原理,三相交流电,定子三相绕组,N-S主磁场以n0顺时针旋转,顺时针,TM产生条件是n0和n相对运动,转差率,n0同步转速 n转子转速,工作原理要点,三相交流电通过定子绕组产生旋转磁场 旋转磁场与转子绕组之间存在相对运动 转子绕组切割磁力线从而产生感应电势 转子绕组为闭合回路，在感应电势作用下产生感应电流 转子绕组成为载流导体，在磁场中受到电磁力（矩）的作用，从而使转子旋转 转子转速始终低于旋转磁场的转速(同步转速),三、 三相异步电动机的旋转磁场,1.旋转磁场的产生,主磁场N-S顺时针旋转180度 （旋转磁场n0在一对极p=1时）,旋转磁场的产生,2. 旋转磁场的旋转方向,三

3、相交流电流最大值到达的顺序（相序）决定电动机转向。 ABC 电流 ABC 定子绕组（顺时旋转）,ABC 电流 ACB 定子绕组（逆时旋转）,3. 旋转磁场的极对数与旋转速度,旋转磁场转速（同步转速）,磁场转了90度,n0r/min fHZ p极对数（p=1、2、3）,四极旋转磁场与旋转速度,四极旋转磁场与旋转速度,旋转磁场转速（同步转速）,n0r/min fHZ p极对数（p=1、2、3）,四、 定子绕组线端连接方式,出线端排列,短路片,线电压,相电压,铭牌：Y/接线方式 380/220不同接线 应加的线电压,5.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路,一、定子电路分析,定子每相绕组的感应电势

4、为,有效值为,忽略漏磁,转子感应电势有效值为,E20转子未转动感应电势,二、转子电路分析,转子感应电流有效值为,E20转子未转动感应电势 X2-转子每相绕组漏磁感抗,转子电路功率因素为(I2滞后E2一个2角),转子电路分析,转子电路的分析,三、三相异步电动机的额定值,电动机铭牌上的额定数据 型号 额定功率PN (输出的机械功率) 额定电压 UN (220/380V /Y) 额定频率f (50HZ) 额定电流IN (10.35/5.9A /Y) 额定转速nN (额定转差率SN) 工作方式 (定额) 温升(或绝缘等级) 电动机重量,型号组成,1）产品代号部分 2）规格代号部分 3）特殊环境代号 4

5、）补充代号部分,绝缘等级和防护等级IPn1n2,冷却方式和工作定额,空气冷却：自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风 液体冷却 闭路循环气体冷却 表面冷却、内部冷却 工作定额分S1S8：连续、短时、继续、周期等,电动机铭牌上不标的额定数据,额定功率因数cosN 额定效率N,额定转矩TN 绕线式异步电动机转子静止时滑环电压和转子额定电流 通常手册上给出的数据就是额定值,解 (1)E1=4.44f1N1 =4.445O3200.0231634V (2)转子绕组开路时，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压) E20=4.44f2

6、N2 =4.44f1N2 =4.4450200.023=102V (3)求 E2N E2N=SN E20 =2.9V,例1、有一台三相四极的异步电动机， Y连接，其额定技术数据为 PN=90kW，UN=380V，IN=229A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=285，定子每相绕组匝数N1=320， 转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通0.023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1： (2)转子每相绕组开路电压E20： (3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N。,例题,例2 有一台三相四极的异步电动机， 其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02，X20

7、=0.08 ，电源频率f1=50Hz，E20=20V， 试求：(l)电动机的同步转速n0 ：(2)电动机启动时的转子电流I2st ： (3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N； (4)电动机在额定转速时的转子电流 I2N 解 (1) n0=60f1/P=6050/2=1500r/min (2),(3)SN=(n0-nN) /n0=(1500-1440) /1500=0.04 f2N=SNf10.0450Hz=2Hz,(4),四、 三相异步电动机的能流图,输入定子的电功率,定子电路中的铜损,转子电路中的铜损,输入转子的电磁功率,铁损(磁滞和涡流损耗),机械损失功率,输出的机械功率,电动机的

8、效率,电动机的输出功率,T-电动机的电磁转矩 T2-电动机的输出转矩,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,一、三相异步电动机的转矩 直流电动机的转矩,三相异步电动机的转矩,U,U1-定子绕组相电压，电源电压； R2-转子每相绕组的电阻； X20-n=0时转子每相绕组的感抗； K-三相异步电动机的转矩常数。,二、三相异步电动机的转矩特性,cos2对T的影响,三、三相异步电动机的机械特性 nf(T),T=f(S) T-S曲线,n=n0,n=0,T,n=f(T) 机械特性曲线,机械特性分类,固有机械特性：异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的

9、机械特性 人为机械特性：改变定子电压U，定子电源频率f，定子电路串入电阻或电抗，转子电路串入电阻或电抗等得到的异步电动机的机械特性。,理想空载转速n0 额定工作点T=TN TN=9.55PN/nN SN=(n0-nN)/n0 (0.060.015) nN=(0.940.985)n0 启动工作点Tst(n=0,s=1) 临界工作点(T=Tmax,s=sm) dT/ds=0 sm=R2/X20 Tmax=KU2/(2X20),固有机械特性,过载能力系数 m=Tmax/TN m=2.02.2 启动能力系数 st=Tst/TN st=1.01.2 转矩-转差率实用公式 T/Tmax代入 sm=R2/X

10、20 化简得,Tmax=KU2/(2X0) sm=R2/X20,固有机械特性,降低电源电压的人为特性,电压降低后特性变化的特点： n0、 Sm不变； Tmax大大减小，对U敏感； 机械特性变软； TL不变下，SI温度升高。,0.25Tmax,0.64Tmax,人为机械特性,特性变化的特点： n0、 Sm不变； Tmax比较小的减小(同降压引起Tmax下降相比)； 机械特性变软；,定子电路串入电阻或电抗的人为机械特性,特性变化的特点： n0、 Sm改变，机械特性基本不变；,ff1f2,改变电源频率时的人为机械特性,转子电路串入电阻（绕线式电动机）的人为机械特性,特性变化的特点： Sm增大，机械特

11、性变软；,5.4 三相异步电动机的启动特性,三相异步电动机的启动要求 启动转矩要足够大； 满足启动转矩要求下，启动电流要小。,1、直接启动 2、降压启动 电阻或电抗器降压启动 Y降压启动 自耦变压器降压启动 延边三角形启动,鼠笼式异步电动机的启动方法,2、工业与照明共用电源，电动机启动比较频繁，按经验公式估算。,1、有独立变压器供电 电动机启动频繁，电动机功率=变压器容量的20时,允许直接启动； 电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30时，允许直接启动；,特点：无需附加启动设备，且操作和控制简单、可靠,直接启动（全压启动）,例题,例、 有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN20K

12、W，IstIN6.5，如果供电变压器(电源)容量为560kVA，且有照明负载,问可否直接启动?当IstIN6.5，功率为多大的电动机则不允许直接启动?,解： （1）根据 IstIN6.57.75，满足上式关系，故允许直接启动。,（2） 由 则当PN24kw时，电动机不允许直接启动。,2. 串电阻、电抗降压启动,缺点： 机械特性变软 消耗能量大，不适合经常启动的电动机,3. Y-降压启动,IstY=Ist/3 TstY=Tst/3,优点；简单、经济、电流小。 缺点；只能应用于正常工作方式为三角形接线的电机(4KW以上，额定电压380v、接线。),4. 自耦变压器降压启动,优点:电压可调、电流小。

13、 缺点:变压器体积大、价格高。不能应用于频繁启动电机。,优点：电流、启动转矩大（同Y-相比）； 缺点：对定子绕组出线有特殊要求,5. 延边三角形启动,1. 逐级切除启动电阻法,优点:电流小、启动转矩大。 缺点:电阻上的损耗大。,绕线式异步电动机的启动方法,2. 频敏变阻器启动法,优点：电流小、结构简单、无需维修。启动转矩较大。 适用于：对调速沒有要求、经常正反转、启动转矩要求不大的冶金、化工设备上。 缺点；不能用作调速电阻。,n=0，S=1 f2=Sf1RXIT n=nN f2 R=X0相当于转子短路，启动完毕,绕线式异步电动机的启动方法,四、 特殊鼠笼式电动机,1. 双鼠笼电动机 启动时：,

14、黄铜(启动),紫铜 (工作),正常工作：,集肤效应 电流集中在导体上部（启动时）,100千瓦以上鼠笼电机 都做成双鼠笼式或深槽式,深槽电机,5.5 三相异步电动机的调速特性,只要改变Tmax 、Sm、f、P就可改变速度,调速方法：调压调速、转子电路串电阻调速 改变极对数调速、变频调速,离心风机,不同负载下可有不同的调速范围,调压调速,特点： 1、只适用于线绕式异步电动机； 2、有级调速； 3、 随转速降低，特性变软； 4、 转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。 重复短期运转的生产机械,转子串电阻调速,改变极对数调速,2P,P,2P,P,改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不

15、变。启动时宜低速启动。,改变极对数调速,适用于 鼠笼式电动机,变频调速,T与n方向相反,5.6 三相异步电动机的制动特性,一、反馈制动,T与n方向相反,变极或变频调速时反馈制动,反馈制动,T与n方向相反,二、反接制动,1.电源反接制动,n0方向改变 T,TL同向, abc断电因为反接电流很大，实际串电阻后应ade 特点：制动强烈、控制复杂、不准确、能耗大，需反转场合。,T与n方向相反,2.倒拉反接制动,提升工作在a点 下放时串电阻改变机械特性a乛b乛c乛d点。 特点：能耗大、电阻大小要适当，起吊机械。,三、能耗制动,特点：制动效果不如反接制动强度大，制动平稳，准确停车，需直流设备，应用于准确停

16、车和下放重物设备上。,5.7 单相异步电动机,一、单相异步电动的磁场,单相异步电动的磁场,正向,反向,合成T-S曲线,2.在外力矩作用下能加速到稳定运行状态，转向不固定.,脉动磁场的TS曲线,单相异步电动的启动方法,1. 电容分相式异步电动机,移相电容,离心开关,iB电流超前iA电流90度,1. 电容分相式异步电动机,圆形旋转磁场的条件：两相相差90度等幅值的交流电通入两相在空间相差90度的对称绕组.,单相异步电动的启动方法,电容分相式异步电动机的转向,转向取决于电流最大值到达的顺序。或对调两绕组的任一绕组的接线。,罩极铜环,罩极铜环,注意：罩极电动机的转向不可改变。,2. 罩极式异步电动机,

17、5.8 同步电动机的工作原理、特点及应用,同步电动机的基本概念,同步电机：旋转速度和旋转磁场的转速相同。 组成结构：和异步电动机的不同之处是转子有励磁绕组、启动绕组，有时是永磁铁。 作用：1、电动机（伺服电机） 2、 发电机 3、功率补偿电机,适用于大功率高电压的场合,气隙不均匀（低速电动机1000r/min以下）,气隙均匀（高速电动机）,直流励磁（电刷、集电环）,同步电动机的基本结构,（一）组成部分 1、定子：铁心，定子绕组，机座，端盖； 2、转子：主磁极，直流励磁绕组，鼠笼型启动绕组，电刷，集 电环,二、同步电动机的工作原理和运行特性,n不随负载变化，恒定转速。,同步电动机的最突出的优点,

18、调节同步电动机转子的直流励磁电流If， 便能控制同步电动机的功率因数 的大小和性质,1、正常励磁状态,电动机的全部磁动势都由直流产生，定子电流与外加电压同相，这时的励磁状态称为正常励磁。 同步电动机的所需的磁动势由定子和转子共同产生 转子励磁电流If产生磁通f，而定子电流产生磁通0，总的磁通为两者的合成 当外加三相交流电源的电压U为一定时，总的磁通 也应该为一定 因此，当改变同步电动机转子的直流励磁电流If使f改变时，如果要保持总磁通不变，那么，0就要改变，故产生0的定子电流必然随着改变，则功率因数改变。所以我们可以利用调节转子的励磁电流来使功率因数1,2、欠励状态,直流励磁电流小于正常励磁电流时的状态 直流励磁的磁动势不足，交流电源还必须要供给一部分励磁电源，以保证总磁通不变 定子电路成为电感性电路 定子电路的输入电流滞后于电压，功率因数1，定子电流大于正常励磁状态时的电流值,3、过励状态,直流励磁电流大于正常励磁电流时的状态。 直流励磁过剩，交流电源需向电网发出电感性电流与电感性无功功率，补偿电网附近电感性负载的需要，提高整个电网的功率因数。 这时的同步电动机与电容器作用类似。输入电流超前于电压，功率因数1，定子电流也要增大。,同步电动机的启动,由于惯性转子产生摆动,同步电动机不能自行启动，需要 1、先采用异步电动机原理启动 2、慢慢加大交流电源的频率,同步电动机的启动