第三章异步电动机1.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,日照海事专修学院,交流异步电动机,制片人,王凯,交流异步电动机的特点,：,优点：结构简单，运行可靠，故障率低，价格低廉，维护保养方便，应用广泛,缺点：,1,、,存在,无功功率,，轻载时功率因数低，使发电机的容量得不到充分发挥。,2,、,起动电流大，调速性不好,（,可以采取相应方法克服）,一,.,三相异步电动机的结构,基本结构：,1,、定子,2,、转子,3,、气隙,4,、铭牌,电机解剖图,主要由,铁心,和,绕组,组成，另外还有接线盒、机座等,铁心,：是由一片片的,0.5mm,厚的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心的。,1,、定子,铁心的组成,铁心由硅纲片叠成,铁心中的槽与线圈导体,铁心剖面图,铁心,绕组：,有三相，称为三相对称交流绕组。绕组按照一定的尺寸绕制成形，并按照一定的规律嵌放在铁心槽中。,绕法：星,-,三角（？）,绕组的组成,绕组展开图,铁心与展开线,绕组,接线盒,接线盒,Y,形连接,形连接,防护结构：,主要指机壳的结构形式，有开启式、防护式（防溅、滴）和封闭式三大类：船用电机主要是封闭式。,机座,主要包括机壳，底座，吊耳，端盖，护罩等，起固定支撑和防护之作用。,2,、转子,主要由,铁心,和,绕组,组成，其他还有扇叶，轴承等,根据绕组方式的不同，转子又分为鼠笼式和绕线式,绕线式,鼠笼式,是由一片片的硅钢片加工成一定的形状，然后叠压成为铁心，外表面有用来安装绕组的斜槽，内表面有轴孔，并套在轴上。,转子铁心的组成,铁心,鼠笼式转子,鼠笼绕组是特殊形式的多相绕组，每根,导条为一相,，两个端部都有短路环。,有导条式和铸铝式两种。,鼠笼绕组,转子展开,鼠笼,绕组展开图,绕线式转子模型,转子绕组与定子相似，通常三相绕组接成,Y,形，有三个输出端。,绕线式转子,转子三相绕组展开图,转子展开,扇叶：用来强制自冷,自然冷、自扇冷、他扇冷等方式。,轴承：一般用滚动轴承，保持良好的润滑,扇叶及轴承,冷却方式：,3,、气隙,转子与定子间的空气间隙称为气隙，是,磁路,的组成部分。,异步电机的气隙很小，一般为,0.2,2.0mm,。气隙的大小直接关系到电动机性能。,一般来说气隙,越小越好,，它可以,减小磁阻,，减小励磁电流，提高电动机效率和功率因数。,但是,过小,的气隙不仅造成撞。加工装配的困难，而且运转时容易发生定子转子间的摩擦和碰,铭牌,1.,额定功率,P,n,：,轴上输出机械功率，单位,kW,；,2.,额定电压,U,n,、电流,In,：定子绕组的,线,电压、,线,电流,单位,V,和,A,；,3.,额定转速：,额定状态的电动机转子转速，单位：转,/,分，（,r/min,）；,4.,额定功率因数：额定负载时定子边上的功率因数，一般在,0.8-0.9,之间,4,、铭牌,5.,绝缘等级和温升：一般分为,Y A E B F H C,七级，耐热和绝缘性递增。例如，,B,级耐热极限为,130 C,（详见,P,184,）,6.,工作方式：,连续运行、短时运行、重复短时运行,(,断续,),；,7.,接法：指定子三相绕组的连接方法。有,（,Y,）星形、（）三角形，或者,“,380v/220v Y/,”,铭牌,二,.,异步电动机的工作原理,1,、转动原理,2,、旋转磁场,3,、转差率,4,、等效电路,5,、运行特性,试分析上图闭合的导线框能否随着磁场转动？,1,、转动原理,1,、转动原理,三相对称绕组通入三相对称交流电，,产生圆形旋转磁场,，切割转子绕组，使之感应电势并感生电流，电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使转子转动。,转子转速,n,小于磁场转速,n,0,，所以,“,异步,”,。,旋转磁场的产生条件：,1,、,至少有两个定子绕组这些绕组要有空间相位差,2,、,通入这些绕组的电流要有时间的相位差,思考：定子三相绕组是否能满足产生旋转磁场的条件？,2,、旋转磁场,一对磁极：,ABC,三相绕组每相只有一个绕组,定子绕组的空间与时间特点,2,、旋转磁场,一对磁极式的定子模型,定子三相绕组如何产生旋转的磁场？,当,t=0,时，所产生的合成磁场方向（根据,ABC,三绕组的电流方向）,2,、旋转磁场,2,、旋转磁场（,图示法,）,输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。,结论：,三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生,圆形,旋转磁场，,转向从超前相转至滞后相,(AB C A),，转速,n,0,=60 f/p,，,n,0,叫,同步转速,。,完成,2,、旋转磁场（,图示法,）,输入：三相对称交流绕组通入三相对称交流电。,结论：,三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙将产生,圆形,旋转磁场，,转向从超前相转至滞后相,(AB C A),，转速,n,0,=60 f/p,，,n,0,叫,同步转速,。,返回,转子的转向取决于定子磁场的旋转方向,定子磁场的旋转方向取决于三相相序,改变,ABC,三相相序,就可以改变转子转向,如何改变,ABC,相序,?,反转条件,旋转磁场转速,一对极式,电流变化一个周期，合成磁场旋转一周，故定子磁场转速与三相电源频率,f,相同。,磁场每秒钟旋转,f,次，每分钟的旋转次数,n,0,=60f(,转,/,分，,r/min,),电流变化,一个周期,，合成磁场旋转,1/2,周，故定子磁场转速与三相电源频率一半，即,f/2,相同。,磁场每秒钟旋转,f,次，每分钟的旋转次数,n,0,=60f,/2,(,转,/,分，,r/min,),旋转磁场转速,两对极式,如果定子是三对磁极，则其转速,n,0,=60f/3,以此类推，假定定子磁极对数为,p,，电源频率为,f,，那么磁场转速,n,0,的公式：,N,0,=60f/p (r/min),N,0,又称为,同步转速,旋转磁场转速,常用同步转速表,3,、转差率,转差率,S,（表明实际转子转速与同步转速的差别程度）,定义式：,s=(n,0,-n)/n,0,转差率对分析电动机性能有非常重要的意义,异步电动机工作在,电动状态时,，,1,s,0(n,n,0,),。否则就不是,电动状态。,比如当,S=0,时，,n=n,0,此时电机变成同步，没有相对切割。,额定负载时的转差率,s,n,：,s,n,=(n,0,-n,n,)/n,普通异步电动机额定,负载时的,转差率很小,，一般不超过,0.1,，即：,s,n,=0.01,0.09,。,只有特殊用途的异步电动机,（如，起重等用的电动机）,s,n,才比较大,。,3,、转差率,空载时的转差率,s,n,接近于,0,，因为空载转速,N,接近于,N,0,堵转和刚起动瞬间，实际转速,N,为零，故,s=(n,0,-n)/n,0,=(n,0,-0)/n,0,=1,3,、转差率,如何利用铭牌数据计算额定转差率,s,（及磁极对数,p,）,?,根据,“,普通异步电动机额定,负载时的,转差率很小,，一般不超过,0.1,”,，即,N,0,与,N,N,数值上很接近。,例如：,N,N,=1460 r/min,可推测出,N,0,=1500 r/min,3,、转差率,由,s=(n,0,-n)/n,0,可以计算出,S,N,=(1500-1460)/1500=0.027,由,N,0,=60f/p,，可已得到磁极对数,p=2,3,、转差率,定子从电网中吸收电能，通过磁场的电磁感应作用将电能传到转子，转换并输出。,定转子之间能量转换与传输没有直接电之间的联系，而是通过磁场。这一点与变压器原副边原理很相似。,实际上，异步电机的电路可以等效为右图。,4,、异步电机的等效电路,与变压器不同的是定子电路与转子电路的频率不同。,定子电路频率,f,1,为电源频率，而转子频率,f,2,与定转子相对速度,N,0,-N,和磁极对数,P,有关,f,2,=s,f,1,4,、异步电机的等效电路,机械特性,电磁转矩,损耗和效率,5,、运行特性,机械特性是指转矩,T,和转速,n,之间的关系，,异步电动机的机械特性用,T,s,关系曲线,表示。,也就是说：,异步电动机的机械特性也是,T,和,s,之间的关系。,机械特性上的关键点主要有：,起动点,、,临界点,、,额定工作点,和,理想空载转速点,。,4,点。,机械特性,硬机械特性,（从空载道额定负载其转速下降很小，即额定转差率很小），适合拖动,恒速运行,的机械。,机械特性,转矩等于功率除角速度：,T=P/,=P9550/N,电磁转矩物理表达式：,T=K,T,I,2,cos,2,K,T,为转矩系数,I,2,为转子电流，由转子电动势,E,2,决定,为磁路中磁通，由定子电压,U,产生,Cos,2,是功率因数，额定范围内变化不大,？试分析电磁转矩,T,与定子电压,U,和转差率,S,的关系,电磁转矩,转矩,T,正比于定子电压,U,的平方,转矩,T,正比于转差率,S,电动机的运行对定子电压,U,的波动非常敏感,U,过高,使,定子电流,I,1,过大，导致定子绕组过热损坏,U,过低,转矩减小，转速下降甚至发生堵转，使转子,电流,I,2,过大,，可能损坏转子,电磁转矩,损耗主要包括三种：,1,、机械损耗,2,、铁损,3,、铜损,效率,=P,2,/P,1,三相异步电动机的效率一般在,0.72-0.93,之间。,损耗与效率,三、起动、调速和制动,1,、,起动性能和方法,2,、调速概念和方法,3,、制动方法,1,、起动,对电动机的,起动要求,：,生产设备对电动机起动的要求主要有,3,点：,1,、,起动电流小；,2,、,起动转矩大；,3,、,起动时间短。,异步电动机本身起动性能：,1.,起动电流大,：是额定电流的,5,7,倍；,2.,起动转矩不大,：仅为额定转矩的,1.0,2.2,倍。,1,、起动,起动电流大,容易造成对电网的冲击，影响其它设备的正常运行；,起动转矩不大,起动时不仅使起动时间增加，生产效率降低，而且可能克服不了电动机的阻转矩（至少应为额定转矩 的,1.1,倍才能顺利起动）。,结论：,异步电动机起动性能有时不能满足生产设备要求。,故异步机常用的起动方法有,：,(1),全压,(,直接,),起动；,(2),降压起动。,(3),转子电路串电阻起动（绕线式异步电机特有方式）,为了提高异步机的起动转矩，在电源容量允许时鼠笼式通常采用全压起动。,绕线式则不允许全压起动,转子为线绕式，抗击起动电流的冲击能力小,。,(1),全压（直接）起动,降压起动：是在起动时降低异步电动机电源电压，等到电动机转速升高到一定值（或接近额定转速，此时电动机起动电流已大大减小）后，再将电源电压增加到额定电压,。,异步电动机,降压起动,方法主要有三种,：,1.,定子绕组串电阻或电抗器,降压起动；,2.Y-,降压起动；,3.,自耦变压器,降压起动。,(2),降压起动,串电阻或电抗降压起动,方法：,起动时将起动电阻或电抗串接在定子电路中，起动结束后将起动电阻或电抗切除。,串电阻,：,起动时功率因数较大，但耗能也较大；,串电抗,：,不耗能，但起动时功率因数低。,起动电流和转矩都降低。,Y-,降压起动,方法：,起动时将定子绕组接成,Y,形，转速升高后再接成形。起动电流和转矩都降低为形时的,1/3,。,适用场合：,1.,正常工作时定子为形连接鼠笼式异步电动机；,2.,空载或轻载起动。,Y/,连接,起动线路,自耦变压器降压起动,方法：,起动时将定子绕组通过自耦变压器降压，转速升高后再直接接电源。,特点：,起动,电流,和,转矩,都,降低,为全压起动时的,1/k,2,。可选用不同变比适合不同场合。,适用：,轻载起动。,绕线式异步电动机特有的起动方法,转子回路串电阻,起动,特点：起动转矩,T,st,不变,(,实际上有所提高,),适用：,带额定负载起动，比如起货机、锚机等。,(3),转子串电阻起动（,绕线式特有,）,绕线式异步电动机的起动,方法：,转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。,开始起动,绕线式异步电动机的起动,方法：,转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。,起动完成,绕线式异步电动机的起动,方法：,转子绕组通过滑环和电刷引出电机，并与三相变阻器连接。起动时，变阻器的电阻最大，接通电源后逐渐减小三相变阻器电阻直至三相变阻器电阻为零，起动结束。,返回,主要有高转差率、深槽式、双鼠笼式异步电机等,高转差率异步机,转子电阻大,，额定运行时转子的,铜损增加,，,效率降低,。,适用于,起重机械,。,由于转子电阻增大，起动转矩增大。因此，如果鼠笼式异步电动机的鼠笼导体采用电阻率高的材料制造，将可以增大起动转矩。由绕线式异步机机械特性可知，转子电阻增大，额定运行时的转差率增大，因此这种电机称为高转差率异步电动机,。,了解：高起动转矩异步电动机,调速,在,T,负载不变的条件下改变电动机的转速。,s=n,0,-n/n,0,N,0=,60f/p,得,N=,（,1-,s,）,60f/p,三相异步电动机有三种基本调速方法：,（,1,）变级调速,（,2,）变频调速,（,3,）转子串电阻调速（绕线式特有）实际改变的是,S,2,、调速,制动：,是,T,电与转向相反,分类：,1.,反接制动：改变定子电压的相序即可，但是必须,在,N=0,时停止，否则反转,-N,0,与,N,相反,S1,2.,反馈制动：,NN,0,SI,1N,。若无过载保护，就会,烧毁电机,的绕组。,关于磁场的分析,三相对称交流绕组通入三相对称交流电，在气隙中将产生圆形旋转磁场。,旋转磁场转向,为从超前相到滞后相,，,转速,n,0,=60f,1,/p(,转,/,分,),，或：,f,1,/p(,转,/,秒,),。,只有,三相对称,才能产生,圆形旋转,磁场。若三相,不对称,，则产生,椭圆形旋转,磁场。若是,单相电流,，产生的是,脉振磁场,。,脉振磁场的分析：可以采用,“,双旋转理论,”,，分解为正、反两个旋转磁场。脉振磁场就是这两个旋转磁场共同作用的结果。,双旋转理论,根据第二节的分析，单相,脉振磁势,可以利用三角函数的公式分解为：,f,A,=0.5F,sin,(,t-x/,),sin,(,t+x/,),其中，,0.5F,sin,(,t-x/,),和,0.5F,sin,(,t+x/,),分别为正、反两个旋转磁场，其幅值一样、转速相同、转向相反。这就是,双旋转理论,。,脉振磁场与正反向旋转磁场的关系如下图所示。,单相脉振磁场,f,A,=,F,sin,t,cos,(x/),=,f,A,f,A,=0.5,F,sin,(t-x/)+0.5,F,sin,(,t,+,x,/),f,A,是一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置,x,不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：,x,是空间,(,位置,),坐标，原点在,A-X,的轴线上。,开始脉振,单相脉振磁场,f,A,=,F,sin,t,cos,(x/),=,f,A,f,A,=0.5,F,sin,(t-x/)+0.5,F,sin,(,t,+,x,/),f,A,是一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置,x,不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：,x,是空间,(,位置,),坐标，原点在,A-X,的轴线上。,停止脉振,返回初态,单相脉振磁场,f,A,=,F,sin,t,cos,(x/),=,f,A,f,A,=0.5,F,sin,(t-x/)+0.5,F,sin,(,t,+,x,/),f,A,是一个脉振磁场，两个分量幅值相同，转向相反，合成后空间位置,x,不变，但大小和方向随时间不断变化。式中：,x,是空间,(,位置,),坐标，原点在,A-X,的轴线上。,单相脉振磁场的特点：,1.,转子,静止,时，单相脉振磁场,无,驱动力矩；,2.,转子转动时，单相脉振磁场可产生一定的驱动力矩，,保持,转子继续旋转运行。,关于单相异步电动机的结论：,1.,单相异步电动机不能自行起动，应采取其它方法才能起动。,2.,单相异步机转动时产生的电磁转矩比较小，转差率较大，电机电流较大。,单相脉振磁场与单相异步电动机特点,单相异步电动机的机械特性是其正、反两个旋转磁场单独的机械特性的合成特性。,由于两,个旋转磁场幅值一样、转速相同、转向相反，所以,两条机械特性,以原点对称,，,合成的,单相异步电动机的机械特性是一条,过原点,的特性。所以，单相异步电动机,起动转矩为零,。,将机械特性转,90,后的样子,二、单相异步电动机的机械特性,三、起动方法,起动分析：,必须产生旋转的磁场（至少是移动的磁场），才能切割转子绕组，产生驱动转矩，使转子转动。而要在气隙产生旋转磁场则至少需要两相的交流电流。因此，必须对磁场进行,“,分相,”,。,分相概念：,用单相交流电，使单相异步机产生旋转或移动磁场称为分相（也称为裂相）。,分相方法：,主要有,电流分相,、,磁通分相,两种,。,单相异步电动机定子有一套相差,90,电角度的两相绕组，在其中一相串接电容、电阻使通过该相电流相位改变从而在气隙中产生旋转磁场的方法叫,电流分相法,。电流分相有：,电容分相,和,电阻分相,两种。,改变转向的方法,：,单独改变任意一相绕组接线（对调两端）或将电容串接到另外一相。,电流分相,电容分相,改变转向,磁通分相,磁通分相,：,从磁路的角度将单相绕组产生的单相磁通分成两相称为磁通分相。采用磁通分相的单相异步电动机叫罩极式电机。,原理,：,在磁极中开一个槽，将一个短路环套在其中一部分磁极上，磁极中的单相交变磁通就被分成两相。被短路环套住的部分，通过的磁通比没套短路环部分的磁通的相位滞后,90,，于是在气隙中将产生近似旋转（移动）的磁场，这个磁场将切割转子绕组，从而产生驱动转矩，使转子转动。,转向由未罩极部分转向罩极部分。,罩极式电机一般不可反转,。,罩极式电机是采用磁通分相的，一般,不可反转,。,第六节要点,：单相磁场（脉振）；机械特性（合成）；分相起动（电流、磁通分相）。,罩极式单相异步电动机,