第4章 电动机 电工电子技术基础电子教案.pdf

学习要点-三相异步电动机的转动原理三相异步电动机使用方法 三相异步电动机的运行和控制方法-三相异步电动机的机械特性-单相异步电动机的转动原理黑名虢直流S电动机的转动原理电子技术论坛跳转到第一页5-4.1三相异步电动机的结构及转动原理-4.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 43三相异步电动机的运行与控制-4.4三相异步电动机的选择与使用-4.5单相异步电动机-4心，直漉鬼动机http:www点lec fahs.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m6子技术论坛5跳转到第一页4.1 三相异步电动机的结4.1.1 三相异步电动机的结构三相异步电动机由定子和转子构成。定子和转 子都有铁心和绕组。定子的三相绕组为AX、BY、CZo转子分为鼠笼式和绕线式两种结 构。鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。绕线式转子绕组的形式与定子绕组基本相同，3个绕组的末端连接在一起构成星形连接，3个 始端连接在3个铜集电环上，起动变阻器和调 黑赢电刷与集电环和转子绕组相连榜C 跳转到第一页 4.1.2 旋转磁场的产生把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电 流流过。Za=421 n sinm a piB=42Ip sin(m-120)ic=仞 sin(a+120)http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛1 B1 CO 2 02 4 0 http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第5结论:(1)在对称的三相绕组中通入三相电流，可 以产生在空间旋转的合成磁场。(2)磁场旋转方向与电流相序一致。电流相 序为A-B-C时磁场顺时针方向旋转；电流相序 为A-CB时磁场逆时针方向旋转。(3)磁场转速(同步转速)与电流频率有关，改 变电流频率可以改变磁场转速。对两极(一对磁 极)磁场，电流变化一周，则磁场旋转一周。同 步转速与磁场磁极对数的关系为：叫/min Phttp:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 0。4.1.3三相异步电动机的转动原理静止的转子与旋转磁场之 间有相对运动，在转子导体中 产生感应电动势，并在形成闭 合回路的转子导体中产生感应 电流，其方向用右手定则判定 O转子电流在旋转磁场中受到 磁场力耳的作用，耳的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上 h源成围磁唧。电磁转矩的方 hnp:/www.elec rans.c o m 电子发他埼晒眩场的方向一致。跳转到第一页 电动机在正常运转时，其转速总是稍低 于同步转速因而称为异步电动机。又因 为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的,所以也称为感应电动机。异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率,用S表示，即:h ns=X 100%转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约 发烧为课翳熟跳转到第一页 0。例：有一台4极感应电动机，电压频率为50 Hz,转速为1440 r/min,试求这台感应电动机的转差率。解：因为磁极对数p=2,所以同步转速为：60力6 0 x50,八/.He=-=-=1500 r/mmP 2转差率为：匕。一匕noxl00%=*60%=4%http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 03 4.2三相异步电动机的电蟠矩和机械特性I4.2.1三相异步电动机的电路分析1.定子电路分析Mi=+（-J。+（一圻）at at庚=的十（-底1）+（-戌）=糊1+M+（-戌）忽略&和马上的压降,嚼y _序http|H|/.elec fans.c o m发 啦/bbs.elec fans电子技术论坛。广昌=4.44力N1外跳转到第一页 032.转子电路分析.di2e2=，2氏2+（-%2）=22H2+%2at底=序火2+（-皮2）=再火2+，盛X?几。一几.妙=sf 几。60-八.E2=4.44f2N20m=4.44sf1N20m=sE2QGo=4.44力双2加为h=。即s=l时的转子电动势X2=0 2乙2=2 河2a2=2 兀sfla2=，X 20h即M蕨念曲四为。即$=i时的转子漏抗。发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页5转子每相电流:2 J8+X5石20转子的功率因数为:二勺尺2+Xf 业+（次2。）2可见异步电动机的转子电流和功率 因数也都与转差率S有关，如图所示。http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第54.2.2 三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩T是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流，2相互作用而产生的，故电磁转矩与转子电 流的有功分量I2 cos 02及定子旋转磁场的每极磁通中成正 比,即：T-0小八cos/式中Kr是一个与电动机结构有关的常数。将/2、COS%的表达式及中与的关系式代入上式，得三相异步 电动机电磁转矩公式的另一个表示式：T=K-8+（重20）2式中K是一常数。可见电磁转矩7也与转差率s有关，http:/w就息品毒孑解相电压U1的平方成正比，电源电压对转矩影 发烧友旭鬻膘徜制电磁转矩T还受到转子电阻&的影响。跳转到第一页 0。4.2.3 三相异步电动机的机械特性(b)丁)曲线(a)T=/(s)曲线1.起动转矩电动机刚起动(n=0,s=l)时的转矩称为起动转矩。Thttp:/www.elec fans.c o m 电/q 发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛+X；。跳转到第一页 032.额定转矩电动机在额定负载下工作时的电磁 转矩称为额定转矩,忽略空载损耗转 矩，则额定转矩等于机械负载转矩。Tn=5=9550 殳川N式中Pn是电动机的额定功率，单位 为kW；n是电动机的额定转速，单位是r/min o http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页5例：有两台功率都为尸N=7.5kW的三相异步电动机,一台 n=380V、nN=96 2r/min,另一台 n=380V、几n=1450 r/min,求两台电动机的额定转矩。解：第一台：Tn=9550冬=9550 x=7 4.45 Nm n 962第二台：Tn=9550=9550 x=49.4 N-mnN 1450http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 033.最大转矩对应于最大转矩的转差率可由史=0求得，为也=旦。最大转矩为：ds X20U；rma x=K-ZA 20过载系数：”，ma x一般三相异步电动机的4=1.82.2 ohttp:/www.elec fans.c o m 电子发媒友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛4.3三相异步电动机的4.3.1 三相异步电动机的起动1.直接起动直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直 接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。优点:起动简单。缺点:起动电流较大，将使线路电压下降，影 八腼愈载正常工作。覆用幽围电动机容量在10kW以下，并且小工侪由赤IX契克层跳转到第一页 032.降压起动YA换接起动:在起动时将定 子绕组连接成星形，通电后电 动机运转，当转速升高到接近 额定转速时再换接成三角形。适用范围:正常运行时定子绕 组是三角形连接，且每相绕组 都有两个引出端子的电动机。优点:起动电流为全压起动时 的1/3。缺点：起动转矩均为全压起动 http也坤/性网伊jfan於c o jji电子 发 t 检J）小遥 c fJ sdco m电子技术论坛跳转到第一页 03自耦降压起动:利用三相自耦变压器将电 动机在起动过程中的 端电压降低，以达到 减小起动电流的目 的。自耦变压器备有 40%、60%、80%等 多种抽头，使用时要 根据电动机起动转矩发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第5绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后，既可以降低起动电流，又可以增大起动转矩。http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 034.3.2三相异步电动机的调速三相异步电动机的转速：n=(1-s)0=(1-s)60 P1.变极调速通过改变电动机的定子绕组所形成的磁 极对数p来调速。因磁极对数只能是按 1、2、3、的规律变化，所以用这种 方法调速，电动机的转速不能连续、平 嚣鳏漕耀遥赫调节。电字技术论坛跳转到第一页 032.变频调速通过变频器把频率为50Hz工频的三相交流电源变换成为频率和电压均可调节的三相交流 电源，然后供给三相异步电动机，从而使电 动机的速度得到调节。变频调速属于无级调速，具有机械特性曲线较硬的特点。3.变转差率调速通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来 调整转差率实现平滑调速的，又称为变阻调 速。调速电阻的接法与起动电阻相同。这种 岫方法息适用于绕线式异步电动机。发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 034.3.3 三相异步电动机的反转因为三相异步电动机的转动方向是由旋转 磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取 决于定子绕组中通入三相电流的相序。因 此，要改变三相异步电动机的转动方向非 常容易，只要将电动机三相供电电源中的 任意两相对调，这时接到电动机定子绕组 的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被 改变，电动机就实现了反转。http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 4.3.4 三相异步电动机的制动1.能耗制动电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直 流电源。感应电流与直流电产生的固定磁场 相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转 子转动方向相反，起到制动作用。特点:是制动准确、平稳，但需要额外的直 流电源。f0o o o-O+Y V YI N no=O电子芍-木)发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m y 3 J r)电子技术论坛 v y y5跳转到第2.反接制动电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩 方向也随之改变，成为制动转矩。注意:当电动机转速接近为零时，要及时断开 电源防止电动机反转。特点:简单，制动效果好，但由于反接时旋转 磁场与转子间的相对运动加快，因而电流较大 O对于功率较大的电动机制动时必须在定子电 路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电 阻，用以限制电流。http:/www.elec fans.c o m 电子发鹿友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 033,发电反馈制动电动机转速超过旋转磁场 的转速时，电磁转矩的方 向与转子的运动方向相 反，从而限制转子的转 速，起到了制动作用。因 为当转子转速大于旋转磁 场的转速时，有电能从电 动机的定子返回给电源，实际上这时电动机已经转 入发电机运行，所以这种 1觎物麴曲微电反馈制动。电子技术论坛然转到第一页 004.4三相异步电动机的4.4.1 三相异步电动机的铭牌型号 Y132M-4电压380V转速 1440r/min年 月三相异步电动机功率 7.5kW电流 15.4A绝缘等级B日 编号频率 50Hz 接法工作方式连续 义义电机厂型一号：三相异步电动机 机向中心高度（132mm）电子技术论坛Y132M4磁极数（4极）机座长度代号（中机座）跳转到第一页 03功率：电动机在铭牌规定条件下正常工作时转 轴上输出的机械功率，称为额定功率或容量。电压:电动机的额定线电压。电流:电动机在额定状态下运行时的线电流。频率:电动机所接交流电源的频率。转速:额定转速。接线方法:(b)三角形连接OU1 O V1 OW1W2 u2 v2O C)C)http:/www.elec fans.c Gft)电星型连接发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m 电子技术论坛跳转到第54.4.2 三相异步电动机的选择合理选择电动机关系到生产机械的安 全运行和投资效益。可根据生产机械所需 功率选择电动机的容量，根据工作环境选 择电动机的结构形式，根据生产机械对调 速、起动的要求选择电动机的类型，根据 生产机械的转速选择电动机的转速。http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 034.4.3 电动机的安装与接地电动机的安装应遵循如下原则：(1)有大量尘埃、爆炸性或腐蚀性气体、环境温 度40。以上以及水中作业等场所，应该选择具有合适 防护型式的电动机。(2)一般场所安装电动机，要注意防止潮气。不 得已的情况下要抬高基础，安装换气扇排潮。(3)通风条件要良好。环境温度过高会降低电动 机的效率，甚至使电动机过热烧毁。(4)灰尘少。灰尘会附在电动机的线圈上，使电 动机绝缘电阻降低、冷却效果恶化。舞黑蔡叔鬻落素繇地点要便于对电动机的维护、检查。电子技术论坛跳转到第一页 03电动机的绝缘如果损坏，运行中机壳就 会带电。一旦机壳带电而电动机又没有良好 的接地装置，当操作人员接触到机壳时，就 会发生触电事故。因此，电动机的安装、使 用一定要有接地保护。在电源中性点直接接 地系统，采用保护接中性线，在电动机密集 地区应将中性线重复接地。在电源中性点不 接地系统，应采用保护接地。http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第54.5单相异步电动机4.5.1 单相异步电动机的 工作原理与特性在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流 电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定 子绕组轴线方向变化的磁场,称为脉动磁场。跳转到第一页5脉动磁场可以分解为两个大小一样、转速相等、方向相 反的旋转磁场51、石2。顺时针方向转动的旋转磁场氏对转 子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向转动的旋转磁场 电对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这 两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以电动机的转子是 不会转动的，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。但一旦让单相异步电动机 转动起来，由于顺时针旋 转磁场片和逆时针旋转磁 场4产生的合成电磁转矩 不再为零，在这个合成转 矩的作用下，即使不需要 其它的外在因素，单相异 步电动机仍将沿着原来的 运动方向继续运转。由于单相异步电动机总有 一个反向的制动转矩存在所以其效率和负载能力http:/www.elec fans.c o m 电壬胤f异步电动机的机械特性isbl|BAelecia i 子舔跳转到第54.5.2 第相异步电动机的起动1.分相法电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一个是工 作绕组（主绕组）；另一个是起动绕组（副绕组），两个 绕组在空间互成90 o起动绕阻与电容。串联，使起动 绕组电流，2和工作绕组电流产生90相位差，即：八=V2I1 sin coti2=V2/2 sin（m+90）5http:/www.elec fant.c o m Ffa?发烧友 http:/bbs.elec fans.GQrn电子技术论坛 I)下图所示分别为3t=0。、45、90时合成磁场的方向，由图可见该磁场随着时间的增长顺时针方向旋转。这样一来，单相异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下起动了http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第52.罩极法罩极法是在单相异步电动机定子磁极的极面上约1/3 处套装了一个铜环（短路环），套有短路环的磁极部 分叫做罩极。当定子绕组通入电流产生脉动磁场后，有一部分磁通穿过铜环，使铜环内产生感应电动势和 感应电流。根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生 的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，结果使得没套铜 环的那部分磁极中的磁通与套有铜环的这部分磁极内 的磁通有了相位差，罩极外的磁通超前罩极内的磁通 一个相位角。随着定子绕组中电流变化率的改变，单 相异步电动机定子磁场的方向也就不断发生变化，在 电动机内形成了一个旋转磁场。在这个旋转磁场的作 也用熊.盅励机的转子就能够起动起来了。发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 004.6.1直流电动机的结构及分类三相异步电动机也由定子和转子构成。定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和 电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的 主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电 枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之 间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁心上冲有 槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也是直流电动机磁路的组成 部分。电枢绕组的一端装有换向器，换向器由许多铜质换向片 组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。换向器是直流电动 机的重要构造特征，换向器通过与电刷的摩擦接触，将两个电 htBZ间胤定嫌悔的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以 发憾殍确他电磁转矩。跳转到第一页 03他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的 重型机床等设备中。并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通 将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转 速调节方便，调速范围大。串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特 别适用于起重设备。积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效 克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于 h廓/载力短焉奈然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转发映”窸的铮性，常用于要求转速稳定的机械中。跳转到第一页4.6.2直流电动机的工作原理和机械特性1.直流电动机的转动原理线圈受力方向接通直流电压。时，直流电流为从a边流入，b边流出，由于a边处 而:N极蠡否s,c o rb边处于S极之下，则线圈受到电磁力而形成一个逆 甯钟鬻瞅熊常酸转矩T，使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动。跳转到第一页 N当电枢转动半周后，a边处于S极之下，而b边处于N极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向 变为从b边流入，从a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的 电磁转矩T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。http:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 032.电磁转矩与电压平衡方程T=C I m aE=U=E+lRa直流电动机电枢等效电路http:/www.elec fans.c o m 电子发娱友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛6直流电动机具有 硬的机械特性。3.机械特性E n 二-QU-_ 一，J R。IQ。仲二 U R。-gcq2=-Anhttp:/www.elec rans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第5例：一直流电动机额定电压。=nov,电枢电流/=10A,电枢电阻火=0.5。，求起动瞬间 的电流及正常运转时的反电动势。解：直接起动时的起动电流：,u 110 iAIH=220 A&0 5正常运转时的反电动势:E=U-JRn=110-10 x0.5=105 Vhttp:/www.elec fans.c o m 电子发烧友 http:/bbs.elec fans.c o m电子技术论坛跳转到第一页 034.6.3直流电动机的运行与控制1.直流电动机的起动直流电动机直接起动时的起动电流很大,达到额定电流的 1020倍，因此必须限制起动电流。限制起动电流的方法就 是起动时在电枢电路中串接起动电阻&尸起动电阻的值，R t=-R*3 I y Ct【st一般规定起动电流不应超过额定电流的1,52.5倍。起动时 将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将 起动电阻逐渐减小。(a)他励式(b)并励式 跳转到第一页5http:/www.elec fans.c o t)电发烧友 http:/bbs.elec fajis.c o m电子技术论坛2.直流电动机的调速根据直流电动机的转速公式=（U-4凡）“e，可知直流电 动机的调速方法有3种i改变磁通调速、改变电枢电压U调 速和电枢串联电阻调速。改变磁通调速的优点是调速平滑，可做到无级调速；调速经 济，控制方便；机械特性较硬,稳定性较好。但由于电动机 在额定状态运行时磁路已接近饱和，所以通常只是减小磁通将转速往上调，调速范围较小。改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；控制灵活、方便，可实现无级调速；调速范围较 宽，可达到610。但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源,设备较复杂。电枢串联电阻调速方法简单、方便，但调速范围有限，机械发力一 asit需熟八。国电动机的损耗增大太多，因此只适用于调速范 微趟以小容量直流电动机的调速场合。电子技术论坛跳转到第一页53.直流电动机的制动直流电动机的制动也有能耗制动、反接制动和发电反馈制动3O能器制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即 与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方 向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但 因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改 变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制 动作用。反接制蒋是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即 与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制 动转矩，使电动机迅速减速至停转。发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕 组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运 嗨量蟒变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机跳转到第一页 00