(中职)电工电子技术课件全套教学教程.ppt

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三种基本的理想元件,开关,干电池,灯泡,S,R,L,+,E,R,0,+,U,开关,灯泡,干电池,图1-3 手电筒的电路模型,1、电流,电流是带电粒子在外电场的作用下做有秩序的移动而形成的。,正电荷运动的方向规定为电流方向。,直流电流,I,（,direct current,）：其大小和方向不随时间变化；,交流电流,i,（,alternating current,）：其大小和方向随时间变化。,电流的单位：,A、mA、,A。,参考方向（,reference direction,）的概念,参考方向有时又称正方向，参考方向可任意选定，参考方向选定之后，电流便有正、负之分。根据电流的正、负值进而可确定电流的真实方向。,1.1,电路的基本概念,三、电路中的基本物理量及参考方向,1.1,电路的基本概念,I,I,正值 负值,图1-4 电流的参考方向,二、电压,电压有时又叫“电位差”，用,u,表示，它总是和电路中的两点有关。,电路中,a、b,两点间的电压表明了单位正电荷由,a,点转移到,b,点时所获得或失去的能量。,直流电压：其大小和方向不随时间变化。,U,交流电压：其大小和方向随时间变化。,u,参考极性的选定：“+”、“-”,。,电压的单位：,V、mV、,V、kV,等。,关联（,associated,）,参考方向的概念,a b,+,u,u,(,t,)=,d,w,d,q,获得能量,a,:低电位；,b,:高电位,失去能量,a,:高电位；,b,:低电位,a b,1.1,电路的基本概念,三、功率,功率表示电路中每一段能量变化的速率。用,p,表示。,p,(,t,)=,u,(,t,),i,(,t,),功率的方向：能量传输（流动）的方向。,功率也可假定参考方向。,p,(,t,)=,u,i,(,t,)=,d,w,d,q dq,d,t,d,t dt,i,+,u,(a),a,b,+,u,(b),b,a,i,(c),a,b,i,+,u,a,b,p,能量传,输方向,1.1,电路的基本概念,在关联参考方向下，运用公式,p,(,t,)=,u,(,t,),i,(,t,),计算功率，若,p,(,t,),为正，电路吸收功率;若,p,(,t,),为负，电路产生功率。,功率的单位：,W、kW、mW,若,u,、,i,、,p,三者的参考方向任意改变一个，则,p,(,t,)=,u,(,t,),i,(,t,),【,例,1-1,】(1)下图两电路中，若电流均为2A，且均由a流向b，求该两元件吸收或产生的功率；若图(b)元件产生的功率为4W，求电流。,【,解,】,+,U,1,=1V,a,b,(a),+,U,2,=,1V,a,b,(b),1.1,电路的基本概念,一、欧姆定律,1.2,电路的基本定律,+,U,I,R,+,U,I,R,（b）,（c）,+,U,I,R,（a）,或,U=RI,或,I=GU,U=,RI,欧姆定律只适用于线性,电阻元件，而不适用于,非线性元件。,或,I=,GU,二、基尔霍夫定律定律,1.2,电路的基本定律,几个基本概念,支路（,branch,）：每一二端元件（或其串联的组合）视为一条支路。,节点（,node,）：两条或两条以上支路的连接点。,回路,（,loop,）：,电路中的任一闭合路径。,R,1,R,3,+,R,2,E,1,+,E,2,a,I,1,b,c,d,I,2,I,3,三条支路,两个节点a和b,三个回路abca，abda，adbca，,1、,KCL定律,KCL,是,有关节点电流的定律，用来确定连接在同一节点上的各支路电流之间的关系。,定律表述,在任一瞬时，对于电路中的任一节点而言，流出（或流入）该节点的所有支路电流的代数和为零。即,列写,KCL方程,时，电流的正、,负可以任意规定，不影响分析结果。,I,=,0,I,1,I,2,I,4,I,3,1.2,电路的基本定律,说明：,KCL,定律可推广到电路中任一假设的闭合面。,对节点,A,：,I,A,=,I,AB,I,CA,对节点,B,：,I,B,=,I,BC,I,AB,对节点,C,：,I,C,=,I,CA,I,BC,将上面三式相加，则有,：,I,A,+,I,B,+I,C,=,0,可见，在任一瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和恒等于零。,KCL,定律描述了电路中支路电流间的约束关系。,I,A,I,B,I,C,A,B,C,I,BC,I,AB,I,CA,1.2,电路的基本定律,两套符号的问题,（1）方程式,各项前面的正、负号；,（2）,电流数值的正、负号。,例题分析,【,例,1-2,】下图表示某复杂电路中的一个节点a，已知,I,1,=5A,，,I,2,=20A,，,I,3,=3A,，试求流过元件A的电流,I,4,。,A,I,1,I,2,I,4,I,3,a,【,解,】,课堂练习,1.2,电路的基本定律,2、,KVL,定律,KVL定律,应用于回路，它用来确定回路中各段电压之间的关系。,定律表述,在任一时刻，任一回路内所有支路电压的代数和为零。即,列写方程时的注意事项,（1）规定回路的绕行方向；,（2）正、负号的确定。,例题分析,U,=0,+U,1,+,U,2,U,3,+,U,4,+,1.2,电路的基本定律,【,例,1-3,】下图表示某复杂电路中的一个回路，已知各元件的,电压,u,1,=,u,6,=2V,，,u,2,=,u,3,=3V,，,u,4,=7V,，试求,u,5,及,a、b两点,间的电压。,【,解,】,课堂练习,由该例应强调的两个问题,（1）两套符号的问题；,（2）电路,中任何两点间的电压与计算时所选取的路径无关。,1.2,电路的基本定律,1.3,电源的工作状态和电气设备的额定值,电源有三种可能的工作状态：带载、开路和短路。,一、带载工作状态,E,0,U,I,S,d,c,R,L,+,E,R,0,+,U,I,a,b,S,U=R,L,I,U=ER,0,I,R,0,0，,u=U,m,sin(,t+,0,)；,图（c）中，,0,0，,u=U,m,sin(,t,0,)。,0,的正、负问题。,0,R,或,并联谐振,电路发生并联谐振时，具有以下特征。,2.6 电路中的谐振,（1）电路的阻抗模,值最大，在电源电压,U,不变,的前提下，电路中的电流达到最小值，即,f,0,Z,I,并联谐振时，,Z,和,I,随,f,变化的曲线,R,f,0,Z,I,（2）电路呈纯阻性。,（3）并联支路的电流比总电流大,Q,倍,电流谐振,。,2.7 功率因数的提高,P=UIcos,Q=UIsin,对电阻性负载而言，0cos,1,电路中发生能量互换，从而引出了下面两个问题。,发电设备的容量不能充分利用,例如，一台发电机的容量为75000kVA，若电路的功率因,数cos,=,1，则发电机可输出75000kW的有功功率；若cos,=,0.7，则发电机最多只能输出750000.7=52500kW的有功功率，这时，发电机输出功率的能力没有被充分利用，其中有一部分能量（无功功率）在发电机与负载之间进行互换。,2.7 功率因数的提高,式中，,r,是发电机绕组和线路的等效电阻。,2.增加线路和发电机绕组的功率损耗,当发电机的电压,U,和输出功率,P,一定时，电流,I与,功率因数成反比，即,而线路和发电机绕组上的功率损耗,P,则与,功率因数的平,方成反比，即,2.7 功率因数的提高,提高功率因数常用的方法是在电感性负载两端并联适当的,电容器（设置在用户或变电所中），如下图所示。,i,C,i,1,i,u,+,L,C,R,（a）电路图,I,C,1,I,1,I,（b）相量图,U,在感性负载上并联了电容器以后，能量的互换主要或完全发生,在电感性负载与电容器之间，故使发电机容量得到充分利用。,另外，线路电流减小了（,I180,目前，国产Y系列电动机一般采用B级绝缘。此外，铭牌,上标注“LW 82dB”是电动机的噪声等级。,4.1 三相异步电动机的结构和铭牌,型号,满 载 数 据,堵转,电流,堵转,转矩,最大,转矩,功率/kW,电压/V,接法,转速/(r/min),电流/A,效率,功率,因数,温升/,o,C,额定,电流,额定,转矩,额定,转矩,Y-112M-4,4,380,1440,8.8,0.85,0.82,80,7,2.0,2.2,除铭牌上标出的参数之外，在产品目录或电工手册中还,有其他一些技术数据，如下表所示。,（9）功率因数 指在额定负载下定子电路的功率因数。三相异,步电动机的功率因数在额定负载时约为0.70.9，在轻载和空,载时较低，空载时只有0.20.3。因此，必须正确选择电动机,的容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载时间。,4.1 三相异步电动机的结构和铭牌,（10）效率 指电动机在额定负载时的效率。它等于额定状态,下输出功率与输入功率之比，即,（11）温升 指额定负载时，绕组的工作温度与环境温度的,差值。,（12）堵转转矩、堵转电流 即,启动转矩,T,st,和启,动电流,I,st,。,4.2 三相异步电动机的工作原理,一、三相交流旋转磁场的产生,当三相异步电动机定子绕组通入对称三相交流电后，转子便,会旋转起来，转子转动的先决条件是定子绕组要产生旋转磁场。,为了研究问题简便，将电动机定子简化为三相六槽结构。在,空间上互差120,o,的三相绕组U,1,U,2,、V,1,V,2,、W,1,W,2,中分别通入三相,交流电流,i,A,、,i,B,、,i,C,（如下页图（a）所示），将产生各自的交变,磁场，其三个交变磁场将合成为一个两极旋转磁场（如下页图,（b）所示）。各绕组中电流的参考方向为从首端U,1,、V,1,、W,1,流入，从末端U,2,、V,2,、W,2,流出。,4.2 三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的磁极对数,p,与定子绕组的空间排列有关。图,（b）所示是每相绕组只有一个线圈的情况，产生的旋转磁场,具有一对磁极（两极）。,（a）三相绕组通入三相交流电 （b）旋转磁场的产生,U,1,V,1,W,1,U,2,V,2,W,2,i,A,i,B,i,C,4.2 三相异步电动机的工作原理,电流变化一周期，两极旋转磁场（,p=1,）在空间旋转一周。,若电流频率为,f,（Hz），则旋转磁场转速,n1,=60,f,（r/min）。若,使定子旋转磁场为四极（,p=2,），可以证明，电流变化一周期，,旋转磁场旋转半周（180,o,），则,n,1,=60,f/,2（r/min）。按类似方,法可推得，具有,p,对磁极的旋转磁场的转速(又称同步转速)为,n,1,=60,f/p(,r/min),由上式可知，旋转磁场的转速,n,1,取决于电源频率,f,和电动机,的磁极对数,p。,中国工频,f,=50Hz，于是得出不同磁极对数旋转,磁场的转速如下页表所示。,4.2 三相异步电动机的工作原理,磁极对数,p,1,2,3,4,5,6,旋转磁场转速,n,1,3000,1500,1000,750,600,500,旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序一致。,若要使旋转磁场反转，只需把三根电源线中的任意两根对,调即可。如若将U、W对调，则U,1,U,2,绕组通入,i,C,相电流，,W,1,W,2,绕组通入,i,A,相电流，即改变了通入电动机定子绕组的,三相电流相序，可以作图证明，旋转磁场与原来旋转方向,相反。,不同磁极对数对应的旋转磁场转速,4.2 三相异步电动机的工作原理,旋转磁场以同步转速,n,1,顺时针方向旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电动势、感应电流，用右手定则判定其方向。有电流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判定转子受力的方向。,二、三相异步电动机的转动原理及转差率,异步电动机转子能在旋转磁场作用下转动的原理可用下图来说明。,异步电动机的运转原理,4.2 三相异步电动机的工作原理,电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向,顺时针旋转。转子转速,n,2,与旋转磁场转速,n,1,同方向，不难理,解，转子转速,n,2,不可能达到同步转速,n,1,（若,n,2,=,n,1,，转子和旋,转磁场之间不存在相对运动，转子导体不再切割磁力线，转,子所受电磁力,F,=0），有,n,1,n,2,，故称为异步电动机,。,通常把同步转速,n,1,与转子转速,n,2,的差值与同步转速,n,1,之比,称为异步电动机的转差率，用,s,表示。即,s,=(,n,1,n,2,)/,n,1,转差率,s,是描绘异步电动机运行情况的重要参数。,4.2 三相异步电动机的工作原理,电动机在启动瞬间,n,2,=0,s=,1,转差率最大;空载运行时;转子转速,n,2,接近于同步转速,n,1,转差率,s最小,。可见,转差率,s,反映了转子转速与旋转磁场转速差异的程度，即电动机的异步程度。,例如,Y-160M-4型三相异步电动机额定转,n,N,=1460(r/min),其同步转速,n,1,=1500(r/min),则额定转差率,s,N,=(,n,1,n,N,)/,n,1,=0.027。,一般情况下，异步电动机额定转差率,s,N,=0.020.06。当三相异步电动机空载时,由于电动机只需克服摩擦阻力和空气阻力,故转速,n,2,很接近同步转速,n,1,转差率,s,很小,一般约为0.0040.007。,4.3 三相异步电动机的运行分析,为了全面地了解三相异步电动机的工作情况，需要弄清楚,一个重要的物理量,电磁转矩,，下面讨论相关的几个问题。,一、电磁转矩与转子转速的关系,电动机产生的电磁转矩,T,与转子转速,n,2,的关系曲线称为电动,机的机械特性曲线，见右图。,图中，启动转矩,T,st,为电动机启动,时对应的电磁转矩；额定转矩,T,N,为电动机带额定负载时的电磁转,矩；最大转矩,T,m,为电动机运行中,具有的最大电磁转矩。,B,D,n,2,n,N,三相异步电动机的机械特性曲线,T,st,0,(2%6%),n,1,n,1,T,N,T,A,T,m,C,4.3 三相异步电动机的运行分析,1.当电动机的启动转矩,T,st,大于负载阻力矩,T,L,时，电动机旋,转起来，并在电磁转矩的作用下逐渐加速，此时电磁转矩,随,n,2,的增加逐渐增大（沿曲线DC段上升），一直增大到最,大转矩,T,m,。而后，随着转速的继续增大，电磁转矩反而逐,渐减小（沿曲线CA段下降），最终当电磁转矩等于负载阻,力矩,T,L,时，电动机就以某一转速匀速稳定旋转。,2.异步电动机一经,启动,很快就进入机械特性曲线的AC段，,并在其某一点上稳定运行。电动机AC段工作时若负载加重，,负载阻力矩大于电磁转矩，会使电动机转速有所下降，但,与此同时，电磁转矩随转速的下降而增大，从而与负载阻,4.3 三相异步电动机的运行分析,力矩达到新的平衡，使电动机以比原来稍低的转速稳定运转。若负载的阻力矩超过了最大电磁转矩,Tm,，负载阻力矩则会一直大于电磁转矩（,T,L,T,），再也不存在一个新的平衡点使,T=T,L,，电动机的转速将会很快下降直到停止，处于堵转状态。堵转时电动机定子绕组的电流可达到额定值的47倍，时间梢长将损坏电动机。,3.机械特性曲线中AC段为异步电动机的稳定运行区。从空载（对应曲线上A点，转速,n,1,）到满载（对应曲线上B点，转速,n,N,）转速下降很少，仅为额定转速的2%6%。只要,4.3 三相异步电动机的运行分析,负载阻力矩介于AC区间内，均可以找到平衡点稳定运行。,因此,AC段也称为异步电动机的硬机械特性,，这种特性适合,于大多数生产机械对拖动的要求。,4.过载能力与启动能力 电动机的最大电磁转矩,T,m,与额定转,矩,T,N,之比称为电动机的过载能力，一般电动机的过载能力约,为1.92.2。电动机的启动转矩,T,st,与额定转矩,T,N,之比称为电,动机的启动能力，一般电动机的启动能力约为1.72.2。,二、电磁转矩与电源电压的关系,由于用电负荷的变化，电网电压往往会发生波动。而电,4.3 三相异步电动机的运行分析,动机的电磁转矩对电压很敏感，当电网电压降低时，将引起,电磁转矩,T,大幅度降低。,可以证明，电磁转矩,T,与电动机定子绕组上所加电压,U,的,平方成正比，即,T,U,2,右图是电源电压变化,时的机械特性曲线。图中,画出了几条不同电压时的,机械特性曲线。,n,2,电源电压变化时的机械特性曲线,U,2,0,U,1,U,2,U,3,T,U,3,U,1,4.3 三相异步电动机的运行分析,当电动机负载的阻力矩,TL,一定时，由于电压降低，电磁转矩,T,下降，将使电动机有可能带不动原有的负载，于是转速下降，电流增大。如果电压下降过多，以致最大转矩也低于负载转矩时，则电动机会被迫停转，时间稍长，电,动机会因过热而损坏。,三、输出转矩与输出功率的关系,若电动机在运行中带动负载转动的转矩为,T,2,，轴上输出的机械功率为,P,2,，转子的转速为,n,2,，则由力学知识可知,T,2,=9550,P,2,/,n,2,4.3 三相异步电动机的运行分析,电动机在额定状态下运行时，有,T,N,=9550,P,N,/,n,N,式中，,T,N,为电动机输出的额定转矩，单位为Nm（牛顿,米）；,P,N,为电动机输出的额定功率，单位为kW（千瓦）；,n,N,为电动机的额定转速，单位为r/min（转/分钟）。,【例4-1】已知某三相异步电动机的额定功率,P,N,=4kW，额定,转速,n,N,=1440r/min，试求额定转矩,T,N,、启动转矩,T,st,、最大转,矩,T,m,（过载能力为2.2，启动能力为1.8）。若电动机满载运,行，定子绕组上电压下降20%时，电动机能否继续旋转？能,否在此状态下满载启动？,4.3 三相异步电动机的运行分析,【解】额定转矩,T,N,=9550(,P,N,/,n,N,)=9550(4/1440)=26.5Nm,启动转矩,T,st,=1.8,T,N,=1.826.5=47.8Nm,最大转矩,T,m,=2.2,T,N,=2.226.5=58.4Nm,当电压降低20%时，根据,TU,2,，对应的启动转矩、,最大转矩为,T,st,=0.82,T,st,=0.64,T,st,=0.6447.8=30.6Nm,T,m,=0.82,T,m,=0.64,T,m,=0.6458.4=37.4Nm,满载运行时，因为,T,L,=,T,N,=26.5Nm,T,m，所以降压后,能在新的平衡点以新的转速稳定运行。,满载启动时，因为,T,L,=,T,N,=26.5Nm,1，故电动机降压,启动，定子绕组电流较全压启动时减小，反映到原边电路，输电线路上的电流将更小一些。,L,1,FU,M,3,L,2,L,3,SA,2,SA,1,全压,运行,降压,启动,自耦变压器降压启动,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,待电动机启动完毕后，将,SA,2,切换到全压运行位置上，电动,机正常运行。,该方法一般适用于容量较大的笼式异步电动机。,（3）星形（Y）三角形（）降压启动,如下页图所示。正常工作时定子绕组三角形连接的电动机，启动时可先换接成星形。启动时，将开关SA,1,闭合，SA,2,置于Y形连接的位置上，电动机定子绕组星形连接降压启动。待启动完毕后，再将开关SA,2,切换到三角形连接的位置上，电动机正常运行。这种降压启动，由于电动机每相绕组上的电压降为额定值的 ，使得启动转矩、启动电流均为三角形,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,Y,W,2,V,2,U,2,W,1,V,1,U,1,L,1,FU,L,2,L,3,SA,2,SA,1,连接时的1/3。,这种方法适合于电动机轻载或空载启动。,Y-换接降压启动,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,二、三相异步电动机的调速,调速是指人为地改变电动机的转速。根据,n,1,=60,f/p,可知，,异步电动机的调速方法如下。,1.变极（,p,）调速,这种方法是将定子绕组的接线端引出，通过转换开关改,变绕组接法，以改变磁极对数，构成多速电动机。用得最多,的是双速电动机，也有三速或四速的电动机。其产品为YD,系列。通常有4/2极、6/4极、8/4极、8/6极、12/6极。也有,6/4/2极、8/4/2极、8/6/4极，还有12/8/6/4极等多种产品。这,种调速是步极式的调速方法。,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,2.,变频（,f,）调速,U,可调,+,U,变频调速方框图,3,50Hz,可 控,整流器,f,可调,M,3,逆变,器,这种调速是通过改变异步电动机供电电源的频率来实现的。,上图是变频调速的方框图。可控整流器先将,50Hz,的交流电,变换成电压可调的直流电，再由逆变器将直流电变换成频,率可调的三相交流电，从而实现三相异步电动机的无级调,速。近年来，电力半导体器件的成本在不断降低，可靠性,在不断增强，这种调速方法得到了越来越广泛的使用。,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,4.变压调速,这种调速方法是用电抗器或自耦变压器来降低定子绕组上,所承受的电压，进而改变转矩，获得一定的调速范围。,这种,方法常用于拖动风机、泵类等负载。家用电器中的风扇就是,用这种方法调速的。,三、三相异步电动机的制动,电动机电源断开后，由于惯性作用，尚需一段时间才能,完全停下来。在某些应用场合，要求电动机能够准确停位和,迅速停车，以提高生产效率，保证生产安全。,在电动机断开,电源后，采用一定措施使电动机停下来称为电动机的制动。,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,制动的方法有机械制动和电气制动两种,在此介绍电气制动.,常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动等。,1.能耗制动,能耗制动的原理如下图所示。,L,1,+,M,3,L,2,L,3,n,1,=0,F,n,2,当切断三相电源时，接通直流电源，直流电流通过定子绕组产生固定不动的磁场，转子电流与直流电流固定磁场相互作用产生与电动机转动方向相反的转矩，实现制动。,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,这种方法是把电动机轴上的旋转动能转变为电能，消耗在,制动器电阻上，故称为能耗制动。制动转矩的大小与直流电,流的大小有关，制动电流一般为电动机额定电流的0.51倍。,能耗制动能量消耗小，制动平稳，无冲击，但需要直流电源。,2.反接制动,反接制动的原理如下页图所示。在电动机停车时，将接,至定子电源线中的任意两相反接，旋转磁场将反向旋转，产,生与转子惯性转动方向相反的转矩，实现制动。,应特别指出的是，当转速接近零时，应利用某种控制电,路将电源自动切断，否则电动机将反转。,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,反接制动时，由于旋转磁场与转子的相对转速很大，因而电流较大，对功率较大的电动机制动时应考虑限流。,反接制动方法简单、效果较好，但能量消耗较大。,L,1,M,3,L,2,L,3,n,1,F,n,2,3.回,馈制动,如果电动机拖动的位能性负载下落时，电动机反而被负载拖动，此时电动机定子绕组如果通电产,生旋转磁场且转速为,n,1,，当负载拖动电动机使转子转速,n,2,超过同步转速,n,1,时，电动,4.4 三相异步电动机的启动、调速、制动,机的转子导体将受到反方向的作用力，如右下图所示。,n,1,N,M,S,F,n,2,n,2,F,n,2,n,1,回馈制动,此时的重物将不致因自由下,落不断加速造成危险，而在制动,力的作用下匀速下落，使重物能,平稳地放下。这种制动方法常在,起重、运输设备中被应用。,在上述制动状态下，电,动机转子电流将反相，与之相应定子绕组中电流也要反相，电,动机成为被下落的重物拖动的发电机，产生的能量回馈给电源，,故称为回馈制动。,4.5 单相异步电动机,单相异步电动机是由单相电源供电的小功率电动机。,日,常生活中的电风扇、电冰箱、洗衣机、搅拌机、抽排油烟机,等均采用单相异步电动机作动力。,由于单相异步电动机绕组通过单相交变电流，若电动机,定子铁心上只有单相绕组，所产生的磁通是交变脉动磁通，,它的轴线在空间上是固定不变的，这样的磁通是不可能使转,子启动旋转的。因此必须采用另外的启动措施。下面介绍两,种常用的笼式单相异步电动机。,4.5 单相异步电动机,一、电容分相式单相异步电动机,U,2,U,1,i,1,i,2,u,+,C,FU,笼式转子,V,2,V,1,SA,1,右下图为电容分相式单相异步电动机的定子电路。其定子,具有两个绕组U,1,U,2,、V,1,V,2,，它们在空间互差90,o,。其中U,1,U,2,称,为工作绕组，流过的电流为,i,2,；V,1,V,2,绕组中串有电容器，称为启动绕组，流过的电流为,i,1,。两个绕组接在同一单相交流电源上。适当选择电容器,C,的容量，可,使两个绕组中的电流,i,1,、,i,2,相位差,为90,o,，这样在空间上互成90,o,的两,相绕组通入互差90,o,的两相交流电，,便产生了旋转磁场，如下页图所示。,4.5 单相异步电动机,互差90,o,的两相交流电产生的旋转磁场,4.5 单相异步电动机,2,u,+,C,1,SA,1,SA,2,在,旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转，有的单相异步电动机不采用电容分相，而是采用在启动绕组中串入电阻的方法，使得两相绕组中的电流在相位上存在一定的电角度，也可以产生旋转磁场。,电容分相式异步电动机改变转向的方法是通过切换开关把电容器改接到另一个绕组上，,或将任一绕组的首末端互换。,右图表示通过转换开关SA1,改变转向的电路图。,4.5 单相异步电动机,二、罩极式单相异步电动机,罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为鼠,笼式，如右下图所示。在定子磁极上开一个槽，将磁柱分成,两部分，在较小的磁极上套一个短路铜环，称为罩极。在磁,极上绕有单相绕组，当通入,单相交流电时，铁心中便产,生交变磁通。在交变磁通的,作用下，铜环中产生感应电,流。由楞次定律可知，感应,电流产生的磁场将阻碍原来,4.5 单相异步电动机,磁场的变化，使罩极穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的,磁通，如同磁通总是从未罩部分向罩极移动。总体上看，好,像磁场在旋转，从而获得启动转矩。下图表示电流变化半周,期磁通变化的情况。,4.5 单相异步电动机,罩极上的铜环是固定的，而磁场总是从未罩部分向罩极,移动，故磁场的转动方向是不变的。所以，罩极式单相异步,电动机不能改变转向，它的启动转矩较分相式单相异步电动,机的启动转矩小，一般用在空载或轻载启动的台扇、排风机,等设备中。,4.6 同步电动机,电动机转子的转速始终与定子旋转磁场转速相同，这类电,动机称为同步电动机。,同步电动机主要分三相同步电动机和,微型同步电动机两类。,一、三相同步电动机,三相同步电动机也分为定子和转子两大部分。其定子与三,相异步电动机的定子结构完全相同，也是由机座、定子铁心、,定子三相绕组等组成。三相绕组也可以接成星形或三角形。,通入三相交流电后，产生旋转磁场。,三相同步电动机转子通常由凸出的磁极上装有直流励磁,绕组，下页图（a）为三相同步电动机的结构示意图。,4.6 同步电动机,W,2,+,W,1,V,2,V,1,U,1,U,2,u,n,2,=n,1,n,1,N,S,S,N,n,2,（a）（b）,当转子励磁绕组中通入直流电时，便产生恒定的磁极，该磁,极被定子旋转磁场吸住并拖动转子以同步转速旋转。上图（b）,为三相同步电动机的运转原理图。为了保证转子与定子旋转速度,相同，转子磁极与定子旋转磁极对数必须相等。,4.6 同步电动机,三相同步电动机启动方式：异步启动，同步运转。即转,子边沿安装许多类似笼式异步电动机转子,的导条，如右图所示。启动时，转子上的,直流励磁绕组不通电，使转子先异步启动，,当转子转速接近同步转速时，再通入直流,励磁电流，旋转磁场就会立即吸住转子同,步运转。,三相同步电动机在运行中有以下特点。,1.恒速性,4.6 同步电动机,只要同步电动机所带负载的阻转矩不超过允许值，其转速,总是等于同步转速。所以同步电动机常用于拖动要求恒速的,生产机械，例如合成氨厂的压缩机、水泵、碎石机等。,2.功率因数可调性,同步电动机可以通过对转子励磁电流的调节来改变电动,机本身的功率因数。当cos,=,1时，电动机呈电阻性，相当于,纯电阻性负载，此状态称准励磁状态；当减小励磁电流，可,使电动机呈感性，相当于感性负载，此状态称欠励磁状态；,当增大励磁电流，可使电动机呈容性，相当于容性负载，此,4.6 同步电动机,状态称过励磁状态。利用三相同步电动机可将自身转变为容,性负载这一特点，在电网中，可和电容器一样起到提高功率,因数的作用。在工厂中，功率较大的电动机常使用同步电动,机，以改善全厂的功率因数。,三相同步电动机与三相异步电动机相比较，结构复杂，,价格较贵，需交、直流电源供电，且不能调速，作为动力机,械使用受到一定的限制，但可以作为同步补偿机使用，使其,空载运行，向电网输送无功电流，提高功率因数。,二、微型同步电动机,4.6 同步电动机,微型同步电动机是一种不需外加直流电源的小容量单相,同步电动机。所使用的是单相交流电源。具有体积小、结构,简单、运行可靠及转速恒定等特点，广泛应用于自动化装置、,记录仪器、录音机、电影机设备中。,微型同步电动机的定子单相异步电动机的定子结构基本,相同，均为单相绕组，为了产生旋转磁场，其定子也有电容,式和罩极式。其转子按结构和作用原理的不同，可分为反应,式、磁滞式和永磁式三类。,1.反应式同步电动机,反应式同步电动机的转子是用软磁材料做成凸极式，边沿,4.6 同步电动机,安装笼式导条，当定子绕组通入单相交流电产生旋转磁场后，,转子异步启动。当转子转速接近同步转速时，转子被旋转磁,场磁化产生磁极，如下页图（a）所示。当转子转速与旋转磁,场的同步转速稍有差异，就会使磁力线扭曲，即旋转磁场的,轴线转子纵轴不重合，如下页图（b）所示。而磁力线总是力,图沿磁阻最小的路径通过，于是便有迫使转子纵轴向旋转磁,场轴线重合的转矩（即磁阻转矩）产生，最终转子在磁阻转,矩的作用下与旋转磁场同步旋转。,反应式同步电动机广泛应用于自动记录装置、电钟、电,唱机等设备中。,4.6 同步电动机,2.磁滞式同步电动机,磁滞式同步电动机的转子是用硬磁材料制成的圆柱形，转,子中间开槽使转子沿不同方向的磁阻不同，在定子旋转磁场的,作用下，将产生一定的磁阻转矩。另一方面，由于转子是由硬,4.6 同步电动机,磁材料制成，具有较强的磁滞效应，又将产生磁滞转矩，见,下图。图(a)为开始时转子被定子旋转磁场所磁化的示意图。,（a）（b）,4.6 同步电动机,而当定子磁极旋转一角度,后，转子上已被磁化的磁性并未,小时，表现为旋转磁场与转子磁极轴线之间将出现空间位置,的夹角,，,即磁滞角。磁滞角,的存在，使气隙中旋转磁场,对转子磁极的作用力,F,分解为径向作用力,F,n,和切向作用力,F,t,。,切向作用力,F,t,可形成磁滞转矩，使转子沿旋转磁场方向旋转，,见上页图（b）所示。,可见，磁滞式同步电动机是受磁滞转矩和磁阻转矩共同,作用而旋转的。这种同步电动机运行功率因数较低。,3.永磁式同步电动机,4.6 同步电动机,永磁式同步电动机的转子是由永久磁铁制成的凸极式。当定,子绕组通过单相交流电产生旋转磁场后，转子永久磁场将产,生与旋转磁场相同的磁极数，因而被定子旋转磁场拖入同步,运转。为了保证转子顺利启动，转子凸极边沿上安装笼式条，,使转子异步启动，若电动机转子本身惯性很小，且速度较低，,也可不装笼式导条自动启动。这种电动机广泛应用于自动化,仪表内的计时机构中。,4.7 直流电动机,直流电动机以其良好的调速性能和启动性能，在电力拖动,中占有一定的地位。对调速要求较高的生产机械（例如龙门刨,床、镗床、轧钢机等）或者需要较大启动转矩的生产机械（例,如起重机械、电力牵引设备等）往往采用直流电动机来驱动。,一、直流电动机的结构及转动原理,直流电动机主要由定子和转子两部分组成，下页图为直流,电动机结构图。图中，N、S为直流电动机定子主磁极，主磁,极上绕有励磁绕组，通以直流电，产生固定磁场。,4.7 直流电动机,4.7 直流电动机,线圈abcd装在可转动的圆柱形铁心上，合称电枢，线圈称为,电枢绕组。与电枢绕组两端相连的是两个彼此绝缘的圆弧形,铜片，即换相片。电刷AB紧压在换相片上并与外加直流电源,相通。电刷是固定不动的，而换相片随电枢一起转动，以此,保证在电源极性不变的前提下，电枢线圈所受的电磁力始终,维持电枢沿某一方向转动。,二、直流电动机的励磁方式,上页图中，磁极N、S的产生一般有两种方法。,一种是用永久磁铁。而广泛使用的是给定子铁心上的励磁,4.7 直流电动机,绕组通入直流。按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，直,流电动机可分为他励、并励、串励、复励四种。电路如下图,所示。图中,I,f,为励磁绕组上的电流，,I,a,为电枢绕组上的电流。,U,+,E,I,f,M,+,I,a,U,+,E,I,f,M,+,I,a,U,+,E,I,f,M,+,I,a,I,f2,I,f1,U,+,E,M,+,I,a,（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励,上述四种直流励磁电动机的机械特性曲线如下页图所示。,4.7 直流电动机,他励、并励,n,n,N,0,串励,T,N,T,复励,他励和并励直流电动机具有硬,机械特性。当负载增大时转速略有,下降，但变化不大。所以这种电动,机调速范围广，适用于需要调速的,轧机、金属切削机床、纺织印染、,造纸和印刷机械。,串励直流电动机具有软机械特性。当负载增大时转速大,幅度下降，但当负载很轻或接近空载时，转速将很高。电动,机转速过高，将造成人身安全及设备事故。因此串励直流电,动机绝对不允许在额定电压下空,载运行。为防止因负载滑脱,4.7 直流电动机,造成事故，串励直流电动机与负载之间必须用连轴器或齿轮,连接，不准用皮带传动。这种电动机主要用于起重及交通运,输机械上，如起重吊车、电瓶车、城市电车、电传动机车等。,复励直流电动机具有的机械特性曲线介于以上两种电动,机的机械特性曲线之间，适用于起重转