交流电机工作原理复习过程.ppt

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,7.1,三相异步电动机的构造,第,7,章 交流电动机,7.2,三相异步电动机的转动原理,7.3,三相异步电动机的电路分析,7.4,三相异步电动机转矩与机械特性,7.5,三相异步电动机的起动,7.6,三相异步电动机的调速,7.7,三相异步电动机的制动,7.8,三相异步电动机铭牌数据,7.9,三相异步电动机的选择,7.11,单相异步电动机,7.10,同步电动机(略),1.了解三相交流异步电动机的基本构造和转动,原理。,本章要求：,2.理解三相交流异步电动机的机械特性，掌握,起动和反转的基本方法,了解调速和制动的,方法。,3.理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义第,7,章 交流电动机,电动机的分类：,鼠笼式异步交流电动机授课内容：,基本结构、工作原理、机械特性、控制方法,电动机,交流电动机,直流电动机,三相电动机,单相电动机,同步电动机,异步电动机,他励、并励电动机,串励、复励电动机,第,7,章 交流电动机,1,.,定子,7.1,三相异步电动机的构造,铁心：由内周有槽,的硅钢片叠成。,A-X,B-Y,C-Z,三相绕组,机座：铸钢或铸铁,转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,2,.,转子,鼠笼转子,铁心：,由外周有槽的硅钢片叠成。,(1,),鼠笼式转子,铁芯槽内放铜条，端,部用短路环形成一体。,或铸铝形成转子绕组。,(2,),绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,鼠笼式,绕线式,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较,：,鼠笼式：,结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式：,结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子,外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,7.2,三相异步电动机的转动原理,7.2.1 旋转磁场,定子三相绕组通入三,相交流电(星形联接),A,X,B,Y,C,Z,1,.,旋转磁场的产生,o,o,规定,i,:,“+”,首端流入，尾端流出。,i,:,“,”,尾端流入，首端流出。,A,Y,C,B,Z,X,()电流出,(,)电流入,t,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,AX,Y,C,B,Z,三相电流合成磁场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,60,0,动画,o,A,A,X,Z,B,C,Y,A,A,X,Z,B,C,Y,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场,即：,一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,2,.,旋转磁场的旋转方向,结论：任意调换两根,电源进线，则旋转,磁场反转。,动画,任意调换两根电源进线,(电路如图),A,X,C,Z,B,Y,0,t,o,3,.,旋转磁场的极对数P,当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，,即：,o,t,A,X,B,Y,C,Z,A,X,Y,C,B,Z,若定子每相绕组由两个线圈串联,，绕组的始端,之间互差60,，将形成,两对磁极的旋转磁场。,C,Y,A,B,C,X,Y,Z,A,X,B,Z,A,X,B,Y,C,极对数,动画,旋转磁场的磁极对数,与三相绕组的排列有关,C,Y,A,B,C,X,Y,Z,A,X,B,Z,0,4,.,旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p,=1时,0,t,o,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,p,=,2时,0,旋转磁场转速,n,0,与极对数,p,的关系,极对数,每个电流周期,磁场转过的空间角度,同步转速,旋转磁场转速,n,0,与频率,f,1,和极对数,p,有关。,可见:,7.2.2 电动机的转动原理,1.转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,方向:顺时针,切割转子导体,右手定则,感应电动势,E,20,旋转磁场,感应电流,I,2,旋转磁场,左手定则,电磁力,F,F,电磁转矩,T,n,F,7.2.3 转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与,旋转磁场的同步转速之比称为,转差率。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场,旋转的方向一致，但转子转速,n,不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,异步电动机,如果:,无转子电动势和转子电流,转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切,割转子导条,无转矩,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率,s,例1：,一台三相异步电动机，其额定转速,n,=,975 r/min,，电源频率,f,1,=,50 Hz,。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转,速的关系可知：,n,0,=1000 r/min,即,p,=3,额定转差率为,7.3,三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,变压器：,变化,e,U,1,E,1,=4.44,f N,1,E,2,=4.44,f N,2,E,1,、,E,2,频率相同，都等于电源频率。,异步电动机每相电路,i,1,u,1,e,1,e,1,e,2,e,2,i,2,+,+,+,+,+,f,1,f,2,7.3.1 定子电路,1,.,旋转磁场的磁通,异步电动机：,旋转磁场切割导体,e,，,U,1,E,1,=4.44,f,1,N,1,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为,n,0,，所以,2,.,定子感应电势的频率,f,1,感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f,1,=电源频率,f,7.3.2 转子电路,1.转子感应电势频率,f,2,定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子,导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而,变化,定子感应电势频率,f,1,转子感应电势频率,f,2,转子感应电势频率,f,2,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,2.转子感应电动势,E,2,E,2,=4.44,f,2,N,2,=4.44,s f,1,N,2,当转速,n,=0(,s,=1)时，,f,2,最高，且,E,2,最大，有,E,20,=4.44,f,1,N,2,转子静止时,的感应电势,即,E,2,=,s E,20,转子转动时,的感应电势,3.转子感抗,X,2,当转速,n,=0(,s,=1)时，,f,2,最高，且,X,2,最大，有,X,20,=2,f,1,L,2,即,X,2,=,sX,20,4.转子电流,I,2,5.转子电路的功率因数 cos,2,转子绕组的感应电流,转子绕组的感应电流,转子电路的功率因数,结论：,转子转动时转 子电路中的各量均与转,差率,s,有关，即与转速,n,有关。,I,2,cos,2,s,1,I,2,O,7.4,三相异步电动机转矩与机械特性,7.4.1 转矩公式,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矩之总和。,常数，与电,机结构有关,旋转磁场,每极磁通,转子电流,转子电路的,功率因数,由此得电磁转矩公式,由前面分析知：,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。,U,1,T,2.当电源电压,U,1,一定时，,T,是,s,的函数。,3.,R,2,的大小对,T,有影响。绕线式异步电动机可外,接电阻来改变转子电阻,R,2,，从而改变转距。,7.4.2 机械特性曲线,O,T,S,根据转矩公式,得特性曲线：,O,T,动画,1,动画,电动机在额定负载时的转矩。,1,.,额定转矩,T,N,三个重要转矩,O,T,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,T,max,转子轴上机械负载转矩,T,2,不能大于,T,max,，否则将,造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,令：,求得,临界转差率,O,T,T,max,将,s,m,代入转矩公式，可得,当,U,1,一定时，,T,max,为定值,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使,T,2,T,2,电机能起动，否则不能起动。,O,T,T,st,起动能力,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，才能带动新的负载）。,此过程中，,n,、,s,E,2,I,2,I,1,电源提供的功率自动增加。,T,2,s,T,2,T,T=T,2,n,T,T,2,达到新的平衡,T,2,常用特,性段,T,O,5.,U,1,和,R,2,变化对机械特性的影响,(1,),U,1,变化对机械特性的影响,U,T,m,T,st,T,2,T,O,(2,),R,2,变化对机械特性的影响,T,O,R,2,T,st,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。,(2,),R,2,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。,T,O,R,2,T,st,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。,8.5,三相异步电动机的起动,8.5.1 起动性能,起动,问题：,起动电流大，起动转矩小,。,一般中小型鼠笼式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。,大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作,频繁起动时造成热量积累，使电机过热,后果：,原因：,起动：,n,=,0，,s,=1,接通电源。,起动时，,n,=,0，转子导体切割磁力线速度很大，,转子感应电势,转子电流,定子电流,8.5.2,起动方法,(1)直接起动,二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,(2)降压起动：,星形-三角形(Y,),换接起动,自耦降压起动,（适用于鼠笼式电动机）,(3)转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,设：电机每相阻抗为,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,+,起动,U,1,U,2,V,1,V,1,W,1,W,2,+,正常,运行,U,1,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,Y,起动器接线简图,L,1,L,3,L,2,FU,S,U,1,V,1,U,2,V,2,W,1,W,2,W,1,L,3,V,2,U,2,L,2,V,1,W,2,L,1,U,1,动触点,Y,动触点,静触点,Y,起动器接线简图,Y起动,L,1,L,3,L,2,FU,S,U,1,V,1,U,2,V,2,W,1,W,2,W,1,L,3,V,2,U,2,L,2,V,1,W,2,L,1,U,1,起动,U,P,U,1,+,U,l,+,U,2,V,1,V,2,W,1,W,2,Y,起动器接线简图,工作,L,1,L,3,L,2,FU,S,U,1,V,1,U,2,V,2,W,1,W,2,W,1,L,3,V,2,U,2,L,2,V,1,W,2,L,1,U,1,U,2,正常,运行,U,l,+,U,1,V,1,V,2,W,1,W,2,(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,(b),Y,起动,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,U,l,U,1,W,2,V,2,W,1,+,U,2,V,1,U,P,起动,+,U,l,+,U,1,W,2,V,2,W,1,U,2,V,1,(2),自耦降压起动,L,1,L,3,L,2,FU,Q,Q,2,下合：,接入自耦变,压器，降压,起动。,Q,2,上合：,切除自耦变,压器，全压,工作。,合刀闸开关Q,Q,2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时,联成 Y形不能采用Y,起动的鼠笼式异步电动机。,R,R,R,滑环,电刷,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,2,.,绕线式电动机转子电路串电阻起动,若,R,2,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。,R,2,T,st,T,O,转子电路串电阻起动的特点,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机,正转,电动机,反转,三相异步电动机的正、反转电 源,U,V,W,M,3,U,V,W,电 源,M,3,例1,:,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：,P,2N,=45kW,n,N,=1480r/min，,U,N,=380V，,N,=92.3%，cos,N,=,0.88，,I,st,/,I,N,=7.0,T,st,/,T,N,=1.9，,T,max,/,T,N,=2.2，求：,1)额定电流,I,N,?2)额定转差率,s,N,?,3)额定转矩,T,N、,最大转矩,T,max、,和起动转矩,T,N,。,2）,由,n,N,=1480r/min，可知,p,=2,（四极电动机）,3）,解：,在,上例中(1)如果负载转矩为 510.2N,m,试问在,U,=,U,N,和U,=0.9,U,N,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%时，电动机能否起动？,(,1),在,U,=,U,N,时,T,st,=551.8N,m 510.2 N.m,不能起动,(,2),I,st,=7,I,N,=784.2=589.4 A,在,U,=0.9,U,N,时,能起动,例2:,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以,起动,(3),例3:,对,例8.5.1中的电动机采用自耦变压器降压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64求这时的线路起动电流,I,st,和电动机的起动转矩,T,st,。,解：,设电动机的起动电压为,U,，电动机的起动,电流为,I,st,依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，,可求得,线路起动电流,I,st,。,采用自耦降压法起动时，若,加到电动机上的,电压与额定电压之比为,x,，则线路 起动电流,I,st,为,电动机的起动转距,T,st,为,结论：,8.6.1 变频调速,(无级调速),f,=50Hz,逆变器,M,3,整流器,f,1,、,U,1,可调,+,变频调速方法,恒转距调速（,f,1,f,1N,）,频率调节范围：,0.5,几,百赫兹,三种电气,调速方法,8.6,三相异步电动机的调速,8.6.2 变极调速,(有级调速),变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性,能优异，因而正获得越来越广泛的应用。,A,1,X,1,A,2,X,2,i,i,P,=2,A,1,A,2,X,1,X,2,N,N,S,S,A,1,X,1,A,2,X,2,i,i,P,=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机，,由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对,调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床,等机床上。,A,1,A,2,X,1,X,2,S,N,T,o,8.6.3 变转差率调速,(,无级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调,速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，,缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种,提升、起重设备中。,n,n,T,L,T,L,s,s,T,s,o,8.7,三相异步电动机的制动,8.7.1,能耗制动,制动方法,机械制动,电气制动,能耗制动,反接制动,发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相,绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与,旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的,转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,n,F,转子,T,n,0,=0,8.7.2,反接制动,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,M,3,+,-,运转,制动,R,P,M,3,运转,制动,n,F,转子,T,n,0,8.7.3,发电反馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速,时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变,化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制,动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成,电能回送给电网。,n,F,转子,T,n,0,n,n,0,8.8,三相异步电动机铭牌数据,1.型号,磁极数(,极对数,p,=2,),例如：,Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,机座长度代号,机座中心高（mm）,三相异步电动机,教材表8.8.1中列出了各种电动机的系列代号。,异步电动机产品名称代号,产品名称,异步电动机,绕线式异步电动机,防爆型异步电动机,高起动转矩异步电动机,新代号,汉字意义,老代号,Y,异,异绕,异爆,异起,YR,YB,YQ,J、JO,JR、JRO,JB、JBO,JQ、JQO,2.接法,接线盒,定子三相绕组的联接方法,。通常,V,1,W,2,U,1,W,1,U,2,V,2,U,2,U,1,W,2,V,1,V,2,W,1,U,1,V,1,W,1,W,2,U,2,V,2,W,2,U,2,V,2,V,1,W,1,U,1,Y 联结,W,1,U,1,V,1,W,2,U,2,V,2,联结,3.电压,例如：380/220V、Y/,是指线电压为 380V 时,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,。,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,及6000V等多种。,4.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。,5.功率与效率,鼠笼电机,=7293,电动机在额定运行时定子绕组的,线电流值。,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机,械功率,P,2,，它不等于从电源吸取的电功率,P,1,。,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。,6.,功率因数,P,N,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。,7.,额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,P,2,cos,O,如：,n,N,=,1440 转/分,s,N,=,0.04,8.,绝缘等级,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(105,C),，H级最高(180,C),。,8.9.1,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。,1.,对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。,2.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。,8.9,三相异步电动机的选择,8.9.2,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鼠笼式电动机。,只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场,合才选用绕线式电动机。,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。,8.9.3,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系列鼠笼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。,单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的,定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式,。,定子绕组中通入单相交流电后,形成脉动磁场，若不采取措施，将无法获得所需的起动转矩。,定子,定子,绕组,转子,A,A,N,S,8.11.1,单相异步电动机的工作原理,8.11,单相异步电动机,定子绕组产生的脉动磁场,，可用,正、反两个,旋转磁场合成来等效。即,+,-,m,=,+,-,=,t,O,脉动磁场的分解,+,-,-,+,+,-,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,(正向),起动转矩,为零,(反向),正,转,转,反,.,.,.,.,F,鼠笼式转子,导条及电流,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据,右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、,右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,A,A,为了获得所需的起动转矩，单相异步电动,机的,定子进行了特殊设计。,常用的单相异步电,动机有电容分相式异步电动,机和罩极式异步电,动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不,同。,8.11.2,电容分相式异步电动机,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个,绕组，一个是工作绕组 A,A,，另一个是起动绕,组 B,B,两个绕组在空间相隔90,。起动时，B,B,绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相,差近90,，即可获得所需的旋转磁场。,电容分相式异步电动机,i,A,S,A,B,B,A,i,B,设两相电流为,两相电流,正弦波形如图所示。,工作绕组,i,B,i,A,O,起动绕组,A,B,B,A,A,B,B,A,A,B,B,A,两相旋转磁场,动画,45,0,90,0,i,B,i,A,O,S,A,B,B,i,A,i,B,A,1,2,实现正反转的电路,改变电容,C,的串联位置，可使,单相异步电动机反转。,将开关S合在位置1，电容C与,B绕组串联，电流,i,B,较,i,A,超前近,90,；当,将S切换到位置2，电容,C,与A绕组串联，电流,i,A,较,i,B,超,前近90,。这样就改变了旋转磁,场的转向，从而实现电动机的,反转。,电动机转子转动起来后，利用,离心力将开关S断开(S是离心开,关)，使起动绕组,B,B,断电。,M,8.11.2 罩极式单相异步电机,i,1,2,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(极靴),当电流,i,流过定子绕组时，产生了一部分磁,通,1,，同时产生的另一部分磁通与短路环作用,生成了磁通,2,。由于短路环中感应电流的阻碍,作用，使得,2,在相位上滞后,1,，从而在电动机,定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。,罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向,不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相,式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，,故常用于洗衣机等电器中三相异步电动机在运行过程中，,若其中一相与电源断开，就成为单相电动机运行。,此时电动机仍将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定电流，,时间一长，会使电动机烧坏。,这种情况往往不易察觉，在使用电动机时必须注意。如果三相异步电动机在,起动前就断了一线，则不能起动，,此时只能听到嗡嗡声，这时电流很大，时间长了，,也会使电动机烧坏。,8.11.3 三相异步电动机的单相运行,解：,电动机电磁转矩,T,U,1,2,，当电源电压下降低时，电磁转矩减小，使转速下降，转差率增加，转子电流和定子电流,都会增大。稳定时电磁转矩等于机械负载转矩，但转矩降低了，定、转子电流却增大了。过程如下：,使,T,=,T,C,。,例：,三相异步电动机在一定的负载转矩下运行时，如电源电压降低，电动机的转矩、电流及转速有无变化？,