电工学课件第7章交流电动机.ppt

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1、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,7.12 直线异步电动机,1,1. 了解三相交流异步电动机的基本构造和转动 原理。,第7章 交流电动机,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

2、数据的意义。,2022/11/12,2,电动机的分类：,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,鼠笼式绕线式,电机：实现电能和机械能相互转换的电气设备。 有发电机和电动机两种运行形式。,2022/11/12,3,1.定子,7.1 三相异步电动机的构造,4,转子电路的特点：自行闭合，不外接电力负载。,2.转子,鼠笼转子,铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。,(2) 绕线式绕组,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,5,6,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

3、。,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。,2022/11/12,7,7.2 三相异步电动机的转动原理,8,7. 2. 1 旋转磁场,定子三相绕组通入三相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,2022/11/12,9,规定：,()电流出,()电流入,2022/11/12,10,三相电流合成磁场 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90,2022/11/12,11,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 且一个电流周期，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

4、线，则旋转磁场反转。,2022/11/12,12,3.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：,2022/11/12,13,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。,2022/11/12,14,极对数,旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关,15,4.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,=1时,2022/11/12,16,=2时,17,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,18,7. 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,感应电动势 E2

5、0,电磁力F,2022/11/12,19,2. 转子转向,3. 转子转速,转子的转动方向与旋转磁场的方向一致。,故将三根电源进线任意对调两根，可使电动机反转。,如果:,且一定,20,4. 电动机正常运行情况,转矩,电磁转矩T,阻转矩TC = T2+T0,机械负载转矩T2,空载损耗转矩T0,T2,电动机长期稳定运行时，T = T2，即匀速转动。,若T2, TT2, n, (n0 n) , 切割加快, E2 , I2 , F , T , 至T = T2, 以较原转速低的n 重新匀速转动,21,7. 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。,描述转

6、子转速与旋转磁场转速相差的程度。,运行中:,起动瞬间：s = 1,亦可由转差率求转子转速,2022/11/12,22,例：一台三相异步电动机，其额定转速 n = 975 r/min，电源频率 f1 = 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：n0=1000 r/min , 即,p=3,额定转差率为,2022/11/12,23,7.3 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 eU1 E1= 4.44 f N1 E2= 4.44 f N2,E1 、E2 频率相同，都等于电源频率。,定子

7、绕组一次绕组,转子绕组二次绕组,旋转磁通主磁通,转子电路自行闭合，且转子转动,2022/11/12,24,7. 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， U1 E1= 4.44 f 1N1,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，所以,2.定子感应电动势的频率 f1,感应电动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,2022/11/12,25,7. 3. 2 转子电路,1. 转子感应电动势频率 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

8、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,2022/11/12,26,2. 转子感应电动势E 2,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时， f 2最高，且 E2 最大，有,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时的感应电势,即E2= s E20,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 X2 最大，有,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,27,4. 转子电流 I2,5. 转子电路的功率因数 cos2,转子绕组的感应电流,2022/11/1

9、2,28,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。,2022/11/12,29,7.4 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,转子电路功率因数,2022/11/12,30,由此得电磁转矩公式,2022/11/12,31,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 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3. R2 的大小对 T 有影响。绕

10、线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。,2022/11/12,32,7. 4. 2 机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,0,n,n0,2022/11/12,33,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,三个重要转矩,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,2022/11/12,34,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则将造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,2022/11/12,

11、35,当 U1 一定时，Tmax为定值,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数,工作时必须使T2 Tmax ，否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,2022/11/12,36,3. 起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n= 0 时，s =1,(2) Tst与 R2 有关， 适当使 R2 Tst 。绕线式电机改变转子附加电阻R2 , 可使Tst =Tmax 。,R2X20时， R2 Tst ；,R2X20时， R2 Tst,2022/11/12,37,Tst体现了电动机带载起动的能力。 若 Tst T2，电机能起动，否则不能起动。,起动能力,例：一台三相异步电动机，其起动能力

12、Kst = 1.2， 起动时负载转矩T2 = 0.8TN。如果起动时定子电压降低20%，问能否启动？,解：,U = UN时，,Tst= 1.2TN；,U = 80%UN时，,Tst= 0.64Tst,= 0.641.2TN,= 0.768TN, T2,不能起动,38,4. 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 、sE2 , I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T =T2,n ,T ,达

13、到新的平衡,2022/11/12,39,T2,s,T2 T,n ,T ,电动机停车, n , n = 0,T2 ,S ,T2 T,n ,T ,稳定运行, n , 越过临界点,进入稳定区, T , T =T2,T2,电动机起动后，很快经过非稳定区进入稳定区 ，正常工作。,40,5. U1 和 R2变化对机械特性的影响,(1) U1 变化对机械特性的影响,T2,2022/11/12,41,(2) R2 变化对机械特性的影响,R2,Tst ,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。 ,2022/11/12,42,(2) R2 变化

14、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。,2022/11/12,43,7.5 三相异步电动机的起动,7. 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。,后果：,原因：,起动： n = 0，s =1, 接通电源。,2022/11/12,44,7.5.2 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。简单，但起动电流大。,（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

15、压起动和转子串电阻起动。,2022/11/12,45,1. 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,设：电机每相阻抗为,46,Y 起动器接线简图,静触点,2022/11/12,47,Y 起动器接线简图,Y起动,2022/11/12,48,Y 起动器接线简图, 工作,2022/11/12,49,(a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,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,50,(2) 自耦降压起动,Q2下合： 接入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合： 切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正

16、常运行时联成 Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,2022/11/12,51,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,52,若R2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。,R2 Tst ,转子电路串电阻起动的特点,53,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,54,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：PN = 45kW,nN = 1480r/min

17、，UN = 380V，N = 92.3%，cosN =0.88， Ist/IN = 7.0, Tst/TN = 1.9，Tmax/TN = 2.2，求： 1) 额定电流IN? 2) 额定转差率sN? 3) 额定转矩 TN 、最大转矩Tmax 和起动转矩Tst 。,2022/11/12,55,2）由nN = 1480r/min，可知 p = 2 （四极电动机）,3）,2022/11/12,56,解：,在上例中(1)如果负载转矩为 510.2Nm, 试问在 U = UN 和 U = 0.9UN 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。 （3）又当负载转矩为额定转

18、矩的80%和50%时，电动机能否Y- 换接起动？,(1) 在U=UN时 Tst = 551.8Nm 510.2 N. m,不能起动,(2) Ist =7IN=784.2=589.4 A,在U= 0.9UN 时,能起动,例2:,2022/11/12,57,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3),2022/11/12,58,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Ist和电动机的起动转矩Tst。,解：,设电动机的起动电压为U，电动机的起动电流为Ist,依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，

19、可求得线路起动电流Ist。,59,60,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Ist 为,电动机的起动转距Tst为,结论：,61,7.6.1 变频调速 (无级调速),频率调节范围：0.5几百赫兹,7.6 三相异步电动机的调速,调速指当负载不变时，利用人工的方法改变转子的转速。它与电动机自动适应负载变化而改变转速不同。,62,7.6.2 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。,P=2,线圈串联,（鼠笼式电机采用）,63,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

20、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。,线圈并联,64,7.6.3 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。,65,7.7 三相异步电动机的制动,制动方法,能耗制动反接制动发电反馈制动,通过加一个与原转速方向相反的制动力矩，使电动机能迅速停车或反转。,66,7.7.1 能耗制动,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。,

21、67,7.7.2 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。,68,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 n0,7.7.3 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,69,7.8 三相异步电动机铭牌数据,1. 型号,例如： Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,2022/11/12,70,异步电动机产品名称代号,71,2. 接法,接线盒,定子三相绕组的

22、联接方法。通常,Y 联结, 联结,2022/11/12,72,3. 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。,73,4. 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

23、流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。,5. 功率与效率,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 ，它不等于从电源吸取的电功率 P1N。,2022/11/12,74,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,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。,2022/11/12,75,如： n N =1440 转/分 sN = 0.04,8. 绝缘

24、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(105C)，H级最高(180C)。,76,8.9.1 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。,7.9 三相异步电动机的选择,77,7.9.2 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

25、不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。,7.9.3 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。,78,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,7.11.1 单相异步电动机的工作原理,7.11 单相异步电动机,79,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

26、效。即,80,脉动磁场的分解,t = 0,81,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,(正向),(反向),82,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,83,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。,7.11.2 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 AA，另一个是起动绕组 BB ,两个绕组在空间相隔90。起动时， BB

27、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。,84,设两相电流为,两相电流,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,85,两相旋转磁场,86,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 iB较iA超前近90；当将S切换到位置2，电容C与A绕组串联，电流iA 较iB 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BB断电。,87,7.11.2 罩极式单相异步电机,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(极靴),88,

28、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。,89,三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。,7.11.3 三相异步电动机的单相运行,90,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？,91,