交流电动机的工作原理及特性.ppt

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1、第 3 章 三相异步电动机,3.1 概述,3.2 三相异步电动机的结构,3.3 三相异步电动机的工作原理,3.4 三相异步电动机的功率与转矩,3.5 三相异步电动机的使用,3.6 三相异步电动机的选择,异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机 械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的分类：,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能,交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。,1.按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。,2.按电机的转子结构分：笼型

2、异步电动机、绕线型异步电动机.,3.1 概述,3.1.1 异步电动机的分类与用途,3.1.2 三相异步电动机的型号与主要技术数据,电动机的额定技术数据：,（1）额定电压UN 电动机额定状态下运行时定子绕组上应 加的线电压，单位为V或KV。,（2）额定电流IN 电动机在额定状态下运行时，定子绕组的线电流，单位为A或KA。,（3）额定功率PN 电动机在额定状态下运行时，其轴上输 出的机械功率，单位为W或KW。,（4）频率f1 电动机交流电源的频率，我国规定为50HZ。,（5）额定转速nN 电动机在额定状态下（UN、IN、PN）运行时电动机转子的转速，单位为rmin。,（6）额定功率因数cosN 在

3、额定负载下，N是定子相电流与相电压的相位差，三相异步电动机的cos随负载的变化 而变化，其范围为0.20.9，轻载时cos较低。,（7）额定效率N 额定输出功率PN与额定输入功率之 比PN1，即,额定输入功率,电动机的额定技术数据：,电动机铭牌上还标明绕组的接法,如有的电动机铭牌上标识出电压为220380V，接法标识为Y时，则表明，当电源电压为220V时，电动机定子绕组采用形方式联接，而当电源电压为380V时，电动机定子绕组采用Y形方式联接。,例3.1.1：已知一台三相异步电动机的额定功率PN3.8KW，额定电压UN380V，额定功率因数cosN0.7，额定效率N0.85，额定转速nN950r

4、min，求额定输入功率P1N和额定电流IN。,解 根据,额定输入功率,额定电流,这是电动机的外形,3.2 三相异步电动机的结构,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,端盖,机座,这是三相异步电动机的基本结构示意图,这是三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,这是三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,转子,轴承,端盖,机座,1.定子三相异步电动机的定子是由机座、定

5、子铁心和定子绕 组组成。,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,定子绕组,机座,铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,这是定子硅钢片,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组星接,定子绕组角接,端子,这是饶线型转子铁心与绕组,2.转子根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子,笼型转子的电机称笼型电动机饶线型转子的电机称饶线型电动机,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,这是转子硅钢片,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。,这是笼型转子,U1,W2,V1,U2,W1,V2,

6、在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,定子绕组,转子绕组,n0,n,e(i),转子导体,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,3.3 三相异步电动机的工作原理,3.3.1 异步电动机的转动原理,iA=Imsin t,iB=Imsin(t-120),iC=Imsin(t+120),iA,iB,iC,相序A-B-C-A,对称三相电流流入 对称三相绕组。,3.3.2 三相绕组产生的旋转磁场,iA,iB,iC,U1,V1,W1,U2,V2,W2,iA,1 两极旋转磁场,t=0,t,i,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i

7、A=0iB为负值iC为正值,iB,iC,t,t=60,i,60,iC=0iB为负值iA为正值,iA,iB,iC,0,U1,W2,V1,U2,W1,V2,t=90,90,iA为正值iB为负值iC为负值,t,i,iA,iB,iC,0,U1,W2,V1,U2,W1,V2,t=180,iA=0iB为正值iC为负值,180,t,i,iA,iB,iC,0,U1,W2,V1,U2,W1,V2,t=60,N,S,60,t=90,N,S,t=0,N,S,90,t=180,N,S,180,0,空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方

8、向旋转了一周(在空间旋转的角度为360)。,综上分析可以得出：,t,i,iA,iB,iC,0,2 旋转磁场的转向,90,60,0,相序A-C-B-A,改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向,也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,综上分析可以得出：,3 四极旋转磁场,60,0,t=0,U1,W2,V1,U2,W1,N,S,U2,W1,V2,U1,W2,V1,V2,0,S,N,0,t,i,iA,iB,iC,0,t,i,iA,iB,iC,0,90,180,t=90,N,S,45,S,N,t=180,N,S,90,S,N,90,当定子每相中有两个绕组串联,且每相绕组在

9、空间相差60时,通入对称三相交流电后,也产生一个旋转磁场,但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周,旋转磁场在空间只转了半周(180 空间角),旋转速度较两极磁场慢了一半。,4 旋转磁场的速度及转差率,综上分析可以得出：,电源的频率,磁极对数,P=1 n0=3000 r/min,P=2 n0=1500 r/min,P=3 n0=1000 r/min,n=(1s)n0,定义:转差率,0 s,s N=0.015 0.06,转子转速,U1 E1=4.44 f1N1K1,：旋转磁场每极磁通N1：每相定子绕组匝数K1：定子绕组分布系数,3.3.2三相异步电动机的等效电路,X1=2f1L1,转子电动势 E2

10、=4.44 f2N2K2,：旋转磁场每极磁通N2：每相转子绕组匝数K2：转子绕组分布系数,E2=4.44 f1N2K2 s=E20s,f2：转子电动势的频率,旋转磁场和转子之间的相对转速为（n0n），转子频率,X2=2f2L2=2sf1L2=sX20,I2,cos 2,1,I2和cos2均与s有关,3.4.1三相异步电动机的功率,3.4 三相异步电动机的功率与转矩,设输入电动机的三相总功率为,U和I为定子绕组的线电压和线电流，cos为定子绕组的功率因数。,电磁功率,定子绕组的铜损,定子绕组的铁损,转子的机械功率,电动机轴上输出给负载的机械功率为,P2=PP0,空载损耗,电动机效率,电动机的电磁

11、功率又可表示为,旋转磁场的角速度,电磁转矩,电动机输出的全部机械功率为,转子旋转的角速度,输出转矩,电磁转矩 T=CT I2cos 2,E20=4.44 f1N2K2,将,电磁转矩是由旋转磁场 和转子电流的有功分量相互作用而产生的，所以,常数,3.4.2 电磁转矩,电磁转矩也可由输出的机械功率P求出，忽略空载损耗,P=T,（Nm）,电动机轴上输出的是额定功率PN，电动机转速是额定转速nN，这时输出的转矩为额定转矩TN，即,转矩特性 T=f(s),3.4.3 机械特性,机械特性曲线 n=f(T),1.额定转矩 TN,额定转矩是电动机在额定运行状态下的电磁转矩。如某台电动机的铭牌数据给出的额定功率

12、PN为2.2kW，额定转速nN为1430转分，则额定转矩为,由dT/ds=0,得,sm 临界转差率,2 最大转矩 Tmax,Tmax 是在一定的电源电压下，电动机所能提供的最大转矩。,sm与R2成正比,结论：,a.Tmax U12,b.Tm 与 R2无关，,c.过载系数 m,m Tmax T N,m 1.6 2.5,Tmax的大小表明了电动机所能驱动的最大负载转矩，即电动机的过载能力，它比TN大得多，通常用过载系数 m来表示过载能力的大小。,T,n,0,Tst,sm,3 起动转矩 TST,起动瞬间 n=0，s=1,U1 Tst,R2 Tst,R2,U1,U1,负载转矩 T2Tst,不能起动,可

13、空载或轻载起动,负载转矩 T2Tst，可带负载起动,st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,特殊 st 2.2 2.8,起动转矩倍数,U1,Tmax,Tst,sm,Tst,4.机械特性曲线 的两个区域,起动过程：,d,当TstT2 时,电机起动,在cb段 nsTba段,在ab段 nsTT=T2,T2=TN(在d点),ab段为稳定运行区域，bc段为不 稳定运行区域,s,直到 T=T2,电机稳定运行在新的转速下,工作于d点,则:n,n=(1 s)n0,T,n,0,n0,T,a,b,c,Tst,转矩平衡方程式 T=T2+T0=负载转矩+空载转矩,转速平衡过程：,电动机工作在稳定运行区时,具有

14、自适应能力。例如,原来在额定负载下稳定运行(工作于d点),例3.4.1 已知某台三相异步电动机的额定数据为：PN4.5kW，nN950rmin，效率N84.5，UN380V，cosN0.84，接成星形（Y），f150HZ，过载系数m2，起动转矩倍数st1.7。求：（1）磁极对数P；（2）额定转差率sN；（3）额定转矩TN；（4）额定输入功率P1N；（5）定子的额定电流IN；（6）最大转矩Tmax；（7）起动转矩Tst。,解（1）根据nN950rmin，可以得出n01000rmin,磁极对数,（2）额定转差率为,（3）额定转矩为,=45.24Nm,（4）额定输入功率,（5）根据,额定电流,（7）

15、最大起动转矩 TststTN1.745.24=76.91Nm,（6）最大转矩 TmaxmTN245.24=90.48Nm,例：已知PN=4.5 KW，nN=950r/min，N=84.5%，U1=380 V，Y接，f1=50Hz，m=2，st=1.7。求：（1）磁极对数 P；（2）SN；（3）TN；（4）输入功率P1；（5）最大转矩Tm；（6）起动转矩Tst,解：,（1）P=3,（5）Tm=m TN=245.24=90.48Nm,（6）Tst=st TN=1.745.24=76.91Nm,1.起动过程存在的问题,起动初始瞬间，n=0，s=1,（1）起动电流IST大，57 IN。频繁起动会使电动

16、机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。,（2）起动转矩TST不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子感抗大，使转子的 功率 因数很低,不能带动较大负载起动。,3.5 三相异步电动机的使用,3.5.1三相异步电动机的起动,（1）直接起动,直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大47倍；影响同一电网上其它负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机,（2）降压起动,起动时降低电动机的电源电压，以限制起动电流，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,2.起动

17、方法,起动转矩与外加电压平方成正比，降压的同时也大大的降低了起动转矩，因此这种方法使用于轻载或空载起动。,a 星形三角形（Y-）转换降压起动,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子绕组,只适用于正常运行时为接法的电动机,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子绕组,起动电流和起动转矩都降低到直接起动时的三分之一,型,Y型,IlY/Il=1/3,TstY/Tst=UPY2/UP 2,=1/3,a 星形三角形（Y-）转换降压起动,U1,U2,V1,V2,W1,W2,Q1,Q2,起动,三相自耦变压器,M3,b 自耦变压器降压起动,U1,U2,V1,V2,W1,W

18、2,Q1,Q2,运转,起动,三相自耦变压器,M3,b 自耦变压器降压起动,U1,U2,V1,V2,W1,W2,Q1,Q2,运转,起动,三相自耦变压器,M3,b 自耦变压器降压起动,自耦变压器抽头有 0.55,0.64,0.73 等,Ist,如:变压器变比,则变压器副方电流,而变压器原方电流,电动机起动转矩,结论:电动机起动,电流Ist和起动转矩Tst均为直接起动的1/n2。,绕线式电动机起动时，在转子绕组中串电阻，减小起动电流。,c 转子串电阻起动,起动时先将起动变阻器的阻值置于最大位置，随着转速的上升，逐渐减小起动电阻，直到电动机转速接近额定值时，再全部切除起动电阻，使电动机进入正常运行状态

19、。,转子串电阻起动，不但减小了起动电流而且增大了cos2，提高了起动转矩。,例3.5.1 一台笼型三相异步电动机定子绕组为三角形联接，PN28KW，UN380V，IN58A，cosN0.88，nN=1455r/min，st=1.2,Ist/IN=6,m=2.3，起动负载转矩为71.5Nm，要求起动电流不大于150A。（1）该电动机能否采用星形三角形转换方法进行起动？（2）若采用自耦变压器降压起动，当自耦变压器的抽头为64（）时，能否满足起动要求？,解（1）电动机额定转矩为,直接起动时的起动转矩为,星形三角形起动时的起动转矩,星形三角形起动时的起动电流,直接起动时的起动电流为,可以采用星形三角形

20、转换起动方法。,（2）用自耦变压器降压起动时,能满足要求。,n=(1s)n1,调速方法,3.5.1三相异步电动机的调速,在某一确定负载下，人为的改变电动机转速称为调速。,改变电动机转速有三种方法：改变磁极对数P、改变转差率s、改变电源频率f1。,改变定子绕组所形成的磁极对数与改变电源频率的调速方法适用于笼型异步电动机，它们是改变旋转磁场转速n0的调速方法。,改变电动机转差率的方法只适用于绕线式异步电动机，它不改变旋转磁场的转速n0，而是在转子绕组电路中串联电阻，改变转差率，实现对电动机的调速。,变频调速是通过改变电动机电源频率得到的平滑调速。,1.变频调速,若电源电压U1不变，则磁通随频率而变

21、。通常电机在设计中，将磁通的数值选择在接近饱和值上。,在改变f1的同时要同步调节电源电压U1，以保持U1/f1比值为恒定，从而维持磁通恒定不变。,异步电动机变频调速的控制方式主要有：,（1）保持U1/f1比值恒定的恒转矩变频调速方式,这种方式是将频率f1从额定值往下调，U1同时减小。,这种调速方法的机械特性较硬，调速范围较宽，但低速性能较差。如果电源频率f1 能实现连续调节，就能实现无级变频调速。,调速过程中，由于U1=4.44f1N1，T=CTI2cos2，如果负载转矩不变磁通又是恒定的，则转子电流不变，电动机输出转矩也不变，故为恒转矩调速。,（1）保持U1/f1比值恒定的恒转矩变频调速方式

22、,在电源电压U1不变的情况下，提高电源频率会使磁通减小，输出转矩随之减小。对于恒功率负载，使电动机转速升高，从而异步电动机的电磁功率基本保持不变，属恒功率变频调速方式。,（2）恒功率变频调速方式,这种方式是将频率从额定值向上调,这种恒功率变频调速方式（也称为恒压弱磁变频调速方式）的机械特性较软。,a.大范围无级平滑调速；,b.需要专门的变频调速设备，且成本较高。,特点：,变频器简介 实现变频调速就要有变频电源，变频电源是由变频器提供的。,变频器的基本结构：主电路包括整流、滤波和逆变三个部分。,控制电路的功能是向主电路提供控制信号，它包括进行电压和频率运算的运算电路、对主电路进行电流电压检测的检

23、测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路以及主电路和控制电路的保护电路。,在现代变频器中，普遍采用正弦波脉宽调制（SPWM）方式将直流电转换为频率和电压可调的交流电。它是通过改变输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。即，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小。如果脉冲间的间隔小，相应的输出电压大；反之，脉冲间的间隔较大，相应的输出电压也较小。,变频调速器应用实例：变频供水控制系统,系统以可编程序控制器为控制核心，实现系统要求的控制。通过压力传感器检测到用户水压的大小，将这一信号送入PLC，PLC与压力的设定值比较

24、后，将按编制好的程序进行处理，然后向变频调速器发出速度调节信号，调节水泵的旋转速度，从而实现恒压供水。,3.5.1 三相异步电动机的调速,调速方法,n=(1s)n1,2.改变极对数 p 调速,有级调速,变极调速是通过改变异步电动机定子旋转磁场磁极对数来改变旋转磁场转速n0，从而实现调速。当极对数增加一倍时，旋转磁场的转速n0就降低一半，转子转速也将降低一半，显然这种调速方法是有级调速。,n1=15003000 r/m,P=2,P=1,n=(1s)n1,调速方法,3.改变转差率 s 调速,绕线式电动机在转子绕组中串入电阻R2,可改变转差率 s 和转速 n。,a.小范围无级调速,特点:,b.R2大

25、 特性变软,3.5.1 三相异步电动机的调速,1.能耗制动,制动时定子接入直流电源产生固定磁场,i2 受到阻转矩；当 n0,i20,T0,制动:将动能电能热能,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转,缺点：需要另外加直流电源,3.5.1三相异步电动机的制动,2.反接制动,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使M停机。,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为(n1+n)I2 I1,必须在笼型电动机的定子或绕线式电动机的转子中串入电阻R，以防止烧坏绕组。,3.发电反馈制动,n0,n,F,nn0,当转子的转速n 超过旋转磁场的转速n1时，这时的转矩是制动转矩

26、。,F,47 单相异步电动机的基本结构和工作原理,特点：,1.为小容量的电动机，从几瓦到几百瓦；,2.由单相交流电源供电的旋转电机；,3.具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点。,所以单相异步电动机被广泛用于电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。,一、单相异步电动机的磁场,单相异步电动机的定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式。,当接入单相交流电源时，它在定、转子气隙中产生一个磁场。,此磁场在空间并不旋转，只是磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化，即,其磁场曲线：,在电机系统中，常把磁通大小随时间做正弦变化的磁场称脉动磁场。,可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化

27、的脉动磁场（用磁感应强度B表示），可以分解成两个转速相等而方向相反的旋转磁场 和，磁感应强度的大小为：,两个旋转磁场的同步转速为：,如果仅有一个单相绕组，则在通电前转子原来是静止的，通电后转子仍将静止不动。,若此时用手拔动它，转子便顺着拔动方向转动起来，最后达到稳定运行状态。,单相 异步电动机没有启动能力，但一经推动后，它却能转动起来。,两个旋转磁场分别作用于鼠笼式转子而产生两个方向相反的转矩。,结论：,（1）在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，即启动转矩为零；,（2）单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向不固定，完全取决于启动时的旋转方向。,因此，要解决单相

28、异步电动机的应用问题，首先必须解决它的启动转矩问题。,二、单相异步电动机的启动方法,单相异步电动机在启动时若能产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动，下面介绍常见的单相异步电动机。,电容分相式异步电动机,当选择参数使BY绕组中的电流在相位上超前AX绕组中的电流900时，通电后能在定、转子气隙内产生一个旋转磁场。,在此旋转磁场作用下，鼠笼转子将跟着旋转磁场一起旋转。,若在启动绕组BY支路中，接入一离心开关QC，如图所示。电动机启动后，当转速达到额定值附近时，借离心力的作用，将QC打开，此后电动机就成为单相运行了，此种结构型式的电动机，称为电容分相式电动机。也可不用离心开关，即在运行时并不

29、切断电容支路。,电动机反转，不能像三相异步电动机那样掉换两根电源线来实现，必须以掉换电容器C的串联位置来实现，即改变QB的接通位置，就可改变旋转磁场的方向，从而实现电动机的反转。,洗衣机中的电动机，就是靠定时器中的自动转换开关来实现这种切换的。,48 同步电动机的基本结构和工作原理,一、同步电动机的基本结构,定子：由铁心、定子绕组（三相对称绕组，并通有对称三相交流电流）、机座以及端盖等主要部件组成,转子：包括主磁极、装在主磁极上的直流励磁绕组、特别设置的鼠笼型启动绕组、电刷以及集电环等主要部件。,隐极式,凸极式,二、同步电动机的工作原理和运行特性,1工作原理,电枢绕组通以对称三相交流电流后，气

30、隙中便产生一电枢旋转磁场，其旋转速度为同步转速,在转子励磁绕组中通以直流电流后，同一空气隙中，又出现一个大小和极性固定、极对数与电枢旋转磁场相同的直流励磁磁场。这两个磁场的相互作用，使转子被电枢旋转磁场拖着以同步转速一起旋转，即“同步”电动机也由此而得名。(视频同步电动机的旋转磁动势),2机械特性,在电源频率f 与电动机转子极对数p为一定的情况下，转子的转速为一常数，n=n0，因此同步电动机具有恒定转速的特性，它的运转速度是不随负载转矩而变化的。同步电动机的机械特性。,三、同步电动机的启动,同步电动机虽具有功率因数可以调节的优点,但却没有像异步电动机那样得到广泛应用，这不仅是由于它的结构复杂、

31、价格贵，而且它的启动困难。,启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产生旋转磁场，鼠笼绕组中产生感应电势，即产生感应电流，从而使转子转动起来，等转速接近同步转速时，再在励磁绕组中通入直流励磁电流，产生固定磁极的磁场，在定子旋转磁场与转子磁场的相互作用下，便可把转子拉入同步。,启动步骤如下：,1）励磁电路的转换开关QB投合到1的位置，使励磁绕组与直流电源断开，直接通过变阻器构成闭合回路以免启动时历次绕组受旋转磁场的作用产生较高的感应电势，发生危险；,2）按鼠笼式异步电动机的方法启动，给同步电动机的定子绕组加上额定电压，时转子转速升高到接近同步转速。必要时可采用降压启动；,3）将励磁电路转换开关QB投合到2的位置，励磁绕组与直流电源接通，转子上形成固定磁极，并很快被旋转磁场拖入同步；,4）用变阻器调节励磁电流，使同步电动机的功率因数调节到要求数值。,四、同步电动机的特点,1.由于同步电动机的是双重励磁和异步启动，故它的结构复杂；,2.由于需要直流电源、启动以及控制设备，故它的一次性投入要比异步电动机高得多；,3.同步电动机具有运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高等特点。,因此，在低速和大功率的场合，如大流量低水头的泵，面粉厂的主转动轴、橡胶磨和搅拌机、破碎机、切碎机、造纸工业中的纸浆研磨机、匀浆机、压缩机、直流发电机、轧钢机等都都是采用同步电动机来传动的。,