机电传动控制第5章交流电动机的工作原理及特性.ppt

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1、第5章交流电动机的工作原理及特性,掌握异步电动机的人工机械特性,它是分析异步电动机起动,制动,调速的依据;熟悉异步电动机的铭牌数据和额定值;掌握鼠笼式异步电动机的起动方法,线绕式异步电动机串电阻的起动,制动和调速;掌握异步电动机变磁极对数调速和变频调速的特性.,5.1三相异步电动机的结构和工作原理,1.三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙.1)定子 定子由铁心,绕组,机座三部分组成.铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成;三相绕组连接成星形或三角形;机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心.2)转子 转子由铁心和绕组组成.转子同样由硅钢片叠压而成,压装

2、在转轴上;转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种.线绕式异步电动机还有滑环,电刷机构.,鼠笼式三相异步电动机的结构示意图,5.定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座,鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线,2.三相异步电动机的工作原理,1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速;2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势;3)转子绕组中感生电流;4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了.电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速

3、不一样,差那么一些,称之为异步.设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为;no-n;电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是分析异步电动机运行情况的主要参数,且,3.三相异步电动机的旋转磁场,1)旋转磁场的产生 设电动机为2极,每相绕组只有一个线圈.,在0-T/2这个区间,分析有一相电流为零的几个点.规定:当电流为正时,从首端进尾端出;电流为负时,从尾端进首端出.,t=0时，iA=0;iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图(a)中箭头所示。,t=

4、0时，iA=0;iB为负，iC为正,t=T/6时，t=T/6=/3,iA为正(电流从A端流到X端)；iB为负(电流从Y端流到B端)；iC=0。此时的合成磁场如图(b)所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。,t=T/6时，t=T/6=/3,iA为正；iB为负；iC=0,此时的合成磁场如图(c)所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2/3。,t=T/3时，t=T/3=2/3,iA为正;iB=0；iC为负,此时的合成磁场如图(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就

5、产生了旋转磁场。,t=T/2时，t=T/2=,iA=0；iB为正；iC为负。,旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致;改变三相交流电的相序,即A-B-C变为C-B-A,旋转磁场反向;要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线.,2)旋转磁场的旋转方向,式中,f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数.电动机的磁极对数为1时,同步转速为3000r/min;电动机的磁极对数为2时,同步转速为1500r/min;电动机的磁极对数为3时,同步转速为1000r/min.,3)旋转磁场的旋转速度-同步转速no,4.定子绕组线端连接方式,注意:三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压220V;三相绕

6、组连接成三角形,每相绕组承受线电压380V.,5.2三相异步电动机的定子电路和转子电路,1.定子电路分析 电动机定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2.定子每相绕组产生的感应电动势为:,其有效值为:,定子和转子电路的感应电势,定子电路分析,其大小为:,忽略R1和X1上的电压降,有:,考虑定子电流产生的漏磁通,用复数表示为:,一相电路图,2.转子电路分析,其中,旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为:,起动瞬间,3.三相异步电动机的额定值,电动机铭牌数据:额定功率PN;额定电压UN;额定频率f=50Hz;额定电流IN;额定转速nN;有的参数要经过计算得出:额定效率额定负载转矩,额定效率,额定

7、负载转矩,4.三相异步电动机的能流图,P2等于P1减去电动机的总损耗,电源输入的功率P1:,电动机的输出功率P2(铭牌功率),举例,解:1)由电势计算公式得:,3)额定转速时,转子电动势的频率,2)转子绕组开路时,f2=f1,得,1)定子每相绕组感应电动机E1;2)转子每相开路电压E20;3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N.,例1:有一台Y型接线的三相异步电动机,其额定参数为:功率90KW,UN=3000V,IN=22.9A,电源频率f=50Hz,额定转差率SN=28.5%,定子每相绕组匝数N1=320,转子每相绕组匝数N2=20,旋转磁场每极磁通0.023WB,求:,举例,例2:一台

8、4极三相异步电动机,电源频率50Hz,额定转速1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势E20=20V,求:1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子电流.,解;1)电动机为4极,磁极对数p=2,有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)电动机起动时的转子电流,5.3三相异步电动机的转矩与机械特性,1.三相异步电动机的转矩 三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流相互作用而产生的:,代入,用,代入,合并上面几个式子得转矩又一公式:,注意,转矩与电压平方成正比,2.三相异步电动机的机械特性n=f(T),1)固有机械特性(自然机械特性):在

9、额定电压和额定频率下,定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时,电动机的机械特性.,(2)额定工作点 T=TN,n=nN,S=SN;此时有,自然特性上有4个特殊点:(1)理想空载转速点no T=0,n=no,S=0;,(3)起动工作点 T=Tst,n=0,S=1;此时有,(4)临界工作点 T=Tanm,n=nm,s=Sm;有:,自然机械特性,2)人工机械特性 介绍4种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电抗时,变频率时,线绕电动机转子串电阻时.,(1)降低电压时的人工特性,电压越低,人工特性曲线越往左移;电动机的过载能力和起动转矩会大大降低;电压降低,负载转矩不变时,电动机过热;电压降

10、低太多,电动机将带不动负载(不能起动).,(2)定子电路串入电阻或电抗时的人工特性,定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中虚线2所示,1为电压降低时的人工机械特性;曲线2与曲线1相比较,最大转矩要大一些.,(3)改变定子电源频率时的人工特性,随着频率的降低,理想空载转速只能在电源额定频率以下调节;转速no减小,临界转差率Sm减小,起动转矩Tst增大,最大转矩Tmax不变.,(4)三相线绕式异步电动机 转子电路外接电阻时的人工特性,电路图如右图中(a)所示,三相转子绕组通过滑环电刷机构与外接电阻相联接;起动转矩增加(有利),理想空载转速和最大转矩不变.,5.4三相异步电动机的起动特性,生产

11、机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动电流小.1.三相鼠笼式异步电动机的起动方法 三相异步电动机起动电流是额定电流的(5-7)倍,为满足起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类.,1)直接起动(全电压起动)适用范围;电动机功率20%变压器容量.一般中小型鼠笼式异步电动机都采用 全电压直接起动.,2)降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的起动电流,采用降压起动.在工厂常用的降压起动方法有4种:定子串电阻或电抗器,Y-变换,自耦变压器,延边三角形.,(1)定子绕组串电阻或电抗器降压起动 电路图如右图;,不足之处:起动转矩随定子电压的平方下降;不经济.应用场合:电

12、动机空载或轻载起动.,(2)Y-降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是接法的电动机才能采用Y-降压起动.对于国产JO,JO2,Y,Y2系列电动机,功率大于4.5kW的都是采用接线.也就是说,大容量电动机都可以用Y-降压起动.,Y-降压起动的电气原理图如右图所示.起动时,三相绕组接成Y形,运行时,绕组接成形.电流下降1/3,转矩也下降1/3.,特点:电动机Y形起动过程中,可提高电动 机的效率和功率因数;起动转矩小,只适用于空载或轻载起动的场合;设备简单,经济;在机床工业上应用较普遍.,(3)自耦变压器降压起动,特点:起动电流小,而且可以调节;不适用于频繁起动;体积大,重量重,价格高.,与定子串电

13、阻或电抗器起动相比较,在相同的起动转矩情况下,起动电流要小.,(4)延边三角形起动,对电动机定子绕组和绕组出线有特殊要求;起动时绕组一部分Y形,一部分形接线;运行时绕组接线.制造成本高,接线复杂.,2.三相线绕式异步电动机的起动方法.线绕式电动机在转子电路串电阻,可以获得较大的起动转矩以及较小的起动电流,即有良好的起动特性.,1).逐级切除起动电阻法(1)电路图:如右图.转子外接电阻为三相对称电阻;当电动机容量大时,一般采用三相不对称电阻.(2)起动过程:起动初瞬,电阻全部接入;在起动过程中,分三次切除外接电阻,人工特性往上提,电阻全部切除后,通过提刷机构,使转子绕组短接,机械特性回到自然特性

14、.(3)特点:在起动过程中,电动机能保持最大的加速转矩.,2)频敏变阻器起动法,(1)频敏变阻器:它是一个铁损很大的 三相电抗器,铁心用A3钢板叠成,三相绕组接成Y形.(2)起动过程:起动初瞬,转子电流频率接近50Hz,铁损大,即等效阻抗大,从而限制了起动电流,增大了起动转矩.随着转速逐步上升,等效阻抗逐步减小;到转速达额定转速,相当转子被短接,起动结束.(3)特点:起动过程能平滑进行,不需要控制电器;功率因数低;只能用于起动,而串电阻起动时,电阻还可用于调速.,3.举例,例1:一台Y280S-4三相鼠笼式异步电动机,PN=75kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,电动机由32

15、0kVA的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=200Nm,问(1)电动机能否直接起动?(2)电动机能否用Y-降压起动?,解(1)电动机额定功率与供电变压器容量之比为 75/320=0.2340.2 电动机不宜直接起动.,(2)电动机的额定转矩和起动转矩分别为 TN=9550(PN/nN)=9550(750/1480)=484NmTst=1.9TN=1.9X484=920Nm如果采用Y-降压起动,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一,即TstY=1/3X920=307200=TL因此,可以采用Y-降压起动.,举例,解:电动机直接起动时,n=0,S=1,转子电路每相的电动势(1)E20=E20l/

16、=146V,例2:一台JZR-63-10三相线绕式异步电动机的额定数为:PN=60kW,nN=577r/min,转子滑环间的开路线电压E20l=253V,转子每相绕组的电阻R2=0.0344欧,转子不动时每相绕组的漏抗X20=0.163欧,求:,(1)电动机直接起动时的E2,I2,(2)电动机运行在额定转速时的E2,I2,(3)电动机运行在n=528r/min时的E2,转子电路每相应串电阻R及,得,得R=0.0732欧;由,由下式,(3),(2),5.5三相异步电动机的调速特性,由基本公式,异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数p;变转差率S;变频率f.,可得异步电动机的转速方程式为:,和

17、基本公式,1.变磁极对数调速1)方法:改变定子绕组的连接,可以得到两个不同的磁极对数.2)多速电动机:最多在电动机中嵌入两套绕组,使绕组有不同的连接,可分别得到双速,三速,四速电动机,双速应用较多.,4极 2极,变磁极对数调速,3)特点:结构简单,效率高,特性好;体积大,价格高.在中小机床上应用比较多.双速电动机的高低速转换,一般是先低速,再转换为高速.,双速电动机Y/YY,2.转子电路串电阻(变转差率)调速1)应用范围:只适用于线绕式异步电动机.2)原理电路和机械特性与串电阻降压起动相同.线绕式异步电动机的起动电阻,适当增大电阻的容量,可作调速电阻用.3)特点:结构简单,动作可靠;是有级调速

18、.4)应用:用于重复短时工作制的生产机械,如起重机械.,三相电磁调速异步电动机也属于变转差率调速,3.变频调速1)原理:由上式可知,改变交流电源的频率,就可以平滑地调节电动机的转速.2)一般采用频率和电压同时改变的变频电源.3)应用范围:用于鼠笼式异步电动机.组成SCR-M调速系统.变频调速是交流调速发展的方向.有关内容在后面的章节详细介绍.,5.6三相异步电动机的制动特性异步电动机制动方法有3种:反馈制动,反接制动,能耗制动.,1.反馈制动1)产生条件:电动机的运行速度高于同步转速.此时S0,电机进入发电状态,电能反馈给电网.2)运行状态:有两种情况.(1)位能转矩负载的起重机在下放重物时的

19、反馈制动状态.可使重物匀速下降如右图中a点.b点是改变转子外接电阻后的稳定工作点.,(2)多速电动机和变频调速电机的同步速突然降低时的反馈制动状态.,2.反接制动:分为电源反接和倒拉制动.,电源反接是突然改变三相电源的相序,旋转磁场反向;而倒拉制动则出现在转子位能负载超过电磁转矩的时候.1)电源反接:转子在由正变负的电磁转矩和负载转矩作用下迅速减速.反接制动时电流大,要在定子电路串电阻.,在右图c点要切断电源(n=0),否则电动机将反向起动.,反接制动:分为电源反接和倒拉制动.,2)倒拉制动:电动机减速至右图c点,由于负载转矩大于电磁转矩,起重机的重物迫使电动机反转,电动机进入反接制动状态.,

20、3.能耗制动 1)产生条件:电动机定子绕组脱离交流电源后,立即通入低压直流电,直流电建立一个恒稳磁场,产生制动转矩,系统贮存的能量消耗在电阻上.,2)机械特性:制动时,特性从下图中的特性曲线1之a点平移至特性曲线2之b点,在制动转矩和负载转矩的共同作用下,沿曲线2迅速减速,到n=0.3)特点:当n=0时,T=0,电动机不可能反方向起动,能使电动机准确停车.,5.7 单相异步电动机1.单相异步电动机的磁场-脉动磁场,1)单相异步电动机起动转矩为零.2)单相电动机一旦起动,就能自行加速至运行状态.其旋转方向完全取决于起动时的旋转方向.,2.单相异步电动机的起动方法 单相异步电动机的起动方法有电容分

21、相和罩极式两种.,1)电容分相式异步电动机 定子有空间互相垂直的工作绕组AX和串入电容器的起动绕组BY,能产生一个旋转磁场,使之自行起动.,分为电容起动型和电容运行型两种.,单相异步电动机的起动方法,2)罩极式单相异步电动机 利用短路环罩住磁极的一部分,使罩极部分的磁通在相位上滞后于未罩部分的磁通,从而产生起动转矩.,5.8同步电动机的工作原理,特点及应用,1.同步电动机的基本结构 1)定子 定子由铁心,定子绕组(电枢绕组),机座,端盖等部件组成.定子绕组与异步电动机一样,为三相对称绕组,通有三相交流电.2)转子 转子由主磁极,直流激磁绕组和起动装置组成.主磁极分为隐极式(适用于高速)和凸极式

22、(适用于低速)两种.起动装置包括鼠笼型起动绕组,电刷及集电环.,隐极式,凸极式,2.同步电动机的工作原理和运行特性,1)同步电动机的工作原理 在电枢绕组中通入三相交流电,气隙中产生旋转磁场;在转子绕组中通入直流电,同一气隙中又产生一个恒稳磁场,这两个磁场相互作用,将转子拖入同步.,同步电动机的工作原理和运行特性,2)同步电动机的机械特性 同步电动机转子的转速n:n=n0 机械特性如下图所示.,3)同步电动机的特点,通过调节直流激磁电流,能控制功率因数的大小和性质.(感性或容性)(1)正常激磁:调节直流激磁电流使,交流不提供激磁电流.,(2)欠激:直流激磁电流小于正常激磁电流,交流电源提供一部分

23、激磁电流,定子电路为感性,功率因数小于1.(3)过激:直流激磁电流大于正常激磁电流,交流电源不仅不提供激磁电流,还向电网发出无功功率,定子电路为容性,功率因数小于1.,4)同步补偿机,在过激状态下运行(功率因数小于1,容性)的同步电动机称为同步补偿机.此时,电动机仅用于补偿电网滞后的功率因数.也有只发出无功功率的发电厂.,注意:(1)同步电动机适用于大功率高电压的场合.(2)同步电机既可作电动机使用,还可作发电机,发电厂中的交流发电机,全部采用同步发电机,3.同步电动机的起动,1)起动方法:异步起动法 在同步电动机转子磁极的极掌上装有起动绕组;同步电动机的三相定子绕组通入三相交流电,按异步电动机起动,达到接近同步转速;再在激磁绕组中通入直流电,将转子拉入同步.,1)转换开关QB置于“1”位置;2)按异步电动机起动方法起动,达到接近同步转速;3)QB置于“2”,激磁绕组通入直流,产生恒等式磁场,将转子拉入同步.右图中的变阻器R1用于调节激磁电流,从而调节同步电动机的功率因数.,2.起动步骤:,