数控机床交流伺服系统-交流电机的结构与调速原理.ppt

,数控机床交流伺服系统 无锡职业技术学院 魏昌洲,模块一:三相异步电动机的结构与调速原理,本节学习要点： 1、掌握三相异步电动机的结构和旋转原理 2、了解三相异步电动机的机械特性 3、熟悉三相异步电动机的调速原理,一、三相异步电动机的概述,1.主要用途 异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。例如，在工业方面，用于拖动中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等；在农业方面，用于拖动水泵、脱粒机、粉碎机以及其它农副产品的加工机械等；在民用电器方面的电扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。使用非常广泛。,2.特点 优点：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。 缺点：功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。由于电网的功率因数可以用别的办法进行补偿，这并不妨碍异步电动机的广泛使用。 对那些单机容量较大、转速又恒定的生产机械一般采用同步电动机拖动为好。因为同步电动机的功率因数是可调的(可使cos=1或领先)。,注意： 交流的有功率因数，是应为电压电流都是正弦规律变化的，导致在感抗容抗上电压电流有夹角，这个角就是功率因数角，直流中，因为电流电压已经不是正弦变化的了，所以，基本不存在功率因数。,直流电机有功率因数吗？,3.种类 异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法。例如： (1)按定子相数分有 : 单相异步电动机；两相异步电动机；三相异步电动机。 (2)按转子结构分有 :绕线式异步电动机（1、2）；鼠笼式异步电动机（1、2）。其中又包括单鼠笼异步电动机；双鼠笼异步电动机；深槽式异步电动机。,(3)按有无换向器分 : 无换向器异步电动机；换向器异步电动机。此外，根据电机定子绕组上所加电压大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机，高转差率异步电机，高转速异步电机等等。 异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，有时利用异步电机回馈制动，即运行在异步发电机状态。,二、三相异步电动机的结构,和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子两大部分组成。定子与转子之间有个较小的气隙。图1表示绕线转子三相异步电动机的结构。,端盖,机座,主要部件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,定子,转子,轴承,端盖,机座,绕 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子。绕线型转子的电动机称绕线型电动机。,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,1. 转子,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,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。 笼型转子绕组实物图1，绕线型转子绕组实物图1,笼 型 转 子,笼型转子的电动机称笼型电动机。,定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。,定子绕组,机座,铁心,交流电动机按定子相数分:三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。,2. 定子,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。,定子硅钢片,定子绕组实物图：绕线式定子绕组实物图1、2，鼠笼式 定子绕组实物图1,机座,端盖,风扇,接线盒,定子绕组,鼠笼转子,端环,散热筋,轴,轴承,三相感应电机的结构图,三相感应电机的结构图,鼠笼型转子,导体用铜条或铝条，两头用端环联接。结构可靠简单，但是转子电阻固定。,绕线式转子,接成y型的三相绕组通过滑环和电刷与外电路联接，便于串入电阻改善电动机的运行性能。,三、三相异步电动机的工作原理,直流电动机的工作原理是，通过一种静止的磁场与以传导方式通入电枢绕组中的电流相互作用而产生的一种恒定方向的电磁转矩，来实现拖动作用。 三相异步电动机的工作原理，就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作，以产生电磁转矩来实现拖动作用。,在三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是产生一种旋转磁场。用什么方式产生旋转磁场?这是叙述三相异步电动机的工作原理时必须首先说明的问题。 旋转磁场的产生（点击观看演示）,所谓旋转磁场，就是一种极性和大小不变且以一定转速旋转的磁场。根据理论分析和实践证明，在对称三相绕组中流过对称三相电流时会产生一种旋转磁场。a一x、b一y、cz三个线圈彼此互隔120分布在定子铁心内圆的四周上，构成了对称三相绕组。这个对称三相绕组在空间的位移是b相从a相后移120，c相从片相后移120。当对称三相绕组接上对称的三相电源，则在该绕组中通过对称三相电流。若各相电流的瞬时表达式为：,综上所示的电流变化情况与旋转磁场旋转情况，可清楚地知道，当三相电流随时间变化经过一个周期t，旋转磁场在空间相应地转过360，即电流变化一次，旋转磁场转过一转。因此，电流每秒钟变化f 1 (即频率)次（点击演示），则旋转磁场每秒钟转过f 1转。由此可知旋转磁场为一对极情况下，其转速n0(rs)与交流电流频率的关系f1为： n0=f1,如果我们把三相绕组排列成如图33中所示。a、b、c三相绕组每相分别由两个线圈a一x、ab，b一y、b一y，cz、cz，串联组成。每个线圈的跨距为1/4圆周，用同样方法决定三相电流所建立的合成磁场，仍然是一个旋转磁场。不过磁场的极数变为四个，即具有两对磁极，并且当电流变化一次，旋转磁场仅转过12转。如果将绕组按一定规则排列，可得到3对，4对或般地说芦对磁极的旋转磁场。用同样方法去考察旋转磁场的转速n0与磁场极对数p的关系，可看到它们之间是一种反比例关系，即具有p对磁极的旋转磁场，电流变化一次，磁场转过1p转。由于交流电源每秒钟变化f次，所以极对数为p的旋转磁场的转速为 :,用n0表示旋转磁场的这种转速，称为同步转速。 当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定于、转子之间的气隙内建立了以同步转速n旋转的旋转磁场。由于转子上的导条被这种旋转磁场的磁力线切割，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转，根据右手定则，可以判明图中转子上半部导体中的电动势方向，都是进入纸面的，下半部导体中的电动势都从纸面出来的。因为转子上导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流通过。,如不考虑导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据电磁力定律，导条在旋转磁场中，并载有由感应作用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。电磁力的方向用左手定则决定。转子上所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为n如转子与生产机械联接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实观了能量的转换，这就是三相异步电动机的工作原理。三相异步电动机的工作原理（点击观看演示）,四、三相异步电动机的转速与运行状态,知道异步电动机的工作原理以后，一定会想到这样一个问题，异步电动机的转子在由旋转磁场的电磁感应作用而产生的电磁转矩作用下而旋转着，那么转子转速是多少?能否与旋转磁场的转速相同?或超过旋转磁场的转速?,在一般情况下，异步电动机的转速不能达到旋转磁场的同步转速n0，总是略小于n0，这是由于异步电动机转子导条上之所以能受到电磁转矩，关键在于导条与旋转磁场之间存在一种相对运动而发生电磁感应作用，并感生了电流，从而产生了电磁力的缘故。如果异步电动机转子转速达到同步转速n0，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。因此，异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速n0，即与旋转磁场“异步”地转动。“异步”电动机由此而命名。,转速n0与n之差称为“转差”。转差(n0-n)的存在是异步电机运行的必要条件，我们将转差与同步转速的百分值，称为转差率，用s表示，即,注意：,同步电动机与异步电动机有什么区别？ 答： 所谓同步，是指电动机的旋转速度与定子磁场的旋转速度是同步的；异步则是两者速度不一样。 从旋转转矩的起因上讲，是有本质上的区别的：异步电动机是因为有转差，才（由于）有了转子上的导电导体切割磁力线产生的力矩；而同步电动机的转矩是由于定子磁场与转子磁场间的相互作用才产生的。 从结构上讲，异步电动机的转子上必须有形成闭环的导体（笼型导条或者线圈）；而同步电动机则不一定。同步电动机的转子可以有集中式绕组组成的磁极线圈，也可以是能产生恒定磁场的永磁体，也可以仅仅只有磁极形状的极体，而没有线圈。,同步电动机的转速的公式是:n=60f/p, 在频率和级对数一定的情况下, 转速是一定的, 在同步电动机里,定子和转子之间是没有相对运动的，转子并没有切割定子的磁场线,即定子和转子是在相同的转速的情况下运行。 定子里面是三相交流电流, 而转子里面是直流电, 转子里的直流电会产生一个极性固定不变的磁场, 当定子的交流电流产生旋转磁场的时候, 转子就会根据同性相斥,异性相吸的原理和定子磁场一样的速度旋转。 同步电机在一般情况下的启动转矩是比较小的, 在启动的时候采取的方法是把转子线圈短路,仿照异步电机的启动方式, 等转速达到一定程度的时候,然后在转子里通如直流电,同步电机比较容易在高负荷的情况下失步，自我调节能力比较差。 异步电机是依靠定子磁场在转子里产生的电流反过来来切割定子磁场,产生电磁力矩, 转子和定子之间始终有转速差,就是依靠这个转速差来维持电机的运行的。调速性能较差 ，异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。,五、三相异步电动机的定子绕组接线,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,a,z,b,x,c,y,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,定子绕组,+,+,+,定子绕组与转子绕组,定子绕组,转子绕组,a,z,b,x,c,y,+,+,+,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组 星型连接,定子绕组 三角型连接,端子,三相单层绕组,单层绕组的每个槽内只有一个线圈边。整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。在小型三相异步电动机里常采用单层绕组，因为这种绕组嵌线比较方便，槽内没有层间绝缘，槽的利用率高，但它的磁通势和电动势的波形比双层绕组稍差，现用定子槽数q1= 6的单极电机的定子绕组说明单层绕组的构成。 交流电机的整个绕组不一定接成闭合绕组。根据需要而定，接成三角形的三相绕组就是闭合绕组，接成星形的就是不闭合绕组，现说明三相六极组成的定子线圈接法。(flash演示1、2),六、三相异步电动机的磁通,1.单相绕组的磁通势,组成相绕组的单元是线圈，那么合成为单相绕组磁通势的单元就是线圈的磁通势，下面先分析一个线圈所产生的磁通势。（点击演示 ）,三相绕组的磁通势 在分析了单相绕组磁通势的基础上，把a、b、c三个单相绕组所产生的磁通势波逐点 相加，就可获得三相绕组的合成磁通势。但是一般不用这种逐点相加的方法去求得合成磁通 势因为这样做不仅仅是麻烦，而且只能得出磁通势总体的概念，看不清基波磁通势的主要 作用。在阐述异步电动机工作原理时，已经说明，三相绕组中通过对称三相电流时会在电机 气隙里建立一个旋转磁场，那么建立旋转磁场的磁通势必然是一种旋转磁通势。（点击演示）,七、异步电动机的铭牌数据,1.三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。 异步电动机的型号： 电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如y系列三相异步电动机表示如下：,y 100 l 1 2,异步电动机 极数,铁心长度代号,机座中心高 机座长度代号,我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。 y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。 jq2 和jqo2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。jq2 是防护式和jqo2是封闭式的。 js系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。 jr系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。 jsl2 和jrl2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中jsl2 是鼠笼式，jrl2是绕线式。,jz2 和jzl2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，jz2是鼠笼式，jzl2是绕线式。 jd2 和jdo2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。 bjo2 系列是防爆式鼠笼异步电动机。 jpz系列是旁磁式制动异步电动机。 jzz系列是锥形转子制动异步电动机。 jzt系列是电磁调速异步电动机。 其他类型的异步电动机可参阅产品目录。,2 异步电动机的额定值： 异步电动机的额定值包含下列内容： （1）额定功率 pn 指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。 （2）额定电压 un 指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为v。 （3）额定电流in 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为a。 （4）额定频率f 指我国规定工业用电