电工学电动机教学PPT.ppt

第 4 章,电 动 机,本章主要介绍三相交流异步电动机的基本构造、转动原理、机械特性、铭牌数据以及三相交流异步电动机的使用。,本章还将对单相异步电动机、直流电动机和 个别控制电机作简单的介绍。,第4章 电动机,4.1 三相异步电动机的构造,4.2 三相异步电动机的工作原理,4.3 三相异步电动机的电路分析,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4.5 三相异步电动机的起动,4.6 三相异步电动机的调速,*4.7 三相异步电动机的制动,4.8 三相异步电动机的名牌数据,4.9 单相异步电动机,*4.10 直流电动机,*4.11 控制电动机,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等。 在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的作用是将电能转换成机械能，电动机分交流电动机和直流电动机两大类。,电动机,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。,4.1 三相异步电动机的构造,（y系列） 三相异步 电动机的 外形,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。,三相异步电动机的构造,三 相异步电动机的基本结构 示意 图,端盖,机座,定子,转子,转轴,风扇,三 相异步电动机的基本结构 示意图,定子,转子,轴承,端盖,机座,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。,三相异步电动机的构造,1. 定子 三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。,定子绕组,机座,定子铁心,机座,定子铁心,定子绕组,转子,三相异步电动机的构造,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。,定子硅钢片,1. 定子,三相异步电动机的构造,2. 转子 根据转子绕组结构的不同分为笼型转子和绕线型转子。,笼型转子的电动机称笼型电动机。,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,鼠笼转子绕组,转子,三相异步电动机的构造,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,转 子 硅 钢 片,2. 转子,三相异步电动机的构造,绕 线 型 转 子 铁 心 与 绕 组,2. 转子 根据转子绕组结构的不同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,三相异步电动机的构造,笼型电动机与绕线型电动机的的比较：,笼型： 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。,绕线型： 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。,三相异步电动机的构造,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,三相异步电动机的电路部分,首 端,末 端,u1,w2,v1,u2,w1,v2,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,定子绕组,+,+,+,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,三相异步电动机的电路部分,定子绕组与转子绕组,定子绕组,转子绕组,u1,w2,v1,u2,w1,v2,+,+,+,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,三相异步电动机的电路部分,4.2 三相异步电动机的工作原理,i1,i2,i3,u1,v1,w1,u2,v2,w2,i1 = imsin t,i2 = imsin( t 120 ),i3 = imsin( t + 120 ),i1,i2,i3,相序 l1-l2-l3-l1,对称三相电流流入 对称三相绕组。,4.2 三相异步电动机的工作原理,4.2.1 旋转磁场,(星形联接),i1,t = 0, t,i,u1,w2,v1,u2,w1,v2,i1 = 0 i2 为负值 i3 为正值,设：电流的流入端用 + 表示,i2,i3,电流的流出端用 表示,旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,o,三相电流合成磁场的分布情况,各相绕组首端与首端或末端与末端之间空间位置相差120o,t,t = 60,i,u1,w2,v1,u2,w1,v2,60,i3 = 0 i2 为负值 i1 为正值,i1,i2,i3,o,1. 旋转磁场的产生,三相电流合成磁场的分布情况,旋转磁场,t = 90,u1,w2,v1,u2,w2,v2,90,i1 为正值 i2 为负值 i3 为负值, t,i,i1,i2,i3,o,1. 旋转磁场的产生,三相电流合成磁场的分布情况,旋转磁场,t = 180,u1,w2,v1,u2,w1,v2,i1= 0 i2 为正值 i3 为负值, t,i,i1,i2,i3,o,1. 旋转磁场的产生,三相电流合成磁场的分布情况,旋转磁场,1. 旋转磁场的产生,旋转磁场,flash,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向旋转了一周(在空间旋转的角度为360)。,综上分析可以得出：,旋转磁场, t,i,i1,i2,i3,o,90,60,0,相序 l1-l3-l2-l1,2. 旋转磁场的转向,旋转磁场,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：,任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转，从而改变了三相异步电动机的旋转方向。,旋转磁场,旋转磁场的磁极对数 p 与三相定子绕组的连接方式有关。,3. 旋转磁场的磁极对数 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：,旋转磁场,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。,3. 旋转磁场的磁极对数 p,旋转磁场,磁极对数,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,3. 旋转磁场的磁极对数 p,旋转磁场,4. 旋转磁场的转速 n0,工频：,p=1时,旋转磁场,p=2时,4. 旋转磁场的转速 n0,旋转磁场,flash,电源的频率, 磁极对数,若 f1 = 50 hz ，p = 1， n0 = 3000 r/min；,p = 2， n0 = 1500 r/min；,p = 3，n0 = 1000 r/min。,4. 旋转磁场的转速 n0,n0 的单位：转/每分,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,旋转磁场,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。,4.2.2 电动机的转动原理,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,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,4.2.3 转差率 s,n = (1 s) n0,转差率,0 s ,sn = (1 9)%,转子转速,转差率 s,例 1 已知一台三相异步电动机，其额定转速 n = 975r/min，电源频率 f1 = 50 hz。求：电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解,p = 3,nn接近与no而略小于no,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,额定转差率为,4.3 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。,异步电动机每相电路,n1,n2,u1 e1= 4.44 f1n1,： 旋转磁场每极磁通 n1：每相定子绕组匝数 f1： 定子电流频率,4.3.1 定子电路,忽略漏磁电动势e1 和电阻压降r1i1,u1=-e1-e1+r1i1,或,u1-e1,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，所以,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,4.3.2 转子电路,1. 转子感应电势频率 f2,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,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度 不同。,e2 = 4.44 f2n2 = 4.44 s f1n2 = se20,2. 转子电动势 e2,3. 转子感抗 x2,转子电路,当转速 n = 0即s=1（转子静止时）时， f 2最高，且 e2最大，有,e20= 4.44 f 1n2,当转速 n = 0(s =1)时，f 2最高，且 x2 最大，有,x20= 2f1l2,4. 转子电路电流,5. 转子电路的功率因数 cos2,i2,cos 2,1,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。,转子电路,电磁转矩 t = kt i2cos 2,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。,4.4 三相异步电动机的转矩与机械特性,4.4.1 转矩公式,可推出,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路的 功率因数,电磁转矩 t = kt i2cos 2,常数,转矩公式,所以,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。,转矩公式,a,b,c,得特性曲线 ：,4.4.2 机械特性曲线,根据转矩公式,机械特性：t = f (s) 或 n = f (t),tst,通常三相异步电动机工作在ab段。,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 ,达到新的平衡,n,机械特性曲线,机械特性曲线 n = f (t ),1. 额定转矩 tn,p2：电动机轴上的输出功率,p2 单位：千瓦(kw),n 单位：转每分(r/min),t 单位：牛米(n m),tst,d,t2 = tn (在 d 点),三个重要转矩,机械特性曲线,在ab段负载变化时，转速变化不大，具有硬的机械特性。,由 dt/ds = 0, 得,sm 称为临界转差率,代入 t 的表达式，得：, u12,2. 最大转矩 tmax,tst,b. sm= r2 / x20,a. tmax 与 r2 无关。,sm 取决与r2，与u1无关。,过载系数, tmax / tn, 1.8 2.2,机械特性曲线,起动瞬间 n = 0，s = 1,u1 tst ,r2 tst,负载转矩 t2 tst ，不能起动。可空载或轻载起动。,负载转矩 t2 tst ，可带负载起动。, st tst tn,一般 st 1.0 2.2,起动转矩倍数,3. 起动转矩 tst,tst,机械特性曲线,不同电源电压的转矩特性,n,o,n0,t,tst,u1,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,随u1的增减，tmax、tst、n相应增减。,tst,u1下降过多可使电动机停车而发生闷车事故。,机械特性曲线,不同转子电阻的转矩特性,tmax 与 r2 无关，但其对应 的转差率 s 或转速 n 随r2变化。,tst随r2的变化而变化，且可出现在tmax处。,u1 和 r2变化对机械特性的影响,(2) r2 变化对机械特性的影响,调节r2可在一定范围内调速。,机械特性曲线,4.5.1 起动性能,起动初始瞬间，n = 0，s = 1,(1) 起动电流 ist 大，5 7 in。,a. 频繁起动会使电动机过热。 b. 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 转子的功率因数很低, 不能满载起动。,电磁转矩 t = kt i2cos 2,4.5 三相异步电动机的起动,原因：,起动时 ，n = 0，转子导体切割磁力线速度很大，,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 5 7 倍；影响同一电网上其他负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，一般适用于二、三十千瓦以下的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，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,4.5.2 起动方法,(1) 星形三角形(y-)换接起动,只适用于电动机在工作时定子绕组为 连接。,起动方法,2. 降压起动,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,(1) 星形三角形(y-)换接起动,2. 降压起动,y 换接 起动适合于 空载或轻载 起动的场合,起动方法,起动,三相自耦变压器,(2) 自耦降压起动,变比,起动方法,u1,u2,v1,v2,w1,w2,s1,s2,运转,起动,三相自耦变压器,m 3 ,(2) 自耦降压起动,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。,起动方法,绕线式电动机起动时，可在转子绕组上外串电阻，以减小起动电流。,(3) 转子串电阻起动,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。,起动方法,例 1 某三相异步电动机：un=380 v，pn = 40 kw， nn = 1470r/min，cos=0.84，n = 84.5%，f1 = 50 hz， 接， ist/ in = 7， st= 1.2。求：(1) 负载转矩为 280nm ，在u = un 和 u = 0.9un 两种情况下电动机能否直接起动； (2) 采用 y 起动求起动电流及起动转矩；(3) 当负载 转矩为额定转矩的 50% 时和 30% 时，利用 y - 起动， 电动机能否起动？,解 (1),tst = 1.2tn = 1.2 260 = 312 nm 280 nm 可以起动。,u = 0.9un：,tst= 0.92tst= 0.92 312 = 252.7 nm 280 nm 不能起动。,u = un：,= 260 nm,解,tst = tst = 1 .2 tn = 312 nm,例 1 某三相异步电动机：un=380 v，pn = 40 kw， nn = 1470r/min，cos=0.84，n = 84.5%，f1 = 50 hz， 接， ist/ in = 7， st= 1.2。求：(1) 负载转矩为 280nm ，在u = un 和 u = 0.9un 两种情况下电动机能否直接起动； (2) 采用 y 起动求起动电流及起动转矩；(3) 当负载 转矩为额定转矩的 50% 时和 30% 时，利用 y - 起动， 电动机能否起动？,(2),(3) t = 50%tn = 0.5 260 = 130 nm 104 nm,电动机 不能起动。,t= 30%tn = 0.3 260 = 78 nm 104 nm,电动机能起动。,解 tn = 260 nm,tsty = 104 nm,例 1 某三相异步电动机：un=380 v，pn = 40 kw， nn = 1470r/min，cos=0.84，n = 84.5%，f1 = 50 hz， 接， ist/ in = 7， st= 1.2。求：(1) 负载转矩为 280nm ，在u = un 和 u = 0.9un 两种情况下电动机能否直接起动； (2) 采用 y 起动求起动电流及起动转矩；(3) 当负载 转矩为额定转矩的 50% 时和 30% 时，利用 y - 起动， 电动机能否起动？,设电动机自耦降压起动时的起动电流为ist。,例 2 对例1中的电动机采用自耦变压器降压起动，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 和电动机的起动转矩tst。,解,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 。,调速方法,4.6 三相异步电动机的调速,4.6.1 变频调速,变频调速装置,两种变频调速方式：,又电磁转矩 t = kt i2cos2，t 也近似不变，是恒转矩调速。,由 u1 = 4.44 f1n1 知，在增大 f1 同时 减小。,变频调速装置,又电磁转矩 t = kt i2cos 2， t 也减小，是恒功率调速。,(2) f1 f1n，高于额定转速调速，应保持 u1 u1n，,变频调速,频率调节范围：0.5320hz,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。,改变极对数 p 调速,有级调速,4.6.2 变极调速,p = 2,改变极对数 p 调速,有级调速,变极调速,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。,在绕线式电动机转子绕组中串入电阻 r , 可改变转差率 s 和转速 n。,a. 小范围无级调速,特点,b. r2 大 特性变软,4.6.3 变转差率调速,制动方法,能耗制动 反接制动 发电反馈制动,* 4.7 三相异步电动机的制动,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。,e2(i2),4.7.1 能耗制动,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 (n0+ 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。,4.7.2 反接制动,4.7.3 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 n0,4.8 三相异步电动机的铭牌数据,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。,异步电动机产品名称代号,1. 型号,三相异步电动机的铭牌数据,2. 接法,定子三相绕组的联接方法。通常,y 联结, 联结,三相异步电动机的铭牌数据,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。,三相异步电动机的铭牌数据,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 p2，它不等于从电源吸取的电功率 p1。,三相异步电动机的铭牌数据,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。,定子绕组的功率因数。,三相异步电动机的铭牌数据,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(105c)，h级最高(180c)。,7. 额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,不同磁极对数的异步电动机有不同的转速等级。,9. 工作方式,分为：连续工作方式；短时工作方式；断续周期性工作方式。,三相异步电动机的铭牌数据,单相异步电动机的功率一般为几瓦到几百瓦常用于功率不大的电动工具(如电钻、搅拌器等)以及众多的家用电器(如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等)。,4.9 单相异步电动机,单相异步电动机： 定子只有一相主绕组的异步电动机。,单相异步电动机均采用笼型转子，但定子有所不同。,c,b,s,4.9.1 电容分相式异步电动机,a,ia,ib,a 为工作绕组，b 为起动绕组， 在空间相隔 90 。s 为离心力开关。,ia= iamsint,ib= ibmsin(t + 90 ),ia= imsint,ib= imsin(t + 90 ),ia,t,i,ib,o,两相绕组形成的旋转磁场,形成旋转磁场。,电容分相式异步电动机,c,b,s,a,ia,ib,1,2,改变电容 c 的串联位置，可使异 步电动机反转。,将 s 合向 1，ib 超前 ia,将 s 合向 2，ia 超前 ib,电容分相式异步电动机,4.9.2 罩极式异步电动机,1 和 2 之间产生相位差， 形成一个向罩极部分移动的 旋转磁场。,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。,罩极式异步电动机,若三相异步电动机运行时断了一根线，相当,若 n = 0，则不能起动，此时电流很大，时间,若 n 0，则能够继续转动, 但仍带额定负载，,一长，电动机将会被烧坏；,电流势必超过其额定值，时间一长，电动机也将被 烧坏。,于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相 运行，或缺相运行。,三相异步电动机的单相运行,直流电动机 将直流电能变为机械能。,1. 直流电动机的构造,定子,转子,电枢铁心,电枢绕组,转轴,机座,主磁极,换向极,电刷,换向器 直流电机的特征,* 4.10 直流电动机,主磁极,励磁绕组,转子,转轴,定子,转子,电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组,电枢绕组 产生感应电动势,转轴 输入或输出机械功率,机座 起支撑作用; 作为部分磁路,主磁极 产生主磁通,换向极 产生附加磁场， 改善换向,电刷 引入或引出直流电,换向器 与电刷一起，共同完成 直流电和交流电的转换,换向极,换向绕组,1. 直流电动机的构造,直流电动机,2. 直流电动机的工作原理,在两电刷之间加入直流电压 u，则在绕组中产生电流 i，通电导体又受到力的作用，产生电磁力矩。由于换向器的作用，在 n (s) 极下受力方向不变，使电枢旋转起来。,导体与磁场之间的相互作用，在电枢绕组中产生反电动势 e , 与电源电压相平衡。,直流电动机,3. 转矩、电动势和电压平衡方程式,电磁转矩,t = kt ia,电动势,e = ce n,电压平衡方程式,外加电源电压 u = e + iara,e 与 ia 反向,：每极磁通,ia：电枢电流,