机电传动控制(邓星钟)5

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 电动机的分类 鼠笼式异步交流电动机授课内容 基本结构 工作原理 机械特性 控制方法 5 1概述 1 定子 三相异步电动机的构造 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 2 转子 鼠笼转子 铁心 由外周有槽的硅钢片叠成 2 绕线式转子 同定子绕组一样 也分为三相 并且接成星形 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 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 5 2三相异步电动机的转动原理 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 规定 电流出 电流入 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 动画 o 分析可知 三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即 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线 则旋转磁场反转 动画 任意调换两根电源进线 电路如图 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 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 极对数 动画 旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关 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 p 1时 p 2时 旋转磁场转速n0与极对数p的关系 5 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E20 电磁力F 5 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 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 异步电动机运行中 转子转速亦可由转差率求得 转差率s 例1 一台三相异步电动机 其额定转速n 975r min 电源频率f1 50Hz 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 1000r min 即 p 3 额定转差率为 5 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 1 变压器原 副绕组是与同一主磁通 相交链 异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通 相交链 因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原 副绕组 2 变压器 变化 eU1 E1 4 44fN1 异步机 旋转 eU1 E1 4 44fN1 3 变压器 I2增大 I1增大 以保持 基本不变 以达到传递能量的目的 5 3三相异步电动机的电路分析 异步机 当负载增加时 转子电流I2增大 I1增大 以保持 基本不变 以达到传递能量的目的 三相异步电动机与变压器的不同之处 1 变压器是静止的 而异步机是旋转的 2 变压器的磁路是无气隙的 而异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙 3 变压器中原 副绕组的感应电动势是同频率的 而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的 5 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 44f1N1 每极磁通 旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0 所以 2 定子感应电势的频率f1 感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关 f1 电源频率f 5 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f1 转子感应电势频率f2 转子感应电势频率f2 旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同 2 转子感应电动势E2 E2 4 44f2N2 4 44sf1N2 当转速n 0 s 1 时 f2最高 且E2最大 有 E20 4 44f1N2 转子静止时的感应电势 即E2 sE20 转子转动时的感应电势 3 转子感抗X2 当转速n 0 s 1 时 f2最高 且X2最大 有 X20 2 f1L 2 即X2 sX20 4 转子电流I2 5 转子电路的功率因数cos 2 转子绕组的感应电流 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 5 4三相异步电动机转矩与机械特性 5 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 转子电路的功率因数 由此得电磁转矩公式 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 U1 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 5 4 2机械特性曲线 根据转矩公式 得特性曲线 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 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 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为 工作时必须使T2 Tmax 否则电机将停转 电机严重过热而烧坏 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 对绕线式电机改变转子附加电阻R 2 可使Tst Tmax 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 4 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 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 5 5电力拖动的基础 电力拖动是指用各种电动机作为原动机拖动生产机械运转的拖动方式 7 5 1电力拖动系统的稳定运行分析 根据动力学理论 旋转运动系统中 用转矩表示的运动方程为 5 5 1电力拖动系统的稳定运行分析 或 根据上式可分析电动机的工作状态如下 由上可知 系统在稳定运行时 一旦受到外界的干扰 电力系统能否稳定运行 决定于电动机的n f T 和生产机械的负载转矩特性n f TL 的配合 生产机械的负载类型 1 恒转矩负载 即负载转矩TL的大小不随n变化 1 反抗性恒转矩负载 平衡被打破 转速将发生变化 特点 负载转矩的大小不变 但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反 2 恒功率负载 方向特点属于反抗性负载 大小特点当n变化时 负载从电动机吸收的功率恒定 如 机床切削加工 2 位能性恒转矩负载 负载转矩的大小和方向始终不变 如 提升重物时 负载转矩为阻转矩 如 下放重物时 负载转矩为驱动转矩 电动机的稳定运行的条件 如拖动恒定负载 在直线段运行 TL s TL T T TL n T 达到新的平衡 若在曲线段运行 不能稳定运行 电动机的稳定运行的条件 H P 通常称HP段为稳定运行段 通常称HQ段为不稳定运行段 Q 电力拖动的稳定运行的条件 不论对交流电动机还是直流电动机都是适用的 因而具有普遍意义 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noT 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 6三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 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 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 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