电工学-第6章电动机

1、电工技术电工技术 下一章下一章 上一章上一章 返回主页返回主页 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 2 电机是实现能量转换或信号转换的电磁装置。电机是实现能量转换或信号转换的电磁装置。 电系统电系统 u i e 耦合磁场耦合磁场T 机械系统机械系统 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 3 直流电机和交流电机直流电机和交流电机 他励电机他励电机 并励电机并励电机 串励电机串励电机 复励电机复励电机 异步电机异步电机 同步电机同步电机 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 4 伺服电动机：伺服电动机：电压信号转化为角位移电压信号转化为角位移 或角速度；或角速

2、度； 测速发电机：测速发电机：将转速转化为电压信号；将转速转化为电压信号； 自整角机自整角机 ：实现角度的传输、实现角度的传输、 变换和接受；变换和接受； 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 5 步进电动机：步进电动机：电脉冲信号转化电脉冲信号转化 为转角或转速；为转角或转速； 旋转变压器：旋转变压器：转角信号变换成电压信号；转角信号变换成电压信号； 感应同步器：感应同步器：转角位移或直线位移转角位移或直线位移 转换成电压信号。转换成电压信号。 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 6 三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分三相异步电动机主要部件是由定子和转子两

3、大部分 组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 7 三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心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。和定子绕组组成。 异步电机的定子是异步电动机固定不动的部分。异步电机的定子是异步电动机固定不动的部分。 机座机座 定子绕组定子绕组 定子铁心定子铁心 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 8 定子铁心定子铁心 装在机座内，为一个内壁开槽的中空圆柱体，槽内嵌放定子装在机座内，为一个内壁开槽的中空圆柱体，槽内嵌放定子 绕组。绕组。 定子铁心

4、是电动机磁路的一部分。为减少铁心中的损耗，定定子铁心是电动机磁路的一部分。为减少铁心中的损耗，定 子铁心用子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，片间有绝缘。厚的硅钢片叠压而成，片间有绝缘。 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 9 用绝缘的铜线绕成，嵌放在定子铁心槽内，绕组与用绝缘的铜线绕成，嵌放在定子铁心槽内，绕组与 槽壁用绝缘材料隔开。槽壁用绝缘材料隔开。 定子绕组是电动机的电路部分，其主要作用是通过定子绕组是电动机的电路部分，其主要作用是通过 电流产生旋转磁场。电流产生旋转磁场。 定子绕组定子绕组 定子绕组定子绕组 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 10 接线

5、盒接线盒 三相定子绕组的六个引出线头。三相定子绕组的六个引出线头。 三相绕组的始端和末端，分别用三相绕组的始端和末端，分别用U1、V1、W1和和U2、 V2、W2表示。都引到了接线盒的接线板上，可根据表示。都引到了接线盒的接线板上，可根据 需要接成三角或星形接法。需要接成三角或星形接法。 接线盒接线盒 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 11 W2U2 V2 U1V1W1 W2U2V2 U1V1W1 W2U2 V2 U1V1W1 接线柱的连接接线柱的连接 星形联结星形联结三角形联结三角形联结 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 12 机座是电动机的外壳，起支撑的作用

6、，要求有足够的机座是电动机的外壳，起支撑的作用，要求有足够的 机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各种作机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各种作 用力，通常用铸铁铸成，较大容量的异步电机，一般用力，通常用铸铁铸成，较大容量的异步电机，一般 采用钢板焊接机座。采用钢板焊接机座。 机座机座 接线盒接线盒 机座机座 铭牌铭牌 端盖端盖 吊环吊环 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 13 异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转 轴组成。轴组成。 转子转子 转子转子 风扇风扇 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 14 转子铁心转

7、子铁心 转子铁心转子铁心为电动机磁路的一部分，一般也由为电动机磁路的一部分，一般也由0.5mm厚厚 的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。 铁心固定在电动机的转轴上，大型异步电动机的转子铁心固定在电动机的转轴上，大型异步电动机的转子 铁心则套在转子支架上。铁心则套在转子支架上。 转子铁心转子铁心 转轴转轴 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 15 转子绕组转子绕组 转子绕组转子绕组的作用是感应电动势，流过电流和产生电的作用是感应电动势，流过电流和产生电 磁转矩。磁转矩。 转子绕组的结构型式：鼠笼式和有绕线式两种。转子绕组的结构型式：鼠笼式和有绕线式两种。 根据转子的结构形式不同，异步电动机

8、分为：根据转子的结构形式不同，异步电动机分为： 鼠笼式异步电动机：驱动各种机械，如通风机、鼠笼式异步电动机：驱动各种机械，如通风机、 机床和运输机械等等。机床和运输机械等等。 绕线转子异步电动机：起动力矩大，卷扬机、水绕线转子异步电动机：起动力矩大，卷扬机、水 泵和行车。泵和行车。 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 16 转子绕组的外形就像一个转子绕组的外形就像一个“鼠笼鼠笼”。 由于异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电，由于异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电， 因此可以自行闭合构成短路绕组。因此可以自行闭合构成短路绕组。 鼠笼式转子鼠笼式转子 河南工业大学电气工程学院河

9、南工业大学电气工程学院 17 绕线式转子绕组绕线式转子绕组与定子绕组相似，也是用绝缘导线嵌与定子绕组相似，也是用绝缘导线嵌 于转子铁心槽内，连接成星形接法的三相对称绕组。于转子铁心槽内，连接成星形接法的三相对称绕组。 绕线式转子绕组绕线式转子绕组 转子绕组转子绕组 集电环（滑环）集电环（滑环） 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 18 三相异步电动机的符号三相异步电动机的符号 M M 三相异步鼠笼式电动机三相异步鼠笼式电动机 三相异步绕线式电动机三相异步绕线式电动机 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 19 W2U2 V2 U1V1W1 W2U2V2 U1V1W1

10、W2U2 V2 U1V1W1 接线柱的连接接线柱的连接 星形联结星形联结三角形联结三角形联结 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 20 iUiViW t i O 三相三相 (多相多相) 绕组中流过三相绕组中流过三相 (多相多相) 电流。电流。 U1 U2 V1 V2 W2 W1 U1 U2 通入通入 iU V1 V2 通通入入 iV W1 W2 通通入入 iW 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 21 t = 0 W2 U1 V2 W1 U2 V1 U1 W2 V1 U2 W1 V2 N S t = = 90 NS iUiViW t i O 河南工业大学电气工程学院

11、河南工业大学电气工程学院 22 U1 U2 U3 U4 V1 V4 V2 V3 W4 W1 W2 W3 每相绕组都用两个线圈串联组成：每相绕组都用两个线圈串联组成： 形成的磁场则是两对磁极，形成的磁场则是两对磁极， 即即 p = 2 U1 U2 U3 U4 V1 V2 V3 V4 W1 W2 W3 W4 N S N S N S N S U1 U2 U3 U4 V1 V4 V2 V3 W4 W1 W2 W3 t = 0 t = 90 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 23 旋转磁场转速旋转磁场转速 n0 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转一圈旋转磁场转一圈 电流每秒变化电流每秒

12、变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 50 圈圈 旋转磁场转旋转磁场转 3000 圈圈电流每分变化电流每分变化 (5060) 周周 电流变化一周电流变化一周 旋转磁场转半圈旋转磁场转半圈 电流每秒变化电流每秒变化 50 周周 旋转磁场转旋转磁场转 25 圈圈 旋转磁场转旋转磁场转 1500 圈圈电流每分变化电流每分变化 (2560) 周周 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 24 p12 3456 n0/(r/min) 3000 1500 1000750600500 f = 50 Hz 时，不同磁极对数时的同步转速如下：时，不同磁极对数时的同步转速如下： 60 f1 p n0

13、= 磁极对数为磁极对数为 p 时时 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 25 旋转磁场的转向为：旋转磁场的转向为：U1V1W1 与三相绕组中的三相电流的相序与三相绕组中的三相电流的相序 L1 L2 L3 一致一致 L1 L2 L3L1 L2 L3 n0n0 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 26 右手定则右手定则 左手定则左手定则 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 27 N S 用右手定则判断用右手定则判断 转子绕组中感应转子绕组中感应 电流的方向。电流的方向。 用左手定则判断用左手定则判断 转子绕组受到的转子绕组受到的 电磁力的方向。电磁力的方向

14、。 电磁力电磁力 F 电磁转矩电磁转矩 T 。 T 与与 n0 同方向。同方向。 n0 F n 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 28 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系：电动机转速和旋转磁场同步转速的关系： n 与与 n0 方向一致。方向一致。 n n0， 转差率转差率 : 起动起动 (堵转堵转) 时时: n = 0，s = 1 理想空载时理想空载时: n = n0，s = 0 正常工作时正常工作时: 0 s TL 加速运行加速运行 当当 T2 TL 电动机能起动，电动机能起动， 否则将起动不了。否则将起动不了。 起动转矩倍数起动转矩倍数: : Y系列：系列：KS = 1.6

15、2.2 KC = 5.57.0 起动电流起动电流: : M N S TN sN 1 TS TM sM T Os TS TN KS = IS IN KC = 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 49 例例6.5.1 某三相异步电动机，额定功率某三相异步电动机，额定功率 PN = 45 kW， 额定转速额定转速 nN = 2 970 r/min， KM = 2.2 ，KS = 2.0。 若若 TL = 200 Nm，试问能否带此负载：，试问能否带此负载：(1) 长期运行长期运行; (2) 短期运行短期运行; (3) 直接起动。直接起动。 解解 (1) 电动机的额定转矩电动机的额定转矩

16、 由于由于TN TL，故可以带此负载短时运行，故可以带此负载短时运行。 。 (3) 电动机的起动转矩电动机的起动转矩 由于由于TS TL，故可以带此负载直接运行，故可以带此负载直接运行。 。 TS = KSTN = 2.0145 Nm = 290 Nm 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 50 UN 0.9UN 0.81TM 0.81TS R2R2 +R TM n0 n O T 转子串联合适的电阻转子串联合适的电阻: : TS TM n0 nM n O T 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 51 异步机的起动特性：异步机的起动特性： 起动电流大起动电流大: IS

17、= KI IN = (57)IN 起动转矩小起动转矩小: TS = KSTN = (1.62.2)TN 影响：影响： 频繁起动时造成热量积累频繁起动时造成热量积累, ,易使电动机过热。易使电动机过热。 大电流使电网电压降低，影响其他负载工作。大电流使电网电压降低，影响其他负载工作。 良好的起动性能良好的起动性能: 起动电流小起动电流小 起动转矩大起动转矩大 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 52 (全压起动全压起动) (a) 小容量的电动机；小容量的电动机； (b) 电源容量足够大时。电源容量足够大时。 7.5 kW 以下直接起动以下直接起动 7.5 kW 以上，且电源容量能满

18、足起动以上，且电源容量能满足起动 电流倍数电流倍数 3 + 1 4 IS IN KC = 电源容量电源容量 (kVA)电机功率电机功率 (kW) 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 53 适用于：正常运行为适用于：正常运行为形联结的电动机。形联结的电动机。 起动时起动时运行时运行时 U V W UN I1LY U V W UN I1L 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 54 定子线电压比定子线电压比 定子相电压比定子相电压比 起动电流比起动电流比 起动转矩比起动转矩比 电源电流比电源电流比 定子相电流比定子相电流比 = = 1 UN UN U1LY U1L = =

19、 U1PY U1PU1P U1PY/ 3 1 3 = = I1PY I1PU1P U1PY 1 3 = = ISY ISI1P I1PY 1 33 = = IY IIS ISY 1 3 =( ) = U1PY U1P TSY TS 21 3 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 55 降压比降压比 KA= U UN 定子线电压比定子线电压比 定子相电压比定子相电压比 M 3 U UN 定子相电流比定子相电流比 起动电流比起动电流比 电源电流比电源电流比 起动转矩比起动转矩比 = = KA U UN U1La U1Lb = = KA U1La U1Lb U1Pa U1Pb = = K

20、A U1Pa U1Pb I1Pa I1Pb = = KA I1Pa I1Pb ISa ISb = = KA KAISa ISb Ia Ib 2 =( ) = KA U1Pa U1Pb TSa TSb 2 2 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 56 3 软起动器软起动器 M 3 u Ot uN ts i Ot iR ts iL 限压起动模式限压起动模式限流起动模式限流起动模式 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 57 例例6.6.1 一台一台 Y250M-6 型三相笼型异步电动机，型三相笼型异步电动机， UN380 V，三角形联结，三角形联结，PN = 37 kW，

21、nN = 985 r/min， IN = 72 A，KS = 1.8，KC = 6.5。已知电动机起动时的负载。已知电动机起动时的负载 转矩转矩TL = 250 Nm，从电源取用的电流不得超过，从电源取用的电流不得超过360 A， 试问：试问：(1) 能否直接起动？能否直接起动？(2) 能否采用星形三角形起能否采用星形三角形起 动？动？(3) 能否采用能否采用 KA = 0.8 的自耦变压器起动？的自耦变压器起动？ 解解 (1) 电动机的额定转矩电动机的额定转矩 直接起动时的起动转矩和起动电流直接起动时的起动转矩和起动电流 由于由于I = IS 360 A，所以不能直接起动。 ，所以不能直接起

22、动。 TN = = Nm =359 Nm 60 2 PN nN 60 23.14 37103 985 TS = KSTN = 1.8359 Nm = 646 Nm IS = KCIN = 6.572 A = 468 A 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 58 (2) 星形三角形起动时的起动转矩和起动电流星形三角形起动时的起动转矩和起动电流 由于由于 TSY TL， IS 360 A，所以可以采用自耦，所以可以采用自耦 变压器起动。变压器起动。 TSY = TS = 646 Nm = 215 Nm 1 3 1 3 ISY = IS = 468 A = 156 A 1 3 1 3

23、TSa = KATS = 0.8 646 Nm = 413 Nm 2 2 IS = KAIb= KAI = 0.8 468 A = 300 A 22 2 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 59 减小起动电流减小起动电流 增大起动转矩增大起动转矩 频敏变阻器：频敏变阻器： 频率高，损耗大，电阻大；频率高，损耗大，电阻大； 频率低，则反之。频率低，则反之。 转子电路起动时转子电路起动时: 转子电路运行时转子电路运行时: f2 高，电阻大，高，电阻大， f2 低，电阻小，低，电阻小，自动切除变阻器。 自动切除变阻器。 R2 n0 T n O Ts R2 Ts R2R2 Ts 大，大，

24、 Is 小。小。 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 60 (1) 改变同步转速改变同步转速 n0 改变频率 改变频率 f1 和磁极对数和磁极对数 p (2) 改变转差率改变转差率 s n = (1s) n0 = (1s) p 60 f1 调速：在一定的负载下，根据生产的需要调速：在一定的负载下，根据生产的需要 人为地改变电动机的转速。人为地改变电动机的转速。 3 变频器变频器 M 3 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 61 U1 U2 U3 U4 (a) p = 2(b) p = 1 U1 U2 U3 U4 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 62

25、 UN 0.9UN n0 nM n O T R2R2 +R TM n0 n O T 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 63 I2nsI2 T 若相位相同若相位相同 T 若相位相反若相位相反 I2nsI2TT 在转子电路中串入与在转子电路中串入与 E2 频率相同，相位相同或相反频率相同，相位相同或相反 的附加电动势的附加电动势 Ea 。 I2 = E2Ea R2 (sX2) 2 2 引入引入Ea 引入引入Ea 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 64 例例6.7.1 一台绕线转子异步电动机，转子绕组每相一台绕线转子异步电动机，转子绕组每相 的电阻的电阻 R2= 0.

26、022，漏电抗，漏电抗 X2 = 0.275，额定转速额定转速 nN=1 440 r/min。(1) 要使起动转矩等于最大转矩，在转要使起动转矩等于最大转矩，在转 子绕组的每相电路中应串联多大的起动电阻？子绕组的每相电路中应串联多大的起动电阻？(2) 在额定在额定 负载转矩情况下，在转子绕组的每相电路中应串联多大负载转矩情况下，在转子绕组的每相电路中应串联多大 的调速电阻才能将转速降至的调速电阻才能将转速降至1 200 r/min？ O sN sMN s sM s T TM TN 解解 M M (2) 将转子电路串联电阻将转子电路串联电阻 前后的转矩特性前后的转矩特性 OM 段都近似用直线代替

27、。段都近似用直线代替。 (1) Rst X2 R2 (0.275 0.022) 0.253 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 65 未串联调速电阻前的转差率未串联调速电阻前的转差率 sN 和临界转差率和临界转差率 sMN 串联调速电阻后的转差率串联调速电阻后的转差率 串联调速电阻后的临界转差率串联调速电阻后的临界转差率 转子每相绕组的总电阻转子每相绕组的总电阻 应串联的调速电阻应串联的调速电阻 Rst = R2S R2 = (0.11 0.022) = 0.088 = = 0.04 1 500 1 440 1 500 n0 nN n0 sN= R2 X2 sMN = 0.08

28、0.022 0.275 = = 0.2 1 5001 200 1 500 n0n n0 s = 0.04 sM = s = s = 0.2 = 0.4 TM TN sMN sN 0.08 R2S = sMX2 = 0.4 0.275 = 0.11 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 66 6.8 单相异步电动机单相异步电动机 采用单相交流电源供电的异步电动机称为单相异采用单相交流电源供电的异步电动机称为单相异 步电动机。步电动机。 单相异步电动机只需要单相电源供电，因此单相异步电动机只需要单相电源供电，因此广泛应广泛应 用于电动工具、家用电器、医用机械用于电动工具、家用电器、医用

29、机械及工业设备中及工业设备中。 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 67 单相异步电动机有电容式和罩极式两种类型。单相异步电动机有电容式和罩极式两种类型。 电容式单相电动机具有性能好、节能等优点，得电容式单相电动机具有性能好、节能等优点，得 到广泛的应用。到广泛的应用。 13.3.1 单相电容式电动机基本结构单相电容式电动机基本结构 与工作原理与工作原理 M 1 1. 单相异步电动机的符号单相异步电动机的符号 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 68 2.单相电容式电动机基本结构单相电容式电动机基本结构 单相异步电动机也是由定子和转子两部分组成。单相异步电动机也是由

30、定子和转子两部分组成。 定子定子 转子转子 转子一般为鼠笼式。转子一般为鼠笼式。 端盖端盖 转轴转轴 轴承轴承 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 69 定子铁心的槽内嵌有两相绕组：一个为主绕组也称定子铁心的槽内嵌有两相绕组：一个为主绕组也称 工作绕组；一个是副绕组也称起动绕组。工作绕组；一个是副绕组也称起动绕组。 定子绕组定子绕组 定子铁心定子铁心 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 70 一、脉振磁场一、脉振磁场 Fm Rm m Fm Rm m Rm Fm t Ot1t2t3 t4t5t6t7t8 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 71 二、工作

31、原理二、工作原理 无起动转矩，有运行转矩。无起动转矩，有运行转矩。 TR sF 1 TF sR T O s (a) 转子顺时针方向旋转转子顺时针方向旋转 (b) 转子逆时针方向旋转转子逆时针方向旋转 TF sR 1 TR sF T O s 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 72 原理：两相电流原理：两相电流 旋转磁场旋转磁场 起动转矩起动转矩 三、起动方法三、起动方法 转子转子 C W1 S1 iW iS W2 S2 n 转子转子 励磁绕组励磁绕组 短路环短路环 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 73 交流伺服电动机是两相异步电动机。交流伺服电动机是两相异步电动

32、机。 机械特性机械特性 T n 0.25UC UC 0.75UC 0.5UC O 原理图原理图 转速控制方式：转速控制方式： 幅值控制幅值控制、相位控制相位控制、幅相控制。幅相控制。 uL + C + uC L 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 74 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 75 步进电动机将电信号转变成转角或转速。步进电动机将电信号转变成转角或转速。 U2 V1 V2 U1 W2 W1 1 2 34 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 76 ( (b) ) V 相通电相通电 通电顺序：通电顺序：U V W U ( (a) ) U 相通电

33、相通电 每一拍转子转过的角度称步距角。每一拍转子转过的角度称步距角。 ( (c) ) W 相通电相通电 W2 U1 V1W1 U2 V2 1 2 3 4 3 4 1 2 W2 U1 V1W1 U2 V2 3 4 1 2 W2 U1 V1W1 U2 V2 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 77 ( (a) ) UV 相通电相通电 U1 W2 V1W1 U2 V2 3 4 1 2 W2 V1W1 U2 V2 3 4 1 2 U1 W2 V1W1 U2 V2 3 4 1 2 U1 ( (b) ) VW 相通电相通电 ( (c) ) WU 相通电相通电 通电顺序：通电顺序：UV VW WU UV 通电顺序：通电顺序：U UV V VW W WU U 步距角步距角 与转子齿数与转子齿数 Z 和拍数和拍数 N 的关系的关系 360 ZN = 转子每分钟的转速转子每分钟的转速 60f ZN n = 河南工业大学电气工程学院河南工业大学电气工程学院 78 U1 U2 V1 V2 W1 W2 N S If 特点：通过改变转子特点：通过改变转子 If，可以调节电动机的，可以调节电动机的 。 原理图原理图机械特性机械特性