电工学-第七章-电动机

1、电工学课件-第七章_电动机第1页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五第一节 三相异步电动机的转动原理和基本构造 转动原理基本构造返回第2页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回电动机直流电动机交流电动机交流电动机同步电动机异步电动机异步电动机按交流电的相数三相异步电动机单相相异步电动机按结构绕线式异步电动机鼠笼式异步电动机第3页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、转动原理nn1FFn1=0, 磁场静止，转子不能感应电流，导体静止。n10，磁场顺时针旋转。 异步电动机要转动起来，要有旋转的磁场，同时转子电路必须闭合。 改变磁场旋转方

2、向可使电动机反转。 转子产生感应电流，在磁场的作用下产生电磁转矩，使转子转动起来，方向与磁场方向一致。SN左通力右生电第4页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回二、基本构造 异步电动机由定子和转子两部分组成。1. 定子 定子是异步电动机固定不动的部分。 由机座、定子铁心、定子三相绕组组成。 定子铁心安装在机座内，由硅钢片叠成。定子三相绕组嵌在定子铁心的槽内，三相绕组的始端和末端分别接到电动机出线盒的接线柱上，这样可以根据需要将三相绕组接或接，使电动机使用于两种不同的工作电压。第5页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回定子接线端的连接U1V1W1W2U

3、2V2C A B Z X Y 接接去掉W2、U2、V2短接片后，变为Y型连接第6页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五2. 转子 转子是异步电动机旋转的部分。 由转子铁心、转子绕组组成。 转子绕组可分为鼠笼式和绕组式两种。 转子铁心仍由硅钢片叠成 。 鼠笼式结构简单，它是在转子铁心的槽内穿入金属导体，两端装上铜环将所有的金属导体短接，自成闭合路径。 绕组式与定子绕组相同，但三相绕组都是接。三个出线端通过电动机轴上的铜环与电刷引到电动机的外部。返回第7页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回第二节 三相异步电动机的工作原理 旋转磁场 转动原理 转差率第8页，

4、共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、旋转磁场1、旋转磁场的产生 定子三相绕组对称，且空间上互差120，接成形。UVWXYZABCYZXiAiCiB第9页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回 iA = Imsint iB= Imsin (t120) iC=Imsin (t - 240)对称三相电流tiiAiBiC波形如图 规定电流正方向由始端向末端，实际流入时用 表示，实际流出时用表示。第10页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回tiiAiBiC012024060ABCYXZN SABCYXZN SABCYXZN S180ABC

5、YXZN St =0 iA= 0iB 0ABCYXZ S Nn1对称三相绕组，送入对称三 相电流，一定产生旋转磁场。t =60 iA 0iB 0iB = 0iC 0iC 0t =240 iA 0iC = 0第11页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回2、旋转磁场的转向 旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。电流的相序：ABC 电流的相序：BA Cn1n1 改变电流相序，即任意对调电源的两根火线，可改变旋转磁场的方向，使电动机反转。第12页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回3、旋转磁场的转速 定子每相一个线圈，旋转磁场为二极。旋转磁场的磁极对数 P

6、 = 1 电流变化一周，磁场也旋转一周。磁场的转速 n1=60 f 1 (r/min) 定子每相二个线圈，旋转磁场为四极。旋转磁场的磁极对数 P = 2 电流变化一周，磁场也旋转0.5周。磁场的转速 n1=60 f 1 /2 (r/min) 第13页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回 改变定子绕组的接线方式，可以改变异步电动机的极数。 旋转磁场的转速n1 与电动机的极数P成反比，与交流电的频率 f 成正比。 二、转动原理对称三相电源定子对称三相绕组旋转磁场转子旋转n1nP234n1150010007501极对数=2极第14页，共73页，2022年，5月20日，4点58分

7、，星期五返回三、转差率 异步电动机的转动原理是建立在电磁感应的基础上的，所以电动机的转速n与旋转磁场的转速n1（又叫做同步转速）不能相等。 即 nn1其相差的程度用转差率 s 来表示 。转差率 s 是异步电动机重要的参数之一。 s0.020.06异步电动机刚起动的瞬间，n = 0 , s = 1第15页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回例：某三相异步电动机额定转速nN= 980r/min，接在 f 1= 50Hz 的电源上运行。试求在额定状态下,定子旋转磁场速度n1、磁极对数P、额定转差率s。 解： 一般额定转差率为0.020.06 nn1第16页，共73页，2022年

8、，5月20日，4点58分，星期五返回第三节 三相异步电动机的电磁 转矩与机械特性转矩平衡电磁转矩 机械特性第17页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、转矩平衡关系 三相异步电动机在拖动生产机械工作时，旋转磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为电磁转矩T，它是一个驱动转矩。 作用在电动机轴上的各种机械转矩称为负载转矩TL，它是一个阻碍转矩。 当电动机稳定运行时，驱动转矩等于阻碍转矩。即： T = TL （转矩平衡方程） 若T TL 电动机加速第18页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回二、电磁转矩 三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作

9、用产生的。因此电磁转矩与旋转磁场的每级主磁通、转子电流I2有关。即： T I2 转子电流I2由转子电动势E2产生。İ2、2之间的相位差角为2，cos2是转子功率因数。 所以，电磁转矩T与 和转子电流I2的有功分量I2cos2成正比。即： T = KT m I2cos2 KT是决定于电动机的常数。第19页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回1. 定子电路 三相电动机的电磁关系与变压器相类似，定子相当与变压器原边，转子相当于副边。以一相为例：u1 i1i2e1 f1e2 f2Z1N1 Z2N2定子每相绕组磁通 = msinte1 = - N1d/dt忽略uZ、e1，则 u1

10、-e1 U U1E1=4.44f1N1 m f1=Pn1/60第20页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回2. 转子电路e2 = - N2d /dtE2=4.44f2N2 m f2= p（n1-n）/60 f2为转子电动势或转子电流的频率，因为旋转磁场与定子间的相对转速为n1，定子与转子间的相对转速为n。则有：= s f1电动机起动瞬间n = 0,s =1 f2= f20= Pn1/60= f1E20= 4.44 f1N2 mE2=4.44 s f1N2 mE2=s E20第21页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回转子电路呈感性 Z2 = R2+X

11、2式中漏磁感抗 X2=2 f2LS2= 2 s f1LS2s=1, X20= 2 f1LS2X2=s X20转子电流转子功率因数第22页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回 转子电路的各物理量都与转差率有关，即与转子的转速有关。I2、cos2与s 的关系如曲线所示I2 cos211scos2起动时，s =1，n =0起动时，I2 很大,cos2 很低I2n sI2第23页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回T = KT I2cos2U1=4.44 f1N1 mE20=4.44 f1N2 mmU1 m E20 利用导数可求得 sm=R2/X20 Tma

12、x=KU12/2X20第24页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回 当K、U1、R2、X20、一定的条件下，把T=f (s)曲线称为转矩特性曲线。如图：TTmax1ssms 较小， 0 s sm ， s Ts 较大， sm s U1 T U 2 Sm与U1无关U1Tn s I2I1 电压不足，会造成电流增 大，电机发热。0 s sm电动机运行稳定， sm s 1电动机运行不稳定。第26页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回临界转差率sm与R2成正比。最大转矩Tmax与R2无关。R2 nm(AB段）： 为稳定工作区（s 较小），具有硬特性，即电动机具有

13、自动适应负载能力。TLT TLn s T T =TL0n Tmax时，电动机将发生闷车停转。定子电流急剧升高，电动机过热导致烧毁 。称最大转矩与额定转矩的比值为过载系数。第30页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一般，过载系数m为1.82.2。 m也表示短时允许过载能力。起动转矩Tst ：电动机刚起动 n = 0,s = 1时的转矩。由s=1 可得Tst U12 Tst与R2有关当U1减小时，Tst减小，当R2适当增大时， Tst会增大转子电阻第31页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回起动能力S =一般Tst=(12.2)TN 。只有当TL Ts

14、t 时电动机才能起动。否则会发生“堵转”，此时电流I1 I2都很大。I2与s 的关系如曲线所示I211s起动时，s =1，n =0起动时，I2 很大,I2n sI2第32页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回Tst”TnTstU1 U1”U1U1”Tst”TnTstR2 TL 满足起动转矩的前提下，起动电流Ist 越小越好 一般Ist=(57)IN，由于起动时间短，电机不会因发热而烧毁，但过大的电流会造成电网电压降落增大，影响其它设备正常工作。第37页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回2. 起动方法 全压起动（直接起动） 全压起动简单、经济、但Is

15、t较大。适用于 PN 10KW 的中小型电动机，或者电动机功率小于变压器容量的20%，同时电网电压下降不超过5%。 降压起动 降压起动即起动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速接近额定值时，再将定子绕组上的电压恢复到额定值。 由于加到定子绕组上的电压U1下降，所以起动电流下降，同时起动转矩也下降。因此降压起动适用于轻载或空载起动。第38页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回常用的降压起动方法： 换接起动形运行形起动 这种方法只适用于正常运转时形连接的电动机。当S2 接起动端时，定子三相绕组接。起动电流（线电流）Ist=UP /z 当S2 接运行端时，定子三相绕组接。起

16、动电流（线电流）Ist=第39页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五Ist/ Ist =1/3 接起动电流是接起动电流的三倍。利用 换接起动时，电源供给电流可下降三倍。又因为所以Tst/ Tst =1/3 接起动定子绕组相电压是接起动的 倍。利用换接起动时，起动转矩下降三倍。返回第40页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五Y-connection:400 V; 50 Hz; -connection:230 V; 50 Hz; 电机的接线方式第41页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五电机的接线方式Y connection connectio

17、n启动电压400V启动电压230V第42页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五例：一台三相异步电动机，额定功率为30KW，额定转速为1470r/min，连接，在额定负载下运行线电流为57.5A，Tst/TN=1.2， Ist/IN=7， 试求：(1)用换接起动时的起动转矩和起动电流；(2)当负载转矩为额定转矩的60%和25%时，用换接起动是否可以？ 起动电流Ist = 7 IN = 757.5A =402.5A换接起动时Tst = Tst/3 = 1.2194.93 =77.96NmIst = Ist/3 = 402.53 = 134.17ATN= 9550301470 =

18、194.9Nm TL=0.6TN=0.6194.9=116.94Nm TL Tst 不可以 TL=0.25TN=0.25194.9=48.725Nm TL 1 降压起动电流 Ist= U2 / z = Ist / K直接起动电流 Ist= U1/z降压起动从电网吸收的电流 IstT= Ist K =Ist / K 2TstT=Tst / K 2 自耦变压器降压起动的起动电流与起动转矩都是直接起动的1 / K 2倍。返回第45页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五 定子电路串电阻降压起动 起动时定子串联电阻，当电动机的转速接近额定转速时，再将串入电阻去除。此种方法的缺点是起动时

19、电阻上消耗较大的功率。 这种方法适用正常运行的或连接的三相异步电动机。 绕线式异步电动机的起动 绕线式异步电动机的起动常用转子串电阻或串频敏变阻器两种方法。 转子串电阻起动是在转子电路中串入电阻Rst，起动后，随着转速上升逐渐减小Rst，最终将Rst全部短路。返回第46页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五起动瞬间 n=0，s=1R2I2IstTst”TnTstR2R2+RstR2 Tst 绕线式异步电动机的转子串电阻起动，不仅限制起动电流，同时增大起动转矩。因此，绕线式异步电动机比鼠笼式异步电动机的起动性能好。返回第47页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期

20、五二、调 速返回异步电动机的转速为 改变磁极对数P、电源频率 f1 和转差率s 都可调速。磁场转速第48页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回1.变极对数调速 极对数的改变,可以通过改变定子统组的接法来实现。 变极对数调速是有级调速，可制成专用多速电机，这种方式只适用于鼠笼式异步电动机。2.变频调速 这种调速方法不仅适用于鼠笼式电动机,同样适用于绕线式电动机。 采用专用的调速变频电源，可实现对电动机的无级调速。第49页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回3.变转差率调速 在负载转矩一定的情况下,在绕线式异步电动机的转子电路中串入不同的附加电阻以改变转

21、差率s,实现调速。 这种调速方法使机械特性变软,稳定性差,电阻耗能大，但可连续平滑调速, 用于起重冶金设备。第50页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五三、反 转 三相异步电动机的转向决定于旋转磁场的转向,而旋转磁场的转向又与通入三相定子绕组的电流相序有关, 因此,改变相序即可改变转向。 只要将三相定子绕组接电源的三根线中任意两根对调即可。正转反转四、制 动用强制的方法迫使电动机迅速停车就叫制动。返回第51页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五1. 能耗制动 当电动机脱离三相电源后，将S2 接通直流电源，则在电动机内会产生一个恒定的不旋转的磁场。 转子由于机

22、械惯性继续旋转,因而转子导体切割磁力线,产生感应电动势和电流。 载有电流的导体在恒定磁场的作用下,受到制动力FT,产生制动转矩Tz,使转子迅速停车。返回第52页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五 由于这种方法是用消耗转子的动能(转换成电能）来进行制动的,所以称为能耗制动。 这种方法准确、平稳、能耗小,但需直流电源.一般直流电流可调节为额定电流的0.51倍。2. 反接制动 反接制动就是通过任意对调三相定子绕组的两相电源来实现的。 任意对调两相电源后,旋转磁场反向旋转（速度n 1),电磁转矩也反向而起制动作用。返回第53页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五

23、这种制动方法简单、快速,但制动时s2,电流大，制动不准确,耗能大,冲击较强烈,易损坏机械零件。当n0时,应立即断开电源,否则电动机将反转,应加制动电阻。四、调 速返回异步电动机的转速为 改变磁极对数P、电源频率 f1 和转差率s 都可调速。第54页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回第五节 三相异步电动机的铭牌和技术数据铭牌和额定值例题第55页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、 运行特性 电动机当电压U1、频率f1为定值时，将 I1= f (P2) 、 cos1= f (P2) 、 = f (P2)称为运行特性（工作特性）。I1 cos1P2c

24、os1I1定子电流特性I1= f (P2) P2=0 （空载） I1= I10 (空载电流） P2 I1 第56页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、 运行特性 电动机当电压U1、频率f1为定值时，将 I1= f (P2) 、 cos1= f (P2) 、 = f (P2)称为运行特性（工作特性）。I1 cos1P2cos1I12. 功率因数特性 cos1= f (P2) P2=0 （空载） cos1 很小 P2 cos1 （但到一定数值后，又略有下降 ）第57页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、 运行特性 电动机当电压U1、频率f1为定值

25、时，将 I1= f (P2) 、 cos1= f (P2) 、 = f (P2)称为运行特性（工作特性）。I1 cos1P2cos1I13. 效率特性 = f (P2) = P2/P1 P2=0 （空载） =0 P2 （但出现最大值后，又略有下降 ）第58页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回一、铭牌和额定值 每台电动机都有一个铭牌,安装在机座上，记载它的额定值,以便按规定的数值使用 三相异步电动机型号Y112M-4功率4.0KW防护等级IP44电压 380V电流 8.8A功率因数 0.84接法 转速1440r/m绝缘等级 B频率 50Hz重量45kg工作方式 S1电机厂

26、第59页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回1. 型 号 型号是电动机类型、规格的代号。由汉语拼音大写字母或英文字母加阿拉伯数字组成。按顺序包括名称代号、规格代号。 Y 112 M 4磁极数机座长度代号（S、M、L）中心高三相异步电动机第60页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回2. 额定电压UN 额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压。 它与绕组接法有对应关系： 系列异步电动机的额定电压都是380V,3kW以下的接成形,而4kW以上的均接成形。一般规定电源电压波动不应超过额定值的5%。3. 额定电流IN是指电动机在额定运行情况下定子绕组的线

27、电流。4. 额定功率PN与额定效率N 电动机在额定运行情况下,轴上输出的机械功率称为额定功率。第61页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回额定效率是指额定功率与输入电功率之比5. 额定转速nN 指电动机额定运行时的转速。它略低于同步转速n1 。6. 额定功率因数N 指在额定情况下,电动机定子电路的功率因数, N 是定子绕组相电压与相电流之间的相位差。其值约为0.70.9。 第62页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回7. 绝缘等级 它是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来分级的。8. 工作制 通常分为连续运行、短时运行和断续运行三种,分

28、别用代号S1、S2、S3表示。9. 防护等级 它是指电机外壳防护型式的分级。 异步电动机铭牌上通常还列出了Ist /IN、 Tst /TN 、 Tmax /TN。绕线式异步电动机铭牌上还标明转子额定电流和转子绕组的开路电压。第63页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五例：三相异步电动机额定值为PN=40KW,接法/,UN=380V/220V, nN=1460r/min, N=0.895, cosN=0.89, Ist /IN=5.5, Tst /TN=1.1,Tmax /TN=2。试求P1N , IN , TN , sN , Tst , Tmax , Ist , f2N。解：

29、 Ist= 5.5 IN= 5.5132 = 726A Ist= 5.5 IN = 5.576 =418A Tst=1.1TN=2621.1=288Nm Tmax=2TN=2262=524Nm f2N=s f1=0.02750=1.35Hz返回第64页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五返回 S =Ist/ Ist =1/3Tst/ Tst =1/3三相异步电动机常用公式Tst(U)2 Tst =(0.9)2Tst第65页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五例：Y132S-4型三相异步电动机额定值如下,试求sN , IN , TN , Tst , Tmax

30、, Ist 。 PN nNUN N NIst /INTm /TNTst /TN 5.5 KW1440 r/min380V0.855 0.84 7 2.2 2.2解： Ist = 7 IN =81.48A Tst=2.2TN=324.9Nm Tmax=2.2TN=324.9Nm磁极对数 p= 2, n1=1500r/min返回第66页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五例：三相异步电动机额定值为PN=10KW, 接法, UN=380V, nN=1460r/min, N=0.88, N=0.88, Ist /IN=7, Tst /TN = 1.3, T = 2，f =50Hz。

31、试求(1) 磁极对数p , IN , TN , sN , Tst , Tmax , Ist 。 1111(2)若负载转矩TL=55Nm,当U0.9UN时，能 否起动？电动机若要采用换接起动，则Ist，Tst各为多少；能否起动？磁极对数 p= 2, n1=1500r/min nN=1460r/min 略小于n1 Ist = 7 IN =137.2A Tst=1.3TN=85Nm Tmax=2TN=130.8Nm Tst(U)2 Tst =(0.9)2Tst=68.85Nm Tst TL ， 可以起动解：采用换接起动 Ist= Ist/3=45.7A Tst = Tst/3 = 28.3Nm TL=55Nm 不能起动返回第67页，共73页，2022年，5月20日，4点58分，星期五例： Y160M-2型三相异步电动机PN=15KW, 接法, UN=380V, nN=2930r/min, N=0.882, N=0.88, Ist /IN=7, S = 2, M= 2.2，起动电流不允许超过150A。若负载转矩TL=60Nm,试问能否带此负载(1)长期运行,(2)短时运行,(3)直接起动？Tst=2TN=97.8Nm Tmax=2.2TN=107.58Nm Ist = 7 IN =205.45A 解： TN TL 能短时运行 TST TL