电机电器及其控制技术

第2章电机电器及其控制技术1电气工程概论电机是以电磁感应现象为基础实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械，包括旋转电机和变压器两大类。旋转电机机电能量转换装置发电机机械能→电能电动机电能→机械能变压器电能变换装置2电气工程概论控制电机阀门控制火炮控制计算机……驱动各种机械和装备电动机机床水泵……电能的生产、传输和分配发电机变压器……2.1电机的作用与发展简史电机的作用3电气工程概论1831年法拉第创造了第一部感应发电机的模型1834年雅可比发明了功率为15W的棒状铁芯电动机1836年达文波特首先尝试用电动机驱动机械1845年惠斯通用电磁铁替代永久磁铁制成第一台电磁铁发电机1866年西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机1870年格拉姆制成了环形电枢自激发电机1878年出现了铁芯开槽法。有槽铁芯和鼓形绕组的结构一直沿用至今1880年爱迪生制造了名为“巨象”的大型直流发电机1885年费拉里斯提出旋转磁场原理，研制出两相异步电动机1888年俄国人制成一台三相交流单鼠笼异步电动机4电气工程概论1882年英国人费朗蒂改进了交流发电机，提出了交流高压输电的概念1882年英国人高登制造了大型两相交流发电机1882年法国人高兰德和英国人约翰·吉布斯成功研制了第一台实用变压器1884年英国人霍普金生又发明了具有封闭磁路的变压器1891年布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，使得远距离高压输电成为现实经过100多年的发展，电机的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、材料科学、计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进入了新的阶段。5电气工程概论按电流分类直流电机交流电机按功能分类(1)将机械功率转换为电功率——发电机(2)将电功率转换为机械功率——电动机(3)将电功率转换为另一种形式的电功率，又可分为：

输出和输入有不同的电压——变压器输出与输入有不同的波形，如将交流变为直流——变流机输出与输入有不同的频率——变频机输出与输入有不同的相位——移相机(4)在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机——控制电机按运行速度分类(1)静止设备——变压器(2)没有固定的同步速度——直流电机(3)转子速度永远与同步速度有差异——异步电机(4)速度等于同步速度——同步电机(5)速度可以在宽广范围内随意调节——交流换向器电机按功率大小分类大型电机中小型电机微型电机电机的分类2.2电机的分类与结构6电气工程概论特种电机：步进电机，无刷电机，开关灭磁电机，超声波电机，…7电气工程概论发电机将机械能转变为电能的机械水轮机风力机蒸汽轮机燃气轮机柴油机…转子定子(b)定子转子（a）8电气工程概论电动机将电能转变为机械能的机械同步电动机异步电动机直流电动机伺服电动机…转子定子铁心机座定子绕组9电气工程概论电动机10电气工程概论变压器将一种电压的电能变换为另一种电压的电能的装置单相变压器三相变压器…11电气工程概论特种电机1）永磁无刷电动机应用：航空、航天家用电器机器人电动汽车电动车组电动舰船…12电气工程概论特种电机2）直线电机应用：工业机械；轨道交通；电梯；航空母舰飞机发射；导弹发射架；电磁推进潜艇；…海浪直接驱动直线发电机13电气工程概论特种电机3）步进电动机应用：自动控制装置中的执行元件各种步进电动机14电气工程概论特种电机4）超导电机应用：超大型发电机或电动机全电军舰吊舱式推进系统超导直流电动机剖面图15电气工程概论特种电机5）超声波压电电动机应用：生物生命科学；光学仪器；高精密机械；…微型超声波压电电动机16电气工程概论

(一)异步电机的结构

1定子：定子铁芯由硅钢片冲片叠成，冲片内圆上的槽用来嵌放定子绕组。

2转子：主要由转子铁芯、转子绕组和转轴三者构成。转子绕组分为绕线型和鼠笼型两类。

异步电动机1、结构17电气工程概论18电气工程概论19电气工程概论采用铸铝的鼠笼式转子20电气工程概论

鼠笼式三相异步电动机结构21电气工程概论绕线式异步电动机结构22电气工程概论2、转动原理23电气工程概论24电气工程概论两极旋转磁场的形成如图所示，将异步电动机的3个定子绕组接成“星”型，并将它的3个首端A、B、C分别与三相电源相联接。3个定子绕组的尺寸、匝数和其他特性是完全相同的，仅空间位置彼此相差120°。当接通三相对称电源后，其中将产生对称的三相电流，设它们分别为：25电气工程概论三相电流iA、iB和iC的波形26电气工程概论

三相两极旋转磁场27电气工程概论二极旋转磁场的如下特点。（１）空间上互为120°的3个定子绕组接通相位互为120°的三相正弦交流电源时，可以产生以ω角速度匀速旋转的磁场。（２）旋转磁场的方向与三相电源的相序有关。当三相电源的相序为Ａ-B-C时，旋转磁场按顺时针方向旋转，电动机正转。当三相电源的相序改变为A-C-B时，旋转磁场则按逆时针方向旋转，电机反转。（３）旋转磁场的变化频率与三相电源的变化频率一致。三相交流电变化一个周期，旋转磁场则旋转一圈。三相交流电的频率为50Hz，二极旋转磁场每秒钟就转过50转。即转速为50×60=3000r／min。28电气工程概论旋转磁场的极对数上面讨论的旋转磁场只有两个极，即只有一对Ｎ、S极，故称为一对极。用（p=1）表示。如果电动机的磁场不只两个极，则为多极旋转磁场，如四极旋转磁场有两对Ｎ、Ｓ极，称为二对极，用p=2表示。同理，六极旋转磁场具有３对N、S极，称为３对极，用p=3表示。通常我们所说的电动机的对极数就是指电动机中旋转磁场的对极数。旋转磁场对极数增加时，电动机的同步转数将会按比例减少。可以证明p对极旋转磁场转速（同步转速）的一般公式为29电气工程概论我国电工标准规定f1=50Hz，则n1和p的对应关系可用下表列出。

表同步转速与极对数的关系

显然，可以通过增加极对数来降低转速，但极对数的增加需要采用更多的定子线圈和加大电动机的铁芯，这将使电动机的成本提高和重量增大。常用电机的极对数多为1~4。需要继续降低转速时，采用其他方法。p（极对数）12345…n1/(r/min)300015001000750600…30电气工程概论转速上面我们讨论的转速是旋转磁场的转速，即同步转速，电动机的转速是指转子的转速，两者不能混淆。从电动机转动的过程可以看出：转子的转速n与旋转磁场的转速n1有关，但它不可能超过和完全等于旋转磁场的转速，即n<n1。转子之所以与旋转磁场同向旋转，是因为它们之间存在着相对运动，这样转子的导体才能切割旋转磁场的磁力线，感生出转子电流，并受到磁场力矩的作用而旋转。没有相对运动，就没有转子电流和电磁转矩，转子也就不可能转动。正是因为电动机的转速n（转子转速）与旋转磁场的转速不同，我们才把这种电动机称为“异步”电动机。31电气工程概论转差率s：旋转磁场的转速n1与转子转速n的差值与同步速度n1的比值。可根据转差率来判断异步电机的运行状态。1电动机运行状态：0<s<12发电机运行状态:-∞<s<03电磁制动运行状态:在外力的作用下，转子转速与旋转磁场方向相反，s>1。32电气工程概论三相异步电动机的“电－磁”关系：

i2转、定子电路R1R2i1u1e1e

1e2e

2：漏磁通产生的漏感应电动势。：主磁通产生的感应电动势。e1e2、e

1e

2、设：则：定子边：3、三相异步电动机的电路分析33电气工程概论R1R2i1u1e1e

1e2e

2同理得转子边：i234电气工程概论：转子感应电动势的频率：转子线圈匝数取决于转子和旋转磁场的相对速度35电气工程概论电磁转矩

T：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距之总和。常数每极磁通转子电流转子电路的1转矩公式4、三相异步电动机的转矩与机械特性36电气工程概论R1R2i1u1e1e

1e2e

2其中转子功率因数：i237电气工程概论COSψ2I2I2,COSψ21S0结论：转子电路的电动势、电流、频率、感抗、功率因数等都与转差率S有关，与转差率S的关系如右图所示。I2、COSψ238电气工程概论将其中参数代入：得到转矩公式39电气工程概论2三相电动机的机械特性根据转矩公式10n1Tn得特性曲线：40电气工程概论电动机的自适应负载能力：

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。常用特性段n1nT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。）直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。41电气工程概论三个重要转矩：n1Tn额定转矩：电机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率

时，电机转轴上输出的转矩。(1)（牛顿•米）nN42电气工程概论如果电机将会因带不动负载而停转。最大转矩：(2)电机带动最大负载的能力。n1Tn求解43电气工程概论过载系数：三相异步机工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使注意：（1）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。（2）电机严重过热44电气工程概论起动转矩：(3)电机起动时的转矩。n1Tn其中则体现了电动机带载起动的能力。若电机能起动，否则将起动不了。45电气工程概论机械特性和电路参数的关系和电压的关系结论：46电气工程概论和转子电阻的关系R2的

改变

：鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。

令：得：结论：47电气工程概论机械特性的软硬硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。硬特性（R2小）软特性（R2大）不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。48电气工程概论5、三相异步机的起动起动电流：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍。定子电流原因：起动时，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子电流大电流使电网电压降低影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累电机过热影响：49电气工程概论三相异步机的起动方法：（1）直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。工业上一般规定，在用电单位有独立变压器不频繁启动时，电动机功率小于变压器容量的30%；当频繁启动，电动机的功率小于变压器容量的20%时，允许采用直接启动。（2）降压起动。Y－起动自耦降压起动（3）转子串电阻起动。以下介绍Y－起动和转子串电阻起动。（4）软起动50电气工程概论Y－起动：正常运行AZBYXC

起动ABCXYZ设：电机每相阻抗为51电气工程概论52电气工程概论AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UP'（2）Y－起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合Y－起动。53电气工程概论转子串电阻起动定子RRR线绕式转子起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。54电气工程概论转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。（1）（2）R选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。55电气工程概论6、三相异步电动机的调速1.改变极对数有级调速。2.

改变转差率

无级调速调速方法：ST改变定子绕组电压或改变转子绕组电阻56电气工程概论3.改变电源频率

(变频调速)

无级调速变频电源可变此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。57电气工程概论制动方法：机械制动和电气制动

1.机械制动--抱闸：加机械抱闸；

2.电气制动（1）反接制动：停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；

7、三相异步电动机的制动反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。即切割磁力线的速度很大，造成，引起。注意：58电气工程概论（3）.发电反馈制动：

令电机转子的转速超过旋转磁场的同步转速，便会产生制动转矩。M3~+-运行制动nF转子（2）.能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产生制动转矩；nFno59电气工程概论（4）、涡流制动涡流制动是另外安装一个利用涡流吸收能量的制动器。利用励磁电磁铁与感应体的相对运动，在感应体中产生涡流，涡流产生的磁场与励磁电磁铁产生的磁场相互作用，获得的与电动机运动方向相反的作用力分量，即为制动力。60电气工程概论（1）.型号Y132M－4磁极数(极对数p=2)同步转速1500转/分转差率8、

三相异步电动机的铭牌数据（2）.转速:电机轴上的转速（n)。

如：n=1440转/分M中机座L长机座S短机座61电气工程概论（3）.联接方式：Y/接法：

Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXC62电气工程概论三相异步电动机的接线方法V2U1U2V1W1W2定子绕组在接线盒中布置定子绕组的Y型连接定子绕组的Δ型连接63电气工程概论（4）.额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压.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％。线电压AZBYXC线电压ABCXYZ例：380/220Y/是指：线电压为380V时采用Y接法；当线电压为220V时采用接法。64电气工程概论电压波动对电动机的影响65电气工程概论（5）.额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。如：表示：三角形接法时，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。（6）.额定功率P2：

额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（），不等于从电源吸收的功率（）。两者的关系为：其中鼠笼电机=72－93％66电气工程概论额定负载时cos一般为0.7~0.9

，空载时功率因数很低约为0.2~0.3。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。（7）.功率因数(cos)：P2PN此外还有绝缘等级等参数，不一一介绍。cos67电气工程概论

9、三相异步电动机的选择、使用

一、

三相异步电动机的选择1．种类选择电动机种类的选择主要依据供电电源、机械性能、调速要求、启动性能和使用、维护以及市场价格等因素，为此我们应该了解各种类型电动机的主要特点。68电气工程概论

2．结构类型选择

(1）开启式。这种电动机无特殊遮掩和防护装置，通风、散热良好，适用于干燥、清洁、无易燃易爆气体的场所。

(2）防护式。这是最常用的电动机结构形式，电动机的机体被保护起来，只有机壳下面有通风孔。能防止杂物落入机内，通风、散热良好，但不防潮，适用于灰尘不多、比较干燥的场所。

(3）封闭式。这种电动机的外壳严格密封，内、外隔离，外壳带散热片，靠自身风扇冷却，适用于潮湿、多尘的场所。

(4）防爆式。包括接线端子在内全部严格密封，不让火花串到机壳外，也能防止易燃、易爆气体侵入，并能承受爆炸的压力，适用于化工、煤矿或其他有爆炸性气体的场所。69电气工程概论

3．转速选择电动机的转速与价格关系较大。相同容量和电压的电动机如果其转速不同，其价格就相差较远。转速越低，转差率越大，转矩也就越大。而转矩大则要求电动机内有较大的磁通量和转子电流，这将对电动机的结构提出更高的要求，使生产成本上升、价格变贵。一般尽量选用高转速的电动机，必要时配减速器。通常的异步电动机都是4极，同步转速n1=1500r/min。70电气工程概论

4．容量选择电动机容量的选择主要依据电动机的工作方式。一般电动机的工作方式有连续、短时和重复短时3种。（1）对于负载恒定、连续工作的电动机，其额定功率应该等于或稍大于生产机械所需的功率。这有利于电动机的充分利用和功率因数的提高。（2）对于短时工作的电动机，一般允许过载。因为短时过载不会造成电动机过热。工作时间越短，过载可以越大。具体应根据过载系数λ进行核算。71电气工程概论二、三相异步电动机的绕组连接判别三相异步电动机本身有星形（Y）和三角形（△）两种连接方法，如果电动机的三相定子绕组的6个接线端未标出或字样模糊不清，我们可用下面的实验方法和步骤确定。

1．判别3个定子绕组用万用表的电阻档或用带小灯泡的电池测试电动机的任意两个接线端，如果相通说明它们是同一绕组的首、尾端，否则不是。这样可测出每个定子绕组的两个接线端，并做好标记。72电气工程概论

2．判别定子绕组首尾端

1）干电池判别法由此可以判别三个定子绕组的首、尾端，如图所示。具体操作步骤如下：（1）任选一绕组作为初级，假定其首、尾端；（2）选一绕组作次级，将万用表调至mA档与此绕组两端相连；（3）再将干电池通过开关S及限流电阻R接初级绕组的首尾端（正极接尾端，负极接首端），当S闭合瞬间，观察万用表指针的偏转情况；73电气工程概论

干电池判别法74电气工程概论（4）判断首尾端。注视万用表（微安档）指针摆动的方向，合上开关瞬间，若指针摆向大于0的一边，则接电池正极的线头与万用表负极所接的线头同为首端或尾端。如指针反向摆动，则接电池正极的线头与万用表正极所接的线头同为首端或尾端。

（5）用同样的方法再判别其他绕组的首、尾端。75电气工程概论10、单相异步电动机一、概述

1、

应用情况单相异步电动机的功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。

2、优缺点优点：结构简单，成本低廉，噪音小。缺点：与同容量三相异步电动机相比较，体积较大，功率因数及过载能力都较低。故单相异步电动机只能做成小容量：微型：几瓦～750瓦；小型：550瓦～3700瓦。76电气工程概论

3、

结构与三相异步电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌有定子绕组。

77电气工程概论4单相异步电动机的工作原理定子转子定子绕组定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。78电气工程概论定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：

+

-=

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-=

mtm79电气工程概论脉动磁场的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦