第4章 交流电动机的工作原理和特性.ppt

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1、,第4章 交流电动机的工作原理和特性,4.1 三相异步电动机的构造,4.2 三相异步电动机的转动原理,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 单相异步电动机,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。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的分类：,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能,交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。,概 述,1.

2、按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。,2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.,4.1 三相异步电动机的结构,A、B、C三相绕组,A、B、C 三相绕组,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。,这是三相异步电动机的基本结构示意图,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。,端盖,机座,这是三相异步电动机的基本结构示意图,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。,定子,这是三相异步电动机的

3、基本结构示意图,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。,定子,转子,轴承,端盖,机座,这是三相异步电动机的基本结构示意图,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。,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,定子绕组,机座,定子铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,这是定子硅钢片,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,定子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,这是转子硅钢片,2.转子,这是绕线型转子铁心与绕组,根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子,鼠笼型转子的电机称鼠笼式电动机绕线型转子的电机称绕线式电动

4、机,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子三相绕组接成Y型,鼠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。,这是笼型转子,三相异步电动机的基本结构示意图,4.2 三相异步电动机的转动原理,对称三相电流流入 对称三相绕组：i 正方向规定：首端 末端如：iA：A X iA 0 X A iA 0,一.定子旋转磁场,iA=Imsin t,iB=Imsin(t-120),iC=Imsin(t+120),相序A-B-C-A,A,X,B,Y,C,Z,iA,iB,iC,iA,i,iB,iC,t,二、旋转磁场的方向,当电流相序为：A-B-C-A，旋

5、转磁场的方向为顺时针方向,旋转磁场的反转：改变流入三相绕组的电流相序（即对调 定子绕组接至电源的三根导线中任意 两根）,旋转磁场的方向：由电流超前的线圈转向电流滞后的线圈,结论：空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流，当电流随时间交变时，产生的两极磁场在空间旋转。定子旋转磁场,结论：改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;,相序A-B-C-A,相序A-C-B-A,三、旋转磁场的极对数P,t=0,A,Z,B,X,C,X,C,Y,A,Z,B,Y,S,N,（P=2）,N,0,S,iA=0iB 0iC 0,四极旋转磁场,60,0,t=6 0,N,S,30,S,N,0,t,i,iA,

6、iB,iC,0,结论：当定子每相中有n个线圈串联,且每相绕组始端在空间相差120/n 时,通入对称三相交流电后,产生一个2n极旋转磁场。（P=n）,四、旋转磁场的速度 n0,电源的频率,磁极对数,P=1 n0=3000 r/min,P=2 n0=1500 r/min,P=3 n0=1000 r/min,同步转速,P=4 n0=750 r/min,是定子旋转磁场和转子电流的相互作用的结果,-基于电磁感应定律和电磁力定律,五、三相异步电动机的工作原理,六、转子转速 n 和转差率 S,n=(1S)n0,转差率,0 S,启动时：n=0，S=1额定运行时：nN n0，SN=0.015 0.06,转子转速

7、,n n0,-异步电动机,结论：通过电磁感应，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。-异步电动机也称为感应电动机,铭 牌,4.3 三相异步电动机的额定参数,一、定子绕组的接法,Ul=380 V,Ul=380 V,UP=Ul=380 V,接线方式选择：根据电源线电压及电动机的额定电压而定,若电动机铭牌上标有 220/380V两种额定电压，接法标明/Y，则表明：若电源线电压=220V,接；若电源线电压=380V,Y接。,每相绕组的相电压,每相绕组的相电流,线电压,线电流,解：,二、三相异步电动机的额定值,额定功率PN-在额定运行情况下，电动机轴上所输出的 机械功率。,型号：

8、,额定电压UN-电动机在额定运行情况下的定子绕组所 加线电压。220/380，/Y,额定电流IN-电动机在额定情况下运行时定子绕组的线 电流值，也称满载电流。10.25/5.9，/Y,额定频率fN-在额定运行情况下的交流电源频率。我国 工业标准频率为50Hz。,额定转速nN-电动机在额定运行情况下的转速，也称满 载转速。,额定功率因数cosN-电动机在额定运行情况下的定子电 路功率因数。,额定效率N-是指额定运行情况下输出功率与输入功率 的比值,额定负载转矩TN-在额定运行情况下，电动机轴上负 载转矩。,A,Z,B,X,C,Y,主磁通,4.4 三相异步电动机的电路分析,定子绕组和转子绕组均为交

9、流铁心线圈,三相异步电动机的一相电路图,一、定子电路,U1 E1=4.44 f1N1,u1=R1i1 e1-eL1,用向量表示：,Z1=R1+jX1：定子的内阻抗,一般：R1，X1很小，可忽略,R1：每相定子绕组电阻X1：每相定子绕组漏磁 感抗 X1=2f1L1：旋转磁场每极磁通N1：每相定子绕组匝数,Z2=R2+jX2：转子的内阻抗,E2=4.44 f2N2,二、转子电路,0=R2i2 e2 eL2,用向量表示：,R2：每相转子绕组电阻X2：每相转子绕组漏磁 感抗 X2=2f2L2：旋转磁场每极磁通N2：每相转子绕组匝数,三、转子电路中有关各量,f2-转子电流的频率 转子和旋转磁场的相对速度

10、 n0n,=S f1,2.E2-转子感应电动势,X20是n=0时的X2,3.X2-转子漏磁感抗,X2=2f2L2,=2 S f1L2,=S X20,E20是n=0时的E2,E20=4.44 f1N2,X20=2 f1L2,I2,cos 2,1,4.I2-转子电流,5.cos 2-转子功率因数,结论：E2，I2，f2，X2和cos2均与S有关,电磁转矩 T=Kt I2cos 2,将,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，所以,一.转矩公式,常数,I2，,4.5 三相异步电动机的转矩与机械特性,cos 2,TS曲线,其中：K-与Kt，f1，N1，N2有关的常数。K1/f U1

11、，U-定子绕组的相电压，电源相电压,二.机械特性曲线 n=f(T),因为 n=n0(1-S),可以由转矩特性得到机械特性,1.固有机械特性,（以下分析时忽略空载损耗）,条件：U=UN，f1=fN，定子及转子回路中 不串入任何阻抗,n（S）,四个特殊点：,运行段,非运行段,TN 额定负载转矩,Tst 启动转矩,额定转差率,起动瞬间 n=0，S=1,U 2,49,55,Tmax 最大转矩,st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,特殊 st 2.2 2.8,启动系数 st-表征启动能力,由dT/ds=0,得,临界转差率,U2,过载系数 m-表征过载能力,m Tmax T N,注意：Tmax

12、TL,电动机才能正常工作，否则 电动机将停转，造成严重过载。,当X20不变时,临界转差率Sm随R2增大而增加。,c.Sm=R2/X20,a.Tmax U2,b.Tmax与 R2无关,，Sm与 U无关,，U Tmax,工程上采用规格化转矩转差率特性求得T,-不易得到,2.人为机械特性,改变U，f1，或定子及转子回路中串入电阻或电抗,降低电源电压U,条件：U UN，f1=fN，定子及转子回路中不串入任何 阻抗,a.n0不变,c.特性变软,49,43,53,63,61,改变电源频率f（=f1）,a.n0，Sm,d.不变,以保证不变，从而保证 Tmax不变,定子回路串入电阻R1s,条件：U=UN，f=

13、fN，转子回路中不串入任何阻抗,i1,串入电阻R1s，将使定子每相绕组上的电压U1降低，类似于降低电源电压U的情况,49,转子回路串入电阻R2s,条件：U=UN，f=fN，定子回路中不串入任何阻抗,e2,i2,43,65,特点：,a.n0不变，Sm,d.,b.Tmax不变,c.Tst,4.6 三相异步电动机的启动特性,启动初始瞬间，n=0，S=1,起动电流Ist大，Ist=（57）IN。,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-Tst=（0.81.5）TN,直接启动存在的问题：,频繁起动会使电动机过热。,虽然刚起动时转子电流较大，

14、但转子的功率因数很低,不能满载起动。,L1 L2 L3,1.直接起动（全压启动）,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机,一、鼠笼式异步电动机的启动方法,启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57倍,2.降压起动,启动时降低电动机定子绕组的相电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,（1）Y-降压起动法,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子绕组,启动时接成星型Y型启动完毕接成三角形型,特点：起动电流和起动转矩都降低到直 接起动时的三分之一2.只适用于正常运行时为接法的 电动机3.空载或轻载启动,启

15、动器,49,（2）自耦变压器降压起动,自耦变压器抽头有 0.55,0.64,0.73 等,则变压器副方电流,而变压器原方电流,电动机起动转矩,自耦变压器,结论:电动机起动电流Ist和起动转矩Tst均为直接起动的K2。,（3）定子绕组串入电阻或电抗降压起动,启动时，开关1KM打开，串入Rst（Xst）降压启动。当电动机的转速接近稳定值时,再将开关 1KM合上,切除Rst（Xst）。,特点:1.起动转矩Tst。2.Rst消耗功率。3.用于不经常启动且空载或轻载的场合。,（4）延边三角形起动,每相绕组有两个线圈,将三相绕组中一个线圈接为 Y 形,另一个线圈接为 形,电动机起动电流,Isty Ist

16、Ist,转子回路中串电阻R2st，减小起动电流。当电动机转速接近稳定值时,再切除Rst。,二、绕线式异步电动机的启动,n,0,T,s,TL,1.逐级切除启动电阻,55,2.利用频敏电阻器启动,频敏电阻器,n=(1S)n0,调速方法:改变S、P、f,4.7 三相异步电动机的调速,一.改变S调速（n0不变）,1.调压调速-通过改变定子绕组的电压U来调速,方法：改变电源电压U或定子回路串入电阻R1s,47,2.转子回路串电阻R2s调速（用于绕线式电动机）,二.改变极对数 p 调速,通过改变定子绕组的接法来改变p，从而实现调速。一般用于多速（双速、三速、四速等）电动机的调速,P=1,P=2,将每相绕组

17、分成两半，以A相为例：线圈A1X1和A2X2。若A1X1和A2X2串联，得 p=2；,若A1X1和A2X2反并联（头尾相联），得p=1。,p=2:1,2,3接电源；4,5,6 悬空,p=1:4,5,6接电源；1,2,3 短接,：n1=15003000 r/m,如：,三.改变电源频率 f 调速,一、反馈制动,当转子的转速n超过旋转磁场的转速no时，这时的转矩是制动转矩。电动机进入反馈制动状态。,4.8三相异步电动机的制动,制动：在外部条件作用下，电动机的T与n反向，电动 机工作在发电状态。,f,E2(I2),n,0,T,n0,电动状态,反馈制动,反馈制动可能发生在：（1）起重机下放重物时,（2）

18、变频调速或变极对数调速时,n,T,反馈制动,电动状态,n,0,T,n01,电动状态,反馈制动,a,b,c,na,nc,TL,TL,fN,f1,二、反接制动,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使M停机。,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。,f,E,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,E2(I2),n,0,T,n0,电动状态,反接制动,断开电源，否则电机将反转,三、能耗制动,制动时将定子绕组从三相电源断开，然后接入低压直流电源。产生固定磁场,旋转的转子导条内产生e2及i2，i2与固定磁场相互

19、作用，产生与n相反的电磁转矩-制动转矩，使n减速。当 n0,i20,T0,制动: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,f,E2(I2),n0,电动状态,能耗制动,n,0,T,a,b,n=0时，切断直流电源,TL,用途：功率不大的电动工具：如电钻、搅拌器等,4.9 单相异步电动机,功率：一般为几 几百瓦。,单相异步电动机:定子只有一相主绕组，转子采用鼠笼式转子,家用电器：如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等,一、单相异步电动机的结构,4 鼠笼式转子绕组,隐极式,凸极式,1 定子,2 定子绕组,3 转子,二.单相异步电动机的磁场,当定子单相绕组中通入单相交

20、流电后产生的磁场为正弦交变脉振磁场：轴线固定，幅值随时间正弦交变,可将脉振磁场分解为两个幅值相等、以同一转速 n0向相反方向旋转的磁通。,脉振磁场的分解,0,t0,t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8,t,T（合成转矩）,T,0,1,1,S+,S,2,2,0,T+,1.n=0,S+=S=1时,T=0，电机不能自行起动,T-S曲线,n,2.若有外力将转子推一下，T+T，电动机可以启 动，转动方向取决于外力方向。,n,合成转矩 T=T+T,若三相异步电动机运行时断了一根线，相当于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相运行，或缺相运行。,禁止,例:三相异步电动机在电源断掉一根线后为什么不

21、能起 动？在运行中断掉一根线为什么还能继续转动？长 时间运行是否可以？,三相异步电动机在电源断掉一根线时，就成为 单相电动机运行。在起动时断了一线，因起动 转矩为零而不能起动，只能听到嗡嗡声，这时 电流很大，时间长了，就将电动机烧坏。,如果在运行中断了一线，则电动机仍将继续转 动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定 电流。时间一长，也会使电动机烧坏,答:,两相绕组形成的旋转磁场,(1)在空间相差90的两个绕组，分别流入在相位上 相差90的两相电流，也能产生旋转磁场。,(2)如果两个绕组的参数相同，两相电流的幅值相等，产生的是圆形旋转磁场。,(3)如果两个绕组的参数不对称，两相电流的幅值不 相

22、等，或者两相电流的相位差小于90时，产生 的是椭圆形旋转磁场。,(4)旋转磁场的转向是从电流相位超前的绕组的轴线 位置转向电流相位滞后的绕组的轴线位置,所以,改变两个绕组中电流的相位关系,可以改变旋转 磁场的转向,也就改变了电动机的转向。,结 论,三、电容分相式异步电动机,适当选择C，使二绕组中的电流iB超前iA 90,即可产生旋转磁场。旋转磁场的方向：从电流超前的线圈转向电流滞后的线圈。,在电机起动后，有的电动机利用离心开 关 S 切断起动绕组BY。,定子上放置：,起动绕组BY,工作绕组AX,在空间相隔90,串联 C,在旋转磁场的作用下，转子随着旋转磁 场转动。n方向同n0,iB=Imsin

23、(t+90),iA=Imsin t,例：如何让电容分相式异步电动机反转？,答:只要改变旋转磁场的方向即可改变电容分相异步电动机的转向。故只要改变电容C的串联位置，让iA超前iB900，即可实现旋转磁场的反向，从而实现电动机的反转。,实现正反转电路,s1:顺时针旋转,s2:逆时针旋转,在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。,四、罩极式异步电动机,罩极内外的磁通产生相位差形成旋转磁场。,它使鼠笼形转子产生转矩而起动。,2滞后于1,椭圆形旋转磁场的方向：从未罩部分转向罩住部分，而且转向是不能随意改变的。,罩极式异步电动机的转动方向：是从未罩部分转向 罩住部分,4.10 同步电动机,一、同步电动机的结

24、构,定子：同异步电动机。三相绕组通 以三相交流电流,转子,主磁极,直流励磁绕组经电刷引入 直流电源,鼠笼式启动绕组极掌上,二、同步电动机的工作原理,1.异步启动：,定子绕组通以三相交流电流，产生旋转磁场（n0=60f/P），转子鼠笼式启动绕组切割旋转磁场，绕组内产生电流i2，i2 与作用，使转子沿旋转磁场n0的方向转动起来。异步启动,2.同步运行,当n n0时，转子励磁绕组接入直流电源，流过直流电流If，产生一个固定极性的磁场（极对数同旋转磁场），根据异性相吸的原理，旋转磁场紧紧吸住固定磁场从而带动转子以同步转速n0旋转。同步运行,旋转磁场,固定磁场,If,三、同步电动机的工作特点,功率因数cos随励磁电流If的改变而改变，可用于 做功率补偿。,