電工學-第6章電動機

1、電工技術電工技術 下一章下一章 上一章上一章 返回主頁返回主頁 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系2 電機是實現(xiàn)能量轉換或信號轉換的電磁裝置。電機是實現(xiàn)能量轉換或信號轉換的電磁裝置。 電能電能 機械能機械能 直流電機和交流電機直流電機和交流電機 他勵電機他勵電機 并勵電機并勵電機 串勵電機串勵電機 復勵電機復勵電機 異步電機異步電機 同步電機同步電機 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系3 伺服電動機：伺服電動機：電壓信號轉化為角位移或角速度；電壓信號轉化為角位移或角速度； 測速發(fā)電機：測速發(fā)電機：將轉速轉化為電壓信號；將轉速轉化為電壓信號； 自自 整整 角角 機機 ：實現(xiàn)角

2、度的傳輸、變換和接受；實現(xiàn)角度的傳輸、變換和接受； 步進電動機：步進電動機：電脈沖信號轉化為轉角或轉速；電脈沖信號轉化為轉角或轉速； 旋轉變壓器：旋轉變壓器：轉角信號變換成電壓信號；轉角信號變換成電壓信號； 感應同步器：感應同步器：轉角位移或直線位移轉換成電壓信號。轉角位移或直線位移轉換成電壓信號。 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系4iUiViW tiO三相三相 (多相多相) 繞組中流過三相繞組中流過三相 (多相多相) 電流。電流。U1U2V1V2W2W1U1 U2 通入通入 iU V1 V2 通通入入 iV W1 W2 通通入入 iW 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系

3、5 t = 0W2U1V2W1U2V1U1W2V1U2W1V2NS t = = 90NSiUiViW tiO大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系6U1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3每相繞組都用兩個線圈串聯(lián)組成：每相繞組都用兩個線圈串聯(lián)組成：形成的磁場則是兩對磁極，形成的磁場則是兩對磁極，即即 p = 2 U1U2U3U4V1V2V3V4W1W2W3W4NSNSNSNSU1U2U3U4V1V4V2V3W4W1W2W3 t = 0 t = 90大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系7旋轉磁場轉速旋轉磁場轉速 n0 電流變化一周電流變化一周 旋轉磁場轉一圈旋轉磁場轉一圈電

4、流每秒變化電流每秒變化 50 周周 旋轉磁場轉旋轉磁場轉 50 圈圈 旋轉磁場轉旋轉磁場轉 3000 圈圈電流每分變化電流每分變化 (5060) 周周電流變化一周電流變化一周 旋轉磁場轉半圈旋轉磁場轉半圈電流每秒變化電流每秒變化 50 周周 旋轉磁場轉旋轉磁場轉 25 圈圈 旋轉磁場轉旋轉磁場轉 1500 圈圈電流每分變化電流每分變化 (2560) 周周大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系8 p12 3456n0/(r/min) 3000 1500 1000750600500 f = 50 Hz 時，不同磁極對數(shù)時的同步轉速如下：時，不同磁極對數(shù)時的同步轉速如下： 60 f1pn0 =

5、 磁極對數(shù)為磁極對數(shù)為 p 時時 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系9旋轉磁場的轉向為：旋轉磁場的轉向為：U1V1W1與三相繞組中的三相電流的相序與三相繞組中的三相電流的相序 L1 L2 L3 一致一致L1 L2 L3L1 L2 L3n0n0大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系10 右手定則右手定則 左手定則左手定則大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系11NS 用右手定則判斷用右手定則判斷 轉子繞組中感應轉子繞組中感應 電流的方向。電流的方向。 用左手定則判斷用左手定則判斷 轉子繞組受到的轉子繞組受到的 電磁力的方向。電磁力的方向。 電磁力電磁力 F 電磁轉矩電磁轉矩

6、 T 。 T 與與 n0 同方向。同方向。n0Fn 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系12 電動機轉速和旋轉磁場同步轉速的關系：電動機轉速和旋轉磁場同步轉速的關系： n 與與 n0 方向一致。方向一致。 n n0，轉差率轉差率 :起動起動 (堵轉堵轉) 時時: n = 0，s = 1 理想空載時理想空載時: n = n0，s = 0 正常工作時正常工作時: 0 s TL 加速運行加速運行當當 T2 TL 電動機能起動，電動機能起動，否則將起動不了。否則將起動不了。起動轉矩倍數(shù)起動轉矩倍數(shù): : Y系列：系列：KS = 1.62.2 KC = 5.57.0起動電流起動電流: :MNST

7、NsN1TSTMsMTOsTS TN KS =IS INKC =大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系28 例例6.5.1 某三相異步電動機，額定功率某三相異步電動機，額定功率 PN = 45 kW，額定轉速額定轉速 nN = 2 970 r/min， KM = 2.2 ，KS = 2.0。若若 TL = 200 Nm，試問能否帶此負載：，試問能否帶此負載：(1) 長期運行長期運行; (2) 短期運行短期運行; (3) 直接起動。直接起動。解解 (1) 電動機的額定轉矩電動機的額定轉矩由于由于TN TL，故可以帶此負載短時運行，故可以帶此負載短時運行。 (3) 電動機的起動轉矩電動機的起

8、動轉矩由于由于TS TL，故可以帶此負載直接運行，故可以帶此負載直接運行。 TS = KSTN = 2.0145 Nm = 290 Nm 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系29UN0.9UN0.81TM0.81TSR2R2 +R TM n0nOT 轉子串聯(lián)合適的電阻轉子串聯(lián)合適的電阻: : TS TMn0nMnOT大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系30異步機的起動特性：異步機的起動特性： 起動電流大起動電流大: IS = KI IN = (57)IN 起動轉矩小起動轉矩小: TS = KSTN = (1.62.2)TN影響：影響： 頻繁起動時造成熱量積累頻繁起動時造成熱量積

9、累, ,易使電動機過熱。易使電動機過熱。 大電流使電網電壓降低，影響其他負載工作。大電流使電網電壓降低，影響其他負載工作。 良好的起動性能良好的起動性能: 起動電流小起動電流小 起動轉矩大起動轉矩大大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系31(全壓起動全壓起動) (a) 小容量的電動機；小容量的電動機； (b) 電源容量足夠大時。電源容量足夠大時。 7.5 kW 以下直接起動以下直接起動 7.5 kW 以上，且電源容量能滿足起動以上，且電源容量能滿足起動電流倍數(shù)電流倍數(shù) 3 + 1 4IS INKC =電源容量電源容量 (kVA)電機功率電機功率 (kW)大連理工大學電氣工程系大連理工大學

10、電氣工程系32 適用于：正常運行為適用于：正常運行為形聯(lián)結的電動機。形聯(lián)結的電動機。 起動時起動時運行時運行時UVWUNI1LYUVWUNI1L 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系33定子線電壓比定子線電壓比定子相電壓比定子相電壓比起動電流比起動電流比起動轉矩比起動轉矩比電源電流比電源電流比定子相電流比定子相電流比= = 1UNUNU1LYU1L= = U1PYU1PU1PU1PY/ 313= = I1PYI1PU1PU1PY13= = ISYISI1PI1PY133= = IYIISISY13=( ) = U1PYU1PTSYTS213大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系3

11、4降壓比降壓比KA=UUN定子線電壓比定子線電壓比定子相電壓比定子相電壓比M3U UN定子相電流比定子相電流比起動電流比起動電流比電源電流比電源電流比起動轉矩比起動轉矩比= = KAUUNU1LaU1Lb= = KAU1LaU1LbU1PaU1Pb= = KAU1PaU1PbI1PaI1Pb= = KAI1PaI1PbISaISb= = KAKAISaISbIaIb2=( ) = KAU1PaU1PbTSaTSb22大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系353 軟起動器軟起動器 M3uOtuNtsiOtiRtsiL限壓起動模式限壓起動模式限流起動模式限流起動模式大連理工大學電氣工程系大連

12、理工大學電氣工程系36 例例6.6.1 一臺一臺 Y250M-6 型三相籠型異步電動機，型三相籠型異步電動機，UN380 V，三角形聯(lián)結，三角形聯(lián)結，PN = 37 kW，nN = 985 r/min，IN = 72 A，KS = 1.8，KC = 6.5。已知電動機起動時的負載。已知電動機起動時的負載轉矩轉矩TL = 250 Nm，從電源取用的電流不得超過，從電源取用的電流不得超過360 A，試問：試問：(1) 能否直接起動？能否直接起動？(2) 能否采用星形三角形起能否采用星形三角形起動？動？(3) 能否采用能否采用 KA = 0.8 的自耦變壓器起動？的自耦變壓器起動？ 解解 (1) 電

13、動機的額定轉矩電動機的額定轉矩直接起動時的起動轉矩和起動電流直接起動時的起動轉矩和起動電流由于由于I= IS 360 A，所以不能直接起動。，所以不能直接起動。TN = = Nm =359 Nm60 2 PN nN60 23.1437103985TS = KSTN = 1.8359 Nm = 646 NmIS = KCIN = 6.572 A = 468 A 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系37(2) 星形三角形起動時的起動轉矩和起動電流星形三角形起動時的起動轉矩和起動電流由于由于 TSY TL， IS 360 A，所以可以采用自耦，所以可以采用自耦變壓器起動。變壓器起動。TSY

14、= TS = 646 Nm = 215 Nm1313 ISY = IS = 468 A = 156 A1313TSa = KATS = 0.8 646 Nm = 413 Nm22IS = KAIb= KAI = 0.8 468 A = 300 A222大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系38 減小起動電流減小起動電流 增大起動轉矩增大起動轉矩 頻敏變阻器：頻敏變阻器： 頻率高，損耗大，電阻大；頻率高，損耗大，電阻大； 頻率低，則反之。頻率低，則反之。 轉子電路起動時轉子電路起動時: 轉子電路運行時轉子電路運行時:f2 高，電阻大，高，電阻大，f2 低，電阻小，低，電阻小，自動切除變阻器

15、。自動切除變阻器。 R2n0TnOTsR2Ts R2R2Ts 大，大， Is 小。小。大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系39(1) 改變同步轉速改變同步轉速 n0 改變頻率改變頻率 f1 和磁極對數(shù)和磁極對數(shù) p(2) 改變轉差率改變轉差率 s n = (1s) n0 = (1s) p60 f1 調速：在一定的負載下，根據生產的需要調速：在一定的負載下，根據生產的需要 人為地改變電動機的轉速。人為地改變電動機的轉速。3 變頻器變頻器 M3大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系40U1U2U3U4(a) p = 2(b) p = 1U1U2U3U4大連理工大學電氣工程系大連理工大

16、學電氣工程系41UN0.9UNn0nMnOTR2R2 +RTM n0nOT大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系42I2nsI2 T 若相位相同若相位相同T若相位相反若相位相反I2nsI2TT 在轉子電路中串入與在轉子電路中串入與 E2 頻率相同，相位相同或相反頻率相同，相位相同或相反的附加電動勢的附加電動勢 Ea 。I2 = E2EaR2 (sX2) 22引入引入Ea 引入引入Ea 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系43 例例6.7.1 一臺繞線轉子異步電動機，轉子繞組每相一臺繞線轉子異步電動機，轉子繞組每相的電阻的電阻 R2= 0.022，漏電抗，漏電抗 X2 = 0.27

17、5，額定轉速額定轉速 nN=1 440 r/min。(1) 要使起動轉矩等于最大轉矩，在轉要使起動轉矩等于最大轉矩，在轉子繞組的每相電路中應串聯(lián)多大的起動電阻？子繞組的每相電路中應串聯(lián)多大的起動電阻？(2) 在額定在額定負載轉矩情況下，在轉子繞組的每相電路中應串聯(lián)多大負載轉矩情況下，在轉子繞組的每相電路中應串聯(lián)多大的調速電阻才能將轉速降至的調速電阻才能將轉速降至1 200 r/min？ O sN sMN s sM sTTMTN解解M M(2) 將轉子電路串聯(lián)電阻將轉子電路串聯(lián)電阻 前后的轉矩特性前后的轉矩特性 OM 段都近似用直線代替。段都近似用直線代替。 (1) Rst X2 R2 (0.2

18、750.022) 0.253 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系44未串聯(lián)調速電阻前的轉差率未串聯(lián)調速電阻前的轉差率 sN 和臨界轉差率和臨界轉差率 sMN串聯(lián)調速電阻后的轉差率串聯(lián)調速電阻后的轉差率串聯(lián)調速電阻后的臨界轉差率串聯(lián)調速電阻后的臨界轉差率轉子每相繞組的總電阻轉子每相繞組的總電阻應串聯(lián)的調速電阻應串聯(lián)的調速電阻 Rst = R2S R2 = (0.11 0.022) = 0.088 = = 0.041 500 1 440 1 500n0 nNn0sN=R2 X2sMN = 0.08 0.0220.275= = 0.21 5001 200 1 500n0nn0s =0.04

19、sM = s = s = 0.2 = 0.4 TMTNsMNsN0.08R2S = sMX2 = 0.4 0.275 = 0.11 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系45 一、脈振磁場一、脈振磁場 Fm Rm m Fm Rm m Rm Fm tOt1t2t3t4t5t6t7t8大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系46二、工作原理二、工作原理 無起動轉矩，有運行轉矩。無起動轉矩，有運行轉矩。TRsF1TFsRTOs(a) 轉子順時針方向旋轉轉子順時針方向旋轉(b) 轉子逆時針方向旋轉轉子逆時針方向旋轉TFsR1TRsFTOs大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系47 原理

20、：兩相電流原理：兩相電流旋轉磁場旋轉磁場起動轉矩起動轉矩三、起動方法三、起動方法轉子轉子CW1S1iWiSW2S2n轉子轉子 勵磁繞組勵磁繞組 短路環(huán)短路環(huán) 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系48 交流伺服電動機是兩相異步電動機。交流伺服電動機是兩相異步電動機。 機械特性機械特性Tn0.25UCUC0.75UC0.5UCO原理圖原理圖 轉速控制方式：轉速控制方式： 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+uCL大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系49 步進電動機將電信號轉變成轉角或轉速。步進電動機將電信號轉變成轉角或轉速。 U2 V1V2 U1

21、W2W1 1234大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系50( (b) ) V 相通電相通電通電順序：通電順序：U V W U( (a) ) U 相通電相通電每一拍轉子轉過的角度稱步距角。每一拍轉子轉過的角度稱步距角。( (c) ) W 相通電相通電W2U1V1W1U2V212343412W2U1V1W1U2V23412W2U1V1W1U2V2 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系51( (a) ) UV 相通電相通電U1W2V1W1U2V23412 W2V1W1U2V23412U1W2V1W1U2V23412U1( (b) ) VW 相通電相通電 ( (c) ) WU 相通電相

22、通電通電順序：通電順序：UV VW WU UV通電順序：通電順序：U UV V VW W WU U步距角步距角 與轉子齒數(shù)與轉子齒數(shù) Z 和拍數(shù)和拍數(shù) N 的關系的關系360 ZN =轉子每分鐘的轉速轉子每分鐘的轉速60f ZNn =大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系52 U1U2V1V2W1W2NSIf 特點：通過改變轉子特點：通過改變轉子 If，可以調節(jié)電動機的，可以調節(jié)電動機的 。原理圖原理圖機械特性機械特性nTn0O大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系53 在兩電刷之間加入在兩電刷之間加入直流電壓，則在繞組中直流電壓，則在繞組中產生電流，通電導體又產生電流，通電導體又受到力的作用，產生電受到力的作用，產生電磁力矩。由于換向器的磁力矩。由于換向器的作用，在作用，在 N (S) 極下受極下受力方向不變，使電樞旋力方向不變，使電樞旋轉起來。轉起來。 FSNiae F e 大連理工大學電氣工程系大連理工大學電氣工程系54T = CT Ia式中：式中： 每極磁通；每極磁通； Ia 電樞電流；電樞電流； CT 電機結構決定的常數(shù)。電機結構決定的常數(shù)。E = C