機電傳動控制課件第4章

1、第四章第四章 交流電動機的交流電動機的工作原理及特性工作原理及特性 交流電動機分為異步電動機和同步電動機。 4.1 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)均可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)均可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分 定子繞組的接線方式定子繞組的接線方式 n圖圖4.5 出線端排列出線端排列 圖圖4.6定子星形接法定子星形接法 圖圖4.7 定子三角形接法定子三角形接法 三相異步電動機的銘牌三相異步電動機的銘牌n三相異步電動機型號三相異步電動機型號 n額定功率額定功率n額定頻率額定頻率 n額定電壓額定電壓n額定電流額定電流n額定接法額定

2、接法n額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n絕緣等級絕緣等級n工作方式工作方式 4.1.2三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場 圖圖4.8 定子三相繞組定子三相繞組 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 mI sinAitm2I sin3Bitm4I sin3Cit圖圖4.9 三相電源的電流波形圖三相電源的電流波形圖 磁場旋轉(zhuǎn)方向磁場旋轉(zhuǎn)方向n圖圖4.10 兩極旋轉(zhuǎn)磁場兩極旋轉(zhuǎn)磁場 旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度 n三相異步電動機三相定子繞組每相只有一個線圈，三相繞組的首端之間在空間上相差120，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對磁極（磁極對數(shù)用P表示）即P=1。 060nf三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理 n

3、三相異步電動機的工作原理，是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流）的相互作用。 n圖圖4.15三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理 n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速之間要有差值，這是電動機工作的前提，n正因如此這種電動機稱為異步電動機。在異步電動機中常用轉(zhuǎn)差率（用S表示）來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0相差的程度00nnSnn三相異步電動機的工作原理是：n1）三相定子繞組中通入對稱三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。n2）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流。n3）轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩，進而驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 4.2三相異步電動機的定子電路和轉(zhuǎn)子電路

4、三相異步電動機的定子電路和轉(zhuǎn)子電路圖圖4.16三相異步電動機的一相電路三相異步電動機的一相電路 4.2.1定子電路定子電路 n定子每相繞組的感應(yīng)電動勢E1n感應(yīng)電動勢的頻率f1 11114.44dpf N k 0160nf p4.2.2 轉(zhuǎn)子電路轉(zhuǎn)子電路 n轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢E2 n轉(zhuǎn)子電動勢的頻率轉(zhuǎn)子電動勢的頻率f2 n轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗X2 n每相繞組的阻抗為 Z2=R2+jX2=R2+jSX20 22224.44dpEf N k000210p()6060nnnn pnfSfn2221222LLXf LSf Ln轉(zhuǎn)子繞組的電流轉(zhuǎn)子繞組的電流I2 n轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)

5、轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù) 222222222220cos()RRRXRSX2202222222220()ESEIRXRSX4.3三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與機械特性三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與機械特性 n4.3.1 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為22costTKI 12222220(4.44)()Sf NIRSX轉(zhuǎn)子電流 222122222220220()()SR USR UTKKRSXRSX4.3.2三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的機械特性 n三相異步電動機的機械特性也分為固有機械特性和人為機械特性 圖圖4.17 三相異步電動機的固有機械特性三相異步電動機

6、的固有機械特性 固有機械特性n（1）理想空載轉(zhuǎn)速點 （亦稱同步轉(zhuǎn)速點）n（2）額定運行點 n（3）臨界工作點 （亦稱最大轉(zhuǎn)矩點） n（4）啟動工作點 2222220stR UTKRXmax/mNTT2max202UTKX00NNnnSn人為機械特性 n人為地改變電動機的參數(shù)或外加電源電壓、電源頻率，異步電動機的機械特性將發(fā)生變化，這時得到的機械特性稱為異步電動機的人為機械特性。 n得到人為機械特性常用的方法有：（1）降低電動機定子電壓（2）改變定子電源頻率（3）轉(zhuǎn)子電路串電阻 圖圖4.18改變電源電壓時的人為機械特性改變電源電壓時的人為機械特性 n圖圖4.19改變定子電源頻率時的人為機械特性改

7、變定子電源頻率時的人為機械特性 n 圖圖4.20改變轉(zhuǎn)子電阻時的人為機械特性改變轉(zhuǎn)子電阻時的人為機械特性 4.4 三相異步電動機的啟動特性三相異步電動機的啟動特性 n異步電動機對啟動的要求：n（1）要求異步電動機有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。n（2）在滿足生產(chǎn)機械能啟動的情況下，啟動電流越小越好。n（3）啟動過程中，平滑性越好對生產(chǎn)機械的沖擊就越小；啟動設(shè)備可靠性越高，電路越簡單，操作維護就越方便。 n異步電動機啟動的瞬間，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為零，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出很大的轉(zhuǎn)子電勢和轉(zhuǎn)子電流，從而引起很大的定子電流，一般啟動電流Ist可達額定電流IN的47倍；而啟動時由于轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，啟動轉(zhuǎn)矩卻不大，一般

8、(0.81.5)。n解決這些矛盾，其核心問題就是減小啟動電流和增大啟動轉(zhuǎn)矩。 4.4.1鼠籠式異步電動機的啟動方法n有直接啟動和降壓啟動 直接啟動又稱全壓啟動，就是將電動機的定子繞組接在額定電壓下啟動。 344stNII啟動電流電源總?cè)萘款~定電流電動機功率定子回路串對稱三相電阻或電抗器降壓啟動定子回路串對稱三相電阻或電抗器降壓啟動 n采用電阻或電抗器降壓啟動時，若電壓下降到額定電壓的K倍（K1），則啟動電流也下降到直接啟動電流的K倍，但啟動轉(zhuǎn)矩卻下降到直接啟動矩的K2倍。這表明串電阻或電抗器降壓啟動雖然降低了啟動電流，但同時啟動轉(zhuǎn)矩也大為降低。 星星-三角形降壓啟動三角形降壓啟動 n對于電動機

9、正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電動機，在啟動時將定子繞組接成星形，這時定子每相繞組上的電壓為正常運行時定子每相繞組上的電壓的0.58倍，起到了降壓的作用；待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將定子繞組接成三角形，電動機啟動過程完成而轉(zhuǎn)入正常運行。 n圖圖4.23 星星-三角形降壓啟動的原理圖三角形降壓啟動的原理圖軟啟動軟啟動 n軟啟動是一種近年來發(fā)展起來用于控制鼠籠式異步電動機的全新啟動方式。它是一種集電動機軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電動機啟動控制裝置，通過控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同功能的啟動方式。由于電動機啟動時電

10、壓和電流都可以從零連續(xù)調(diào)節(jié)，對電網(wǎng)電壓無浪涌沖擊，電壓波動小，而電動機的轉(zhuǎn)矩亦連續(xù)變化，對電動機及機械設(shè)備的機械沖擊也幾乎為零。 4.4.2 線繞式異步電動機的啟動方法線繞式異步電動機的啟動方法 n逐級切除啟動電阻法逐級切除啟動電阻法 n轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器法轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器法n頻敏變阻器的主要優(yōu)點是：具有自動平滑調(diào)節(jié)啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的良好啟動特性，且結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。 4.5三相異步電動機的調(diào)速特性三相異步電動機的調(diào)速特性 n4.5.1 調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速 圖圖4.28 調(diào)壓調(diào)速時的機械特性調(diào)壓調(diào)速時的機械特性 這種調(diào)速方法能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，但當(dāng)降低電壓時，轉(zhuǎn)矩也按電壓的平方比例減小，

11、電動機在低速時的機械特性太軟，其靜差率和運行穩(wěn)定性往往不能滿足生產(chǎn)工藝要求。因此，現(xiàn)代的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)通常采用速度反饋的閉環(huán)控制，以提高低速時機械特性的硬度。從而在滿足一定的靜差率條件下，獲得較寬的調(diào)速范圍，同時也能保證電動機具有一定的過載能力。 4.5.2 轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速 n轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速簡單可靠，但它是有級調(diào)速，不能實現(xiàn)連續(xù)平滑調(diào)速。隨轉(zhuǎn)速降低，特性變軟，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子電路電阻損耗與轉(zhuǎn)差率成正比，隨著串入電阻的增大而增大，低速時損耗大，是一種不經(jīng)濟的調(diào)速方法。所以，這種調(diào)速方法大多用在重復(fù)短期運轉(zhuǎn)對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機械中，如在起重運輸設(shè)備中應(yīng)用非常廣

12、泛。 4.5.3 變極調(diào)速變極調(diào)速 n變極對數(shù)調(diào)速就是在電源頻率不變的條件下 ，改變電動機的極對數(shù) ，就可以改變電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，電動機的轉(zhuǎn)速也變化，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的有級調(diào)節(jié)。 4.5.4 變頻調(diào)速變頻調(diào)速 n圖圖4.29 額定頻率額定頻率fN以上變頻調(diào)速的機械特性以上變頻調(diào)速的機械特性 4.6 三相異步電動機的制動特性三相異步電動機的制動特性 n4.6.1 反接制動反接制動 1電源反接制動 圖圖4.30 電源反接時反接制動的機械特性電源反接時反接制動的機械特性 電源反接時會在轉(zhuǎn)子回路中感電源反接時會在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出很大的電流，為了限制轉(zhuǎn)應(yīng)出很大的電流，為了限制轉(zhuǎn)子電流，對鼠籠型異步

13、電動機子電流，對鼠籠型異步電動機可在定子電路中串接電阻；對可在定子電路中串接電阻；對線繞型異步電動機可在轉(zhuǎn)子電線繞型異步電動機可在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻，限制電流的同路中串接電阻，限制電流的同時增大制動轉(zhuǎn)矩時增大制動轉(zhuǎn)矩 n2. 倒拉反接制動 圖圖4.31 倒拉反接制動時的機械特性倒拉反接制動時的機械特性 在重物下降過程中，重物下降時減小的位能轉(zhuǎn)化為電動機軸上的機械功率，機械功率通過電動機轉(zhuǎn)化為電功率，電動機把轉(zhuǎn)化的電功率及從電源吸收的電功率均消耗在線繞型異步電動機轉(zhuǎn)子所串電阻上。 異步電動機的轉(zhuǎn)速高于它的同步速度，即nn0 ，S0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與電動狀態(tài)時相反，轉(zhuǎn)子電流的方向也發(fā)生了變化，電動機的轉(zhuǎn)矩變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速方向相反，電動機處于制動狀態(tài)，這種制動稱為回饋制動。這時電動機處于發(fā)電機運行狀態(tài)，把系統(tǒng)的機械能轉(zhuǎn)化為電能，一部分消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，剩余的大部分電能則反饋回電網(wǎng)。 4.6.2 回饋制動回饋制動 圖圖4.32 重物下放時回饋制動機械特性重物下放時回饋制動機械特性 圖圖4.33 變極調(diào)速時回饋制動機械特性變極調(diào)速時回饋制動機械特性 4.6.3 能耗制動能耗制動 異步電動機正在運行時，把定子繞組從三相交流電源上斷開，將其中兩相繞組接到直流電源上，就構(gòu)成了能耗制動 圖圖4.34 異步電動機能耗制