電機的工作原理及特性

三相異步電動機的工作原理及特性1).三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)三相異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙.(1)定子定子由鐵心,繞組,機座三部分組成.鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成;三相繞組連接成星形或三角形;機座一般用鑄鐵作成,主要用于固定和支撐定子鐵心.(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由鐵心和繞組組成.轉(zhuǎn)子同樣由硅鋼片疊壓而成,壓裝在轉(zhuǎn)軸上;轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式和線繞式兩種.2021/5/91鼠籠式三相異步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖5.定子鐵心,6.定子繞組,7.轉(zhuǎn)軸,8.轉(zhuǎn)子,9.風(fēng)扇,11.軸承,12.機座2021/5/92鼠籠電動機轉(zhuǎn)子和線繞電動機轉(zhuǎn)子繞組與外部接線2021/5/932).三相異步電動機的工作原理(1)三相正弦交流電通入電動機定子的三相繞組,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱之為同步轉(zhuǎn)速;(2)旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體,產(chǎn)生感應(yīng)電勢;(3)轉(zhuǎn)子繞組中感生電流;(4)轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生力,形成電磁轉(zhuǎn)矩,電動機就轉(zhuǎn)動起來了.電動機的轉(zhuǎn)速達(dá)不到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,否則,就不能切割磁力線,就沒有感應(yīng)電勢,電動機就停下來了.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速不一樣,差那么一些,稱之為異步.設(shè)同步轉(zhuǎn)速為no,電動機的轉(zhuǎn)速為n,則轉(zhuǎn)速差為;no-n;

2021/5/943).三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場(1)旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生設(shè)電動機為2極,每相繞組只有一個線圈.在0-T/2這個區(qū)間,分析有一相電流為零的幾個點.規(guī)定:當(dāng)電流為正時,從首端進尾端出;電流為負(fù)時,從尾端進首端出.2021/5/95t=0時，iA=0;iB為負(fù)，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。按右手螺旋法則確定三相電流產(chǎn)生的合成磁場，如圖(a)中箭頭所示。t=0時，iA=0;iB為負(fù)，iC為正2021/5/96t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正(電流從A端流到X端)；iB為負(fù)(電流從Y端流到B端)；iC=0。此時的合成磁場如圖(b)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了π/3。t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正；iB為負(fù)；iC=02021/5/97此時的合成磁場如圖(c)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了2π/3。t=T/3時，ωt=ωT/3=2π/3,iA為正;iB=0；iC為負(fù)2021/5/98此時的合成磁場如圖(d)所示。合成磁場從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了π。按以上分析可以證明：當(dāng)三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。t=T/2時，ωt=ωT/2=π,iA=0；iB為正；iC為負(fù)。2021/5/99旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與三相交流電的相序一致;改變?nèi)嘟涣麟姷南嘈?即A-B-C變?yōu)镃-B-A,旋轉(zhuǎn)磁場反向;要改變電動機的轉(zhuǎn)向,只要任意對調(diào)三相電源的兩根接線.(2)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向式中,f為電源頻率50HZ;p為電動機的磁極對數(shù).電動機的磁極對數(shù)為1時,同步轉(zhuǎn)速為3000r/min;電動機的磁極對數(shù)為2時,同步轉(zhuǎn)速為1500r/min;電動機的磁極對數(shù)為3時,同步轉(zhuǎn)速為1000r/min.(3)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度-----同步轉(zhuǎn)速no

2021/5/9102.三相異步電動機的機械特性1).三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩

三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場的每極磁通與轉(zhuǎn)子電流相互作用而產(chǎn)生的:

1、轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)速的n的關(guān)系

2、轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系3、電磁矩與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系2021/5/9112).三相異步電動機的機械特性n=f(T)固有機械特性(自然機械特性):在額定電壓和額定頻率下,定子和轉(zhuǎn)子電路中不接任何電阻或電抗時,電動機的機械特性.

(2)額定工作點T=TN,n=nN,自然特性上有4個特殊點:(1)理想空載轉(zhuǎn)速點noT=0,n=no,(3)起動工作點T=Tst,n=0(4)臨界工作點

T=Tmax,n=nm2021/5/912人工機械特性介紹3種人工特性,即:降低定子電壓時,定子電路串入電阻或電抗時,變頻率時.(1)降低電壓時的人工特性

電壓越低,人工特性曲線越往左移;

電動機的過載能力和起動轉(zhuǎn)矩會大大降低;

電壓降低,負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時,電動機過熱;

電壓降低太多,電動機將帶不動負(fù)載(不能起動).2021/5/913(2)定子電路串入電阻或電抗時的人工特性

定子電路串電阻或電抗時的人工機械特性如右圖中虛線2所示,1為電壓降低時的人工機械特性;

曲線2與曲線1相比較,最大轉(zhuǎn)矩要大一些.

2021/5/914

(3)改變定子電源頻率時的人工特性

隨著頻率的降低,理想空載轉(zhuǎn)速只能在電源額定頻率以下調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)速no減小,起動轉(zhuǎn)矩Tst增大,最大轉(zhuǎn)矩Tmax不變.2021/5/9153.三相異步電動機的起動特性生產(chǎn)機械對電動機起動的要求是:起動轉(zhuǎn)矩大,起動電流小.

1).三相鼠籠式異步電動機的起動方法

三相異步電動機起動電流是額定電流的(5-7)倍,為滿足起動要求,三相異步電動機的起動方法分為直接起動和降壓起動兩類.

(1)直接起動(全電壓起動)適用范圍;電動機功率<20%變壓器容量.一般中小型鼠籠式異步電動機都采用全電壓直接起動.2021/5/916(2)降壓起動:容量大的電動機起動電流大,為了限制過大的起動電流,采用降壓起動.在工廠常用的降壓起動方法有4種:定子串電阻或電抗器,Y-△變換,自耦變壓器,延邊三角形.(1)定子繞組串電阻或電抗器降壓起動

電路圖如右圖;

不足之處:起動轉(zhuǎn)矩隨定子電壓的平方下降;不經(jīng)濟.應(yīng)用場合:電動機空載或輕載起動.2021/5/917(2)Y-△降壓起動:只有正常運行時定子三相繞組是△接法的電動機才能采用Y-△降壓起動.對于國產(chǎn)JO,JO2,Y,Y2系列電動機,功率大于4.5kW的都是采用△接線.也就是說,大容量電動機都可以用Y-△降壓起動.

Y-△降壓起動的電氣原理圖如右圖所示.起動時,三相繞組接成Y形,運行時,繞組接成△形.電流下降1/3,轉(zhuǎn)矩也下降1/3.

特點:電動機Y形起動過程中,可提高電動機的效率和功率因數(shù);起動轉(zhuǎn)矩小,只適用于空載或輕載起動的場合;設(shè)備簡單,經(jīng)濟;在機床工業(yè)上應(yīng)用較普遍.2021/5/9184.三相異步電動機的調(diào)速特性異步電動機的調(diào)速方法主要有三種:變磁極對數(shù)p;變電壓U;變頻率f.由基本公式2021/5/9191).變磁極對數(shù)調(diào)速(1)方法:

改變定子繞組的連接,可以得到兩個不同的磁極對數(shù).(2)多速電動機:

最多在電動機中嵌入兩套繞組,使繞組有不同的連接,可分別得到雙速,三速,四速電動機,雙速應(yīng)用較多.4極2極2021/5/920變磁極對數(shù)調(diào)速3)特點:結(jié)構(gòu)簡單,效率高,特性好;體積大,價格高.在中小機床上應(yīng)用比較多.雙速電動機的高低速轉(zhuǎn)換,一般是先低速,再轉(zhuǎn)換為高速.雙速電動機Y/YY2021/5/9212).改變電壓調(diào)速(1)應(yīng)用范圍:只適用于線繞式異步電動機.(2)原理降低定子電壓，即可使轉(zhuǎn)速降低。(3)特點:會使機械特性變軟，起動轉(zhuǎn)矩減小。2021/5/9223).變頻調(diào)速(1)原理:由上式可知,改變交流電源的頻率,就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速.(2)一般采用頻率和電壓同時改變的變頻電源.(3)應(yīng)用范圍:用于鼠籠式異步電動機.組成SCR-M調(diào)速系統(tǒng).變頻調(diào)速是交流調(diào)速發(fā)展的方向.有關(guān)內(nèi)容在后面的章節(jié)詳細(xì)介紹.2021/5/9231.3控制電機簡介控制電機的主要作用是用來完成信息的傳遞與交換,而不是進行能量轉(zhuǎn)換.2021/5/9241)直流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu):與普通他激直流電動機相同.(有換向器)2.分類:電磁式(他激式);永磁式,3.電氣原理圖:如右圖.其中(a)為電磁式(b)為永磁式.4.參數(shù):輸出功率1-600W.2021/5/9252).交流伺服電動機

(1)結(jié)構(gòu)

(1)定子:定子由硅鋼片疊成;在定子鐵心的內(nèi)圓表面嵌有兩套相差90度電角度的繞組:激磁繞組WF,控制繞組WC;這兩套繞組分別由兩個電源供電.接線圖2021/5/926兩相交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)(2)轉(zhuǎn)子:分為鼠籠型和杯型兩種.(1)鼠籠型轉(zhuǎn)子作得細(xì)而長,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用高電阻率的材料.用于小功率的自動控制系統(tǒng).產(chǎn)品型號SL系列.(2)空心杯型轉(zhuǎn)子作成薄壁圓筒形,放在內(nèi)外定子之間.用于要求運行平滑的系統(tǒng).產(chǎn)品型號SK系列.杯型轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)圖激磁繞組1;控制繞組2;內(nèi)定子3;外定子4;轉(zhuǎn)子52021/5/927(2).基本工作原理兩相繞組WF和WC分別通入頻率相同的交流電,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,使伺服電動機起動.取消WC后,要防止自轉(zhuǎn).(3).消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施加大轉(zhuǎn)子電阻.如:采用薄壁杯形轉(zhuǎn)子.鼠籠條用高阻材料黃銅轉(zhuǎn)子電阻不同時的機械特性2021/5/928(4).交流伺服電動機的特性和應(yīng)用控制方法;有三種.幅值控制,相位控制,幅-相控制幅值控制原理圖:控制電壓Uc越高,電動機轉(zhuǎn)速越高.不同控制電壓下的機械特性2021/5/929應(yīng)用舉例(1)參數(shù):交流伺服電動機輸出功率為0.1-100W(再大則用直流伺服電動機);電源頻率50-400Hz.(2)應(yīng)用:雷達(dá)天線的旋轉(zhuǎn)控制;飛機駕駛盤的控制;流體閥門開關(guān)控制,應(yīng)用方框圖2021/5/9302)步進電動機

是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的一種執(zhí)行元件(1)分類與結(jié)構(gòu)步進電動機分為反應(yīng)式,永磁式,和混合式三種.三相反應(yīng)式步進電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩個部分構(gòu)成.右圖中,定子有6個磁極,兩個相對的磁極組成一相;轉(zhuǎn)子上有均勻分布的4個齒.2021/5/931由環(huán)形分配器送來的脈沖信號，對定子繞組輪流通電。設(shè)相序為A→B→C→A。當(dāng)A相控制繞組通電，而B、C相不通電時，步進電動機的氣隙磁場與A相繞組軸線重合，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過，故電動機轉(zhuǎn)子受到一個反應(yīng)轉(zhuǎn)矩(靜轉(zhuǎn)矩)的作用，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，使轉(zhuǎn)子的齒1和齒3旋轉(zhuǎn)到與A相繞組軸線相同的位置上，如圖(a)所示，(2)步進電動機的工作原理然后B相通電如圖(b)所示,轉(zhuǎn)子在空間沿逆時針方向轉(zhuǎn)過30度,轉(zhuǎn)子前進一步.同理,C相通電時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖?所示位置;D相通電時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖(d)所示位置.按A-B-C-A順序不斷地接通和斷開控制繞組,電動機便一步一步地轉(zhuǎn)動.2021/5/932(3)通電方式控制繞組每改變一次通電方式，稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為一個步距角β。步進電動機的通電方式有三種。對于三相反應(yīng)式步進電動機來說，每次只有一相繞組單獨通電，如A→B→C→A，控制繞組每換接三次構(gòu)成一個循環(huán)，這種方式稱為三相單三拍；若每次有兩相繞組同時通電，如AB→BC→CA→AB，每次循環(huán)換接三次，這種方式稱為三相雙三拍；若單相通電和兩相通電輪流進行，如A→AB→B→BC→C→CA→A，這種方式被稱為三相六拍。2021/5/933(4)小步距角步進電動機步進電動機無論采用哪種通電方式，步距角都太大，無法滿足生產(chǎn)中對精度的要求，在實際應(yīng)用中一般采用小步距角的步進電動機。設(shè)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為z，定子相數(shù)為m，則齒距角τ和步距角β為:Τ=360/zβ=360/Kmz其中K為狀態(tài)系數(shù)，對于單相輪流通電方式和雙相輪流通電方式來說，K=1