第5章 電動機.ppt

1、第 5 章電動機,第 5 章電動機,5.1三相異步電動機的構(gòu)造,5.2三相異步電動機的工作原理,5.3三相異步電動機的電路分析,5.4三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與機械特性,5.5三相異步電動機的起動,5.6三相異步電動機的調(diào)速,*5.7三相異步電動機的制動,5.8三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù),5.9單相異步電動機,*5.10直流電動機,*5.11控制電機,5.1三相異步電動機的構(gòu)造,異步電動機的應用非常廣泛： 在工業(yè)方面：中、小型軋鋼設(shè)備，機床、輕工機械、起重機械，礦山機械等。 在農(nóng)業(yè)方面：脫粒機、粉碎機、排灌機械及加工機械。 在家用電器方面：電風扇、空調(diào)機、洗衣機、電冰箱等。,電動機的作用是將交流電能

2、轉(zhuǎn)換成機械能，電動機分交流電動機和直流電動機兩大類，而交流電動機又分為異步電動機和同步電動機。,1異步電動機按電動機定子相數(shù)分： 三相異步電動機、單相異步電動機。,2按電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分： 籠型異步電動機、繞線型異步電動機。,電動機的外形,5.1三相異步電動機的構(gòu)造,三 相異步電動機的基本結(jié)構(gòu) 示意 圖,三相異步電動機主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風扇等部件。,端蓋,機座,三 相異步電動機的基本結(jié)構(gòu) 示意 圖,三相異步電動機主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風扇等部件。,三 相異步電動機的基本結(jié)構(gòu) 示意 圖,定子,三相異步電動機主

3、要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風扇等部件。,三 相異步電動機的基本結(jié)構(gòu) 示意圖,定子,轉(zhuǎn)子,軸承,端蓋,機座,三相異步電動機主要部件是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。此外，還有端蓋、機座、軸承、風扇等部件。,1定子,三相異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組組成。,定子繞組,機座,鐵心,定子鐵心是由沖有槽孔的硅鋼片疊壓而成。,2轉(zhuǎn)子,繞 線 型 轉(zhuǎn) 子 鐵 心 與 繞 組,根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)的不同又分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子。繞線型轉(zhuǎn)子的電動機稱繞線型電動機。,外接電阻,電刷,滑環(huán),轉(zhuǎn)子鐵心,轉(zhuǎn)子繞組,轉(zhuǎn)子鐵心是由相互絕緣的硅鋼片疊壓而成。,轉(zhuǎn) 子 硅 鋼 片,2轉(zhuǎn)

4、子,2轉(zhuǎn)子,籠 型 轉(zhuǎn) 子,籠型轉(zhuǎn)子的電動機稱籠型電動機。,籠型轉(zhuǎn)子是由嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的導電條組成，在轉(zhuǎn)子鐵心的兩端各用一個導電端環(huán)把所有的導電條連接起來。,在定子槽孔中放置三相彼此獨立的繞組。,U1,U2,V1,V2,W1,W2,定子繞組 星形聯(lián)結(jié),定子繞組 三角形聯(lián)結(jié),端子,在定子槽孔中放置三相彼此獨立的繞組。,定子繞組,設(shè)：電流的流入端用 + 表示,電流的流出端用 表示,定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組,轉(zhuǎn)子繞組,設(shè)：電流的流入端用 + 表示,電流的流出端用 表示,5.2三相異步電動機的工作原理,i1,i2,i3,U1,V1,W1,U2,V2,W2,i1 = Imsint,i2 = Imsin(t

5、 120 ),i3 = Imsin(t + 120 ),i1,i2,i3,對稱三相電流流入對稱三相繞組。,5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場,5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場,1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,i1,t = 0,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i1 = 0 i2 為負值 i3 為正值,i2,i3,設(shè)：電流的流入端用 + 表示,電流的流出端用 表示,t,t = 60,i,U1,W2,V1,U2,W1,V2,60,i1 = 0 i2 為負值 i3 為正值,i1,i2,i3,O,5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場,1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,t = 90,U1,W2,V1,U2,W1,V2,90,i1 為正值 i2 為負值 i3 為負值,t,i,i1

6、,i2,i3,O,5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場,1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,t = 180,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i1 = 0 i2 為正值 i3 為負值,t,i,i1,i2,i3,O,5.2.1旋轉(zhuǎn)磁場,1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,1旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,空間相差 120 角的三相繞組，通入對稱三相電流時，產(chǎn)生的是一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，當電流經(jīng)過一個周期變化時，磁場也沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)了一周(在空間旋轉(zhuǎn)的角度為 360 )。,綜上分析可以得出：,t,i,iU1,iV1,iW1,0,90,60,0,2改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向,綜上分析可以得出：,改變流入三相繞組的電流相序，就能改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向；改變了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，也就

7、改變了三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)方向。,3旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù) p,旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù) p 與三相定子繞組的連接方式有關(guān)。,4旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0, 電源的頻率, 磁極對數(shù),n0 的單位：轉(zhuǎn)/分,若 f1 = 50 Hz ，p = 1n0 = 3000 r/min,p = 2n0 = 1500 r/min,p = 3n0 = 1000 r/min,5.2.2電動機的轉(zhuǎn)動原理,n0,n,e( i ),轉(zhuǎn)子 導體,旋轉(zhuǎn)磁極形成旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速也稱為同步轉(zhuǎn)速?；\型轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下也轉(zhuǎn)動起來，其轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。,5.2.3轉(zhuǎn)差率 s,轉(zhuǎn)差率,0 s ,sN = 0.015 0.06,轉(zhuǎn)

8、子轉(zhuǎn)速,n = (1 s) n0,例 1已知 n = 975 r/min，f1 = 50 Hz。求：p、s、f2。,解,p = 3,5.3三相異步電動機的電路分析,下圖所示是三相異步電動機每相電路圖。,和變壓器相比：,定子繞組相當于變壓器的一次繞組。,轉(zhuǎn)子繞組相當于變壓器的二次繞組。,5.3.1定子電路,定子的內(nèi)阻抗：,Z1 = R1 + jX1,忽略 Z1,U1 E1= 4.44 f1N1,： 旋轉(zhuǎn)磁場每極磁通； N1：每相定子繞組匝數(shù)； f1： 定子電流頻率。,5.3.2轉(zhuǎn)子電路,1轉(zhuǎn)子頻率 f2,2轉(zhuǎn)子電動勢 E2,轉(zhuǎn)子內(nèi)阻抗：,Z2 = R2 + jX2,轉(zhuǎn)子電動勢：,E2 = 4.4

9、4 f2N2 = 4.44 sf1N2 = sE20,3轉(zhuǎn)子感抗 X2,4轉(zhuǎn)子電流 I2,5轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù) cos2,I2,cos 2,1,5.4三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與機械特性,電磁轉(zhuǎn)矩 T = KT I2 cos 2,電磁轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁場的磁通 和轉(zhuǎn)子電流的 I2 有功分量相互作用而產(chǎn)生的，所以,常數(shù),5.4.1轉(zhuǎn)矩公式,5.4.2機械特性曲線,s,T,1,0,轉(zhuǎn)矩特性 T = f (s),機械特性曲線 n = f (T ),1額定轉(zhuǎn)矩 TN T = TC = T2 + T0 T2,P2：電動機軸上的輸出功率,P2 單位：瓦(W),n 單位：轉(zhuǎn)/分(r/min),T 單位：牛米(N m)

10、,由 dT/ds = 0，得,取正值,sm 稱為臨界轉(zhuǎn)差率,代入 T 的表達式,求得最大轉(zhuǎn)矩 Tmax,2最大轉(zhuǎn)矩 T max,(4) sm = R2 /X20,結(jié)論：,(1) Tmax U12,(2) Tmax 與 R2 無關(guān),(3) 過載系數(shù), Tmax T N, 1.8 2.2,sm 與 U1 無關(guān),2最大轉(zhuǎn)矩 Tmax,起動瞬間 n = 0，s = 1,U1 Tst ,R2 Tst,負載轉(zhuǎn)矩 T2 Tst ，不能起動。,負載轉(zhuǎn)矩 T2 Tst ，可帶負載起動。,st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),3起動轉(zhuǎn)矩 Tst,例 1已知 PN = 4.5 kW，nN =

11、 950r/min，N = 84.5%，U = 380 V，f1 = 50 Hz， = 2，st = 1.7。求：(1)磁極對數(shù) p；(2)s；(3)TN；(4)輸入功率 P1；(5)Tmax；(6)Tst。,解,(1)p = 3,(5)Tmax = TN = 2 45.24 Nm = 90.48 Nm,(6)Tst = st TN = 1.7 45.24 Nm = 76.91 Nm,5.5三相異步電動機的起動,5.5.1起動性能,起動初始瞬間，n = 0，s = 1,(1)起動電流 Ist 大，4 7IN。頻繁起動會使電動機過熱。,過大的起動電流在短時間內(nèi)會在線路上造成較大的電壓降落，影響鄰

12、近負載的正常工作。,(2) 起動轉(zhuǎn)矩 Tst 不大，雖然剛起動時轉(zhuǎn)子電流較大，但轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)很低, 不能滿載起動。,電磁轉(zhuǎn)矩T = KT I2 cos 2,5.5.2起動方法,1直接起動,直接起動是在起動時把電動機的定子繞組直接接入電網(wǎng)。,特點： 起動轉(zhuǎn)矩??；起動電流大，比額定值大 4 7 倍；影響同一電網(wǎng)上其他負載的正常工作。,優(yōu)點： 簡單、方便、經(jīng)濟、起動過程快，適用于中小型籠型異步電動機。,2降壓起動,起動時降低電動機的電源電壓，待電動機轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，再把電壓恢復正常。,(1)星形三角形(Y-)換接起動,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,QS1,轉(zhuǎn)子,定子 繞組,只適用于

13、電動機在工作時定子繞組為 形接法。,(1)星形三角形(Y-)換接起動,Y 形, 形,起動電流和起動轉(zhuǎn)矩都降低為直接起動時的三分之一。,QS2,起動,三相自耦變壓器,(2)自耦降壓起動,U1,U2,V1,V2,W1,W2,QS1,QS2,運轉(zhuǎn),起動,三相自耦變壓器,M 3 ,(2)自耦降壓起動,繞線型電動機起動時，可在轉(zhuǎn)子繞組中串聯(lián)電阻，以減小起動電流。,(3)轉(zhuǎn)子串電阻起動,例 1有一 Y225 4 型三相異步電動機，其額定數(shù)據(jù)見下表。試求：(1)額定電流；(2)額定轉(zhuǎn)差率 sN；(3)額定轉(zhuǎn)矩 TN、最大轉(zhuǎn)矩 Tmax、起動轉(zhuǎn)矩 Tst。,解,(1) 4 100 kW 的電動機通常是 380

14、 V， 形聯(lián)結(jié)。,(2)由已知 n = 1480r/min，可知電動機是 4 極的，即 p = 2，n0 = 1500 r/min,所以,(3),例 2在上題中：(1)如果負載轉(zhuǎn)矩為 510.2 Nm，試問在 U = UN 和 U = 0.9UN 兩種情況下電動機能否起動？(2)采用 Y 換接起動時，求起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。又當負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩 TN 的 80% 和 50% 時，電動機能否起動？,解,(1) 在U = UN 時，Tst = 551.8 Nm 510.2 Nm，所以能起動。,在 U = 0.9UN 時，Tst = 0.92 551.8 Nm = 447 Nm 510.2Nm，所以

15、不能起動。,(2)Ist = 7IN 84.2 A = 589.4 A,在 80% 額定轉(zhuǎn)矩時,在 50% 額定轉(zhuǎn)矩時,5.6三相異步電動機的調(diào)速,調(diào)速方法,5.6.1變頻調(diào)速,變頻調(diào)速裝置,兩種變頻調(diào)速方式：,(1)f1 f1N 低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速,由U1 = 4.44 f1N1 知，若 保持不變，應保持(U1/f1)的比值近似不變，所以兩者要成比例同時調(diào)節(jié)。,又電磁轉(zhuǎn)矩 T = KT I2 cos 2 ，T 也近似不變，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。,5.6.1變頻調(diào)速,(2)f1 f1N 高于額定轉(zhuǎn)速調(diào)速應保持 U1 U1N，由 U1 = 4.44 f1N1 知，在減小 f1 同時 減小，又電磁轉(zhuǎn)矩 T

16、= KT I2 cos 2，T 也減小，是恒功率調(diào)速。,5.6.2變極調(diào)速,改變極對數(shù) p 調(diào)速,有級調(diào)速,p = 2,改變極對數(shù) p 調(diào)速,有級調(diào)速,5.6.2變極調(diào)速,p = 1,5.6.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速,在繞線型電動機轉(zhuǎn)子繞組中串入電阻 R , 可改變轉(zhuǎn)差率 s 和轉(zhuǎn)速 n。,1小范圍無級調(diào)速,特點,2R2 大 特性變軟,*5.7三相異步電動機的制動5.7.1能耗制動,制動時定子接入直流電源產(chǎn)生固定磁場，,i2 受到阻轉(zhuǎn)矩；當 n0，i20，T0。,制動：將動能 電能 熱能。,優(yōu)點：能耗小，制動準確、平穩(wěn)，不會反轉(zhuǎn)。,缺點：需要另外加直流電源。,e2(i2),5.7.1能耗制動,將三相中的

17、任意兩相對調(diào)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使 M 停機。,優(yōu)點：方法簡單，制動效果好。,缺點：能量消耗大。,旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速,為 (n1+ n) I2 I1。,必須在籠型電動機的定子或繞線型電動機的轉(zhuǎn)子中串入電阻 R，以防止燒壞繞組。,5.7.2反接制動,5.8三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù),1功率 PN 額定運行時，軸上輸出的機械功率。,2電壓 UN 額定運行時，定子繞組上應加的線電壓。,3電流 IN 在 UN、 PN 時，流入定子繞組的線電流。,4轉(zhuǎn)速 nN 在 UN、 PN、 IN 時，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。,5.9單相異步電動機,單相異步電動機的功率一般為幾至幾百瓦常用于功率不大的電動工具(如電鉆、攪

18、拌器等)以及眾多的家用電器(如電風扇、電冰箱、洗衣機、抽油煙機等)。,單相異步電動機： 定子只有一相主繞組的異步電動機。,單相異步電動機均采用籠型轉(zhuǎn)子，但定子有所不同。,A 為工作繞組，B 為起動繞組， 在空間相隔 90。S 為離心力開關(guān)。,iA = IAm sint,iB = IBmsin(t + 90 ),5.9.1電容分相式異步電動機,iA = Imsint,iB = Imsin(t + 90 ),iA,t,i,iB,0,兩相繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場,形成旋轉(zhuǎn)磁場,5.9.1電容分相式異步電動機,改變電容 C 的串聯(lián)位置，可使異步電動機反轉(zhuǎn)。,將 S 合向 1，iB 超前 iA,將 S 合向

19、2，iA 超前 iB,5.9.2罩極式異步電動機,1 和 2 之間產(chǎn)生相位差，形成一個向罩極部分移動的旋轉(zhuǎn)磁場。,三相異步電動機的單相運行,若三相異步電動機運行時斷了一根線，則相當于單相異步電動機，稱為三相異步電動機的單相運行，或缺相運行。,若 n = 0，則不能起動，此時電流很大，時間一長，電動機將會被燒壞；,若 n 0，則能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動，但仍帶額定負載，電流勢必超過其額定值，時間一長，電動機也將被燒壞。,*5.10直流電動機,直流電動機 將直流電能變?yōu)闄C械能。,1直流電動機的構(gòu)造,定子,機座,主磁極,換向極,電刷,轉(zhuǎn)子,電樞鐵心,電樞繞組,換向器 直流電動機的特征,轉(zhuǎn)軸,主磁極,勵磁 繞組,

20、轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)軸,定子,轉(zhuǎn)子,電樞鐵心 其槽孔中放置電樞繞組,電樞繞組 產(chǎn)生感應電動勢,轉(zhuǎn)軸 輸入或輸出機械功率,機座 起支撐作用；作為部分磁路,主磁極 產(chǎn)生主磁通,換向極 產(chǎn)生附加磁場， 改善換向,電刷 引入或引出直流電,換向器 與電刷一起，共同完成 直流電和交流電的轉(zhuǎn)換,換向極,換向繞組,2直流電動機的工作原理,在兩電刷之間加入直流電壓 U，則在繞組中產(chǎn)生電流 i，通電導體又受到力的作用，產(chǎn)生電磁力矩。由于換向器的作用，在 N (S) 極下受力方向不變，使電樞旋轉(zhuǎn)起來。,導體與磁場之間的相互作用，在電樞繞組中產(chǎn)生反電動勢 e , 與電源電壓相平衡。,3轉(zhuǎn)矩、電動勢和電壓平衡方程式,電磁轉(zhuǎn)矩,T

21、= KT Ia,電動勢,E = KE n,電壓平衡方程式,外加電源電壓 U = E + IaRa,E 與 Ia 反向,：每極磁通,Ia 電樞電流,E 為反電動勢，,Rst：限制起動電流,改變電樞電流或勵磁電流方向?qū)崿F(xiàn)電動機反轉(zhuǎn),4調(diào)速,T = KT Ia,改變電樞電流或勵磁電流方向，實現(xiàn)電動機反轉(zhuǎn)。,改變磁通 (電阻 Rf)或改變電壓 U 可達到調(diào)速的目的。,注意,直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通。,*5.11控制電機,1. 交流伺服電動機,控制電機在自動控制系統(tǒng)中是必不可少的，其主要任務是轉(zhuǎn)換和傳遞控制信號。,5.11.1伺服電動機,C,轉(zhuǎn)子,兩相定子繞組接線圖,1交流伺服電動機,1,1 為勵磁繞組，2 為控制繞組,2,交流伺服電動機是兩相異步電動機。,i1 與 i2 的相位差接近 90，,產(chǎn)生旋