第五章交流电动机的工作原理及特性课件

第五章交流电动机的工作原理及特性第五章交流电动机的工作原理及特性1 1、了解异步了解异步电动机的基本机的基本结构和旋构和旋转磁磁场的的产生。生。2 2、掌握异步掌握异步电动机的工作原理，机械特性，机的工作原理，机械特性，以及启以及启动、调速和制速和制动的各种方法、特点的各种方法、特点及及应用。用。3 3、学会用四个象限来分析异步学会用四个象限来分析异步电动机的运机的运行状行状态。4 4、掌握掌握单相相电动机的工作原理和启机的工作原理和启动方法。方法。5 5、了解同步了解同步电动机的机的结构特点、工作原理、构特点、工作原理、运行特性及启运行特性及启动方法。方法。21、了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生。2第五章交流电动机的工作原理及特性课件第五章交流电动机的工作原理及特性课件工作原理：工作原理：它是基于它是基于电磁感磁感应和和电磁力的原理。磁力的原理。定子旋定子旋转磁磁场（合成磁（合成磁场）和）和转子子电流的相互流的相互作用。作用。三相异步机的工作原理三相异步机的工作原理异步异步电动机的由来。机的由来。转子和旋子和旋转磁磁场之之间的的转速差速差是保是保证转子旋子旋转的主要因素。的主要因素。S S的取的取值范范围0-10-1。也是很重要的一个物理。也是很重要的一个物理量。量。思考定子旋思考定子旋转磁磁场的的产生的原因？生的原因？5工作原理：它是基于电磁感应和电磁力的原理。定子旋转磁场（合成旋旋转磁磁场的的产生生AYCBZ异步机中异步机中,旋旋转磁磁场代替了旋代替了旋转磁极磁极()电流出流出()电流入流入X6旋转磁场的产生AYCBZ异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极(AXYCBZAXBYCZ合成磁合成磁场方向：方向：向下向下7AXYCBZAXBYCZ合成磁场方向：7XBZAYCAXYCBZAXYCBZ同理分析，可得同理分析，可得其它其它电流角度下流角度下的磁的磁场方向：方向：8XBZAYCAXYCBZAXYCBZ同理分析，可得8旋旋转方向方向：取决于三相：取决于三相电流的相序。流的相序。改改变电机的旋机的旋转方向：方向：换接其中两相接其中两相旋旋转磁磁场的旋的旋转方向方向9旋转方向：取决于三相电流的相序。改变电机的旋转方向：换接其中旋旋转磁磁场的的转速大小速大小 一个一个电流周期，旋流周期，旋转磁磁场在空在空间转过360360。则 同步同步转速（旋速（旋转磁磁场的速度）的速度）为：AXYCBZAXYCBZAXYCBZ10旋转磁场的转速大小 一个电流周期，旋转磁场在空间极极对数（数（P P）的概念的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁此种接法下，合成磁场只有一只有一对磁极，磁极，则极极对数数为1 1。即：即：AXYCBZ11极对数（P）的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁场只有一对磁极极对数（数（P P）的改的改变CYABCXYZAXBZ 将每相将每相绕组分成两段，按右下分成两段，按右下图放入定子放入定子槽内。形成的磁槽内。形成的磁场则是两是两对磁极。磁极。AXBYCZ12极对数（P）的改变CYABCXYZAXBZ 极极对数数CYABCXYZAXBZ13极对数CYABCXYZAXBZ13极极对数和数和转速的关系速的关系14极对数和转速的关系14 定子定子绕组每相都由每相都由许多多线圈圈组成，其首成，其首端和末端通常都接在端和末端通常都接在电动机的接机的接线盒内的接盒内的接线拄上。拄上。当当电机机为星形星形联结时：1 1、2 2、3 3点封成星点，点封成星点，6 6、4 4、5 5点接点接电源。源。当当电机机为三角形三角形联结时：1-61-6、2-42-4、3-53-5点封接，同点封接，同时外接外接电源。源。定子定子绕组接接线方式方式15 定子绕组每相都由许多线圈组成，其首端和末端通5.2 三相异步三相异步电动机的定子和机的定子和转子子 设定子和定子和转子每相子每相绕组匝数匝数为N1N1和和N2N2，旋旋转磁磁场的磁感的磁感应强度近于度近于正弦分布。正弦分布。把把电动机的机的电磁关系同磁关系同变压器器类似。似。i2定、定、转子子电路路R1R2i1u1e1e 1e2e 2165.2 三相异步电动机的定子和转子 设定子和转一、定子一、定子电路分析：路分析：二、二、转子子电路分析：路分析：转子子电流的流的频率随速度的率随速度的变化而化而变化。化。17一、定子电路分析：二、转子电路分析：转子电流的频率随速度的变 设转子回路每相子回路每相绕组的的电阻和漏阻和漏磁感抗磁感抗为R2R2和和X2X2，且有：且有：则转子每相回路子每相回路电流流为：转子子电路的路的功率因素功率因素为：18 设转子回路每相绕组的电阻和漏磁感抗为R2和X可可见：转子子电路中的路中的各个物理量均与各个物理量均与S S有有关，即与关，即与转速有关速有关。三相异步三相异步电动机的机的额定定值三相异步三相异步电动机的能流机的能流图19可见：转子电路中的各个物理量均与S有关，即与转速有关。三相异5.3三相异步三相异步电动机的机的转矩与机械特性矩与机械特性一、一、电磁磁转矩矩是一个非常重要的物理量，它与是一个非常重要的物理量，它与磁通、和磁通、和I2I2有关，有关，还应考考虑转子子电路的功率因路的功率因素。素。205.3三相异步电动机的转矩与机械特性一、电磁转矩是一个非常重二、二、机械特性机械特性由上式得到：由上式得到：5.3三相异步三相异步电动机的机的转矩与机械特性矩与机械特性21二、机械特性由上式得到：5.3三相异步电动机的转矩与机械特性1 1、固有固有特性曲特性曲线分析四个特分析四个特殊点的情况，殊点的情况，并并进行行讨论。理想空理想空载点：点：T=0 S=0 N=N0额定运行点：定运行点：T=Tn n=nN S=Sn 221、固有特性曲线分析四个特殊点的情况，并进行讨论。理想空载点T=Tmax n=Nm s=SmT=Tst n=0 s=1 启启动点：点：临界点：界点：23T=Tmax n=Nm s=SmT=Tst nSm Sm 和和TstTst正比于正比于R2R2，反比反比于于X20X20，U U决定了决定了Tst Tst 和和 TmaxTmax的大小，的大小，TmaxTmax与与R2R2无关。无关。得出：得出：24Sm 和Tst正比于R2，反比于X20，U决定了Tst 和 第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性2 2、人人为特性曲特性曲线：在此式中，改在此式中，改变U U、R2R2、f f 都可以改都可以改变机械特机械特性曲性曲线。5.3三相异步三相异步电动机的机的转矩与机械特性矩与机械特性25第五章：交流电动机的工作原理及特性2、人为特性曲线：在此式中降低降低电压U U，Sm Sm 和和 n0n0不不变，曲，曲线左移，左移，降低降低电压U U，在同一在同一负载下，下，N N下降，下降，T T下降，下降，S S增大，增大，I2I2增增大，将使大，将使电机机发热。第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性26降低电压U，Sm 和 n0不变，曲线左移，降低电压U，在同第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性定子回路串定子回路串电阻或阻或电抗，抗，会引起会引起电动机端机端电压下下降，与降降，与降压相似，但最相似，但最大大转矩要大一些。矩要大一些。27第五章：交流电动机的工作原理及特性定子回路串电阻或电抗，会引 改改变电源源频率，率，使用在使用在恒恒转矩情况下，保矩情况下，保证磁通磁通不不变。TmaxTmax不不变。结论：则频率下降后，率下降后，TmaxTmax不不变，TstTst和和 SmSm增增大，大，n0 n0 下降。下降。第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性28 改变电源频率，使用在恒转矩情况下，保证磁通不变。Tm转子串子串电阻：阻：N0N0和和TmaxTmax不不变。TstTst和和 SmSm随随R2R2的增大而增大。的增大而增大。机械特性曲机械特性曲线变软。第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性29转子串电阻：第五章：交流电动机的工作原理及特性295.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性三相异步三相异步电动机启机启动的主要的主要要求要求：要有足要有足够大的启大的启动转矩，启矩，启动要快、平滑，要快、平滑，启启动电流要小，启流要小，启动时安全、可靠、操作安全、可靠、操作简便，功耗小等。便，功耗小等。由于三相异步由于三相异步电动机启机启动时N=0N=0，S=1S=1，从而引起很大的从而引起很大的转子和定子子和定子电流，而流，而转子功子功率因数很低，启率因数很低，启动转矩不大。矩不大。为解决解决这个矛个矛盾，采用不同的启盾，采用不同的启动方法。（启方法。（启动的危害）的危害）第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性305.4 三相异步电动机的启动特性第五章：交流电动机的工作5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性1 1、鼠、鼠笼式异步式异步电动机的启机的启动方法方法a.a.直接启直接启动（全（全压启启动）b.b.在一定条件下，允在一定条件下，允许直接启直接启动。书上上P68P68页特点：特点：无需启无需启动设备，操作和控制，操作和控制简单、可、可靠，在大多数工靠，在大多数工矿企企业中，中，绝大多数大多数电动机采用此方法。机采用此方法。315.4 三相异步电动机的启动特性1、鼠笼式异步电动机的启b.b.电阻或阻或电抗降抗降压启启动 优点：将使定子中点：将使定子中电流减少。但缺流减少。但缺点：启点：启动转矩将减少，能量消耗大，不矩将减少，能量消耗大，不经济。它适合于不它适合于不经常启常启动或用于空或用于空载、轻载的的电动机。机。c.c.Y-Y-降降压启启动 适合于适合于电动机机为接法。接法。Y Y启启动，待，待电动机速度上升到一定机速度上升到一定值后，后，切切换到到运行。运行。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性32b.电阻或电抗降压启动5.4 三相异步电动机的启动特 Y Y启启动的的线电流是流是启启动线电流的三分之流的三分之一，同一，同时Y Y启启动启启动转矩也是矩也是启启动转矩的三矩的三分之一。分之一。特点：特点：设备简单，经济，启，启动电流小。流小。缺点：缺点：启启动转矩小，只适合于矩小，只适合于轻载和和空空载启启动。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性33 Y启动的线电流是启动线电流的三分之一，同时d.d.自耦自耦变压器降器降压启启动 自耦自耦变压器的三个器的三个绕组连成星成星形接于三相形接于三相电源，使接于源，使接于变压器副器副边的的电动机降机降压启启动，待，待电动机速度上升到机速度上升到一定一定值后，切除自耦后，切除自耦变压器。器。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性34d.自耦变压器降压启动5.4 三相异步电动机的启动特性 这与与Y-Y-降降压启启动的情况一的情况一样，只是在，只是在Y-Y-降降压启启动时 ，而自耦，而自耦变压器降器降压启启动的的K K值是可以是可以调节的的 。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性 特点：特点：K K值可可调，较灵活。灵活。但但缺点缺点是：它体是：它体积大，重量重，价大，重量重，价格高，修理麻格高，修理麻烦。常用于不。常用于不经常启常启动、启、启动转矩矩较大、容量大、容量较大的大的电动机上机上。35 这与Y-降压启动的情况一样，只是在Y-降压启e.e.延延边三角形启三角形启动 这种方法也属于降种方法也属于降压启启动，由于接法原，由于接法原因，使启因，使启动电流和启流和启动转矩都矩都较大。使用大。使用较少。少。应根据根据实际情况，合理情况，合理选择电动机启机启动方方法。法。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性2 2、绕线式异步式异步电动机的启机的启动方法方法 由于鼠由于鼠笼式异步式异步电动机具有启机具有启动力矩小，力矩小，启启动电流大等特点，不能流大等特点，不能满足某些高启足某些高启动转矩矩低启低启动电流的要求，故用流的要求，故用绕线式异步式异步电动机。机。36e.延边三角形启动5.4 三相异步电动机的启动特性2、a.a.逐逐级切除切除电阻法阻法与直流与直流电机相似，机相似，转子串入子串入电阻，逐步切阻，逐步切除，并保除，并保证在整个启在整个启动过程中，有程中，有较大的大的启启动转矩。矩。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性37a.逐级切除电阻法与直流电机相似，转子串入电阻，逐步切除，b.b.频敏敏变阻器启阻器启动法法逐逐级切除切除电阻阻较难实现理想的启理想的启动，同，同时存在有存在有劳动强度大、增加附加度大、增加附加设备、维修麻修麻烦等缺点。等缺点。采用采用频敏敏变阻器来启阻器来启动三相异步三相异步电动机机优点：点：具有自具有自动平滑平滑调节启启动电流和启流和启动转矩的矩的特性。且特性。且结构构简单，运行可靠，无，运行可靠，无须经常常维修。修。缺点：缺点：功率因数低，启功率因数低，启动转矩的增大受到限制，矩的增大受到限制，不能作不能作调速速电阻用。阻用。5.4 5.4 三相异步三相异步电动机的启机的启动特性特性38b.频敏变阻器启动法逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存 5.55.5 三相异步三相异步电动机机调速特性速特性改改变P P、S S（U RU R）F F都可以都可以实现调速。速。1 1、调压调速速 改改变电源源电压U U时，人，人为特性曲特性曲线中中TmaxTmax变小，小，而而 不不变。对于恒于恒转矩矩负载，调速范速范围不大。不大。对于于风机机设备的的调速范速范围稍稍宽一点。一点。39 5.5 三相异步电动机调速特性改变P、S（U 这种种调速方法速方法能能够实现无无级调速，但当速，但当电压降低降低时，转矩按矩按电压的平的平方比例减少。方比例减少。所以所以调速范速范围不大。不大。定子串定子串电阻和晶阻和晶闸管管调压调速都属于速都属于这种方法。种方法。40这种调速方法能够实现无级调速，但当电压降低时，转矩按电压的平2 2、转子子电路串路串电阻阻调速速转子子电路中串不同路中串不同的的电阻，其阻，其 不不变，而，而SmSm随随电阻阻的增大而增大，的增大而增大，电动机的机的转速降低。速降低。它只适它只适应于于绕线式式电动机，是有机，是有级调速，随速，随转速降低，特性速降低，特性变软，启，启动电阻兼作阻兼作调速速电阻用，阻用，要考要考虑发热和低速和低速损耗。耗。它多用在重复短期运它多用在重复短期运转的起重运的起重运输设备中。中。412、转子电路串电阻调速转子电路中串不同的电阻，其 3 3、改、改变极极对数数调速速 用于多速鼠用于多速鼠笼式式电机，不需要平滑机，不需要平滑调速，速，只要几个特定速度，以双速只要几个特定速度，以双速电机使用最多。机使用最多。其主要是改其主要是改变每相定子每相定子绕组中中电流的方向，流的方向，通通过改改变定子定子绕组接接线方式来方式来实现。有两种：有两种：每相每相绕组由串由串联变为并并联，极，极对数数减少减少1 1倍，倍，转速提高速提高1 1倍，属于恒倍，属于恒转矩矩调速。速。423、改变极对数调速 用于多速鼠笼式电机，不需要 保保证改改变极极对数后数后转向不向不变，要注意，要注意同同时改改变相序，相序，设计控制控制线路路时要特要特别注注意。一般先低速，后高速，意。一般先低速，后高速，这样才有大的才有大的启启动转矩。矩。极极对数减少数减少1 1倍，倍，转速提高速提高1 1倍，倍，但但转矩减少矩减少1 1倍，属于恒功率倍，属于恒功率调速。速。3 3、改、改变极极对数数调速速43 保证改变极对数后转向不变，要注意同时改变相序4 4、变频调速速由于由于 ，若能若能够连续改改变频率，可率，可实现平滑平滑调速。多用速。多用于鼠于鼠笼式异步式异步电动机。可采用机。可采用SCRSCR和和PWMPWM调速。速。444、变频调速由于 ，若能够连续改变频率5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性第五章：交流第五章：交流电动机的工作原理及特性机的工作原理及特性5.7 5.7 单相相异步异步电动机机5.8 5.8 同步同步电动机机455.6 三相异步电动机的制动特性第五章：交流电动机的5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性1 1、反、反馈制制动由于某种原因，使由于某种原因，使 ，S S小于小于0 0，电动机机进入入发电状状态。此。此时转子反向切割磁子反向切割磁力力线，故，故电流、流、转矩均反向，矩均反向，T T起制起制动作用。作用。465.6 三相异步电动机的制动特性1、反馈制动由于某种原因电机吸收的功率机吸收的功率反反馈给电网。也网。也是是发电制制动。一种是一种是负载是位能是位能转矩的下放重物矩的下放重物时。一种是一种是发生在生在变极极或或变频调速速时。5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性47电机吸收的功率反馈给电网。也是发电制动。一种是负载是位能转矩2 2、反接制、反接制动5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性a.a.电源反源反接接 正正转运行运行时，突然改突然改变通通电相相序，特性曲序，特性曲线变到第三象限，由到第三象限，由于于惯性作用，性作用，N N不不能突能突变，只能，只能过渡到第二象限。渡到第二象限。482、反接制动5.6 三相异步电动机的制动特性a.电源反接由于由于电源反接，源反接，T T变负，与，与N N相反，相反，成成为制制动转矩，与矩，与负载转矩一起，使矩一起，使电机减速并停止。机减速并停止。a b a b c c5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性过零零时切断切断电源源,否否则电动机将反向启机将反向启动。49由于电源反接，T变负，与N相反，成为制动转矩，与负载转矩一起5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性由于反接制由于反接制动电流很大，流很大，应在定在定子中串入子中串入电阻。阻。特性曲特性曲线变为3，a d e505.6 三相异步电动机的制动特性由于反接制动电流很大，应b.b.倒拉反接制倒拉反接制动5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性 使用在起重机下放位使用在起重机下放位能能负载时，为使下降速度使下降速度不致太快，在不致太快，在转子中串入子中串入较大的大的电阻。阻。在位能性在位能性负载的作用的作用下，下，电动机沿曲机沿曲线2 2减速减速过零，并在零，并在D D点点稳定运行。定运行。51b.倒拉反接制动5.6 三相异步电动机的制动特性 进入第四象限后，入第四象限后，N N变负，S S大于大于1 1，是反，是反接制接制动。它是一种能。它是一种能稳定运定运转的制的制动状状态。5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性52进入第四象限后，N变负，S大于1，是反接制动。它是一种能稳定5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性3 3、能耗制、能耗制动由于反接制由于反接制动在准在准确停确停车上有困上有困难，易造成反易造成反车，能量，能量损耗也耗也较大。大。能耗制能耗制动是先断开是先断开电源，加低源，加低压直流直流电于定子，建立一于定子，建立一个固定不个固定不变的磁的磁场。535.6 三相异步电动机的制动特性3、能耗制动由于反接制动 则转子子导体内体内的的电流与流与该磁磁场相相互作用，互作用，产生与生与实际运运转方向相反的方向相反的制制动转矩，在它的矩，在它的作用下，作用下，电动机迅机迅速下降并能准确停速下降并能准确停车。5.65.6 三相异步三相异步电动机的机的制制动特性特性54 则转子导体内的电流与该磁场相互作用，产生与实5.7 5.7 单相异步相异步电动机机a.a.磁磁场和工作原理和工作原理 由于由于单相相电产生生交交变脉脉动的磁的磁场，并，并可以分解成可以分解成为两个两个转速和大小相等而方向速和大小相等而方向相反的旋相反的旋转磁磁场。555.7 单相异步电动机a.磁场和工作原理 从曲从曲线可以看出，可以看出，两个两个电磁磁转矩大小相等矩大小相等而方向相反，合成而方向相反，合成转矩矩 为零，因而零，因而转子不能自子不能自行启行启动。故要。故要解决解决电机机的启的启动转矩矩问题。使使电机机产生一个旋生一个旋转磁磁场，就可以建立启，就可以建立启动转矩而自行启矩而自行启动。5.7 5.7 单相异步相异步电动机机56 从曲线可以看出，两个电磁转矩大小相等而方向相反b.b.单相异步相异步电动机的机的启启动方法方法5.7 5.7 单相异步相异步电动机机 在定子中嵌入运行和启在定子中嵌入运行和启动绕组，并使它，并使它们相互垂直，适当相互垂直，适当选择电容参数，使两者容参数，使两者电流在相位流在相位上相差上相差9090度，通度，通电后可后可产生旋生旋转磁磁场，实现启启动。方向由相位超。方向由相位超前前绕组流向滞后流向滞后绕组。其。其规律与律与三相三相电相同。相同。57b.单相异步电动机的启动方法5.7 单相异步电动机 如要如要实现反反转，必，必须改改变电容器的串容器的串联位置位置来来实现。电容分相式异步容分相式异步电动机机5.7 5.7 单相异步相异步电动机机58 如要实现反转，必须改变电容器的串联位置来实现5.8 5.8 同步同步电动机机 其其结构构上定子上定子为三相三相对称称绕组，转子子为直直流流电励磁磁极。其励磁磁极。其工作原理工作原理：三相：三相对称交流称交流电产生旋生旋转磁磁场，与，与转子磁极相互作用，使子磁极相互作用，使转子子与与电枢旋枢旋转磁磁场一起以同步一起以同步转速旋速旋转。其机械。其机械特性特性为：同步同步电机机转子励磁子励磁电流流调节可改可改变功率因数的大小功率因数的大小和性和性质（感性或容性）。（感性或容性）。595.8 同步电动机 其结构上定子为三相对 同步同步电机具有功率因数可机具有功率因数可调、运行、运行速度恒定的速度恒定的优点，但点，但结构复构复杂，启，启动和和控制控制设备较昂昂贵，主要用在低速大功率，主要用在低速大功率场合中。合中。同步同步电机采用异步启机采用异步启动法。法。5.8 5.8 同步同步电动机机60 同步电机具有功率因数可调、运行速度恒定的优点