电工技术基础-电动机.ppt

,主讲教师：侯涛,电工技术基础,三相异步电动机的转动原理三相异步电动机使用方法三相异步电动机的运行和控制方法三相异步电动机的机械特性单相异步电动机的转动原理直流电动机的转动原理步进电动机的转动原理,学习要点,第7章电动机,第7章电动机,7.1三相异步电动机的结构及转动原理7.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性7.3三相异步电动机的运行与控制7.4三相异步电动机的选择与使用7.5单相异步电动机7.6直流电动机7.7步进电动机,1、发电机：把机械能转换为电能的电机称为发电机。电动机：把电能转换为机械能的电机称为电动机。2、电动机的分类：直流电动机：他励、并励、串励、复励交流电动机：同步电动机和异步电动机3、本章主要介绍三相异步电动机的结构、转动原理。机械特性、运行控制方法及使用方法,7.1三相异步电动机的结构及转动原理,7.1.1三相异步电动机的结构,三相异步电动机由定子和转子构成。定子和转子都有铁心和绕组。定子的三相绕组为AX、BY、CZ。转子分为鼠笼式和绕线式两种结构。鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。绕线式转子绕组的形式与定子绕组基本相同，3个绕组的末端连接在一起构成星形连接，3个始端连接在3个铜集电环上，起动变阻器和调速变阻器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。,7.1.2旋转磁场的产生,把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。,结论：(1)在对称的三相绕组中通入三相电流，可以产生在空间旋转的合成磁场。(2)磁场旋转方向与电流相序一致。电流相序为A-B-C时磁场顺时针方向旋转；电流相序为A-C-B时磁场逆时针方向旋转。（见书）,（3）同步转速：旋转磁场的转速称为同步转速，用,表示,电流变化一周，合成磁场旋转一周。若三相交流电的频率为,则合成磁场的同步转速为,此外，同步转速,工程上，转速的单位习惯采用,这时同步转速为,的大小还与旋转磁场的磁极对数有关，上面,讨论的旋转磁场只有两个磁极，即只有一对N，S极，称为一对磁极，用P=1表示。如果电动机的旋转磁场不只一对磁极，则为多对磁极，如4极旋转磁场有两对N，S极，称为2对磁极，用P=2表示。旋转磁场磁极对数增加时，同步转速将按比例减小，可以证明,7.1.3三相异步电动机的转动原理,静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。,电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速no，因而称为异步电动机。如果n=no,转子导体与旋转磁场之间就没有相对运动，转子导体不切割磁力线，就不会产生感应电流，电磁转矩为零，转子因失去动力而减速。待nno时，转子导体与旋转磁场之间又存在相对运动，产生电磁转矩。,又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：,转差率表示了转子转速,与旋转磁场同步转速,之间相差的程度，是分析异步电动机的一个重要差数,异步电动机在额定负载下运行时的转差率约为1%9%。,转子转速n越接近同步转速,转差率S越小。当n=0(起动初始,瞬间）时，转差率S=1:当理想空载时，即转子转速与旋转磁场转速相等时，转差率所以，转差率的值在01范围内即0s1。,作业：229747576,7.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性,7.2.1三相异步电动机的电路分析,1定子电路分析,忽略R1和X1上的压降，则：,2转子电路分析,转子感应电动势频率,起动时转子电动势,转子漏抗,7.2.2三相异步电动机的电磁转矩,7.2.3三相异步电动机的机械特性,1起动转矩,电动机刚起动（n=0，s=1）时的转矩称为起动转矩。,为了保证电动机能够起动，电动机的起动转矩必须大于静子时的负载转矩。因此，起动转矩也表示电动机的起动能力。在电动机的技术数据中，用起动转矩,与额定转矩,的比值用,表示来衡量起动转矩的大小。即,2、额定转矩,电动机匀速运行时，电磁转矩必须与阻转矩相平衡，即,阻转矩主要是机械负载转矩,，此外还包括空载损耗转矩,阻所产生的阻转矩），所以：,（主要是机械摩擦和风,由于,很小，可忽略不计，这样，电磁转矩T与,电动机轴上输出的机械负载转矩,近似相等，即,式中,为电动机轴上输出的机械功率，单位是W,是转子角速度，单位是,在实际中，功率的单位常用KW,转速的单位常用,所以,其中P为KW,n为,电动机在额定负载下工作时的电磁转矩称为额定转矩，忽略空载损耗转矩，则额定转矩等于机械负载转矩。,式中PN是电动机的额定功率，单位为kW；nN是电动机的额定转速，单位是r/min。,3最大转矩,可见，三相异步电动机的最大转矩与,成正比，而与转子,电阻,无关。,最大转矩,额定转矩,例题：P202例72,7.3三相异步电动机的运行与控制,7.3.1三相异步电动机的起动,电动机起动时由于旋转磁场对静止的转子相对运动速度很大，转子导体切割磁力线的速度也很快，转子绕组中产生的感应电流都很大，和变压器的原理一样，定子电流必须相应增大。由于起动后转子的速度不断增加，所以电流将迅速下降。另外，在起动瞬间，由于转差率S=1，所以转子,电路的功率因素较低，以至起动转矩较小，电动机可能会因起动转矩太小而需要较长的起动时间，甚至不能带动负载起动，故应设法提高起动转矩。,三相异步电动机起动时的主要特点是起动电流较大，为了减少起动电流，有时也为了提高起动转矩，必须根据具体情况选择不同的起动方法。,1直接起动,直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。优点：起动简单。缺点：起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20。,2降压起动,Y-换接起动：在起动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。适用范围：正常运行时定子绕组是三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。优点：起动电流为全压起动时的13。缺点：起动转矩均为全压起动时的13。只适用于空载或轻载,自耦降压起动：利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。自耦变压器备有40、60、80等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。,绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻后，既可以降低起动电流，又可以增大起动转矩。,列题：P2047-3,作业：P2307-187-19,7.3.2三相异步电动机的调速,三相异步电动机的转速：,1变极调速,通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数p来调速。因磁极对数只能是按1、2、3、的规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节。,2变频调速,通过变频器把频率为50Hz工频的三相交流电源变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源，然后供给三相异步电动机，从而使电动机的速度得到调节。变频调速属于无级调速。,3变转差率调速,通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来调整转差率实现平滑调速的，又称为变阻调速。调速电阻的接法与起动电阻相同。这种方法只适用于绕线式异步电动机。,7.3.3三相异步电动机的反转,因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。因此，要改变三相异步电动机的转动方向非常容易，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。,7.3.4三相异步电动机的制动,1能耗制动,电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源。感应电流与直流电产生的固定磁场相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。特点：是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。,2反接制动,电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，成为制动转矩。注意：当电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止电动机反转。特点：简单，制动效果好，但由于反接时旋转磁场与转子间的相对运动加快，因而电流较大。对于功率较大的电动机制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻，用以限制电流。,3发电反馈制动,当电动机转子轴受外力作用，使转子的转速超过旋转磁场的转速时，如起重机吊着重物下降，电磁转矩的作用就不再是驱动转矩了，此时，电磁转矩的方向与转子的运动方向相反，从而限制转子的转速起到制动作用。,当转子转速大于旋转磁场的转速时，有电能从电动机的定子返回给电源，这时电动机已经转为发电机运行，所以这种制动称为发电反馈制动。,作业：P2297117-12,7.4.1三相异步电动机的铭牌,7.4三相异步电动机的选择与使用,型号：,功率：电动机在铭牌规定条件下正常工作时转轴上输出的机械功率，称为额定功率或容量。电压：电动机的额定线电压。电流：电动机在额定状态下运行时的线电流。频率：电动机所接交流电源的频率。转速：额定转速。接线方法：,工作方式：工作方式分连续、短时、断续绝缘等级：绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度分级的。所谓极限温度，是指电动机绝缘结构中最热点的最高允许温度。若工作温度过高，会使绝缘材料老化。功率因素：电动机是感性负载，定子相电流的相位比相电压的相位滞后一个角，就是电动机的功率因素,7.4.2三相异步电动机的选择,1、电源的选择选择电动机时应该根据电源的情况和电动机的铭牌正确选用2、防护型式的选择：见书3、功率的选择电动机的额定功率要比负载功率大一些，以留有一定余量，但也不宜大太多，否则既浪费设备容量，又降低电动机的功率因素和效率4、转速的选择应该根据生产机械的要求来选择电动机的额定转速，转速不宜选择太低。,7.4.3电动机的安装与接地,P2307-20,7.5单相异步电动机,7.5.1单相异步电动机的工作原理与特性,在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定子绕组轴线方向变化的磁场，称为脉动磁场。,假设单相电动机的定子绕组由一个匝数为W1的绕组元件AX组成，先假定AX绕组通入直流电I,则磁势F1为恒定，气隙中即产生一个恒定的两极磁场，磁场轴线即AX绕组的轴线。当AX绕组通入正弦交流电时后，则磁势在时间上也相应作正弦变化，但磁场轴线的位置始终不变，气隙中随时间作这样变化的磁场称为脉动磁场。,虽然单相异步电动机的起动转矩为零，不能自行起动，但一旦让电动机转动起来,情况就发生了变化，假设转子已经按顺时针方向转动起来了，由于转子的转向与顺时针方向旋转磁场B1的方向相同，彼此间相对运动较小，因此，B1在转子中产生的感应电流频率小于静止时的电流频率，转子的感抗（X=WL)较静止时要小，顺时针方向转子电流的功率因素也较高，顺时针方向的电磁转矩也就比静止时转矩要大。,另一方面，转子的转向与逆时针方向旋转磁场B2的方向相反，彼此间相对运动较大，因此B2在转子中的感应电流频率及产生的感抗均大于静止时的值，逆时针方向转子电流的功率因素也较低，逆时针方向的电磁转矩也就较小。,所以，由于顺时针旋转磁场B1和逆时针旋转磁场B2产生的合成电磁转矩不再为零，在这个合成转矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，单相异步电动机仍将沿着原来的运动方向继续运转。由于单相异步电动机总有一个反向的制动转矩存在，所以其效率和负载能力都不及三相异步电动机。,7.5.2单相异步电动机的起动,1分相法,下图所示分别为t=0、45、90时合成磁场的方向，由图可见该磁场随着时间的增长顺时针方向旋转。这样一来，单相异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下起动了。,2罩极法,罩极法是在单相异步电动机定子磁极的极面上约1/3处套装了一个铜环（短路环），套有短路环的磁极部分叫做罩极。当定子绕组通入电流产生脉动磁场后，有一部分磁通穿过铜环，使铜环内产生感应电动势和感应电流。根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，从而使短路环内的合磁场变化总是在相位上落后于环外磁场可以把环内，环外的磁场设想为两相有相位差的电流所形成形成，这样分相的结果,在电动机内形成了一个旋转磁场。在这个旋转磁场的作用下，电动机的转子就能够起动起来了。,7.6直流电动机,7.6.1直流电动机的结构及分类,三相异步电动机也由定子和转子构成。定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。,转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁心上冲有槽孔，槽内放电枢绕组，电枢铁心也是直流电动机磁路的组成部分。电枢绕组的端装有换向器，换向器由许多铜质换向片组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。换向器是直流电动机的重要构造特征，换向器通过与电刷的摩擦接触，将两个电刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以便形成固定方向的电磁转矩。,他励式:电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电。电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的重型机床等设备中。自励式：1、并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转速调节方便，调速范围大。,2、串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特别适用于起重设备。3、积复励：复励式电动机上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联。当复励式电动机的两个励磁绕组产生的磁通方向一致时，称为积复励:两个绕组产生的磁通方向相反时，称为差复励。,A、积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。B、差复励电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的,7.6.2直流电动机的工作原理和机械特性,接通直流电压U时，直流电流为从a边流入，b边流出，由于a边处于N极之下，b边处于S极之上，则线圈受到电磁力而形成一个逆时针方向的电磁转矩T，使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动。,1直流电动机的转动原理,当电枢转动半周后，a边处于S极之上，而b边处于N极之下。由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向变为从b边流入，从a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的电磁转矩T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。,2电磁转矩与电压平衡方程,电磁转矩,电枢电动势,电枢回路的电压平衡方程,U：外加电压,回路直流电阻,电枢电流,电枢转动时产生的反电动势,定子磁通,电枢电流,转子转速,3机械特性,直流电动机具有硬的机械特性。,据前：,电磁转矩T=0时的转速,转速降，表示负载增加时，电动机的转速会下降。转速降是由电枢电阻引起的，因为负载增加时随着增大，使电枢电阻上的电压增大，由于电源电压一定，因而电枢反电动势E减少，使转速降低。,直流电动机一般为什么不允许直接起动？答：因为他励直流电动机电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的1020倍，起动转矩也很大。过大的起动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。而过大的起动转矩可能会使轴上受到不允许的机械冲击。所以全压起动只限于容量很小的直流电动机。,7.6.3直流电动机的运行与控制,1直流电动机的起动,直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的1020倍，因此必须限制起动电流。限制起动电流的方法就是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rst。起动电阻的值：,一般规定起动电流不应超过额定电流的1.52.5倍。起动时将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将起动电阻逐渐减小。,2直流电动机的调速,根据直流电动机的转速公式n=（UIaRa）/Ce，可知直流电动机的调速方法有3种：改变磁通调速、改变电枢电压U调速和电枢串联电阻调速。改变磁通调速的优点是调速平滑，可做到无级调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好。但由于电动机在额定状态运行时磁路已接近饱和，所以通常只是减小磁通将转速往上调，调速范围较小。改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；控制灵活、方便，可实现无级调速；调速范围较宽，可达到610。但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源，设备较复杂。电枢串联电阻调速方法简单、方便，但调速范围有限，机械特性变软，且电动机的损耗增大太多，因此只适用于调速范围要求不大的中、小容量直流电动机的调速场合。,3直流电动机的制动,直流电动机的制动也有能耗制动、反接制动和发电反馈制动3种。能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。,7.7步进电动机,7.7.1步进电动机的结构,定子磁极,转子齿,接线方式,7.7.2步进电动机的工作原理,1单三拍控制方式,按照ABCA的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转30。如果通电顺序改为ACBA，则电动机反转。,2六拍控制方式,按照AABBBCCCAA的顺序通电。每改变一次通电状态，转子顺时针方向转15。若改变通电顺序，则电动机反转。,7.7.3步进电动机的步距角与转速,三相步进电动机的步距角与转子的齿数zr和运行的拍数m有如下关系：,如果脉冲信号的频率为f，则步进电动机的转速为：,