电工电子技术第7章-电动机

第七章电动机第一节三相异步电动机的基本结构第二节三相异步电动机的工作原理第三节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性第四节三相异步电动机的使用第五节三相异步电动机的铭牌和技术数据第六节单相异步电动机第七节控制电机三相异步电动机的结构及制造工艺录像片目录习题第一节三相异步电动机的基本结构定子转子返回电动机直流电动机交流电动机交流电动机同步电动机异步电动机异步电动机按交流电的相数三相异步电动机单相相异步电动机按结构绕线转子异步电动机笼型异步电动机返回异步电动机由定子和转子两部分组成。一、定子•定子是异步电动机固定不动的部分。•由机座、定子铁心、定子三相绕组组成。•定子铁心安装在机座内，由硅钢片叠成。定子三相绕组嵌在定子铁心的槽内，三相绕组的始端和末端分别接到电动机出线盒的接线柱上，这样可以根据需要将三相绕组Y形联结或△形联结，使电动机使用于两种不同的工作电压。返回定子接线端的联结A1B1C1C2A2B2CABZXYY联结△联结返回二、转子•转子是异步电动机旋转的部分。•由转子铁心、转子绕组组成。•转子绕组可分为笼型和绕线转子两种。•转子铁心仍由硅钢片叠成。•笼型转子结构简单，它是在转子铁心的槽内穿入金属导体，两端装上铜环将所有的金属导体短接，自成闭合路径。•绕线转子与定子绕组相同，但三相绕组都是Y联结。三个出线端通过电动机轴上的铜环与电刷引到电动机的外部。返回YBZXAC定子定子绕组（三相）机座笼型转子转子返回第二节三相异步电动机的工作原理旋转磁场转动原理转差率返回一、旋转磁场1.旋转磁场的产生定子三相绕组对称，且空间上互差120°，接成Y形。ABCXYZABCYZXiAiCiB返回iA=ImsinωtiB=Imsin(ωt－120°)iC=Imsin(ωt-240°)对称三相电流ωtiiAiBiC波形如图规定电流正方向由始端向末端，实际流入时用表示，实际流出时用⊙表示。返回OωtiiAiBiCO120°240°60°A⊙⊙BCYXZNSA⊙⊙BCYXZ180°A⊙⊙BCYXZNSωt=0°iA=0iB0iC0A⊙⊙BCYXZn1对称三相绕组，送入对称三相电流，一定产生旋转磁场。ωt=60°iA0iB0iC=0ωt=120°iA0iB=0iC0ωt=180°iA=0iB0iC0ωt=240°iA0iB0iC=0返回2.旋转磁场的转向旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。电流的相序：A－B－C电流的相序：A－C－Bn1n1改变电流相序，即任意对调任意两根电源线，可改变旋转磁场的方向，使电动机反转。返回3、旋转磁场的转速○○○定子每相一个线圈，旋转磁场为二极。旋转磁场的磁极对数p=1电流变化一周，磁场也旋转一周。磁场的转速n1=60f1(r/min)○○○定子每相二个线圈，旋转磁场为四极。旋转磁场的磁极对数p=2电流变化一周，磁场也旋转0.5周。磁场的转速n1=60f1/2(r/min)返回改变定子绕组的接线方式，可以改变异步电动机的极数。旋转磁场的转速n1与电动机的磁极对数p成反比，与交流电的频率f1成正比。1160(r/min)fnpp12345n1/(r/min)300015001000750600返回二、转动原理n1F⊙Fn1=0,磁场静止，转子不能感应电流，导体静止。n1≠0，磁场顺时针旋转。异步电动机要转动起来，要有旋转的磁场，同时转子电路必须闭合。改变磁场旋转方向可使电动机反转。转子产生感应电流，在磁场的作用下产生电磁转矩，使转子转动起来，方向与磁场方向一致。SN对称三相电源定子对称三相绕组旋转磁场转子旋转n1n返回三、转差率异步电动机的转动原理是建立在电磁感应的基础上的，所以电动机的转速n与旋转磁场的转速n1（又叫做同步转速）不能相等。即n≠n1其相差的程度用转差率S来表示。11nnSn转差率S是异步电动机重要的参数之一。S≈0.02～0.06异步电动机刚起动的瞬间，n=0,S=1返回例、某三相异步电动机额定转速nN=980r/min，接在f1=50Hz的电源上运行。试求在额定状态下,定子旋转磁场速度n1、磁极对数p、额定转差率S。解：∵一般额定转差率为0.02～0.06∴nN≈n11N160fnnp1N6060503980fpn11606050r/min1000r/min3fnp1N110009800.021000nnSn返回第三节三相异步电动机的电磁转矩与机械特性转矩平衡电磁转矩自然机械特性人工机械特性返回一、转矩平衡关系三相异步电动机在拖动生产机械工作时，旋转磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为电磁转矩T，它是一个驱动转矩。作用在电动机轴上的各种机械转矩称为负载转矩TL，它是一个阻碍转矩。当电动机稳定运行时，驱动转矩等于阻碍转矩。即：T=TL（转矩平衡方程）若TTL电动机减速若TTL电动机加速返回二、电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的。因此电磁转矩与旋转磁场的每级主磁通Φ、转子电流I2有关。即：T∝ΦI2转子电流I2由转子电动势E2产生。İ2、Ė2之间的相位差角为φ2，cosφ2是转子功率因数。所以，电磁转矩T与Φ和转子电流I2的有功分量I2cosφ2成正比。即：T=KTΦmI2cosφ2KT是决定于电动机的常数。返回1.定子电路三相电动机的电磁关系与变压器相类似，定子相当与变压器一次侧，转子相当于二次侧。以一相为例：定子每相绕组磁通Φ=Φmsinωte1=-N1dΦ/dt忽略uZ、eσ1，则u1≈－e1U1≈E1=4.44f1N1Φmf1=pn1/6011UE－u1i1i2e2e1f1f2返回2.转子电路e2=-N2dΦ/dtE2=4.44f2N2Φmf2=p（n1-n）/60E2、f2为转子电动势和转子电流的频率，因为旋转磁场与定子间的相对转速为n1，定子与转子间的相对转速为n。则有：11160nnpnn=Sf1电动机起动瞬间n=0，S=1f2=f20=pn1/60=f1E20=4.44f1N2ΦmE2=4.44Sf1N2ΦmE2=SE20返回转子电路呈感性Z2=R2+X2式中漏磁感抗X2=2πf2LS2=2πSf1LS2S=1,X20=2πf1LS2X2=SX20转子电流2022222222220()SEEIRXRSX转子功率因数222222222220cos()RRRXRSX返回转子电路的各物理量都与转差率有关，即与转子的转速有关。I2、cosφ2与S的关系如曲线所示I2cosφ211Scosφ2起动时，S=1，n=0起动时，I2很大,cosφ2很低I2n↓→S↑→I2↑11nnSn返回OT=KTΦI2cosφ22022222220220()()TSERKΦRSXRSX22022220()TSREKΦRSX3.转矩公式返回22122220()TSRUTKRSX当KT、U1、R2、X20、一定的条件下，把T=f(S)曲线称为转矩特性曲线。如图：TTmax1SSmS较小，0SSm，S↑T↑S较大，SmS1，S↑T↓将Tmax对应的Sm称为临界转差率.三、自然机械特性1.转矩特性利用导数可求得Sm=R2/X20Tmax=KTU12/2X20返回O异步电动机的电磁转矩与定子相电压U12成正比。当电源电压有所变动时，对电磁转矩影响很大。TTmax1SSmTmax′U1U1′U1U1′T∝U2Sm与U1无关U1↓→T↓→n↓→S↑→I2↑→I1↑电压不足，会造成电流增大，电动机发热。0SSm电动机运行稳定，SmS1电动机运行不稳定。返回O临界转差率Sm与R2成正比。最大转矩Tmax与R2无关。R2′R2″TTmax1SSm′R2′R2″Sm″2.机械特性在电源电压U1不变时，电动机的转速n和电磁转矩T间的关系称为电动机的机械特性。返回On=f(T)机械特性曲线可由转矩特性曲线得来：TstTNnNnTmaxTn1ABCnmnnm(AB段）：为稳定工作区（S较小），具有硬特性，即电动机具有自动适应负载能力。TL↓→TTL→n↑→S↓→T↓→T=TL0nnm(BC段）：为不稳定工作区。返回异步电动机T－n曲线上对应着三个特定转矩：额定转矩TN：在额定电压下，当电动机的输出功率等于额定功率PN时的转矩称为额定转矩。对应的转速称为额定转速nN。NNN9550PTn最大转矩Tmax：电动机转矩的最大值。kWr/minN·m当负载转矩TLTmax时，电动机将发生闷车停转。定子电流急剧升高，电动机过热导致烧毁。称最大转矩与额定转矩的比值λ为过载系数。返回maxmNTT一般，过载系数λm为1.8～2.2。λm也表示短时允许过载能力。起动转矩Tst：电动机刚起动n=0，S=1时的转矩。由S=1可得221st22220()TRUTKRXTst∝U12Tst与R2有关当U1减小时，Tst减小，当R2适当增大时，Tst会增大返回起动能力λS=stNTT一般Tst=(1～2.2)TN。只有当TLTst时电动机才能起动。否则会发生“堵转”，此时电流I1I2都很大。I2与S的关系如曲线所示I211S起动时，S=1，n=0起动时，I2很大,I2n↓→S↑→I2↑11nnSn返回OTst″TnTst′U1′U1″U1′U1″Tst″TnTst′R2′R2″R2′R2″Tst∝U2U↓，Tst↓U↓，Tmax↓R2↓，Tst↓R2↓，Tmax不变四、人工机械特性返回例1、一台三相异步电动机,电源电压U1=220V,f1=50Hz，额定转速nN=1425r/min，转子电路的电阻R2=0.03Ω，感抗X20=0.09Ω，磁极对数p=2，E1/E20=11。求:(1)电动机起动瞬间的E20，f20，I20，cosφ20；(2)转子达到额定转速nN时的E2，f2，I2，cosφ2。U1≈E1=220VE20=E1/11=20V起动瞬间f20=f1=50HZ2020222222020A210.82A()0.030.09EIRX22022222200.03cos0.316()0.030.09RRX解：转子转速为nNn1=60f1/p=1500r/minSN=(n1－nN)/nN=0.05E2=SE20=1Vf2=Sf20=2.5HzX2=SX20=0.0045Ω20222220()32.96ASEIRSX2222220cos()0.989RRSX返回例2、一台异步电动机，额定转矩TN=65.9N·m，额定转速nN=1450r/min，起动能力为1.4，过载系数为2.0，求Tmax、Tst、PN。NNN9550TnP解：145065.9kW10kW9550maxmNTTmN8.1319.652λS=stNTTTst＝1.4×65.9＝92.9N·m返回第四节三相异步电动机的使用起动调速反转制动返回一、起动三相异步电动机接通电源后从静止状态过渡到稳定运转状态的过程叫起动。1.起动性能要求有足够大的起动转矩,否则电动机不能起动TstTL满足起动转矩的前提下，起动电流Ist越小越好一般Ist=(5～7)IN，由于起动时间短，电机不会因发热而烧毁，但过大的电流会造成电网电压降落增大，影响其它设备正常工作。返回2.起动方法全压起动（直接起动）全压起动简单、经济、但Ist较大。适用于PN≤10kW的中小型电动机，或者电动机功率小于变压器容量的20%，同时电网电压下降不超过5%。降压起动降压起动即起动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速接近额定值时，再将定子绕组上的电压恢复到额定值。由于加到定子绕组上的电压U1下降，所以起动电流下降，同时起动转矩也下降。因此降压起动适用于轻载或空载起动。返回△形运行Y形起动C2C1B2B1A2A1SS常用的降压起动方法：Y－△换接起动这种方法只适用于正常运转时△形联结的电动机。当S2接起动端时，定子三相绕组Y形联结。起动电流（线电流）IstY=UP/z1