交流电机的工作原理及特性

第4章交流电动机的工作原理和特性4.1三相异步电动机的构造4.2三相异步电动机的转动原理4.3三相异步电动机的电路分析4.4三相异步电动机的转矩与机械特性4.5三相异步电动机的起动4.6三相异步电动机的调速4.7三相异步电动机的制动4.8单相异步电动机异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。电动机的分类：交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能,交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。概述1.按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。2.按电机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机.4.1三相异步电动机的结构三相异步电动机定子转子定子绕组定子铁心机座转子绕组转子铁心饶线式鼠笼式——A、B、C三相绕组——A、B、C三相绕组电动机的外形三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。这是三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。端盖机座这是三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定子这是三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定子转子轴承端盖机座这是三相异步电动机的基本结构示意图1.定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。这是机座定子铁心和定子绕组示意图定子绕组机座定子铁心定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成这是定子硅钢片在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组定子绕组AZBXCYY接法AXBYCZAXBYCZ首端:A,B,C末端:X,Y,Z接法AXBYCZ转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。这是转子硅钢片2.转子这是绕线型转子铁心与绕组根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子鼠笼型转子的电机称鼠笼式电动机绕线型转子的电机称绕线式电动机外接电阻电刷滑环转子铁心转子绕组转子三相绕组接成Y型鼠笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。这是笼型转子三相异步电动机的基本结构示意图转子4.2三相异步电动机的转动原理用手摇动手柄使磁极转动，转子跟着旋转。摇得快，转子转得快；摇得慢，转子转得慢。反摇时，转子马上反转。对称三相电流流入对称三相绕组：i正方向规定：首端末端如：iA：AXiA0XAiA0一.定子旋转磁场iAiBiCiA=ImsintiB=Imsin(t-120)iC=Imsin(t+120)相序A-B-C-Ati0AXBYCZ空间相差120º角的三相绕组iAiBiC60°iA0iB0iC=00°iA=0iB0iC0设：电流的流入端用表示电流的流出端用表示iAiiBiC120°iA=0iB0iC0t二、旋转磁场的方向当电流相序为：A-B-C-A，旋转磁场的方向为顺时针方向旋转磁场的反转：改变流入三相绕组的电流相序（即对调定子绕组接至电源的三根导线中任意两根）旋转磁场的方向：由电流超前的线圈转向电流滞后的线圈结论：空间相差120º角的三相绕组，通入对称三相电流，当电流随时间交变时，产生的两极磁场在空间旋转。定子旋转磁场结论：改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;相序A-B-C-A相序A-C-B-AiAiBiCABYCZXA'X'C'Z'B'Y'三、旋转磁场的极对数Pt=0°AZ'BX'C'XCYA'ZB'Y'SNAZBXCYNS0°（P=1）（P=2）iAiBiCAXBYCZ120°60°N0°SiA=0iB0iC0四极旋转磁场60°0°t=60°NSAZ'BX'C'XCYA'ZB'Y'30°SN0°tiiAiBiC0iAiBiCABYCZXA'X'C'Z'B'Y't=0°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'0°SNiA0iB0iC=0结论：当定子每相中有n个线圈串联,且每相绕组始端在空间相差120º/n时,通入对称三相交流电后,产生一个2n极旋转磁场。（P=n）四、旋转磁场的速度n0pn0=——60f1—电源的频率—磁极对数P=1n0=3000r/minP=2n0=1500r/minP=3n0=1000r/min同步转速—P=4n0=750r/min是定子旋转磁场和转子电流的相互作用的结果--基于电磁感应定律和电磁力定律五、三相异步电动机的工作原理六、转子转速n和转差率Sn0S=——n0–nn=(1–S)n0转差率0S启动时：n=0，S=1额定运行时：nNn0，SN=0.015~0.06转子转速nn0--异步电动机结论：通过电磁感应，转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。--异步电动机也称为感应电动机铭牌U1V1W1W2U2V2接线盒4.3三相异步电动机的额定参数一、定子绕组的接法U1V1W1W2U2V2U1V1W1W2U2V2U1U2V1V2W1W2L1L3L21.Y接法U1U2V1V2W1W2L1L2L3△接法2.L1L2L3L1L2L3IlU1U2V1V2W1W2L1L3L2UlUPIPUl=380VUl=380VUP=Ul=380VUP=——=220VUl3接线方式选择：根据电源线电压及电动机的额定电压而定IlU1U2V1V2W1W2L1L2L3UlUPIP若电动机铭牌上标有220/380V两种额定电压，接法标明△/Y，则表明：若电源线电压=220V,△接；若电源线电压=380V,Y接。每相绕组的相电压每相绕组的相电流线电压线电流例5.1电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。(1)J32-4，功率1.0kW，电压220/380V，连接方法/Y，电流4.25/2.45A，转速1420r/min，功率因数0.79。(2)J02-21-4，功率1.1kW，电压380/660V，连接方法/Y，电流6.27/5.67A，转速1410r/min，功率因数0.79。解：二、三相异步电动机的额定值额定功率PN---在额定运行情况下，电动机轴上所输出的机械功率。型号：额定电压UN---电动机在额定运行情况下的定子绕组所加线电压。220/380，△/Y额定电流IN---电动机在额定情况下运行时定子绕组的线电流值，也称满载电流。10.25/5.9，△/Y额定频率fN---在额定运行情况下的交流电源频率。我国工业标准频率为50Hz。额定转速nN---电动机在额定运行情况下的转速，也称满载转速。额定功率因数cosN----电动机在额定运行情况下的定子电路功率因数。tiuPiP0额定效率N---是指额定运行情况下输出功率与输入功率的比值额定负载转矩TN-----在额定运行情况下，电动机轴上负载转矩。=————————100PN3UNINcosNN3UlIlcosP1==9.55———PNnNTNP2=TAZBXCY主磁通漏磁通L1(很小)4.4三相异步电动机的电路分析定子绕组和转子绕组均为交流铁心线圈AXBYCZiAiBiCuAuBuC漏磁通L2eL1eL2R1R2N1N2u1u1→i1i1→di1dteL1–L1——i2→i2(主磁通)L1L1→(漏磁通)L2L2→–L2——eL2di2dt三相异步电动机的一相电路图e2e2–N2—–ddtE2=4.44f2N2e1e1–N1—–ddtE1=4.44f1N1一、定子电路U1E1=4.44f1N1u1=R1i1–e1-eL1di1dtR1i1-e1+L1——R1N1u1i1e1eL1U1=R1I1–E1–EL1=R1I1–E1+jI1X1=I1Z1–E1•••••••••用向量表示：Z1=R1+jX1：定子的内阻抗一般：R1，X1很小，可忽略R1：每相定子绕组电阻X1：每相定子绕组漏磁感抗X1=2f1L1：旋转磁场每极磁通N1：每相定子绕组匝数————U14.44f1N1Z2=R2+jX2：转子的内阻抗E2=4.44f2N2二、转子电路e2i2R2N2eL20=R2i2–e2–eL2di2dte2=R2i2+L2——用向量表示：E2=R2I2+jI2X2=I2Z2••••R2：每相转子绕组电阻X2：每相转子绕组漏磁感抗X2=2f2L2：旋转磁场每极磁通N2：每相转子绕组匝数三、转子电路中有关各量1.f2---转子电流的频率转子和旋转磁场的相对速度n0–n60f2=————P（n0–n）=Sf12.E2---转子感应电动势E2=4.44f2N2=4.44Sf1N2=SE20X20是n=0时的X23.X2---转子漏磁感抗X2=2f2L2=2Sf1L2=SX20E20是n=0时的E2E20=4.44f1N2X20=2f1L2I2cos2cos2I20S12R2+X2E2I2=————2I2=————2=–—————SE20R2+(SX20)2cos2=—————R2R2+(SX20)224.I2---转子电流5.cos2---转子功率因数I2E2结论：E2，I2，f2，X2和cos2均与S有关电磁转矩T=KtI2cos2，1将代入式得1电磁转矩是由旋转磁场和转子电流的有功分量相互作用而产生的，所以与结构有关的常数一.转矩公式T=K______________SR2U12R22+(SX20)2常数I2，4.5三相异步电动机的转矩与机械特性cos2SR2U2R22+(SX20)2=K______________T—S曲线其中：K----与Kt，f1，N1，N2有关的常数。K1/fU1，U----定子绕组的相电压，电源相电压二.机械特性曲线n=f(T)ST10T—S曲线因为n=n0(1-S),可以由转矩特性得到机械特性n0T机械特性曲线1.固有机械特性（以下分析时忽略空载损耗）条件：U=UN，f1=fN，定子及转子回路中不串入任何阻抗n（S）0T四个特殊点：n0理想空载工作点（0，n0）nNTN额定工作点（TN，nN）启动工作点（TSt，0）TSt临界工作点（Tmax，nm）Tmaxnm运行段非运行段TN—额定负载转矩Tst—启动转矩=9.55———PNnNTNn0SN=——n0–nN额定转差率Tst=K______________R2U2R22+(X20)2起动瞬间n=0，S=1K——R2UX2022T=K______________SR2U2R22+(SX20)2U2U↓→TstR2↑→Tst↑4955Tmax—最大转矩T=K______________SR2U2R22+(SX20)2stTstTN一般st1.02.2特殊st2.22.8启动系数st---表征启动能力TstTL,能起动，TstTL,不能起动由dT/ds=0,得0TSTmaxnmSmnR2Sm=–—X20临界转差率Tmax=K——U22X20U2代入T的表达式，求得最大转矩Tmax过载系数m---表征过载能力mTmaxTN注意：TmaxTL,电动机才能正常工作，否则电动机将停转，造成严重过载。鼠笼式电动机：m2.02.5绕线式电动机：m2.53.0结论：当X20不变时,临界转差率Sm随R2增大而增加。c.Sm=R2/X20a.TmaxU2b.Tmax与R2无关，Sm与U无关，U↓→TmaxTmax=K——U22X20Sm=–—R2X20T=K______________SR2U2R22+(SX20)2工程上采用规格化转矩—转差率特性求得T----不易得到T=——————2Tmax+——SSm——SSm2.人为机械特性改变U，f1，或定子及转子回路中串入电阻