第四章-交流电动机的工作原理及特性

第四章交流电动机的工作原理及特性机电一体化系统设计内容提要4.1三相异步电动机的结构和工作原理4.2三相异步电动机的额定参数4.3三相异步电动机的转矩与机械特性4.4三相异步电动机的启动4.5三相异步电动机的调速4.6三相异步电动机的制动4.7单相异步电动机4.8同步电动机的工作原理、特点及应用由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个部分组成。定子构成：由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成机座：是用铸铁或铸钢制成的4.1.1三相异步电动机的结构4.1交流电动机的基本结构和工作原理铁心：是由互相绝缘的硅钢片叠成的。铁心的内圆周表面冲有槽，用以放置定子绕组。定子绕组：是起电磁作用的三相对称的线圈4.1.1三相异步电动机的结构4.1交流电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的转子铁心是圆柱状的，也是用硅钢片叠成，表面冲有槽，用来放置转子绕组。转子铁心装在转轴上，轴上加机械负载。分为鼠笼式和绕线式两种鼠笼式异步电动机若去掉转子铁心，嵌放在铁心槽中的转子绕组，就象一个“鼠笼”，它一般是用铜或铝铸成。4.1.1三相异步电动机的结构4.1交流电动机的基本结构和工作原理n1nei4.1.2三相异步电动机工作原理NSf磁铁闭合线圈e方向用右手定则确定f方向用左手定则确定磁场旋转4.1交流电动机的基本结构和工作原理磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势vlBe导线长磁感应强度切割速度（右手定则）闭合导线产生电流i（左手定则）通电导线在磁场中受力ilBfn1neiNSf1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致结论：2.线圈比磁场转得慢1nnn1neiNSf异步三相异步机的结构YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。三相定子绕组：产生旋转磁场。线绕式鼠笼式鼠笼转子1旋转磁场的产生AYCBZ异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极AiBiCimIt1n(•)电流出()电流入X240sin120sinsintIitIitIimCmBmA4.1.3三相异步电动机的旋转磁场0tAXYCBZNSAiBiCimItBiAXBYCZAiCi合成磁场方向：向下180tXBZ1nAYC60tAXYCBZSN1n60A120tXYCBZ1n同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：AiBiCitmIANSNSttTtt0202.旋转磁场的旋转方向三相交流电流最大值到达的顺序（相序）决定电动机转向。A→B→C电流A→B→C定子绕组（顺时旋转）A→B→C电流A→C→B定子绕组（逆时旋转）旋转方向：取决于三相电流的相序。1n1n改变电机的旋转方向：换接其中两相。AiBiCimItAiCiBimIt一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°电流频率为fHz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：n0称为同步转速分）转/(600fn3.四极旋转磁场与旋转速度(a)嵌放情况(b)接线图图4.11产生四极旋转磁场的定子绕组(极对数=2)3.旋转磁场的极对数与旋转速度3.四极旋转磁场与旋转速度CBAiiit0006CBAiiiTtCBAiiiTt03CBAiiiTt02ttTtt0205.5600pfn旋转磁场转速（同步速）磁场转了90度n0－r/minf－HZp－极对数（p=1、2、3…）4.转差率的概念：)(s%10000nnns转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：pfSn601电流频率f极对数pmin/9801480288010001500300032150000rnnnnnnPPPHfZ电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速（额定转速）:n电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但异步电动机1nn无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果1nn图5.15星形连接图5.16三角形连接出线端排列短路片线电压相电压铭牌：Y/△－接线方式380/220－不同接线应加的线电压4.2.1定子绕组线端连接方式4.2异步电动机的额定参数•电动机铭牌上的额定数据•型号•额定功率PN(输出的机械功率)•额定电压UN(220/380V△/Y)•额定频率f(50HZ)•额定电流IN(10.35/5.9A△/Y)•额定转速nN(额定转差率SN)•工作方式(定额)•温升(或绝缘等级)•电动机重量4.2.2三相异步电动机的额定值•电动机铭牌上不标的额定数据•额定功率因数cosψN•额定效率ηN%100cos3NNNNNIUP额定转矩TN绕线式异步电动机转子静止时滑环电压和转子额定电流通常手册上给出的数据就是额定值4.2.2三相异步电动机的额定值输入定子的电功率定子电路中的铜损转子电路中的铜损Pcu2=sPcu输入转子的电磁功率铁损(磁滞和涡流损耗)机械损失功率输出的机械功率4.2.3三相异步电动机的能流图23.51112PPPPP电动机的效率NNNP9.07.0～TPTPPPemcu2220电动机的输出功率T----电动机的电磁转矩T2----电动机的输出转矩24.555.9222nPPT4.2.3三相异步电动机的能流图图5.18定子和转子电路的感应电势定子每相绕组的感应电势为dtdNetm11sin有效值为6.544.4111NfEffpnf1017.560忽略漏磁10.511EU•4.3.1定子电路分析4.3三相异步电动机的转矩与机械特性转子感应电势有效值为1210ffSnZ12H50f)3~75.0%6~%5.1ZHfS（11.544.4222NfE12.512Sff15.5202SEEE20－转子未转动感应电势•4.3.2转子电路分析4.3三相异步电动机的转矩与机械特性转子感应电流有效值为22.5cos220222222222SXRRXRR21.52202220222222SXRSEXREIE20－转子未转动感应电势X2---转子每相绕组漏磁感抗转子电路功率因素为(I2迟后E2一个ψ2角)•4.3.2转子电路分析4.3三相异步电动机的转矩与机械特性21.52202220222222SXRSEXREI22.5cos220222222222SXRRXRR1cos002220220220SRSEISXRInnS202220202202/cos01SXRCXEISXRnS4.3.2转子电路分析•例4-1有一台三相四极的异步电动机，Y连接，其额定技术数据为PN=90kW，UN=380V，IN=22．9A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=2．85％，定子每相绕组匝N1=320，转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通φ＝0.023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1：(2)转子每相绕组开路电压E20：(3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N•解(1)E1=4.44f1N1φ=4.44×5O×320×0.023•＝1634V(2)转子绕组开路时，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压)E20=4.44f2N2φ=4.44f1N2φ=4.44×50×20×0.023=102V(3)求E2Nf2=SNf1＝0.0285×50Hz=1.43HzE2N=4.44f2N2φ=4.44×1.43×20×0.023=2.9V•例4-2有一台三相四极的异步电动机，其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02Ω，X20=0.08Ω，电源频率f1=50Hz，E20=20V，试求：(l)电动机的同步转速n0：(2)电动机启动时的转子电流I2st：(3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N；(4)电动机在额定转速时的转子电流I2N解(1)n0=60f1/P=60×50/2=1500r/min(2)AXREIst5.24208.002.0202222022202AXSRESINNN4008.004.002.02004.02222022202(3)SN=(n0-nN)/n0=(1500-1440)/1500=0.04f2N=SNf1＝0.04×50Hz=2Hz(4)直流电动机的转矩三相异步电动机的转距2.3atIKT25.5cos22IKTt21.52202220222222SXRSEXREI22.5cos220222222222SXRRXRR27.5220222222022212SXRUSRKSXRUSRKT4.3三相异步电动机的转矩与机械特性4.3.3三相异步电动机的转矩T2cos对影响n=f(T)机械特性曲线T=f(S)T-S曲线n=n0n=0T27.5220222222022212SXRUSRKSXRUSRKT4.3.4三相异步电动机的机械特性27.52202222SXRUSRKT•1.固有机械特性•理想空载转速n0•额定工作点T=TN•TN=9.55PN/nN•SN=(n0-nN)/n0–(0.06～0.015)•nN=(0.94～0.985)n0•启动工作点Tst(n=0,s=1)•临界工作点(T=Tmax,s=sm)dT/ds=0sm=R2/X20Tmax=KU2/(2X0)T27.52202222SXRUSRKTTmax=KU2/(2X0)sm=R2/X2034.5/2maxSSSSTTmm•1.固有机械特性•过载能力系数•λm=Tmax/TNλm=2.0～2.2•启动能力系数•λst=Tst/TNλst=1.0～1.2•转矩-转差率实用公式•T/Tmax代入sm=R2/X20化简得4.3.4三相异步电动机的机械特性0.25Tmax0.64Tmax32.5231.5/5.5/60202max2020XUKTXRSPfnm电压降低后特性变化的特点：1.n0、Sm不变；2.Tmax大大减小，对U敏感；3.机械特性变软；4.TL不变下，S↑I↑温度升高。•2.人为机械特性•降低电源电压的人为特性4.3.4三相异步电动机的机械特性特性变化的特点：1.n0、Sm不变；2.Tmax同降压引起Tmax下降相比减小得较小；3.机械特性变软；•2.人为机械特性–定子电路串入电阻或电抗4.3.4三相异步电动机的机械特性ff1f2特性变化的特点：n0、Sm改变，机械特性基本不变；fTfTCTCfUXUKTfXXRSPfnststm/1/32.5231.5/5.5/60max202max202020•2.人为机械特性–改变电源频率时的特性4.3.4三相异步电动机的机械特性特性变化的特点：Sm增大，机械特性变软；CTXUKTXRSPfnmmax202max202032.5231.5/5.5/60•2.人为机械特性–转子电路串入电阻（绕线式电动机）4.3.4三相异步电动机的机械特性•三相异步电动机的启动要求•启动转矩要足够大；•满足启动转矩要求下，启动电流要小。22022202222coscos1SXRSEIIkTSstststtststNstNstIITT7~55.1~8.024.4三相异步电动机的启动特性35.5443%20电动机功率电源总容量经验公式工业与民用共用电源时变压器容量的电动机功率NstII图5.29鼠笼式异步电动机的直接启动