电机的工作原理及特性

三相异步电动机的工作原理及特性1).三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙.(1)定子定子由铁心,绕组,机座三部分组成.铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成;三相绕组连接成星形或三角形;机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心.(2)转子转子由铁心和绕组组成.转子同样由硅钢片叠压而成,压装在转轴上;转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种.鼠笼式三相异步电动机的结构示意图5.定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线2).三相异步电动机的工作原理(1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速;(2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势;(3)转子绕组中感生电流;(4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了.电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步.设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为;no-n;3).三相异步电动机的旋转磁场(1)旋转磁场的产生设电动机为2极,每相绕组只有一个线圈.在0-T/2这个区间,分析有一相电流为零的几个点.规定:当电流为正时,从首端进尾端出;电流为负时,从尾端进首端出.t=0时，iA=0;iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图(a)中箭头所示。t=0时，iA=0;iB为负，iC为正t=T/6时，ωt=ωT/6=π/3,iA为正(电流从A端流到X端)；iB为负(电流从Y端流到B端)；iC=0。此时的合成磁场如图(b)所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了π/3。t=T/6时，ωt=ωT/6=π/3,iA为正；iB为负；iC=0此时的合成磁场如图(c)所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2π/3。t=T/3时，ωt=ωT/3=2π/3,iA为正;iB=0；iC为负此时的合成磁场如图(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了π。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就产生了旋转磁场。t=T/2时，ωt=ωT/2=π,iA=0；iB为正；iC为负。旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致;改变三相交流电的相序,即A-B-C变为C-B-A,旋转磁场反向;要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线.(2)旋转磁场的旋转方向pfn600式中,f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数.电动机的磁极对数为1时,同步转速为3000r/min;电动机的磁极对数为2时,同步转速为1500r/min;电动机的磁极对数为3时,同步转速为1000r/min.(3)旋转磁场的旋转速度-----同步转速no2.三相异步电动机的机械特性1).三相异步电动机的转矩三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流相互作用而产生的:22cosIKTt1、转子电流与转速的n的关系2I22IEnn2、转子电路功率因数与转速n的关系2cos222222cosXRR2222LfX3、电磁矩与转速n的关系eT22cosITe2).三相异步电动机的机械特性n=f(T)固有机械特性(自然机械特性):在额定电压和额定频率下,定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时,电动机的机械特性.(2)额定工作点T=TN,n=nN,自然特性上有4个特殊点:(1)理想空载转速点noT=0,n=no,(3)起动工作点T=Tst,n=0(4)临界工作点T=Tmax,n=nm人工机械特性介绍3种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电抗时,变频率时.(1)降低电压时的人工特性电压越低,人工特性曲线越往左移;电动机的过载能力和起动转矩会大大降低;电压降低,负载转矩不变时,电动机过热;电压降低太多,电动机将带不动负载(不能起动).(2)定子电路串入电阻或电抗时的人工特性定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中虚线2所示,1为电压降低时的人工机械特性;曲线2与曲线1相比较,最大转矩要大一些.(3)改变定子电源频率时的人工特性随着频率的降低,理想空载转速只能在电源额定频率以下调节;转速no减小,起动转矩Tst增大,最大转矩Tmax不变.3.三相异步电动机的起动特性生产机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动电流小.1).三相鼠笼式异步电动机的起动方法三相异步电动机起动电流是额定电流的(5-7)倍,为满足起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类.(1)直接起动(全电压起动)适用范围;电动机功率20%变压器容量.一般中小型鼠笼式异步电动机都采用全电压直接起动.(2)降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的起动电流,采用降压起动.在工厂常用的降压起动方法有4种:定子串电阻或电抗器,Y-△变换,自耦变压器,延边三角形.(1)定子绕组串电阻或电抗器降压起动电路图如右图;不足之处:起动转矩随定子电压的平方下降;不经济.应用场合:电动机空载或轻载起动.(2)Y-△降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是△接法的电动机才能采用Y-△降压起动.对于国产JO,JO2,Y,Y2系列电动机,功率大于4.5kW的都是采用△接线.也就是说,大容量电动机都可以用Y-△降压起动.Y-△降压起动的电气原理图如右图所示.起动时,三相绕组接成Y形,运行时,绕组接成△形.电流下降1/3,转矩也下降1/3.特点:电动机Y形起动过程中,可提高电动机的效率和功率因数;起动转矩小,只适用于空载或轻载起动的场合;设备简单,经济;在机床工业上应用较普遍.4.三相异步电动机的调速特性pfn600异步电动机的调速方法主要有三种:变磁极对数p;变电压U;变频率f.由基本公式1).变磁极对数调速(1)方法:改变定子绕组的连接,可以得到两个不同的磁极对数.(2)多速电动机:最多在电动机中嵌入两套绕组,使绕组有不同的连接,可分别得到双速,三速,四速电动机,双速应用较多.4极2极变磁极对数调速3)特点:结构简单,效率高,特性好;体积大,价格高.在中小机床上应用比较多.双速电动机的高低速转换,一般是先低速,再转换为高速.双速电动机Y/YYYY/2).改变电压调速(1)应用范围:只适用于线绕式异步电动机.(2)原理降低定子电压，即可使转速降低。(3)特点:会使机械特性变软，起动转矩减小。3).变频调速(1)原理:由上式可知,改变交流电源的频率,就可以平滑地调节电动机的转速.(2)一般采用频率和电压同时改变的变频电源.(3)应用范围:用于鼠笼式异步电动机.组成SCR-M调速系统.变频调速是交流调速发展的方向.有关内容在后面的章节详细介绍.1.3控制电机简介控制电机的主要作用是用来完成信息的传递与交换,而不是进行能量转换.1)直流伺服电动机1.基本结构:与普通他激直流电动机相同.(有换向器)2.分类:电磁式(他激式);永磁式,3.电气原理图:如右图.其中(a)为电磁式(b)为永磁式.4.参数:输出功率1-600W.2).交流伺服电动机(1)结构(1)定子:定子由硅钢片叠成;在定子铁心的内圆表面嵌有两套相差90度电角度的绕组:激磁绕组WF,控制绕组WC;这两套绕组分别由两个电源供电.接线图两相交流伺服电动机的结构(2)转子:分为鼠笼型和杯型两种.(1)鼠笼型转子作得细而长,转子导体采用高电阻率的材料.用于小功率的自动控制系统.产品型号SL系列.(2)空心杯型转子作成薄壁圆筒形,放在内外定子之间.用于要求运行平滑的系统.产品型号SK系列.杯型转子伺服电动机结构图激磁绕组1;控制绕组2;内定子3;外定子4;转子5(2).基本工作原理两相绕组WF和WC分别通入频率相同的交流电,产生旋转磁场,使伺服电动机起动.取消WC后,要防止自转.(3).消除自转现象的措施加大转子电阻.如:采用薄壁杯形转子.鼠笼条用高阻材料黄铜转子电阻不同时的机械特性(4).交流伺服电动机的特性和应用控制方法;有三种.幅值控制,相位控制,幅-相控制幅值控制原理图:控制电压Uc越高,电动机转速越高.不同控制电压下的机械特性应用举例(1)参数:交流伺服电动机输出功率为0.1-100W(再大则用直流伺服电动机);电源频率50-400Hz.(2)应用:雷达天线的旋转控制;飞机驾驶盘的控制;流体阀门开关控制,应用方框图2)步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的一种执行元件(1)分类与结构步进电动机分为反应式,永磁式,和混合式三种.三相反应式步进电动机由定子和转子两个部分构成.右图中,定子有6个磁极,两个相对的磁极组成一相;转子上有均匀分布的4个齿.AB'CA'BC'AB'CA'BC'1243AB'CA'BC'1243AB'CA'BC'1243AB'CA'BC'1243(a)(b)(c)(d)由环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电。设相序为A→B→C→A。当A相控制绕组通电，而B、C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩(静转矩)的作用，在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上，如图(a)所示，(2)步进电动机的工作原理然后B相通电如图(b)所示,转子在空间沿逆时针方向转过30度,转子前进一步.同理,C相通电时,转子转到图©所示位置;D相通电时,转子转到图(d)所示位置.按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组,电动机便一步一步地转动.(3)通电方式控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子所转过的角度称为一个步距角β。步进电动机的通电方式有三种。对于三相反应式步进电动机来说，每次只有一相绕组单独通电，如A→B→C→A，控制绕组每换接三次构成一个循环，这种方式称为三相单三拍；若每次有两相绕组同时通电，如AB→BC→CA→AB，每次循环换接三次，这种方式称为三相双三拍；若单相通电和两相通电轮流进行，如A→AB→B→BC→C→CA→A，这种方式被称为三相六拍。(4)小步距角步进电动机步进电动机无论采用哪种通电方式，步距角都太大，无法满足生产中对精度的要求，在实际应用中一般采用小步距角的步进电动机。设转子齿数为z，定子相数为m，则齿距角τ和步距角β为:Τ=360/zβ=360/Kmz其中K为状态系数，对于单相轮流通电方式和双相轮流通电方式来说，K=1，而对于单双相轮流通电方式来说，K=2。从上式可知，步距角与相数及齿数有关，要想获得小的步距角的话，必须增大相数或齿数。但是，相数越多的话，它的驱动电源就越复杂，并且成本也越高，一般的步进电动机做成二相、三相、四相、五相或六相。因此，减小步距角的根本方法是增加转子齿数z。3)测速发电机测速发电机将转速转变为电压信号,广泛用于速度和位置控制系统中.1.异步(交流)测速发电机1)结构特点:定子上有两套互差90度电角度的激磁绕组WF和输出绕组WC;转子为空心杯形.2)工作原理:杯形转子可以看成一个导条非常多的鼠笼转子.在激磁电压一定的情况下,当输出绕组的负载很小时,测速发电机的输出电压U0与转速n成正比:U0=Kn转子静止时转子转动时3)交流测速发电机使用中的几个问题:(1)主要技术指标剩余电压:测速发电机转速为零时的输出电压.它会使控制系统误动作.线性误差:(2)使用中应注意的问题:输出特性的线性度,温度变化的影响,可加温度补偿装置.输出特性的线性度由非线性引起的误差.一般系统要求1%-2%;精密系统要求0.1%-0.25%.相位误差:一般要求不超过1度-2度.灵敏度:交流测速发电机的灵敏度比较低.2.直流测速发电机