交流电动机(机电传动控制)4 (2)

目录·第4章第4章交流电动机4-1三相异步电动机的基本结构与工作原理4-2三相异步电动机的定子电路与转子电路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性能与方法4-5三相异步电动机的调速方法4-6三相异步电动机的制动第4章交流电动机①了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；②掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用；③学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；④掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；⑤了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。基本 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 第4章交流电动机异步电动机的机械特性，它是基于异步电动机的工作原理而推导出来的；特别是异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；异步电动机直接启动和Y-△降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。定子旋转磁场与转子运动的相对性。电动机的制动过程。重点难点概述交流电动机的用途:交流电动机在各行各业和日常生活等，都得到了广泛的应用。鼠笼式异步电动机在机电传动控制系统中使用得最为广泛。绕线式异步电动机与鼠笼式相比，其转子结构稍复杂，价格稍贵，一般用于要求起动电流小、起动转距大的场合。交流电动机的优缺点:结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高。但是，功率因数低、起动和调速性能差。4.1三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的基本结构均可分为定子和转子两大部分三相交流异步电动机的定子铁芯由硅钢片叠成，在铁芯内圆有许多槽，嵌放着定子绕组，即三相交流线圈，接入三相交流电源就可产生旋转磁场。定子铁芯固定在机座上，机座外面有散热筋（散热片）帮助定子散热，机座由铸铁或铸钢铸造。下图是剖面的定子与机座图。三相交流异步电动机的转子铁芯也由硅钢片叠成，在铁芯外周也有许多槽，用来嵌放着转子绕组，即鼠笼。鼠笼由铜条或（铝条）与铜端环（铝端环）组成，但应用最广的小型异步电动机采用在转子铁芯上直接浇铸熔化的铝液形成鼠笼转子，并同时铸出散热的风叶，简单又结实。给转子装上转轴，在转轴上还有电动机散热的风扇，这就是异步电动机的转动部分。把转子插入定子中间，装上轴承，用端盖把转子支撑起来，装上风扇与风罩，一个三相交流异步电动机就组成了。接入三相交流电源后定子产生的旋转磁场就可带动鼠笼转子旋转。定子绕组的接线方式图4.5出线端排列图4.6定子星形接法图4.7定子三角形接法定子三相绕组的连接方法的选择，首先要视电动机铭牌上标注的额定接法而定，另外，还要视电源的线电压和电动机的额定电压而定。用在电源线电压为380V的电网环境中定子绕线接Y行，用在电源线电压为220V的电网环境中定子绕线应接Δ形。三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号额定功率额定频率额定电压额定电流额定接法额定转速绝缘等级工作方式三相异步电动机铭牌数据三相异步电动机型号Y200M-2额定功率45kw额定频率50HZ额定电压380V额定电流84.4A额定接法：Δ接法额定转速2952r/min绝缘等级B工作方式：连续电动机的输入功率P1：电动机的效率：电动机的输出转矩：定子三相绕组的星形联接CeAeBeCuBuCuAuABuBCuCAABNANBC三个始端A、B、C引出三根端线，加上中点引出的总线，称为三相四线制。相电压：每相绕组两端的电压，即端线与中先线之间的电压。其有效值为UA、UB、UC，一般用Up 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示。线电压：任意两端线之间的电压。其有效值为UAB、UBC、UCA，一般用Ul表示。线电压与相电压的关系由电压瞬时值的关系可知30°由于它们都是同频率的正弦量，都可用有效值相量表示，即根据相量图，线电压与相电压的有效值关系可得即，由此，星形联接的发电机或变压器可以输出两种电压，如：220V和380V。线电压越前与相电压相位30°。星形联接电路中，负载的相电流等于电源的线电流定子三相绕组的三角形联接负载三角形联接的三相电路如右图：ABCiBiCuABuBCuCAiABiBCiCA|ZAB||ZBC||ZCA|iA每相负载的阻抗分别为|ZAB|、|ZBC|、|ZCA|。图中各相负载都接在电源的线电压上，负载的相电压与电源的线电压相等。不论负载是否对称，其相电压总是对称的，即UAB=UBC=UCA=Ul=Up各相负载相电流的有效值分别为线电流与相电流的关系由于负载对称，可根据线电流与相电流的关系作出相量图。显然线电流也是对称的，在相位上比相应的相电流滞后30°30°根据相量图，线电流的大小为Il=2Ipcos30º=√¯¯Ip3作为常见负载的电动机，其三相绕组可以接成星形，也可以接成三角形；而照明负载，一般都接成有中线的星形。三相功率不论是星形联接还是三角形联接，电路总的有功功率必定等于各相有功功率之和。定子绕组对称分布时，各相的有功功率都是相等的。因此三相总功率为对于星形对称负载对于三角形对称负载4.1.2三相异步电动机的工作原理1.旋转磁场图4.8定子三相绕组1）旋转磁场的产生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。2）旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。要改变旋转磁场的旋转方向（即改变电动机的旋转方向）时，只要把定子绕组接到电源的三根导线中任意两根对调即可。旋转磁场的转速n0称为同步转速：n0决定于电流的频率f电机的磁极对数p（r/min）3）旋转磁场的旋转速度AXBYCZAXYCBZ同步转速no与磁场磁极对数p的关系：（f＝50Hz时）磁极对数p分别为1、2、3，每个电流周期磁场转过空间角度360°、180°、120°，同步转速no分别为3000、1500、1000r/min如下定子绕组的接法，合成磁场只有一对磁极，即p＝1。（r/min）磁极对数p的改变定子每相绕组由两个相等圈数的“半绕组”组成。若如右图示将每相两个“半绕组”串联，形成的磁场则是两对磁极，即p＝2。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'若改变接法将每相两个“半绕组”并联，形成的磁场则是一对磁极，即p＝1或2p＝2。（详见变极调速）YZ'C'BCX'Y'A'XB'ZAC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'将每相两个“半绕组”并联形成的磁场是一对磁极即p＝1将每相两个“半绕组”串联形成的磁场是两对磁极即p＝2C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXYCBZYZ'C'BCX'Y'A'XB'ZA低速高速两极与四极旋转磁场的比较0°120°240°360°0°60°120°180°转速低速高速1）三相定子绕组中通入对称三相电流产生旋转磁场。2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流。3）转子载流导体在磁场中受电磁力的作用，从而形成电磁转矩，进而驱动电动机转子旋转。2、三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V2n一、转动原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。磁力线切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子绕组产生感应电流电流与磁场作用产生电磁力电磁力产生电磁转矩转子运转转速n＜n0定子绕组通入三相交流电流旋转磁场同步转速n0二转动原理电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n0，故称为异步电动机；又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，也称为感应电动机。㈢转差率转差率是异步电动机一个非常重要的参数，它反映了电动机的各种运行情况。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：4.2三相异步电动机的定子和转子设定子和转子每相绕组匝数为N1和N2，旋转磁场的磁感应强度近于正弦分布。把电动机的电磁关系同变压器类似。i2定、转子电路R1R2i1u1e1e1e2e2一、定子电路分析：二、转子电路分析：转子电流的频率随速度的变化而变化。设转子回路每相绕组的电阻和漏磁感抗为R2和X2，且有：则转子每相回路电流为：转子电路的功率因素为：4.3三相异步电动机的转矩与机械特性一、电磁转矩是一个非常重要的物理量，它与磁通、和I2有关，还应考虑转子电路的功率因素。二、机械特性由上式得到：4.3三相异步电动机的转矩与机械特性三相异步电动机的机械特性也分为固有机械特性和人为机械特性图4.17三相异步电动机的固有机械特性1固有机械特性（1）理想空载转速点（亦称同步转速点）T=0，n=n0时的工作点称为电动机的理想空载点，此时s=0，转子电流I2=0，电动机此时不进行能量转换。可看出，如果没有外界转矩的作用，异步电动机本身不可能达到该点。（2）额定运行点T=TN,n=nN的点称为电动机的额定工作点，此时s=sN,I1=IN,额定运行点的转差率很小，电动机的额定转速nN略小于同步转速n0.（4）启动工作点（3）临界工作点（亦称最大转矩点）T=Tmax,n=nm(s=sm)的点称为临界工作点，是特性曲线中性线段与非线性段得分界点。将n=0，T=Tst的点称为启动工作点，此时s=1，电动机的电磁转居为启动转矩Tst。将s=1带入（4-18）可得2、人为机械特性可以作出改变U、f以及在定子、转子电路串接电阻或电抗的人为机械特性。①异步电动机定子降压的人为机械特性②异步电动机定子串接电阻(电抗)的人为机械特性③异步电动机定子变频的人为机械特性④绕线式异步电动机转子串接电阻(电抗)的人为机械特性根据电磁转矩关系式1、降低电源电压U最大转矩Tmax及起动转矩Tst与U2成正比地降低；临界转差率sm与U的降低无关过载能力下降；负载转矩不变的情况下，n下降，S增大，电流上升降低电源电压的机械特性:2、定子电路串联对称电阻、电抗最大转矩Tmax随串联电抗增大而减小；临界转差率sm随串联电抗增大而减小用途：用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流3、转子电路串联对称电阻最大转矩Tm不变；临界转差率sm随串联电阻增大而增加。用途(1)绕线转子异步电动机的起动(2)调速4、改变定子电源频率改变定子电源频率f1,为使Tmax保持不变，应使电源电压U相应变化，使U/f=常数。(频率较高时，定子电阻r1可以忽略，可以认为Tmax保持不变）随着频率的降低，理想空载转数n0减小，临界转差率sm增大，起动转矩Tst增大，最大转矩Tmax基本维持不变。例4-1一台三相异步电动机，额定功率PN=55kw,电网频率为50Hz，额定电压UN=380V，额定效率ŋN=0.79，额定功率因素cosФ2=0.89，额定转速nN=570r/min,试求：（1）同步转速；（2）电动机的级对数p；（3）额定电流（4）额定负载时的转差率例4-2一台三相异步电动机接到50HZ的交流电源上，其额定转速nN=1455r/min,试求：（1）该电动机的级对数P；（2）额定的转差率sN；（3）额定转速运行时，转子电动势的频率。4.4三相异步电动机的启动特性异步电动机对启动的要求：（1）要求异步电动机有足够大的启动转矩。（2）在满足生产机械能启动的情况下，启动电流越小越好。（3）启动过程中，平滑性越好对生产机械的冲击就越小；启动设备可靠性越高，电路越简单，操作维护就越方便。4)起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便；5)起动过程的能量损耗越小越好，起动时间越短越好。三相笼型异步电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种方法。所谓直接起动，就是利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电源上，故又称全压起动。直接起动的优点是起动设备与操作都比较简单，其缺点就是起动电流大、起动转矩小。对于小容量笼型异步电动机，因电动机起动电流较小，且体积小、惯性小、起动快，一般说来，对电网、对电动机本身都不会造成影响。因此，可以直接起动，但必须根据电源的容量来限制直接起动电动机容量。一、直接起动（1）异步电动机的功率小于7.5KW（2）异步电动机的功率大于7.5KW时  Ist/IN<0.25[3+(电源总容量/起动电动机容量）]二、降压起动对中、大型笼型异步电动机，可采用降压起动方法，以限制起动电流。待电动机起动完毕，再恢复全压工作。但是降压起动的结果，会使起动转矩下降较多。所以降压起动只适用于在空载或轻载情况下起动电动机。三相异步电动机的启动特性⑴鼠笼式电动机降压启动法①定子串电阻②定子串电抗③Y-△转换④自耦变压器转换⑤软启动器⑵线绕式电动机启动法①转子串电阻②转子串频敏变阻器直流他励电动机的启动特性①降压启动②电枢电路串电阻启动比较①定子串电阻启动②定子串电抗启动⑴鼠笼式电动机降压启动法③Y-△降压启动⑴鼠笼式电动机降压启动法起动电流起动转矩绕组电压Y形和△形接法时的电压和电流(a)Y接法(降压起动)(b)△接法(全压运行)第4章交流电动机4-4三相异步电动机的启动性能与方法③Y-△降压启动⑴鼠笼式电动机降压启动法Y形和△形接法时的电压和电流(a)Y接法(降压起动)(b)△接法(全压运行)异步电动机星-三角起动原理图Y-△降压启动时启动电流降低为直接启动的1/3启动转矩也降低为直接启动的1/3这种方法设备简单，价格便宜但是只有一种启动电压只适用于轻载或空载的场合，且电动机正常运行时为△接法。第4章交流电动机4-4三相异步电动机的启动性能与方法异步电动机用自耦变压器降压起动原理图自耦变压器T的一相绕组④自耦变压器降压启动⑴鼠笼式电动机降压启动法接至电动机一相绕组来自一相电源起动时接入运行时断开图自耦变压器降压启动1)接线图4自耦变压器降压启动图自耦变压器降压启动一相电路图原副边绕组匝数比:采用自耦变压器降压启动启动电压降低为1/k倍原边启动电流和电动机启动转矩降低为1/k2倍。比起Y-△启动更加灵活但自耦变压器体积大，价格高，不能带重载启动自耦变压器减压启动的优缺点自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用。由于这种方法可获得较大的起动转矩，加上自耦变压器二次侧一般有三个抽头，可以根据允许的起动电流和所需的起动转矩选用，故这种起动方法在10kw以上的三相笼型异步皂动机得到广泛应用。其缺点是起动设备体积较大，初投资大，需维护检修。常用的起动用自耦变压器有QJ2和QJ3两种系列。QJ2型的三个抽头分别为电源电压的55％、64％和73％；QJ3型的三个抽头分别为电源电压的40％、60％和80％。自耦变压器容量的选择与电动机的容量、起动时间和连续起动次数有关。5软启动软启动是一种近年来发展起来用于控制鼠笼式异步电动机的全新启动方式。它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机启动控制装置，通过控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同功能的启动方式。由于电动机启动时电压和电流都可以从零连续调节，对电网电压无浪涌冲击，电压波动小，而电动机的转矩亦连续变化，对电动机及机械设备的机械冲击也几乎为零。例4-3一台三相鼠笼式异步电动机，额定功率60kw，额定电压380v，定子星型接法，额定电流136A，启动电流与额定电流之比为6.5，启动转矩与额定转矩之比为1.1，但因供电变压器的限制，允许的最大启动电流为500A，若拖动负载转矩为额定转矩的0.3倍，用串有抽头80%、60%、40%的自耦变压器启动，问哪种抽头才能满足启动要求？例4-4某三相鼠笼式异步电动机额定数据PN=300kw，UN=380vIN=527AnN=1450r/min，启动电流倍数KI=6.7,启动转矩倍数KT=1.5，过载能力定子为三角形接法求：1、直接启动的启动电流和启动转矩2、采用星型-三角形启动，能带动1000N·m的恒转矩负载启动吗？为什么优点：控制电路简单、价格低、使用维修方便等，缺点：损耗大、效率低、调速特性软，低速时稳定性差、调速范围窄。4.5.1调压调速线绕式异步电动机的转子电路串电阻，可以用于启动和调速。4.5.2转子电路串电阻调速转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速，不能实现连续平滑调速。随转速降低，特性变软，影响了系统的稳定性。转子电路电阻损耗与转差率成正比，随着串入电阻的增大而增大，低速时损耗大，是一种不经济的调速方法。所以，这种调速方法大多用在重复短期运转对调速性能要求不高的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。4.5.3变极调速变极对数调速就是在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，就可以改变电动机的同步转速n0，电动机的转速也变化，从而实现电动机转速的有级调节。4.5.4变频调速图4.29额定频率fN以上变频调速的机械特性当极对数不变，转差率变化不大n∝f1，因此连续改变三相异步电动机电源频率可实现对三相异步电动机的平滑调速。异步电动机有哪几种调速方法？各种调速方法有何优缺点？①调压调速，这种办法能够无级调速，但调速范围不大②转子电路串电阻调速，这种方法简单可靠，但它是有级调速，随着转速降低特性变软，转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。③改变极对数调速，这种方法可以获得较大的启动转矩，虽然体积稍大，价格稍高，只能有机调速，但是结构简单，效率高特性高，且调速时所需附加设备少。④变频调速，可以实现连续的改变电动机的转矩，是一种很好的调速方法。4.6三相异步电动机的制动特性4.6.1反接制动1．电源反接制动图4.30电源反接时反接制动的机械特性电源反接时会在转子回路中感应出很大的电流，为了限制转子电流，对鼠笼型异步电动机可在定子电路中串接电阻；对线绕型异步电动机可在转子电路中串接电阻，限制电流的同时增大制动转矩2.倒拉反接制动图4.31倒拉反接制动时的机械特性在重物下降过程中，重物下降时减小的位能转化为电动机轴上的机械功率，机械功率通过电动机转化为电功率，电动机把转化的电功率及从电源吸收的电功率均消耗在线绕型异步电动机转子所串电阻上。异步电动机的转速高于它的同步速度，即n＞n0，S＜0，转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时相反，转子电流的方向也发生了变化，电动机的转矩变为与转速方向相反，电动机处于制动状态，这种制动称为回馈制动。这时电动机处于发电机运行状态，把系统的机械能转化为电能，一部分消耗在转子回路的电阻上，剩余的大部分电能则反馈回电网。4.6.2回馈制动图4.32重物下放时回馈制动机械特性图4.33变极调速时回馈制动机械特性4.6.3能耗制动异步电动机正在运行时，把定子绕组从三相交流电源上断开，将其中两相绕组接到直流电源上，就构成了能耗制动图4.34异步电动机能耗制动时的电路图及机械特性（a）电路图（b）机械特性完