电工技术第五章电动机课件.ppt

1、第第5 5章章 电动机电动机 5.1 电机的种类和电机的种类和主要用途主要用途电动机电动机发电机发电机电机电机直流电机直流电机交流电机交流电机（笼型、笼型、绕线型）绕线型）特殊电机特殊电机 广泛广泛（如：（如：机床、纺织机械、起重机床、纺织机械、起重机、矿山机械等）、机、矿山机械等）、（脱粒机、粉碎机、水（脱粒机、粉碎机、水泵及加工机械等）等。泵及加工机械等）等。（电风扇、空调、洗衣机、电冰箱及小（电风扇、空调、洗衣机、电冰箱及小功率电动工具等）功率电动工具等）及及等。等。广泛用于对起动和调速性能要求高的生产机械，广泛用于对起动和调速性能要求高的生产机械，（如轧钢机、龙门刨床、起重机械、电力机

2、车等）（如轧钢机、龙门刨床、起重机械、电力机车等）军工，航空航天、医疗、信息、家电及工业自动化军工，航空航天、医疗、信息、家电及工业自动化领域。领域。5.2 三相异步电动机的结三相异步电动机的结构和工作原理构和工作原理机座机座定子定子铁心铁心定子定子绕组绕组接线盒接线盒端盖端盖罩壳罩壳风扇风扇转子转子主要部件是由定子和转子两大部分组成。主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、轴承、风扇等部件。此外，还有端盖、轴承、风扇等部件。转轴转轴 三相异步电动机的定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定是由机座、定子铁心和定子绕子绕 组组成。组组成。定子绕组定子绕组机座机座铁心铁心U1U

3、2 三相异步电动机的转子三相异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕是由转子铁心、转子绕 组组和转轴组成。和转轴组成。铁心铁心转子绕组转子绕组转轴转轴（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）（转子铁心槽内嵌有铸铝导条）（转子铁心槽内嵌有三相绕组）（转子铁心槽内嵌有三相绕组）三相异步电动机的定子三相异步电动机的定子铁心中放入三相定子绕铁心中放入三相定子绕 组。组。定子定子绕组绕组U U1 1U U2 2V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U UV VW Wi iu ui iv vi iw w t t0 02 2 i iu ui iw wi iv vi i t=0i iu u=0=0i iv v为为负

4、负值值i iw w为为正正值值U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+t=0360240120 t=120 t=240 t=360U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U-V-W-U t t0 02 2 i iu ui iw wi iv vi i 空间相差空间相差120 120 角的三角的三相绕组，通入对称三相电流相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋时，产生的是一对磁

5、极的旋转磁场，转磁场，如果改变流入三相绕组的电流相序如果改变流入三相绕组的电流相序,就能就能改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机改变旋转磁场的旋转方向，三相异步电动机的旋转方向也就跟着改变的旋转方向也就跟着改变。U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U-V-W-Un1U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+t t0 0i iu ui iw wi iv vi i t=036024

6、0120U U1 1V V1 1W W1 1i iu ui iw wi iv vU U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+t=120U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+U U1 1V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2U U2 2+t=0 t=240 把三相异步电动机的三把三相异步电动机的三根线任意调换两根与电源相根线任意调换两根与电源相接，电动机旋转方向反向。接，电动机旋转方向反向。t=360 旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数p与取决于三相定子绕组的结与取决于三相定子绕组的结构和连接方式。构和连接方式。(转转

7、/每分）每分）电源频率电源频率电动机的磁极对数电动机的磁极对数7501000150030004321pn(转转/每分每分)U U1 1U U2 2V V1 1V V2 2W W1 1W W2 2+SN+ff转子转子转速转速n异步电动机原理图异步电动机原理图+转子转子定子定子磁场转速磁场转速n1n 三相异步电动机转子在旋三相异步电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。转向与旋转磁场的转向相同。磁场转磁场转速速n1转子转子感应电感应电动势动势(电流电流)n=(1s)n1转差率：转差率：0 s sN=0.01 0.06例例5.2.1 一台三相异步电

8、动机的额定转速一台三相异步电动机的额定转速nN=975r/min，电源频率电源频率50Hz，试求电动机的磁极对数和额定负载，试求电动机的磁极对数和额定负载时的转差率时的转差率sN。解：解：因为电动机的额定转速接近于旋转磁场转速，因为电动机的额定转速接近于旋转磁场转速，根据根据nN=975r/min，可以判断出，可以判断出n1=1000r/min。31000506060N1 nfp025.0100097510001N1N nnnS*5.3 三相异步电动机的电三相异步电动机的电磁转矩与机械特性磁转矩与机械特性 电动机的电动机的电磁转矩电磁转矩是由是由和定和定子子相互作用产生的。相互作用产生的。T

9、TC C与电动机结构有关的常数与电动机结构有关的常数2cos 转子回路的功率因数转子回路的功率因数电磁转矩与电动机参数之间的关系：电磁转矩与电动机参数之间的关系：推导可得推导可得为主磁通为主磁通 为转子电流为转子电流02I电动机结构常数电动机结构常数 U1 电动机电源电压，电源电压波动对电动机的转电动机电源电压，电源电压波动对电动机的转矩影响很大。矩影响很大。R2 电动机转子绕组电阻。电动机转子绕组电阻。X20 电动机转子不转时，转子绕组的漏抗。电动机转子不转时，转子绕组的漏抗。S 电动机的转差率电动机的转差率。STem10TstTmsmsNTNTem=f(S)TN 额定转矩额定转矩Tm 最大

10、转矩最大转矩Tst 起动定转矩起动定转矩电动机的电磁转矩与电动机的电磁转矩与转差率之间的关系转差率之间的关系当当 U1、R2、X20为固定值时，为固定值时，电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线。电动机的电磁转矩与转速之间的关系曲线。1 1)1 1(n ns sn n Tem=f(S)n =f(Tem)稳定运行时，电动机轴上输出的稳定运行时，电动机轴上输出的转矩等于负载转矩转矩等于负载转矩 Tem T2稳定运行区域：稳定运行区域：AB段段当负载转矩发生变化时，当负载转矩发生变化时，电动机能自动调节到新的电动机能自动调节到新的稳定运行状态。稳定运行状态。如：如：在在N点稳定运行点稳定运行，TN=T

11、2，当当T2，n,Tem ,时在时在D点稳定。点稳定。n0n1TemABTstTmnNTNNDnDn0n1TemTstTmnNTNN（1）.额定转矩额定转矩TN 电动机额定运行时的转矩电动机额定运行时的转矩PN 单位：千瓦（单位：千瓦（kW）nN 单位：转每分（单位：转每分（r/min）TN 单位：牛单位：牛米（米（N m）例例6.2 有两台功率相同的异步电动机，一台有两台功率相同的异步电动机，一台PN=7.5 kW，nN=962r/min，UN=380V，另一台，另一台PN=7.5 kW，nN=1450r/min，UN=380V，求电动机额定转矩。，求电动机额定转矩。解解 第一台第一台第二台

12、第二台（2）.最大转矩最大转矩Tm令令代入得代入得:得临界转差率得临界转差率n0Tem1U11UU U1sm0Tm2R22RR R2Temn（3）.起动定转矩起动定转矩Tst 过载能力过载能力 (最大转矩倍数最大转矩倍数)起动瞬间起动瞬间 n=0，s=1 当当负载转矩负载转矩 T2 5.75 不允许接起动。不允许接起动。不能采用不能采用Y-换接换接起动。起动。例例5.4.2 已知一台已知一台PN=10kW，IN=20 A，UN=380 V，nN=1450r/min,接三相笼型电动机，由手册查得：接三相笼型电动机，由手册查得：Ist/IN=7，Tst/TN=1.4，拟半载起动，拟半载起动,电源容

13、量为电源容量为200kVA,试选试选择适当的起动方法择适当的起动方法,并并求此时的起动转矩和起动电流。求此时的起动转矩和起动电流。解解 由题意由题意设：设：自耦变压自耦变压器的变比为器的变比为Ka变压器抽头为变压器抽头为（抽头置于（抽头置于60%位置）位置）变频调速（笼型电动机）变频调速（笼型电动机）变极调速（笼型电动机）变极调速（笼型电动机）变转差率调速（绕线型电动机）变转差率调速（绕线型电动机）电动机的转速与电源频率、电机磁极对数、电动机的转速与电源频率、电机磁极对数、转差率有关。转差率有关。1.变极调速变极调速电源频率不变，改变电动机的磁极对数电源频率不变，改变电动机的磁极对数 p p

14、调速。调速。U11U21U12U22P=2U11U21U12U22U1U2U11U21U12U22P=1U1U2U11U21U12U222.变频调速变频调速 改变频率（改变频率（f f1 1)调整调整电动机的电动机的转速，属无级调速，调速性能好，转速，属无级调速，调速性能好，但需有一套专用变频设备。但需有一套专用变频设备。3.变转差率调速变转差率调速f=50HzM3 变频设备变频设备f1 可调可调 在绕线式电动机转子绕组中串入在绕线式电动机转子绕组中串入可调电阻可调电阻R,可改变可改变 s 和和 n。Tm02R22RR R2TemnnT2可实现小范围无级调可实现小范围无级调速，但能耗大，效率速

15、，但能耗大，效率低，广泛应用于起重低，广泛应用于起重设备。设备。n调节制调节制动电流动电流RPQS2 制动准确、平稳、能量消耗小。但制动力较弱制动准确、平稳、能量消耗小。但制动力较弱,且需要有直流电源且需要有直流电源。固定磁固定磁场场制动原理制动原理TemM3 QS1QSRM3 运行运行制动制动n制动原理制动原理Tem旋转旋转磁场磁场 将电源的任意两相将电源的任意两相对调，产生反向旋转磁对调，产生反向旋转磁场，产生制动转矩。场，产生制动转矩。方法简单，制动效果好，方法简单，制动效果好，但能耗大。但能耗大。制动限制动限流电阻流电阻 电动机转速电动机转速n大于大于旋转磁场转速旋转磁场转速n1。如起

16、。如起重机重物下放时。重机重物下放时。n制动原理制动原理Tem旋转旋转磁场磁场n n1电动机处于发电运行状态。电动机处于发电运行状态。笼型结构，笼型结构，定子上有两个绕定子上有两个绕组，一个是主绕组，一个是主绕组，即工作绕组；组，即工作绕组；另一个是副绕组，另一个是副绕组，又称起动绕组。又称起动绕组。单相定子绕组产生的是脉动磁场，可分解为大小、单相定子绕组产生的是脉动磁场，可分解为大小、转速相同而转向相反的两个磁场，当转速相同而转向相反的两个磁场，当S=1时，对转子时，对转子产生的合成力矩为零，所以产生的合成力矩为零，所以。电容分相式电容分相式、罩极式罩极式单相异步电动机。单相异步电动机。S:

17、离心力开关离心力开关1.分相起动分相起动1:工作绕组工作绕组2:起动绕组起动绕组空间相隔空间相隔90 起动绕组电流与工作绕组电起动绕组电流与工作绕组电流不同相流不同相(分相分相),产生旋转磁场。产生旋转磁场。由起动绕组由起动绕组转向工作绕组。转向工作绕组。改变电容改变电容C的串联位置（串在的串联位置（串在绕组绕组1），电机），电机。C2S1i1ist定子绕组定子绕组2.2.罩极起动罩极起动 1和和 2形成一个向罩极部分形成一个向罩极部分。1 2 u 凸凸极极定定子子短路铜环短路铜环笼型笼型转子转子未罩极转向被罩极。未罩极转向被罩极。n1.LI型调速电风扇电路型调速电风扇电路 由副绕组、调速绕组

18、、主绕由副绕组、调速绕组、主绕组、电容器组、电容器C以及选择开关以及选择开关SA等组成。等组成。低速挡调速绕组与主绕组低速挡调速绕组与主绕组串联，主绕组中流过较小的串联，主绕组中流过较小的电流；电流；高速挡，调速绕组和副高速挡，调速绕组和副绕组串联，主绕组中流过绕组串联，主绕组中流过较大的电流。较大的电流。2罩极式电风扇电路罩极式电风扇电路 由电抗器由电抗器L、选、选择开关择开关SA、信号、信号灯灯HL。以及罩极。以及罩极式电动机式电动机M等组等组成。成。用开关改变电抗用开关改变电抗器的线圈匝数，就器的线圈匝数，就可以改变电风扇的可以改变电风扇的转速。转速。当开关位于低速挡时，电抗器的线圈全部

19、串入电风扇电当开关位于低速挡时，电抗器的线圈全部串入电风扇电动机回路，降压最多，电风扇电动机低速运行。动机回路，降压最多，电风扇电动机低速运行。直流电动机主要由直流电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子和转子两大部分组成。包括主磁包括主磁极、换向极、换向极、机座、极、机座、端盖和电端盖和电刷装置等刷装置等 产生磁场、电机的机械支撑。是直流电动机的产生磁场、电机的机械支撑。是直流电动机的静止部分静止部分 包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等 产生感应电势而实现能量转换的关键部分，是直流产生感应电势而实现能量转换的关键部分，是直流电动机的转动部

20、分。电动机的转动部分。利用电磁感应原理，通过载流导体与磁场的相互利用电磁感应原理，通过载流导体与磁场的相互作用产生电磁转矩。作用产生电磁转矩。FiiUIa+-n电刷电刷换向器换向器保证同一保证同一磁极下线圈有效导磁极下线圈有效导体中的电流方向不体中的电流方向不变，产生的电磁力变，产生的电磁力方向不变，使电磁方向不变，使电磁转矩方向恒定，电转矩方向恒定，电动机转子能按一定动机转子能按一定的方向连续旋转。的方向连续旋转。Ia 电枢绕组中的电流，单位为安电枢绕组中的电流，单位为安(A)；每极磁通量，单位为韦每极磁通量，单位为韦(Wb)；KT 与电动机结构有关的常数；牛与电动机结构有关的常数；牛米米(

21、Nm)。Ra为电枢绕组电阻为电枢绕组电阻 aaaRIEU M RaEa Ia+U IaIfM+U+U1他励他励 I IaIfM+U并励并励 Ia=IfM+U串励串励 Ia=If1M+UIf2复励复励额定功率额定功率PN(kW)，轴上输出的机械功率。，轴上输出的机械功率。额定电压额定电压UN(V)，电刷两极间的电压。，电刷两极间的电压。额定电流额定电流IN(A)，额定负载的输入电流。，额定负载的输入电流。额定转速额定转速nN(r/min)额定励磁电流额定励磁电流IfN(A)额定输入功率额定输入功率PINUNIN额定输出功率与额定电压、额定电流的关系为：额定输出功率与额定电压、额定电流的关系为：N

22、1NNNNNPIUP 例例5.6.1 一台一台Z2-52直流电动机，直流电动机，PN=13kW，UN=220V，N=0.8.6，nN=3000r/min，试求该电动机的试求该电动机的P1、IN、TN。解解输入功率输入功率 额定电流额定电流 额定转矩额定转矩 kW12.150.86W10133N1 PPA71.6886.0V220W1013N3NNN UPImN 38.41mN30001395509550NNN nPT电枢绕组直接接额定电压起动。电枢绕组直接接额定电压起动。只使用于容量很小的电动机只使用于容量很小的电动机 起动的方法有：直接起动、电枢回路串电阻起动、起动的方法有：直接起动、电枢回

23、路串电阻起动、降压起动。降压起动。1.直接起动直接起动aaaTRUREUIS 0a nEKE电枢的起动电流电枢的起动电流 转子转速转子转速n0 2.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动并励电动机并励电动机MRfRaE IstIfI+Rst+USTaSTRRUI 3.降压起动降压起动 随着转速的升高，电压随之升高，直到额定电压随着转速的升高，电压随之升高，直到额定电压下稳定运行。下稳定运行。优点：优点：起动电流小，可平滑起动，能耗小。起动电流小，可平滑起动，能耗小。例例5.7.1 一台并励直流电动机，一台并励直流电动机，PNl0kW，UN220V，N0.86，Ra0.3。试求：试求：(1)直接起

24、动时的起动电流；直接起动时的起动电流；(2)限制起动电流为限制起动电流为IST=2IN，电枢回路应串多大，电枢回路应串多大的起动电阻的起动电阻?解解(1)额定电流额定电流 直接起动的起动电流直接起动的起动电流(2)限制起限制起动电流动电流 起动电阻起动电阻 A85.5286.0V220W10103NNNN UPI)(88.1385.5233.733A33.7333.0V220NSTaNST倍倍 IIRUINSTaN2IRRU 78.13.0A85.522V2202aNNSTRIUR改变电枢电流或励磁电流方向实现电动机反转改变电枢电流或励磁电流方向实现电动机反转 T 2KKRKUnETaE 改变

25、电压改变电压U、电枢电阻、电枢电阻Ra和磁通和磁通都可进行调速。都可进行调速。优点：优点：（1 1）机械特性的硬度不变，能在低速下稳定运行；）机械特性的硬度不变，能在低速下稳定运行；（2 2）当电压平滑调节时，可无级平滑调速；）当电压平滑调节时，可无级平滑调速；（3 3）调速范围宽；）调速范围宽；（4）调压电源可兼做起动电源。）调压电源可兼做起动电源。缺点：缺点：需专用可调直流电源，设备投资大。需专用可调直流电源，设备投资大。设备容量小，损耗也小；同时控制方便，可实现设备容量小，损耗也小；同时控制方便，可实现无极调速，平滑性好无极调速，平滑性好 缺点：缺点：机械特性软；机械特性软；只能在高于额

26、定转速的范围内调节。只能在高于额定转速的范围内调节。优点：优点：减小电动机的励磁电流减小电动机的励磁电流I If f使励磁磁通使励磁磁通降低，电动机降低，电动机的转速提高。的转速提高。优点：优点：设备简单设备简单 。缺点：缺点：机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功耗较大。功耗较大。电枢绕组从电网断开，并立即接到一个制动电阻电枢绕组从电网断开，并立即接到一个制动电阻R上。电动机转子因惯性继续旋转，并在电枢绕组中感上。电动机转子因惯性继续旋转，并在电枢绕组中感应反电势应反电势Ea，电枢电流反向，产生制动转矩。，电枢电流反向，产生制动转矩。操作简便、经济。但

27、在低速时制动转矩很小。操作简便、经济。但在低速时制动转矩很小。MRRaEIfIa+US开关开关S从从a侧变到侧变到b侧。改变了电枢电压的方向，保持侧。改变了电枢电压的方向，保持了励磁方向不变。了励磁方向不变。电枢中产生很大的反向电流，产生电枢中产生很大的反向电流，产生制动转矩，使电动机迅速停车。制动转矩，使电动机迅速停车。操作简便，但能量损耗大。操作简便，但能量损耗大。MRRaEIfIa+US a b 在起重机下放重物时，电动机的转速可能超过理在起重机下放重物时，电动机的转速可能超过理想空载转速，电动机进入发电机状态运行，电磁转矩想空载转速，电动机进入发电机状态运行，电磁转矩也随电枢电流的方向

28、而反向成为制动转矩，限制转速也随电枢电流的方向而反向成为制动转矩，限制转速的增高。这时电机将负载的动能转换成电能回送给电的增高。这时电机将负载的动能转换成电能回送给电网，因此称其网，因此称其“回馈制动回馈制动”。小小 结结 3.3.电动机转子在旋转磁场的作用下转动起电动机转子在旋转磁场的作用下转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同，但存在转速差。来，其转向与旋转磁场的转向相同，但存在转速差。4.4.电磁转矩的大小与转子电流的有功分电磁转矩的大小与转子电流的有功分量、旋转磁场的强弱成正比。量、旋转磁场的强弱成正比。1.1.三相异步电动机主要由定子和转子两三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，

29、按转子结构的不同，又分为笼型异步电大部分组成，按转子结构的不同，又分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。动机和绕线型异步电动机。2.三相异步电动机定子绕组加入三相电源后，产三相异步电动机定子绕组加入三相电源后，产生旋转磁场，旋转方向与电流相序一致。生旋转磁场，旋转方向与电流相序一致。5.5.电动机三个重要转矩电动机三个重要转矩:电磁转矩与电动机参数之间的关系：电磁转矩与电动机参数之间的关系：额定转矩额定转矩最大转矩最大转矩Tm起动定转矩起动定转矩Tst 最大转矩倍数最大转矩倍数 6.6.笼型电动机常用起动方法有：笼型电动机常用起动方法有：直接起动，直接起动，降压起动降压起动（Y-换接起动，换接

30、起动，自耦补偿器降压自耦补偿器降压起动），软起动），软起动。绕线式可采用起动。绕线式可采用转子串电阻起动。转子串电阻起动。7.7.异步电动机常用调速方法有：异步电动机常用调速方法有：变极调速、变极调速、变频调速、变转差率调速。变频调速、变转差率调速。8.8.异步电动机常用制动方法有：异步电动机常用制动方法有：能耗制动、能耗制动、反接制动。反接制动。9.电动机铭牌简要说明了电动机的主要额定数据电动机铭牌简要说明了电动机的主要额定数据和使用方法，是电动机的运行依据。和使用方法，是电动机的运行依据。单相异步电动机起动转矩为零，常用的起动单相异步电动机起动转矩为零，常用的起动方法有：电容分相起动、罩极

31、起动。方法有：电容分相起动、罩极起动。11.11.直流电动机由定子、转子两部分组成。换直流电动机由定子、转子两部分组成。换向器的作用是保证同一磁极下绕组的电流方向不变。向器的作用是保证同一磁极下绕组的电流方向不变。12.12.直流电动机通常采用直流电动机通常采用降压起动降压起动和和电枢串电枢串电阻起动。电阻起动。13.13.直流电动机的调速方法有直流电动机的调速方法有：变电压调速，：变电压调速，转速从额定转速向下调节；变励磁调速，转速从额定转速从额定转速向下调节；变励磁调速，转速从额定转速向上调节；电枢回路串电阻调速，转速下调。转速向上调节；电枢回路串电阻调速，转速下调。直流电动机的制动方法有：直流电动机的制动方法有：能耗制动，反接能耗制动，反接制动和回馈制动。制动和回馈制动。