大学精品课件:机电传动第四章交流电动机.ppt
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- 大学 精品 课件 机电 传动 第四 交流电动机
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1、第四章 交流电动机的工作原理及特性,本章要求:,1、了解异步电机的基本结构和工作原理; 2、熟悉异步电机的机械特性; 3、掌握异步电机的启动方式和特点; 4、掌握异步电机的调速方式和特点; 5、懂得如何选用异步电机; 6、了解同步电机的结构特点、启动方式、和调速方法,以及机械特性。 7、理解三相交流异步电动机铭牌数据的意义。,本章知识点:,1、定子旋转磁场的建立; 2、影响异步电机转速的参数; 3、定子绕组的接线方法(Y); 4、电机力矩、功率的计算; 5、同步电机的启动与失步问题。,交流电机是目前应用数量最多,使用范围最广泛,性价比最好,结构最简单的电机。除了工业上应用以外,家电中的电机大部
2、分是交流电机。空调、洗衣机、电冰箱、电风扇等。,交流电机的分类,1.交流电机 (定子都是相同的,根据转子的不同分为):,永磁转子,绕线转子,永磁同步电机 (永磁体),同步电机 (定、转子磁场同速),异步电机 (感应电机),励磁同步电机 (换成励磁),绕线异步电机 (电源换成电阻),鼠笼异步电机 (把电阻去掉),鼠笼转子,励磁转子,三相异步电机结构,机壳 定子绕组 1.定子部分: 定子铁心 接线盒 端盖 轴承,机壳,定子绕组,定子铁心,接线盒,端盖,轴承,转子,转子绕组 转子铁心 轴,绕线电机,鼠笼电机,转子绕组,转子绕组,转子绕组,2.转子部分,滑环,转子铁芯,电刷,可变电阻,1.定子,2.转
3、子,4.1 三相异步电动机的构造,转子: 在旋转磁场作用下,产生感应电动势或电流。,2.转子,鼠笼转子,铁芯:由外周有槽的硅钢片叠成。,2) 绕线式转子,同定子绕组一样,也分为三相,并且接成星形。,鼠笼式,绕线式,转子,机座(含定子铁芯及定子绕组),转子铁芯,铸铝鼠笼绕组,三相异步机的结构,转子,转子结构,铸铝鼠笼转子,绕线转子,滑环,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较:,鼠笼式: 结构简单、价格低廉、工作可靠;不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式: 结构复杂、价格较贵、维护工作量大;转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,4.2 三相异步电动机的转动原理,4. 2. 1 旋转磁场,定子
4、三相绕组通入三 相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,三相电流合成磁 场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,动画,90,90,分析可知:三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即:一个电流周期,旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,2.旋转磁场的旋转方向,结论: 任意调换两根 电源进线,则旋转 磁场反转。,动画,任意调换两根电源进线 (电路如图),用磁势合成方法也可以解析定子磁场旋转原理。在时序上错开120电角度的A、B、C三相交流电的磁势: FA=FCOS(t0), FB=FCOS(t2/3)、 FC=FCOS(t4/
5、3) 当t=0时,FA=F、而FB= FC =F/2他们的合成磁势与A相磁势方向同相,大小为F/2(等边三角形)。合成磁势F= F3/2。可以证明,在任何时刻、任何位置,合成磁势均为F3/2。 下面我们用图解法来分析旋转磁场的建立情况。,3.旋转磁场的极对数P,当三相定子绕组按图示排列时,产生一对磁极的旋转磁场,即:,若定子每相绕组由两个线圈串联 ,绕组的始端 之间互差60,将形成两对磁极的旋转磁场。,极对数,动画,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,4.旋转磁场的转速,工频:,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,p=2时,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,4. 2. 2 电
6、动机的转动原理,1. 转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,异步电机的工作原理,定子绕组通入三相交流电流,旋转磁场,切割转子绕组,转子绕组产生感应电势,转子中产生感应电流,转子电流与磁场作用,产生电磁转矩,运转,定子磁极,定子磁场方向,转子感应磁势方向,当定子磁场旋转(例如逆时针旋转),通过转子线圈的磁通就要减少,根据楞次定律,这时闭合线圈就要产生感应电流,而且,该感应电流所产生的磁场总是力图阻碍原磁场的变化的。由此可确定此时感应磁场磁通的方向是与原磁场的磁通方向一致,如图所示 。,异步电机的工作原理也可以用另一种方式进行解析,转子线圈 (
7、鼠笼条)电流方向,定子磁场方向,转子感应磁场形成一个极性确定的电磁铁,并与定子磁场形成的磁极极性相反,因而互相吸引。当定子磁场旋转时,转子磁场也跟着旋转。但转子磁场总比定子磁场旋转得慢一些,否则,转子感应磁场不能建立。由于转子磁场与定子磁场不同步,故称为异步电机。另外,根据工作原理,转子磁极是通过感应电流产生,所以,异步电机又称为感应电机。,转子线圈 (鼠笼条)电流方向,定子磁极,转子感应磁势方向,交流电动机的工作原理可以用一句话来描述:,转子磁极被定子磁场吸引跟随定子磁场旋转。,4. 2. 3 转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差称为转差,转差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率,由
8、前面分析可知,电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致,但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等,即,如果:,因此,转子转速与旋转磁场间必须要有差别。,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率S,【例1】 一台三相异步电动机,其额定转速 n=975 r/min,电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极数和额定负载下的转差率。,解:,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知:n0=1000 r/min , 即,p=3,额定转差率为,4.3 三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。定子绕组相当于原边,转子绕组相当于副边。,变压器: 变化 e
9、U1 E1= 4.44 f N1 E2= 4.44 f N2,E1 、E2 频率相同,都等于电源频率。,e 由漏磁通产生的漏磁电动势。,(漏磁通是指没有与转子线圈交链产生有效磁作用力的磁通。),4. 3. 1 定子电路,1.旋转磁场的磁通,异步电动机:旋转磁场切割导体 e, U1 E1= 4.44 f 1N1,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ,所以,2.定子感应电势的频率 f1,感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关,f 1= 电源频率 f,4. 3. 2 转子电路,1. 转子感应电势频率 f 2,定子导体与旋转磁场间的相对速度固定,而转子 导体与旋转磁场间的相对速度随转
10、子的转速不同而 变化, 定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,转子感应电势频率 f 2,旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同,2. 转子感应电动势E 2,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(S=1)时, f 2最高,且 E2 最大,有,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时 的感应电势,即E2= s E20,转子转动时 的感应电势,3. 转子感抗X 2,当转速 n = 0(S=1)时, f 2最高,且 X2 最大,有,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,4. 转子电流 I2,5. 转子电路的功率因数 cos2,转子绕组的感
11、应电流,转子绕组的感应电流,转子电路的功率因数,结论:转子转动时,转 子电路中的各量均与转 差率 S有关,即与转速 n有关。,4.4 三相异步电动机转矩与机械特性,5. 4. 1 转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。(为避免与混淆,用代替),常数,与电 机结构有关,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路的 功率因数,T=N2BLRI2 =(N2LR /A)I2 当一台电机设计好后,N2、L、R 、A均不变。令Kt= N2LR /A 则T=KtI2,由此得电磁转矩公式,由公式可知,电磁转矩公式,1. T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T ,2. 当电
12、源电压 U1 一定时,T 是 S 的函数。,3. R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ,从而改变转距。,4. 4. 2 机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线:,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,三个重要转矩,额定转矩,(N m),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ,否则将 造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将Sm代入转矩公式,可得,当 U1 一定时,Tmax为定值,过载
13、系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2 Tmax ,否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,3. 起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n= 0 时,s =1,2) Tst与 R2 有关, 适当使 R2 Tst 。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R2 , 可使Tst =Tmax 。,Tst体现了电动机带载起动的能力。 若 Tst T2电机能起动,否则不能起动。,起动能力,机械特性曲线的四个特征点,1、理想空载工作点 A T=0、 n=n0 、 S=0 2、 额定工作点 B T=TN、 n=nN 、 S=SN 3、 启动工作点 C T=Tst、n=0 、 S=1
14、4、临界工作点 D T=Tmax、n= nm 、S=Sm,0,T,nM,A,B,C,D,4. 电动机的运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整,这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械 的重要特点(如:柴油机当负载增加时,必须由 操作者加大油门,才能带动新的负载) 。,此过程中, n 、sE2 , I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T =T2,n ,T ,达到新的平衡,5. U1 和 R2变化对机械特性的影响,1) U1 变化对机械特性的影响,T2,2) R2 变化对机械特性的影响,R2,Tst ,n,硬特性:负载变化时,转速
15、变化不大,运行特性好。,软特性:负载增加时转速下降较快,但起动转矩大,起动特性好。 ,2) R2 变化对机械特性的影响,不同场合应选用不同的电机。如金属切削,选硬特性电机;重载起动则选软特性电机。,3、频率变化对机械特性的影响,f,随着频率降低 ,n0变小,最大转矩基本不变, 速度刚性不变,启动转矩略有增加,可实现无级平滑调速,调速性能优异,是目前异步电机最理想的调速方法。,f,4.5 三相异步电动机的起动,4. 5. 1 起动性能,起动问题:起动电流大,起动转矩小。 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍; 电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果:,原因:,起动:
16、 n = 0,S=1, 接通电源。,4.5.2 起动方法,1. 直接起动 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,(适用于鼠笼式电动机),3. 转子串电阻起动。,(适用于绕线式电动机),以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,设:电机每相阻抗为 |Z|,1. 降压起动,(1) Y 换接起动,降压起动时的电流 为直接起动时的,Y 起动器接线简图,静触点,Y 起动器接线简图,Y起动,Y 起动器接线简图, 工作,(a) 仅适用于正常运行为三角形接法的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y- 换接起动应注意的问题,(2) 自耦降压起动,Q2下合: 接入自耦变 压器,降压 起动。,Q2
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