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1、1,第五章：交流电动机的工作原理及特性,本章要求：,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理 基本结构、工作原理、定子绕组接线方式,5.2 三相异步电动机的定子和转子电路,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,2,1、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、调速和制动的各种方法、特点及应用。 3、学会用四个象限来分析异步电动机的运行状态。 4、掌握单相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。,3,包括定子和转子两部分。定子绕组是对称的三相绕组，产生旋转磁场。,三相异步机的结构,4,三相异步机
2、的结构,转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。转子有鼠笼式和绕线式。由于鼠笼式异步电动机具有一系列的优点，应用广泛。,5,工作原理：它是基于电磁感应和电磁力的原理。定子旋转磁场（合成磁场）和转子电流的相互作用。,三相异步机的工作原理,异步电动机的由来。转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。S的取值范围0-1。也是很重要的一个物理量。,思考定子旋转磁场的产生的原因？,6,旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,()电流入,X,7,合成磁场方向： 向下,8,同理分析，可得 其它电流角度下 的磁场方向：,9,旋转方向：取决于三相电流的相
3、序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相,旋转磁场的旋转方向,10,旋转磁场的转速大小,11,极对数（P）的概念,12,极对数（P）的改变,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。,13,极对数,14,极对数和转速的关系,15,定子绕组每相都由许多线圈组成，其首端和末端通常都接在电动机的接线盒内的接线拄上。,当电机为星形联结时：1、2、3点封成星点，6、4、5点接电源。,当电机为三角形联结时：1-6、2-4、3-5点封接，同时外接电源。,定子绕组接线方式,16,5.2 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。,
4、把电动机的电磁关系同变压器类似。,17,一、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。,18,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：,19,可见：转子电路中的各个物理量均与S有关，即与转速有关。,三相异步电动机的额定值,三相异步电动机的能流图,20,5.3三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。,21,二、机械特性,由上式得到：,5.3三相异步电动机的转矩与机械特性,22,1、固有特性曲线,分析四个特殊点的情况，并进行讨论。,
5、理想空载点：,T=0 S=0 N=N0,额定运行点：,T=Tn n=nN S=Sn,23,T=Tmax n=Nm s=Sm,T=Tst n=0 s=1,启动点：,临界点：,24,Sm 和Tst正比于R2，反比于X20，U决定了Tst 和 Tmax的大小， Tmax与R2无关。,得出：,25,第五章：交流电动机的工作原理及特性,2、人为特性曲线：,在此式中，改变U、R2、f 都可以改变机械特性曲线。,5.3三相异步电动机的转矩与机械特性,26,降低电压U，Sm 和 n0不变，曲线左移，降低电压U，在同一负载下，N下降，T下降，S增大，I2增大，将使电机发热。,第五章：交流电动机的工作原理及特性,
6、27,第五章：交流电动机的工作原理及特性,定子回路串电阻或电抗，会引起电动机端电压下降，与降压相似，但最大转矩要大一些。,28,改变电源频率，使用在恒转矩情况下，保证磁通不变。Tmax不变。,结论：则频率下降后， Tmax不变，Tst和 Sm增大， n0 下降。,第五章：交流电动机的工作原理及特性,29,转子串电阻： N0和Tmax不变。 Tst和 Sm随R2的增大而增大。机械特性曲线变软。,第五章：交流电动机的工作原理及特性,30,5.4 三相异步电动机的启动特性 三相异步电动机启动的主要要求： 要有足够大的启动转矩，启动要快、平滑，启动电流要小，启动时安全、可靠、操作简便，功耗小等。 由于
7、三相异步电动机启动时N = 0，S = 1，从而引起很大的转子和定子电流，而转子功率因数很低，启动转矩不大。为解决这个矛盾，采用不同的启动方法。（启动的危害）,第五章：交流电动机的工作原理及特性,31,5.4 三相异步电动机的启动特性,1、鼠笼式异步电动机的启动方法 直接启动（全压启动） 在一定条件下，允许直接启动。书上P68页 特点：无需启动设备，操作和控制简单、可靠，在大多数工矿企业中，绝大多数电动机采用此方法。,32,b. 电阻或电抗降压启动 优点：将使定子中电流减少。但缺点：启动转矩将减少，能量消耗大，不经济。它适合于不经常启动或用于空载、轻载的电动机。 c. Y-降压启动 适合于电动
8、机为接法。 Y启动，待电动机速度上升到一定值后， 切换到运行。,5.4 三相异步电动机的启动特性,33,Y启动的线电流是启动线电流的三分之一，同时Y启动启动转矩也是启动转矩的三分之一。 特点：设备简单，经济，启动电流小。 缺点：启动转矩小，只适合于轻载和空载启动。,5.4 三相异步电动机的启动特性,34,d. 自耦变压器降压启动 自耦变压器的三个绕组连成星形接于三相电源，使接于变压器副边的电动机降压启动，待电动机速度上升到一定值后，切除自耦变压器。,5.4 三相异步电动机的启动特性,35,这与Y-降压启动的情况一样，只是在Y-降压启动时 ，而自耦变压器降压启动的K值是可以调节的 。,5.4 三
9、相异步电动机的启动特性,特点：K值可调，较灵活。 但缺点是：它体积大，重量重，价格高，修理麻烦。常用于不经常启动、启动转矩较大、容量较大的电动机上。,36,e. 延边三角形启动 这种方法也属于降压启动，由于接法原因，使启动电流和启动转矩都较大。使用较少。 应根据实际情况，合理选择电动机启动方法。,5.4 三相异步电动机的启动特性,2、绕线式异步电动机的启动方法,由于鼠笼式异步电动机具有启动力矩小，启动电流大等特点，不能满足某些高启动转矩低启动电流的要求，故用绕线式异步电动机。,37,a. 逐级切除电阻法,与直流电机相似，转子串入电阻，逐步切除，并保证在整个启动过程中，有较大的启动转矩。,5.4
10、 三相异步电动机的启动特性,38,b. 频敏变阻器启动法,逐级切除电阻较难实现理想的启动，同时存在有劳动强度大、增加附加设备、维修麻烦等缺点。 采用频敏变阻器来启动三相异步电动机 优点：具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的特性。且结构简单，运行可靠，无须经常维修。 缺点：功率因数低，启动转矩的增大受到限制，不能作调速电阻用。,5.4 三相异步电动机的启动特性,39,5.5 三相异步电动机调速特性,改变P、S（U R）F都可以实现调速。,1、调压调速,改变电源电压U时，人为特性曲线中Tmax变小，而 不变。,对于恒转矩负载，调速范围不大。对于风机设备的调速范围稍宽一点。,40,这种调速方法能够实
11、现无级调速，但当电压降低时，转矩按电压的平方比例减少。所以调速范围不大。,定子串电阻和晶闸管调压调速都属于这种方法。,41,2、转子电路串电阻调速,转子电路中串不同的电阻，其 不变，而Sm随电阻的增大而增大，电动机的转速降低。,它只适应于绕线式电动机，是有级调速，随转速降低，特性变软，启动电阻兼作调速电阻用，要考虑发热和低速损耗。,它多用在重复短期运转的起重运输设备中。,42,3、改变极对数调速,用于多速鼠笼式电机，不需要平滑调速，只要几个特定速度，以双速电机使用最多。其主要是改变每相定子绕组中电流的方向，通过改变定子绕组接线方式来实现。,有两种：,每相绕组由串联变为并联，极对数减少1倍，转速
12、提高1倍，属于恒转矩调速。,43,保证改变极对数后转向不变，要注意同时改变相序，设计控制线路时要特别注意。一般先低速，后高速，这样才有大的启动转矩。,极对数减少1倍，转速提高1倍，但转矩减少1倍，属于恒功率调速。,3、改变极对数调速,44,4、变频调速,由于 ，若能够连续改变频率，可实现平滑调速。多用于鼠笼式异步电动机。可采用SCR和PWM调速。,45,5.6 三相异步电动机的制动特性,第五章：交流电动机的工作原理及特性,5.7 单相异步电动机,5.8 同步电动机,46,5.6 三相异步电动机的制动特性,1、反馈制动,由于某种原因，使 ，S小于0，电动机进入发电状态。此时转子反向切割磁力线，故
13、电流、转矩均反向，T起制动作用。,47,电机吸收的功率反馈给电网。也是发电制动。,一种是负载是位能转矩的下放重物时。一种是发生在变极或变频调速时。,5.6 三相异步电动机的制动特性,48,2、反接制动,5.6 三相异步电动机的制动特性,a.电源反接,正转运行时，突然改变通电相序，特性曲线变到第三象限，由于惯性作用，N不能突变，只能过渡到第二象限。,49,由于电源反接，T变负，与N相反，成为制动转矩，与负载转矩一起，使电机减速并停止。 a b c,5.6 三相异步电动机的制动特性,过零时切断电源,否则电动机将反向启动。,50,5.6 三相异步电动机的制动特性,由于反接制动电流很大，应在定子中串入
14、电阻。 特性曲线变为3， a d e,51,b.倒拉反接制动,5.6 三相异步电动机的制动特性,使用在起重机下放位能负载时，为使下降速度不致太快，在转子中串入较大的电阻。,在位能性负载的作用下，电动机沿曲线2减速过零，并在D点稳定运行。,52,进入第四象限后，N变负，S大于1，是反接制动。它是一种能稳定运转的制动状态。,5.6 三相异步电动机的制动特性,53,5.6 三相异步电动机的制动特性,3、能耗制动,由于反接制动在准确停车上有困难，易造成反车，能量损耗也较大。,能耗制动是先断开电源，加低压直流电于定子，建立一个固定不变的磁场。,54,则转子导体内的电流与该磁场相互作用，产生与实际运转方向
15、相反的制动转矩，在它的作用下，电动机迅速下降并能准确停车。,5.6 三相异步电动机的制动特性,55,5.7 单相异步电动机,a. 磁场和工作原理,由于单相电产生交变脉动的磁场，并可以分解成为两个转速和大小相等而方向相反的旋转磁场。,56,从曲线可以看出，两个电磁转矩大小相等而方向相反，合成转矩 为零，因而转子不能自行启动。故要解决电机的启动转矩问题。,使电机产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动。,5.7 单相异步电动机,57,b. 单相异步电动机的启动方法,5.7 单相异步电动机,在定子中嵌入运行和启动绕组，并使它们相互垂直，适当选择电容参数，使两者电流在相位上相差90度，通电后可产生旋转磁场，实现启动。方向由相位超前绕组流向滞后绕组。其规律与三相电相同。,58,如要实现反转，必须改变电容器的串联位置来实现。,电容分相式异步电动机,5.7 单相异步电动机,59,5.8 同步电动机,其结构上定子为三相对称绕组，转子为直流电励磁磁极。其工作原理：三相对称交流电产生旋转磁场，与转子磁极相互作用，使转子与电枢旋转磁场一起以同步转速旋转。其机械特性为：,同步电机转子励磁电流调节可改变功率因数的大小和性质（感性或容性）。,60,同步电机具有功率因数可调、运行速度恒定的优点，但结构复杂，启动和控制设备较昂贵，主要用在低速大功率场合中。,同步电机采用异步启动法。,5.8 同步电动机,