机电产品设计实例与分析第五章.ppt

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1、本章要点:,了解异步电动机的基本结构和工作原理 掌握异步电动机的机械特性; 掌握异步电动机启动、调速、制动的方法； 学会用机械特性的四个象限分析电动机运行状态； 掌握各种异步和同步电动机的使用场所。,第五章 交流电动机的工作原理及特性,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,交流电机,异步电机、 异步电动机,同步电机,三相异步电动机,同步发电机,同步电动机,单相异步电动机,分类:,基本结构,转子,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,定子,基本结构,转子,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,定子,转差率,所以这种电动机称为异步电动机，也叫感应电动机。,定子线圈通三相交流电 产生旋转磁场

2、相当于转子切割磁力线运动 在转子回路中产生感应电流(右手定则) 带电导体在旋转磁场中受到电磁力 (左手定则) 产生电磁转矩 使转子转动(方向与旋转磁场同向)电动机转动.,工作原理,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,转子与定子的转速不同,S通常为：0.0150.060,电流正方向为： 从各相绕组的首端流到末端为正。 AX BY CZ,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的形成,过程分析,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的形成,a b c d,过程分析,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的形成,结论：任意两根导线对调就可以改变磁场旋转方向；旋转磁场的

3、方向与三相电流的相序一致。,旋转磁场的方向,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的形成,若将定子做如下改变：,上述分析可以得出：电流经过一个周期变化，旋转磁场在空间上也转过一转，若电流频率为f，旋转磁场每分钟旋转 60f 转，即n0=60f。,旋转磁场的的极数与旋转速度,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的形成,过程分析：绕组在空间对称分布，每相绕组由两部分串连而成。此时，磁极对数p=2。电流变化了半个周期，磁场在空间转过1/4 转。,旋转磁场的的极数与旋转速度,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,旋转磁场的形成,结论：因此若有p对磁极，则磁场的转速为：n0=60

4、f/p,例如：f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数. p=1时,同步转速为3000r/min;p=2时,同步转速为1500r/min;p=3时,同步转速为1000r/min.,当电动机接入电源的线电压等于电动机的额定相电压时，应接成三角形；若是相电压的 倍，应接成星形。 如：铭牌标有 和380/220时，电源线电压为380V时接成星形，为220V时接成三角形。,5.1 三相异步电动机的结构和工作原理,定子绕组线端连接方式,图5.15 星形连接,图5.15 三角形连接,图5.14 出线端排列,定子电路,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,定子电路,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路

5、,转子电路,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,转子电路,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,转子电路,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,三相异步电动机的转子电路的各个物理量如:转子感应电势E2、I2、X20、cos2等都与转差率 S有关，也即与转速 n有关。,转子电路,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,例:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势E20=20V,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子电流.,解;1)电动机为4极,磁极对数p=2, 有n0=60f/P=3000/2=

6、1500r/min 2)电动机起动时的转子电流,举例,三相异步电动机的额定值,1)型号，如Y90S-4、Y112M-4； 2)额定功率PN：在额定情况下，电动机轴上输出的 机械功率; 3)额定电压UN：在额定情况下，定子绕组应加的线 电压值; 4)额定频率f：在额定情况下，定子外加电压的频率; 5)额定电流IN：在额定情况下，定子的线电流值; 6)额定转速nN(SN)：在额定情况下,电动机的转速; 7)温升(或绝缘等级)。,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,绝缘的温度等级: A级 E级 B级 F级 H级 最高允许温度（）: 105 120 130 155 180,2) 额定效率：在额定频

7、率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为,3) 额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载转矩。,5.2 三相异步电动机的定子与转子电路,根据以上数据求出其他额定值： 1) 额定功率因数：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦 cosN。,5.2三相异步电动机的定子电路与转子电路,三相异步电动机的能流图,直流电动机： 交流电动机：,讨论： 1)当cos2 =1，纯电阻性负载，I2与E2同向； 2)当cos2=0，纯感性负载, I2与E2相差90度；T=0。 3)cos2 1，认为此时线圈中

8、的电流是I2=I2 cos2 ；,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,三相异步电动机的转矩,参数表达式：,讨论： 当S较小时，忽略电抗，则 T与S 近似线性关系； 当S超过临界值时，随着转速的下降，转矩也变小。,机械特性表达式,物理表达式：,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,四个特殊点： 理想空载工作点： T0，nn0，S0；,2) 额定工作点：,空载工作点,额定工作点,固有机械特性,异步电动机在UN和 fN下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有(自然)机械特性。,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,四个特殊点：,4) 临界工作点： TT

9、max，nnm，(SS m)，最大转矩 Tmax=KU2/2X20； 临界转差率 sm=R2 /X20。,临界工作点,固有机械特性,3) 启动工作点： n0 ， (S1)， TTST；,启动工作点,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,鼠笼式：,线绕式：,机械特性表达式,实用表达式：,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,人为机械特性,改变定子电压U、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗、定子电源频率f 等，都可得到异步电动机的人为机械特性。,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,随电压的减小 而变小,特点: n0= 60f /p 不变； 不变； 随电压的减小而变小；,降低电源

10、电压时的人为机械特性,人为机械特性,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,特点: n0=60f /p 不变； 不变； 变小，虚线2所示，要比降压的大些，因为随着转速的上升和启动电流的减小，端电压自动增大； 减小。,定子电路接入电阻或电抗时的人为机械特性,人为机械特性,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,n0=60f /p 当f变小，n0 变小； 变大； 不变，一般变频调速采用恒转矩调速，T max保持恒值，改变f 时，U也作相应的变化，使Uf =常数，使气隙磁通不变;,变大。,改变定子电源频率时的人为机械特性,人为机械特性,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,此时的人为特性将是一条比

11、固有特性较软的一条曲线。,特点: n0=60 f/p 不变； 增大； 不变； 增大。,转子电路串电阻时的人为机械特性,人为机械特性,5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性,对电动机启动的主要要求,TSTTL，且启动转矩越大越好； 启动电流IST越小越好，太大对电机和电网都不好； 启动平滑，以减小对机械的冲击； 启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便； 启动过程中的功率损耗越小越好； 其中，前两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。,5.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼型异步电动机的启动方式： (1)全压直接启动 (2)降压启动,启动电流大,启动转矩小,特点：直接启动电流大，由于功率因数低，

12、启动转矩小。,对电动机启动的主要要求,5.4 三相异步电动机的启动特性,特点： 控制线路简单； 维修工作量小； 启动电流大；,应用场合：通常对中、小容量的异步电动机均采用直 接启动方式。,将电动机的定子绕组通过闸刀开关直接接入电源，在额定电压下进行启动。,5.4 三相异步电动机的启动特性,直接启动,直接启动条件： 独立变压器供电时： 电动机启动频繁，电动机功率小于变压器容量的20；电动机不经常启动，电动机功率小于变压器30 没有独立的变压器供电(即与照明共用电源)： 电动机启动比较频繁，满足下列关系则可直接启动。,5.4 三相异步电动机的启动特性,直接启动,启动时降低加在电动机定子绕组上的电压

13、，当转速接近额定值时，再将电压恢复到额定值，使之在全电压下运行。 降压启动只适用于启动时负载转矩不大的情况，如轻载或空载。由于机床电动机一般都为空载启动，所以常采用降压启动方式。 常用的降压启动方式有：定子串电阻或电抗器降压启动、Y 降压启动、自耦变压器降压启动等。,5.4 三相异步电动机的启动特性,降压启动,特点： 启动转矩随定子电压的平方关系下降，故它只适用于空载或轻载启动,1）定子电路串电阻或电抗器降压启动,不经济,在启动过程中，电阻器上消能量大，不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器，则所需设备费较贵，且体积大。,5.4 三相异步电动机的启动特性,降压启动,启动时，定子绕组先

14、连成 Y 形，转速接近额定转速时，将电动机定子绕组连成形,电动机进入正常运行,2） Y-降压启动,优点：设备简单、经济；启动电流小； 缺点：启动转矩小；启动电压不能按 实际需要调节,适用场合：空载或轻载启动,且正常运行时,定子绕组为三角形连接的异步电动机。,5.4 三相异步电动机的启动特性,降压启动,利用自耦变压器来降低电动机启动时的电压，达到限制启动电流的目的。,3）自耦变压器降压启动,启动原理：,U 2 / U l = N 2 / N l = K， I1 / I 2 = K， K1，,降压启动时： I2= U2 / Z = KU1 / Z = KIST ， 此时原边从电网吸取的电流I1=

15、KI2 = K2IST启动电流变小。,全压启动时： IST= U l / Z ，,5.4 三相异步电动机的启动特性,降压启动,特点： 相对于Y-降压启动：,1）K是可以调节的，因此启动电压、启动转矩可通过不同的抽头来调节，具有调整灵活的优点。 2）启动设备体积大，价格贵、维修困难。 应用场合： 通常只用于启动大型和特殊用途电动机。,3）自耦变压器降压启动,5.4 三相异步电动机的启动特性,降压启动,5.4 三相异步电动机的启动特性,软启动器,鼠笼式异步电动机：启动转矩小，启动电流大，降压启动时，不能满足某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。 线绕式异步电动机：能在转子电路中串电阻，具有较

16、大启动转矩和较小的启动电流，有较好的启动特性 应用场合：大功率电机的启动。,5.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式和线绕式电机启动特性比较,解(1)电动机额定功率与供电变压器容量之比为 75/320=0.2340.2 电动机不宜直接起动.,(2)电动机的额定转矩和起动转矩分别为 TN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484Nm Tst=1.9TN=1.9X484=920Nm 如果采用Y- 降压起动,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一,即 TstY=1/3X920=307200=TL 因此,可以采用Y- 降压起动.,例1:一台Y280S-4三相鼠笼式异步电动机,PN=75

17、kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,电动机由320kVA的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=200Nm,问(1)电动机频繁启动时，能否直接起动?(2)电动机能否用Y- 降压起动?,举例,电动机的调速 速度调节&速度变化,5.5 三相异步电动机的调速特性,可知，要改变转速n，则可以通过改变S 、f 、p 几个参数来实现。,异步电动机的转矩、转速公式：,调速方法,在实际中，存在大量的生产机械，只需要几种特定的转速，且对启动性能没有太高要求，在这种情况下，可用变极对数的调速方法。 磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的接线方式。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的

18、磁极对数。,5.5.1改变磁极对数调速,特点： 多速电动机虽其体积稍大、价格稍高、只能有级调速、但因结构简单、效率高、特性好，调速时所需附加设备少，因此，广泛用于机电联合调速的场合，特别是中、小型机床。,改变极对数调速,改变极对数调速（单绕组双速电机）,5.5.1改变磁极对数调速,改变极对数调速,5.5.1改变磁极对数调速,Y-YY属于恒转矩调速,-YY属于恒功率调速,在变极调速时，不仅使转速发生变化，且使电流相序也发生变化，因此在变极同时需要改变相序。,调压调速,在定子电路中串电阻(或电抗)和用晶闸管调压调速都是属于这种调速方法。,特点： n0=60f/p不变，Sm不变，TST 、Tmax

19、减小； 能够实现无级调速； 对于恒转矩负载，D较小，对于通风机负载，D较大； 低速时发热严重，稳定性差,5.5.2 改变转差率调速,调压特性,调压调速,5.5.2 改变转差率调速,调压损耗及其容量限制,电磁功率：,机械功率：,转差功率：,转子电路串电阻调速,特点： n0 ，Tmax不变，Sm随R2增加而增加； 有级调速，调速范围小，相对稳定性差； 适用于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用,应用场合：用在重复短期运转的生产机械中 例如，在起重、运输设备,5.5.2 改变转差率调速,串级调速,思路： 转子电路串电阻实际是通过增加转子电路的铜耗来减低转速； 如果用一个频率和转子频率f2相同

20、，相位和转子电势相反的附加电势来吸收转差功率，也可使实际输出功率减小，转速降低的目的；,5.5.2 改变转差率调速,一般原理,特点：优点是运行效率高；缺点是体积随调速范围扩大而扩大，造价高。,调速原理：,电磁转差离合器调速,5.5.2 改变转差率调速,改变整流电压励磁电流磁极的转速负载的转速,调速系统原理图：,改变电压,电磁转差离合器调速,5.5.2 改变转差率调速,调速系统机械特性：,电磁转差离合器调速,5.5.2 改变转差率调速,引入速度负 反馈后,左图所示的机械特性不能直接应用于速度要求比较稳定的工作机械上。一般都要接入转速负反馈,调速特点： 通过改变电磁离合器的励滋电流来实现调速的，对

21、异步电动机本身并不进行调速。 优点：结构简单、运行可靠、维护方便、加工容易、能平滑调速。用闭环系统可扩大笼型转子异步电动机的调速范围和调速精度。 缺点：必须增加电磁转差离合器设备，低速运行时损耗较大而且调速效率比较低。,电磁转差离合器调速,5.5.2 改变转差率调速,变压变频调速,改变电源频率需要专门的变频装置，控制电路复杂、成本较高，但可实现大范围的无级调速，是一种理想的调速方法。,5.5.3 变频调速,适合于额定频率f1N以下调速,由：,知：,为了保持Tm不变，调速时需要保持磁通不变；因此需要保持U1/f1=常数。,恒压弱磁变频调速,5.5.3 变频调速,基频以下属于恒转矩调速，基频以上基

22、本上属于恒功率调速。,变频调速的特点,5.5.3 变频调速,调速范围广,调速平滑性好,静态特性和动态特性可以和直流调速相比,国家电动机调速技术产业化途径与对策的研究报告: 中国发电量的66%消耗在电动机上,全国电动机总装机容量超过4亿千瓦,有70%拖动的是风机,泵,压缩机,这其中一半即7500万千瓦适合调速. 从目前变频器使用情况看,平均节电30%. 2005年国家“节能中长期专项规划”的十大重点节能工程中,第5项就是电机系统节能工程,“十一.五”期间,将形成200亿千瓦时的节电能力.,经济效益高,各种调速方法比较,5.5 三相异步电动机的调速特性,5.6 三相异步电动机的制动特性,制动：从某

23、一稳定转速开始减速到停止或是限制 位能负载下降速度的一种运转状态。,制动方式： 反馈制动 反接制动 能耗制动,这时电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向，即T与n的方向相反，起制动作用。,5.6 三相异步电动机的制动特性,因某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，异步电动机就进入发电状态。反馈电能给电网所以，反馈制动又称发电制动,反馈制动,N,S,正转,反转,改变转子电路串入的电阻，可以调节重物下降速度，为了不致因电机转速太高而造成运行事故，转子附加电阻的值不允许太大。,情况一： 负载转矩为位能性转矩如：起重机械下放重物时,5.6 三相异步电动机的制动特性,反馈制动,n0=60f/p,如

24、：某生产机械采用双速电动机传动，由高速运行时为4极(2P4)，向低速8极(2P8)切换过程。,情况二： 在变极调速或变频调速过程中，使n0突然降低时。,5.6 三相异步电动机的制动特性,反馈制动,由于反接制动时电流很大对鼠笼式电动机常在定子电路中串接电阻；对线绕式电动机则在转子电路中串接电阻，以减小电流。,如果正常运行时异步电动机三相电源的相序突然改变，即电源反接，此时电动机出现制动状态。,5.6 三相异步电动机的制动特性,反接制动,电源反接制动,转子电路内串入较大的附加电阻,5.6 三相异步电动机的制动特性,反接制动,倒拉反接制动,位能负载转矩超过电磁转矩的时候，出现倒拉反接制动。 例如 起

25、重机下放重物，为了使下降速度不致太快，就常用这种工作状态,5.6 三相异步电动机的制动特性,能耗制动,先切断交流电源，再在定子两相绕组内通一直流电，产生制动力矩。,优缺点： 制动平稳,可以通过调节直流电流调节制动转矩 If =(2-3)IN； 不会反转； 需直流电源，当 n=0 时，要及时切断直流电源， 否则会烧毁电机。,5.6 三相异步电动机的制动特性,能耗制动,工作原理:,i,磁场不旋转，磁通或磁感应强度交变,5.7 单相异步电动机,1. 单相异步电动机的磁场,脉动磁场可以分解成两个转速相同，方向相反的旋转磁场。,5.7 单相异步电动机,工作原理:,1)单相异步电动机没有自启动能力；,2)

26、单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向不固定完全取决于启动时的旋转方向。,n=0，T=0，故不能启动,5.7 单相异步电动机,结论:,工作原理,5.7 单相异步电动机,启动和换向,单向,双向,5.7 单相异步电动机,启动和换向,基本结构,励磁绕组,隐极式,凸极式,5.8 同步电动机,工作原理,5.8 同步电动机,同步电动机的运行特性,机械特性,5.8 同步电动机,同步电动机的启动,结论：平均转矩为零,不能直接启动。,启动方法：转子上装启动绕组，和异步电机类似；到达一定转速后，转子接入励磁电流，将转速拉到同步转速，启动绕组失去作用。,5.8 同步电动机,第五章 小 结,了解异步电动机的基本结构和工作原理； 掌握异步电动机的机械特性； 掌握异步电动机启动、调速、制动的方法； 学会用机械特性的四个象限分析异步电动机的运行 状态； 掌握各种异步电动机的使用场所。,作业,51、2、5、7、11、15、24、27,