机电传动控制复习第5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 掌握旋转磁场产生的机理； 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； 掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理； 了解同步电动机的结构、工作原理、运行启动特性; 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,第一节 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:,3,电动机有直流电动机和交流电动机两大类，直流电动机不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行

2、可靠. 常用的交流电动机有三相异步电动机（或称感应电动机）和同步电动机。,Y系列三相异步电机,三相稀土永磁同步电机,4,异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，是工业中使用得最为广泛的一种电动机。 本章主要介绍三相异步电动机的工作原理，启动、制动、调速的特性和方法。,一、基本结构,转子,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,定子,一、基本结构,转子,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,定子,7,5.1.1 三相异步电动机的基本结构,定子由铁心、绕组与机座三部分组成。定子铁心是电动机磁路的一部分，它是由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的

3、。 定子绕组是电动机的电路部分由许多线圈连接而成，每个线圈有两个有效边分别放在两个槽里。三相对称绕组AX，BY，CZ可连接成星型或三角形。 机座主要用于固定与支撑定子的铁心。,转子有铁心与绕组组成。,8,5.1.1 三相异步电动机的基本结构,异步电动机转子绕组大多采用鼠笼式，它是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如右图所 示。 小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇注而成，如图5.4所示。这不仅是以铝代铜，而且制造也快。,9,鼠笼式三相异步电动机,5.1.1 三相异步电动机的基本结构,10,5.1.1 三相异步电动机的基本结构,异步电动机的转子绕组除了鼠笼式外还有线绕式，

4、线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。 转子绕组一般是连接成星型的三相绕组，转 子绕组组成的磁极数与定子相同，线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速如图5.5所示。,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 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.,二、工作原理,第一节 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,电流正方向为： 从各相绕组的

5、首端流到末端为正。 AX BY CZ,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,三、旋转磁场的形成,1）过程分析,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,1、过程分析,a b c d,2）旋转磁场的旋转方向,结论：任意两根导线对调就可以改变磁场旋转方向；旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,1、ABCABC 2、ACBACB 3、BACBAC 4、BCABCA 5、CABCAB 6、CBACBA,若将定子做如下改变：,3）旋转磁场的极数与旋转速度 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

6、 转，即n0=60f。,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,结论：因此若有p对磁极，则磁场的转速为：n0=60f /p,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。,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,4. 定子绕组线端连接方式,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。,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,第二节 三相异步电动机的定子与转子电路,一、定子电路,

7、第二节 三相异步电动机的定子与转子电路,第二节 三相异步电动机的定子与转子电路,二、转子电路,第二节 三相异步电动机的定子与转子电路,第二节 三相异步电动机的定子与转子电路,可见,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。,第二节 三相异步电动机的定子与转子电路,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

8、线电流值; 6)额定转速n N：在额定情况下,电动机的转速; 7)温升(或绝缘等级)。,三.三相异步电动机的额定值,第二节三相异步电动机的定子电路与转子电路,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 。,2) 额定效率：在额定频率、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。,第二节三相异步电动机的定子电路与转子电路,第二节三相异步电动机的定子电路与转子电路,四.三相异步电动机的能流图

9、,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,1.三相异步电动机的转矩,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，认为此时线圈中的电流是I2=I2 cos2 ；,二、机械特性表达式 1）物理表达式：,2）参数表达式：,讨论： 当S0，n=（1-S）n0= n0，为理想空载转速； 当S较小时，忽略电抗，则 T与S 近似线性关系； 当S较大时，随着转速的下降，转矩也变小。 最大转矩 Tmax=KU2 / 2X20；临界转差率 sm=R2 /X20。,第三节 三相异步电动机

10、的转矩与机械特性,3）实用表达式：,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,三、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。,四个特殊点： 理想空载工作点： T0，nn0，S0；,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,2) 额定工作点：,空载工作点,额定工作点,三、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。,四个特殊点：,3) 临界工作点： TT max，nnm，(SS m)，最大转矩 Tmax=KU2 / 2X

11、20； 临界转差率 sm=R2 /X20。,临界工作点,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,三、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。,四个特殊点：,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,4) 启动工作点： n0 ， (S1)， TTST；,启动工作点,四、人为机械特性,由上式知，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。,第三节 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；

12、 不变； 随电压的减小 而变小；,1)降低电源电压时的人为机械特性,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,2、定子电路接入电阻或电抗时的人为特性,第三节 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。,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;,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,3、改变定子电源频率时的人为特性,变大。,4、转子电

13、路串电阻时的人为特性,此时的人为特性将是一条比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。,第三节 三相异步电动机的转矩与机械特性,作业,55 56,TST TL，且启动转矩越大越好； 启动电流IST越小越好； 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。,第四节 三相异步电动机的启动特性,对电动机启动的主要要求；,第四节 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,启

14、动特性：,特点：直接启动电流大，由于功率因数低，启动转矩小。,1.直接启动（全压启动） 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。,特点： 控制线路简单； 维修工作量小； 启动电流大；,第四节 三相异步电动机的启动特性,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。,直接启动的条件： 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。,第四节 三相异步电动机的启动特性,2.降压启动 启动时降低加在电动机定子绕

15、组上的电压，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。,第四节 三相异步电动机的启动特性,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。,KM2,第四节 三相异步电动机的启动特性,启动时，定子绕组先连

16、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,第四节 三相异步电动机的启动特性,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。,星-角启动电流、启动转矩的相互关系,第四节 三相异步电动机的启动特性,3） 延边 降压启动,特点：,与Y 降压启动相比，相电压增大，且Y形部分绕组越小，电压越大。因此 TST、IST都增加。,第四节 三相异步电动机的启动特性,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。,4）自耦变压器

17、降压启动,第四节 三相异步电动机的启动特性,启动原理：,U 2 / U l = N 2 / N l = K， I 1 / 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= KI2 = K2IST启动电流变小。,全压启动时： IST= U l / Z ，,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。,第四节 三相异步电动机的启动特性,5)软启动器降压启动,1

18、）启动时限制启动电流并保持恒值； 2）启动时间短。 应用场合： 通常只用于启动大型和特殊用途电动机。,第四节 三相异步电动机的启动特性,a.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。 b.线绕式异步电动机：能在转子电路中串电阻，具有较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。,第四节 三相异步电动机的启动特性,2. 线绕式异步电动机的启动方法,实现方法： 逐级切除启动电阻法 频敏变阻器启动。,第四节 三相异步电动机的启动特性,采用逐级切除启动电阻的方法，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加

19、速转矩。,1.转子回路串多级电阻启动,第四节 三相异步电动机的启动特性,2.串频敏变阻器启动,第四节 三相异步电动机的启动特性,工作原理： 把涡流损耗等值为电阻R，且Rf22，另感抗X f2 ，频敏变阻器相当于电阻R和电抗X的并联电路。,启动时，阻抗大，启动电流小，启动转矩大； 当达到额定转速，f2 较小阻抗近似为0，电机正常运行。,特点：,有自动平滑调节启动电流和启动转矩的良好启动特性 结构简单，运行可靠，无需经常维修； 功率因数低，启动转矩的增大受到限制； 不能用作调速电阻。 应用场合： 用于对调速没有什么要求、启动转矩要求不大、经常正反向运转的线绕式异步电动机的启动，它广泛应用于冶金、化

20、工等传动设备上。,第四节 三相异步电动机的启动特性,第五节 三相异步电动机的调速特性,电动机的调速就是在一定的负载条件下,人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。来满足生产机械工作的需要。 速度调节：是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而使速度改变。 速度变化：是指由于电动机负载转矩发生变化(增大或减小)，而引起的电动机转速变化(下降或上升)，电动机机械特性不改变。,知，在一定负载下，想得到不同的转速n，则可以通过改变T max、S m 、 f 、 p 四个参数来实现。所以三相异步电动机有如下调速方法：变极对数调速，变转差率调速（调压调速、转子电路串电阻调速、串级调速、电磁转差

21、离合器调速）和变频调速。,由异步电动机的转矩、转速公式：,第五节 三相异步电动机的调速特性,一、改变磁极对数调速,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磁极对数。,第五节 三相异步电动机的调速特性,第五节 三相异步电动机的调速特性,变极调速原理（单绕组双速电机）,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

22、。,多速电机,第五节 三相异步电动机的调速特性,1、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。,第五节 三相异步电动机的调速特性,特点： n0=60f /p 不变， Sm不变， TST 、Tmax 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；,二、改变转差率调速,2、转子电路串电阻调速,第五节 三相异步电动机的调速特性,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,3

23、、转子电路串级调速,第五节 三相异步电动机的调速特性,串级调速的一般原理： 异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入附加电势Ead，以调节异步电动机的转速。引入电势的方向，可与转子电动势E2方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。,3、转子电路串级调速,第五节 三相异步电动机的调速特性,若引入的附加电势愈大，则n0愈小，即电动机的转速愈低。 在串调系统中,同步转速是恒定的,但它的理想空载转速能连续平滑地调节。,4、电磁转差离合器调速,转差离合器主要由主动部分1电枢和从动部分2磁极组成，在磁极上装有励磁绕组3。电枢1与电机轴相连，与电机转子同速旋转，在励磁绕组3通以直流电。由于感应电

24、流与磁通相互作用，产生电磁力矩使磁极跟着电枢同向旋转，从而拖动生产机械。改变直流电压，可改变负载的转速。,第五节 三相异步电动机的调速特性,4、电磁转差离合器调速,机械特性:励磁电流愈小，特性愈软。,第五节 三相异步电动机的调速特性,改变电压,调速系统原理图：,改变整流电压励磁电流磁极的转速负载的转速,第五节 三相异步电动机的调速特性,4、电磁转差离合器调速,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。,第五节 三相异步电动机的调速特性,引入速度负反馈后,调速特点： 通过改变电磁离合器的励滋电流来实现调速的，对异步电动机本身并不进行调速。 优点：结构简单、运行

25、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。,第五节 三相异步电动机的调速特性,三、变频调速,1、变压变频调速 变压变频调速适合于基频以下调速； 2、恒压弱磁调速 恒压弱磁调速适合于基频以上调速。,第五节 三相异步电动机的调速特性,三、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。,特点： n0=60f /p ，f 降低，n0 变小，Sm 变大，U/f=常数 ，Tm不变； 无级调速，D较大，稳定性好，机械

26、特性硬度不变，与直流电动机的调压调速一样； 需要变频器。,第五节 三相异步电动机的调速特性,第六节 三相异步电动机的制动特性,制动：从某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,1.反馈制动 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。,第六节 三相异步电动机的制动特性,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。,情况一： 负载转矩为位能性转矩 如：起重机械下放重物时,正转,反转,第六节 三相异步电动机的制动特性,改变转子

27、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。,情况二：在变极调速或变频调速过程中，使n0突 然降低时。,n0=60f/p,第六节 三相异步电动机的制动特性,如：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。,2、电源反接制动 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。,第六节 三相异步电动机的制动特性,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。,位能负载转矩超过电磁转矩的时候，出现倒

28、拉反接制动。 例如 起重机下放重物，为了使下降速度不致太快，就常用这种工作状态。,3、倒拉反接制动,第六节 三相异步电动机的制动特性,转子电路内串入较大的附加电阻,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。,4、能耗制动,第六节 三相异步电动机的制动特性,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。,4、能耗制动,第六节 三相异步电动机的制动特性,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。,作业,58 511,第七节 单相异步电动机,单相异步电

29、动机，是一种容量从几瓦到几百瓦，由单相交流电源供电的旋转电机，具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点，所以广泛用于电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。,单相异步电动机为什么会旋转？ 为什么需要启动电容？ 其机械特性怎样？,一、工作原理: 定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式，当接入单相交流电源时，它在定、转子气隙中产生交变脉动磁场。,i,此磁场在空间并不旋转，只是磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化。,第七节 单相异步电动机,1. 单相异步电动机的磁场,第七节 单相异步电动机,脉动磁场可以分解成两个转速相同，方向相反的旋转磁场。,结论: 1)单相异步电动机没有自启动能

30、力；,2)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,第七节 单相异步电动机,1. 电容分相式单相异步电动机,启动绕组：BY 绕组 工作绕组：AX 绕组 适当选择参数C使BY绕组中的电流，在相位上超前AX绕组中的电流90度。通电后能产生一个旋转磁场，使其启动。,换向问题：改变 C 的串联位置,第七节 单相异步电动机,2. 罩极式单相异步电动机,罩极部分,未罩部分, 2, 1, 2 滞后于 1,第七节 单相异步电动机,第八节 同步电动机的工作原理、特点及应用,一、基本结构,励磁绕组,隐极式,凸极式,二、 工作原理,

31、电枢绕组通对称三相交流电流后，气隙中便产生一电枢旋转磁场，其旋转速度为同步转速，在励磁绕组中通以直流电流后，又出现一个大小和极性固定、极对数与电枢旋转磁场相同的直流励磁磁场。这两个磁场相互作用，使转子被电枢旋转磁场拖着以同步转速一起旋转，即nn 0，转速不受负载影响。,第八节 同步电动机的工作原理、特点及应用,三、同步电动机的运行特性,第八节 同步电动机的工作原理、特点及应用,1、机械特性：,电动机（伺服电机） 发电机 功率补偿电机,三、同步电动机的运行特性,第八节 同步电动机的工作原理、特点及应用,2、功率补偿电机,同步电动机转子励磁电流 If 产生磁通f ，而定子电流 I 产生磁通0 ，合

32、成总磁通 。,正常励磁：If = Ifn ，cos =1；,过励：If Ifn ，cos 1；,欠励：If Ifn ，cos 1；,四、同步电动机的启动,分析：,第八节 同步电动机的工作原理、特点及应用,结论：平均转矩为零,不能直接启动。采用异步启动。,异步启动法：,第八节 同步电动机的工作原理、特点及应用,特点： 双重励磁和异步启动； 结构复杂； 需要直流电源； 启动和控制设备昂贵；,运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高； 应用：低速和大功率的场合。,第五章 小 结,了解异步电动机的基本结构和工作原理； 掌握旋转磁场产生的机理； 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； 掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理； 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； 掌握各种异步和同步电动机的使用场所。,作业,518 521 528,