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第 4 章电动机,第 4 章电动机,4.1三相异步电动机的构造,4.2三相异步电动机的工作原理,4.3三相异步电动机的电路分析,4.4三相异步电动机的转矩与机械特性,4.5三相异步电动机的起动,4.6三相异步电动机的调速,*4.7三相异步电动机的制动,4.8三相异步电动机的铭牌数据,4.9单相异步电动机,*4.10直流电动机,*4.11控制电机,4.1三相异步电动机的构造,异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的作用是将交流电能转换成机械能，电动机分交流电动机和直流电动机两大类，而交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。,1异步电动机按电动机定子相数分：三相异步电动机、单相异步电动机。,2按电动机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机。,电动机的外形,4.1三相异步电动机的构造,三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,端盖,机座,三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,三相异步电动机的基本结构示意图,定子,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,三相异步电动机的基本结构示意图,定子,转子,轴承,端盖,机座,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,1定子,三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。,定子绕组,机座,铁心,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。,2转子,绕线型转子铁心与绕组,根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子。绕线型转子的电动机称绕线型电动机。,外接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,转子硅钢片,2转子,2转子,笼型转子,笼型转子的电动机称笼型电动机。,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,U1,U2,V1,V2,W1,W2,定子绕组星形联结,定子绕组三角形联结,端子,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,定子绕组与转子绕组,转子绕组,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,4.2三相异步电动机的工作原理,i1,i2,i3,U1,V1,W1,U2,V2,W2,i1 = Imsint,i2 = Imsin(t 120 ),i3 = Imsin(t + 120 ),i1,i2,i3,对称三相电流流入对称三相绕组。,4.2.1旋转磁场,4.2.1旋转磁场,1旋转磁场的产生,i1,t = 0,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i1 = 0i2 为负值i3 为正值,i2,i3,设：电流的流入端用 + 表示,电流的流出端用 表示,t,t = 60,i,U1,W2,V1,U2,W1,V2,60,i1 = 0i2 为负值i3 为正值,i1,i2,i3,O,4.2.1旋转磁场,1旋转磁场的产生,t = 90,U1,W2,V1,U2,W1,V2,90,i1 为正值i2 为负值i3 为负值,t,i,i1,i2,i3,O,4.2.1旋转磁场,1旋转磁场的产生,t = 180,U1,W2,V1,U2,W1,V2,i1 = 0i2 为正值i3 为负值,t,i,i1,i2,i3,O,4.2.1旋转磁场,1旋转磁场的产生,1旋转磁场的产生,空间相差 120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为 360 )。,综上分析可以得出：,t,i,iU1,iV1,iW1,0,90,60,0,2改变旋转磁场的转向,综上分析可以得出：,改变流入三相绕组的电流相序，就能改变旋转磁场的转向；改变了旋转磁场的转向，也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,3旋转磁场的磁极对数 p,旋转磁场的磁极对数 p 与三相定子绕组的连接方式有关。,4旋转磁场的转速 n0, 电源的频率, 磁极对数,n0 的单位：转/分,若 f1 = 50 Hz ，p = 1n0 = 3000 r/min,p = 2n0 = 1500 r/min,p = 3n0 = 1000 r/min,4.2.2电动机的转动原理,n0,n,e( i ),转子导体,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,4.2.3转差率 s,转差率,0 s ,sN = 0.015 0.06,转子转速,n = (1 s) n0,例 1已知 n = 975 r/min，f1 = 50 Hz。求：p、s、f2。,解,p = 3,4.3三相异步电动机的电路分析,下图所示是三相异步电动机每相电路图。,和变压器相比：,定子绕组相当于变压器的一次绕组。,转子绕组相当于变压器的二次绕组。,4.3.1定子电路,定子的内阻抗：,Z1 = R1 + jX1,忽略 Z1,U1 E1= 4.44 f1N1,： 旋转磁场每极磁通；N1：每相定子绕组匝数；f1： 定子电流频率。,4.3.2转子电路,1转子频率 f2,2转子电动势 E2,转子内阻抗：,Z2 = R2 + jX2,转子电动势：,E2 = 4.44 f2N2 = 4.44 sf1N2 = sE20,3转子感抗 X2,4转子电流 I2,5转子电路的功率因数 cos2,I2,cos 2,1,4.4三相异步电动机的转矩与机械特性,电磁转矩 T = KT I2 cos 2,电磁转矩是由旋转磁场的磁通 和转子电流的 I2 有功分量相互作用而产生的，所以,常数,4.4.1转矩公式,4.4.2机械特性曲线,s,T,1,0,转矩特性 T = f (s),机械特性曲线 n = f (T ),1额定转矩 TNT = TC = T2 + T0 T2,P2：电动机轴上的输出功率,P2 单位：瓦(W),n 单位：转/分(r/min),T 单位：牛米(N m),由 dT/ds = 0，得,取正值,sm 称为临界转差率,代入 T 的表达式,求得最大转矩 Tmax,2最大转矩 T max,(4) sm = R2 /X20,结论：,(1) Tmax U12,(2) Tmax 与 R2 无关,(3) 过载系数, Tmax T N, 1.8 2.2,sm 与 U1 无关,2最大转矩 Tmax,起动瞬间 n = 0，s = 1,U1 Tst ,R2 Tst,负载转矩 T2 Tst ，不能起动。,负载转矩 T2 Tst ，可带负载起动。,st Tst TN,一般 st 1.0 2.2,起动转矩倍数,3起动转矩 Tst,例 1已知 PN = 4.5 kW，nN = 950r/min，N = 84.5%，U = 380 V，f1 = 50 Hz， = 2，st = 1.7。求：(1)磁极对数 p；(2)s；(3)TN；(4)输入功率 P1；(5)Tmax；(6)Tst。,解,(1)p = 3,(5)Tmax = TN = 2 45.24 Nm = 90.48 Nm,(6)Tst = st TN = 1.7 45.24 Nm = 76.91 Nm,4.5三相异步电动机的起动,4.5.1起动性能,起动初始瞬间，n = 0，s = 1,(1)起动电流 Ist 大，4 7IN。频繁起动会使电动机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。,(2) 起动转矩 Tst 不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低, 不能满载起动。,电磁转矩T = KT I2 cos 2,4.5.2起动方法,1直接起动,直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大 4 7 倍；影响同一电网上其他负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机。,2降压起动,起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。,(1)星形三角形(Y-)换接起动,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,QS1,转子,定子绕组,只适用于电动机在工作时定子绕组为 形接法。,(1)星形三角形(Y-)换接起动,Y 形, 形,起动电流和起动转矩都降低为直接起动时的三分之一。,QS2,起动,三相自耦变压器,(2)自耦降压起动,U1,U2,V1,V2,W1,W2,QS1,QS2,运转,起动,三相自耦变压器,M3 ,(2)自耦降压起动,绕线型电动机起动时，可在转子绕组中串联电阻，以减小起动电流。,(3)转子串电阻起动,例 1有一 Y225 4 型三相异步电动机，其额定数据见下表。试求：(1)额定电流；(2)额定转差率 sN；(3)额定转矩 TN、最大转矩 Tmax、起动转矩 Tst。,解,(1) 4 100 kW 的电动机通常是 380 V， 形联结。,(2)由已知 n = 1480r/min，可知电动机是 4 极的，即p = 2，n0 = 1500 r/min,所以,(3),例 2在上题中：(1)如果负载转矩为 510.2 Nm，试问在 U = UN 和 U = 0.9UN 两种情况下电动机能否起动？(2)采用 Y 换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩 TN 的 80% 和 50% 时，电动机能否起动？,解,(1) 在U = UN 时，Tst = 551.8 Nm 510.2 Nm，所以能起动。,在 U = 0.9UN 时，Tst = 0.92 551.8 Nm = 447 Nm 510.2Nm，所以不能起动。,(2)Ist = 7IN 84.2 A = 589.4 A,在 80% 额定转矩时,在 50% 额定转矩时,4.6三相异步电动机的调速,调速方法,4.6.1变频调速,变频调速装置,两种变频调速方式：,(1)f1 f1N 低于额定转速调速,由U1 = 4.44 f1N1 知，若 保持不变，应保持(U1/f1)的比值近似不变，所以两者要成比例同时调节。,又电磁转矩 T = KT I2 cos 2 ，T 也近似不变，是恒转矩调速。,4.6.1变频调速,(2)f1 f1N 高于额定转速调速应保持 U1 U1N，由 U1 = 4.44 f1N1 知，在减小 f1 同时 减小，又电磁转矩 T = KT I2 cos 2，T 也减小，是恒功率调速。,4.6.2变极调速,改变极对数 p 调速,有级调速,p = 2,改变极对数 p 调速,有级调速,4.6.2变极调速,p = 1,4.6.3变转差率调速,在绕线型电动机转子绕组中串入电阻 R , 可改变转差率 s 和转速 n。,1小范围无级调速,特点,2R2 大 特性变软,*4.7三相异步电动机的制动4.7.1能耗制动,制动时定子接入直流电源产生固定磁场，,i2 受到阻转矩；当 n0，i20，T0。,制动：将动能 电能 热能。,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转。,缺点：需要另外加直流电源。,e2(i2),4.7.1能耗制动,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使 M 停机。,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为 (n1+ n) I2 I1。,必须在笼型电动机的定子或绕线型电动机的转子中串入电阻 R，以防止烧坏绕组。,4.7.2反接制动,4.8三相异步电动机的铭牌数据,1功率 PN 额定运行时，轴上输出的机械功率。,2电压 UN 额定运行时，定子绕组上应加的线电压。,3电流 IN 在 UN、 PN 时，流入定子绕组的线电流。,4转速 nN 在 UN、 PN、 IN 时，电动机转子的转速。,4.9单相异步电动机,单相异步电动机的功率一般为几至几百瓦常用于功率不大的电动工具(如电钻、搅拌器等)以及众多的家用电器(如电风扇、电冰箱、洗衣机、抽油烟机等)。,单相异步电动机：定子只有一相主绕组的异步电动机。,单相异步电动机均采用笼型转子，但定子有所不同。,A 为工作绕组，B 为起动绕组，在空间相隔 90。S 为离心力开关。,iA = IAm sint,iB = IBmsin(t + 90 ),4.9.1电容分相式异步电动机,iA = Imsint,iB = Imsin(t + 90 ),iA,t,i,iB,0,两相绕组形成的旋转磁场,形成旋转磁场,4.9.1电容分相式异步电动机,改变电容 C 的串联位置，可使异步电动机反转。,将 S 合向 1，iB 超前 iA,将 S 合向 2，iA 超前 iB,4.9.2罩极式异步电动机,1 和 2 之间产生相位差，形成一个向罩极部分移动的旋转磁场。,三相异步电动机的单相运行,若三相异步电动机运行时断了一根线，则相当于单相异步电动机，称为三相异步电动机的单相运行，或缺相运行。,若 n = 0，则不能起动，此时电流很大，时间一长，电动机将会被烧坏；,若 n 0，则能够继续转动，但仍带额定负载，电流势必超过其额定值，时间一长，电动机也将被烧坏。,*4.10直流电动机,直流电动机 将直流电能变为机械能。,1直流电动机的构造,定子,机座,主磁极,换向极,电刷,转子,电枢铁心,电枢绕组,换向器 直流电动机的特征,转轴,主磁极,励磁绕组,转子,转轴,定子,转子,电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组,电枢绕组 产生感应电动势,转轴 输入或输出机械功率,机座 起支撑作用；作为部分磁路,主磁极 产生主磁通,换向极 产生附加磁场，改善换向,电刷 引入或引出直流电,换向器 与电刷一起，共同完成 直流电和交流电的转换,换向极,换向绕组,2直流电动机的工作原理,在两电刷之间加入直流电压 U，则在绕组中产生电流 i，通电导体又受到力的作用，产生电磁力矩。由于换向器的作用，在 N (S) 极下受力方向不变，使电枢旋转起来。,导体与磁场之间的相互作用，在电枢绕组中产生反电动势 e , 与电源电压相平衡。,3转矩、电动势和电压平衡方程式,电磁转矩,T = KT Ia,电动势,E = KE n,电压平衡方程式,外加电源电压 U = E + IaRa,E 与 Ia 反向,：每极磁通,Ia 电枢电流,E 为反电动势，,Rst：限制起动电流,改变电枢电流或励磁电流方向实现电动机反转,4调速,T = KT Ia,改变电枢电流或励磁电流方向，实现电动机反转。,改变磁通 (电阻 Rf)或改变电压 U 可达到调速的目的。,注意,直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通。,*4.11控制电机,1. 交流伺服电动机,控制电机在自动控制系统中是必不可少的，其主要任务是转换和传递控制信号。,4.11.1伺服电动机,C,转子,两相定子绕组接线图,1交流伺服电动机,1,1 为励磁绕组，2 为控制绕组,2,交流伺服电动机是两相异步电动机。,i1 与 i2 的相位差接近 90，,产生旋转磁场。,为零，电动机立即停转。,+ ,+ ,2直流伺服电动机,直流伺服电动机和一般他励直流电动机一样，为了减小转动惯量而做得细长。,励磁电压 U1 一定，控制电压 U2 加在电枢上。,改变电枢电压可改变转速，改变电枢电压的极性可使电动机反转。,4.11.2步进电机,步进电机利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。,通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。,步进电机的结构,定子,定子铁心 (硅钢片叠成),定子绕组,转子：只有铁心，无绕组,通电顺序：U1 V1 W1 U1 ,W1,U1,V1,W1,U1,V1,1,2,3,4,步进电机的工作原理,单三拍：每一次只有一相绕组通电，三次通电完成一个循环。,1单三拍,每一拍转子转过的角度称步距角。,反转通电顺序：U1 W1 V1 U1 ,转子力图转到磁阻最小位置,2六拍,通电顺序：U1U1，V1 V1 V1，W1 W1 W1，U1U1,反转通电顺序：U1U1，W1 W1 W1，V1V1V1，U1U1,通电顺序：U1,V1 V1,W1 W1,U1 U1,V1 ,每次有两相绕组通电,3双三拍,步距角的大小与转子的齿数及通电的方式有关。,步距角：,Zr：转子齿数；,m：循环的拍数。,实际需要步距角较小(1.5)的步进电机，所以其齿数较多。,定、转子齿距相等，且齿数配合要恰当。,如：转子齿数 Zr = 40，,步进电机的控制电路框图,脉冲分配器,功率放大器,步进电机,负载,输入脉冲,脉冲分配器：决定步进电机定子绕组通电顺序和电机转速的电路。,功率放大器：分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为励磁电流送到步进电机定子绕组。,