程宪平机电传动与控制（第三版）2第二章ppt课件.ppt

目录 第2章,第2章 交流电动机 2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理 2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路 2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性 2-4 三相异步电动机的启动性能与方法 2-5 三相异步电动机的调速方法 2-6 三相异步电动机的制动 2-7 单相异步电动机 2-8 同步电动机,第2章 交流电动机,了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用；学会用机械特性 的四个象限来分析异步电动机的运行状态；掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；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。,第2章 交流电动机,异步电动机的机械特性，它是基于异步电动机的工作原理 而推导出来的；特别是异步电动机的人为机械特性，因为 它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；异步电动机直接启动和Y-降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。,定子旋转磁场与转子运动的相对性。电动机的制动过程。,第2章 交流电动机,三相鼠笼式异步电动机三相特殊鼠笼式异步电动机三相绕线式异步电动机,概 述,交流电动机,异步电动机,单相异步电动机,同步电动机,单相同步电动机三相同步电动机,三相双鼠笼式异步电动机三相深槽式异步电动机三相高转差率鼠笼式异步电动机,三相异步电动机,交流电动机的类型:,第2章 交流电动机,概 述,交流电动机的用途:交流电动机 在各行各业和日常生活等，都得到了广泛的应用。鼠笼式异步电动机 在机电传动控制系统中使用得最为广泛。绕线式异步电动机 与鼠笼式相比，其转子结构稍复杂，价格稍贵，一般用于要求起动电流小、起动转距大的场合。交流电动机的优缺点:结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高。但是，功率因数低、起动和调速性能差。,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,一.三相异步电动机的基本结构,铁心:由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,第2章 交流电动机,铁心:由导磁性能很好的硅钢片叠成(导磁部分)。绕组:放在定子铁心内圆槽内(导电部分)。机座:固定定子铁心及端盖。,定子静止部分,转子旋转部分,三相异步电动机,转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。,转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,绕线式：,绕组:,转轴、轴承、风扇,鼠笼式：,一.三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,三相绕线式异步电动机结构图,一.三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,三相对称交流绕组模型,圆形定子冲片,定子铁心,一.三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,鼠笼型转子绕组,一.三相异步电动机的基本结构,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,绕线式异步电机定子转子绕组接线方式,一.三相异步电动机的基本结构,绕线式转子绕组 形式与定子绕组 基本相同；3个绕组的末端 连接在一起构成 星形连接；3个始端连接在 3个铜滑环上；电刷引出线连接 起动调速变阻器。,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.三相异步电动机的工作原理,在定子的三相对称绕组中通入三相对称交流电流，可以产生在空间旋转的圆形合成磁场。磁场旋转方向与电流相序一致。电流相序为A-B-C时，磁场顺时针方向旋转；电流相序为A-C-B时，磁场逆时针方向旋转。旋转磁场的转速 n0称为同步转速：n0决定于 电流的频率 f 电机的磁极对数 p,（r/min）,旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.三相异步电动机的工作原理,同步转速 no与磁场磁极对数 p 的关系：（f50Hz时）磁极对数 p分别为 1、2、3，每个电流周期磁场转过空间角度360、180、120，同步转速no分别为 3000、1500、1000 r/min 如下定子绕组的接法，合成磁场只有一对磁极，即 p1。,旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.三相异步电动机的工作原理,磁极对数 p 的改变 定子每相绕组由两个 相等圈数的“半绕组”组成。若如右图示将每相两个“半绕组”串联，形成的磁场则 是两对磁极，即 p2或2p4。,旋转磁场的产生,若改变接法将每相两个“半绕组”并联，形成的磁场则 是一对磁极，即 p1或2p2。（详见变极调速）,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,将每相两个“半绕组”并联形成的磁场是一对磁极即 p1或2p2,将每相两个“半绕组”串联形成的磁场是两对磁极即 p2或2p4,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,将每相两个“半绕组”并联形成的磁场是一对磁极即 p1或2p2,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,将每相两个“半绕组”串联形成的磁场是两对磁极即 p2或2p4,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,磁场n0 旋转,两极旋转磁场示意图,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,以iA0为起动点,第2章 交流电动机,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,以iAIM为起动点,两极旋转磁场示意图,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,以iAIM为起动点,四极旋转磁场示意图,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,两极与四极旋转磁场的比较,转速,第2章 交流电动机,二.三相异步电动机的工作原理,旋转磁场的产生,思考 上述分析均为磁场顺时针方向旋转的情况，若要求旋转方向改为反时针，则应该如何分析？,转向,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,电流 相序A-C-B,2.磁生电(右手定则)旋转磁场切割转子导体，转子感应电动势和电流。,1.电生磁(右手定则)定子三相绕组通入三相对 称电流产生圆形旋转磁场。,3.电磁力(左手定则)转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力 作用，形成电磁转矩，驱动 电动机旋转，将电能转化为机械能。,第2章 交流电动机,二.三相异步电动机的工作原理,转动原理,逆时针 方向 旋转,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,n,第2章 交流电动机,二.三相异步电动机的工作原理,磁力线切割转子绕组,转子绕组产生感应电势,转子绕组产生感应电流,电流与磁场作用产生电磁力,电磁力产生电磁转矩,转子运转转速nn0,定子绕组通入三相交流电流,转动原理,旋转磁场同步转速n0,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n0，故称为异步电动机；又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，也称为感应电动机。,二.三相异步电动机的工作原理,转差率,转差率是异步电动机一个非常重要的参数，它反映了电动机的各种运行情况。,异步电动机同步转速和转子转速的 差值与同步转速之比称为转差率，用 S 表示，即：,第2章 交流电动机,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,三相异步电机转速及转差率与运行状态的关系,转差率,电动机,二.三相异步电动机的工作原理,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,第2章 交流电动机,转子静止时的电路,转子静止时的T形等效电路,转子转动后的电路(频率折算后的电路),转子转动后的电路(频率折算前的电路),一.定子转子电路示意图,第2章 交流电动机,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,一.定子转子电路示意图,转子静止时的电路,转子转动后的T形等效电路,转子静止时的T形等效电路,转子转动后的电路(频率折算后的电路),第2章 交流电动机,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,转子转动后的T形等效电路,感应电动机的简化形等效电路(转子转动后),一.定子转子电路示意图,第2章 交流电动机,2-2 三相异步电动机的定子电路与转子电路,转子每相电路 的功率因数为：,转子每相绕组 的电流为：,二.定子电路与转子电路中的几个主要电量,异步电动机工作时，其定子每相绕组的感应电势为：E1=4.44 f1 N1 而且，定子每相绕组上施加的电压U1E1，可见U1。转子每相绕组的感应电势为：E2=4.44 f2 N2=S E20（因转子电势的频率f2=S f1,E20=4.44 f1 N2 为转子不动时转子每相的电势）,可见，转子电路的各物理量都与转差率S即与转速n 有关。,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,第2章 交流电动机,异步电动机所产生的电磁转矩为,一.三相异步电动机的电磁转矩,转矩特性指电动机的电源电 压和频率一定时，电磁转矩 与转差率(转速)之间的关系。,机械特性n=f（T）,转矩特性T=f（s）,实际生产中把电磁转矩与转速的 关系称异步电动机的机械特性。,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,转子电路功率因数,一.三相异步电动机的电磁转矩,机械特性n=f（T）,异步电动机所产生的电磁转矩为,转矩特性T=f（S）,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,1、固有机械特性 四个重要特殊点：理想空载点A T=0，n=n0（S=0）额定工作点B T=TN，n=nN（S=SN）启动工作点D T=Tst，n=0（S=1）临界工作点C T=Tmax，n=nm（S=Sm）,机械特性 n=f（T）,二.三相异步电动机的机械特性,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,2、人为机械特性,可以作出改变U、f 以及 在定子、转子电路串接电阻或电抗的人为机械特性。异步电动机定子降压的人为机械特性 异步电动机定子串接电阻(电抗)的人为机械特性 异步电动机定子变频的人为机械特性 绕线式异步电动机转子串接电阻(电抗)的人为机械特性,根据电磁转矩关系式,二.三相异步电动机的机械特性,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,二.三相异步电动机的机械特性,2、人为机械特性,三相异步电动机的人为机械特性 异步电动机定子降压的人为机械特性 异步电动机定子串接电阻(电抗)的人为机械特性 异步电动机定子变频的人为机械特性 绕线式异步电动机转子串接电阻(电抗)的人为机械特性,直流他励电动机的人为机械特性 电枢串电阻的人为机械特性 降低电枢电压的人为机械特性 减弱励磁磁通的人为机械特性,比较,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,二.三相异步电动机的机械特性,2.人为机械特性,定子降压,定子串电抗,转子串电阻,定子变频,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,二.三相异步电动机的机械特性,2.人为机械特性,定子降压,定子串电抗,转子串电阻,定子变频,参考：直流他励电动机的人为机械特性,第2章 交流电动机,2-3 三相异步电动机的转矩与机械特性,三.三相异步电动机的稳定运行问题,三相异步电动机稳定运行分析,1异步电动机的特性 2恒转矩型负载特性 3恒功率型负载特性4,5通风机型负载特性,第2章 交流电动机,概 述,三相异步电动机的额定值,额定值的关系：,第2章 交流电动机,定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。通常把定子三相绕组 的六根出线头都引出，根据实际使用的需要，可接成Y形或形，如图所示。,三相异步电动机的引出线,一.三相异步电动机的基本结构,形接法,Y形接法,2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理,第2章 交流电动机,2-42-6 三相异步电动机的启动调速制动特性,三相异步电动机的调速特性 改变磁极对数 p调速（变极调速）改变转差率S调速 改变频率 f 调速（变频调速）三相异步电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,三相异步电动机的启动特性 1.直接启动 2.非直接启动 鼠笼式电动机降压启动法 线绕式电动机启动法,定子串电阻定子串电抗 自耦变压器Y-软启动器转子串电阻转子串频敏变阻器,改变电压调速转子串电阻调速串级调速 电磁转差离合器,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,三相异步电动机的启动特性 鼠笼式电动机降压启动法 定子串电阻 定子串电抗 Y-转换 自耦变压器转换 软启动器 线绕式电动机启动法 转子串电阻 转子串频敏变阻器,直流他励电动机的启动特性 降压启动 电枢电路串电阻启动,比较,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,定子串电阻启动 定子串电抗启动,鼠笼式电动机降压启动法,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,Y-降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,起动电流,起动转矩,绕组电压,Y形和形接法时的电压和电流(a)Y接法(降压起动)(b)接法(全压运行),第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,Y-降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,Y形和形接法时的电压和电流(a)Y接法(降压起动)(b)接法(全压运行),异步电动机星-三角起动原理图,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,异步电动机用自耦变压器降压起动原理图,自耦变压器T 的一相绕组,自耦变压器降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,接至电动机一相绕组,来自一相电源,起动时接入运行时断开,软启动器（略）,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,附：延边三角形降压启动,鼠笼式电动机降压启动法,延边三角形起动的接线图(a)延边三角形(起动)；(b)三角形(运行),异步电动机延边三角形起动原理图,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,异步电动机的转子电路及起动特性图,线绕式电动机启动法,转子串电阻启动,第2章 交流电动机,2-4 三相异步电动机的启动性能与方法,转子串频敏变阻器时的机械特性1固有机械特性；2串频敏变阻器的人为机械特性,转子串频敏变阻器启动,线绕式电动机启动法,（三相）频敏变阻器,转子电路,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,根据交流异步电动机转速的关系式：n n0(1S)60 f(1S)/p n0n 可知，交流异步电动机的调速方法大致可分为三种：改变磁极的极对数p 改变转差率S 改变频率f 其中，改变转差率S的方法，又可以通过调定子电压、转子电阻、转子电压 以及定转子供电频率等方法来实现。从而派生出很多种调速方法。,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,三相异步电动机的调速特性 改变磁极对数 p 调速（变极调速）改变转差率 S 调速 改变电压调速 串级调速 转子串电阻调速 电磁转差离合器 改变频率 f 调速（变频调速）,直流他励电动机的调速特性 改变电枢电压调速 改变励磁磁通调速 电枢电路串电阻调速,比较,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变磁极对数调速（变极调速）,将每相两个“半绕组”串联，形成的磁场是两对磁极，即 p2或2p4。,将每相两个“半绕组”并联，形成的磁场是一对磁极，即 p1或2p2。,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,双速电动机的极对数变换（a）Y/YY（b）/YY,改变磁极对数调速（变极调速）,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变磁极对数调速（变极调速）,Y型接法半绕组串联p2,型接法半绕组串联p2,YY型接法半绕组并联 p1,高速：KM1断KM2通KM3通,低速：KM1通KM2断KM3断,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,Y-YY变极调速的机械特性,-YY变极调速的机械特性,改变磁极对数调速（变极调速）,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变转差率S调速,调压调速,当异步电动机 定子与转子的参数恒定时，在一定的转差率下，电动机的电磁转矩T与加在 定子绕组上的电压U的平方成正比。因此，通过改变异步电动机的 定子电压，从而改变电动机 在一定输出转矩下的转速，是一种简单而方便的调速方法。,普通异步电动机的特性,高转差率异步电动机的特性,（如：交流力矩电机）,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变转差率S调速,优点：控制电路简单、价格低、使用维修方便等，缺点：损耗大、效率低、调速特性软，低速时稳定性差、调速范围窄。若加入转速负反馈构成闭环系 统，就可使低速特性变得较硬、稳定性变好，调速范围加宽。,调压调速,（如：交流力矩电机）,高转差率异步电动机的特性,普通异步电动机的特性,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变转差率S调速,调压调速,高转差率异步电动机的特性,（如：交流力矩电机）,采用晶闸管反并联电路调压调速（可逆运行）,采用双向晶闸管交流调压器调速（单向运行）,普通异步电动机的特性,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,转子串电阻调速,改变转差率S调速,线绕式异步电动机的转子电路串电阻，可以用于启动和调速。,第2章 交流电动机,2-5 三相异步电动机的调速方法,改变频率f 调速(变频调速),交-交变频器,交-直-交变频器,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,三相异步电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,直流他励电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,比较,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,反馈制动,正向电动运行,反向电动运行,反向反馈制动运行,正向反馈制动过程,正向反馈制动,重物下放,降压调速,反向反馈制动,反接制动过程,重物下放,重物提升,正向电动运行,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,反馈制动,正向反馈制动过程,正向反馈制动,反向反馈制动,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,反馈制动,正向反馈制动反向反馈制动,参考：直流他励电动机的制动特性,第2章 交流电动机,反接制动,电源 反接制动,倒拉 反接制动,正向电动运行,反接制动过程,倒拉反接制动运行,2-6 三相异步电动机的制动,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,反接制动,参考：直流他励电动机的制动特性,电源反接制动倒拉反接制动,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,能耗制动,正向电动运行,位能性 恒转矩负载,反抗性 恒转矩负载,能耗制动运行,能耗制动过程,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,能耗制动,参考：直流他励电动机的制动特性,反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载,第2章 交流电动机,2-6 三相异步电动机的制动,能耗制动,反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载,电源反接制动倒拉反接制动,反接制动,反馈制动,正向反馈制动反向反馈制动,第2章 交流电动机,正向电动运行,反向电动运行,反向反馈制动运行,反接制动过程,倒拉反接制动运行,能耗制动运行,能耗制动过程,正向反馈制动过程,三相异步电动机的各种运行状态,A B,C D H,J,E F I,K,第2章 交流电动机,2-7 单相异步电动机,单相异步电动机是一种采用单相电源供电的异步电动机，工作原理与三相异步电动机单相运行相同，主要运行特点是电动机没有启动转矩。启动原理：将单相脉动磁场变为旋转磁场；启动方法：电容分相式启动（另设启动绕组）罩极式启动（在极靴上加短路铜环）突出优点是只需单相交流电源供电，可以广泛应用于家用电器、医疗器械和自动控制装置中。,第2章 交流电动机,2-7 单相异步电动机,运行绕组通电时的机械特性,起动绕组运行绕组通电时的机械特性,静止时通电，启动转矩为零，必须外加转矩才能起动。,运转后T0，只有单绕组也保持转动。,静止时通电，启动转矩零。,第2章 交流电动机,罩极式单相异步电动机1短路环 2运行绕组,电容分相式单相异步电动机主(运行)绕组副(起动)绕组,2-7 单相异步电动机,第2章 交流电动机,2-8 同步电动机,同步电动机的最大特点是转速恒定，功率因数可调，可用以改善电网的功率因数。一般的同步电动机启动困难，需采用异步启动法，在其极靴上装置起动(笼型或阻尼)绕组进行异步起动。用于变频调速的同步电动机，由于频率可调，则很易实现低速启动。三相同步电动机可看为 定子是三相异步电动机的、而 转子是直流电动机的一种电动机。,第2章 交流电动机,2-8 同步电动机,同步电机的结构示意图(a)凸极式；(b)隐极式,同步电动机的运行原理,定子通三相交流电源；转子通励磁直流电源.,第2章 交流电动机,2-8 同步电动机,同步电动机异步起动法原理线路图,启动 运行,