第五章 交流电动机的工作原理及特性图文.ppt

第五章 交流电动机的工作原理及特性,了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现三相异步电动机启动、调速和制动的各种方法及它们的使用场所；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、工作原理、运行特性和启动方法。,51 三相异步电动机的基本结构和工作原理,一、三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。如图所示。,图1 封闭式三相笼型异步电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇,1.定子,定子由定子铁心、绕组及机座组成。,定子铁心是磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。,定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C称为首端，而X、Y、Z称为末端。,机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。,三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生旋转磁场。,2.转子,转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。,转子由铁心与绕组组成。,线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。,鼠笼式异步电动机转子绕组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，如图所示。,线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。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。,二、三相异步电动机的工作原理,1定子旋转磁场,假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端A、B、C接三相交流电源。该三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图所示。,假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为ABC）的瞬时值为：,如图所示是这些电流随时间变化的曲线。,iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；,iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。,按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图（a）箭头所示。,iA=0,iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；,iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。,此时的合成磁场如图（b）所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。,iC=0,iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端；,iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。,此时的合成磁场如图（c）所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了2/3。,iB=0,iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端；,iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到Y端。,此时的合成磁场如图（d）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了。,按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。,2旋转磁场的旋转方向,A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2/3，而B相绕组内的电流又超前C相绕组内的电流2/3，当三相交流电的ABC，旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方向旋转。,如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调，例如，将B，C两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位对调，如图所示。,此时A相绕组内的电流超前C相绕组内的电流2/3，而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流2/3，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为ACB，即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。,由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。,3.旋转磁场的极数与旋转速度,在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。,从前述分析可以看出，若只有一对磁极，即p=1，则电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：,如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的三相绕组。,其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场,如图所示。,从图可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了/2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。,由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：,所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。,4工作原理,三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。,在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i（右手定则）。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。,5.转差率 S,由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。由于在这种电动机中，转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象的，所以异步电动机又称为感应电动机。,定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示S，即,转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。通常，异步电动机在额定负载时，n接近于n0，转差率S很小，一般为0.0150.060。,5.2 三相异步电动机的额定参数,一、三相异步电动机定子绕组的接法,1两种接法,定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，一般按图所示的方法排列。,按照我国电工专业标准规定：定子绕组出线端的首端为U1、V2、W3，末端为U2、V2、W2。,出线端的排列,三相电动机的定子绕组有星形（Y型）和三角形（形）两种不同的接法，如图所示。,星形连接,三角形连接,定子三相绕组的连接方式（Y形或形）的选择，和普通三相负载一样，须视电源的线电压而定。,如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成三角形；,如果电源的线电压是电动机额定相电压的 倍，那么，电动机的绕组就应该接成星形。,通常电动机的铭牌上标有符号/Y和数字220/380，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。,2定子绕组连线方法的选用,例 电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。,1.J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流4.25/2.45A，转速1420 r/min，功率因数0.79。2.J02-21-4，功率1.1 kW，连接方法，电压380V，电流6.27A，转速1410 r/min，功率因数0.79。,解：J32-4 电动机应接星形（Y），如图(a)所示。J02-21-4 电动机应接成三角形（），如图(b)所示。,2线电压与相电压,线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；,相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。,对于星形接法：,对于三角形接法：,3线电流与相电流,线电流：电网的供电电流，用I1 表示；,相电流：每相绕组的电流，用I相表示。,对于星形接法：,对于三角形接法：,4.电动机的输入功率,二、额定参数,电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。,1.额定功率PN：,在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。,输出功率的一般表达式为：,其中，,效率；P1输入功率；P2输出功率。,输出功率和输出转矩的关系为：,其中，I2为转子电流,2.额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。一般规定电动机的外加电压不应高于或低于额定值的5%。,如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用/Y连接时应加的线电压值。,即：三角形接法时，定子绕组应接220V的电源电压；,星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。,3.额定频率f N：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（Hz）。,4.额定电流IN：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。,如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为/Y连接的线电流值。,即：三角形接法时，定子电流为10.35A；,星形接法时，定子电流为5.9A。,5.额定转速nN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。与额定转速相对应的转差率称为额定转差率SN。,6.工作方式（定额）,7.温升（或绝缘等级）,8.电动机重量,一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下：,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。,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载矩。,4.绕线式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。,通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。,三、三相异步电动机的能流图,电源输入到定子回路的电功率，其中U1为定子绕组的线电压；I1为定子绕组的线电流；为电动机的功率因数。,借助于旋转磁场从定子电路传递到转子电路的功率称为电磁功率Pe。,机械功率，其中，由于转子铁芯中交变磁化的频率f2=Sf1是很低的，忽略不计。,转差功率。,输出机械功率，异步电动机铭牌上所标的就是P2的额定值，为机械损失功率。,，其中T为电磁转矩，n0为同步转速。,效率,53 三相异步电动机的转矩特性和机械特性,一、三相异步电动机的定子电路,三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。,定子绕组接上三相电源电压（相电压为u1）时，则有三相电流通过（相电流为i1），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e1。,设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。,旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦规律变化的，,定子每相绕组中产生的感应电动势为：，它是正弦量，其有效值为,式中，f1为e1的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以，它等于定子电流的频率，即f1=f。,定子每相绕组中还要产生漏磁电动势,加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即,如用复数表示，则为,式中，和 为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。由于R1和X1较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是,二、三相异步电动机的转子电路,旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为,其有效值为,式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2的频率。因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n。,在 n=0，即S=1时，转子电动势为,为转子最大电动势,可见转子电动势E2与转差率S有关。,和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。,因此，对于转子每相电路，有,如用复数表示，则为,式中，R2和X2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗,在 n=0，即 S=1 时，转子感抗为,为转子最大感抗,可见转子感抗E2与转差率S有关。,转子每相电路的电流为,可见转子电流I2也与转差率S有关。当S增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。,由于转子有漏磁通，相应的感抗为X2，因此，I2比E2滞后 角，因而转子电路的功率因数为：,可见功率因数 与转差率S有关。,三、转矩特性,电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要特性。,所以,因为,转矩特性,式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数，；U1、U定子绕组电压，电源电压；R2转子每相绕组的电阻；X20 电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。,四机械特性,在异步电动机中，转速 n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系n-T曲线，即n=f(T)称为异步电动机的机械特性。,1固有机械特性,异步电动机在额定电压和额定频率下，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。,根据,三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。,从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：,电动机额定工作点，此时额定转矩和额定转差率为：,式中:,PN电动机的额定功率；nN电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。,电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。,电动机的启动工作点，此时电动机的转矩称为启动转矩Tst：,可见，异步电动机的启动转矩Tst与U、R2及X20有关。,通常把在固有机械特性上启动转矩与额定转矩之比 作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据，一般。,当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。,电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可令，得临界转差率为,再将Sm代入转矩公式中，即可得,通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力系数，它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。鼠笼式异步电动机，绕线式异步电动机。,实际应用中，可将转矩公式转化成用Tmax和Sm表示的形式：,2人为机械特性,由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。,改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。,（1）降低电动机电源电压时的人为特性,不变,不变,随着电压的减小而大大地减小,随着电压的减小而大大地减小,改变电源电压时的人为特性如图所示：,Ta=Tmax、Tb=0.64Tmax和Tc=0.25Tmax,由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。,例如，电动机运行在额定负载 TN 下，即使 m=2，若电网电压下降到 70%UN，则由于这时,此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率S 增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。,电动机也会停转,（2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性,在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低，这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似，如下图所示。,图中，实线1为降低电源电压的人为机械特性，虚线2为定子电路串接电阻R1s或电抗X1s的人为机械特性。可以看出，定子串入R1s或X1s后的最大转矩要比直接降低电源电压时的最大转矩大一些，这是因为随着转速的上升和启动电流的减小，在R1s或X1s上的压降减小，加到电动机定子绕组上的端电压自动增大，致使最大转矩较大；而降低电源电压的人为机械特性在整个启动过程中，定子绕组的端电压是恒定不变的。,（3）改变定子电源频率时的人为特性,一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使 U/f=C，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。,因此，改变电源频率的机械特性如上图所示。,（4）转子电路串电阻时的人为特性,在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后，转子电路中的电阻为。,不变,不变,随着串接电阻的增加而增大，,此时的人为特性将是一根比固有特性更软的一条曲线，如图所示。,54 三相异步电动机的启动特性,采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。,（1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下，希望启动越快越好，以提高生产效率。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。,（2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。因为过大启动电流的冲击，造成电网电压下降；引起电动机绕组发热，加速绝缘层老化，以及使绕组端部受电动冲击力的作用发生位移和变形的可能，进而造成短路事故。,（3）要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小对生产机械的冲击。,（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。,（5）启动过程中的功率损耗越小越好。,以上，（1）和（2）两条是衡量电动机启动性能的两条主要技术指标。,异步电动机本身的启动特性为：,a.定子电流大，Ist=(57)IN,异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流,b.启动转矩小,启动时，转子功率因数 很低，因而，即使启动电流很大，但启动转矩 却不大。,异步电动机的固有启动特性如图所示：,显然，异步电动机的这种启动性能和生产机械的要求是相矛盾的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。,一、鼠笼式异步电动机的启动方法,鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。,1直接启动（全压启动）,直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。,特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。,直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。,一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动；若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。,例题：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其 PN=20kW,Ist/IN=6.5，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN 比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？,解：根据经验公式算出,满足上述关系，故允许直接启动。,可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。,2电阻或电抗器降压启动,异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如下图所示。,启动时，接触器1KM断开，KM闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，Rst被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。,特点：启动转矩随定子电压的平方下降，故它只适用于空载或轻载启动的场合；不经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，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。,3Y-降压启动,启动时，定子绕组接成星形；待转速上升到一定程度后再将定子绕组接成三角形，电动机启动过程完成而转入正常运行。,设U1为电源线电压，IstY及Ist为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流（线电流），Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗。则有,所以,又由于,所以,Y-降压启动方法的特点：设备简单、经济、启动电流小；启动转矩小，启动电压不能按实际需要调节，只适用于空载或轻载启动的场合；只适用于正常运行时定子绕组接线为的异步电动机。,4自耦变压器降压启动,自耦变压器降压启动的原理接线图如左图所示。,自耦变压器启动时的一相电路如右图所示，由变压器的工作原理知，此时，副边电压与原边电压之比为,启动时加在电动机定子每相绕组的电压是全压启动时的K倍，因而电流也是全压启动时的K倍，即I2=KIst；而变压器原边电流 I1=KI2=K2Ist，即此时电网供电电流I1是直接启动时电流Ist的K2倍。,特点：,与Y-降压启动时情况类似，只是自耦变压器启动时的K是可调节的，在Y-降压启动时为定值，而这就是此种启动方法优于Y-启动方法之处，当然它的启动转矩也是全压启动时的K2倍。变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦，且启动时自耦变压器处于过电流（超过额定电流）状态下运行，故不适于启动频繁的电动机。,综上所述，几种常用启动方法的启动电流与启动电压对比如下：,二、线绕式异步电动机的启动方法,鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大，因此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。,线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。,在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法。,1逐级切除启动电阻法,采用逐极切除启动电阻的方法，其目的和启动过程与他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。启动过程如下如图(a)所示。,2频敏变阻器启动法,频敏变阻器实质上是一个铁心损耗很大的三相电抗器。频敏变阻器相当于电阻R和电抗X的并联电路。一方面，启动开始时，n=0,s=1，转子电流的频率（f2=sf1)高，铁耗大，相当于R大，且，所以等效阻抗X也很大，从而限制了启动电流；另一方面，启动时铁耗大，频敏变阻器从转子取出的有功电流增大，从而提高了转子电路的功率因数，增大了启动转矩。随着转速的逐步上升，转子频率逐渐下降，相当于R和X减小，这就好比启动过程中逐渐自动切除电阻和电抗。,55 三相异步电动机的调速特性,如在一定负载下，欲得到不同的转速，可以由改变极对数p、转差率S和电源频率f 等参数入手，则相应地有如下几种调速方法。,一、变极调速,在一定电源频率下，由于同步转速 与极对数成反比，因此，改变定子绕组极对数便可以改变转子转速，属于有级调速。,上图a、b、c分别为三相异步电动机变极前后定子绕组的接线图。其中，代表A相的半相绕组，代表A相的另一半相绕组。,结论:只要改变定子半相绕组的电流方向便可以实现极对数的改变。,由于极对数为p时，如果A、B、C之间的相位关系为00，1200，2400，如图（a）所示；则在极对数为2p时，A、B、C之间的相位关系变为00，2400，4800（相当1200），如图（b）所示。显然，在极对数为p和2p下，A、B、C之间的相序相反，B、C两端应对调，以保证变速前后电动机的转向相同。,结论:对于三相异步电动机，为了确保变极前后转子的转向不变，变极的同时必须改变三相绕组的相序。这主要是极对数的改变会引起相序发生改变所致。,为了确保定子、转子绕组极对数的同时改变以产生有效的电磁转矩，变极调速一般仅适用于鼠笼式异步电动机。,(1)三相异步电动机Y/YY 接变极调速的接线,(2)三相异步电动机/YY 接变极调速的接线,变极接线方法,B,A,A,A,B,B,C,C,C,2p,p,p,B,A,A,A,B,B,C,C,C,2p,p,p,变极调速时容许输出,从充分利用电动机的角度出发，电动机在各种转速下的电流均为额定电流（每个支路的电路）。设电源电压UN不变，变极前后电动机的效率和功率因数不变。,容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。,（1）Y/YY接变极调速,B,A,A,A,B,B,C,C,C,2p,p,p,为了确保电动机得到充分利用，每半相绕组中的电流应均为额定值，于是变极前后电动机的输出功率和输出转矩分别满足下列关系：,结论：Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式，适 用于恒转矩负载。,从2pp，因电动机的转差率很小，认为 nYY=2nY=2nS,（2）/YY接变极调速,B,A,A,A,B,B,C,C,C,2p,p,p,结论：/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式，适用于恒功率负载。,变极调速的机械特性,(1)YYY 变极,2P（串联）p（并联），nsY nsYY=2nsY。N1N1/2，R，X(,)/4。sm 不变，UN不变。,TmYY(TstYY)2 TmY(TstY)。,nsYnmY=smY nsY=sm nsY=sm ns nsYYnmYY=smYY nsYY=sm nsYY=sm 2ns,Y,YY,(2)YY 变极,2p p，ns 2ns。N1N1/2，R，X(R，X)/4。sm 不变，,TmYY(Tstyy)TmY(TstY)2/3。,ns,ns-nm=sm ns nsYY-nmYY=smYY nsYY,变极调速小结,(1)调速方向 YYY()：n Y()YY：n(2)调速范围：D=2 4(3)调速的平滑性：平滑性差。(4)调速的稳定性：稳定性好。,静差率：,(5)调速的经济性 经济性好。(6)调速时的允许负载 YYY 恒转矩调速。满载输出功率：满载输出转矩：,如果 cos1、不变，则,（恒转矩调速）,(2)YY,因为,如果cos1、不变，则,1,（恒功率调速）,（近似）恒功率调速。,因为,二、调压调速（变转差率调速）,改变电源电压时的人为机械特性如图所示：,特点：,1.高速工作时，调速范围不大；,2.低速工作时，转子电路电流大，容易烧坏电动机。,转差功率（通过转子导体发热而消耗掉）：,电磁功率：,机械功率：,原理接线图和机械特性如图所示：,三、转子电路串电阻调速（变转差率调速）,绕线式异步电动机转子电路串接不同的电阻时，其n0和Tmax不变，但Sm随附加电阻的增大而增大。,转子电路串电阻调速简单可靠，但它是有级调速。,随转速降低，特性变软。,转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。,所以，这种调速方法大多用在重复短期运转的生产机械中，如在起重运输设备中应用非常广泛。,特点：,当然，这种调速方法只适用于线绕式异步电动机，其启动电阻可兼作调速电阻用，不过此时要考虑稳定运行时的发热，应适当增大电阻的容量。,四、变频调速,（1）变压变频调速,变压变频调速适用于基频（额定频率f1N）以下调速。,电动机额定运行时：,在电机设计时，为了充分利用铁芯通过磁通的能力，通常将铁芯额定磁通选在磁化曲线的弯曲点，以产生足够大的扭矩。若电压不变，减小频率，则磁通增大使铁芯饱和，此时要使磁通再增加，则需要很大的励磁电流，这将导致电动机绕组电流过大与过热，甚至烧坏电动机。因此，比较合理的方案是近似地使U1/f1为常数，使额定磁通保持不变。这表明，在基频以下变频调速时，要实现恒磁通调速，应使电压和频率按比例地配合调节，称为恒压频比控制方式。,变频调速一般用于鼠笼式异步电动机，采用一个频率可调的电源向异步电动机定子绕组供电，这种变频电源多为晶闸管变频装置。,（2）恒压弱磁调速,恒压弱磁调速适用于基频（额定频率f1N）以上调速。,在基频以上调速时，要按比例升高电压是很困难的，因为电压U1将超过额定电压U1N，进而损坏绝缘层，所以只能保持电压U1=U1N不变。此时，f1越高，越弱，称为恒压弱磁升速控制方式。,如果电动机在不同转速下都具有额定电流，即电动机都能在温升允许范围内长期运行，则转矩基本上随磁通变化，则基频以下属于“恒转矩调速”，而基频以上基本上属于“恒功率调速”。,当U/f1=常数，对于同一转矩T，在变频时，转速降n近似不变。即当U/f1=常数且当转差率s较小时，变频的人为机械特性基本上是一族平行直线，如下图所示。,当f1较大时，可以忽略R1的影响，此时Tmax的数值可认为基本不变；当f1较小时，由于X1X2 较小，R1的影响不可忽略，此时Tmax的随频率减小大为降低，可能带不动负载，如下图所示。,注意点：,解决措施：可以对U/f1的线性关系加以修正，提高低频时的U/f1的值，以补偿低频时定子绕组电阻压降的影响，如右图中虚线所示。,具有低频补偿的U/f1协调关系。,各调速方法调速性能对比：,56 三相异步电动机的制动特性,异步电动机和直流电动机一样，亦有三种制动方式：反馈制动、反接制动和能耗制动。,一、反馈制动,由于某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，即nn0，S=(n0-n)/n00，异步电动机就进入发电状态。,反馈制动时，电机从轴上吸取功率后，一部分转换为转子铜耗，大部分则通过空气隙进入定子，并在供给定子铜耗和铁耗后，反馈给电网。,反馈制动的机械特性是电动状态机械特性曲线第一象限向第二象限的延伸或第三象限向第四象限的延伸，如图所示。,1）负载转矩为位能性转矩的起重机械在下放重物时的反馈制动运行状态，如左图a点。,2）电动机在变极调速或变频调速过程中，极对数突然增多或供电频率突然降低，使同步转速n0 突然降低时的反馈制动运行状态，如左图b点。,二、电源反接制动,（1）电源反接 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，这就改变了旋转磁场的方向，电动机状态下的机械特性曲线就由第一象限的曲线1上的a点变成了第三象限的曲线2上的b点，则电动机进入反接制动状态，转子将在电磁转矩和负载转矩的共同作用下迅速减速，直到c点时切断电源，否则电动机将反向启动。,（2）倒拉制动 倒拉制动出现在位能负载超过电磁转矩的时候，例如卷扬机下放重物，为了使下降速度不致太快，就常用这种工作状态。,如图所示，若卷扬机提升重物时稳定运行于曲线1的点a，欲下放重物，就需在转子电路中串接较大的附加电阻，此时运行状态移至曲线2的点b，电动机开始减速直至点 d，其中cd段为反接制动阶段。与电源反接的过渡制动状态不同，倒拉制动状态是一种能稳定运转的制动状态。在倒拉制动状态下，转子轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同从定子输送来的电磁功率一起，消耗在转子电路的电阻上。,三、能耗制动,异步电动机的电源反接制动用于准确停车有一定的困难，因为它容易造成反转，而且电能损耗也较大；反馈制动虽是比较经济的制动方法，但它只能在高于同步转速下使用；而能耗制动却是常用的比较准确停车的方法。异步电动机能耗制动的原理线路图一般如图所示。,进行能耗制动时，首先将定子绕组从三相交流电源断开，接着立即将一低压直流电源通入定子绕组。直流电流在电机内部建立一个固定不变的磁场，使转子中产生感应电动势和电流，进而形成制动转矩，转速下降。,能耗制动时的机械特性如图所示。制动时系统运行点从曲线1的点a平移至特性曲线2的点b，在制动转矩和负载转矩的共同作用下沿曲线2减速至o点。,57 单相异步电动机的基本结构和工作原理,特点：,1.为小容量的电动机，从几瓦到几百瓦；,2.由单相交流电源供电的旋转电机；,3.具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点。,所以单相异步电动机被广泛用于电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。,一、单相异步电动机的磁场,单相异步电动机的定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式。,当接入单相交流电源时，它在定、转子气隙中产生一个交变脉动磁场，如图1所示。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，即,在电机系统中，常把磁通大小随时间做正弦变化的磁场称脉动磁场，其磁场曲线如图2所示。,可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场（用磁感应强度B表示），可以分解成两个转速相等而方向相反的旋转磁场 和，如下图b所示，磁感应强度的大小为：,两个旋转磁场的同步转速为：,两个旋转磁场分别作用于鼠笼式转子而产生两个方向相反的转矩，如图所示。T+为正向转矩，由旋转磁场 产生；T-为反向转矩，由反向旋转磁场 产生；T为合成转矩；S为转差率。,在转子静止（S=1）时，由于两个电磁转矩大小相等方向相反，故其作用互相抵消，合成转矩为零，即T=0，因而转子不能自行启动。若此时用手拔动它，转子便顺着拔动方向转动起来，最后达到稳定运行状态。,由此可得出结论：,（1）在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力，即启动转矩为零；,（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。,二、单相异步电动机的启动方法,单相异步电动机在启动时若能产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动，下面为两种常见的单相异步电动机。,（1）电容分相式异步电动机,如图所示为电容分相式异步电动机的接线原理图。定子上有两个绕组AX和BY，AX为运行绕组（或工作绕组），BY为启动绕组，两者的轴线在空间互相垂直。在启动绕组BY电路中串有电容C，适当选择参数使该绕组中的电流iB在相位上比AX绕组中的电流iA超前90。其目的是：通电后能在定子、转子气隙内产生一个旋转磁场，使其自行启动。,若在启动绕组BY支路中，接入一离心开关QC，如图所示。电动机启动后，当转速达到额定值附近时，借离心力的作用，将QC打开，此后电动机就成为单相运行了，此种结构型式的电动机，称为电容分相式电动机。也可不用离心开关，即在运行时并不切断电容支路。,在此旋转磁场作用下，鼠笼转子将跟着旋转磁场一起旋转。,欲使电动机反转，不能像三相异步电动机那样掉换两根电源线来实现，必须以调换电容器C的串联位置来实现，即改变QB的接通位置，就可改变旋转磁场的方向，从而实现电动机的反转，如图所示。,（2）罩极式单相异步电动机,罩极式单向异步电动机的结构如下图所示，在磁极的一侧开一个小槽，用短路铜环罩住磁极的一部分。磁极的磁通 分为 和 两部分，当磁通变化时，由于电磁感应作用，在罩极线圈中产生感应电流，其作用是阻止通过罩极部分的磁通的变化，使罩极部分的磁通 在相位上滞后于未罩部分的磁通。这种在空间上相差一定角度，在时间上又有一定相位差的两部分磁通，其合成效果与电容分相式异步电动机中的旋转磁场相似，即产生一个由未罩部分向罩极部分移动的磁场，从而在转子上产生一个启动转矩使转子转动。,48 同步电动机的基本结构和工作原理,一、同步电动机的基本结构,定子：由铁心、定子绕组（又叫电枢绕组，通常是三相对称绕组，并通有对称三相交流电流）、机座以及端盖等主要部件组成。转子：包括主磁极、装在主磁极上的直流励磁绕组（功率为总功率的0.3%2%）、特别设置的鼠笼型启动绕组、电刷以及集电环等主要部件。,同步电动机按转子主磁极的形状分为隐极式和凸极式两种，如图所示。隐极式转子的优点是转子圆周的气隙比较均匀，适用于高速电动机；凸极式转子呈圆柱形，转子有可见的磁极，气隙不均匀，但制造较简单，适用于低速运行。,隐极式,凸极式,二、同步电动机的工作原理和运行特性,1工作原理,同步电动机的基本