第五章 交流电动机的工作原理及特性图文.ppt
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1、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
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
3、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
4、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
5、(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
6、(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
7、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
8、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
9、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,
10、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
11、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
12、,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
13、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,
14、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
15、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。,
16、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
17、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,
18、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
19、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
20、,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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、。,(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
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