電工學簡明教程第四章第二版.ppt

第4章電動機 本章要求 了解三相異步電動機的基本結構 工作原理 機械特性及銘牌標記的含義 掌握起動和反轉的方法 了解調速方法 了解單相異步電動機的基本結構 特點及應用 電機的分類 1 發(fā)電機 直流電動機 同步電動機 鼠籠式 將機械能轉換為電能 將電能轉換為機械能 繞線式 2 電動機 交流電動機 異步電動機 三相異步電動機由于結構簡單 價格便宜 運行可靠 維護方便 得到了廣泛的應用 4 1三相異步電動機的構造 一 主要部件 1 定子 2 轉子 轉子鐵心的硅鋼片 實物圖 根據(jù)轉子構造的不同 三相異步電動機又分為籠式 或稱鼠籠式 和繞線式兩種 a 籠式轉子 籠式異步電動機的特點 結構簡單價格低廉堅固耐用 b 繞線式轉子 繞線式異步電動機的特點 轉子繞組接成星形 繞組中可以串入附加電阻 以改善電動機的起動和調速性能 結構復雜 價格較高 三相異步電動機的基本結構示意圖 三相異步電動機主要部件是由定子和轉子兩大部分組成 此外 還有端蓋 機座 軸承 風扇等部件 定子 轉子 軸承 端蓋 機座 4 2三相異步電動機的工作原理 定子三相繞組通入三相交流電 星形聯(lián)接 1 旋轉磁場的產生 規(guī)定 電流出 電流入 三相電流合成磁場的分布情況 合成磁場方向向下 合成磁場旋轉60 合成磁場旋轉90 分析可知 三相電流產生的合成磁場是一旋轉的磁場且一個電流周期 旋轉磁場在空間轉過360 取決于三相電流的相序 2 旋轉磁場的旋轉方向 結論 任意調換兩根電源進線 則旋轉磁場反轉 3 旋轉磁場的極對數(shù)P 當三相定子繞組按圖示排列時 產生一對磁極的旋轉磁場 即 若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián) 繞組的始端之間互差60 將形成兩對磁極的旋轉磁場 極對數(shù) 旋轉磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關 極對數(shù) 旋轉磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關 4 旋轉磁場的轉速 工頻 旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數(shù) p 1時 旋轉磁場轉速n0與極對數(shù)p的關系 4 2 2電動機的轉動原理 1 轉動原理 初始 線圈豎直放置 磁極旋轉 導線切割磁力線產生感應電動勢 導線長度 切割速度 右手定則 左手定則 通電導線在磁場中受力 電動機轉動原理 A X Y C B Z 定子三相繞組通入三相交流電 感應電動勢E20 電磁力F 2 轉子轉向 3 轉子轉速 轉子的轉動方向與旋轉磁場的方向一致 故將三根電源進線任意對調兩根 可使電動機反轉 如果 且一定 4 轉差率 S 的概念 異步電機運行中 轉差率為旋轉磁場的同步轉速和轉子轉速之差 即 例4 2 1 一臺三相異步電動機 其額定轉速n 975r min 電源頻率f1 50Hz 試求電動機的極對數(shù)和額定負載下的轉差率 解 根據(jù)異步電動機轉子轉速與旋轉磁場同步轉速的關系可知 n0 1000r min 電動機的極對數(shù)p 3 額定轉差率 4 3三相異步電動機的電路分析 三相異步電動機的電磁關系與變壓器類似 定子繞組 一次繞組 轉子繞組 二次繞組 旋轉磁通 主磁通 轉子電路自行閉合 且轉子轉動 4 3 1定子電路 1 旋轉磁場的磁通 異步電動機 旋轉磁場切割導體 e U1 E1 4 44f1N1 每極磁通 旋轉磁場與定子導體間的相對速度為n0 所以 2 定子感應電動勢的頻率f1 感應電動勢的頻率與磁場和導體間的相對速度有關 f1 電源頻率f 4 3 2轉子電路 1 轉子感應電動勢頻率f2 定子導體與旋轉磁場間的相對速度固定 而轉子導體與旋轉磁場間的相對速度隨轉子的轉速不同而變化 定子感應電勢頻率f1 轉子感應電勢頻率f2 轉子感應電勢頻率f2 旋轉磁場切割定子和轉子的速度不同 2 轉子感應電動勢E2 E2 4 44f2N2 4 44sf1N2 當轉速n 0 s 1 時 f2最高 且E2最大 有 E20 4 44f1N2 轉子靜止時的感應電勢 即E2 sE20 轉子轉動時的感應電勢 3 轉子感抗X2 當轉速n 0 s 1 時 f2最高 且X2最大 有 X20 2 f1L 2 即X2 sX20 4 轉子電流I2 5 轉子電路的功率因數(shù)cos 2 轉子繞組的感應電流 轉子繞組的感應電流 轉子電路的功率因數(shù) 結論 轉子轉動時 轉子電路中的各量均與轉差率s有關 即與轉速n有關 轉子轉速n 轉子感應電動勢E2 轉差率s 轉子感應電動勢頻率f2 E2 sE20 轉子感抗X2 即X2 sX20 轉子電流I2 轉子電路的功率因數(shù)cos 2 總結 4 4三相異步電動機的轉矩與機械特性 4 4 1轉矩公式 轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下 受到電磁力所形成的轉矩之總和 常數(shù) 與電機結構有關 旋轉磁場每極磁通 轉子電流 轉子電路功率因數(shù) 由此得電磁轉矩公式 4 4 2機械特性曲線 根據(jù)轉矩公式 得特性曲線 0 n n0 電動機正常運行情況 轉矩 電磁轉矩T 阻轉矩TC T2 T0 機械負載轉矩T2 空載損耗轉矩T0 T2 電動機長期穩(wěn)定運行時 T T2 即勻速轉動 電動機在額定負載時的轉矩 1 額定轉矩TN 額定轉矩 N m 輸出的機械功率 輸入的電功率 電動機的正常運行分析 電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整 這種能力稱為自適應負載能力 自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點 如 柴油機當負載增加時 必須由操作者加大油門 才能帶動新的負載 此過程中n s E2 I2 I1 電源提供的功率自動增加 T2 s T2 T T T2 n T 達到新的平衡 2 最大轉矩Tmax 轉子軸上機械負載轉矩T2不能大于Tmax 否則將造成堵轉 停車 電機帶動最大負載的能力 臨界轉差率 將sm代入轉矩公式 可得 當U1一定時 Tmax為定值 結論 2 sm與R2有關 R2 sm n 繞線式電機改變轉子附加電阻R 2可實現(xiàn)調速 T2 s T2 Tmax n T 電動機停車 n n 0 電動機的過載運行分析 過載系數(shù) 能力 一般三相異步電動機的過載系數(shù) 臨界狀態(tài)說明了電動機的短時過載能力 3 起動轉矩Tst 電動機起動時 n 0 s 1 2 Tst與R2有關 適當使R2 Tst 繞線式電機改變轉子附加電阻R 2 可使Tst Tmax R2 X20時 R2 Tst R2 X20時 R2 Tst T2 S T2 Tst n T 穩(wěn)定運行 n 越過臨界點 進入穩(wěn)定區(qū) T T T2 電動機起動后 很快經過非穩(wěn)定區(qū)進入穩(wěn)定區(qū) 正常工作 Tst體現(xiàn)了電動機直接起動的能力 若Tst T2 電機能起動 否則不能起動 起動能力 電動機的啟動運行分析 4 5三相異步電動機的起動 4 5 1起動性能 起動問題 起動電流大 起動轉矩小 一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5 7倍 電動機的起動轉矩為額定轉矩的 1 0 2 2 倍 后果 原因 起動 n 0 s 1 接通電源 4 5 2起動方法 1 直接起動二 三十千瓦以下的異步電動機一般都采用直接起動 簡單 但起動電流大 適用于鼠籠式電動機 3 轉子串電阻起動 適用于繞線式電動機 以下介紹降壓起動和轉子串電阻起動 1 降壓起動 1 Y 換接起動 降壓起動時的電流為直接起動時的 設 電機每相阻抗為 上節(jié)內容 1 電動機轉動原理 定子三相繞組通入三相交流電 感應電動勢E20 電磁力F 上節(jié)內容 轉差率 S 額定轉矩TN 轉子感應電勢頻率f2 Y 起動器接線簡圖 靜觸點 Y 起動器接線簡圖 Y起動 Y 起動器接線簡圖 工作 2 自耦降壓起動 Q2下合 接入自耦變壓器 降壓起動 Q2上合 切除自耦變壓器 全壓工作 合刀閘開關Q Q2 自耦降壓起動適合于容量較大的或正常運行時聯(lián)成Y形不能采用Y 起動的鼠籠式異步電動機 定子 轉子 起動時將適當?shù)腞串入轉子電路中 起動后將R短路 起動電阻 2 繞線式電動機轉子電路串電阻起動 若R2選得適當 轉子電路串電阻起動既可以降低起動電流 又可以增加起動轉矩 常用于要求起動轉矩較大的生產機械上 R2 Tst 轉子電路串電阻起動的特點 方法 任意調換電源的兩根進線 電動機反轉 電動機正轉 電動機反轉 三相異步電動機的正 反轉 例1 1 解 一臺Y225M 4型的三相異步電動機 定子繞組 型聯(lián)結 其額定數(shù)據(jù)為 PN 45kW nN 1480r min UN 380V N 92 3 cos N 0 88 Ist IN 7 0 Tst TN 1 9 Tmax TN 2 2 求 1 額定電流IN 2 額定轉差率sN 3 額定轉矩TN 最大轉矩Tmax和起動轉矩Tst 2 由nN 1480r min 可知p 2 四極電動機 3 解 在上例中 1 如果負載轉矩為510 2N m 試問在U UN和U 0 9UN兩種情況下電動機能否起動 2 采用Y 換接起動時 求起動電流和起動轉矩 3 又當負載轉矩為額定轉矩的80 和50 時 電動機能否Y 換接起動 1 在U UN時Tst 551 8N m 510 2N m 不能起動 2 Ist 7IN 7 84 2 589 4A 在U 0 9UN時 能起動 例2 在80 額定負載時 不能起動 在50 額定負載時 可以起動 3 4 6三相異步電動機的調速 1 改變電源頻率f1 變頻調速 2 改變磁極對數(shù)p3 改變轉差率s 調速方法 有級調速 有級調速 無級調速 調速指當負載不變時 利用人工的方法改變轉子的轉速 它與電動機自動適應負載變化而改變轉速不同 4 6 1變頻調速 變頻調速裝置 又電磁轉矩T KT I2cos 2 T也近似不變 是恒轉矩調速 由U1 4 44f1N1 知 在減小f1同時 減小 4 6 1變頻調速 整流器 逆變器 M3 f 50Hz f1 U1可調 變頻調速裝置 又電磁轉矩T KT I2cos 2 T也減小 是恒功率調速 2 f1 f1N 高于額定轉速調速 應保持U1 U1N 4 6 2變極調速 有級調速 P 2 線圈串聯(lián) 鼠籠式電機采用 P 1 采用變極調速方法的電動機稱作雙速電機 由于調速時其轉速呈跳躍性變化 因而只用在對調速性能要求不高的場合 如銑床 鏜床 磨床等機床上 線圈并聯(lián) 4 6 3變轉差率調速 有級調速 變轉差率調速是繞線式電動機特有的一種調速方法 其優(yōu)點是調速平滑 設備簡單投資少 缺點是能耗較大 這種調速方式廣泛應用于各種提升 起重設備中 4 7三相異步電動機的制動 制動方法 能耗制動反接制動 通過加一個與原轉速方向相反的制動力矩 使電動機能迅速停車或反轉 4 7 1能耗制動 在斷開三相電源的同時 給電動機其中兩相繞組通入直流電流 直流電流形成的固定磁場與旋轉的轉子作用 產生了與轉子旋轉方向相反的轉距 制動轉距 使轉子迅速停止轉動 將三相中的任意兩相對調 產生制動轉矩 使M停機 優(yōu)點 方法簡單 制動效果好 缺點 能量消耗大 旋轉磁場與轉子的相對轉速 為 n1 n I2 I1 必須在籠型電動機的定子或繞線式電動機的轉子中串入電阻R 以防止燒壞繞組 4 7 2反接制動 返回 4 8三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù) 三相異步電動機型號Y132M 4功率7 5KW頻率50Hz電壓380V電流15 4A接法 轉速1440r min絕緣等級B工作方式連續(xù)標準編號工作制S1B級絕緣年月編號 電機廠 1 型號 用以表明電動機的系列 幾何尺寸和極數(shù) 例如 Y132M 4 異步電動機產品名稱代號 2 接法 接線盒 定子三相繞組的聯(lián)接方法 通常 Y聯(lián)結 聯(lián)結 3 電壓 例如 380 220V Y 是指線電壓為380V時采用Y聯(lián)結 線電壓為220V時采用 聯(lián)結 說明 一般規(guī)定 電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5 因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時 電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值 從而使電動機過熱 電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值 三相異步電動機的額定電壓有380V 3000V 及6000V等多種 4 電流 例如 Y 6 73 11 64A表示星形聯(lián)結下電機的線電流為6 73A 三角形聯(lián)結下線電流為11 64A 兩種接法下相電流均為6 73A 5 功率與效率 電動機在額定運行時定子繞組的線電流值 額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率 它不等于從電源吸取的電功率P1N 注意 實用中應選擇容量合適的電機 防止出現(xiàn) 大馬拉小車 的現(xiàn)象 6 功率因數(shù) 三相異步電動機的功率因數(shù)較低 在額定負載時約為0 7 0 9 空載時功率因數(shù)很低 只有0 2 0 3 額定負載時 功率因數(shù)最高 7 額定轉速 電機在額定電壓 額定負載下運行時的轉速 如 nN 1440轉 分sN 0 04 8 絕緣等級 指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級 分為A E B F H五級 A級最低 105 C H級最高 180 C 單相異步電動機的功率一般為幾瓦到幾百瓦常用于功率不大的電動工具 如電鉆 攪拌器等 以及眾多的家用電器 如電風扇 電冰箱 洗衣機 抽油煙機等 4 9單相異步電動機 單相異步電動機 定子只有一相主繞組的異步電動機 單相異步電動機均采用籠型轉子 但定子有所不同 電容運轉單相機 洗衣機電動機 電風扇電動機 制冷壓縮機 單相異步電動機產品圖 4 9單相異步電動機 C B S 4 9 1電容分相式異步電動機 A iA iB A為工作繞組 B為起動繞組 在空間相隔90 S為離心力開關 iA IAmsin t iB IBmsin t 90 4 9 1電容分相式異步電動機 C B S A iA iB 1 2 改變電容C的串聯(lián)位置 可使異