第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性(第二講)

機(jī)電傳動(dòng)控制主講：廖映華QQ:191151820;Tel.61147)四川理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造系2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制2授課學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)課外學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)主要內(nèi)容：三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；三相異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子電路；三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性；三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)特性及方法；單相異步電動(dòng)機(jī)；同步電動(dòng)機(jī)本章難點(diǎn)：三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)特性與方法教學(xué)形式：課堂講授第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制32.同步電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。3.2交流電動(dòng)機(jī)1.異步電動(dòng)機(jī)（工業(yè)中應(yīng)用最廣泛）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，成本低廉。缺點(diǎn)：功率因數(shù)滯后，輕載功率因數(shù)低，調(diào)速性能稍差。但是，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是矢量變頻技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以用變頻電機(jī)模擬成直流電機(jī)。從而已經(jīng)有取代傳統(tǒng)直流電機(jī)的趨勢(shì)。本節(jié)主要內(nèi)容：三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性和方法。第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制43.2交流電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)按定子的相數(shù)可分為單相、三相單相異步電動(dòng)機(jī)三相異步電動(dòng)機(jī)第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制53.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1）結(jié)構(gòu)：按轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)：鼠籠式和繞線式繞線式轉(zhuǎn)子繞組第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制63.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.1交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理定子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0，又稱同步轉(zhuǎn)速。感應(yīng)電流=>電磁力=>轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。n<

n0。轉(zhuǎn)差率：2）工作原理2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制7第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理3）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)——產(chǎn)生(a)t＝0(b)t＝T/6(c)t＝T/3(d)t＝T/22014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制8第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理3）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)——旋轉(zhuǎn)方向(a)t＝0(b)t＝T/6(c)t＝T/3(d)t＝T/22014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制9第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理4）定子繞組線端連接方式出線端的排列三角形連接星形連接2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制10第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：磁通Φ與定子電壓U1之間的關(guān)系產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電磁轉(zhuǎn)矩T為1）定子和轉(zhuǎn)子電路分析2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制11第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路2）三相異步電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制12第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性1）三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性又因?yàn)樗匀喈惒诫妱?dòng)機(jī)的機(jī)械特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制13第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性2）三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性四個(gè)特殊點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）工作點(diǎn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率理想空載0n=n0,S=0額定9.55PN/nNS=(n0-nN)/n0臨界P50,式（3.57）P50,式（3.56）啟動(dòng)P50,式（3.55）12014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制14第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性3）三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性

降低定子繞組兩端電壓降低定子繞組的電源電壓定子繞組的外串電阻或電抗降壓2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制15第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性3）三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性改變電源頻率2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制16第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性3）三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性轉(zhuǎn)子電路串入電阻2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制17第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的主要要求如下：①有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證生產(chǎn)機(jī)械能正常啟動(dòng)。②在滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟動(dòng)電流越小越好。③要求啟動(dòng)平滑，即要求啟動(dòng)時(shí)平滑加速，以減小對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊。④啟動(dòng)設(shè)備安全可靠，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。⑤啟動(dòng)過程中的功率損耗越小越好。異步電動(dòng)機(jī)的固有啟動(dòng)特性矛盾（小）（大）2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制18第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法1）直接啟動(dòng)，又稱全壓?jiǎn)?dòng)直接啟動(dòng)的條件取決于電動(dòng)機(jī)功率與供電變壓器容量之比值。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制19第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法2）定子串電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)定子串入電阻或電抗的降壓?jiǎn)?dòng)缺點(diǎn)：（1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。只適合空載或輕載啟動(dòng)；（2）不經(jīng)濟(jì)。串電阻能耗大，串電感器費(fèi)用高，體積大。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制20第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法3）星形-三角形（Y-Δ）降壓?jiǎn)?dòng)啟動(dòng)時(shí)，KM+，KM1+，KM2-，星形連接；啟動(dòng)后，KM+，KM1-，KM2+，三角形連接。特點(diǎn)：這種方法只適合于定子繞組采用Δ接法的三相異步電動(dòng)機(jī)。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制21第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法4）自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)啟動(dòng)時(shí)KM1+、KM2+，KM-，三相自耦變壓器T的三個(gè)繞組接成星形接三相電源，與自耦變壓器副邊相接的電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng);當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值后，KM1-、KM2-，自耦變壓器T被切除，同時(shí)KM+，電動(dòng)機(jī)接上全電壓運(yùn)行。一相電路2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制22第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.5繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法1）逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻法前述異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法適合于鼠籠式和繞線式異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，還可通過轉(zhuǎn)子電路串電阻啟動(dòng)。轉(zhuǎn)子電路串不同阻值電阻時(shí)的機(jī)械特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制23第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.5繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法2）頻敏變阻器啟動(dòng)法啟動(dòng)時(shí)，一方面，轉(zhuǎn)子電流的頻率高，頻敏變阻器鐵耗大，等效阻抗大，從而限制了啟動(dòng)電流；另一方面，由于轉(zhuǎn)子頻敏電阻鐵耗大，則轉(zhuǎn)子的有功電流較大，從而增大了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制24第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制25第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性1）改變極對(duì)數(shù)p雙速電機(jī)改變極對(duì)數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速Y(p=2)→YY(p=1)△(p=2)→YY(p=1)2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制26第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性2）改變轉(zhuǎn)差率S調(diào)壓調(diào)速——改變定子電壓1—恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；2—離心式通風(fēng)機(jī)負(fù)載（1）拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，調(diào)速范圍小；拖動(dòng)離心式風(fēng)機(jī)負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍稍大。（2）離心式風(fēng)機(jī)負(fù)載，速度降低時(shí)轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)差功率較小。因此，拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)差率功率PS=SPe（Pe為電磁功率）比拖動(dòng)離心式風(fēng)機(jī)負(fù)載更大；因此，這種調(diào)速方法適合通風(fēng)機(jī)及泵等機(jī)械（其機(jī)械特性曲線如曲線2）的調(diào)速。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制27第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性2）改變轉(zhuǎn)差率S轉(zhuǎn)子電路串電阻最大困難：同頻率2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制28第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性2）改變轉(zhuǎn)差率S串級(jí)調(diào)速同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速同步轉(zhuǎn)速以上調(diào)速2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制29第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性2）改變轉(zhuǎn)差率S電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速1―電樞2―磁極3―勵(lì)磁繞組

4、6―聯(lián)軸器5―滑環(huán)2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制30第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性3）變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n正比于定子電源的頻率f1，若連續(xù)地調(diào)節(jié)定子電源頻率f1，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。變壓變頻調(diào)速（恒壓頻比或恒磁通調(diào)速）變壓變頻調(diào)速適合于基頻（額定頻率fN）以下調(diào)速。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制31第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法和特性3）變頻調(diào)速恒壓弱磁調(diào)速恒壓弱磁調(diào)速適合于基頻（額定頻率fN）以上調(diào)速。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制32第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.7三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性1）反饋制動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為位能性轉(zhuǎn)矩的起重機(jī)械在下放重物時(shí)的反饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)

。電動(dòng)機(jī)在變極調(diào)速或變頻調(diào)速過程中，極對(duì)數(shù)突然增多或供電頻率突然降低，使同步轉(zhuǎn)速n0突然降低時(shí)的反饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制33第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.7三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性2）反接制動(dòng)電源反接倒拉制動(dòng)2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制34第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.7三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性3）能耗制動(dòng)1-三相異步電動(dòng)機(jī)正常機(jī)械特性曲線；2-定子繞組通低壓直流電源時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制35第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.8單相異步電動(dòng)機(jī)1）單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間并不旋轉(zhuǎn)，只是磁通或磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨時(shí)間作正弦變化。因此，單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，即不具備啟動(dòng)能力。啟動(dòng)后能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其機(jī)械特性如右圖所示。2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制36第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.8單相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性1）單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法電容分相式異步電動(dòng)機(jī)AX為運(yùn)行（工作）繞組；BY為啟動(dòng)繞組，啟動(dòng)繞組中串由電容C2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制37第3章電動(dòng)機(jī)的工作原理及機(jī)械特性3.2交流電動(dòng)機(jī)3.2.8單相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性1）單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法罩級(jí)式單相異步電動(dòng)機(jī)2014年1月15日機(jī)電傳動(dòng)控制38第3