机电传动控制第四章ppt课件.ppt

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1、第四章 交流电动机的 工作原理及特性,4.1 三相异步电动机的结构和工作原理4.2 三相异步电动机的定子和转子电路4.3 三相异步电动机的转矩与机械特性4.4 三相异步电动机的启动4.5 三相异步电动机的调速4.6 三相异步电动机的制动4.7 单相异步电动机4.8 同步电动机的工作原理、特点及应用,特点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。缺点:功率因数1。对那些单机容量较大、转速又恒定的生产机械一般采用同步电动机拖动。因为同步电动机的功率因数是可调的(可使cos=1或领先)。异步电动机(感应电机)运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路

2、由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1 三相异步电动机的结构和 工作原理,4.1.1 三相异步电动机的基本结构,定子和励磁线圈一,转子和转子线圈,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1 三相异步电动机的结构和 工作原理,4.1.1 三相异步电动机的基本结构,三相对称绕组AX，BY，CZ,定子和转子硅钢冲片,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1 三相异步电动机的结构和 工作原理,4.1.1 三相异步电动机的基本结构,鼠笼转子结构,鼠笼式,小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成。不可接入外加电阻,线绕式,一般是连接成星形的

3、三相绕组，可接入外加电阻.,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1 三相异步电动机的结构和 工作原理,4.1.1 三相异步电动机的基本结构,A,B,C,外接变阻器（启动和速度调节）,滑环和电刷,绕线转子结构,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1 三相异步电动机的结构和 工作原理,三相交流电,定子三相绕组,N-S主磁场以n0顺时针旋转,顺时针,TM产生条件是n0和n相对运动,转差率,n0同步转速n转子转速,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,1.旋转磁场的产生,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,1.旋转磁场的产生,主

4、磁场N-S顺时针旋转180度（旋转磁场n0在一对极p=1时）,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,2. 旋转磁场的旋转方向,三相交流电流最大值到达的顺序（相序）决定电动机转向。ABC 电流ABC 定子绕组（顺时旋转）,ACB 定子绕组（逆时旋转）,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,1.旋转磁场的产生,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,3. 旋转磁场的极对数与旋转速度,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,3. 四极旋转磁场与旋转速度,旋转磁场转速（同

5、步速）,磁场转了90度,n0r/minfHZ p极对数（p=1、2、3）,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.3 三相异步电动机的旋转磁场,3. 四极旋转磁场与旋转速度,旋转磁场转速（同步速）,n0r/minfHZ p极对数（p=1、2、3）,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.1.4 定子绕组线端连接方式,出线端排列,短路片,U线= U相,铭牌：Y/接线方式 380/220不同接线应加的线电压,例4.1 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)Y90S-4,功率1.1kW,电压220/380V,连接方法Y,电流4.67/2.7A,转速14

6、00r/min,功率因数0.79(2)Y114M-4,功率4.0kW,电压380/660V,连接方法Y,电流8.8/4.1A,转速1440r/min,功率因数0.82解:Y90S-4电动机应接成星形Y114M-4电动机应接成三星形,4.17电动机定子绕组的连接法,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2 三相异步电动机的 定子电路和转子电路,4.2.1定子电路分析,定子每相绕组的感应电势为,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2 三相异步电动机的 定子电路和转子电路,4.2.1定子电路分析,漏磁电势,忽略漏磁,R1,X1电阻和漏磁感抗,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2 三相异步电动机

7、的 定子电路和转子电路,4.2.2转子电路分析,(4.12)代入(4.11),第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2 三相异步电动机的 定子电路和转子电路,4.2.2转子电路分析,启动时，n=0,S=1,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2 三相异步电动机的 定子电路和转子电路,4.2.2转子电路分析,转子感应电流有效值为,讨论：1）2）S=0，n0-n=0,I2=03) S很小，R2SX204) S-1, SX20R2,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2 三相异步电动机的 定子电路和转子电路,4.2.2转子电路分析,转子电路功率因素为(I2迟后E2一个2角),第四章 交流电动机的

8、工原理及特性 4.2.3 三相异步电动机的额定值,电动机铭牌上的额定数据1)型号2)额定功率PN (输出的机械功率)3)额定电压 UN (220/380V /Y)4)额定频率f (50HZ)5)额定电流IN (10.35/5.9A /Y)6)额定转速nN (额定转差率SN)7)工作方式 (定额)8)温升(或绝缘等级)9)电动机重量,J O 2- S 1- 4,三相异步电动机,封闭式,设计序列号,序列号,铁心长度顺序号,磁极数,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2.3 三相异步电动机的额定值,电动机铭牌上不标的额定数据额定功率因数cosN额定效率N,额定转矩TN 绕线式异步电动机转子静止时滑

9、环电压和转 子额定电流 通常手册上给出的数据就是额定值,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2.3 三相异步电动机的额定值,例5-1有一台三相四极的异步电动机， Y连接， 其额定技术数据为PN=90kW，UN=380V，IN=22.9A，电源频率f=50Hz，额定转差率SN=2.85，定子每相绕组匝N1=320， 转子每相绕线匝数N2=20，旋转磁场的每极磁通0.023Wb，试求：(l)定子每相绕组感应电动势E1： (2)转子每相绕组开路电压E20： (3)额定转速时转子每相绕组感应电动势E2N。解 (1)E1=4.44f1N1 =4.44503200.0231634V (2)转子绕组开路时

10、，转子电路电流I2=0，转子转速n=0，转子绕组电动势频率f2=f1=50Hz，故转子每相绕组的感应电动势(即开路电压) E20=4.44f2N2 =4.44f1N2 =4.4450200.023=102V (3)求 E2N f2=SNf10.028550Hz=1.43Hz E2N=4.44f2N2 =4.441.43200.023=2.9V,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2.3 三相异步电动机的额定值,例5-2 有一台三相四极的异步电动机， 其额定技术数据为nN=1440r/min，R2=0.02，X20=0.08 ，电源频率f1=50Hz，E20=20V， 试求：(l)电动机的同步

11、转速n0 ：(2)电动机启动时的转子电流I2st ： (3)电动机在额定转速时转子电动势的频率f2N； (4)电动机在额定转速时的转子电流 I2N解 (1) n0=60f1/P=6050/2=1500r/min (2),(3)SN=(n0-nN) /n0=(1500-1440) /1500=0.04 f2N=SNf10.0450Hz=2Hz,(4),第四章 交流电动机的工原理及特性 4.2.4 三相异步电动机的能流图,输入定子的电功率,定子电路中的铜损,转子电路中的铜损Pcu2=sPcu,输入转子的电磁功率,铁损(磁滞和涡流损耗),机械损失功率,输出的机械功率,第四章 交流电动机的工原理及特性

12、 4.2.4 三相异步电动机的能流图,电动机的效率,电动机的输出功率,T-电动机的电磁转矩T2-电动机的输出转矩,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.1 三相异步电动机的转距特性,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3 三相异步电动机的 转距与机械特性,4.3.1三相异步电动机的转距直流电动机的转矩,三相异步电动机的转距,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3 三相异步电动机的 转距与机械特性,4.3.1三相异步电动机的转距,三相异步电动机的转距,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3 三相异步电动机的 转距与机械特性,4.3.1三相异步电动机的转距,三相异步电动机的转距,第四章

13、交流电动机的工原理及特性 4.3.1三相异步电动机的转距,U,U1-定子绕组相电压，电源电压；R2-转子每相绕组的电阻；X20-n=0时转子每相绕组的感抗；K-三相异步电动机的转矩常数。,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,T=f(S) T-S曲线,n=n0,n=0,T,n=f(T) 机械特性曲线,n=(1-S)n0,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,1. 固有机械特性1)理想工作点T=0,n=n0 ,S=02)额定工作点T=TN , n=nN TN=9.55PN/nNSN=(n0-nN)/n0 (0.060.015)n

14、N=(0.940.985)n0,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,1. 固有机械特性3)启动工作点T=Tst(n=0,s=1),讨论:U TstR2适当Tst X20 Tstst=Tst/TN st=1.01.2,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,1. 固有机械特性4)临界工作点T=Tmax,S=Sm(n= nM)dT/ds=0,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,U TmaxTL停转 Tmax与R2无关,Sm R2 绕线式串电阻, Tmax=C, Sm过载能力系数 m=Tmax/T

15、N,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,转矩-转差率实用公式T/Tmax代入 sm=R2/X20 化简得,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,2. 人为机械特性降低电源电压的人为特性,电压降低后特性变化的特点：n0、 Sm不变；Tmax大大减小，对U敏感；Tst大大减小TL不变下，SI2温度升高。,0.25Tmax,0.64Tmax,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,2. 人为机械特性降低电源电压的人为特性,例:电动机运行在额定负载TN下，即使 m2，若电网电压下降到70UN,电动机能

16、否正常运行,0.25Tmax,0.64Tmax,令电压下降后的转矩最大值为,习题P88:,4.5三相异步电动机带动一定负载运行时,若电源电压突然降低,此时电动机的转矩、电流及转速有无变化?为什么?,解:已知:U下降,TL=C1)n0不变,2)减少,习题P88:,3)n下降,4)cos2减少,5)I2增加,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,2. 人为机械特性定子电路串入电阻或电抗类似降压时的人为特性,特性变化的特点：n0、 Sm不变；Tmax比较大的减小（同降压引起Tmax下降相比；机械特性变软；,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机

17、的机械特性,2. 人为机械特性改变电源频率时的特性,特点：n0、 Sm改变，机械特性基本不变；,ff1f2,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.3.2 三相异步电动机的机械特性,2. 人为机械特性转子电路串入电阻（绕线式电动机）,特性变化的特点： Sm增大，机械特性变软；,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,三相异步电动机的启动要求启动转矩要足够大；满足启动转矩要求下，启动电流要小。要求启动平滑即要求启动时平滑加速，以减小对生产机械的冲击启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。启动过程中的功率损耗越小越好。,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步

18、电动机的启动特性,三相异步电动机的启动要求,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机的启动方法1. 直接启动（全压启动）,独立变压器供电启动频繁,电动机功率变压器容量的20不经常启动，电动机功率变压器容量的30没有独立的变压器供电,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机的启动方法1. 直接启动（全压启动）,例4.2 有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其PN=20kW，IstIN6.5，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IstIN 比值，功率为多大的电动机则不

19、允许直接启动?解:1)可直接启动2)功率大于24KW的不允许直接启动,直接启动因无需附加启动设备，且操作和控制简单、可靠中、小型鼠笼式异步电动机都采用直接启动(工厂中变压器容量都大)。,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机的启动方法2. 串电阻、电抗降压启动,缺点：机械特性变软适用于空载或轻载启动的场合不适合经常启动的电动机,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机的启动方法3. Y-降压启动,优点；简单、经济、 Ist小。缺点；Tst较小,用于空载轻载场合.只能应用正常工作方式为三角形接线电机(4KW

20、以上，额定电压380v、接线。),第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机的启动方法4. 自耦变压器降压启动,优点；电压可调、电流小。缺点；变压器体积大、价格高。不能应用于经平繁启动电机。,特点:,变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦.启动时自耦变压器处于过电流(超过额定电流)状态下运行，因此，不适于启动频繁的电动机。通常把自耦变压器的输出端做成固定抽头(一般有K=80、65和50)Ist一定时,启动补偿器。,Y-降压启动时的K=1 为定值,此时K可调,例4.3 有台拖动空气压缩机的鼠笼式异步电动机，PN=40kW，nN=1465rmin，启动电

21、流Ist=4.5IN，启动转矩Tst=1.6TN ，运行条件要求启动转矩必须大于(0.91.0)TN，电网允许电动机的启动电流不得超过3.5IN。试问应选用何种启动方法。,解: 按要求,启动转矩的相对值应保证为,启动电流的相对值应保证为,由表4.2可知，只有当自耦变压器降压比为0.8时，才可满足KT0.56和KI0.64的条件。故选用自耦变压器降压启动方法，变压器的降压比为0.8。,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,鼠笼式异步电动机的启动方法5. 延边三角形启动,优点；降压启动,电流、启动转矩大（同Y-相比）。缺点；特殊要求的电机。,第四章 交流电动机的工原理

22、及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,绕线式异步电动机的启动方法1. 逐级切除启动电阻法,优点；电流小、启动转矩大。缺点；电阻上的损耗大。,第四章 交流电动机的工原理及特性 4.4 三相异步电动机的启动特性,绕线式异步电动机的启动方法2. 频敏变阻器启动法,优点；电流小、结构简单、无需维修。启动转矩较大。适用于：对调速沒有要求、经常正反转、启动转矩要求不大冶金、化工设备上。缺点；功率因数低(0.30.8)，因而启动转矩的增大受到限制，且不能用作调速电阻。,n=0，S=1 f2=Sf1PFe RXIst I有功cos2Tnf2 PFeR=X0相当于转子短路，启动完毕,第四章 交流电动机的工原

23、理及特性 4.4.3 特殊鼠笼式电动机,1. 双鼠笼电动机启动时：,正常工作：,黄铜(启动),紫铜(工作),第四章 交流电动机的工原理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,只要改变Tmax 、Sm、f、P就可改变速度,第四章 交流电动机的工原理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,4.4.1 调压调速,离心风机,不同负载下可不同的调速范围,第四章 交流电动机的工原理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,4.4.2 转子串电阻调速,特点：简单可靠有级调速转速降低，特性变软，转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大重复短期运转的生产机械中(起重机),第四章 交流电动机的工原理及特性4.5

24、 三相异步电动机的调速特性,4.4.3 改变极对数调速(有级调速)单绕组双速电机,第四章 交流电动机的工原理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,4.4.3 改变极对数调速,改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不变。启动时宜低速启动。,Y-YY,pY=2pYYnYY=2nYTY=TYYPY=PYY/2,恒转矩调速,第四章 交流电动机的工原理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,4.4.3 改变极对数调速,改变接线必须同时改变定子绕组的相序，以保证转向不变。启动时宜低速启动。,p=2pYYnYY=2nT =2TYYP =PYY,4.40 -YY,恒功率调速,第四章 交流电动机的工原

25、理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,4.4.3 改变极对数调速,特点：有级调速结构简单、效率高、特性好调速时所需附加设备少用于机电联合调速的场合，特别是中、小型机床上用得极多。,第四章 交流电动机的工原理及特性4.5 三相异步电动机的调速特性,5.4.4 变频调速,适用于鼠笼式电动机,采用一个频率可以变化的电源向异步电动机定子绕组供电变频电源多为晶闸管变频装置。UxE=CfC为常数 E/ f Ux /f,n与T方向相反,第四章 交流电动机的工原理及特性4.6 三相异步电动机的制动特性,4.6.1 反馈制动,第四章 交流电动机的工原理及特性4.6 三相异步电动机的制动特性,4.6.1 反馈

26、制动,n与T方向相反,第四章 交流电动机的工原理及特性4.6 三相异步电动机的制动特性,4.6.1 反馈制动,变极或变频调速时反馈制动,或fn0 =60f/pn0 S且S0T0 ab(过渡状态)Td 0 nb n02(反馈状态),n与T方向相反,第四章 交流电动机的工原理及特性4.6 三相异步电动机的制动特性,4.6. 2 反接制动 1.电源反接,n0方向改变T,TL同向 abc断电因为反接电流很大，实际串电阻后应ade特点：制动强烈、控制复杂、不准确、能耗大，需反转场合。,n与T方向相反,第四章 交流电动机的工原理及特性4.6 三相异步电动机的制动特性,4.6. 2 反接制动 2.倒拉制动,

27、提升工作在a点下放时串电阻改变机械特性a乛b乛c乛d点。特点：能耗大、电阻大小要适当，起吊机械。,第四章 交流电动机的工原理及特性4.6 三相异步电动机的制动特性,4.6. 3 能耗制动,特点：制动效果不如反接制动强度大，制动平稳，准确停车，需直流设备，应用于准确停车和下放重物设备上。,第四章 交流电动机的工原理及特性4.7 单相异步电动机,4.7.1单相异步电动的磁场,第四章 交流电动机的工原理及特性4.7 单相异步电动机,4.7.1单相异步电动的磁场,第四章 交流电动机的工原理及特性4.7 单相异步电动机,4.7.1单相异步电动的磁场,脉动磁场的TS曲线,合成T-S曲线,2.在外力矩作用下

28、能加速到稳定运行状态，转向不固定.,第四章 交流电动机的工原理及特性4.7 单相异步电动机,4.7.2单相异步电动的启动方法,1. 电容分相式异步电动机,移相电容,离心开关,iB电流超前iA电流90度,第四章 交流电动机的工原理及特性4.7 单相异步电动机,4.7.2单相异步电动的启动方法,1. 电容分相式异步电动机,圆形旋转磁场的条件：两相相差90度等幅值的交流电通入两相在空间相差90度的对称绕组.,iA=+ iB=+,第四章 交流电动机的工原理及特性4.7 单相异步电动机,电容分相式异步电动机的转向,转向取决于电流最大值到达的顺序。或对调两绕组的任一绕组的接线。,第四章 交流电动机的工原理

29、及特性4.7 单相异步电动机,4.7.2单相异步电动的启动方法,2. 罩极式异步电动机,罩极铜环,罩极铜环,注意：罩极电动机的转向不可改变。,第四章 交流电动机的工原理及特性4.8 同步电动机的工作原理、 特点及应用,4.8.1同步电动机的基本结构,适用于大功率高电压的场合,气隙不均匀（低速电动机1000r/min以下）,气隙均匀（高速电动机）,直流励磁（电刷、集电环）,第四章 交流电动机的工原理及特性4.8 同步电动机的工作原理、 特点及应用,4.8.2同步电动机的工作原理和运行特性,n不随负载变化，恒定转速。,cos2,第四章 交流电动机的工原理及特性4.8 同步电动机的工作原理、 特点及

30、应用,4.8.3 同步电动机的启动,同步电动机不能自行启动,由于惯性转子产生摆动,第四章 交流电动机的工原理及特性4.8 同步电动机的工作原理、 特点及应用,4.8.3同步电动机的启动,(采用异步启动的方法),鼠笼条(启动绕组),QB在1位置时为启动状态，R为防止励磁线圈产生高压。,当n接近n0时将QB搬向2处，将转子拉入同步。R1调节cos2至要求。,特点:双重励磁和异步启动，结构复杂，需要直流电源，启动和控制设备也较昂贵。运行速度恒定、功率因数可调、运行效率高应用:低速和大功率的场合。,第四章 交流电动机的工原理及特性 小 结,基本要求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

31、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。,第四章 交流电动机的工原理及特性 小 结,重点与难点掌握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：掌握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： 掌握异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。,第四章 交流电动机的工原理及特性 小 结,难 点本章在分析问题时较难理解的是定子旋转磁场与转子运动的相对性和电动机的制动过程,第四章 交流电动机的工原理及特性 习 题,4.1 4.3 4.54.6 4.11,