第7章交流电动机.ppt

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1、,7.1 三相异步电动机,7.2 单相异步电动机,第7章 交流电动机,7.1 三相异步电动机,7.1.1 异步电动机的用途与分类,异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重 机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。,电动机的分类：,1.按电机定子相数分：三相异步电动机、两相异步电动机、单相异步电动机。,2.按电机的转子结构分：笼形异步电动机、绕线式异步电动机,交流电动机的作用是将交流电能转换成机械能,交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。,第9章 7.1,这是电动机的外形,7.1.

2、2三相异步电动机的构造,第9章 7.1,这是三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,第9章 7.1,这是三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,端盖,机座,第9章 7.1,这是三相异步电动机的基本结构示意图,三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,定子,第9章 7.1,这是三相异步电动机的基本结构示意图,定子,转子,轴承,端盖,机座,第9章 7.1,三相异步电动机主要部件是由定

3、子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。,1.定子 三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。,这是机座定子铁心和定子绕组示意图,定子绕组,机座,铁心,第9章 7.1,定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成,这是定子硅钢片,第9章 7.1,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。,定子绕组星形接法,定子绕组三角形接法,端子,第9章 7.1,A,Z,B,X,C,Y,在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组,定子绕组,第9章 7.1,这是绕线型转子铁心与绕组,2.转子根据转子绕组结构的不同又分为笼型转子和绕线型转子,笼型转子的电机称笼型电动机绕线型转子的电机称绕线型电动机,外

4、接电阻,电刷,滑环,转子铁心,转子绕组,第9章 7.1,转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。,这是转子硅钢片,第9章 7.1,笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。,这是笼型转子,第9章 7.1,定子绕组与转子绕组,定子绕组,转子绕组,第9章 7.1,7.1.3 转动原理,一、旋转磁极对导体的作用,n1,n,e(i),转子导体,旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。,第9章 7.1,二、三 相绕组产生的旋转磁场,A,B,C,X,Y,Z,iA=Imsin

5、 t,iB=Imsin(t-120),iC=Imsin(t+120),iA,iB,iC,相序A-B-C-A,对称三相电流流入 对称三相绕组,第9章 7.1,iA,1.两极旋转磁场,t=0,t,i,A,Z,B,X,C,Y,iA=0iB为负值iC为正值,iB,iC,第9章 7.1,t,t=60,i,A,Z,B,X,C,Y,60,iC=0iB为负值iA为正值,iA,iB,iC,0,1.两极旋转磁场,第9章 7.1,t=90,A,Z,B,X,C,Y,90,iA为正值iB为负值iC为负值,t,i,iA,iB,iC,0,1.两极旋转磁场,第9章 7.1,t=180,A,Z,B,X,C,Y,iA=0iB为正

6、值iC为负值,180,t,i,iA,iB,iC,0,1.两极旋转磁场,第9章 7.1,t=60,A,Z,B,X,C,Y,N,S,60,t=90,A,Z,B,X,C,Y,N,S,t=0,A,Z,B,X,C,Y,N,S,90,t=180,A,Z,B,X,C,Y,N,S,180,0,第9章 7.1,空间相差120 角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360)。,综上分析可得结论：,第9章 7.1,t,i,iA,iB,iC,0,2.改变旋转磁场的转向,A,B,C,X,Y,Z,90,60,0,相序A-C

7、-B-A,第9章 7.1,改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向,也就改变了三相异步电动机的旋转方向。,综上分析可得结论：,第9章 7.1,3.四极旋转磁场,iA,iB,iC,A,B,C,X,Y,Z,A,B,C,X,Y,Z,60,0,t=0,A,Z,B,X,C,N,S,X,C,Y,A,Z,B,Y,0,S,N,t=60,N,S,30,S,N,0,t,i,iA,iB,iC,0,第9章 7.1,将两个绕组串联起来,t,i,iB,iC,0,90,180,t=90,A,Z,B,X,C,N,S,X,C,Y,A,Z,B,Y,45,S,N,t=180,A,Z,B,X,C,N,

8、S,X,C,Y,A,Z,B,Y,90,S,N,90,3.四极旋转磁场,A,B,C,X,Y,Z,A,B,C,X,Y,Z,iA,iB,iC,iA,第9章 7.1,将两个绕组串联起来,当定子每相中有两个绕组串联,且每相绕组在空间相差60时,通入对称三相交流电后,也产生一个旋转磁场,但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周,旋转磁场在空间只转了半周(180 空间角),旋转速度较两极磁场慢了一半。,4.旋转磁场的速度 n1,综上分析可得结论：,电源的频率,磁极对数,5.转子转速 n 和转差率 S,P=1 n1=3000 r/min,P=2 n1=1500 r/min,P=3 n1=1000 r/min,n

9、=(1S)n1,定义:转差率,0 S,S=0.015 0.06,转子转速,第9章 7.1,同步转速,定子旋转磁场,三、转子的转速和磁场,N1,S1,N2,S2,n1,n=n1(1-S),转子磁场,当定子的旋转磁场逆时针转过90时，转子磁场也逆时针转过90。,第9章 7.1,转子磁场的磁极对数与定子旋转磁场的磁极对数相等，而且转子磁场与定子旋转磁场具有相同的转向和转速。,转子旋转磁场的转速 n2,综上分析可得结论：,=f1 S,f2 转子电动势的频率,n2 转子旋转磁场相对转子的转速,n2=n1 S,n2+n=n1,n1,n2,n,第9章 7.1,1.型号,（2)电压 UN 定子绕组上所加的线电

10、压,7.1.7 三相异步电动机的铭牌和额定值,第9章 7.1,Y100L1-4,2.铭牌,3.额定值,P105 表7.1-3,（1)功率 PN 输出功率 W，kW,（3)电流 IN 流入定子绕组的线电流,（5)频率 fN,（4)转速 nN 额定状态下转子的转速 r/min,（6)效率,（7)功率因数 cos N 满载时 0.7 0.9,（8)绝缘等级,m，st，Ist/IN,A,Z,B,X,C,Y,A,X,B,Y,C,Z,主磁通,iA,iB,iC,漏磁通S(很小),E1=4.44 f1N1K1,e1,eS1,uA,uB,uC,(很小),*7.1.4 三相异步电动机的定子和转子电路,第9章 7.

11、1,1.定子电路,Z1=R1+jXS1,定子的内阻抗：,U1 E1=4.44 f1N1K1,：旋转磁场每极磁通N1：每相定子绕组匝数K1：定子绕组分布系数,第9章 7.1,2.转子电路,Z2=R2+jXS2,转子的内阻抗：,E2=4.44 f2N2K2=4.44 f1N2K2 S=E20S,：旋转磁场每极磁通N2：每相转子绕组匝数K2：转子绕组分布系数,E2,R2,jXS2,第9章 7.1,3.三相异步电动机的等效电路,第9章 7.1,I2,cos 2,1,U1E1=4.44 f1N1K1,I2和cos2均与S有关,E2,I2,R2,jXS2,ES2,第9章 7.1,电磁转矩 T=CT I2c

12、os 2,E20=4.44 f1N2K2,将,磁转矩是由旋转磁场 和转子电流的有功分量相互作用而产生的，所以,电磁力 F=BIl,7.1.5 三相异步电动机的转矩和机械特性,一、电磁转矩T,常数,第9章 7.1,S,T,1,0,a,b,c,1.额定转矩 TN,一、电磁转矩 T,转矩特性 T=f(S),P2=T,第9章 7.1,U1,不同电源电压的转矩特性,由dT/dS=0,得,1,解得,取正值,Sm 称为临界转差率,2.最大转矩 Tm,代入 T 的表达式,U12,求得最大转矩 Tm,U1增大,第9章 7.1,S,T,0,当X20不变时,临界转差率Sm随R2增大而增加。,4.Sm=R2/X20,

13、不同转子电阻的转矩特性,2.最大转矩 Tm,结论：,1.Tm U12,2.Tm 与 R2无关,3.过载系数,m Tm/T N,m 1.6 2.5,Sm与 U1无关,R 2 增大,第9章 7.1,S,T,0,3.起动转矩 TN,起动瞬间 n=0，S=1,U1 Tst,R2 Tst,R2,U1,负载转矩 T2Tst,不能起动,可空载或轻载起动,负载转矩 T2Tst，可带负载起动,st Tst/TN,一般 st 1.0 2.2,特殊 st 2.2 2.8,起动转矩倍数,第9章 7.1,三.机械特性曲线,S,0,a,b,c,1,Tst,因为 n=n1(1-S),可以由转矩特性得到机械特性,机械特性曲线

14、 n=f(T),1.分析起动过程,d,当Tst T2 时,电机起动,在cb段 nSTba段,在ab段 nSTT=T2,T2=TN(在d点),第9章 7.1,S,直到 T=T2,电机稳定运行在新的转速下,工作于d点,则:n,n=(1 S)n1,T,n,0,n1,T,a,b,c,Tst,转矩平衡方程式 T=T2+T0=负载转矩+空载转矩,2.分析转速平衡过程,a b 段为稳定运行区,电动机工作在稳定运行区时,具有自适应能力。例如,原来在额定负载下稳,定运行(工作于d点),若负载转矩 突然增大为 T2,T2 TN，,第9章 7.1,起动初始瞬间，n=0，S=1,起动电流IST大,(47)I1N,频繁

15、起动会使电动机过热。,过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。,起动转矩TST不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低,不能满载起动。,7.1.6 三相异步电动机的使用,7.1.6.1 三相异步电动机的起动,1.起动存在的问题,第9章 7.1,ST=TST/TN=1.0 2.2,(1)直接起动,在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。,特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大47倍；影响同一电网上其它负载的正常工作。,优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机,(2)Y-降压起动,起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近

16、稳定转速时，再把电压恢复正常。,2.起动方法,第9章 7.1,FU,W2,U1,U2,V1,V2,W1,Q1,转子,定子绕组,条件:只适用于正常运行时为 接法 的电动机。,第9章 7.1,(2)Y-降压起动,形起动:Ul=UP,U1,U2,V1,V2,W1,W2,Q1,Q2,运转,起动,三相自耦变压器,M3,(3)自耦变压器降压起动,自耦变压器抽头有 0.55,0.64,0.73 等,如:变压器变比,则变压器副方电流,而变压器原方电流,电动机起动转矩,结论:电动机起动,电流Ist和起动转矩Tst均为直接起动的1/n2。,第9章 7.1,Ist,(4)串电抗降压起动,Q1,FU,M3,Q2,电动

17、机起动时先合开关Q1,当电动机的转速接近稳定值时,再将开关 Q2合上,切除电抗器。,绕线式电动机起动可在转子绕组中串电阻，减小起动电流。,转子串电阻起动,第9章 7.1,一、三相异步电动机的起动,(5)延边三角形起动,每相绕组有两个线圈,将三相绕组中一个线圈接为 Y 形,另一个线圈接为 形,电动机起动电流,Isty Ist Ist,第9章 7.1,(1)改变极对数 p 调速,7.1.6 三相异步电动机的使用,二、三相异步电动机的调速,n=(1S)n1,调速方法,(2)改变转差率 S 调速,p=2:1,2,3接电源；4,5,6 悬空,p=1:4,5,6接电源；1,2,3 短接,：n1=15003

18、000 r/m,绕线式电动机在转子绕组中串入电阻R2,可改变转差率 S 和转速 n。,有级调速,A.小范围无级调速,特点,B.R2大 特性变软,第9章 7.1,三种方法,二、三相异步电动机的调速,(3)改变电源频率 f1 调速,变频调速,由 U1=4.44 f1N1K1,为保证不变，在调整电源频率 f1 时,应同时调整电源电压U1。,A.大范围无级平滑调速；,B.调速后机械特性平行，带负载能力(硬度)不变；,特点,C.需要专门的变频调速设备，且成本较高。,第9章 7.1,(1)能耗制动线路,三、三相异步电动机的制动,制动时接入直流电源产生固定磁场,i2 受到阻转矩；当 n0,i20,T0,制动

19、:将动能电能热能,优点：能耗小，制动准确、平稳，不会反转,缺点：需要另外加直流电源,第9章 7.1,(2)反接制动线路,将三相中的任意两相对调，产生制动转矩，使M停机。,优点：方法简单，制动效果好。,缺点：能量消耗大。,旋转磁场与转子的相对转速,为(n1+n)I2 I1,必须在笼型电动机的定子或绕线式电动机的转子中串入电阻R，以防止烧坏绕组。,第9章 7.1,M3,R,R,R,单相异步电动机常用于功率不大的电动工具（如电钻、搅拌器等）以及众多的家用电器,7.2 单相异步电动机,作为驱动，其功率一般为几 几百瓦。,单相异步电动机:定子只有一相主绕组的异步电动机。,第9章 7.2,（如电风扇、电冰

20、箱、洗衣机、抽油烟机等）,概 述,单相异步电动机均采用鼠笼式转子，但定子有所不同。,7.2.1 单相异步电动机的结构和工作原理,4 鼠笼式转子绕组,隐极式,凸极式,1.单相异步电动机的结构,1 定子,2 定子绕组,3 转子,第9章 7.2,单相异步电动机的转子电流和电磁力 f 如图。,2.单相异步电动机的工作原理,(1)磁场分析,当定子绕组中通入单相交流电后产生的磁场为交变脉振磁场：在每一瞬间各点 分布为正弦；,在不同瞬间各点 分布为驻波。,可将驻波分解为两个幅值相等、以同一转速 n1向相反方向旋转的磁通。,+T+,T,第9章 7.2,（2）脉振磁场的分解,0,t0,t1,t2,t3,t4,t

21、5,t6,t7,t8,t,第9章 7.2,(2)脉振磁场的分解,脉振磁场可以分解为两个幅值相等、转速相同(均为 n1)、转向相反的旋转磁场。,第9章 7.2,T,0,1,1,S+,S,n,若有外力将转子推一下，两个转矩不再相等，电动机可以继续转下去。当转子转向与+相同时，,f2+=S+f1,=2 S+1,2,2,0,n,合成转矩 T=T+T,S+=S=1时,n=0,T=0,3.转矩特性曲线,不能自行起动,第9章 7.2,若三相异步电动机运行时断了一根线，相,若 n=0，则不能起动，此时电流很大，时,若 n 0，则能够继续转动,但转速很慢，,的单相运行，或称缺相运行。,间一长，电动机将会被烧坏；

22、,仍带额定负载,电流势必超过其额定值，时间一长，电动机也将被烧坏。,三相异步电动机的单相运行,当于单相异步电动机，称为三相异步电动机,第9章 7.2,(1)电容分相起动电路,Z1,Z2,I1,I,Q,1.分相起动法,7.2.2 单相异步电动机的起动方法,电容分相 在定子上放置一个起动绕组 F1F2,与主绕组在空间相隔 90,并串联电容器 C，使二绕组中的电流相差约 90,即可产生旋转磁场。,在电机起动后，有的电动机利用离心开关 S 切断起动绕组F1F2。,起动绕组,第9章 7.2,工作绕组,工作绕组,(1)电容分相起动电路,Z1,Z2,I1,I,Q,1.分相起动法,7.2.2 单相异步电动机的

23、起动方法,电容分相 在定子上放置一个起动绕组 F1F2,与主绕组在空间相隔 90,并串联电容器 C，使二绕组中的电流相差约 90,即可产生旋转磁场。,在电机起动后，有的电动机利用离心开关 S 切断起动绕组F1F2。,起动绕组,第9章 7.2,（1）电容分相起动电路,C2,反转：只要将起动绕组接电源 的两端 F1F2 对调即可。,工作绕组,Z1,Z2,Q,起动绕组,C1,S,第9章 7.2,F2,F1,Z1,Z2,C,i1,t,i,i2,0,t=0,i1=0，i2为正值,两相绕组形成的旋转磁场,F2,F1,Z1,Z2,t=45,i1、i2均为正值,F2,F1,Z1,Z2,t=90,i1为正值，i

24、2=0,S,1,2,磁场从F1 F2的轴线位置转向Z1 Z2的轴线位置,i2=Imsin(t+90),i1=Imsin t,u,i2,i1,第9章 7.2,F2,F1,Z1,Z2,i1=Imsin(t+90),i2=Imsin t,S,C,u,i2,i1,i1,t,i,i2,0,t=0,如何改变旋转磁场的转向？,i1为正值，i2=0,1,2,磁场从Z1 Z2 的轴线位置转向F1 F2的轴线位置,第9章 7.2,(1)在空间相差90的两个绕组，分别流入在相位上 相差90的两相电流，也能产生旋转磁场。,(2)如果两个绕组的参数相同，两相电流的幅值相等，产生的是圆形旋转磁场。,(3)如果两个绕组的参

25、数不对称，两相电流的幅值不 相等，或者两相电流的相位差小于90时，产生 的是椭圆形旋转磁场。,(4)旋转磁场的转向是从电流相位超前的绕组的轴线 位置转向电流相位滞后的绕组的轴线位置,所以,改变两个绕组中电流的相位关系,可以改变旋转 磁场的转向,也就改变了电动机的转向。,结 论,第9章 7.2,(2)电阻分相起动电路,工作绕组,Z1,Z2,I1,I,Q,I2,起动绕组,相量图,起动绕组的电阻大,电感量小，故称为电阻分相起动电路。,两相电流产生椭圆形旋转磁场。,第9章 7.2,A,c,在电动机的极靴上加入短路铜环称为罩极。,2.罩极起动法,罩极内外的磁通产生相位差形成旋转磁场。,它使鼠笼形转子产生转矩而起动。,第9章 7.2,磁通示意图,C,K,A,B,i,罩极内外的磁通分析,第9章 7.2,电机的转向为 AC，方向不能改变；若要改变方向，只能改变罩极的位置。,