交流电机的应用.ppt

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1、课题三 交流电机的应用任务一 认识三相异步电动机,教学目的：1、了解三相异步电动机的特点、用途和分类。2、认识三相异步电动机的结构，了解各部件的作用。3、了解三相异步电动机的铭牌数据，掌握额定值的简单计算。4、掌握三相异步电动机的工作原理、旋转磁场、定子绕组。,一、三相异步电动机的特点和用途 三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、价格低廉、维护方便、效率较高、体积小、重量轻等一系列优点。三相异步电动机广泛应用于对调速性能要求不高的场合，在中小企业中应用特别多，例如普通机床、起重机、鼓风机、水泵及各种农副产品的加工机械等。如图3-1所示。,图3-1 三相异步电动机的应用(a)普通车床(b)摇臂钻

2、床(c)生产线(d)万能铣床,1、定子由机座、铁心、绕组、端盖、接线端子盒等组成。机座的主要作用是固定和支撑定子铁心。定子铁心是三相异步电动机磁路的一部分。定子绕组是由许多线圈按一定的规律连接而成的，是定子中的电路部分。定子三相绕组的连接方式的选择，需视电源的线电压而定。如果电动机所接电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，它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，它的绕组就应该接成星型。通常电动机的铭牌上标有符号Y/和数字380/220V，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法时的线电压。2、转子由铁心、绕组、转轴、风扇等组成。转子铁心为圆柱形，通常由定

3、子铁心冲片剩下的内圆硅钢片叠成，压装在转轴上。转子绕组有笼形和绕线式两种结构。其中笼型因结构简单等得到广泛应用。,三、三相异步电动机的铭牌 三相异步电动机的机座上都有一块铭牌，上面标有电动机的型号、规格和有关技术数据。1、型号：国产异步电动机的型号由汉语拼音字母以及国际通用符号和阿拉伯数字组成。2、接法：是指电动机在额定电压下，三相定子绕组的连接方式，Y或。3、额定频率 fN（HZ）：指电动机定子绕组所加交流电源的频率。我国工频为50HZ。4、额定电压UN（V）：是电动机在正常运行时加在定子绕组上的线电压。5、额定电流IN（A）：是电动机在正常运行时，定子绕组线电流的有效值。6、额定功率PN（

4、KW）和额定效率N,额定功率是指在额定电压、额定频率、额定负载运行时电动机轴上输出的机械功率。额定效率是指额定运行时输出机械功率与输入电功率的比值。7、额定转速nN（r/min）：是指在额定频率、额定电压、额定输出功率时，电动机每分钟的转数。8、绝缘等级：是指电动机定子绕组所用的绝缘材料允许的最高温度等级，有A、E、B、F、H、C六级。目前一般电动机采用较多的是E级和B级。9、功率因数cos 10、工作方式（1）连续工作方式（2）短时工作方式（3）断续工作方式,四、三相异步电动机的系列和分类 我国生产的三相异步电动机种类很多，根据不同的场合和用途可以进行针对性的选择。五、三相异步电动机的工作原

5、理 三相异步电动机的工作原理，是基于定子绕组内三相电流所产生的旋转磁场与转子导体内电流的相互作用。三相电通给定子绕组，产生旋转磁场，静止的转子相对于旋转磁场有一个相对的切割磁力线的运动，产生感应电动势，产生感应电流，转子绕组上有了电流，在磁场中有会受到电磁力的作用，形成电磁转矩T，克服阻转矩，驱动转子旋转起来，实现了电能转换成机械能的目的。,转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的必要条件。由于转子转速不等于同步转速，所以把这种电动机称为异步电动机，而把转速差（n1-n）与同步转速n1的比值称为异步电动机的转差率，用s表示，即:s=转速差s是分析异步电动机工作情况的重要参数。它反映了转子导体

6、切割磁力线的速度占旋转磁场转速的比例关系。转差率越大，转子中的电动势和电流越大，电动机从电源输入的电流和功率也越大。,六、三相异步电动机的旋转磁场 要使异步电动机转动起来，必须要有一个旋转磁场。异步电动机的旋转磁场是怎样产生的呢？三相异步电动机定子通过三相正弦交流电产生旋转磁场。为了简便起见，假设每相绕组只有一个线圈，分别嵌在定子内圆周的六个凹槽之中，如图3-3所示，图中U1、V1、W1和U2、V2、W2分别代表各相绕组的首端和末端。三相电流的波形如图3-4所示。,图3-3 定子三相绕组(a)嵌放情况（b）星型接法接线图,图3-4 三相电流的波形,下面分析不同时刻的合成磁场。如图3-5所示。,

7、图3-5三相电流产生旋转磁场（两极）a)t=0 b)t=60 c)t=120 d)t=180,由图3-3和3-4可知，U相绕组内的电流，超前于V相绕组内的电流120，而V相绕组内的电流又超前于W相绕组内的电流120，同时图3-5所示旋转磁场的转向也是U-V-W，即沿顺时针方向旋转。所以，旋转磁场的转向与三相电流的相序一致。要改变旋转磁场的方向，只要把定子的绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。以上讨论的旋转磁场，只有一对磁极，即p=1（磁极对数用p表示）。从上述分析可看出，电流变化一个周期（360电角度），旋转磁场的空间也旋转了一圈（360机械角度），若电源的频率为f1，旋转磁场每分钟将

8、旋转60 f1 圈，以n1表之，即：n1=60f1,当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其转速仅为一对磁极时的一半，即每分钟60f1/2转。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：旋转磁场的转速n1与电源的频率成正比而与磁极对数成反比。我国标准的工业频率为50HZ，因此，对应于p=1、2、3和4时，同步转速分别为3000r/min、1500 r/min、1000 r/min和750r/min。,例3-1 一台三相四级异步电动机，额定频率50HZ，额定转速nN=1440r/min，计算额定转差率。解：,七、三相异步电动机的定子绕组 1、三相交流绕组概述（1）绕组展开图（2）三相绕组在空间位置上分别相

9、差120电角度；每相绕组的线圈数、支路数相等，导线规格一样；每相绕组在空间的分布规律一样。（3）电角度和机械角度 电角度等于机械角度与磁极对数的乘积：电角度=P机械角度 式中P磁极对数。（4）极距与节距y 定子铁心表面每个磁极所占的范围称为极距，一般用槽数表示。,若定子槽数用Z1表示，磁极对数用P表示，则：一个线圈两个有效边在定子铁心表面跨过的槽数 称节距y0.8 左右时，电机的性能最佳。（5）槽距角 相邻两槽之间的电角度称为槽距角，它表示相邻两槽导体中电动势的相位差：（6）每极每相槽数q 若用m1表示定子的相数，则每相绕组在每个磁极下所占有的槽数为：,（7）相带 每一个磁极下每相绕组所占的范

10、围称为相带，用电角度表示。一般三相异步电动机都采用60相带。2、三相单层绕组 三相单层绕组的线圈数只有槽数的一半，单层绕组可分为同心式、链式和交叉式三种。3、三相双层绕组 三相双层绕组可分为叠绕组和波绕组两大类。,任务二 三相异步电动机的运行,教学目的：1、了解三相异步电动机运行时的电磁关系。2、了解三相异步电动机的基本方程式和等值电路。3、熟悉三相异步电动机的功率关系。4、了解三相异步电动机的工作特性。5、学习测试三相异步电动机工作特性的方法。,一、三相异步电动机的空载运行 1、空载时的电磁关系 特点：T几乎等于T0，恒定运行；n=n1，转速很高；I2=0，E2S=0，只有定子绕组产生磁势。

11、2、空载时的电压方程式 三相异步电动机的定子每相电压方程式：与变压器的分析方法相似，可写成 式中，为励磁阻抗，其中 是反映铁损耗的等效电阻，是与主磁通 相对应的励磁电抗。,由于电动机的漏阻抗很小，所以在数值上电压与电动势近似相等：U1E1=4.44Kw1f1N1 m 式中f1是定子交流电源的频率，N1是定子每相绕组的串联匝数，Kw1是每相绕 组由于短距、分布等原因引 起电动势减小的绕组系数。3、空载时的等值电路 根据式，即可画出三相 异步电动机空载时某一相的 等值电路，如图3-6所示。图3-6 异步电动机空载时的等值电路,二、三相异步电动机的负载运行 1、定转子磁场的关系 电动机负载运行时，其

12、转速为n(r/min)低于同步转速n1，转动方向与旋转磁场同向。旋转磁场与转子之间的相对转速（即转差）为，于是在转子绕组中就感应出电动势，产生电流，其频率为：转子合成磁场相对于转子的旋转速度为：转子旋转磁场在空间的旋转速度为：无论异步电动机的转速如何变化，定、转子的磁场总是相对静止的。,2、电压方程式 异步电动机带上负载后，定子电流从增大到可列出三相异步电动机负载时定子每相绕组的电压方程式：与定子绕组的电动势相类似，负载时转子每相绕组感应电动势的大小为：式中 Kw2转子绕组系数;N2转子每相绕组的匝数。因为异步电动机的转子电路自成闭路，端电压U2=0，所以转子的电压方程式为：式中r2转子每相绕

13、组的电阻；转子每相绕组的漏阻抗，与转子频率 有 关。,3、异步电动机的等值电路（1）转子频率的折算 转子不动时，定、转子绕组的频率是一样的。转子电流的频率为，电阻为r2，漏电抗为x2，转子每相绕组电动势和电流大小为:而实际旋转的转子，其感应电动势的频率和大小为：E2s=4.44f2N2Kw2=4.44 sf1N2Kw2=sE2,=,转子漏阻抗为：转子每相电流大小为：将转子的实际电阻r2用等效电阻 代替，等效电阻可以分解为：异步电动机频率折算后的定、转子电路如图3-7所示。,图3-7 异步电动机频率折算后的定、转子电路,（2）转子绕组的折算 经过绕组折算后，转子每相绕组的电动势为：式中 电压比。

14、根据磁动势不变的原则，可得折算后的转子电流为：式中 电流比。根据有功功率和无功功率不变的原则，可得折算后的转子电阻和漏电抗为：,经过频率和绕组折算后，异步电动机的定、转子电路如图3-8所示。,图3-8 异步电动机频率和绕组折算的定、转子电路,（3）异步电动机的等值电路 图3-9所示为T形等值电路。,图3-9 T形等值电路,三、三相异步电动机的功率和转矩关系 从电源输入的电功率 定子绕组的铜损耗 定子铁损耗 电源输入的电功率去除定子绕组上的铜损耗和铁损耗后，便是定子传递给转子回路的电磁功率：从转子电路看，转子绕组的铜损耗：,电动机转轴上产生的机械功率，用Pm表示。转轴上真正输出的功率，用表示。可

15、见异步电动机运行时，从电源输入电功率到转轴上输出机械功率的全过程为：由此可知以下关系：,当电磁功率一定，转差率s越小，转子铜损耗越小，机械功率越大，效率越高。电动机运行时，若s增大，转子铜损耗也增大，电动机易发热，效率降低。电动机产生的机械功率除以轴上的角速度 就是电磁转矩T，也等于电磁功率PM除以同步角速度：轴上输出的转矩 T2=T-T0 电动机正常运行时，T0很小可忽略，输出转矩T2与负载转矩TL相平衡，则有：TT2=TL,四、三相异步电动机的工作特性 图3-10为三相异步电动机的工作特性曲线。1、转速特性n=f(P2)随着P2的增加，转子转 速n下降，转差率s增大。2、定子电流特性I1=

16、f(P2)当P2PN时，由于cos 降低，I1增加更快。3、定子功率因数特性 负载超过额定负 载时，由于转差率较大，转子的功率因数下降较多，引起定子电流中的无功分量也增大，因此功率因 数 趋于下降。,图3-10异步电动机的工作特性,4、电磁转矩特性 T=f(P2)当电动机空载时，电磁转矩T=T0,随着负载增加，P2增大，由于机械角速度变化不大，因此电磁转矩T随P2的变化近似为一条直线。5、效率特性,任务三三相异步电动机的启动、反转和制动,教学目的：1、了解三相异步电动机启动时存在的问题。2、熟悉三相异步电动机常用的启动方法。3、了解三相异步电动机的反转方法。4、了解三相异步电动机的制动方法。5

17、、学会三相异步电动机常用的启动、反转和制动方法的的操作使用。,一、三相异步电动机的启动 三相异步电动机常用的启动方法有以下几种：1全压启动 用开关将额定电压直接 加到定子绕组上使电动机启 动，就是全压启动，又称直 接启动。图3-11所示是用电 源开关QS全压启动的电路。全压启动的优点是设备 简单，操作方便，启动时间 短。只要电网的容量允许，应尽量采用全压启动。容量 在10 kW以下的三相异步电动机一般都采用全压启动。,图3-11 全压启动电路,一台三相异步电动机是否允许全压启动，各地电力 部门分别有规定。此外也可用经验公式来确定，若满足下面公式，则 电动机可以全压启动。2三相笼形转子异步电动机

18、减压启动 三相笼形转子异步电动机的额定功率超出了允许全压启动的范围，则应采用减压启动。所谓减压启动，是借助启动设备将电源电压适当降低后再加到定子绕组上进行启动，待电动机转速升高后，再使电压恢复到额定值，转入正常运行。,日前常用的减压启动方法有三种：（1）定子串接电抗器启动 三相异步电动机启动时在定子电路中串入电抗器，这样可以降低定子电 压，限制启动电流，在转 速接近额定值后，将电抗 器切除，使电动机在额定 电压下开始正常运行。(2)丫启动 三相笼形转子异步电 动机丫启动的电路如 图3-12所示。,312 Y启动电路,(3)自耦变压器减压启动 自耦变压器减压启动的电路如图313所示。三相自耦变压

19、器接丫形，用一个六刀双掷转换开关Q来控制自耦变压器接入或脱离电路。启动时 把开关Q扳到启动位置,使三 相交流电源接入自耦变压器 的一次侧，电动机的定子绕 组接到自耦变压器的二次侧，这时电动机定子绕组的电压 低于额定电压，因而减小了 启动 电流。待电动机转速升 高后，把开关Q从启动位置 迅速扳到运行位置，让定子 绕组直接与电源相接，而自 耦变压器则与电路脱开。,图3-13自耦变压器减压启动,3三相笼形转子异步电动机晶闸管减压软启动 上述常用的减压启动方法，在启动过程中，加在电动机定子绕组上的电压都是有级 跳跃变化的。如果利用晶闸管控 制交流电每个周期导通时间的长 短，使交流电压从零开始慢慢升 高

20、，将整个启动过程中的电流自 动控制在一个合适的数值，例如 两倍的额定电流。这种启动方法 对电源、电动机和负载几乎没有 冲击，因此称为软启动。图3-14 是三相笼形转子异步电动机双向 晶闸管减压软启动的电路原理图。,图3-14晶闸管软启动电路,4三相笼形转子异步电动机变频启动 具有变频调速装置的三相笼形转子异步电动机，肯定采用减压变频启动方法。5绕线转子异步电动机转子串电阻启动 笼形转子异步电动机的转子绕 组是短接的，因此无法改变其 参数来改善启动性能。对于既 要限制启动电流，又要重载启 动的场合，不得不采用绕线转 子异步电动机。绕线转子异步电动机转子 串电阻启动的电路如图315 所示。,图3-

21、15转子串电阻启动,6绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器启动 为了改进转子串电阻启动过程中，电阻级数有限，电流和转矩波动大的缺点，可以改用转子串频敏变阻器启 动。频敏变阻器的结构是一个 三相铁心线圈，其铁心不用硅 钢片叠成，而是用3050 mm 厚的钢板叠成，铁损耗很大。铁心中的涡流损耗和磁滞损耗 都随频率而变化。其等效电阻 和线圈的电抗都与频率有关，因此称为频敏变阻器。它与绕线转子异步电动机的转子绕组相接，如图316所示。,图3-16转子串频敏变阻器启动,7深槽式和双鼠笼异步电动机 将转子串频敏变阻器启动的原理应用于三相笼形转子异步电动机，就形成了启动性能较好的深槽式和双鼠笼异步电动机。这两

22、种特殊的笼形转子异步电动机，利用交流电流的集肤效应，使电动机刚开始启动时，由于转子频率，f2较高，转子电流集中在导体表面，等效转子电阻大，启动电流小，启动转矩大。而正常工作时，转子频率f2较低性能与普通笼形转子异步电动机差不多。对于上面所介绍的三相异步电动机的各种启动方法，可根据电动机容量的大小和负载的轻重大致分为四种情况，来分别选用不同的启动方法。大容量电动机的主要问题是减小启动电流，重载时的主要问题是增大启动转矩。,二、三相异步电动机的反转 三相异步电动机驱动的生产机械，往往需要改变运动方向，如电梯的上下、刨床的来回运动、起重机的提升和下放重物，都需要电动机能快速地正反转。从三相异步电动机

23、的工 作原理可知，电动机的旋转 方向取决于定子旋转磁场的 旋转方向。因此只要改变旋 转磁场的转向，就能使三相 异步电动机反转。图317 是利用控制开关来实现电动 机正反转的原理线路图。,图317电动机正反转原理图,三、三相异步电动机的制动 制动的方法有机械制动和电气制动两类。机械制动通常利用电磁抱闸制动器来实现。电动机启动时，电磁抱闸线圈同时通电，电磁铁吸合，使抱闸松开；电动机断电时，抱闸线圈同时断电，电磁铁释放，在弹簧作用下，抱闸把电动机转子紧紧抱住，实现制动。起重机常用这种方法制动。电气制动就是在电动机转子中产生一个与转动方向相反的电磁转矩，使电动机迅速停止转动。常用的电气制动方法有以下几

24、种：,1、反接制动 反接制动分为电源反接制动和倒拉反接制动两种。（1）电源反接制动 电源反接制动的电路和原理图如图3-18。,图3-18电源反接制动的电路和原理图,电源反接制动的机械特性如图319所示 反接制动的优点是制动电路比较简单，制动转矩较大，停机迅速，但制动瞬间电流较大，电能消耗也较大，机械冲击强烈，易损坏传动部件，这种制动一般用于要求迅速反转的场合。,图3-19电源反接制动的机械特性,（2）倒拉反接制动 绕线转子异步电动机驱动位势负载(即重力负载)，并在转子回路串入大电阻的时候，就可能工作在倒拉反接制动状态，其机械特性如图3-20所示。,图3-20倒拉反接制动机械特性,2、能耗制动

25、能耗制动的方法是，将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开，立即接到直流电源上，如图3-21所示。能耗制动的机械特性如图3-22所示,图3-21 能耗制动的电路和原理图,图3-22 能耗制动的机械特性,3、回馈制动 回馈制动又称再生制动或发电制动，主要用在起重设备中。例如当起重机下放重物时，因重力的作用，电动机的转速n超过旋转磁场的转速n1，转子中感应电动势、电流和电磁转矩的方向都发生了变化，电动机转入发电运行状态，将重物的势能转换为电能，再同送到电网，所以称为回馈制动或发电制动。,任务四 电动机的选择,教学目的：1、了解电动机选用的意义。2、了解电动机选用的基本原则。3、熟悉电动机

26、选用的主要内容。,一、电动机选用的基本原则 合理选用电动机的基本原则有以下几方面：1、电动机的机械特性与生产机械的负载特性相匹配。即电动机能够满足生产机械在转速稳定性方面的要求，有一定的调速范围，具有良好的启动、制动性能。2、电动机在工作过程中，其功率和转矩能得到充分利用。3、电动机的结构形式应满足安装要求和适合周围的工作环境。如防止灰尘、水滴进入电动机内部；防止绕组绝缘受有害气体的腐蚀；在有爆炸危险的环境中采用防爆结构等。4、在满足生产机械工作性能要求的条件下，尽可能选用结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉的电动机，即性价比高的电动机。,二、电动机选用的主要内容 电动机的选用主要包括以下几

27、个方面：电动机额定功率(即额定容量)的选择、电动机种类和结构形式的选择、电动机额定电压和额定转速的选择。其中以电动机额定功率的选择最为重要。1、电动机额定功率的选择 确定电动机额定功率的基本依据是：电动机运行中的实际最高温度不超过绝缘材料允许的最高温度，这是保证电动机长期安全运行的必要条件。但在实际分析时往往考虑的是电动机绝缘材料的温升，即电动机温度与周围环境温度之差。电动机的额定功率是按照周围环境温度为40设计的，因此，电机铭牌上所标的温升就是绝缘材料的最高允许温度与40之差，也称额定温升。,2、电动机种类的选择 为生产机械选择电动机的种类，首先要考虑的是电动机的性能是否满足生产机械的要求。

28、在这个前提下，优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便的电动机。（1）优先选用三相异步电动机 三相异步电动机又可分为笼形转子和绕线转子两大类。（2）直流电动机的调速性能优异，对于要求在大范围内平滑调速和需要准确位置控制的生产机械，宜采用直流电动机。（3）对于驱动功率大、转速恒定、需要补偿电网功率因数的场合，宜选用交流同步电动机，例如大功率水泵、鼓风机、空气压缩机、球磨机等。,3、电动机结构形式的选择 电动机按其安装方式不同可分为卧式和立式两种。由于立式电动机的价格较贵所以一般情况下应选用卧式电动机。只有当需要简化传动装置时，如深井水泵和钻床等，才使用立式电动机。电动机按轴伸端个数分为单轴

29、伸和双轴伸两种。一般情况下，选用单轴伸电动机；特殊情况下才选用双轴伸电动机。例如需要安装测速发电机或同时拖动两台生产机械时，则必须选用双轴伸电动机。电动机按防护形式的等级分为开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。开启式电动机价格便宜，散热好，但只能用在干燥、清洁的环境中。防护式电动机只能用于比较干燥、灰尘不多、无腐蚀性气体和爆炸性气体的环境中。封闭式电动机可用于潮湿、尘土多的环境中，潜水泵电动机则采用密封性能很好的密闭式电动机。防爆式电动机可用于有易燃、易爆气体的危险环境 中，如煤气站、油库及矿井等场所。,4电动机额定电压的选择 所选电动机的额定电压要与现场供电电网的电压等级相符，否则不能正常工

30、作。一般车间低压电网的电压为380V，因此，中小型交流电动机的额定电压一般为380V。通常有220380 V和380660 V两种。大型交流电动机根据供电电压可选用额定电压为3 kV、6 kV或10 kV的高压电动机。直流电动机的额定电压一般为110V、220V、440V等，最常用的直流电压等级为220 V。目前使用的直流电动机一般由大功率晶闸管整流装置供电，选择电动机的额定电压时，要与供电电网的交流电压及不同形式的整流电路相配合。当直流电动机的容量较小时，采用单相桥式整流电路供电，若相电压为220V，则电动机的额定电压应选用160V。当直流电动机的容量较大时，采用三相桥式整流电路供电，若线电

31、压为380V，则电动机的额定电压应 选用440V，并且采用改进的Z3型直流电动机。,5.电动机额定转速的选择 电动机的额定转速选择得是否合理，将直接影响到电动机的价格、效率、体积及生产机械的生产率等各项技术指标和经济指标。对于额定功率相同的电动机，若转速越高，则电动机的体积越小、重量越轻、价格越低，因而选用高速电动机是比较经济的。但是当生产机械的转速一定且较低时，则电动机的转速越高，传动机构的传动比就越大，传动机构越复杂。因此，选用电动机的额定转速时，必须兼顾机械和电气两方面的性能综合考虑。通常，电动机的额定转速在7501500r/min比较合适。综合以上分析可知，选用电动机时，应从额定功率、额定电压、额定转速、种类和形式等几方面综合考虑，在电动机性能满足生产机械要求的条件下，力求设备投资少，电能消耗少，维护费用低，做到既经济又合理。,