机电传动控制(邓星钟)5

第5章交流电动机的工作原理及特性掌握异步电动机的人工机械特性,它是分析异步电动机起动,制动,调速的依据;熟悉异步电动机的铭牌数据和额定值;掌握鼠笼式异步电动机的起动方法,线绕式异步电动机串电阻的起动,制动和调速;掌握异步电动机变磁极对数调速和变频调速的特性.电动机的分类：鼠笼式异步交流电动机授课内容：基本结构、工作原理、机械特性、控制方法电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机5.1概述1.定子三相异步电动机的构造铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。5.2三相异步电动机的转动原理7.2.1旋转磁场120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)BiAXBYCZAiCi1.旋转磁场的产生CiAiBiitmIoiCiAiBitmIo0n规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入CiBiAiitAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS三相电流合成磁场的分布情况0t60t合成磁场方向向下合成磁场旋转60°0n6090t合成磁场旋转90°600动画mIoSNSNAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。动画0t60t任意调换两根电源进线(电路如图)CiAXCZBYAiBi0mICiBiAitiomINSNS0t3.旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：1pCiBiAioimItBiAXBYCZAiCiAXYCBZNS若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiXAAXBYBYCCZZ极对数2p动画旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AiBiCiAXXNSZCZBYBYACSNBiCiAiimIt04.旋转磁场的转速分）转/(6010fn工频：Hz501f分）转/(30000n旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0mICiBiAitiomIAXYCBZNSAXYCBZNSAXYCBZNSXNSAXABZCYZCYBSN0t60tp=2时BiCiAiitmI0分）转/(150026010fn0n30AXXZCZBYBYACNSNS旋转磁场转速n0与极对数p的关系)/(6010分转pfn2p180分）转/(50011p360分）转/(0003极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速)f(Hz5013p120分）转/(00014p分）转/(75090旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:5.2.2电动机的转动原理1.转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电分）转/(6010pfn方向:顺时针切割转子导体Blv右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力FF电磁转矩TnvF0nNS5.2.3转差率旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即0nn异步电动机如果:0nn无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中:%~s)91(转子转速亦可由转差率求得0)(1nns%10000nnns转差率s例1：一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：n0=1000r/min,即p=3额定转差率为2.5%100%10009751000%10000nnns5.3三相异步电动机的电路分析三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。1)变压器原、副绕组是与同一主磁通相交链，异步电动机中定子和转子绕组与同一旋转磁通相交链。因此异步电动机中定子和转子绕组相当于变压器的原、副绕组。2）变压器：变化eU1E1=4.44fN1异步机：旋转eU1E1=4.44fN13）变压器：I2增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。5.3三相异步电动机的电路分析异步机：当负载增加时，转子电流I2增大I1增大，以保持基本不变，以达到传递能量的目的。三相异步电动机与变压器的不同之处。1）变压器是静止的。而异步机是旋转的。2）变压器的磁路是无气隙的。而异步机中的定子和转子之间是有不大的气隙。3）变压器中原、副绕组的感应电动势是同频率的。而异步机中转子感应电动势的频率是随转子转速改变的。5.3.1定子电路1.旋转磁场的磁通异步电动机：旋转磁场切割导体e，U1E1=4.44f1N1每极磁通111444Nf.U1UΦ旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以2.定子感应电势的频率f16001pnf感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关f1=电源频率f异步电动机每相电路i1u1e1e1e2e2i2+－++++－－－－f1f25.3.2转子电路1.转子感应电势频率f2∵定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化定子感应电势频率f1转子感应电势频率f2转子感应电势频率f21000026060fspnnnnpnnf旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同2.转子感应电动势E2E2=4.44f2N2=4.44sf1N2当转速n=0(s=1)时，f2最高，且E2最大，有E20=4.44f1N2转子静止时的感应电势即E2=sE20转子转动时的感应电势3.转子感抗X22122222σσLfsLfX当转速n=0(s=1)时，f2最高，且X2最大，有X20=2f1L2即X2=sX204.转子电流I25.转子电路的功率因数cos2222222XREI2202220)(sXRsE转子绕组的感应电流)(0002nnIs2202220max21XREIs220222222222)(cossXRRXRR202SXRs很小时1cos2202XRss较大时s1cos2转子绕组的感应电流2202220222222)(XREXREIss转子电路的功率因数2202222)(cosXRRs变化曲线随、SIcos22)(2Isn)cos(2sn结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率s有关，即与转速n有关。I2cos2s1I2,2cosO5.4三相异步电动机转矩与机械特性5.4.1转矩公式转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。22TcosIΦKT常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数ilBF22cos,,IΦT21220222)(UsXRsRKT由此得电磁转矩公式22cosIΦKTT22022202)(XREIss2202222)(cosXRRsmΦNfU11144.4由前面分析知：由公式可知21220222)(UsXRsRKT电磁转矩公式1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T21U2.当电源电压U1一定时，T是s的函数。3.R2的大小对T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。5.4.2机械特性曲线maxTmSNSOTS曲线)(sfT曲线)(Tfn根据转矩公式22022212)(sXRUsRKT得特性曲线：NnmaxTstTOnTNT0nstT1NTNnNT电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN)/()(9550NNN分转千瓦nPT三个重要转矩OnT0n额定转矩(N•m)如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为nPnPT955060π2m.N7.4914405.795509550NNNnPT2.最大转矩Tmax转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车)。电机带动最大负载的能力。21220222UsXRsRKT)(2021max2XUKT0ddST令：求得202mXRss临界转差率OnT0nTmax将sm代入转矩公式，可得max121max,)1(TUUT当U1一定时，Tmax为定值2021max2XUKT过载系数(能力)NmaxTT一般三相异步电动机的过载系数为2.2~8.1工作时必须使T2Tmax，否则电机将停转。电机严重过热而烧坏。12II(2)sm与R2有关，R2smn。绕线式电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。3.起动转矩Tst22022212)(sXRUsRKT22022212stXRURKT电动机起动时的转矩。起动时n=0时，s=1st121st,)1(TUUT(2)Tst与R2有关，适当使R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻R´2,可使Tst=Tmax。Tst体现了电动机带载起动的能力。若TstT2电机能起动，否则不能起动。0nOnTTstNststTTK起动能力4.U1和R2变化对机械特性的影响(1)U1变化对机械特性的影响UTmUUTst22022212stXRURKT2021m2XUKT202mXRs0nNUT2nTO(2)R2变化对机械特性的影响stTTOn0nR2Tstn硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。maxT2T22022212stXRURKT2021m2XUKT202mXRs5.5电力拖动的基础电力拖动是指用各种电动机作为原动机拖动生产机械运转的拖动方式。电源电动机控制设备传动机构工作机构7.5.1电力拖动系统的稳定运行分析dtdΩJTTL根据动力学理论，旋转运动系统中，用转矩表示的运动方程为：5.5.1电力拖动系统的稳定运行分析dtdΩJTTLdtdn375GDTT2L或根据上式可分析电动机的工作状态如下：0,dtdnTTL当n=0，或n=const系统处于某一稳定状态0,dtdnTTL当系统处于加速状态0,dtdnTTL当系统处于减速状态由上可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰电力系统能否稳定运行，决定于电动机的n=f(T)和生产机械的负载转矩特性n=f(TL)的配合。生产机械的负载类型：1.恒转矩负载：即负载转矩TL的大小不随n变化。（1）反抗性恒转矩负载平衡被打破，转速将发生变化。特点：负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反TnTLTLn-n-TLTnTLTLnGTL-nG2.恒功