第5章交流电动机的工作原理及特性p

2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件1第5章交流电动机的工作原理及特性本章重点：☞了解异步电动机的基本结构和原理；☞掌握异步电动机的机械特性，以及启动、调速和制动的方法；☞掌握用机械特性的四个象限来分析异步电机的运行状态。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件2☞常用的交流电动机有：三相异步电机（感应电动机）和同步电动机（即可作发电机又可作电动机）。☞异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性。☞异步电动机是工业中使用得最为广泛的一种电动机。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件35.1三相异步电动机的结构和工作原理5.1.1三相异步电动机的基本结构☞三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。如P.50图5.1所示。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件4定子转子轴承端盖机座三相异步电动机的三维结构图2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件5定子2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件6☞定子由铁芯、绕组和机座三部分组成。1.定子定子绕组机座铁心2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件72019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件8☞定子铁芯是电机磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。☞定子铁芯的硅钢片内圆上冲有定子槽，用以安放定子绕组。AZBXCY定子绕组+++2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件9AZBXCY设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。定子绕组AXBYCZiAiBiCuAuBuCiAiBiCABCXYZ+++☞每个线圈有两个有效边。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件102.转子☞转子由铁芯和转子绕组组成。☞转子铁芯是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。转子硅钢片2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件11☞转子铁芯也是电机磁路的一部分。☞转子铁芯、气隙与定子铁芯构成了电机的完整磁路。☞根据转子绕组结构的不同电机转子又分为笼型转子和绕线型转子。☞绕线型转子的电动机称绕线型电动机。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件12☞异步电机的转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜环上而组成。☞小型鼠笼式电机的转子绕组多用铝浇注而成，既降低了成本（以铝代铜），也方便了制造。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件132019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件14☞转子绕组通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。☞线绕式异步电动机的转子绕组是将线圈绕组放入转子铁心的槽内。☞转子绕组一般被连接成星形的三相绕组。外接电阻电刷滑环转子铁心转子绕组☞转子绕组组成的磁极数与定子相同。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件152019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件165.1.2三相异步电动机的工作原理☞三相异步电机是基于定子产生的旋转磁场和转子内的感应电流相互作用而工作的。☞当定子内的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组既产生旋转磁场。图5.6(b)为一对磁极的旋转磁场。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件171、电生磁：三相对称绕组通过三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。U2U1W2V1W1V21nn2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件18☞但转子转速n恒小于旋转磁场转速（同步转速）。☞所以，称为异步电机。☞所以，转子与旋转磁场才会永远有切割磁力线的相对运动，才有感应电动势和感应电流，才会产生驱动转子的电磁转矩——转子旋转的主要因素。☞我们把转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即：00nnnS☞转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。☞通常，异步电动机在额定负载时，n接近n0，转差率S很小，一般为0.015～0.060。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件195.1.3三相异步电动机的旋转磁场1.旋转磁场的产生☞假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。现将三相绕组的末端X、Y、Z相连，首端A、B、C接三相交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如P.52图5.7所示。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件20定子绕组与转子绕组定子绕组转子绕组AZBXCY+++设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件21☞假定定子绕组中，电流的正方向规定为从各自绕组的首端流向末端，且将A相绕组的电流作为参考正弦量。☞即iA的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为A—B—C）的瞬时值为：tIisinmA)32sin(mBtIi)34sin(mCtIi☞图5.8是这些电流随时间变化的曲线。☞下面分析这些电流在不同时间产生的合成磁场。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件22（1）t=0时☞iA=0；☞iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；☞iC为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到Z端。☞按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图5.9（a）箭头所示。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件23（2）t=T/6时☞iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端；☞iB为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到B端；☞iC=0。☞此时的合成磁场如图（b）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件24（3）t=T/3时☞iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端；☞iB=0；☞iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端。☞此时的合成磁场如图（c）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2/3。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件25（2）t=T/2时☞iA=0；☞iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到Y端；☞iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端。☞此时的合成磁场如图（d）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件26☞按以上分析可证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场不断旋转，故称旋转磁场。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件272.旋转磁场的旋转方向☞由P.53图5.7和图5.8可知，A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2/3，而B相绕组内的电流又超前C相绕组内的电流2/3，所以旋转磁场的旋转方向为：A→B→C，即顺时针方向旋转，与三相电流的相序一致。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件28☞如果将定子绕组的三根电源线中的任意两根线对调，例如，将B，C两根线对调，使B相与C相绕组中电流的相位对调，如图5.10所示。☞此时A相绕组内的电流超前C相绕组内的电流2/3，而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流2/3，因此，旋转磁场的旋转方向将变为A→C→B，即与未对调前的旋转方向相反。由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组的三根电源导线中的任意两根对调即可。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件293.旋转磁场的极数与旋转速度☞在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。fn600☞以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。☞电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f转，即：2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件30☞如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图所示的三相绕组。☞其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件31☞从图5.13可以看出，此情况下，电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了/2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。☞由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件32☞依次类推，当有p对磁极时，其转速为：pfn600☞所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。重点2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件335.1.4定子绕组线端连接方式☞定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，一般按图5.14所示的方法排列。☞按照我国电工专业标准规定：定子绕组出线端的首端为：U1、V1、W1，末端为：U2、V2、W2。☞三相电动机的定子绕组有星形（Y型）和三角形（△形）两种不同的接法。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件34在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。AXBYCZABCZXYAXBYCZAXBYCZABCZXY定子绕组星型连接定子绕组三角型连接端子2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件35☞如果电源的线电压=电机的额定电压，那么定子绕组应该接成三角形；☞如果电源的线电压=电机的额定电压的倍，那么定子绕组应该接成星形；3三相绕组的连接方式需视电源的线电压而定2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件36☞通常电动机的铭牌上标有符号/Y和数字220/380，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。例电源线电压为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）J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流4.25/2.45A，转速1420r/min，功率因数0.79；（2）J02-21-4，功率1.1kW，连接方法，电压380V，电流6.27A，转速1410r/min，功率因数0.79。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件37解：J32-4电动机接星形（Y），如图5.17(a)所示；J02-21-4电动机接成三角形（），如图(b)所示。2019年10月24日星期四武汉理工大学机电学院《机电传动控制》教学课件385.2三相异步电动机的定子电路和转子电路5.2.1定子电路的分析☞三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接