第4章交流电动机.

第4章交流电动机的工作原理及特性第4章交流电动机的工作原理及特性•交流电机分：异步电动机:三相•单相•同步电动机:••异步电动机：结构简单、便宜,是应用最多的一种电动机•同步电动机：特性绝对硬β→∞,可以作为发电机使用第4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异步电动机的额定参数•4.3三相异步电动机的转矩与机械特性•4.4三相异步电动启动特性•4.5三相异步电动机的调速方法与特性•4.6三相异步电动机的制动特性•4.7单相异步电动机•4.8同步电动机(略)第4章交流电动机的工作原理及特性•本章要求：1、了解三相异步电动机的基本构造和转动原理。2、理解三相异步电动机的转矩与机械特性，理解异步电动机的启动、调速、制动特性，掌握启动、调速、制动的基本方法。3、理解三相异步电动机铭牌数据的意义。4.1三相异步电动机的结构和工作原理•三相异步电动机主要由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。•1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环6—定子铁心；7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇4.1.1三相异步电动机的基本结构下面是它主要部件的拆分图。右图是一台三相笼型感应电动机的外形图。•1．定子•定子由铁心、绕组和机座等部分组成。•定子铁心由内周有槽的硅钢片叠成。•三相电动机的定子绕组分为三个彼此独立的绕组，称为三相绕组。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为A、B、C，末端分别标为X、Y、Z。定子绕组•转子有鼠笼式和绕线式两种，由铁心和绕组构成笼型转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。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。(1)笼型转子2．转子鼠笼式转子：•绕线式转子：铁心中对称放入一个接成星形的三相绕组，三相引出线分别接到转轴上的三个滑环上。绕线式转子绕组：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。•如图所示，AX,BY,CZ为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°，接成Y形。三相绕组的首端A,B,C接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端1.旋转磁场的产生。4.1.2三相异步电动机的旋转磁场AYCBZX()电流入(•)电流出i3i1i2itmIo当的瞬间，iA=0，iB为负值，iC为正值，根据”右手螺旋定则”，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即二极），上边是N极，下边是S极。240sin120sinsintIitIitIimCmBmA0tAiBiCimIt对称三相电流的波形表示为：对称三相电流的函数式表示为：240sin120sinsintIitIitIimCmBmAAiBiCimIt180tXBZ0nAYC60tAXYCBZSN0n60A120tXYCBZ0nA0t动画•当ωt=0的瞬间，iA=0，iB为负值，iC为正值，根据”右手螺旋定则”，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即二极），上边是N极，下边是S极。•当ωt=60°时，即经过1/6周期后，iA由零变成正值，iB仍为负值，iC变成零，如图b所示，这时合成磁场的方位与ωt=0°时相比，已按顺时针方向转过了60°。•应用同样的方法，可以得出如下结论：当ωt=120°时，合成磁场就转过了120°，如图c所示；当ωt=180°时,合成磁场就旋转了180°，如图d所示；当ωt=360°时,合成磁场旋转了360°，即转1周，如图a所示。•由此可见，空间120度对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时，产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋转一周。2.旋转磁场的旋转方向•如前分析，通入三相绕组的交流电顺序为A－B－C，则旋转磁场的旋转方向同样为A－B－C。•如果将定子绕组接至电源的B、C两根线对调，则通入三相绕组的交流电顺序为A－C－B，此时旋转磁场的旋转方向同样为A－C－B，亦即磁场的旋转方向将反向。•实际上将定子绕组接至电源的三根线中的任意两根对调，都将使旋转磁场的旋转方向反向，亦即将使电动机的转向反向。３.旋转磁场的极数与旋转速度•以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。•由此类推，当旋转磁场具有p对极时（即磁极数为2p），交流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p转。因此，三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n０、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是pfn600动画•极对数及极数：极对数p•极数（磁极数）＝2p•一般的对于对于p＝2的电机称为四极电机•人们通常以极数称呼电机，各种极数的电机的n0•2极（p＝1）n0＝3000rpm•4极（p＝2）n0＝1500rpm•6极（p＝3）n0＝1000rpm•8极（p＝4）n0＝750rpm•一般的额定转速低于这个值，如4极电机1450rpm左右4.1.3三相异步电动机的工作原理•由于三相定子线圈通入三相交流电后能够产生一个旋转磁场。•如图中N、S的磁场以n0旋转转子切割磁力线而产生电流（右手定电流I方向）•电流在磁场中切割磁力线而产生力及力矩（左手定方向）•它与n0方向相同,使转子转动起来NSn0FF•在转子转动中，n比n0小•原因：转子力矩TM＝KtΦIZ其中Φ为旋转磁场磁通Φ转子电流IZ=eZ/RZ其中RZ为转子电阻转子电势eZ=KeΦΔn其中Δn=n0-n转子线圈切割磁力线的相对转速•当n=n0时，eZ=0,IZ=0,TM＝0n0称为理想空载转速（同步转速）•实际由于TM不等于0;所以nn0•由以上分析可知Δn=n0-n不等于0是保证交流电机运转的一个重要条件所以称为异步电动机转差率:转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：s=(n0-n)/n0•转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有着重要的意义。•当异步电动机处于电动状态运行时，电磁TM和转速n同向。•转子尚未转动时，n=0,；当n=n0时，，可知异步电动机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s＜1。一般情况下，额定运行时s=0.015～0.06。100nnns000nnns4.2三相异步电动机的额定参数•4.2.1定子绕组的连接方式•在三相电机的接线盒中有六个端子三相绕组出线端的首端是U1、V1、W1末端是U2、V2、W2对于电动机有星形（Y）和三角形接法（Δ）W2U2V2V1W1U1联结电机容量联结电机容量kW4,Y3kW接线盒V1W2U1W1U2V2W1U1V1W2U2V2接电源U2U1W2V1V2W1W1U1V1W2U2V2接电源4.2.2三相异步电动机的额定值1.型号：如：Y132S-4Y—Y系列异步电动机；132—机座中心高度132mmS—短铁心；(L—长铁心M—中铁心)4—4极（2对磁极）2.额定功率:指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率，用PＮ表示，以千瓦（kW）或瓦（W）为单位.3.额定电压:指接到电动机绕组上的线电压，用UN表示。4.额定频率:指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数，用fN表示。我国规定标准电源频率为50Hz.5.额定电流:指三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流，用IN表示，以安（A）为单位。6.额定转速:表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，用nN表示，一般是略小于对应的同步转速n０。如n０=1500r/min，则nN=1440r/min。7.工作方式:连续,短时重复,短时8.温升(绝缘等级):绝缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度。9.重量:三相异步电动机的以下参数通常只在技术手册中给出，不标注在铭牌上：10.额定功率因数:COSφ211.额定效率:ηＮ12.额定转矩:启动,最大13.线绕转子电动机的滑环静止电压和电流电动机的额定转矩：电动机的输入电功率：cos31UIPnPT55.94.2.3三相异步电动机的能流图4.3三相异步电动机的转矩与机械特性4.3.1定子电路和转子电路1.定子电路的分析异步电动机：旋转磁场切割导体e，U1E1=4.44f1N1111444Nf.U1UΦ每极磁通定子感应电势的频率f1感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以6001pnff1=电源频率f2.转子电路的分析(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=sX20(4).转子电流I2(5).转子电路的功率因数cosΦ2222222XREI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。I2cosΦ2s1I2,2cosO4.3.2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IKTΦ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,,ITΦ21220222)(UsXRsRKT由此得电磁转矩公式22cosIKTTΦ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。绕线型异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。4.3.3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：NnmaxTstTOnTNT0nstT1NT一、固有机械特性NnNT电动机在额定负载时的转矩。1.理想空载点(0,n0))/()(9550NNN分转千瓦nPT在额定条件下（电压、频率、接线方式）电机的固有T－n特性曲线对于曲线如图，它由四个特殊点决定。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.额定工作点（TN,nN）3.起动工作点（Tst，