交流电动机(机电传动控制)4.

机电传动控制1目录·第4章第4章交流电动机4-1三相异步电动机的基本结构与工作原理4-2三相异步电动机的定子电路与转子电路4-3三相异步电动机的转矩与机械特性4-4三相异步电动机的启动性能与方法4-5三相异步电动机的调速方法4-6三相异步电动机的制动机电传动控制2第4章交流电动机①了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；②掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用；③学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；④掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；⑤了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。基本要求机电传动控制3第4章交流电动机异步电动机的机械特性，它是基于异步电动机的工作原理而推导出来的；特别是异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；异步电动机直接启动和Y-△降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；•异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。定子旋转磁场与转子运动的相对性。电动机的制动过程。重点难点机电传动控制4概述交流电动机的用途:交流电动机在各行各业和日常生活等，都得到了广泛的应用。鼠笼式异步电动机在机电传动控制系统中使用得最为广泛。绕线式异步电动机与鼠笼式相比，其转子结构稍复杂，价格稍贵，一般用于要求起动电流小、起动转距大的场合。交流电动机的优缺点:结构简单，制造、使用和维护方便，•运行可靠，成本低，效率高。•但是，功率因数低、起动和调速性能差。4.1三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的基本结构均可分为定子和转子两大部分三相交流异步电动机的定子铁芯由硅钢片叠成，在铁芯内圆有许多槽，嵌放着定子绕组，即三相交流线圈，接入三相交流电源就可产生旋转磁场。定子铁芯固定在机座上，机座外面有散热筋（散热片）帮助定子散热，机座由铸铁或铸钢铸造。下图是剖面的定子与机座图。三相交流异步电动机的转子铁芯也由硅钢片叠成，在铁芯外周也有许多槽，用来嵌放着转子绕组，即鼠笼。鼠笼由铜条或（铝条）与铜端环（铝端环）组成，但应用最广的小型异步电动机采用在转子铁芯上直接浇铸熔化的铝液形成鼠笼转子，并同时铸出散热的风叶，简单又结实。给转子装上转轴，在转轴上还有电动机散热的风扇，这就是异步电动机的转动部分。把转子插入定子中间，装上轴承，用端盖把转子支撑起来，装上风扇与风罩，一个三相交流异步电动机就组成了。接入三相交流电源后定子产生的旋转磁场就可带动鼠笼转子旋转。定子绕组的接线方式图4.5出线端排列图4.6定子星形接法图4.7定子三角形接法定子三相绕组的连接方法的选择，首先要视电动机铭牌上标注的额定接法而定，另外，还要视电源的线电压和电动机的额定电压而定。用在电源线电压为380V的电网环境中定子绕线接Y行，用在电源线电压为220V的电网环境中定子绕线应接Δ形。三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号额定功率额定频率额定电压额定电流额定接法额定转速绝缘等级工作方式三相异步电动机铭牌数据三相异步电动机型号Y200M-2额定功率45kw额定频率50HZ额定电压380V额定电流84.4A额定接法：Δ接法额定转速2952r/min绝缘等级B工作方式：连续电动机的输入功率P1：NNNIUPcos31电流和功率因数定子绕组的线电压、线和、111cosIU电动机的效率：1PPN电动机轴上输出功率NP电动机的输出转矩：)55.9mNnPTNNN（min/WrnPNN电动机转速电动机轴上输出功率定子三相绕组的星形联接CeAeBeCuBuCuAuABuBCuCAABNANBC三个始端A、B、C引出三根端线，加上中点引出的总线，称为三相四线制。相电压：每相绕组两端的电压，即端线与中先线之间的电压。其有效值为UA、UB、UC，一般用Up表示。线电压：任意两端线之间的电压。其有效值为UAB、UBC、UCA，一般用Ul表示。线电压与相电压的关系•由电压瞬时值的关系可知30°由于它们都是同频率的正弦量，都可用有效值相量表示，即根据相量图，线电压与相电压的有效值关系可得即，由此，星形联接的发电机或变压器可以输出两种电压，如：220V和380V。线电压越前与相电压相位30°。•星形联接电路中，负载的相电流等于电源的线电流定子三相绕组的三角形联接•负载三角形联接的三相电路如右图：ABCiBiCuABuBCuCAiABiBCiCA|ZAB||ZBC|iA每相负载的阻抗分别为|ZAB|、|ZBC|、|ZCA|。图中各相负载都接在电源的线电压上，负载的相电压与电源的线电压相等。不论负载是否对称，其相电压总是对称的，即UAB=UBC=UCA=Ul=Up各相负载相电流的有效值分别为,ABABABZUI,BCBCBCZUICACACAZUI线电流与相电流的关系•由于负载对称，可根据线电流与相电流的关系作出相量图。显然线电流也是对称的，在相位上比相应的相电流滞后30°ABU.BCU.CAU.ABI.BCI.CAI.AI.BI.CI.30°根据相量图，线电流的大小为Il=2Ipcos30º=√¯¯Ip3作为常见负载的电动机，其三相绕组可以接成星形，也可以接成三角形；而照明负载，一般都接成有中线的星形。三相功率•不论是星形联接还是三角形联接，电路总的有功功率必定等于各相有功功率之和。CBAnnpnpnCBAIUPPPP,,)cos(•定子绕组对称分布时，各相的有功功率都是相等的。因此三相总功率为cos3cos33llpppIUIUPP对于星形对称负载pUU3lpIIl对于三角形对称负载pUUlpII3l4.1.2三相异步电动机的工作原理1.旋转磁场图4.8定子三相绕组1）旋转磁场的产生mIsinAitm2Isin3Bitm4Isin3Cit当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就产生了旋转磁场。2）旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。要改变旋转磁场的旋转方向（即改变电动机的旋转方向）时，只要把定子绕组接到电源的三根导线中任意两根对调即可。机电传动控制28旋转磁场的转速n0称为同步转速：n0决定于电流的频率f电机的磁极对数ppfn600（r/min）3）旋转磁场的旋转速度机电传动控制29AXBYCZBiAiCi240sin120sinsintIitIitIimCmBmAAXYCBZNS同步转速no与磁场磁极对数p的关系：（f＝50Hz时）磁极对数p分别为1、2、3，每个电流周期磁场转过空间角度360°、180°、120°，同步转速no分别为3000、1500、1000r/min如下定子绕组的接法，合成磁场只有一对磁极，即p＝1。pfn600（r/min）机电传动控制30磁极对数p的改变定子每相绕组由两个相等圈数的“半绕组”组成。若如右图示将每相两个“半绕组”串联，形成的磁场则是两对磁极，即p＝2。A'XX'ANSSNZC'Z'CBY'B'YC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'Ci240sin120sinsintIitIitIimCmBmABiAi机电传动控制31若改变接法将每相两个“半绕组”并联，形成的磁场则是一对磁极，即p＝1或2p＝2。（详见变极调速）YZ'C'BCX'Y'A'XB'ZAA'XX'ANSSNZC'Z'CBY'B'YC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'Ci240sin120sinsintIitIitIimCmBmABiAi机电传动控制32将每相两个“半绕组”并联形成的磁场是一对磁极即p＝1将每相两个“半绕组”串联形成的磁场是两对磁极即p＝2A'XX'ANSSNZC'Z'CBY'B'YC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXYCBZNSCi240sin120sinsintIitIitIimCmBmABiAiCiBiAi240sin120sinsintIitIitIimCmBmAYZ'C'BCX'Y'A'XB'ZA低速高速机电传动控制33两极与四极旋转磁场的比较0°120°240°360°0°60°120°180°转速低速高速机电传动控制341）三相定子绕组中通入对称三相电流产生旋转磁场。2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流。3）转子载流导体在磁场中受电磁力的作用，从而形成电磁转矩，进而驱动电动机转子旋转。2、三相异步电动机的基本工作原理机电传动控制35U2U1W2V1W1V21nn一、转动原理1、电生磁：三相对称绕组通往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，将电能转化为机械能。机电传动控制36磁力线切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子绕组产生感应电流电流与磁场作用产生电磁力电磁力产生电磁转矩转子运转转速n＜n0定子绕组通入三相交流电流旋转磁场同步转速n0二转动原理机电传动控制37电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n0，故称为异步电动机；又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，也称为感应电动机。㈢转差率转差率是异步电动机一个非常重要的参数，它反映了电动机的各种运行情况。00nnnS异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用S表示，即：11n=(-s)n4.2三相异步电动机的定子和转子设定子和转子每相绕组匝数为N1和N2，旋转磁场的磁感应强度近于正弦分布。把电动机的电磁关系同变压器类似。i2定、转子电路R1R2i1u1e1e1e2e2一、定子电路分析：二、转子电路分析：dtdNe1111UEm6001pnffdtdNe2212fSf转子电流的频率随速度的变化而变化。mΦNfE22244.4mΦNfE212044.4mΦNfUUE1111144.42设转子回路每相绕组的电阻和漏磁感抗为R2和X2，且有：2222lLfX则转子每相回路电流为：2202220222222SXRSEXREI转子电路的功率因素为：2202222cosSXRR4.3三相异步电动机的转矩与机械特性一、电磁转矩是一个非常重要的物理量，它与磁通、和I2有关，还应考虑转子电路的功率因素。22cosIKTt2202222SXRURSKTUNNENNE12112201111144.444.4NfUNfE2202220222222SXRSEXREI2202222cosSXRR二、机械特性sfT由上式得到：Tfn4.3三相异步电动机的转矩与机械特性2202222SXRURSKT0)1(nsn三相异步电动机的机械特性也分为固有机械特性和人为机械特性图4.17三相异步电动机的固有机械特性机电传动控制4400NNnnSn1固有机械特性（1）理想空载转速点（亦称同步转速点）T=0，n=n0时的工作点称为电动机的理想空载点，此时s=0，转子电流I2=0，电动机此时不进行能量转换。可看出，如果没有外界转矩的作用，异步电动机本身不可能达到该点。（2）额定运行点T=TN,n=nN的点称为电动机的额定工作点，此时s=sN,I1=IN,额定运行点的转差率很小，电动机的额定转速nN略小于同步转速n0.机电传动控制452222220stRUTKRX（4）启动工作点（3）临界工作点（亦称最大转矩点）T=Tmax,n=nm(s=sm)的点称为临界工作点，是特性曲线中性线段与非线性段得分界点。将n=0，T=Tst的点