电工学简明教程4

第4章电动机第4章电动机第4章电动机第4章电动机4.1三相异步电动机的构造4.2三相异步电动机的工作原理4.3三相异步电动机的电路分析4.4三相异步电动机的转矩与机械特性4.5三相异步电动机的起动4.6三相异步电动机的调速*4.7三相异步电动机的制动4.8三相异步电动机的铭牌数据4.9单相异步电动机*4.10直流电动机*4.11控制电机第4章电动机4.1三相异步电动机的构造异步电动机的应用非常广泛：在工业方面：中、小型轧钢设备，机床、轻工机械、起重机械，矿山机械等。在农业方面：脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。在家用电器方面：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。电动机的作用是将交流电能转换成机械能，电动机分交流电动机和直流电动机两大类，而交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。1．异步电动机按电动机定子相数分：三相异步电动机、单相异步电动机。2．按电动机的转子结构分：笼型异步电动机、绕线型异步电动机。第4章电动机电动机的外形4.1三相异步电动机的构造第4章电动机三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。第4章电动机端盖机座三相异步电动机的基本结构示意图三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。第4章电动机三相异步电动机的基本结构示意图定子三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。第4章电动机三相异步电动机的基本结构示意图定子转子轴承端盖机座三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。第4章电动机1．定子三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。定子绕组机座铁心第4章电动机定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。定子硅钢片第4章电动机2．转子绕线型转子铁心与绕组根据转子绕组结构的不同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。外接电阻电刷滑环转子铁心转子绕组第4章电动机转子铁心是由相互绝缘的硅钢片叠压而成。转子硅钢片2．转子第4章电动机2．转子笼型转子笼型转子的电动机称笼型电动机。笼型转子是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。第4章电动机在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2定子绕组星形联结定子绕组三角形联结端子第4章电动机在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组。定子绕组U1U2V1V2W1W2iU1iV1iW1uU1uV1uW1i1i2i3U1V1W1U2V2W2U1W2V1U2W1V2+++设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示第4章电动机定子绕组与转子绕组转子绕组定子绕组U1W2V1U2W1V2+++设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示第4章电动机4.2三相异步电动机的工作原理i1i2i3U1V1W1U2V2W2i1=Imsinti2=Imsin(t–120)i3=Imsin(t+120)i1i2i3对称三相电流流入对称三相绕组。tiO4.2.1旋转磁场第4章电动机4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生tiOi1t=0U1W2V1U2W1V2i1=0i2为负值i3为正值NS0i2i3设：电流的流入端用+表示电流的流出端用•表示第4章电动机tt=60iU1W2V1U2W1V2NS60i1=0i2为负值i3为正值i1i2i3O4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生第4章电动机t=90U1W2V1U2W1V2NS90i1为正值i2为负值i3为负值tii1i2i3O4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生第4章电动机t=180U1W2V1U2W1V2i1=0i2为正值i3为负值180NStii1i2i3O4.2.1旋转磁场1．旋转磁场的产生第4章电动机t=0U1W2V1U2W1V2NS0Nt=180U1W2V1U2W1V2S180t=90U1W2V1U2W1V2NS90t=60U1W2V1U2W1V2NS601．旋转磁场的产生第4章电动机空间相差120º角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场，当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º)。综上分析可以得出：第4章电动机tiiU1iV1iW10U1V1W1U2V2W2i1i390600U1W2V1U2W1V2NS0U1W2V1U2W1V2NS60U1W2V1U2W1V2NS90i22．改变旋转磁场的转向第4章电动机综上分析可以得出：改变流入三相绕组的电流相序，就能改变旋转磁场的转向；改变了旋转磁场的转向，也就改变了三相异步电动机的旋转方向。第4章电动机3．旋转磁场的磁极对数p旋转磁场的磁极对数p与三相定子绕组的连接方式有关。4．旋转磁场的转速n0pfn1060—电源的频率—磁极对数n0的单位：转/分若f1=50Hz，p=1n0=3000r/minp=2n0=1500r/minp=3n0=1000r/min第4章电动机4.2.2电动机的转动原理•••SNn0ne(i)ff转子导体旋转磁极形成旋转磁场，旋转磁场的转速也称为同步转速。笼型转子在旋转磁场的作用下也转动起来，其转向与旋转磁场的转向相同。第4章电动机4.2.3转差率s转差率00nnns0ssN=0.015~0.06转子转速n=(1–s)n0[例1]已知n=975r/min，f1=50Hz。求：p、s、f2。[解]p=3s=n1nn110009751000==0.025第4章电动机4.3三相异步电动机的电路分析下图所示是三相异步电动机每相电路图。和变压器相比：定子绕组相当于变压器的一次绕组。转子绕组相当于变压器的二次绕组。第4章电动机4.3.1定子电路定子电路jX11IR11U1E+++σ1E111111111σ111)(IZEIXREIREEUj定子的内阻抗：Z1=R1+jX1忽略Z111EUU1E1=4.44f1N1：旋转磁场每极磁通；N1：每相定子绕组匝数；f1：定子电流频率。第4章电动机4.3.2转子电路R2jX2转子电路2I2E2E++1．转子频率f260)(02nnpf1000260)(sfpnnnnfHz)50Hz(5.4~5.012ff第4章电动机R2jX2转子电路2I2E2E++2．转子电动势E222222222σ2)(IZIXRIREEj转子内阻抗：Z2=R2+jX2转子电动势：E2=4.44f2N2=4.44sf1N2=sE203．转子感抗X2202122222sXLsfLfX第4章电动机4．转子电流I2R2jX2转子电路2I2E2E+[phone])(sXRsEXREI5．转子电路的功率因数cos2220222222222)(cossXRRXRRI2cos2cos2I2Os1第4章电动机4.4三相异步电动机的转矩与机械特性电磁转矩T=KTI2cos2电磁转矩是由旋转磁场的磁通和转子电流的I2有功分量相互作用而产生的，所以与结构有关的常数常数4.4.1转矩公式22022212)(sXRUsRKT第4章电动机4.4.2机械特性曲线sT10TstTmsmsNTN转矩特性T=f(s)22022212)(sXRUsRKTT与成正比21U第4章电动机机械特性曲线n=f(T)1．额定转矩TNT=TC=T2+T0T260222nPTTNN2N550.9nPTP2：电动机轴上的输出功率P2单位：瓦(W)n单位：转/分(r/min)T单位：牛米(N·m)nTstT2=TN(在b点)On0TTmnNTNba29550PTn第4章电动机由dT/ds=0，得sm=±–—R2X20sm=–—R2X20取正值sm—称为临界转差率代入T的表达式求得最大转矩Tmax2．最大转矩Tmax不同电源电压的转矩特性nOn0TTstTmaxnNTNdU1212021max2UXUKT22022212)(sXRUsRKT1U11UU第4章电动机(4)sm=R2/X20结论：(1)TmaxU12(2)Tmax与R2无关(3)过载系数TmaxTN1.82.2sm与U1无关2．最大转矩Tmax不同转子电阻的转矩特性nOn0TTmax2R22RRR2第4章电动机起动瞬间n=0，s=1U1↓→Tst↓↓R2↑→Tst↑负载转矩T2Tst，不能起动。负载转矩T2Tst，可带负载起动。stTstTN一般st1.02.2起动转矩倍数3．起动转矩Tst22022212XRURKT22022212)(sXRUsRKT第4章电动机[例1]已知PN=4.5kW，nN=950r/min，N=84.5%，U=380V，f1=50Hz，=2，st=1.7。求：(1)磁极对数p；(2)s；(3)TN；(4)输入功率P1；(5)Tmax；(6)Tst。[解](1)p=3s=n0nNn110009501000==0.05(2)(3)TN=9.55PNnN=9.554.5103950=45.24N·m(4)P1=PNN4.50.845=kW=5.33kW(5)Tmax=TN=245.24N·m=90.48N·m(6)Tst=stTN=1.745.24N·m=76.91N·m第4章电动机4.5三相异步电动机的起动4.5.1起动性能起动初始瞬间，n=0，s=1(1)起动电流Ist大，4~7IN。频繁起动会使电动机过热。过大的起动电流在短时间内会在线路上造成较大的电压降落，影响邻近负载的正常工作。(2)起动转矩Tst不大，虽然刚起动时转子电流较大，但转子的功率因数很低,不能满载起动。电磁转矩T=KTI2cos2第4章电动机4.5.2起动方法1．直接起动直接起动是在起动时把电动机的定子绕组直接接入电网。特点：起动转矩小；起动电流大，比额定值大4~7倍；影响同一电网上其他负载的正常工作。优点：简单、方便、经济、起动过程快，适用于中小型笼型异步电动机。2．降压起动起动时降低电动机的电源电压，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复正常。第4章电动机(1)星形—三角形(Y-)换接起动FUW2U1U2V1V2W1QS1转子定子绕组只适用于电动机在工作时定子绕组为形接法。QS2YW1V1U1U2V2W2形U1U2V1W1V2W2Y形第4章电动机FUW2U1U2V1V2W1QS1转子定子绕组QS2V2(1)星形—三角形(Y-)换接起动Y形ZUZUIIll3pYpYY形ZUZUIIll333pp31ΔYllII31322ststYllUUTT起动电流和起动转矩都降低为直接起动时的三分之一。第4章电动机QS2起动三相自耦变压器(2)自耦降压起动U1U2V1V2W1W2QS1M3~第4章电动机U1U2V1V2W1W2QS1QS2运转起动三相自耦变压器M3~(2)自耦降压起动第4章电动机~~绕线型电动机起动时，可在转子绕组中串联电阻，以减小起动电流。(3)转子串电阻起动Rst转子第4章电动机[例1]有一Y225–4型三相异步电动机，其额定数据见下表。试求：(1)额定电流；(2)额定转差率sN；(3)额定转矩TN、最大转矩Tmax、起动转矩Tst。[解]功率转速电压效率功率因数Ist/INTst/TNTmax/TN45kW1480r/min380V92.3%0.887.01.92.2(1)4~100kW的电动机通常是380V，形联结。332N104510A84.2A3cos338