电工电子4-电机及其控制

电工电子技术基础清华大学出版社第4章电机及其控制项目一三相异步电动机的认识项目二三相异步电动机的启动控制项目三三相异步电动机的正反转控制项目四三相异步电动机的变速控制项目五三相异步电动机的制动项目一三相异步电动机的认识任务一认识三相异步电动机的结构任务二学习三相异步电动机的工作原理任务三了解三相异步电动机的电磁转矩和机械特性任务四学习三相异步电动机的铭牌及其选择项目引入你见过如图所示的搬运工具吗？你知道电动葫芦的动力源是什么吗？这个动力源的结构如何？它是怎样工作的？任务目标（1）了解三相异步电动机的结构，理解其工作原理，并掌握其特性；（2）理解电动机铭牌上技术数据的意义，能根据需要正确地选择和使用电动机。车间常用的电动葫芦任务一认识三相异步电动机的结构（a）电动机结构（b）电动机外形1-散热筋2-吊环3-转轴4-转子5-风扇6-罩壳7-轴承盖8-端盖9-接线盒10-机座11-轴承12-铭牌由定子和转子构成，在定子和转子之间留有一定的气隙。还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。（a）定子铁心（b）定子硅钢片（c）转子硅钢片固定部分，用来产生旋转磁场的一般由定子铁芯、定子绕组和外壳等组成。定子由三个彼此独立的绕组组成（每个绕组即为一相），通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。在空间彼此相隔120°电角度，每相绕组的多个线圈均匀分布嵌放在定子铁芯槽中。（a）星形接法（b）三角形接法定子绕组作用：产生旋转力矩，拖动生产机械旋转。组成：转子铁芯、转子绕组、转轴等。转子绕组：笼型转子和绕线型转子两种。（a）笼型绕组（b）转子外形铸铝的笼型转子1-铸铝条2-风叶3-转子铁心转子绕线型转子1-转子三相绕组2-转子铁心3-集电环4-转子绕组接线头5-电刷6-刷架7-电刷外接线8-镀锌钢丝箍9-转轴10-定子绕组接线示意图提刷装置其他附件其他附件有端盖、轴承、轴承盖、风叶、风罩和接线盒等。想一想：定子和转子的铁心为什么用硅钢片叠成？笼型转子上有绕组吗？任务二学习三相异步电动机的工作原理定律——电磁感应、全电流、电路、电磁力等。旋转磁场——电动机旋转的动力。基本原理——在定子绕组中，通入三相交流电所产生的旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用产生的电磁力形成电磁转矩，驱动转子转动，从而使电动机工作。（1）三相交流电可产生旋转磁场（2）转子转动原理1．旋转磁场定子三相电流产生的旋转磁场三相定子绕组及其波形星形连接三相对称电流波形iA=Imsint参考方向iB=Imsin（t−120°）iC=Imsin（t+120°）三相电流互成120°，相序A-B-Ct=0°t=60°t=90°t=180°三相电流产生的旋转磁场顺时针转60o顺时针转90o顺时针转180o磁场三相对称交流电流，产生一对磁极（磁极对数p=1）合成的随时间变化的旋转磁场。当电流经过一个周期的变化（t=0～360°）时，合成磁场也顺时针方向旋转360°的空间角度。改变旋转磁场的转向2．旋转磁场的转向相序A-B-C相序A-C-Bt=0°t=60°旋转磁场的转速为n0＝60f1/p（r/min）n0——电动机同步转速（即旋转磁场的转速），单位为r/min；f1——定子电流频率，单位为Hz；P——磁极对数（由三相定子绕组的布置和连接决定），p＝l为二极，p＝2为四极，p＝3为六极，依次类推。2.三相异步电动机的转动原理定子绕组通电——旋转磁场感应电动势（右手定则）转子感应电流——受电磁力F作用（左手定则）——对转轴产生电磁转矩T（顺时针）——转子以转速n顺着旋转磁场的方向旋转同步转速转子感应电流旋转磁场定子绕组转子转速感应电动机：电磁感应传递能量同步转速n0三相交流电产生的旋转磁场的转速n0=60f1/p转/分（r/min）p∶磁极对数（由三相定子绕组的布置和连接决定）。p=l为2极；p=2为4极；p=3为6极f1（Hz）：定子电流频率磁极对数Pl23456同步转速n0（r/min）300015001000750600500电动机p固定，且f1也固定，则n0也是固定的“异步异步电动机转子转速n不可能达到同步转速n0——“异步”——电动机工作的必要条件（n＜n0）异步电动机的转速转差——电动机的同步转速n0与转子的转速n之差。转差率s——转差与同步转速n0的比值s=(n0−n)/n0×100%n=(1−s)60f1/p转差电动机启动时n=0，s=1；当n=n0时（理想空载运行），s=0；稳定运行时，n接近n0，s很小，一般在2%~7%。例：一台四极异步电动机，三相电源频率为50Hz，额定转差率为0.04，则其在额定运行时转速为n=(1−s)×60f/p=(1−0.04)×60×50/2=1440r/min转差率想一想：①异步电动机的定子旋转磁场与转子磁场是不是同步的？②三相异步电动机的同步转速由哪些因素确定？③怎样改变三相异步电动机的转向?与通入定子绕组的三相交流电的相序有关吗？任务三了解三相异步电动机的电磁转矩和机械特性1.电磁转矩2．机械特性1．电磁转矩电磁转矩T的产生——转子电流I2在旋转磁场中受到电磁阻力的作用：T=kTΦI2cos2T（N·m）——电动机的电磁转矩；Φ（Wb）——旋转磁场每极的磁通量；I2（A）——转子电流的有效值；kT——与电动机结构相关的常数；cos2——转子电路的功率因数。转子电流的有功分量2.机械特性曲线（1）三相异步电动机的转矩特性T=f(s)当定子外加电压U1和频率f1一定时（磁通量Φ基本不变），转矩T与转差率s的关系曲线T=f(s)。（2）三相异步电动机的机械特性n=f(T)转速与转矩的关系曲线（1）三相异步电动机的转矩特性理想空载：s=0，n=n0，T=0临界转矩：最大值Tm临界转差率Sm额定转矩TN启动转矩Tst（2）三相异步电动机的机械特性稳定区—硬特性不稳定区在稳定区内某一点时，电磁转矩与负载转矩相平衡而保持匀速转动。自动适应负载转矩的变化不能自动适应负载转矩的变化TN：电动机在额定电压下，带上额定负载，以额定转速运行，输出额定功率时的转矩；是电动机长期持续工作时轴上输出转矩的最大值。TN=9550PN/nNPN（kW）——异步电动机的额定功率；nN（r/min）——异步电动机的额定转速；TN（N·m）——异步电动机的额定转矩。①额定转矩TNTm：电动机转矩的最大值表示。“闷车”——当负载转矩超过Tm时，电动机将带不动负载而发生停车。此时电动机的电流（堵转电流）立即增大到额定电流值的6～7倍，将引起电动机严重过热，甚至烧坏。过载能力——允许电动机短时间接近Tm过载运行。过载系数λ——最大转矩Tm与额定转矩TN之比λ=Tm/TN一般为1.8~2.2②最大转矩（临界转矩）TmTst：电动机在接通电源被启动的最初瞬间，n=0，s=1时的转矩。启动能力（Tst/TN）——取1.3~2.2为保证电动机能够启动，则Tst＞TL电动机一旦启动，会迅速进入机械特性的稳定区运行。堵转现象：当Tst＜TL时，电动机无法启动，电流达最大，造成电动机过热，也会烧坏电动机。③启动转矩Tst电动机静止时的负载转矩〖例4.1〗某三相异步鼠笼式电动机，其额定功率PN=55kW，额定转速nN=1480r/min，λ=2.2，λst=1.3。这台电动机的额定转速TN、启动转矩Tst和最大转矩TM各为多少？解：由式（4-9）计算电动机的额定转矩得TN=9550×55/1480≈354.9（N·m）Tst=1.3×354.9≈461（N·m）TM=2.2×354.9≈780（N·m）想一想：①三相异步电动机的电磁转矩是怎样产生的？电磁转矩与定子电压U1有何关系？②三相异步电动机接通电源后，如果转轴受阻而长时间不能启动有何后果？③三相异步电动机带额定负载运行时，如果电源电压降低，电动机的转矩、转速及电流有无变化？如何变化？④异步电动机长时间过载运行时，为什么会造成电动机过热？当电动机运行过程中负载转矩增加而大于TM时，将会发生什么情况？任务四学习三相异步电动机的铭牌及其选择1.电动机的铭牌例：Y132M-4型三相异步电动机。表三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号Y132M-4功率7.5kW频率50Hz电压380V电流15.4A接法△转速1440r/min绝缘等级B工作方式连续年月日×××电机厂（1）型号（2）电压及接法（3）电流（4）功率、功率因数和效率（5）频率（6）转速（7）绝缘等级（8）工作方式型号：表示电动机类型、用途和技术特征的代号。Y132M-4Y——三相鼠笼型异步电动机，名称代号的意义；132——机座中心高132mm；M——机座长度代号（L/长机座，M/中机座，S/短机座4——磁极数（磁极对数p=2）（1）型号大写拼音字母和数字组成表常用三相异步电动机产品名称代号及汉字意义产品名称新代号（旧代号）汉字意义适用场合鼠笼式异步电动机Y，Y-L（J，JO）异步一般用途绕线式异步电动机YR（JR，JRO）异步绕线小容量电源场合防爆型异步电动机YB（JB，JBS）异步防爆石油、化工、煤矿井下防爆安全型异步电动机YA（JA）异步安全石油、化工、煤矿井下高启动转矩异步电动机YQ（JQ，JQO）异步启动静负荷、惯性较大的机器表中Y、Y-L系列是新产品。Y系列定子绕组是铜线，Y-L系列定子绕组是铝线。额定电压UN：电动机额定运行时，加在定子绕组出线端的线电压。电源电压波动应在UN±5%范围内。过高，易烧毁；过低，难启动，可能带不动负载，易烧坏。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V、6000V等多种。（2）电压及接法Y系列三相异步电动机的额定电压为380V；电动机如标有两种电压值，如220/380V，则电源电压220V时，电动机作三角形连接；电源电压380V时，电动机作星形连接。通常，Y系列4kW以上的三相异步电动机运行时均采用三角形接法，以便于采用Y-△换接启动。电压接法铭牌上的接法：指电动机在额定运行时定子绕组的连接方式额定电流IN：电动机在额定运行时，定子绕组中的线电流。若超过额定电流（过载）运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。（3）电流额定功率PN：电动机在额定运行状态下，其轴上输出的机械功率。对电源来说电动机为三相对称负载，则电动机的输入功率：功率因数cos：定子相电压与相电流相位差的余弦。电动机的效率：η=PN/P1N×100%通常，电动机额定运行时的效率约为72%~93%。（4）功率、功率因数和效率铭牌上的频率是指定子绕组外加的电源频率，即额定频率，用f1或fN表示（5）频率（6）转速铭牌上的转速是指电动机在额定电压、额定频率及输出额定功率时的转速，称额定转速nN。由于额定状态下sN很小，nN和n0相差很小，故可根据额定转速判断出电动机的磁极对数。例如，若nN=1330r/min，则其n0应为1500r/min，从而推断出磁极对数p=2。（7）绝缘等级绝缘等级是根据电动机绕组所用的绝缘材料按使用时的最高允许温度而划分的不同等级。表4-4电动机绕组常用绝缘材料等级及其最高允许温度绝缘等级AEBFHC最高允许温度/°C105120130155180＞180（8）工作方式及防护等级①连续工作方式。在额定状态下可长期连续工作，用S1表示。如机床，水泵，通风机等设备所用的异步电动机。②短时工作。在额定情况下，持续运行时间不允许超过规定的时限，否则会使电机过热，用S2表示。短时工作分为10、30、60、90（min）等四种。③断续工作。可按工作周期，以间歇方式运行，用S3表示，如吊车、起重机等。防护等级是指外壳防护型电动机的分级，用IP××表示。如，IP33表示此电动机可防护大于1mm颗粒进入机内，且防溅水。想一想：某三相笼型异步电动机的额定电压为220／380V，那么在380V的情况下，可否采用星-角启动？为什么