电工电子4电机及其控制.ppt

电工电子技术基础电工电子技术基础清华大学出版社第第4章章电机及其控制电机及其控制v项目一项目一三相异步电动机的认识三相异步电动机的认识v项目二项目二三相异步电动机的启动控制三相异步电动机的启动控制v项目三项目三三相异步电动机的正反转控制三相异步电动机的正反转控制v项目四项目四三相异步电动机的变速控制三相异步电动机的变速控制v项目五项目五三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动项目一三相异步电动机的认识v任务一任务一认识三相异步电动机的结构认识三相异步电动机的结构v任务二任务二学习三相异步电动机的工作原理学习三相异步电动机的工作原理v任务三任务三了解三相异步电动机的电磁转矩和机了解三相异步电动机的电磁转矩和机械特性械特性v任务四任务四学习三相异步电动机的铭牌及其选择学习三相异步电动机的铭牌及其选择v项目引入项目引入v你见过如图所示的搬运工具吗？v你知道电动葫芦的动力源是什么吗？v这个动力源的结构如何？v它是怎样工作的？v任务目标任务目标v（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；v（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。车间常用的电车间常用的电动葫芦动葫芦三相异步电动机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-转子铁心转子转子绕线型转子绕线型转子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其他附件有端盖、轴承、轴承盖、风叶、风罩和接线盒等。想一想：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定律电磁感应、全电流、电路、电磁力等。电磁感应、全电流、电路、电磁力等。旋转磁场旋转磁场电动机旋转的动力。电动机旋转的动力。基本原理基本原理在在定子定子绕组中，通入三相交流电所产绕组中，通入三相交流电所产生的生的旋转磁场旋转磁场与与转子转子绕组中的绕组中的感应电流感应电流相互作用产相互作用产生的生的电磁力电磁力形成形成电磁转矩电磁转矩，驱动转子转动驱动转子转动，从而使，从而使电动机工作。电动机工作。（1）三相交流电可产生旋转磁场）三相交流电可产生旋转磁场（2）转子转动原理）转子转动原理1旋转磁场定子三相电流产生的旋转磁场v三相定子绕组及其波形三相定子绕组及其波形 星形连接星形连接三相对称电流波形三相对称电流波形iA=Imsin t 参考方向参考方向iB=Imsin（t120）iC=Imsin（t+120）三相电流互成三相电流互成120，相序，相序A-B-C t=0 t=60 t=90 t=180vv三相电流产生的旋转磁场三相电流产生的旋转磁场顺时针转顺时针转60o顺时针转顺时针转90o顺时针转顺时针转180o磁场磁场三相对称交流电流，产生三相对称交流电流，产生一对磁极（磁极对数一对磁极（磁极对数p=1）合成的随时间变化的）合成的随时间变化的旋转磁场旋转磁场。当电流当电流经过一个周期的变化经过一个周期的变化（t=0360）时，合成磁场也）时，合成磁场也顺时针方向顺时针方向旋转旋转360的空间角度。的空间角度。vv 改变旋转磁场的转向改变旋转磁场的转向2旋转磁场的转向相序相序A-B-C相序相序A-C-Bt=0t=60旋转磁场的转速为 n060f1/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），pl为二极，p2为四极，p3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定子绕组通电旋转磁场旋转磁场感应电动势（右手定则）感应电动势（右手定则）转子感应电流转子感应电流 受电磁力受电磁力F作用作用（左手定则）（左手定则）对转轴产生电磁对转轴产生电磁转矩转矩T（顺时针）（顺时针）转子以转速转子以转速n顺着旋转磁场的方向旋转顺着旋转磁场的方向旋转 同步转速同步转速转子转子感应电流感应电流旋转磁场旋转磁场定子绕组定子绕组转转子转速感应电动机：感应电动机：电磁感应传递能量电磁感应传递能量同步转速n0v三相交流电产生的旋转磁场的转速v n0=60f1/p转/分（r/min）v p 磁极对数（由三相定子绕组的磁极对数（由三相定子绕组的布置和连接决定）。布置和连接决定）。p=l为为2极；极；p=2为为4极；极；p=3为为6极极f1（Hz）：定子电流频率）：定子电流频率磁极对数Pl23456同步转速n0（r/min）300015001000750600500电动机电动机p 固定，且固定，且f1也固定，则也固定，则n0也是固定的也是固定的“异步v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（nn0）异步电动机的转速异步电动机的转速v转差电动机的同步转速n0与转子的转速n之差。v转差率s转差与同步转速n0的比值vs=(n0n)/n0100%vn=(1s)60f1/p转差v电动机启动时n=0，s=1；v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%。v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vn=(1s)60f/pv=(10.04)6050/2=1440r/min转差率想一想：想一想：异步电动机的定子旋转磁场与转子磁场是不是同步的？三相异步电动机的同步转速由哪些因素确定？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v1.电磁转矩v2机械特性1电磁转矩v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：vT=kTI2cos2vT（Nm）电动机的电磁转矩；v（Wb）旋转磁场每极的磁通量；vI2（A）转子电流的有效值；vkT与电动机结构相关的常数；vcos2转子电路的功率因数。转子电流的有功分量转子电流的有功分量2.机械特性曲线v（1）三相异步电动机的转矩特性T=f(s)v当定子外加电压U1和频率f1一定时（磁通量基本不变），转矩T与转差率s的关系曲线T=f(s)。v（2）三相异步电动机的机械特性n=f(T)v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：理想空载：s=0，n=n0，T=0临界转矩：最大值临界转矩：最大值Tm临界转差率临界转差率Sm额定转矩额定转矩TN启动转矩启动转矩Tst（2）三相异步电动机的机械特性稳定区稳定区硬特性硬特性不稳定区不稳定区在稳定区内某一在稳定区内某一点时，电磁转矩点时，电磁转矩与负载转矩相平与负载转矩相平衡而保持匀速转衡而保持匀速转动。动。自动适应负自动适应负载转矩的变化载转矩的变化不能不能自动适应负载自动适应负载转矩的变化转矩的变化vTN：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；v是电动机长期持续工作时轴上输出转矩的最大值。v TN=9550PN/nNvPN（kW）异步电动机的额定功率；vnN（r/min）异步电动机的额定转速；vTN（Nm）异步电动机的额定转矩。额定转矩TNvTm：电动机转矩的最大值表示。v“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67倍，将引起电动机严重过热，甚至烧坏。v过载能力允许电动机短时间接近Tm过载运行。v过载系数最大转矩Tm与额定转矩TN之比=Tm/TNv一般为1.82.2最大转矩（临界转矩）TmvTst：电动机在接通电源被启动的最初瞬间，n=0，s=1时的转矩。v启动能力（Tst/TN）取1.32.2v为保证电动机能够启动，则TstTLv电动机一旦启动，会迅速进入机械特性的稳定区运行。v堵转现象：当TstTL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。启动转矩Tst电动机静止时电动机静止时的负载转矩的负载转矩例例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，=2.2，st=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=955055/1480354.9（Nm）Tst=1.3354.9461（Nm）TM=2.2354.9780（Nm）v想一想想一想：v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？v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？v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？v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v1.电动机的铭牌v例：Y132M-4型三相异步电动机。vv表表表表 三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌三相异步电动机的铭牌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v（1）型号v（2）电压及接法v（3）电流v（4）功率、功率因数和效率v（5）频率v（6）转速v（7）绝缘等级v（8）工作方式v型号：表示电动机类型、用途和技术特征的代号。vY132M-4vY三相鼠笼型异步电动机，名称代号的意义；v132机座中心高132mm；vM机座长度代号（L/长机座，M/中机座，S/短机座v4磁极数（磁极对数p=2）（1）型号大写拼音字母大写拼音字母和数字组成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产品品名名称称新代号（旧代号）新代号（旧代号）汉汉字字意意义义适适用用场场合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表中Y、Y-L系列是新产品。系列是新产品。Y系列定子绕组是铜线，系列定子绕组是铜线，Y-L系列定子绕组是铝线。系列定子绕组是铝线。v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。v电源电压波动应在UN5%范围内。v过高，易烧毁；过低，难启动，可能带不动负载，易烧坏。v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vY系列三相异步电动机的额定电压为系列三相异步电动机的额定电压为380V；v电动机如标有两种电压值，如220/380V，v则电源电压220V时，电动机作三角形连接；v电源电压380V时，电动机作星形连接。v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：铭牌上的接法：指电动机在额定运指电动机在额定运行时定子绕组的连接方式行时定子绕组的连接方式v额定电流IN：电动机在额定运行时，定子绕组中的线电流。v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v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。v对电源来说电动机为三相对称负载，则v电动机的输入功率：v功率因数cos：定子相电压与相电流相位差的余弦。v电动机的效率：=PN/P1N100%v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v铭牌上的频率是指定子绕组外加的铭牌上的频率是指定子绕组外加的电源频率，即额定频率，用电源频率，即额定频率，用f1或或fN表示表示（5）频率）频率（6）转速v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。v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。v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v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。v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绝缘等等级级AEBFHC最高允最高允许许温温度度/C105120130155180180（8）工作方式及防护等级v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。v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。v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。v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：想一想：v某三相笼型异步电动机的额定电压为220380V，那么在380V的情况下，可否采用星-角启动？为什么?2三相异步电动机的选择v（1）功率（即容量）的选择电动机功率的选择，由生产机械所需的功率决定。v（2）种类和类型的选择选择电动机的种类和类型时，可根据电源类型、机械特性、调速与启动特性、维护及价格等方面来考虑。v（3）电压的选择v（4）转速的选择v例例4.2 有一台异步电动机，其技术数据为：额定功率PN30kW，三角形连接（额定电压UN380V），额定转速nN1370rmin，额定工作时的效率90，定子功率因数cos0.85，启动能力Tst/TN1.2，过载系数2.0，工频f150Hz，启动电流比Ist/IN7.0。v试求：（1）极对数p；（2）额定转差率sN；v（3）额定转矩TN；（4）最大转矩Tm；v（5）直接启动转矩Tst；（6）额定电流IN；v（7）直接启动电流Ist。v解：解：（1）求极对数pv由于电动机的额定转速略小于旋转磁场的同步转速n0，因此，可根据nN1370r/min判断其同步转速n01500r/min，故得vp60f1/n06050/15002v（2）求额定转差率sNvsN（n0nN）/n0100%（15001370）/1500100%8.7%v（3）求额定转矩TNvTN9550PN/nN955030/1370209Nmv（4）求最大转矩TmvTMTN2209418Nmv（5）求直接启动转矩TstvTst1.2TN1.2209250.8Nmv（6）求额定电流INv电动机的额定输入功率P1NPN/UNINcosvINPN/UNcos30103/3800.90.8559.6Av（7）求直接启动电流IstvIst7.0IN7.059.6417A项目二三相异步电动机的启动控制v任务一认识几个常用低压电器v边学边做边学边做1学习三相异步电动机的全电压启动v边学边做边学边做2学习三相异步电动机的降压启动v任务目标任务目标v(1)认识与启动控制相关的几个常用的低压电器元件；v(2)学会全电压直接启动的控制方法；v(3)学会Y-降压启动的控制方法，会分析；v(4)学会自耦变压器降压启动控制。电动机直接起动电路如何实现电动机的控制？如何实现电动机的控制？对于不同类型、不同功率和不同负载的电对于不同类型、不同功率和不同负载的电动机，启动方式是否相同？需要哪些电器动机，启动方式是否相同？需要哪些电器元件？你了解这些元件吗？元件？你了解这些元件吗？任务一认识几个常用低压电器v1刀开关v2熔断器v3热继电器v4控制按钮v5接触器1刀开关刀刀开开关关安安装装时时，手手柄柄要要向向上上，不不得得倒倒装装或或平平装装。如如果果倒倒装装，拉拉闸闸后后手手柄柄可可能能会会因因自自重重下下落落而而引引起起误误合合闸闸，造造成成人人身身及及设设备备安安全全事事故故。接接线线时时较较为为安安全全的的做做法法是是：将将电电源源线线接接在在刀刀开开关关的的上上端，负载线接在其下端。端，负载线接在其下端。2熔断器3热继电器热热继继电电器器由由于于热热惯惯性性，当当电电路路短短路路时时不不能能立立即即动动作作而而使使电电路路瞬瞬间间断断开开，因因此此不不能能作作短短路路保保护护。同同理理，在在电电动动机机启启动动或或短短时时过过载载时时，热热继继电电器器也不会动作，这样可避免电动机不必要的停车。也不会动作，这样可避免电动机不必要的停车。4控制按钮5接触器边学边做边学边做1学习三相异步电动机的全电压启动v预备知识电气原理图v电气控制线路图有三类，即电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图。一、实训目的v（1）认识常用的低压控制电器，会使用；v（2）熟悉三相异步电动机的点动、长动原理，能根据电气原理图接线；v（3）加深对“自锁”的理解。二、实训仪器与器件v（1）三相笼形异步电动机1台v（2）交流接触器3台v（3）热继电器1只v（4）熔断器2个v（5）按钮开关2个v（6）刀开关1个v（7）自动空气开关1个v（8）绝缘导线若干v（9）万用表1个v（10）工具：测电笔、电式钳、剥线钳、电工刀、旋具（一字和十字）三、实训原理电动机的启动分析v电动机接通电源，转速由零上升到稳定值的过程为启动过程。v在电动机接通电源的瞬间（即转子尚未转动时），n0，s1，定子电流（即启动电流）Ist很大。启动电流虽很大，但启动时间很短(仅几分之一秒到几秒)，而且随着电动机转速的上升电流会迅速减小，故对于容量不大且不频繁启动的电动机影响不大。v电动机的启动电流过大，会产生较大的线路压降，则直接影响接在同一线路上的其他负载的正常工作。例如，可能使运行中的电动机转速下降，甚至停转等。四、实训内容v（1）直接用开关启动电机v（2）单向全电压连续启动控制v（3）点动控制边学边做边学边做2学习三相异步电动机的降压启动v时间继电器一、实训目的v（1）认识和理解时间继电器，能正确使用；v（2）熟悉三相异步电动机的降压启动原理，能根据电气原理图接线；v（3）加深对“互锁”的理解。二、实训仪器与器件v（1）三相笼形异步电动机1台v（2）交流接触器3台v（3）热继电器1只v（4）时间继电器1个v（5）按钮开关2个v（6）刀开关1个v（7）熔断器2个v（8）三相滑线变阻器1台v（9）钳形电流表1块v（10）绝缘导线若干v（11）工具：测电笔、电式钳、剥线钳、电工刀、旋具（一字和十字）三、实训原理电动机的星形三角形降压启动分析vIYL/IL1/3四、实训内容v（1）星形三角形降压启动控制（2）定子绕组串电阻降压启动控制项目三三相异步电动机的正反转控制v项目引入项目引入v在实际应用中，往往要求生产机械改变运动方向，如机床主轴的顺逆旋转、工作台的左右移动等，这就要求电动机能实现正转、反转两个方向的运转。那么，电动机如何实现正反转的控制呢？需要哪些电器元件？v任务目标任务目标v（1）掌握“互锁”的应用；v（2）学会电动机“正-停-反”、“正-反-停”及正反转自动循环控制的方法。边学边做边学边做学习三相异步电动机的正反转控制v行程开关一、实训目的v（1）认识行程开关，注意其与撞块之间的动作关系，能正确使用；v（2）熟悉三相异步电动机的正反转运行的原理，能根据电气原理图接线；v（3）加深对“互锁”的理解。二、实训仪器与器件v（1）三相笼形异步电动机1台v（2）交流接触器2台v（3）热继电器2只v（4）按钮开关3个v（5）行程开关2个v（6）刀开关1个v（7）熔断器2个v（8）绝缘导线若干v（9）万用表1只v（10）工具：测电笔、电式钳、剥线钳、电工刀、旋具（一字和十字）三、实训原理电动机的正反转控制分析v由三相异步电动机的工作原理可知，只要将电动机接在三相电源中的任意两根电线对调，即改变电源的相序，就可实现电动机的反转。四、实训内容v1电动机的“正-停-反”控制v2电动机的“正-反-停”控制v3电动机的正反转自动循环控制项目四三相异步电动机的变速控制v项目引入项目引入v在负载不变的情况下，人为地改变电动机的转速，以满足各种生产机械需求，这就是调速。怎样实现这种“调速”呢？v 任务目标任务目标v（1）掌握调速的几种方法；v（2）通过学习了解哪些场合需要调速。电动机的调速分析电动机的调速分析v（1）变频调速）变频调速v（2）变极调速）变极调速v（3）变转差率调速）变转差率调速n（1s）60 f1/p项目五三相异步电动机的制动v项目引入项目引入v已经学习了电动机的启动原理和控制方法，如何让正在运行的电动机立刻停转？只停掉电源，电动机在惯性作用下还会旋转，怎样实现这个“立刻”呢？v 任务目标任务目标v（1）认识与制动控制相关的常用电器元件速度继电器；v（2）理解制动的概念；v（3）学会电动机反接制动的控制方法；v（4）学会电动机能耗制动的控制方法。电动机的制动分析电动机的制动分析v电动机制动方法一般分为机械制动和电气制动两种。v机械制动是利用机械装置使电动机迅速停转，常用机械抱闸、液压制动器等机械装置。机械抱闸装置，一般由制动电磁铁和闸瓦制动器组成，可分为通电制动和断电制动。制动时将制动电磁铁的线圈通电或断电，通过机械抱闸使电动机制动。v电气制动实质上是在电动机停车时产生一个与转子原来转动方向相反的制动转矩，迫使电动机迅速停车。机床上常用的电气制动控制有能耗制动和反接制动。任务一学习三相异步电动机的制动v1速度继电器v2反接制动v3能耗制动v4回馈制动转子转子1速度继电器电动机轴电动机轴定子定子绕组绕组摆锤摆锤动触点动触点静触点静触点2反接制动3能耗制动4回馈制动任务二三相异步电动机的保护环节v1短路保护v2过载保护v3过电流保护v4零电压及欠电压保护v（1）零电压保护v（2）欠电压保护v结束