交流电动机.ppt

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1、章目录章目录电路与电工技术电路与电工技术主编主编 曾令琴曾令琴5.1 电动机概述5.2 三相异步电动机的结构与工作原理5.3 三相异步电动机的运行特性5.4 三相异步电动机的控制5.5 三相异步电动机的选择5.6 步进电机简介电路与电工技术电路与电工技术节目录学习目的与要求 熟悉三相异步电动机和单相异步电动机熟悉三相异步电动机和单相异步电动机的基本结构，理解它们的工作原理，了解三的基本结构，理解它们的工作原理，了解三相异步电动机的铭牌数据；掌握三相异步电相异步电动机的铭牌数据；掌握三相异步电动机的运行性能及其机械特性的分析方法；动机的运行性能及其机械特性的分析方法；熟悉三相异步电动机的起动、制

2、动、调速等熟悉三相异步电动机的起动、制动、调速等概念，理解异步电动机的起动、调速及制动概念，理解异步电动机的起动、调速及制动的控制过程。的控制过程。电路与电工技术电路与电工技术节目录5.1 电动机概述电动机概述1.电动机的发展概况电动机的发展概况 电动机的主要作用是产生驱动力矩，作为用电器或小型机械的动力源。电动机的发展是自1831年法拉第发现电磁感应现象开始，电机工业从无到有，直到具备各种电机基本形式；随着设计和理论探讨的一步步深化，电机工业不断改进，电机运行的特性发生了较大的改善。特别是进入21世纪后，随着科学技术的突飞猛进，电气化时代进入计算机和及自动控制阶段，社会的发展对电机工业提出了

3、更高的要求，特别是对计算机控制电机，提出了高可靠性、高精度、快速响应的要求。满足上述要求，控制电机才能实现计算机的“中枢神经”作用，才能完成人工无法完成的快速复杂的精巧运动。电路与电工技术电路与电工技术节目录 电磁式直流电动机中，又分有串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机中分有稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。2.电动机的分类电动机的分类（1）按工作电源分类 电动机交流电动机直流电动机单相电动机三相电动机无刷电动机有刷电动机永磁式电动机电磁式电动机电路与电工技术电路与电工技术节目录（2）按结构和工作原理分类 电动机同步电动

4、机异步电动机永磁同步电动机磁阻同步电动机交流换向异步机感应电动机单相串励异步机交直流两用异步机磁滞同步电动机推斥电动机单相异步电动机罩极异步电动机三相异步电动机电路与电工技术电路与电工技术节目录（3）按起动与运行方式分类（4）按用途分类电容起动式电动机电动机电容运行式电动机电容起动运转式电动机驱动电动机控制电动机电动工具用电动机家电用电动机分相式电动机通用型机械用电动机步进电动机伺服电动机电路与电工技术电路与电工技术节目录（5）按转子的结构分类（6）按运转速度分类鼠笼式异步电动机电动机绕线式异步电动机高速电动机恒速电动机调速电动机齿轮减速电动机电磁减速电动机等低速电动机有级调速电动机无级调速电

5、动机电路与电工技术电路与电工技术节目录 目前，国外电机的先进水平主要体现在：可靠性高、寿命长、专业化程度高、电机效率高、噪声低、重量轻、外形美观、绝缘等级高等方面，除此之外，以美国为代表的工业发达国家又在高效电机、变频电机和特种电机等方面作了大量细致、深入的研究工作，推出了新的产品系列，制定了相应的产品标准，极大地丰富了电机种类和电机理论，拓展了电机市场。主要体现在两个方面：3.电动机的发展趋势电动机的发展趋势（1）电机能效标准（2）高效节能电机 能效标准产生的背景是70年代的两次世界性的能源危机，并于80年代制定了电机能效标准。消耗能源所带来的污染降低了人们的生活品质，提高能源利用率，已成为

6、当前电动机的发展趋势和首要任务。电路与电工技术电路与电工技术节目录目前电机发展的目前电机发展的趋势如何？趋势如何？按电源类型的不同电按电源类型的不同电动机可分为哪几类？动机可分为哪几类？按工作原理的不同，按工作原理的不同，电动机又可分为哪几电动机又可分为哪几类？类？电动机的主要电动机的主要作用是什么？作用是什么？电路与电工技术电路与电工技术节目录 三相异步电动机的基本结构1.三相异步电动机的结构三相异步电动机5.25.2 三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理定子转子 三相异步电动机具有结构简单、制造成本低廉、使

7、用和维修方便、运行可靠且效率高等优点，被广泛应用于工农业生产中的各种机床、水泵、通风机、锻压和铸造机械、传送带、起重机及家用电器、实验设备中。电路与电工技术电路与电工技术节目录 异步电动机的定子指其固定不动部分，主要包括有：机座机座是电动机的支架，通常用铸铁或铸钢制成。定子铁芯铁芯硅钢片 异步电动机的定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成的。定子铁芯内圆冲有分布的槽。定子铁芯构成异步电动机磁路的一部分。定子绕组定子绕组是由漆包线绕制而成，嵌入到定子铁芯槽中。构成电机电路的一部分。电路与电工技术电路与电工技术节目录一般用45号钢制成，用来传递电磁转矩。异步电动机的转子指其旋转部分，主要部件包括

8、：转子铁芯也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成。在其内圆冲有均匀分布的槽，用来嵌放转子绕组。转子铁芯构成电动机磁路的又一部分。转子铁芯铁芯硅钢片转子绕组转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体。转子绕组构成电动机电路的另一部分。转轴电路与电工技术电路与电工技术节目录 绕线式异步电动机的转子结构中，转子铁芯与鼠笼式相类似，但转子绕组与定子绕组相同，也是采用漆包线绕制成对称三相绕组，嵌放到转子铁芯中。绕线式转子三相绕组必须连接成星形，三个向外的引出端子与固定在转轴上的三个相互绝缘的铜环相接，如下图所示：由于绕线式异步电动机的能采用转子绕组串电阻起动和调速，因此起动性能和调速性能均

9、比鼠笼式异步机优越。转轴转子铁芯固定在转轴上的三个铜滑环。Y接三相转子绕组分别与三个铜滑环相联。变阻器电刷电刷与滑环紧压，并通过输电线与变阻器相联。显然，三相绕线式异步机的转子绕组是闭合的。电路与电工技术电路与电工技术节目录2.三相异步电动机的工作原理三相异步三相异步电动机是电动机是如何转动如何转动起来的？起来的？设三相异步电动机模型的定子磁极是顺时针转动的。固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势。转子绕组是闭合的，因此感应电动势在绕组中产生感应电流。感应电流的方向与感应电动势的方向相同。载流的转子绕组处在磁场中，必定受到电磁力的作用。两个电磁力的大小相等、方向相反，因此对电动机

10、转轴形成了电磁转矩。于是转子就顺着定子磁场的方向转动起来。N NS S模型电机的定子磁极模型电机的转子绕组eei2FFn0电机转动的关键是：旋转的定子磁场！n用右手定则判断用左手定则判断电路与电工技术电路与电工技术节目录实际三相电动机实际三相电动机的旋转磁场是如的旋转磁场是如何产生的呢？何产生的呢？在电动机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电；A AX XB BY YC CZ Zt0it=0时电流和磁场情况 A、C两相电流t=0时为正，因此首端流入、尾端流出。B相电流t=0时为负，尾端流入、首端流出。电流入电流入 电流出电流出N NS Sn0相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场，方向为

11、：电路与电工技术电路与电工技术节目录t0it=120A AX XB BY YC CZ Zt=120时电流和磁场情况 N NS Sn0 显然，电流随时间变化120电角，电动机的气隙磁场在空间的位置也随之旋转了120。观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序，ABC正序时气隙磁场顺时针旋转。电路与电工技术电路与电工技术节目录t0it=240A AX XB BY YC CZ Zt=240时电流和磁场情况 N NS Sn0 电流随时间继续变化，经历了120电角的同时，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了120。电路与电工技术电路与电工技术节目录t0it=360A AX

12、 XB BY YC CZ Zt=360时电流和磁场情况 N NS Sn0 电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360。可见，工程实际中，三相异步电动机定子和转子之间的气隙旋转磁场代替了模型电机定子的转动磁极。归纳：归纳：只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场旋转磁场。电路与电工技术电路与电工技术节目录A AX XB BY YC CZ Z n0三相异步电动机工作原理概括 在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流产生气隙旋转磁场N NS S转子导体与磁场相切割感应电动势，由于闭合生成

13、感应电流载流导体受电磁力的作用形成力偶力偶对电机转轴形成电磁转矩从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。FF 若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可。电路与电工技术电路与电工技术节目录三相电动机旋转三相电动机旋转磁场的转速与哪磁场的转速与哪些因素有关？些因素有关？A AX XB BY YC CZ Z 设电动机各相定子绕组有四个线圈，各相首尾相接顺串后分别构成三相定子绕组时，其磁极对数：A AA A B B Y Y C C Z Z X XX X B BY YC CZ Z 当电动机各相定子绕组的四个线圈首接首、尾接尾连接后分别构成三相定子绕组时，其磁极对数：S

14、SN N 显然，频率不变时，电动机旋转磁场的转速取决于电动机的极对数p。电路与电工技术电路与电工技术节目录四极旋转磁场转速的分析A AA A B B Y Y C C Z Z X XX X B BY YC CZ Z 相邻线圈电流的流向一致，其合成磁场的分布情况为：t0it=0时 t=120时A AA A B B Y Y C C Z Z X XX X B BY YC CZ Z 电流变化120，旋转磁场在空间的位置仅转过了60；当电流变化360时，四极电动机的旋转磁场才能旋转180。显然，四极旋转磁场的转速是二极电机的1/2。电路与电工技术电路与电工技术节目录 依此类推，可得电动机旋转磁场的转速与极

15、对数之间的关系为：电动机通常工作在50Hz的工频情况下，因此：即：异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电机的极对数(出厂时就已经确定)成反比。显然，改变电机的极对数，可以得到不同的转速。电路与电工技术电路与电工技术节目录有关转差率的讨论 电动机的转差速度与磁场转速之比称为转差率，用s表示：显然，电动机的转差率随着电动机转速的升高而减小。(1)电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s=1；(2)电动机转速最高时，转速nn0，转差率s 0；(3)电动机运行过程中，转速0nn0，转差率0sTL，电动机就会加速运行；若TTN动力小于阻力 电机稳定运行状态被破坏转速 n下降转差率s上升转子电路

16、感应电动势增加电流I2增大定子电流I1随之增大电磁转矩T增大至T当T=TL时电动机转速重新稳定在n上，此时nn。特性曲线的N点向右移。显然，把转矩特性曲线旋转90后即可得到机械特性曲线。额定转速最大电磁转矩起动电磁转矩 电机稳定运行在 TL=TN。当负载减少时，TLn。沿特性曲线左移。NN电路与电工技术电路与电工技术节目录 三相异步电动机运行在三相异步电动机运行在 额定状态下，当额定状态下，当(（1)1)负载负载增大；增大；(2)(2)电压升高；电压升高；(3)(3)频率升高时，试分别分析频率升高时，试分别分析电动机的转速和电流的电动机的转速和电流的 变化情况。变化情况。为什么增加三相为什么增

17、加三相异步电动机的负异步电动机的负载时，定子电流载时，定子电流会随之增加会随之增加？你会做吗？将三相绕线式异步电动机将三相绕线式异步电动机的定子转子三相绕组开路，的定子转子三相绕组开路，问这台电动机能否转动问这台电动机能否转动？三相异步电动机中的气三相异步电动机中的气隙大小对电动机运行有隙大小对电动机运行有何影响何影响？电动机的转矩与电源电压电动机的转矩与电源电压 之间的关系如何？若在运行之间的关系如何？若在运行过程中电源电压降为额定值过程中电源电压降为额定值的的60%60%，假如负载不变，电动，假如负载不变，电动机的转矩、电流及转速有机的转矩、电流及转速有 何变化？何变化？电路与电工技术电路

18、与电工技术节目录1.三相异步电动机的起动或电机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20 异步电动机通电后，从静止状态到稳定运行状态的过渡过程称为起动。全压起动也叫做直接起动。其优点：操作简单；缺点：起动电流较大，通常是额定电流的47倍，这么大 的起动电流将使线路电压下降，严重时影响同一 电网上的其它负载正常工作。当电动机满足条件当电动机满足条件5.4 三相异步电动机的控制三相异步电动机的控制时，电动机可以直接加全压起动，称为全压起动。电路与电工技术电路与电工技术节目录(1)Y降压起动 如果三相异步电动机不满足直接起动条件，就要采取降压起动的措施，以减小起动电流给电网和设备带来的不利因素

19、。即：电动机起动时定子绕组连成星形，起动后转速升高，当转速基本达到额定值时再切换成三角形连接的起动方法。手柄上打，定子绕组形运行手柄下搬，定子绕组成Y形起动优点：起动电流降为全压起动时的1/3；QS1L3V2L2L1QS2 FU V1 U1 U2 W1 W2V1U1W1W2U2V2缺点：起动转矩也降为全压起动时的1/3。适用范围适用范围正常运行时定子绕组为三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电机。三相异步电动机Y-起动器闭合电源开关，为电机通电做好准备电路与电工技术电路与电工技术节目录某三相异步电动机，接于线电压=380V的三相电源，已知电机三相定子绕组正常运行为形接法，额定电流IN=20

20、A，刚起动瞬间电流与额定电流之比是7。求：（1）接法时的起动电流Ist （2）若起动时电机改为Y接法，求 IstY。(1)已知Ist/IN=7，可得直接起动时的起动电流为：(2)若改为Y形起动，根据前面所讲知识可得：采用Y-起动，显然大大减小了起动电流对电网的影响。电路与电工技术电路与电工技术节目录(2)自耦降压起动 利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。自耦变压器备有40、60、80等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。运行时上打与电机直通起动时下搬通过自耦变压器降压QS1L3V1L2L1QS2FUU1W1V1U1W1L2L1L3优点：

21、缺点：具有不同的抽头，可以根据起动转矩的要求，比较方便的得到不同的电压。设备体积大、成本高。适用范围适用范围 适用于容量较大的电动机或不能用Y-降压起动的鼠笼式三相异步电动机。三相自耦变压器闭合电源开关，为电机通电做好准备电路与电工技术电路与电工技术节目录(3)绕线式异步电动机的起动 绕线式异步电动机起动时，只要在转子电路中串入适当的起动电阻Rst，就可以达到减小起动电流增大起动转矩的目的。绕线式异步电动机目前用得更多的是在转子回路中接频敏变阻器起动，此变阻器在起动过程中能自动减小阻值，以代替人工切除起动电阻。绕线式异步机价高维护难。绕线式异步电动机起动转矩大的特点，使它广泛应用于要求起动转矩

22、较大的卷扬机、起重机等场合。电路与电工技术电路与电工技术节目录2.三相异步电动机的调速(1)改变极对数p，实现有级调速；由式可知，异步电动机的调速通过三种形式可实现：三相异步电动机的转速公式：(2)改变转差率s，实现无级调速；(3)改变电源频率f1，实现无级调速。目前，第三种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源，通常由整流器、逆变器等组成。用人为的方法使电动机的转速从某一数值改变到另一数值的过程称为调速。电路与电工技术电路与电工技术节目录3.三相异步电动机的制动 电机断电后由于机械惯性总要经过一段时间才能停下来。为了提高生产效率及安全，采用一定的方法让高速运转的电动机迅速

23、停转，就是所谓的制动。三相异步电动机常用的制动方法有以下几种：(1)能耗制动n0=0当电动机三相定子绕组与交流电源断开后，把直流电通入两相绕组，产生固定不动的磁场n0。电动机由于惯性仍在运转，转子导体切割固定磁场产生感应电流。载流导体在磁场中又会受到与转子惯性方向相反的电磁力作用，由此使电动机迅速停转。能耗制动常用于生产机械中的各种机床制动。M33RNS FFn电路与电工技术电路与电工技术节目录(2)反接制动把与电源相接的三根火线中的任意两根对调，使旋转磁场改变方向，从而产生制动转矩的方法。在电动机的定子绕组中通入对称三相交流电，电动机顺时针转动。改变通入定子绕组中电流的相序，旋转磁场反向，转

24、子受到与惯性旋转方向相反的电磁力，使电机迅速停转。反接制动适用于中型车床和铣床的主轴制动。M33A A B BC Cn0NS FF(3)再生发电制动起重机快速下放重物，使重物拖动转子出现nn0情况时，电动机处于发电状态，此时在转子导体中感应电流，感应电流的方向与原电流方向相反，因此产生的电磁转矩方向也相反，这种制动称为再生发电制动。nn0电路与电工技术电路与电工技术节目录 异步电动机应用很广，选用时应从技术和经济两个方面考虑。以实用、合理、经济和安全为原则，确保电动机安全可靠地运行。(1)种类选择：鼠笼式异步机一般用于无特殊调速要求的生产机械，如泵类、通风机、压缩机、金属切削机床等；绕线式异步

25、机适用于需要有较大的起动转矩，且要求在一定范围内进行调速的起重机、卷扬机、电梯等。(3)结构选择：电动机根据使用场合可分为开启式、防护式、封闭式及防爆式等。使用时要根据电动机的工作环境选择，以确保电动机能够安全、可靠地运行。(2)功率选择：原则上要求电动机的额定功率等于或稍大于生产机械的功率。(4)转速选择：综合考虑电动机和机械传动等诸方面因素，原则上应根据生产机械的要求进行选择。5.5 三相异步电动机的选择三相异步电动机的选择电路与电工技术电路与电工技术节目录何谓起动？如何判何谓起动？如何判断三相异步电动机断三相异步电动机能否直接起动能否直接起动？你会做吗？三相异步电动机在满三相异步电动机在

26、满载和空载两种情况下载和空载两种情况下起动，起动电流和起起动，起动电流和起动转矩是否一样动转矩是否一样？一台一台380V、Y接的鼠笼式接的鼠笼式异步机，能否采用异步机，能否采用Y-起动起动？为什么？为什么？鼠笼式三相异步电动机鼠笼式三相异步电动机的调速通常有哪几种方的调速通常有哪几种方法？制动呢？法？制动呢？鼠笼式三相异步电鼠笼式三相异步电动机的降压起动方动机的降压起动方法有哪几种？调速法有哪几种？调速和制动方法又有哪和制动方法又有哪几种几种？电路与电工技术电路与电工技术节目录5.6 步进电机简介步进电机简介1.步进电机及其特点步进电机及其特点 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的

27、执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统。通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机和与其配套的步进电机驱动装置共同组成了一种非常简单，低成本的开环控制系统。电路与电工技术电路与电工技术节目录 步进电机的主要特点如下：步进电机的主要特点如下：（1）位置控制功能：可预先发出具体的脉冲数

28、量，从而得到需要输出的角度。（2）无极调速功能：可根据发送脉冲的速度，得到需要的电机的转速。（3）正、反、急停及锁定功能：通过对系统的高低电平控制，得到正/反旋转的效果，在电机锁定情况下（电机绕组中存在电流，外部没有要求旋转的电脉冲），仍有静止力矩的输出。（4）低转速及高精度位置功能：通过对脉冲速度的控制，可直接得到极低的转速而不需要通过齿轮箱的过渡，从而避免了功率的损耗和角度位置的偏差。（5）寿命长：不需要象普通的直流电动机通过电刷和换相器换相，从而减少了摩擦，增长了寿命。电路与电工技术电路与电工技术节目录 2.步进电机的分类步进电机的分类（1）永磁式：永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积都

29、较小，步进角一般为7.5度或15度。（2）反应式：反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家在80年代就已被淘汰。（3）混合式：混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点的一种电机，分有两相和五相两种：两相步进角一般为1.8度，五相步进角一般为 0.72度。目前混合式步进电机的应用最为广泛。电路与电工技术电路与电工技术节目录 3.步进电机使用时应注意的事项步进电机使用时应注意的事项（1）步进电机应用于低速场合时，每分钟转速不得超过1000转。最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作

30、效率高，噪音低。（2）步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动较大。（3）由于历史原因，只有额定值为12V的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压值，可根据驱动器选择驱动电压，当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。（4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电路与电工技术电路与电工技术节目录（5）步进电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，要采取逐渐升频提速的方法，这样既可使电机不失步，还可以减少噪音，同时可提高停止的定位精度。（6）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度，或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过这样一来，整个系统的价格较贵，且生产厂家少。（7）步进电机不应在振动区内工作，如若必须则要通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。（8）步进电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。（9）应遵循先选电机后选驱动的原则。电路与电工技术电路与电工技术节目录本章学习结束。本章学习结束。Goodbye!