主編李中發制作李中發2004年7月 電工技術基礎 三相異步電動機的轉動原理三相異步電動機使用方法三相異步電動機的運行和控制方法三相異步電動機的機械特性單相異步電動機的轉動原理直流電動機的轉動原理步進電動機的轉動原理 學習要點 第7章電動機 第7章電動機 7 1三相異步電動機的結構及轉動原理7 2三相異步電動機的電磁轉矩和機械特性7 3三相異步電動機的運行與控制7 4三相異步電動機的選擇與使用7 5單相異步電動機7 6直流電動機7 7步進電動機 7 1三相異步電動機的結構及轉動原理 7 1 1三相異步電動機的結構 三相異步電動機由定子和轉子構成 定子和轉子都有鐵心和繞組 定子的三相繞組為AX BY CZ 轉子分為鼠籠式和繞線式兩種結構 鼠籠式轉子繞組有銅條和鑄鋁兩種形式 繞線式轉子繞組的形式與定子繞組基本相同 3個繞組的末端連接在一起構成星形連接 3個始端連接在3個銅集電環上 起動變阻器和調速變阻器通過電刷與集電環和轉子繞組相連接 7 1 2旋轉磁場的產生 把三相定子繞組接成星形接到對稱三相電源 定子繞組中便有對稱三相電流流過 結論 1 在對稱的三相繞組中通入三相電流 可以產生在空間旋轉的合成磁場 2 磁場旋轉方向與電流相序一致 電流相序為A B C時磁場順時針方向旋轉 電流相序為A C B時磁場逆時針方向旋轉 3 磁場轉速 同步轉速 與電流頻率有關 改變電流頻率可以改變磁場轉速 對兩極 一對磁極 磁場 電流變化一周 則磁場旋轉一周 同步轉速no與磁場磁極對數p的關系為 7 1 3三相異步電動機的轉動原理 靜止的轉子與旋轉磁場之間有相對運動 在轉子導體中產生感應電動勢 并在形成閉合回路的轉子導體中產生感應電流 其方向用右手定則判定 轉子電流在旋轉磁場中受到磁場力F的作用 F的方向用左手定則判定 電磁力在轉軸上形成電磁轉矩 電磁轉矩的方向與旋轉磁場的方向一致 電動機在正常運轉時 其轉速n總是稍低于同步轉速no 因而稱為異步電動機 又因為產生電磁轉矩的電流是電磁感應所產生的 所以也稱為感應電動機 異步電動機同步轉速和轉子轉速的差值與同步轉速之比稱為轉差率 用s表示 即 轉差率是異步電動機的一個重要參數 異步電動機在額定負載下運行時的轉差率約為1 9 7 2三相異步電動機的電磁轉矩和機械特性 7 2 1三相異步電動機的電路分析 1 定子電路分析 忽略R1和X1上的壓降 則 2 轉子電路分析 7 2 2三相異步電動機的電磁轉矩 7 2 3三相異步電動機的機械特性 1 起動轉矩 電動機剛起動 n 0 s 1 時的轉矩稱為起動轉矩 2 額定轉矩 電動機在額定負載下工作時的電磁轉矩稱為額定轉矩 忽略空載損耗轉矩 則額定轉矩等于機械負載轉矩 式中PN是電動機的額定功率 單位為kW nN是電動機的額定轉速 單位是r min 3 最大轉矩 7 3三相異步電動機的運行與控制 7 3 1三相異步電動機的起動 1 直接起動 直接起動是利用閘刀開關或接觸器將電動機直接接到額定電壓上的起動方式 又叫全壓起動 優點 起動簡單 缺點 起動電流較大 將使線路電壓下降 影響負載正常工作 適用范圍 電動機容量在10kW以下 并且小于供電變壓器容量的20 2 降壓起動 Y 換接起動 在起動時將定子繞組連接成星形 通電后電動機運轉 當轉速升高到接近額定轉速時再換接成三角形 適用范圍 正常運行時定子繞組是三角形連接 且每相繞組都有兩個引出端子的電動機 優點 起動電流為全壓起動時的1 3 缺點 起動轉矩均為全壓起動時的1 3 自耦降壓起動 利用三相自耦變壓器將電動機在起動過程中的端電壓降低 以達到減小起動電流的目的 自耦變壓器備有40 60 80 等多種抽頭 使用時要根據電動機起動轉矩的要求具體選擇 繞線式異步電動機轉子繞組串入附加電阻后 既可以降低起動電流 又可以增大起動轉矩 7 3 2三相異步電動機的調速 三相異步電動機的轉速 1 變極調速 通過改變電動機的定子繞組所形成的磁極對數p來調速 因磁極對數只能是按1 2 3 的規律變化 所以用這種方法調速 電動機的轉速不能連續 平滑地進行調節 2 變頻調速 通過變頻器把頻率為50Hz工頻的三相交流電源變換成為頻率和電壓均可調節的三相交流電源 然后供給三相異步電動機 從而使電動機的速度得到調節 變頻調速屬于無級調速 具有機械特性曲線較硬的特點 3 變轉差率調速 通過改變轉子繞組中串接調速電阻的大小來調整轉差率實現平滑調速的 又稱為變阻調速 調速電阻的接法與起動電阻相同 這種方法只適用于繞線式異步電動機 7 3 3三相異步電動機的反轉 因為三相異步電動機的轉動方向是由旋轉磁場的方向決定的 而旋轉磁場的轉向取決于定子繞組中通入三相電流的相序 因此 要改變三相異步電動機的轉動方向非常容易 只要將電動機三相供電電源中的任意兩相對調 這時接到電動機定子繞組的電流相序被改變 旋轉磁場的方向也被改變 電動機就實現了反轉 7 3 4三相異步電動機的制動 1 能耗制動 電動機定子繞組切斷三相電源后迅速接通直流電源 感應電流與直流電產生的固定磁場相互作用 產生的電磁轉矩方向與電動機轉子轉動方向相反 起到制動作用 特點 是制動準確 平穩 但需要額外的直流電源 2 反接制動 電動機停車時將三相電源中的任意兩相對調 使電動機產生的旋轉磁場改變方向 電磁轉矩方向也隨之改變 成為制動轉矩 注意 當電動機轉速接近為零時 要及時斷開電源防止電動機反轉 特點 簡單 制動效果好 但由于反接時旋轉磁場與轉子間的相對運動加快 因而電流較大 對于功率較大的電動機制動時必須在定子電路 鼠籠式 或轉子電路 繞線式 中接入電阻 用以限制電流 3 發電反饋制動 電動機轉速超過旋轉磁場的轉速時 電磁轉矩的方向與轉子的運動方向相反 從而限制轉子的轉速 起到了制動作用 因為當轉子轉速大于旋轉磁場的轉速時 有電能從電動機的定子返回給電源 實際上這時電動機已經轉入發電機運行 所以這種制動稱為發電反饋制動 7 4 1三相異步電動機的銘牌 7 4三相異步電動機的選擇與使用 型號 功率 電動機在銘牌規定條件下正常工作時轉軸上輸出的機械功率 稱為額定功率或容量 電壓 電動機的額定線電壓 電流 電動機在額定狀態下運行時的線電流 頻率 電動機所接交流電源的頻率 轉速 額定轉速 接線方法 7 4 2三相異步電動機的選擇 7 4 3電動機的安裝與接地 7 5單相異步電動機 7 5 1單相異步電動機的工作原理與特性 在單相異步電動機的定子繞組通入單相交流電 電動機內產生一個大小及方向隨時間沿定子繞組軸線方向變化的磁場 稱為脈動磁場 但一旦讓單相異步電動機轉動起來 由于順時針旋轉磁場B1和逆時針旋轉磁場B2產生的合成電磁轉矩不再為零 在這個合成轉矩的作用下 即使不需要其它的外在因素 單相異步電動機仍將沿著原來的運動方向繼續運轉 由于單相異步電動機總有一個反向的制動轉矩存在 所以其效率和負載能力都不及三相異步電動機 7 5 2單相異步電動機的起動 1 分相法 下圖所示分別為 t 0 45 90 時合成磁場的方向 由圖可見該磁場隨著時間的增長順時針方向旋轉 這樣一來 單相異步電動機就可以在該旋轉磁場的作用下起動了 2 罩極法 罩極法是在單相異步電動機定子磁極的極面上約1 3處套裝了一個銅環 短路環 套有短路環的磁極部分叫做罩極 當定子繞組通入電流產生脈動磁場后 有一部分磁通穿過銅環 使銅環內產生感應電動勢和感應電流 根據楞次定律 銅環中的感應電流所產生的磁場 阻止銅環部分磁通的變化 結果使得沒套銅環的那部分磁極中的磁通與套有銅環的這部分磁極內的磁通有了相位差 罩極外的磁通超前罩極內的磁通一個相位角 隨著定子繞組中電流變化率的改變 單相異步電動機定子磁場的方向也就不斷發生變化 在電動機內形成了一個旋轉磁場 在這個旋轉磁場的作用下 電動機的轉子就能夠起動起來了 7 6直流電動機 7 6 1直流電動機的結構及分類 三相異步電動機也由定子和轉子構成 定子的主要作用是產生磁場 包括主磁極 換向磁極 機座和電刷等 主磁極由鐵心和勵磁線圈組成 用于產生一個恒定的主磁場 換向磁極安裝在兩個相鄰的主磁極之間 用來減小電樞繞組換向時產生的火花 電刷裝置的作用是通過與換向器之間的滑動接觸 把直流電壓 直流電流引入或引出電樞繞組 轉子由電樞鐵心 電樞繞組和換向器等組成 電樞鐵心上沖有槽孔 槽內放電樞繞組 電樞鐵心也是直流電動機磁路的組成部分 電樞繞組的 端裝有換向器 換向器由許多銅質換向片組成一個圓柱體 換向片之間用云母絕緣 換向器是直流電動機的重要構造特征 換向器通過與電刷的摩擦接觸 將兩個電刷之間固定極性的直流電流變換成為繞組內部的交流電流 以便形成固定方向的電磁轉矩 他勵式電動機構造比較復雜 一般用于對調速范圍要求很寬的重型機床等設備中 并勵式電動機在外加電壓一定的情況下 勵磁電流產生的磁通將保持恒定不變 起動轉矩大 負載變動時轉速比較穩定 轉速調節方便 調速范圍大 串勵式電動機的轉速隨轉矩的增加 呈顯著下降的軟特性 特別適用于起重設備 積復勵電動機的電磁轉矩變化速度較快 負載變化時能夠有效克服電樞電流的沖擊 比并勵式電動機的性能優越 主要用于負載力矩有突然變化的場合 差復勵電動機具有負載變化時轉速幾乎不變的特性 常用于要求轉速穩定的機械中 7 6 2直流電動機的工作原理和機械特性 接通直流電壓U時 直流電流為從a邊流入 b邊流出 由于a邊處于N極之下 b邊處于S極之下 則線圈受到電磁力而形成一個逆時針方向的電磁轉矩T 使電樞繞組繞軸線方向逆時針轉動 1 直流電動機的轉動原理 當電樞轉動半周后 a邊處于S極之下 而b邊處于N極之下 由于采用了電刷和換向器裝置 此時電樞中的直流電流方向變為從b邊流入 從a邊流出 電樞仍受到一個逆時針方向的電磁轉矩T的作用 繼續繞軸線方向逆時針轉動 2 電磁轉矩與電壓平衡方程 3 機械特性 直流電動機具有硬的機械特性 7 6 3直流電動機的運行與控制 1 直流電動機的起動 直流電動機直接起動時的起動電流很大 達到額定電流的10 20倍 因此必須限制起動電流 限制起動電流的方法就是起動時在電樞電路中串接起動電阻Rst 起動電阻的值 一般規定起動電流不應超過額定電流的1 5 2 5倍 起動時將起動電阻調至最大 待起動后 隨著電動機轉速的上升將起動電阻逐漸減小 2 直流電動機的調速 根據直流電動機的轉速公式n U IaRa Ce 可知直流電動機的調速方法有3種 改變磁通 調速 改變電樞電壓U調速和電樞串聯電阻調速 改變磁通調速的優點是調速平滑 可做到無級調速 調速經濟 控制方便 機械特性較硬 穩定性較好 但由于電動機在額定狀態運行時磁路已接近飽和 所以通常只是減小磁通將轉速往上調 調速范圍較小 改變電樞電壓調速的優點是不改變電動機機械特性的硬度 穩定性好 控制靈活 方便 可實現無級調速 調速范圍較寬 可達到6 10 但電樞繞組需要一個單獨的可調直流電源 設備較復雜 電樞串聯電阻調速方法簡單 方便 但調速范圍有限 機械特性變軟 且電動機的損耗增大太多 因此只適用于調速范圍要求不大的中 小容量直流電動機的調速場合 3 直流電動機的制動 直流電動機的制動也有能耗制動 反接制動和發電反饋制動3種 能耗制動是在停機時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個制動電阻短接 由于慣性 短接后電動機仍保持原方向旋轉 電樞繞組中的感應電動勢仍存在并保持原方向 但因為沒有外加電壓 電樞繞組中的電流和電磁轉矩的方向改變了 即電磁轉矩的方向與轉子的旋轉方向相反 起到了制動作用 反接制動是在停機時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個相反極性的電源相接 電動機的電磁轉矩立即變為制動轉矩 使電動機迅速減速至停轉 發電反饋制動是在電動機轉速超過理想空載轉速時 電樞繞組內的感應電動勢將高于外加電壓 使電機變為發電狀態運行 電樞電流改變方向 電磁轉矩成為制動轉矩 限制電機轉速過分升高 7 7步進電動