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第4章演示文稿_图文


4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

电机简介 三相交流异步电动机 三相异步电动机的起动、调速、和制动 单相异步电动机 直流电动机 控制微电机

第四章 电动机

本习 章要 学点

? 掌握三相交流异步电动机的结构、 工作原理、功率和转矩 ? 理解和掌握三相交流异步电动机 的启动、调速和制动方法 ? 掌握单相交流异步电动机、直流 电动机以及控制电动机的原理、 特性、应用

第四章 电动机

4.1 电机简介
电机是发电机和电动机的统称 电机

直流电机
直流发电机 直流电动机

交流电机 同步电机 异步电机

同步电动机具有效率高、过载能力强等优点,主要特点为: * 转速恒定,转速与交流电源的频率同步,不受电源电压 和负载变化的影响; * 运行功率因数可调;但制造工艺复杂、起动困难、运行维 护麻烦,故多用于特殊场合,比如用作发电机或拖动大负载等. 异步电动机又称为感应电动机,具有构造简单、价格 便宜、工作可靠、坚固耐用、使用和维护方便等优点
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4.2 三相交流异步电动机
一、三相交流异步电动机的基本结构 机座 1.定子

定子

转子 机座主要是用来固定定子铁心和定子绕组 定子铁心是电机磁路的一部分 定子绕组是电机的电路部分

定子铁心
定子绕组

图4-1

定子铁心

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三相定子绕组对称分布在定子铁心槽中,各相绕组的 两端分别用U1-U2,V1-V2,W1-W2表示,可根据需要 接成星型(Y)或三角型(Δ),如图4-2所示。

图4-2

三相定子绕组的连接方式

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2. 转子

转子铁心 转子铁心是电机磁路的一部分 转子绕组 转子绕组是电机的电路部分 转轴 转轴的作用是支承转子

转子绕组分为笼型和绕线型两种。 笼型绕组是在转子铁心槽中嵌放裸铜条或铝条,其两端 用端环联接。由于形状与鼠笼相似,因此叫鼠笼转子, 简称笼型转子。如图4-3(b)、(c)所示。

图4-3 转子铁心冲片及笼型转子示意图

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绕线式转子绕组与定子绕组相似, 也是由绝缘的导线绕制 而成的三相对称绕组,其极数与定子绕组相同。转子绕组 一般接成星型,三个首端分别接到固定在转轴上的三个滑 环上,由滑环上的电刷引出与外加变阻器(或频敏变阻器 )联接,构成转子的闭合回路。如图4-4所示。

1—集电环 2—电刷 3—变阻器 图4-4 绕线式转子联接示意图

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3. 空气隙 空气隙是电机主磁路的一部分,气隙越小, 功率因数越高,空载电流越小。中小型电动机的气隙 一般为0.2 –2 mm。

二、三相交流异步电动机的工作原理及旋转磁场
1.三相异步电动机的工作原理

以两极三相异步电动机为例,如图 4-5所示。在三相对称定子绕组中 通入三相对称交流电,在电动机 气隙中产生转速为n1的旋转磁场, 通过电磁感应在转子绕组中产生 感应电流,该感应电流与旋转磁 场相互作用产生电磁转矩,从而 驱动转子旋转。
4-5 异步电动机的工作原理示意图

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转子的转速n永远小于旋转磁场的转速n1,只有保持一定 的转速差,才能使转子导体相对磁场产生切割运动而产生感 应电流,从而产生电磁转矩,使转子旋转起来。异步电动机 的名称就是由此而得来。 旋转磁场转速n1与转子转速n之差称为 转差△n,转差△n与旋转磁场转速n1之比, 称为转差率s ,即 2. 旋转磁场的转速和转向 60 f1 定子电流频率 转速 n1 ? p 磁极对数 转 向 由定子绕组中通入的电流相序来决定。改变通入三 相绕组中电流的相序,即可改变旋转磁场的转向。 方法如图4-6所示。
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n1 ? n s? ? n1 n1

?n

例4-1 有一三相异步电机的 额定转速n1=1460 r/min,求 该电动机的磁极对数、额定 负载时的转差率。已知电源 频率f1 = 50 HZ 。 解:由于电动机的额定转速 略小于同步转速,查表4-1可 得与额定转速nN=1460r/min 最接近的同步转速为 n1=1500r/min 与之相对应的磁极对数 p =2 所以额定负载时的转差率为
?n n1 ? n 1500 ? 1460 s? ? ? ? 0.0267 ? 2.67% 1500 n1 n1
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图4-6 改变旋转磁场的方向

三、异步电动机的功率与转矩
1.功率平衡关系 P入=P定+P转+P出

P出:转轴输出机械功率 P转:转子损耗功率 P定:定子损耗功率 P入:输入到电机中的电功率
T = T0 + TL

2.转矩平衡关系 TL T0 T

负载转矩是从转子所拖动的负载反作用于转子的力矩 空载转矩由电机的机械损耗和附加损耗所引起

电磁转矩由转子电流和主磁通相互作用引起的电磁力 所产生 电机稳定运行时,负载转矩与电动机的输出转矩相平衡
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四、三相交流异步电动机的选择与维护
1.电动机选择的基本原则 (1) 电动机应满足生产机械提出的有关机械特性的要求(即 电动机种类的选择)。

(2) 电动机的结构型式应满足安装要求和周围环境要求。
(3) 电动机在工作中,最经济合理地选用电动机的功率,使 其额定功率得以充分的利用。 2.三相异步电动机的维护 (1)电动机起动前的准备及检查: (2)电动机在运行中的维护

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五、三相异步电动机的铭牌数据
1、型号

说明:机座长度代号分为 S (短机座)、 M (中机座)、 L (长机座)三种;机 座高度为其中心高度(毫米)。
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2.额定数据
额定功率——PN 额定电压——UN 额定电流——IN 额定频率——fN 我国规定电力网的频率为50HZ 额定转速——nN 接法:电动机定子绕组的连接方式,有Y和 两种 绝缘等级:电动机绕组所用绝缘材料的耐热等级, 它表明了电动机所允许的最高工作温度 定额 :指电动机在额定条件下,允许使用的时间长 短,一般有连续、短时和断续三种。 防护等级: 指电动机外壳防护的方式,IP44是封闭式, IP11是开启式,IP22、IP23是防护式。
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4.3 三相异步电动机的起动、调速、和制动
一、三相异步电动机的起动 起动:当异步电动机投入电网时,电机从静止状态开始转动, 直至升速到稳定的转速 。 电动机的起动方法,取决于供电系统容量、电动机的容量和结 构、负载情况及起动频繁程度而定。 (1)直接起动 又称为全压起动 (2)降压起动 2.绕线式电动机的起动 1.笼式电动机的起动 适当增加转子电阻 绕线式电动机转子回路串接起动变阻器 的设备,有起动变阻器和频敏变阻器等。
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二、电动机的调速 调速:在电动机负载运行时调节其驱动速度

1.改变定子绕组联接的变极调速

60 f1 n1 ? p

在电源频率不变的情况下,改变磁极对数,同步转 速变化,必然改变电动机的转速 2. 改变电源频率的调速 绕组极对数一定时,旋转磁场的转速与电源频率成正比变化 3. 改变转差率的调速 改变转差率的调速,可改变电动机外施电源电压; 转子回路中串接可变电阻;转子回路中引入附加电势

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三、电气制动 电气制动:电动机的电磁转矩作用的方向与转子的转向相反 的运行状态 1、反接制动 2、回馈制动 3、能耗制动 倒拉反接制动和电源反接制动 转子的转速超过了同步转速,电动机进入 了发电机状态 依靠转子惯性动能转化为电能,并消耗在转 子回路所接的电阻上

能耗制动时,要将运行中的定子绕组从电源中断开定子电路 中应串接励磁限流电阻。

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4.4 单相异步电动机
单相异步电动机是指由单相交流电源供电的异步电动 机,一般只做成小容量(0.6kW以下)的电动机 一、单相异步电动机的结构及工作原理 基本结构与三相笼式异步电动机相似,有定子和笼型转 子,定子绕组是单相的,工作原理与三相异步电动机相同。
当单相交流电通入电动机的单相定子绕组时,会在气隙 中产生一个交变的脉动磁场,该脉动磁场可分解为两个转速 相同、转向相反的 旋转磁场,分别在转子绕组中产生大小相 等、方向相反的感应电动势和感应电流,进而在转子上产生 两个大小相等,方向相反的电磁转矩,致使合成磁矩为零 , 电动机不能自行起动。
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? ?

怎麽办



为了使单相电动机能够自起动,我们在电动机的定子铁 心槽中嵌放两个线组,一个叫主线组(也称工作绕组),另 一个叫辅助绕组(也称起动绕组)。两个绕组在空间相差90? 电角度,如果通入相位互差90? 的两个正弦交流电,那么,就 能产生一个象三相异步电动机那样的旋转磁场,从而实现电 机的自起动。
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图 4 -7

两相交流电

图 4 -8

两相交流电产生的旋转磁场

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二、常用单相异步电动机 单相异步电动机根据起动方式不同,可分为分相起动电 动机、电容运转电动机及罩极式电动机等几种类型 1.分相起动电动机 (1)电容分相起动电动机 主绕组支路呈感性,辅助绕组 支路呈容性。当电容器的容量选择 得当时,可使两支路中的电流iA和 iB在相位上相差90? ,可以得到一个 接近圆形的磁场,产生较大的电磁 转矩,实现自起动。当电动机的转 速达到75%~85%同步转速时,离 心开关SA便自动将辅助绕组支路 断开,绕组进入独立稳定工作状态。


4-9 电容分相起动电动机

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(2)电阻分相起动电动机 分相式异步电动机的转向 由气隙磁场的方向决定,若要 改变电动机转向,只要把主绕 组或副绕组中任何一个绕组与 电源接线对调,就能改变气隙 磁场方向,达到改变电动机转 向的目的。
图4-10 电阻分相起动电动机



2.电容运转电动机

辅助绕组支路中没有接离心开关 因此,辅助绕组及串入该支路中 的电容器不仅在起动时起作用, 而且参与电动机的运行。


图4-11 电容运转电动机

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3.罩极式电动机 罩极式电动机的转子是笼型的,定子有凸极式和隐极式 两种,其中以凸极式结构最为常见,如图4-12所示。

图4-12 凸极式罩极异步电动机示意图及移动磁场示意图

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4.5 直流电动机
一、直流电动机的工作原理
N、S为主磁极,它们组成 主磁场。在两个主磁极之间安装 线圈abcd,导体ab旋转到N极时, 电流方向由a→b,导体cd此时 在S极,电流方向由c→d;当导 体ab旋转到S极时,电流方向不 再是由a→b,而要改变为b→a。 同样,导体cd内的电流方向也要 相应的改变。线圈内电流方向的 改变是通过换向装置来实现的。
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图4-13

直流电动机工作原理

二、直流电动机的基本方程
1.直流电动机的损耗和效率 2 (1)损耗: 电枢铜损 PCu = Ia Ra 附加损耗 PS

(2)效率: 直流电动机的效率是指输出功率P2与输入功率P1之比, 通常以百分数形式表示。一般中小型电动机的效率在75 ~85%之间,大型电动机的效率约在85~94%之间。 2.直流电动的三个平衡式: (1)直流电动机的功率平衡方程 P输入=P铜损+P铁损+P机械损耗+P输出 (2)直流电动机的电势平衡方程:U = Ea + Ia Ra 式中Ea称为反电势 输出转矩 空载转矩 (3)直流电动机的转矩平衡方程: T=T0+T2
3 额定运行时的额定电磁转矩, P N ? 10 P ? 9550 ? N T N ? T 2N ? 2? nN 可由电机铭牌数据求出: nN

60
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三、直流电动机的工作特性
1.直流电机的励磁方式 (1)他励 励磁绕组的电流由单独的电源供给 (2)并励 励磁绕组与电枢绕组并联 (3)串励 励磁绕组与电枢绕组串联 (4)复励 励磁绕组分为两部分,一部分与电枢绕组并联,是 主要部分,另一部分与电枢绕组串联 2.直流电动机的工作特性
U I Ia

(1)转速特性 n =f (P2)

M

U =Ea+ IaRa = CeФn + IaRa n = (U - IaRa ) / CeФ
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If 图 4-14 直流电动机接线示意图

(2)转矩特性T = f (P2)
T2 ? P2 P2 ? 2?n ? 60

(3)效率特性 η=f (P2)

当电动机的输出功率较 小时,效率随P2增大而 上升;当P2数值达到相 当大时,效率随P2增大 而下降 。效率曲线是一 条先上升、后下降的曲 线。 曲线中必然会出现 一个效率最大值 ?max

图4-15 直流电动机特性曲线图

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四、直流电动机的调速
调速就是在同一负载条件下用人为的方法改变电动机的转速 n = (U - IaRa ) / CeФ 可见,改变U、Ia 和Ra的值都可改变电动机的转速 注意: 1) 在固有特性下运行时,串电阻调速,只能使电动机降速; 2) 由于电枢绕组受绝缘水平的限制,只允许电源电压自额定 电压值起向低值改变,因此降压调速只能使电动机降速; 3) 由于电动机在固有特性下运行时,电枢铁蕊的磁通值处于 磁化曲线的膝点,即将饱和,所以改变磁通调速一般均采 用自额定磁通值向下减弱的方法(称为弱磁调速),这种调 速方法能使电动机升速。
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4.6 控制微电机
控制电机是自动控制系统中的一个元件,其主要任务 是完成控制信号的传递和转换,而能量转换是次要的。 一、伺服电动机 伺服电动机用于自动控制系统中作为执行元件,具有一种 服从控制信号的要求而动作的职能。按其使用的电源性质 不同,可分为直流伺服电动机与交流伺服电动机两大类,

1. 交流伺服电动机的基本结构 交流伺服电动机的结构主要可 分为两大部分即定子部分和转子部 分。在定子铁心中嵌放着两个形式 相同在空间互成90? 电角度的两相绕 组,其中称为励磁绕组,称为控制 绕组,如图4-16所示。
图4-16 交流伺服电动机 两相定子绕组分布图

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2.交流伺服电动机的工作原理
图4-17是交流伺服电动机的原理图 f为励磁绕组,两端施加 恒定励磁电压uf ,k为控制绕 组,两端施加控制电压uk。由 于励磁绕组和控制绕组在空间 相差90? 电角度,只要励磁电压 与控制电压有一定的相位差 (理想为90? ),就能在电动机 的气隙中产生旋转磁场,转子 就会转动起来。

图4-17

交流伺服电动机原理图

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3.交流伺服电动机的控制方式 幅值控制
交流伺服电动机的控制方式有三种: 相位控制 幅一相控制 (1)幅值控制 这种控制方式是通过调节电阻器来改变控制电压的大小从 而改变电动机的转速的 (2)相位控制 这种控制方式是保持控制电压的幅值不变,通过调节控制 电压的相位对伺服电动机进行控制 (3)幅-相控制

这种控制方式的实质是利用串联电容器来分相,用电 阻器来调幅,它不需要复杂的移相和调幅装置,设备简 单,成本低,是一种常用的控制方式
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二、步进电动机
步进电动机是一种将脉冲电信号转换为机械角位移或 直线位移的控制电机,即给一个脉冲电信号,电动机就 旋转一个固定的角度或前进一步。所以步进电动机又称 为脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件,如 图4-21所示。

图4-21

步进电动机

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1.反应式步进电动机的结构原理

图4-22是一台三相反应式步进电动机的结构原理图,定子 和转子铁心均由硅钢片叠成,定子上有6个磁极,不带小齿, 每两个相对的磁极上有一相控制绕组,共有三相,转子只 有四个齿,齿宽等于定子的极靴宽,其上没有绕组。

(a)A相通电 图4-22

(b)B相通电 (c)C相通电 三相单三拍运行方式原理图

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2.反应式步进电动机的运行方式
工作时将脉冲电信号按一定的顺序轮流加到定子三相绕组上,按其通 电顺序的不同,三相反应式步进电动机有以下三种运行方式:

(1)三相单三拍运行方式
由一相通电状态转换到另一相通电状态,称为一拍;“三相”是指此 步进电机具有三相定子绕组;“单”是指每次只有一相绕组通电; “三拍”是指三次通电为一个循环,第四次通电重复第一次情况。

(2)三相双三拍运行方式
此种通电方式,每次有两相通电,每三拍完成一个循环,即按ABBC-CA-AB方式通电。

(3)三相六拍运行方式
此种通电方式,需经过六次换接才能完成一个循环,且一相通电和 两相通电交替进行,即按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通电。
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