電工電子技術(shù)基礎(chǔ)

1、,,,,,,,,,,主編 王本為制作 王本為2008年7月,電工電子技術(shù)基礎(chǔ),三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理三相異步電動(dòng)機(jī)使用方法三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和控制方法三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理,學(xué)習(xí)要點(diǎn),電動(dòng)機(jī),第4章 電動(dòng)機(jī),4.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)原理4.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性4.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制4.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的

2、選擇與使用4.5 單相異步電動(dòng)機(jī)4.6 直流電動(dòng)機(jī),4.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)原理,4.1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu),三相異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子和轉(zhuǎn)子都有鐵心和繞組。定子的三相繞組為AX、BY、CZ。轉(zhuǎn)子分為鼠籠式和繞線式兩種結(jié)構(gòu)。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組有銅條和鑄鋁兩種形式。繞線式轉(zhuǎn)子繞組的形式與定子繞組基本相同，3個(gè)繞組的末端連接在一起構(gòu)成星形連接，3個(gè)始端連接在3個(gè)銅集電環(huán)上，起動(dòng)變阻器和調(diào)速變阻器通過(guò)電

3、刷與集電環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組相連接。,4.1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生,把三相定子繞組接成星形接到對(duì)稱三相電源，定子繞組中便有對(duì)稱三相電流流過(guò)。,結(jié)論： (1)在對(duì)稱的三相繞組中通入三相電流，可以產(chǎn)生在空間旋轉(zhuǎn)的合成磁場(chǎng)。 (2)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與電流相序一致。電流相序?yàn)锳-B-C時(shí)磁場(chǎng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；電流相序?yàn)锳-C-B時(shí)磁場(chǎng)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 (3)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)與電流頻率有關(guān)，改變電流頻率可以改變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。

4、對(duì)兩極(一對(duì)磁極)磁場(chǎng)，電流變化一周，則磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周。同步轉(zhuǎn)速no與磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為：,4.1.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理,靜止的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在形成閉合回路的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向用右手定則判定。轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力F的作用，F(xiàn)的方向用左手定則判定。電磁力在轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致。,電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速n總是稍低于同步轉(zhuǎn)速n

5、o，因而稱為異步電動(dòng)機(jī)。又因?yàn)楫a(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電流是電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的，所以也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：,轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率約為1%~9%。,4.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性,4.2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的電路分析,1．定子電路分析,忽略R1和X1上的壓降，則：,2．轉(zhuǎn)子電路分析,4.2.2 三相

6、異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,4.2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,1．起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)（n=0，s=1）時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。,2．額定轉(zhuǎn)矩,電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩，忽略空載損耗轉(zhuǎn)矩，則額定轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩。,式中PN是電動(dòng)機(jī)的額定功率，單位為kW；nN是電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，單位是r/min。,3．最大轉(zhuǎn)矩,4.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制,4.3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),1．直接起動(dòng),直接起動(dòng)是利

7、用閘刀開(kāi)關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓上的起動(dòng)方式，又叫全壓起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：起動(dòng)電流較大，將使線路電壓下降，影響負(fù)載正常工作。適用范圍：電動(dòng)機(jī)容量在10kW以下，并且小于供電變壓器容量的20％。,2．降壓起動(dòng),Y-Δ換接起動(dòng)：在起動(dòng)時(shí)將定子繞組連接成星形，通電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形。適用范圍：正常運(yùn)行時(shí)定子繞組是三角形連接，且每相繞組都有兩個(gè)引出端子的電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流為全壓

8、起動(dòng)時(shí)的1／3。缺點(diǎn)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。,自耦降壓起動(dòng)：利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的端電壓降低，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。自耦變壓器備有40％、60％、80％等多種抽頭，使用時(shí)要根據(jù)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求具體選擇。,繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串入附加電阻后，既可以降低起動(dòng)電流，又可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。,4.3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：,1．變極調(diào)速,通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組所形成的磁極對(duì)數(shù)p

9、來(lái)調(diào)速。因磁極對(duì)數(shù)只能是按1、2、3、…、的規(guī)律變化，所以用這種方法調(diào)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能連續(xù)、平滑地進(jìn)行調(diào)節(jié)。,2．變頻調(diào)速,通過(guò)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(diào)節(jié)的三相交流電源，然后供給三相異步電動(dòng)機(jī)，從而使電動(dòng)機(jī)的速度得到調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，具有機(jī)械特性曲線較硬的特點(diǎn)。,3．變轉(zhuǎn)差率調(diào)速,通過(guò)改變轉(zhuǎn)子繞組中串接調(diào)速電阻的大小來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速的，又稱為變阻調(diào)速。調(diào)速電阻的接法與起動(dòng)電阻

10、相同。這種方法只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。,4.3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn),因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向決定的，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于定子繞組中通入三相電流的相序。因此，要改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向非常容易，只要將電動(dòng)機(jī)三相供電電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，這時(shí)接到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流相序被改變，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向也被改變，電動(dòng)機(jī)就實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。,4.3.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),1．能耗制動(dòng),電動(dòng)機(jī)定子繞組切斷三相電源后迅速

11、接通直流電源。感應(yīng)電流與直流電產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，起到制動(dòng)作用。特點(diǎn)：是制動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，但需要額外的直流電源。,2．反接制動(dòng),電動(dòng)機(jī)停車時(shí)將三相電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。注意：當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近為零時(shí)，要及時(shí)斷開(kāi)電源防止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，制動(dòng)效果好，但由于反接時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加快，因而電流較大。對(duì)于功率

12、較大的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)必須在定子電路（鼠籠式）或轉(zhuǎn)子電路（繞線式）中接入電阻，用以限制電流。,3．發(fā)電反饋制動(dòng),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，起到了制動(dòng)作用。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，有電能從電動(dòng)機(jī)的定子返回給電源，實(shí)際上這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行，所以這種制動(dòng)稱為發(fā)電反饋制動(dòng)。,4.4.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌,4.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇與使用,型號(hào)：,功率：電

13、動(dòng)機(jī)在銘牌規(guī)定條件下正常工作時(shí)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，稱為額定功率或容量。電壓：電動(dòng)機(jī)的額定線電壓。電流：電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的線電流。頻率：電動(dòng)機(jī)所接交流電源的頻率。。轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速。接線方法：,4.4.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇,4.4.3 電動(dòng)機(jī)的安裝與接地,4.5 單相異步電動(dòng)機(jī),4.5.1 單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與特性,在單相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入單相交流電，電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)大小及方向隨時(shí)間沿定子繞組軸

14、線方向變化的磁場(chǎng)，稱為脈動(dòng)磁場(chǎng)。,但一旦讓單相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，由于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B1和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B2產(chǎn)生的合成電磁轉(zhuǎn)矩不再為零，在這個(gè)合成轉(zhuǎn)矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，單相異步電動(dòng)機(jī)仍將沿著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于單相異步電動(dòng)機(jī)總有一個(gè)反向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩存在，所以其效率和負(fù)載能力都不及三相異步電動(dòng)機(jī)。,4.5.2 單相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),1．分相法,下圖所示分別為ωt=0°、45°、90°

15、;時(shí)合成磁場(chǎng)的方向，由圖可見(jiàn)該磁場(chǎng)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。這樣一來(lái)，單相異步電動(dòng)機(jī)就可以在該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下起動(dòng)了。,2．罩極法,罩極法是在單相異步電動(dòng)機(jī)定子磁極的極面上約1/3處套裝了一個(gè)銅環(huán)（短路環(huán)），套有短路環(huán)的磁極部分叫做罩極。當(dāng)定子繞組通入電流產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)后，有一部分磁通穿過(guò)銅環(huán)，使銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，銅環(huán)中的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，阻止銅環(huán)部分磁通的變化，結(jié)果使得沒(méi)套銅環(huán)的那部分磁極中的磁通與套

16、有銅環(huán)的這部分磁極內(nèi)的磁通有了相位差，罩極外的磁通超前罩極內(nèi)的磁通一個(gè)相位角。隨著定子繞組中電流變化率的改變，單相異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的方向也就不斷發(fā)生變化，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就能夠起動(dòng)起來(lái)了。,4.6 直流電動(dòng)機(jī),4.6.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及分類,三相異步電動(dòng)機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。 定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，包括主磁極、換向磁極、機(jī)座和電刷等。主磁極由鐵心和勵(lì)磁線圈組成，用于產(chǎn)生

17、一個(gè)恒定的主磁場(chǎng)。換向磁極安裝在兩個(gè)相鄰的主磁極之間，用來(lái)減小電樞繞組換向時(shí)產(chǎn)生的火花。電刷裝置的作用是通過(guò)與換向器之間的滑動(dòng)接觸，把直流電壓、直流電流引入或引出電樞繞組。轉(zhuǎn)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(nèi)放電樞繞組，電樞鐵心也是直流電動(dòng)機(jī)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(zhì)換向片組成一個(gè)圓柱體，換向片之間用云母絕緣。換向器是直流電動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)造特征，換向器通過(guò)與電刷的摩擦接觸，將兩

18、個(gè)電刷之間固定極性的直流電流變換成為繞組內(nèi)部的交流電流，以便形成固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。,他勵(lì)式電動(dòng)機(jī)構(gòu)造比較復(fù)雜，一般用于對(duì)調(diào)速范圍要求很寬的重型機(jī)床等設(shè)備中。并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)在外加電壓一定的情況下，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通將保持恒定不變。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，負(fù)載變動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便，調(diào)速范圍大。串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加，呈顯著下降的軟特性，特別適用于起重設(shè)備。積復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化速度較快，負(fù)載變化時(shí)能夠有效克服電樞電流的沖擊

19、，比并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)越，主要用于負(fù)載力矩有突然變化的場(chǎng)合。差復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速幾乎不變的特性，常用于要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的機(jī)械中。,4.6.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和機(jī)械特性,接通直流電壓U時(shí)，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(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩T，使電樞繞組繞軸線方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。,1．直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理,當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)半周后，a邊處于S極之下，而b邊處于N極之下。

20、由于采用了電刷和換向器裝置，此時(shí)電樞中的直流電流方向變?yōu)閺腷邊流入，從a邊流出。電樞仍受到一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩T的作用，繼續(xù)繞軸線方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。,2．電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平衡方程,3．機(jī)械特性,直流電動(dòng)機(jī)具有硬的機(jī)械特性。,4.6.3 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制,1．直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流很大，達(dá)到額定電流的10～20倍，因此必須限制起動(dòng)電流。限制起動(dòng)電流的方法就是起動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接起動(dòng)電阻Rst。起動(dòng)電阻的

21、值：,一般規(guī)定起動(dòng)電流不應(yīng)超過(guò)額定電流的1.5～2.5倍。起動(dòng)時(shí)將起動(dòng)電阻調(diào)至最大，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升將起動(dòng)電阻逐漸減小。,2．直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=（U－IaRa）/CeΦ，可知直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有3種：改變磁通Φ調(diào)速、改變電樞電壓U調(diào)速和電樞串聯(lián)電阻調(diào)速。改變磁通調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，可做到無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。但由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)磁路已接近飽和，所以

22、通常只是減小磁通將轉(zhuǎn)速往上調(diào)，調(diào)速范圍較小。改變電樞電壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是不改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，穩(wěn)定性好；控制靈活、方便，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍較寬，可達(dá)到6～10。但電樞繞組需要一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)直流電源，設(shè)備較復(fù)雜。電樞串聯(lián)電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，但調(diào)速范圍有限，機(jī)械特性變軟，且電動(dòng)機(jī)的損耗增大太多，因此只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速場(chǎng)合。,3．直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)也有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和發(fā)電反

23、饋制動(dòng)3種。能耗制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開(kāi)后立即與一個(gè)制動(dòng)電阻短接，由于慣性，短接后電動(dòng)機(jī)仍保持原方向旋轉(zhuǎn)，電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仍存在并保持原方向，但因?yàn)闆](méi)有外加電壓，電樞繞組中的電流和電磁轉(zhuǎn)矩的方向改變了，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，起到了制動(dòng)作用。反接制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開(kāi)后立即與一個(gè)相反極性的電源相接，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速至停轉(zhuǎn)。發(fā)電反饋制動(dòng)是在電