第5章《電工電子技術(shù)》課件第5章幻燈片.ppt

1、新編本科規(guī)劃教材電工與電子信息、電工與電子技術(shù)范立平、張國(guó)光、宋程依娜、趙偉主編、袁，第5章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)易控制，第5章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)易控制，本章的重點(diǎn)，三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和機(jī)械特性，三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和基本調(diào)速方法，三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)和選型， 常用的低壓電器元件，三相異步電動(dòng)機(jī)的基本控制電路，第五章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，DC電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)，三相電動(dòng)機(jī)，單相電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)根據(jù)定子繞組相數(shù)和轉(zhuǎn)速是否受負(fù)載影響進(jìn)行劃分。 三相異步電動(dòng)機(jī)的分類和簡(jiǎn)介：第五章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，電動(dòng)

2、機(jī)：電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。異步電動(dòng)機(jī)：將交流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置。三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，這是本章的研究對(duì)象。馬達(dá)：將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。根據(jù)電源的不同，電機(jī)分為DC電機(jī)和交流電機(jī)。交流電機(jī)分為兩類：?jiǎn)蜗?通常容量較小)、三相(容量相對(duì)較大)以及同步和異步。同步電機(jī)的速度是恒定的，不受負(fù)載控制。它用于大型機(jī)械(如大型鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)等)。)具有高功率，無(wú)需調(diào)速和長(zhǎng)期運(yùn)行。第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制；5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。三相異步電動(dòng)機(jī)由兩個(gè)基本部分組成：定子和轉(zhuǎn)子，它們由氣隙隔開(kāi)。此外，還有其他附件，如端蓋、風(fēng)扇和接線

3、盒。第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。一、定子：三相異步電動(dòng)機(jī)的定子主要由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組組成。1.機(jī)座：電機(jī)支架通常由鑄鐵或鑄鋼鑄造，起支撐和保護(hù)作用。2.定子鐵芯：電機(jī)磁路的一部分，由相互絕緣的圓形硅鋼片層疊而成。鐵芯內(nèi)壁上均勻分布有多個(gè)沖壓槽，用于放置定子繞組。3.定子繞組：電機(jī)的電路部分嵌入定子鐵芯槽中。繞組是三個(gè)對(duì)稱分布的繞組。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，三相對(duì)稱分布繞組：每相繞組的匝數(shù)、結(jié)構(gòu)和形狀相同；當(dāng)沿定子鐵芯的內(nèi)圓周放置時(shí)，空間相位差為120。每相繞組和繞組與鐵芯之間是絕緣的。每相繞組引出一個(gè)頭端和一個(gè)尾端，三相繞組的六個(gè)端子引出接線盒，接線盒可根據(jù)需要連接成

4、Y形或U形。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。2.轉(zhuǎn)子。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1.鐵芯：相互絕緣的硅鋼片折疊成圓筒狀，套在轉(zhuǎn)軸上。在其外表面上有許多均勻分布的沖壓槽，用于放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子、氣隙和定子鐵芯構(gòu)成了電機(jī)的完整磁路。2.繞組：鼠籠式和纏繞式；(1)鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組：做成籠形，即在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)放置銅排，銅排兩端用端環(huán)連接；或?qū)X液澆鑄在凹槽中，將轉(zhuǎn)子導(dǎo)桿和端環(huán)澆鑄在一起，形成鼠籠。目前，中小型鼠籠式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子多為鑄鋁。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，鼠籠轉(zhuǎn)子，鑄鋁鼠籠轉(zhuǎn)子，鼠籠繞組，轉(zhuǎn)子型線，第五章三相異

5、步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，(2)繞線轉(zhuǎn)子繞組：三相繞組，一般以星形連接轉(zhuǎn)子的三個(gè)啟動(dòng)端通過(guò)電刷引至接線盒，便于在轉(zhuǎn)子電路中連接附加電阻，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。鼠籠式繞線轉(zhuǎn)子有不同的工作原理，與鼠籠式繞線轉(zhuǎn)子相比，鼠籠式繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，但一般用于重載，優(yōu)缺點(diǎn)，第5章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，第5章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，5.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，5.2.1旋轉(zhuǎn)、1。定子繞組(三相對(duì)稱分布)由對(duì)稱的三相交流電供電。第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。2.iA=0；IB為負(fù)，其方向與參考方向相反，即y-b；IC為正，方向與參考方向相同，即C-Z。根據(jù)右手螺旋法則，判斷三

6、相電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)軸方向?yàn)樽陨隙?。第五章三相異步電?dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，當(dāng)iA為正時(shí)，其方向與參考方向相同，即a-x；IB為負(fù)，其方向與參考方向相反，即y-b；Ic=0 .此時(shí)，合成磁場(chǎng)的方向與當(dāng)時(shí)相比在空間上已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)了60。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。此時(shí)iA為正，其方向與參考方向相同，即A-X；IB為負(fù)，其方向與參考方向相反，即y-b；集成電路為負(fù)，其方向與參考方向相反，即z-c。判斷此時(shí)合成磁場(chǎng)的方向與當(dāng)時(shí)相比在空間上已轉(zhuǎn)動(dòng)了30，第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，綜上所述，當(dāng)三相交流電引入三相對(duì)稱繞組時(shí)，合成磁場(chǎng)隨交流電在空間上不斷旋轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第五章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其

7、簡(jiǎn)單控制，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，從圖5.7可以看出，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)沿ABC方向旋轉(zhuǎn)，這與三相繞組中對(duì)稱三相電流的相序一致，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)由三相電流進(jìn)入繞組的相序決定。因此，可以通過(guò)改變?nèi)嗬@組中電流的相序來(lái)改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向。異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)就是通過(guò)這一原理實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)任意切換連接到定子繞組的兩個(gè)三相電源的導(dǎo)線，可以改變異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。第三，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極數(shù)。三相異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)與三相繞組的排列有關(guān)。在圖5.7所示的情況下，每個(gè)相繞組只有一個(gè)線圈，繞組起始端之間的差為120個(gè)空間角，因此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有一對(duì)磁極(或雙極旋

8、轉(zhuǎn)磁場(chǎng))，即p=1(p是磁極數(shù))。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制如果定子繞組布置在圖的左下方，即每相繞組串聯(lián)兩個(gè)線圈，繞組起始端之間相差60空間角，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有兩對(duì)磁極(或四極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng))，即p=2。產(chǎn)生的四極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如圖5.9所示。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制；(a) (b)圖5.9四極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(p=2)；第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制；4.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，取決于磁場(chǎng)的極數(shù)。在一對(duì)磁極的情況下，如下圖所示，當(dāng)電流從t=0到t=60時(shí)，磁場(chǎng)在空間中也旋轉(zhuǎn)60。當(dāng)電流變化一個(gè)周期時(shí)，磁場(chǎng)在空間中正好旋轉(zhuǎn)一次。如果電流頻率為f1，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為n0=60f1。轉(zhuǎn)速

9、的單位是r/min。在第章中(a) t=0 (b) t=6 0圖5.9四極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(p=2)，第5章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速是，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0取決于電流頻率f1和極對(duì)數(shù)P。F1由異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率決定，而P則由三相繞組的結(jié)構(gòu)決定。對(duì)于異步電機(jī)，f1和p通常是常數(shù)，因此磁場(chǎng)速度n0是常數(shù)。在中國(guó)，工頻f1=50 Hz，所以可以得到不同極數(shù)p對(duì)應(yīng)的同步速度n0，如表5.1所示。表5.1，不同極數(shù)p下的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度n0，工作原理5.2.2，工作原理，圖5.10轉(zhuǎn)子中只顯示了兩根導(dǎo)桿。當(dāng)三相定子繞組連接到三相電源時(shí)，三相電流將在三相繞組中流動(dòng)，并且將在電機(jī)中建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，

10、并且N和S用于表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子棒相當(dāng)于逆時(shí)針切割磁力線，轉(zhuǎn)子棒中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)右手定則，N極下轉(zhuǎn)子棒的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是向外的，而S極下轉(zhuǎn)子棒的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是向內(nèi)的。由于轉(zhuǎn)子繞組本身是閉合的，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，有感應(yīng)電流通過(guò)轉(zhuǎn)子條，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流。載流轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到電磁力f的作用。電磁力的方向可由左手定則確定。每個(gè)載流桿件的電磁力在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上形成一個(gè)力矩，稱為電磁力矩。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁極的旋轉(zhuǎn)方向相同。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。從以上分析可以看出，異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)是由于電磁

11、轉(zhuǎn)矩的作用，而電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生是由于轉(zhuǎn)子棒和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子速度達(dá)到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間就不會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子條就不會(huì)切斷磁力線，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩就不會(huì)存在。這樣，轉(zhuǎn)子就不可能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的必要條件是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0也稱為同步速度。異步電動(dòng)機(jī)的速度n是轉(zhuǎn)子速度。轉(zhuǎn)差率：異步電動(dòng)機(jī)的速度差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度之比。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，它與負(fù)載情況有關(guān)。負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速越慢，滑移率越大；負(fù)載越小，轉(zhuǎn)速越快，滑動(dòng)越小。因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)的額定速度與同

12、步速度相似，所以它的額定轉(zhuǎn)差率很小。一般來(lái)說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率約為0.010.07。第五章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。例5.1有一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速n=1440r轉(zhuǎn)/分鐘的三相異步電動(dòng)機(jī)。試著找出電機(jī)的極數(shù)和額定負(fù)載時(shí)的滑差。電源頻率為f 1=50赫茲。解決方案：電機(jī)的額定速度接近并略小于同步速度，同步速度有一系列對(duì)應(yīng)不同極對(duì)的固定值(見(jiàn)表5-1)。顯然，最接近1440 r/min的同步速度n0為1500 r/min，因此電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為0，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率為0。第五章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，5.3，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，5.3.1，三相異步電動(dòng)機(jī)的電路分析，1，定子電路，異步電

13、動(dòng)機(jī)的定子繞組是靜止的，所以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。異步電動(dòng)機(jī)氣隙的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子繞組以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1，忽略定子漏磁場(chǎng)對(duì)定子繞組的影響，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通取決于定子電壓U1，第5章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制、2、轉(zhuǎn)子電路，(1)轉(zhuǎn)子電流頻率f2與S的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)(起動(dòng)時(shí)刻或轉(zhuǎn)子鎖定狀態(tài))，n=0，s=1，即轉(zhuǎn)子電流頻率f2與轉(zhuǎn)差率S成正比。因此，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。第五章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，(3)I2和S之間的關(guān)系，R2是轉(zhuǎn)子電路各相的電阻，X2是轉(zhuǎn)子電路各相的漏電抗，L2是轉(zhuǎn)子各相的漏電感；是轉(zhuǎn)子靜止時(shí)各相的感抗，也與轉(zhuǎn)差率有關(guān)。轉(zhuǎn)子各相阻抗為，轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)為，轉(zhuǎn)子

14、各相電流有效值為。從以上分析可以看出，轉(zhuǎn)子電路的所有物理量，如電動(dòng)勢(shì)、電流、頻率、感抗和功率因數(shù)，都與轉(zhuǎn)差有關(guān)，即與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。第5章，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，5.3.2電磁轉(zhuǎn)矩，以及與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通量；轉(zhuǎn)子相電流有效值；轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)，其中轉(zhuǎn)子相電流I2的相位差角滯后于同相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，I2，可以進(jìn)一步獲得為異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式：可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩t與定子相電壓U1的平方成正比，因此電源電壓的波動(dòng)會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩的很大變化。此外，電磁轉(zhuǎn)矩還與滑差s和轉(zhuǎn)子參數(shù)有關(guān)。在上述公式中，第五章電磁轉(zhuǎn)矩，三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，從電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式

15、中，可以知道轉(zhuǎn)矩T與滑差S有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用右圖表示。該曲線稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線。當(dāng)s0 (nn0)時(shí)，電機(jī)不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。這是電機(jī)在沒(méi)有負(fù)載和機(jī)械損失的理想空載狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)。第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制；第2章：臨界滑移率和最大扭矩，指令，增益，最大扭矩：臨界滑移率，與r 2成比例，但獨(dú)立；1、稱為過(guò)載系數(shù)，它代表電機(jī)的過(guò)載能力，一般為1 . 82 . 2；第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。電流急劇上升到額定值的6或7倍，導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱并燒毀。第5章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制，5.4三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，機(jī)械特性：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N與轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系，1。有額定轉(zhuǎn)矩TN、額定轉(zhuǎn)

16、差率sN、額定轉(zhuǎn)速nN、額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式KW、額定工作點(diǎn)R、1.N，允許短期過(guò)載。輕載工作狀態(tài)，低效率，例5.2已知Y225S-4三相異步電動(dòng)機(jī)、第5章三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制。如果電機(jī)軸上的負(fù)載扭矩t1處于以下三種情況，電機(jī)處于什么工作狀態(tài)？TL 238.75Nm；TL60 NmTL286.5Nm，解決方案：首先計(jì)算總氮，然后計(jì)算TL238.75 NmTN，因此電機(jī)處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，即額定運(yùn)行狀態(tài)。TL60 Nm0.25 TN時(shí)，電機(jī)處于輕載工作狀態(tài)，僅為額定負(fù)載的1/4。如果TL=286.5 Nm1.2 TN，電機(jī)處于過(guò)載狀態(tài)，過(guò)載為20。第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制；第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)單控制；2.臨界點(diǎn)C，1。C