zj第4章 电机与电力拖动.ppt

,第4章电机与电力拖动,本章要点三相异步电动机的工作原理。三相异步电动机的机械特性与运行特征。三相异步电动机不同负载的机械特性。电力拖动系统的特点。技能目标掌握分析异步电机理论问题的方法，具备解决问题的能力。会分析不同负载的机械特性。通过举一反三的练习，掌握中等难度实例练习的技巧。,,,,,,,,,,电机依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电动机也俗称马达，在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母“G”表示。它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电。,,,,在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动,一、异步电动机的用途,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等,异步电动机能在生产和生活领域中得到广泛的应用，是有着众多,优点结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用的工作特性,缺点功率因数较差，电机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，功率因数总小于1,,,,,,,,,4.1异步电动机三相异步电动机与其他电机相比较，具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉、容易控制、容易维修等一系列优点；还具有较高的运行效率和较好的工作特性，能满足各行各业大多数生产机械的传动要求。异步电动机还便于派生成符合各种专用特殊要求的形式，以适应不同生产条件的需要。异步电动机按转子结构不同，可分为笼型和绕线转子型两类。变频调速主要用于三相笼型电动机。,,,,按转子结构分,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,二、三相异步电动机的结构,主要部件的拆分图,三相鼠笼型异步电动机,定子（静止部分）1、定子铁心作用电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。,2、定子绕组作用是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。,3、机座作用固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。,转子（旋转部分）1、三相异步电动机的转子铁心作用作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。,2、三相异步电动机的转子绕组作用切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。,三相异步电动机的其它附件1、端盖支撑作用。2、轴承连接转动部分与不动部分。3、轴承端盖保护轴承。4、风扇冷却电动机。,,4.1.1异步电动机的工作原理1．旋转磁场,这就是变频调速的理论依据,,如果频率调节成，则同步转速n0 x也随之改变为,,,式中为电流的频率；为旋转磁场的磁极对数。,两极异步电动机示意图（图中气隙磁场形象地用N、S来表示）,定子接三相电源上，绕组中流过三相对称电流，气隙中建立旋转磁动势，产生旋转磁场，转速为同步转速（r/min）,这个同步转速的气隙磁场切割转子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流；,转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，这个力矩驱动转子旋转，实现电动机的工作过程,2.异步电动机的工作原理,图4.1所示为异步电动机的工作原理。,,,图4.1异步电动机的工作原理,2.异步电动机的工作原理,,转差,转差率,异步电动机的转速n的表达式,4.1.2异步电动机的铭牌参数在三相异步电动机的外壳上，固定有一个牌子，称铭牌。1．型号2．额定功率3．额定电压4．额定电流5．额定频率6．额定转速7．额定功率因数8．额定温升9．额定转矩10．接法4.1.3电动机的工作制1．连续工作制2．断续工作制3．短时工作制,,,,,,5）额定功率因数指电动机在额定负载时定子侧的功率因数；,三相异步电动机的额定值,1）额定功率（kW）指额定运行时转轴上的输出机械功率；,2）额定电压（V）指加在绕组上的线电压；,3）额定电流（A）指定子绕组中的线电流；,4）额定频率（Hz）我国工业用频率为50Hz；,6）额定转速（r/min）指电机额定运行时转轴的转速；,（Nm）,7）电动机的额定输出转矩计算公式为,.,三相异步电动机的额定值,例1三相异步电动机p3，电源f150Hz，电机额定转速n960r/min。求转差率s,同步转速,转差率,例1三相异步电动机p3，电源f150Hz，电机额定转速n960r/min。求转差率s，转子电动势的频率f2,同步转速,转差率,,,,,,例2三相异步电动机额定转速n1440转/分，磁极对数P为多少旋转磁场转速为多少转/分，转差率为多少（中国市电的频率是50HZ）,转差率（1500-1440）/15000.04（转差率（同步转速-实际转速）/同步转速）,磁极对数P2旋转磁场转速为1500转差率为4,,,,,,,,,,4.1.4变频有效输出值当电动机处于变频运行状态，频率调节到fx时，电动机的外加电压也会发生变化，此时电动机已不是在额定情况下运行，也就不能再用额定功率PN和额定转矩Tx等额定值来衡量电动机的带负载能力，我们将电动机在任意频率fx下能够长期、安全、稳定输出的功率和转矩称为有效功率和有效转矩。在变频调速中，是用有效输出值这个概念来衡量电动机的带负载能力的。在频率fx下，如果电动机实际所带的负载超过了有效输出值，电动机就处于过载的工作状态。,,,,,,,,,,,,,,4.1.5电动机容量的选择从发热方面来看，选择电动机的原则是电动机在运行时的稳定温升不能超过其允许温升。由于不同的工作制下，电动机达到稳定温升的时间也不一样，因此选择的方法也不同。,,对于连续工作的负载来说，由于电动机在运行期间能够达到稳定温升，因此不允许电动机过载。,对于断续、短时间工作的负载来说，由于电动机在运行期间并不能达到稳定温升，因此在电动机的温升不超过其允许温升的前提下，允许电动机短时间过载，在选择电动机容量时，可以选择容量较小的电动机。如果能改善电动机的散热条件，其短时间过载能力还可以加大.,图4.2异步电动机定子和转子等效电路,4.1.6异步电动机的等效电路及其平衡方程式1．异步电动机的等效电路异步电动机的转子能量是通过电磁感应得到的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路如图4.2所示。,,,为了方便定量分析定子、转子之间的各种数量关系，现将定子、转子有关参数进行折算，折算后，异步电动机的等效电路如图4.3所示。,图4.3,2．定子和转子的电动势平衡方程式定子侧的电动势平衡方程式转子电动势平衡方程式3电流方程式,,,4.1.7异步电动机的功率及转矩1．异步电动机的功率传递图4.4表示三相异步电动机的功率流程。,,,,,,,,,,图4.4,电动机转子的电磁功率负载上得到的机械功率电动机的效率,,2．异步电动机的转矩1转矩平衡方程式,,,,,,,,2电磁转矩的物理表达式,2电磁转矩的表达式1电磁转矩的基本公式,3电磁转矩的参数表达式,,,4.2异步电动机的机械特性与运行4.2.1异步电动机的机械特性（转速与电磁转矩）异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身所固有的参数决定的，叫做电动机的机械特性，其曲线如图4.5所示。,图4.5,1．理想空载点E点,,3．临界点K点,2．启动点S点,起动转矩,临界转矩TK,,,,S0,S1,S0.1～0.05,SSk,,,图4.5异步电动机的机械特性,理想空载点E点,,临界点K点,启动点S点,,,,S0,S1,S0.1～0.05,SSk,,TN以前转速越小转矩越大,,,,,,,,,额定值,通常最主要的几项数据都刻在产品的铭牌上，因此又称铭牌值。,电机、汽轮机、水轮机等设备在一定条件下正常运行时对电压、电流、功率等所规定的数值，反映产品重要技术性能的数据。是生产、设计、制造和使用产品时的技术依据。,额定值是根据用户需要和制造厂生产技术的可能，并考虑到安全、经济、维修、使用方便等因素，额定值一般由双方公认的权威机构批准公布，在中国则由国家技术监督局标准司或有关的部以标准的形式发布。,额定值分为做额定电压、额定电流、额定功率等,,,,,,,4.2.2异步电动机的运行1．电动机稳定运行状态电动机稳定运行时，TTL。图4.6所示为电动机稳定运行时的机械特性曲线。,图4.6,,,电动机轴上所带的最大负载转矩只能在电动机的额定转矩TN的附近变化。,,,,,,图4.6,2.电动机工作点的动态调整过程,3.异步电动机的启动,,电动机从静止一直加速到稳定转速的过程，叫做启动过程。一般,,,,,,,,,,,4．异步电动机的制动电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转方向相反，就称为制动。制动有再生制动、直流制动和反接制动三种。,,图4.7,转子转速超过旋转磁场转速电动机不再消耗能量，而是将拖动系统的动能再生给了电网。,1再生制动，如图4.7所示。,,,,,,,,,,,4．异步电动机的制动,,图4.8,1再生制动，如图4.8所示。,降低频率减速瞬间，由Q点变成B点，特性曲线由①→②产生反向制动转矩TB电动机进入再生制动，直到稳定于②上Q点,,,,,,,,,,,4．异步电动机的制动,,2直流制动,3反接制动,异步电动机的定子绕组中通入直流电流时，所产生的磁场将是空间位置不变的恒定磁场，而转子因惯性而继续以其原来的速度旋转，此时，转动的转子切割这个静止磁场而产生制动转矩，进而达到电动机快速制动的效果。,在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。,图4.9,4.2.3异步电动机的调速1.调速与速度改变1调速，如图4.9所示，调速时转速的改变是从不同的机械特性上得到的。将调速时得到的机械特性簇称为调速特性。,2速度改变速度改变是指由于负载的变换而引起拖动系统的转速改变。相同的机械特性上得到的,,,,Q1→Q2,Q1→Q1,2.调速指标1调速范围。2调速的平滑性。,3调速特性1静态特性主要是指调速后机械特性的硬度。2动态特性是指过渡过程中的性能。,4.3负载的机械特性在电力拖动系统中，生产机械的负载转矩TL、电动机的电磁转矩T与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性和电动机的机械特性。4.3.1恒转矩负载1.恒转矩，TL常数。2.负载功率与转速成正比。,,,,图4.11恒转矩负载的机械特性和功率特性曲线,即负载功率与转速成正比，其负载功率特性曲线如图4.11b所示。,4.3.2恒功率负载恒功率负载是指负载转矩TL的大小与转速n成正比，而其功率基本维持不变的负载，属于这类负载的有以下几种。1各种卷曲机械是恒功率负载的典型例子，如图4.12所示。,图4.12恒功率负载,2轧机在轧制小件时用高速轧制，但转矩小；轧制大件时轧制量大，需较大转矩，但转速低，故总的轧制功率不变。3车床加工零件在精加工时切削量小，但切削速度高；相反，粗加工时切削力大，切削速度低，故总的切削功率不变。恒功率负载有以下特点1功率恒定，2负载阻转矩的大小与转速成反比,如图4.13所示。,,图4.13恒功率负载的机械特性和功率特性曲线,,4.3.3二次方律负载二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比，如风扇、风机、泵、螺旋桨等机械的负载转矩，如图4.14所示。,图4.14,图4.15二次方律的机械特性和功率特性曲线。,二次方律负载的机械特性和功率特性曲线如4.15a和图4.15b所示。,4.4拖动系统与传动机构4.4.1拖动系统1．拖动系统的组成由电动机带动生产机械运行的系统称为拖动系统；一般由电动机、传动机构、生产机械、控制系统等部分组成，如图4.16所示。,图4.16拖动系统的组成,4.4.2传动机构的作用及系统参数1．传动比大多数传动机构都具有变速的功能，如图4.17。,图4.17电动机与负载的连接,变速的多少由传动比来衡量。,2．拖动系统的参数折算,本章小结异步电动机的转速n的表达式,可见改变即可实现电动机的速度调节。由于电动机结构参数及其所带负载的特性对变频器的正常工作有着极大的影响，所以应掌握异步电动机运行时定子、转子电动势平衡方程、电流方程及其功率传递过程；异步电动机的机械特性，调速时的机械特性；电动机的制动方式；电动机的工作及其容量选择；负载类型、恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点和对应的机械特性；了解电力拖动系统的构成和传动机构的作用。,课后习题,1、异步电动机的工作原理,工作原理为当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。,电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机。,2、旋转磁场的方向由什么决定如何改变旋转磁场的方向,旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的,若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对掉即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。,3、异步电动机变频调整的理论依据是什么,这就是变频调速的理论依据。,如果频率调节成，则同步转速n0 x也随之改变为,式中为电流的频率；为旋转磁场的磁极对数。,4、异步电动机变频运行有效输出值与额定输出值有什么关系,额定值是根据用户需要和制造厂生产技术的可能，并考虑到安全、经济、维修、使用方便等因素，额定值一般由双方公认的权威机构批准公布，在中国则由国家技术监督局标准司或有关的部以标准的形式发布。,当电动机状态，频率调节到fx时，电动机的处于变频运行外加电压也会发生变化，此时电动机已不是在额定情况下运行，也就不能再用额定功率PN和额定转矩Tx等额定值来衡量电动机的带负载能力，我们将电动机在任意频率fx下能够长期、安全、稳定输出的功率和转矩称为有效功率和有效转矩。,5、从异步电动机发热角度如何选择它的容量,从发热方面来看，选择电动机的原则是电动机在运行时的稳定温升不能超过其允许温升。由于不同的工作制下，电动机达到稳定温升的时间也不一样，因此选择的方法也不同。,温升电动机温度比周围环境温度高出的数值。（差值）,发热状态下绕组温度,冷确状态下绕组温度（不高于40℃）,6、电动机的额定功率是它吸收电能的功率吗,电动机吸收电源的功率既要转换为机械功率供给负载，又要消耗在电动机的内部。电动机内部有不变损耗和可变损耗。不变损耗不随负载电流的变化而变化，可变损耗与负载电流有关，与负载电流平方成正比。负载电流增大时，可变损耗要增大，电动机的额定功率也要相应选大些。,