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1、第1章 电动机的工作原理及特性,掌握直流电动机的电势方程式,转矩方程式和电压平衡方程式;三相异步电动机的同步转速和转差率的概念; 掌握电动机的机械特性,特别是人工机械特性;掌握电动机起动,制动,调速的各种方法和应用场所;了解用机械特性来分析电动机运行状态的方法;了解常用控制电机的应用场合.,1.1直流电机的工作原理及特性,1.直流电机的基本结构,主磁极,电枢,换向器,电刷装置,直流电机的结构图,剖面图:电枢1;主磁极2;换向极4;机座6,电枢铁心冲片,换向器:换向片3;连接片4;云母环2,2.直流电机的基本工作原理,发电机,电动机,简化为一对磁极,一个线圈,1)感应电势E,2.直流电机的基本方
2、程式,2)电磁转矩T,-一对磁极的磁通(Wb);n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.,式中:E-电动势(V);,-一对磁极的磁通(Wb); Ia-电枢电流(A); Kt-与结构有关的常数.,式中:T-电磁转矩(Nm);,3.直流电动机的机械特性,1.他激和并激直流电动机的机械特性1)原理电路图,1)直流电动机机械特性方程式,直流电动机电枢电压平衡方程式,上式为直流电动机机械特性的一般表达式,式中,Ra为电枢电阻.以,代入得:,由,将Ia值再代入,得:,机械特性曲线n=f(T),4.固有(自然)机械特性和人工机械特性1)他激直流电动机的自然机械特性(正转)在额定电压,额定磁通
3、,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性.,额定负载时,转速降落不多,是硬特性;,金属切削机床,冷轧机,造纸机等宜于选用硬特性的电动机.,2)自然机械特性曲线的作法已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra,Ke ,(1)电枢电阻Ra的估算:,(2)理想空载转速no计算:,(3)额定转矩Nn的计算:,no,TN,找出两个点,即理想空载点(o,no)和额定运行点(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性.,3)举例,(1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性.解:分析
4、只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性.,=0.71,=0.132,=1667r/min,=35Nm,4)电动机人工机械特性(三种),(1)电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的人工机械特性方程式:,附加电阻Rad越大,机械特性越软.,(2)改变电枢电压的人工机械特性,U改变,但转速降不变.因此,变电枢电压的人工机械特性是一簇与自然机械特性平行的特性曲线.只允许在额定电压以下调节.在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用.,随U的变化而变化,(3)改变磁通的人工机械特性,从机械特性方程可知,改变磁通时,电动机的理想空载转速
5、和转速降落都会随磁通的变化而变化.磁通只能在额定值以下调节,理想空载转速和转速降落都要增大-弱磁增速.使用中,要防止电动机过载,更要防止飞车,因此,直流他激电动机设有失磁保护.,串激直流电动机的机械特性,1)特点:电枢电流就是激磁电流.2)机械特性分析: 第一段,电动机轻载时,机械特性具有双曲线的形状,理想空载转速趋近无穷大. 第二段,电动机负载较重时,磁路趋于饱和,机械特性近似一条直线.3)注意事项: 直流串激电动机不允许空载运行-飞车事故.,4 直流他激电动机的起动特性,直流他激电动机的起动电流是额定电流的(10-20)倍,不允许直接起动.限制其起动电流的方法有两种.1.降压起动: 组成S
6、CR-M自动调速系统的起动环节.是后面学习的一个重点.2.电枢电路串外接电阻起动 右图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图和起动特性, 其起动特性就是前面刚刚学习过的一种人工机械特性.,5.直流他激电动机的制动特性,直流他激电动机的工作状态分为电动状态和制动状态,如右图所示.图中,(a)为电动状态; (b)为制动状态.1)特点:电动机的转矩T与转速n方向相反,电机处于发电工作状态.2)制动形式:稳定的制动状态; 过渡的制动状态.3)制动方法有3种: 反馈制动; 反接制动; 能耗制动.,1.反馈制动,1)实现条件:外部作用使电动机的转速n大于其理想空载转速no.如,电车下坡,起重机下放重物.
7、2)机械特性:正转时,是第一象限的机械特性在第二象限内的延伸,如右图所示.,3)特点:(1)利用位能转矩带动电动机发电,将机械能变成电能,向电源馈送.(2)重物下放时电动机的转速仍高于理想空载转速,运行不太安全.,2.反接制动,1)实现条件:电枢电压或电枢电势反向.2)分类:(1)电源反接制动.改变电枢电压U的方向所产生的制动.机械特性方程式为;,为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻. 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上.,(2)倒拉反接制动.改变电枢电势方向所产生的制动.如:起重机的重物下降时,电枢反转,电势反向.此时,位能负载转矩TL使重物
8、下放,电动机转矩TM反对重物下放-制动.特点:适当选择电枢电路中的附加电阻,可以得到低的转速,保证安全; 转速稳定性较差.制动特性如右图所示.是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸.,反接制动,3.能耗制动,1)实现条件:将电枢电压突然降为零,串一外接电阻使电枢短接.此时电动机继续旋转产生的转矩T与n反向-制动.2)特点:制动时的机械能转变为电能使外接电阻发热而消耗,称之为“能耗”; 稳定性好,电动机不可能反向起动.3)应用:要求迅速准确停车的场合;重物恒速下放.,6.直流他激电动机的调速特性,由直流他激电动机人工机械特性方程式直流电动机的调速方法:式中, Ke,Kt,Ra 均为
9、常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U; 3.变磁通 .,1.改变电枢电路外接电阻调速,电动机电枢电路串电阻后,其人工机械特性如右图示.,1)应用: 起重机,卷扬机;2)缺点:机械特性软,实现无级调速困难;3)注意:串电阻调速与起动特性相似,但起动电阻与调速电阻不同.,2.改变电动机电枢供电电压调速,变电枢电压调速的机械特性如右图.,1)特点:容易实现无级调速;机械特性是一组平行线,硬度不变;不需用其他起动设备.2)应用;适用于恒转矩负载,组成SCR-M系统,在工业生产中广泛应用.第11章将重点学习.,3.改变电动机主磁通调速,变磁通调速的机械特性如
10、右图示.,1)特点:可以实现无级调速;机械特性软;调速范围不大.2)应用:适用于恒功率负载.一般与调压配合使用.3)注意:在额定转速以上调节-弱磁增速.,例题,例:一台直流他激电机的额定数据为;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7欧 ;如果电动机在额定转矩下运行,求(1)电动机的电枢电压降到180V时,电动机的转速是多少?(2)激磁电流If=IfM(即磁通为额定值的0.8时)时,电动机的转速是多少?(3)电枢电路串入2欧的附加电阻时,电动机的转速是多少?解:,(1)此时,U=180V,Ra=1.7欧,=14,例题求解,(2)此时,U=UN=
11、220V,Ra=1.7欧,(3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7,(以上转速单位为r/min),1.2三相异步电动机的工作原理及特性,1).三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子构成,定子和转子之间有气隙. (1)定子 定子由铁心,绕组,机座三部分组成. 铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成; 三相绕组连接成星形或三角形; 机座一般用铸铁作成,主要用于固定和支撑定子铁心. (2)转子 转子由铁心和绕组组成. 转子同样由硅钢片叠压而成,压装在转轴上; 转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种. 线绕式异步电动机还有滑环,电刷机构.,鼠笼式三相异步电动
12、机的结构示意图,5.定子铁心,6.定子绕组,7.转轴,8.转子,9.风扇,11.轴承,12.机座,鼠笼电动机转子和线绕电动机转子绕组与外部接线,2).三相异步电动机的工作原理,(1)三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组,产生旋转磁场,旋转磁场的转速称之为同步转速;(2)旋转磁场切割转子导体,产生感应电势;(3)转子绕组中感生电流;(4)转子电流在旋转磁场中产生力,形成电磁转矩,电动机就转动起来了. 电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,称之为异步. 设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为 ;
13、no-n; 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是分析异步电动机运行情况的主要参数,且,3).三相异步电动机的旋转磁场,(1)旋转磁场的产生 设电动机为2极,每相绕组只有一个线圈.,在0-T/2这个区间,分析有一相电流为零的几个点.规定:当电流为正时,从首端进尾端出;电流为负时,从尾端进首端出.,t=0时,iA=0;iB为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从Y端流到B端;iC为正,电流实际方向与正方向一致,即电流从C端流到Z端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场,如图(a)中箭头所示。,t=0时,iA=0;iB为负,iC为正,t=T/6时,t=T/6=/3,iA为
14、正(电流从A端流到X端);iB为负(电流从Y端流到B端);iC=0。此时的合成磁场如图(b)所示,合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了/3。,t=T/6时,t=T/6=/3,iA为正;iB为负;iC=0,此时的合成磁场如图(c)所示,合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了2/3。,t=T/3时,t=T/3=2/3,iA为正;iB=0;iC为负,此时的合成磁场如图(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了。按以上分析可以证明:当三相电流随时间不断变化时,合成磁场的方向在空间也不断旋转,这样就产生了旋转磁场。,t=T/2时,t=T/2=,iA=0;iB为正;iC为负
15、。,旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致;改变三相交流电的相序,即A-B-C变为C-B-A,旋转磁场反向;要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线.,(2)旋转磁场的旋转方向,式中,f为电源频率50HZ;p为电动机的磁极对数.电动机的磁极对数为1时,同步转速为3000r/min;电动机的磁极对数为2时,同步转速为1500r/min;电动机的磁极对数为3时,同步转速为1000r/min.,(3)旋转磁场的旋转速度-同步转速no,(4)定子绕组线端连接方式,注意:三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压220V; 三相绕组连接成三角形,每相绕组承受线电压380V.,3.三相异步电动机的电路分析,1).定子电路分析 电动机定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2.定子每相绕组产生的感应电动势为:,其有效值为 :,定子和转子电路的感应电势,定子电路分析,其大小为:,忽略R1和X1上的电压降,有:,考虑定子电流产生的漏磁通,用复数表示为:,