第五章 电动机
5.1基本要求
1.掌握三相异步电动机的基本构造、转动原理和机械特性。 2.掌握三相异步电动机的起动、调速和制动的基本原理和方法。 3.理解三相异步电动机铭牌数据的意义。 4.了解直流电动机的基本构造和工作原理。 5.2基本内容
5.2.1.三相异步电动机的构造
三相异步电动机主要由定子和转子两部分构成。定子是静止部分,由铁芯和三相绕组组成,绕组的连接方式不同可以构成不同的极对数p。转子是转动部分,分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式转子自成一个闭合电路,绕线式转子则将接线端通过电刷引出电动机外。 5.2.2.三相异步电动机的旋转原理
定子三相绕组通过三相电流后产生旋转磁场,旋转磁场与转子的相对运动使转子切割磁场产生感应电动势和电流,而转子电流又与旋转磁场作用产生电磁转矩,从而推动转子转动。以下是几个重要概念:
1.旋转磁场的转速为n0?60f1,与电流频率f1和极对数p有关。 p2.旋转磁场的方向与三相电流的相序有关,改变相序可以改变旋转磁场的方向。 3.转子与旋转磁场的转速差n0?n是产生电磁转矩的必要条件,也是“异步”一词的由来。 4.当转差率s?n0?n?0时,电磁转矩消失,所以转子的转速恒小于旋转磁场的转速。 n05.2.3.三相异步电动机的特性
三相异步电动机的特性分为电磁转矩特性(T?s曲线)和机械特性(n?T曲线),特性曲线上有三个重要转矩,即:
1.额定转矩—电机可以长期运行的输出转矩 2.最大转矩—电机的可能达到的最大输出转矩 3.起动转矩—电机在起动时的输出转矩 5.2.4.三相异步电动机的起动、调速和制动 1.三相异步电动机的起动方式分为:
全压起动(直接起动)—适用于10kw以下电机 降压起动—可分为Y/Δ起动和自耦调压起动 串阻起动—用于绕线式电机 2.三相异步电动机的调速方式分为:
变频调速—可实现无级调速,但需要专用的变频电源
变极调速—无需专用设备,但只能实现分级调速,且每相定子绕组要分成几段 *变转差率调速—类似于串阻起动,用于绕线式电机 5.2.5.直流电机的构造和工作原理
1.与三相异步电机一样,直流电机也是由定子和转子两个基本部分组成的。直流电机的定子是磁极,用直流励磁或用永久磁铁制成;转子又称作电枢,是产生感应电动势的部分。此外,在直流电机的轴上还装有换向器,其作用是当线圈的有效边从N极(或S极)下转到S极(或N极)下时,改变其中的电流方向,使N极下有效边中的电流总是一个方向,而S极下有效边中
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的电流总是另一个方向,使两个有效边上受到的电磁力方向不变,以产生同一方向的力矩。 2.并励式直流电机的机械特性是硬特性。当负载变化较大时,转速的变化很小。 3.直流电机具有良好的调速性能,可实现均匀平滑的调速。调速方法有三种:(a)改变磁通φ调速;(b)改变电枢电压U调速;(c)在电枢电路中串接电阻调速。
4.直流电机具有很大的起动转矩,且起动时电枢电流可达额定值的10~20倍,必须串接电阻限流。
5.2.6.基本公式 1.同步转速n0?60f1 (f1:电流频率;p:定子磁极对数) p2.转差率s?n0?n?100% n0P2NN?m(P2N:额定功率,单位KW;nN:额定转速,单位rmin) nN3.额定转矩TN?95504.过载系数??Tm(Tm:最大转矩;TN:额定转矩) TN5.效率??P1?100%(P2:输出功率;P1:输入功率) P25.3 重点和难点
1.三相异步电动机的转动原理:定子(三相对称绕组相间互差1200)通过三相对称电流(相序互差1200)后产生旋转磁场?旋转磁场切割转子导线时,在其中感应出电动势(其方向由右手定则决定)?转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩(电磁转矩由左手定则确定)?电磁转矩使转子转动。
2.电动机定子产生的旋转磁场的转速n0叫做同步转速,转子转速n叫做异步转速,(又称机械转速)。n0与n方向相同,大小不等,电机转子制造工艺确保n略小于n0,一旦n=n0,没有相对切割,转
子电流为0,失去转矩。
3.三相异步电动机的启动和调速 (1)启动
①启动瞬间n?0,s?1。
②启动的方法有直接启动和降压启动。
直接启动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到电源上,一般用于小容量电动机。 降压启动是启动时降低加在电动机定子绕组上的电压,适用于大容量电动机,通常采用Y??降压换接启动。Y??启动是对?形运转的电动机,启动时将定子绕组连成Y形,待电动机接近额定转速时,再将其换接成?形。
11IstY?Ist?,TstY?Tst?
33故只适合于启动轻载或空载起动时。
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(2)调速
调速方案的依据是:n?(1?s)n0?(1?s)60f1。故有三种调速方案①变频(改变f1)调速;p②变极(改变p)调速;③变转差率(改变s)调速。
4.转矩与转子中电流并不成正比关系,比如启动时的转矩TS小于最大转矩TN,但此时转子的电流为最大值,因为此时转子与旋转磁场的相对运动达到最大限度。启动时转矩并非最大是因为此时的功率因数很小,随着转速的提高,功率因数也变大。 5.4 例题与习题解答 5.4.1 例题
例5-1已知一台三相异步电动机的p?3,s?5%,f1?50Hz,三相电源是对称的,且
iA?Imsin(?t?30?),求:
(1)电机的同步转速n0;
(2)电机的额定转速n;
(3)电流交变一周旋转磁场转过的角度;
(4)当?t?30?及?t?90?时三相定子绕组的电流方向(从绕组首端流进为正)。
60f160?50解:(1)n0???1000(r/min)
p3 (2)由转差率公式s?n0?n得: n0 n?(1?s)n0?(1?0.05)?1000?950(r/min)
(3)因n0?1000r/min,所以旋转磁场每分钟转过的角度是 2??1000?2000?
电流交变一次旋转磁场转过的角度是
2000?2?? 60?503 (4)因三相电源是对称的,所以 iA?Imsin(?t?30?) iB?Imsin(?t?150?) iC?Imsin(?t?270?) 当?t?30?时,iA?0,iB??33Im(流出)Im(流进) ,iC?22 当?t?90?时,iA?33Im(流进)Im(流出),iB??,iC?0 22例5-2一台四极三相异步电动机的额定功率为30Kw,额定电压为380V,三角形接法,电源频率为
50Hz,在额定负载下运行时,其转差率为0.02,效率为90%,线电流为57.5A,试求:(1)转子旋转磁场相对于转子的转速;(2)额定转矩;(3)电动机的功率因数
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解:(1)因p?2,f1?50Hz 所以n0? 由s?60f160?50??1500(r/min) P2n0?n可得旋转磁场对转子的转速为 n0 n0?n?sn0?0.02?1500?30(r/min) (2)额定功率nN?n0?sn0?1500?30?1470(r/min) 故额定转矩为 TN?9550P230?9550??194.9(N?m) nN1470P2TN的单位是N?m)中,P2的单位是kW,nN的单位是r/m,
nN(注意:在公式TN?9550 (3)因P2?3?ULILcos?
P230?103??0.88 故cos??3?ULIL3?0.9?380?57.5例5-3一台三相异步电动机的技术数据如下:5kW,380V,△形接法,1440r/min,cos??0.82,(1)额定转差率;(2)额定电流;(3)起动电流;??84.5%,IsIN?7.0,TmTN?2.2,求:(4)额定转矩;(5)起动转矩;(6)最大转矩。 解:(1)因nN?1400r/min可知n0?1500r/min 故sN?n0?nN1500?1440??0.04 n01500 (2)因P?UINcos? 2??P1?3P25?103??11(A) 故IN?3?Ucos?3?0.845?380?0.82 (3)因IsIN?7.0 故Is?7IN?77(A) (4)TN?9550P25?9550??33.2(N?m) nN14405-4
(5)因TsTN?1.8
故Ts?1.8TN?59.8(N?m) (6)因TmTN?2.2
故Tm?2.2TN?73(N?m)
例5-4某一三相异步电动机的额定电压UN?380V,?形连接,额定功率P2N?40kW,额定转速
nN?1470rmin,TstTN?1.2。试求:
(1)启动转速Tst;
(2)如果负载转矩为额定转矩的70%或20%,能否采用Y??换接启动?
分析:Y??换接启动,启动电流可减少到直接启动的1/3,但启动转矩也相应的被减少到直接启动时的1/3。当启动转矩小于负载转矩时,不宜采用Y??换接启动。 解
(1)电动机的额定转矩为
TN?9550P2N40?9550??259.86(N?m) nN1470则启动转矩为
Tst??1.2TN?311.84(N?m)
(2)采用Y??换接启动时的启动转矩为
11TstY?Tst???311.84?103.95(N?m)
33在70%额定转矩时,
TstY103.95??1,所以不能起动。
70%TN0.7?259.86在20%额定转矩时,
TstY103.95??1,所以可以启动。
20%TN0.2?259.86例5-5 Y250M-2型三相异步电动机,已知PN?55kW,nN?2970rmin,TN?176.9N?m,
UN?380V,IN?102.7A,IstIN?7.0,TSTTN?2.0。
(1)试求该电动机的启动电流IST和启动转矩TST(即IST?和TST?)。
(2)该电动机可以采用Y??换接降压启动法,试求启动电流ISTY和启动转矩TSTY。
(3)如果该电动机的负载转矩为额定转矩的60%时,采用Y??换接降压启动时,该电动机能否启
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电工学少学时第三版 张南主编 课后练习答案 第五章 电动机修改
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