《電工與電子技術(shù)》單元5電動機.ppt

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1 主編 李文王慶良副主編 孫全江韋宇主審 于昆倫 電工與電子技術(shù) 上篇電工學單元5電動機 2 知識點 交 直流電動機的構(gòu)造 工作原理 電磁轉(zhuǎn)矩 機械特性及啟動 調(diào)速 反轉(zhuǎn) 制動方法 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)及選擇 異步電動機電路的分析計算方法 其他電動機的用途 能力目標 掌握異步電動機電路的分析計算 具有正確選擇電動機的能力 單元5電動機 3 單元5電動機 目錄 4 5 1 1 1電動機的分類 按速度劃分 可分為不調(diào)速和調(diào)速兩大類型 不調(diào)速電動機直接由電網(wǎng)供電 調(diào)速電動機由各種變流器 主要是各種電力電子變流器 供電 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 將有越來越多的調(diào)速傳動取代不調(diào)速傳動 以節(jié)約電能 改善機械性能 5 1電動機 5 1 1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理 5 1電動機 5 按照電動機的類型劃分 電動機可分為交流 直流電動機兩大類 交流電動機又分異步 同步電動機兩類 5 1電動機 6 5 1 1 2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機由兩個基本部分組成 定子 固定部分 和轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)部分 如圖5 1所示 定子由機座 定子鐵芯和定子繞組三部分組成 機座是由鑄鋼制成的 它有固定鐵芯 繞組和支撐端蓋的作用 圖5 1三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 5 1電動機 7 定子鐵芯是電動機磁路的組成部分 一般是由互相絕緣的硅鋼片疊成 見圖5 2 鐵芯的表面沖有槽 用于嵌放三相對稱繞組 稱為定子繞組 定子繞組是定子中的電路部分 一般有六個出線端 分別接到機座的接線盒內(nèi) 以便使用時與三相電源相連接 圖5 2定子硅鋼片 5 1電動機 8 轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分 用來帶動機械負載轉(zhuǎn)動 它主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分組成 轉(zhuǎn)子鐵芯是由許多硅鋼片疊成的圓柱體 每一片轉(zhuǎn)子硅鋼片的形狀如圖5 3所示 其外圈沖有均勻分布的槽 槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組 根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)不同 三相異步電動機分為籠型和繞線式兩種 圖5 3轉(zhuǎn)子硅鋼片 5 1電動機 9 籠型轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)壓進銅條 銅條兩端分別焊在兩個銅環(huán)上 如圖5 4 a 所示 由于形狀像籠子 所以得此名 為了節(jié)省銅材 現(xiàn)在中小型電動機一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子 如圖5 4 b 所示 即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵芯的槽內(nèi) 有的把風扇和兩個端環(huán)鑄在一起 鑄鋁轉(zhuǎn)子不僅簡化了制造工藝 也降低了成本 圖5 4籠型電動機轉(zhuǎn)子 a 籠型轉(zhuǎn)子 b 鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子 5 1電動機 10 繞線式轉(zhuǎn)子繞組同定子繞組一樣 也是由導線制成三相對稱繞組 放置在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi) 轉(zhuǎn)子繞組固定連接成Y型 把三個接線端分別接到轉(zhuǎn)軸上三個彼此絕緣的銅質(zhì)滑環(huán)上 滑環(huán)與軸也是絕緣的 通過與滑環(huán)滑動接觸的電刷 將轉(zhuǎn)子繞組的三個始端接到機座的接線盒內(nèi) 其結(jié)構(gòu)如圖5 5所示 三個接線端可以把外加的三相變阻器或電阻串入轉(zhuǎn)子繞組中 從而改善電動機的啟動和調(diào)速性能 當不接外加三相變阻器時 必須把三個接線端短接 使轉(zhuǎn)子繞組形成閉合通路 否則電動機將不會轉(zhuǎn)動 兩種類型轉(zhuǎn)子的電動機只是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上有所不同 其工作原理完全一樣 籠型電動機用得最多 最普遍 繞線式電動機有較好的啟動和調(diào)速性能 一般用在要求頻繁啟動和在一定范圍內(nèi)調(diào)速的場合 5 1電動機 11 圖5 5繞線式轉(zhuǎn)子 a 繞線轉(zhuǎn)子 b 繞線轉(zhuǎn)子回路接線示意圖1 轉(zhuǎn)軸 2 轉(zhuǎn)子鐵芯 3 滑環(huán) 4 轉(zhuǎn)子繞線出線頭 5 風扇 6 刷架 7 電刷引線 8 轉(zhuǎn)子繞組 5 1電動機 12 5 1 1 3三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的三相定子繞組通入三相交流電流 便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 而三相異步電動機的工作原理是基于對旋轉(zhuǎn)磁場的利用 所以先介紹旋轉(zhuǎn)磁場是怎樣產(chǎn)生的 1 旋轉(zhuǎn)磁場 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 三相異步電動機的定子繞組如圖5 6 a 所示 它是由在空間彼此相隔120 的三組相同的線圈組成 即三相對稱繞組 每組線圈是一相繞組 為便于分析其基本原理 每相繞組用一個線圈表示 每相繞組的始 未端分別用U1 V1 W1和U2 V2 W2表示 定子繞組可以連成Y 也可連成 圖5 6 b 所示為Y連接 5 1電動機 13 將定子繞組接在三相交流電源上 即產(chǎn)生三相電流 其波形如圖5 7 a 所示 瞬時表達式為 圖5 6定子繞組示意圖 5 1電動機 14 規(guī)定電流的正方向是從繞組的首端流入 末端流出 三相繞組通入三相交流電流后 共同產(chǎn)生了一個隨電流交變的在空間不斷旋轉(zhuǎn)的合成磁場 這就是旋轉(zhuǎn)磁場 下面在圖5 7中任取幾個不同瞬間進行分析 圖中 符號 表示電流流入紙面 符號 表示電流流出紙面 t 0的瞬間 iU 0 U1U2繞組中無電流 iV為負 V1V2繞組中電流的方向與正方向相反 電流從V2到V1 即電流從末端V2流入 從首端V1流出 iW為正 W1W2繞組中電流的方向與正方向相同 電流從W1到W2 即電流從首端W1流入 從末端W2流出 根據(jù)右手螺旋定則可知 它們產(chǎn)生的合成磁場如圖5 7 b 所示 5 1電動機 15 圖5 7兩極旋轉(zhuǎn)磁場 a 三相電流的波形 b 合成磁場 5 1電動機 16 圖5 7 b 5 1電動機 17 5 1電動機 18 圖5 7 b 5 1電動機 19 2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理當電動機定子繞組通入三相交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 在圖5 8中以旋轉(zhuǎn)的磁極N S表示 轉(zhuǎn)子繞組用一個閉合線圈來表示 旋轉(zhuǎn)磁場以n1速度順時針方向旋轉(zhuǎn) 磁力線切割轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 其方向用右手定則來確定 旋轉(zhuǎn)磁場順時針方向旋轉(zhuǎn) 則轉(zhuǎn)子繞組逆時針方向切割磁力線 在S極下 導體中感應(yīng)電動勢方向垂直紙面向里 用 表示 在N極下 導體中感應(yīng)電動勢的方向垂直紙面向外 用 表示 由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的 因此在感應(yīng)電動勢的作用下會產(chǎn)生電流 其方向與感應(yīng)電動勢方向相同 轉(zhuǎn)子繞組中的電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F 其方向用左手定則確定 如圖5 8所示 5 1電動機 20 電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 使轉(zhuǎn)子以n速度與旋轉(zhuǎn)磁場相同的方向轉(zhuǎn)動起來 但轉(zhuǎn)子的速度n不可能與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等 如果兩者速度相等 方向又相同 則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間就沒有相對運動 磁力線就不切割轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組中就沒有感應(yīng)電動勢和電流 電磁轉(zhuǎn)矩也就不會產(chǎn)生 所以 異步電動機的轉(zhuǎn)速一定低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 兩者不同步 這就是異步電動機名稱的由來 由于它是靠感應(yīng)電動勢和電流而工作 因此又叫感應(yīng)電動機 圖5 8轉(zhuǎn)動原理 5 1電動機 21 綜上所述 三相異步電動機的工作原理是 由定子繞組通入三相交流電源而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流 轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力 從而形成電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來 通常把旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差值稱為轉(zhuǎn)差 轉(zhuǎn)差與n1的比值稱為轉(zhuǎn)差率 用s表示 即 5 3 或 5 4 5 1電動機 22 5 1 2 1轉(zhuǎn)子電路各量的分析 1 轉(zhuǎn)子電動勢與轉(zhuǎn)子電流頻率與變壓器類似 轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢E2的有效值為 式中 轉(zhuǎn)子電流頻率 轉(zhuǎn)子繞組系數(shù) 因為旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速為 所以 5 1 2三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性 5 5 5 6 5 1電動機 23 5 1電動機 24 5 1電動機 25 5 1電動機 26 4 轉(zhuǎn)子功率因數(shù)轉(zhuǎn)子電路為感性電路 其轉(zhuǎn)子電流總是滯后于轉(zhuǎn)子電勢角度 所以轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)為 式 5 10 說明 轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)差率的增大而下降 其變化規(guī)律如圖5 9所示 5 10 5 1電動機 27 5 1 2 2三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 1 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是三相電動機最重要的物理量之一 可以證明 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為 式中cT 異步電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù) 與電動機自身的結(jié)構(gòu)有關(guān) 磁極平均磁通 在電源電壓和頻率一定時 其值為常量 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系稱為電動機的轉(zhuǎn)矩特性 將式 5 9 式 5 10 代入式 5 11 可得 5 12 5 1電動機 28 由于 因此 式 5 12 也可寫成式 5 13 中 為常量 而電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方有關(guān) 所以 電源電壓的波動對異步電動機的轉(zhuǎn)矩影響很大 5 13 5 1電動機 29 2 轉(zhuǎn)矩特性曲線由式 5 12 和式 5 13 可知 在電源電壓和頻率一定時 則 及均為常數(shù) 因而 電磁轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)差率有關(guān) 圖5 10 5 1電動機 30 圖5 10異步電動機的轉(zhuǎn)矩曲線 5 1電動機 31 由式 5 14 可知 因鼠籠式電動機的轉(zhuǎn)子電阻很小 所以也很小 對于繞線式電動機 由于可以外接電阻 因而可以改變轉(zhuǎn)子回路電阻從而改變 如圖5 11所示 利用這一原理可以調(diào)節(jié)繞線式電動機的轉(zhuǎn)速 式 5 15 表明 在電機結(jié)構(gòu)一定時 最大轉(zhuǎn)矩只與電源電壓有關(guān) 圖5 11不同轉(zhuǎn)子電阻時的轉(zhuǎn)矩曲線 5 1電動機 32 5 1 2 3三相異步電動機的機械特性電力拖動系統(tǒng)中 為了便于分析 通常將曲線改畫成曲線 后者稱為電動機的機械特性曲線 所以 電動機的機械特性就是指電動機的轉(zhuǎn)速和電動機的電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系 參照圖5 10 將曲線中的s坐標換成轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n 并按順時針方向轉(zhuǎn)過90 再將表示T的橫軸下移 即可得異步電動機的機械特性曲線 如圖5 12所示 圖5 12三相異步電動機的機械特性曲線 5 1電動機 33 研究機械特性的目的是為了分析電動機的運行性能 圖5 12中 BC為不穩(wěn)定運行階段 AB為穩(wěn)定運行區(qū) 在穩(wěn)定區(qū) 若電動機拖動的負載發(fā)生變化 電動機能適應(yīng)負載的變化而自動調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定運行 下面介紹異步電動機機械特性曲線上的三個特征轉(zhuǎn)矩 1 額定轉(zhuǎn)矩電動機在額定狀態(tài)下運行的轉(zhuǎn)矩 可由銘牌上的和求得式 5 16 中 的單位為kW 的單位為r min 的單位為N m 5 16 5 1電動機 34 2 最大轉(zhuǎn)矩由式 5 15 可以確定最大轉(zhuǎn)矩 應(yīng)當注意 當電動機的負載轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩時 電動機就要停轉(zhuǎn) 所以最大轉(zhuǎn)矩也稱為停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 此時 電動機的電流可達額定電流的3 5倍 電動機會因嚴重過熱而燒壞繞組 最大轉(zhuǎn)矩對電動機的穩(wěn)定運行有重要意義 當電動機負載增大而過載時 電磁轉(zhuǎn)矩接近于最大轉(zhuǎn)矩 此時應(yīng)當保證電動機穩(wěn)定運行 不因短時過載而停轉(zhuǎn) 但長時間過載也會造成電動機過熱損壞 因此 要求電動機要有一定的過載能力 電動機的過載能力可用下式表示 即為電動機的過載能力 一般三相異步電動機的過載能力在1 8 2 2范圍內(nèi) 5 17 5 1電動機 35 3 起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩為電動機起動瞬間 的轉(zhuǎn)矩 只有在起動轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時 異動電動機才能起動 起動轉(zhuǎn)矩大 起動迅速 因此 應(yīng)用起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)來反映異步電動機起動能力 一般三相異步電動機的 1 0 2 2 綜上所述 三相交流異步電動機有如下主要特點 異步電動機有較硬的機械特性 即隨著負載的變化而轉(zhuǎn)速變化較小 異步電動機有較大的過載能力和起動能力 電源電壓的波動對異步電動機的工作影響較大 5 18 5 1電動機 36 5 1 3 1銘牌每臺電動機的銘牌上都標注了電動機的型號 額定值和在額定運行狀況下的有關(guān)技術(shù)參數(shù) 在銘牌上所規(guī)定的額定值和工作條件下運行 稱為額定運行 銘牌上的額定值及有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)是正確設(shè)計 選型 使用和維修電動機的依據(jù) 圖5 13為一臺三相異步電動機的銘牌 5 1 3異步電動機的銘牌和主要系列 圖5 13三相異步電動機銘牌 5 1電動機 37 下面對銘牌中的型號 額定值 接線及電動機的防護等級等分別加以敘述 1 型號異步電動機的型號主要包括產(chǎn)品代號 設(shè)計序號 規(guī)格代號和特殊環(huán)境代號等 產(chǎn)品代號表示電動機的類型 用大寫印刷體的漢語拼音字母表示 如 Y 表示異步電動機 YR 表示繞線轉(zhuǎn)子異步電動機等 設(shè)計序號是指電動機產(chǎn)品設(shè)計的順序 用阿拉伯數(shù)字表示 規(guī)格代號是用中心高 鐵芯外徑 機座號 機座長度 鐵芯長度 功率 轉(zhuǎn)速或極數(shù)表示 主要系列產(chǎn)品的規(guī)格代號按表5 1規(guī)定 5 1電動機 38 注 1 機座長度的字母代號采用國際通用符號表示 S表示短機座 表示中機座 表示長機座 2 鐵芯長度的數(shù)字代號用數(shù)字1 2 3 4 表示 此外 還有特殊環(huán)境代號等 詳見有關(guān)電動機手冊 現(xiàn)以Y系列異步電機為例 說明型號中每個數(shù)字及字母代表的含義 例如 Y132M 4 其中 Y 表示異步電動機 132 表示機座中心高為132mm M 表示機座長度為中型 4 表示磁極數(shù)為4 再如 Y630 10 180 其中 Y 表示異步電動機 630 表示電動機功率為630kW 10 表示磁極數(shù)為10 180 表示定子鐵心外徑為180mm 表5 1異步電動機系列產(chǎn)品的規(guī)格代號 5 1電動機 39 2 額定值額定值是制造廠對電動機在額定工作條件下所規(guī)定的量值 額定電壓 指在額定運行狀態(tài)下 加在定子繞組上的線電壓值 單位為V或kV 額定電流 指在額定運行狀態(tài)下 流入電動機定子繞組中的電流值 單位為A或kA 額定功率 指電動機在額定運行狀態(tài)時 從轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械功率 單位為W或kW 額定頻率 在額定狀態(tài)下定子側(cè)電源的頻率稱為額定頻率 單位為Hz 我國電網(wǎng)為50Hz 額定轉(zhuǎn)速 指電動機額定運行時的轉(zhuǎn)速 單位為r min 5 1電動機 40 3 接線接線是指電動機定子三相繞組的連接方式 有星形和三角形兩種連接方式 如圖5 14所示 圖5 14三相異步電動機接線 a 星形連接 b 三角形連接 5 1電動機 41 4 電動機的防護等級電動機防護等級的標示方法是以字母 IP 和后面兩位數(shù)字表示的 IP 為英文 防護 的縮寫 IP 后面第一位數(shù)字代表第一種防護形式 防塵 的等級 共分0 6共7個等級 第二個數(shù)字代表第二種防護形式 防水 的等級 共分0 8共9個等級 數(shù)字越大表示防護能力越強 5 1電動機 42 5 1 3 2三相異步電動機的主要系列簡介我國目前生產(chǎn)的異步電動機主要產(chǎn)品有 Y系列 是一般用途的小型籠型全封閉自冷式三相異步電動機 取代了先前JO2系列 額定電壓為380V 額定頻率為50Hz 功率范圍為0 5 315kW 同步轉(zhuǎn)速為60 3000r min 防護等級有IP44和IP23兩種 YR系列 為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機 YD系列 為變極多速三相異步電動機 YZ和YZR系列 為起重和冶金用三相異步電動機 YZ為籠型異步電動機 YZR為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機 YB系列 為防爆籠型異步電動機 YCT系列 為電磁調(diào)速異步電動機 5 1電動機 43 5 1 4 1選擇電動機的原則傳動電動機的選擇主要是確定電動機的類型及規(guī)格 在校驗電動機的發(fā)熱 最小啟動轉(zhuǎn)矩 允許的最大飛輪力矩以及過載轉(zhuǎn)矩等項目時 應(yīng)從生產(chǎn)機械所需要的各種負載圖和工作制中選擇其中最繁重的條件來計算 若均能符合要求 且有適當?shù)娜萘吭６?10 左右 則所選的電動機可以采用 否則 應(yīng)另選定額重新計算 5 1 4電動機的選擇 5 1電動機 44 選擇電動機時通常應(yīng)考慮以下幾項原則 要從供電電網(wǎng)的質(zhì)量 電網(wǎng)容量 允許的電壓波動范圍 功率因數(shù) 啟制動特性 啟動時負載轉(zhuǎn)矩 力矩的大小 啟制動時間的限制 是否要求快速正反轉(zhuǎn) 允許對電網(wǎng)的沖擊 啟制動的頻繁程度 制動時是否要回饋能量 調(diào)速性能 要求的調(diào)速范圍及精度 調(diào)速平滑程度 低速工作時間的長短 控制特性等幾個方面綜合考慮 選擇適當類型的電動機及其控制方式 額定功率要滿足負載需要 但不宜過大 過大會使投資增高 而且會造成輕載運行時損耗大 效率低 功率因數(shù)低 啟動時沖擊大等問題 5 1電動機 45 根據(jù)溫升和使用環(huán)境條件 選擇合理的通風方式 結(jié)構(gòu)形式和防護等級 按照現(xiàn)場使用狀況和傳動機械要求 選擇其結(jié)構(gòu)和安裝方式 如軸的方向 采用底座安裝還是凸緣安裝 掛在墻上還是吊裝 與傳動機械的連接方式 直接連接 齒輪箱 帶傳動和鏈條傳動等 傳動機械有無振動和沖擊以及安裝基礎(chǔ)的牢固程度等 盡量選用可靠性高 互換性好 維護方便且有標準定額的電動機 考慮初期投資和運行費用 要從電動機及其控制設(shè)備的總投資 效益 功率因數(shù)和費用以及全部設(shè)備的年維修費用等因素加以選擇 5 1電動機 46 5 1 4 2電動機類型的選擇 根據(jù)環(huán)境條件選擇電動機的類型 不同的使用環(huán)境條件對電動機的結(jié)構(gòu) 通風及類型有不同的要求 見表5 2 表5 2電動機類型的選擇 5 1電動機 47 續(xù)表5 2電動機類型的選擇 5 1電動機 48 續(xù)表5 2電動機類型的選擇 5 1電動機 49 根據(jù)負載性質(zhì)選擇電動機類型 表5 3列舉出各類電動機適用的傳動特性 表5 3各類電動機適用的傳動特性 5 1電動機 50 5 1 4 3電動機轉(zhuǎn)速的選擇合理地選擇電動機的轉(zhuǎn)速 必須從技術(shù)及經(jīng)濟指標全面考慮 對于一般的高 或中 轉(zhuǎn)速機械 如泵 壓縮機和鼓風機等 宜選用相應(yīng)轉(zhuǎn)速的電動機 直接與機械設(shè)備相連接 對于不調(diào)速的低轉(zhuǎn)速機械 如球磨機 軋機等 宜選用適當轉(zhuǎn)速的電動機通過減速機傳動 但對大功率機械 電動機轉(zhuǎn)速不能太高 要考慮大型減速機 尤其是大減速比 加工困難及維修不便等因素 對于要調(diào)速的機械 電動機允許的最高工作轉(zhuǎn)速應(yīng)與生產(chǎn)機械要求的最高速度相適應(yīng) 5 1電動機 51 對于頻繁啟 制動的斷續(xù)周期工作機械 電動機的轉(zhuǎn)速除應(yīng)滿足機械所需的最高穩(wěn)定工作速度之外 還應(yīng)從保證生產(chǎn)機械具有最大的加 減速度而選擇最合適的傳動比 以使生產(chǎn)機械獲得最高生產(chǎn)率 對于某些低速重復(fù)短時工作的機械 如果電動機制造上可能 宜采用無減速機直接傳動 自扇冷式電動機的散熱效能隨電動機轉(zhuǎn)速而變 不宜長期在低速下運行 如果由于調(diào)速的需要 長期低速運行而又超過電動機允許的條件時 應(yīng)增設(shè)外通風設(shè)施 以免損壞電動機 5 1電動機 52 5 1 4 4電動機功率 轉(zhuǎn)矩的選擇電動機容量即額定功率的選擇是由生產(chǎn)機械的需要決定的 也就是說由負載功率來決定 電動機功率的選擇應(yīng)按電動機的工作方式采用不同的方法 對于連續(xù)工作方式的電動機 選擇其容量只要等于或略大于生產(chǎn)機械所需功率即可 對于斷續(xù)工作方式的電動機 所選電動機在該負載持續(xù)作用下的額定功率等于或略大于生產(chǎn)機械所需功率 機械負載短時工作時 應(yīng)選用相對應(yīng)的短時工作電動機 其功率等于或略大于負載功率 5 1 4 5電動機電壓的選擇電壓選擇主要依據(jù)電動機運行場所供電網(wǎng)的電壓等級 同時還應(yīng)兼顧電動機的類型和功率 小容量的電動機額定電壓均為380V 大容量的電動機有時采用3kV 6kV和10kV的高壓電動機 5 1電動機 53 5 1 5 1三相異步電動機的啟動從異步電動機接入電源 轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的過程 稱為啟動 在啟動開始的瞬間 n 0 s 1 轉(zhuǎn)子和定子繞組中都有很大的啟動電流 一般中 小型鼠籠式電動機的定子啟動電流 線電流 是額定電流的4 7倍 過大的啟動電流會造成輸電線路的電壓降增大 容易對處在同一電網(wǎng)中的其他電器設(shè)備的工作造成危害 例如 使照明燈的亮度減弱 使鄰近異步電動機的轉(zhuǎn)矩減小等 另外 雖然轉(zhuǎn)子電流較大 但由于轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)很低 啟動轉(zhuǎn)矩并不是很大 為了改善電動機的啟動過程 要求電動機在啟動時既要把啟動電流限制在一定數(shù)值內(nèi) 同時要有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩 以便縮短啟動過程 提高生產(chǎn)率 5 1 5三相異步電動機的啟動 調(diào)速與制動 5 1電動機 54 1 鼠籠式電動機的起動鼠籠式電動機的起動方法有直接起動和降壓起動兩種 直接啟動 就是將三相籠型異步電動機的定子繞組加上額定電壓的啟動方式 也稱全壓啟動 如圖5 15所示 這種方法最簡單 設(shè)備少 投資小 啟動時間短 但啟動電流大 啟動轉(zhuǎn)矩小 一般只適用于小容量電動機 7 5kW以下 的啟動 圖5 15直接啟動線路 5 1電動機 55 較大容量的電動機 在電源容量也較大的情況下 可參考以下經(jīng)驗公式確定能否直接啟動 式 5 19 的左邊為電動機的啟動電流倍數(shù) 右邊為電源允許的啟動電流倍數(shù) 只有滿足該條件 方可采用直接啟動 降壓啟動 降壓啟動的主要目的是為了限制啟動電流 但同時也限制了啟動轉(zhuǎn)矩 因此 這種方法只適用于輕載或空載情況下啟動 常用的降壓啟動方法有下列幾種 5 1電動機 56 第一 定子電路中串電抗器啟動 這種啟動方法是在電動機定子繞組的電路中串入一個三相電抗器 其接線如圖5 16所示 啟動時 先合上電源開關(guān)QS1 此時利用電抗器的分壓 使加到電動機兩端的電壓降低 從而降低了啟動電流 待電動機的轉(zhuǎn)速升高而接近額定轉(zhuǎn)速時 再將開關(guān)QS2閉合 電抗器被短接 電動機便在額定電壓下正常運轉(zhuǎn) 圖5 16串電抗器啟動 5 1電動機 57 第二 Y 啟動 這種方法只適用于正常運轉(zhuǎn)時定子繞組作三角形連接的電動機 啟動時 先將定子繞組改接成星形 使加在每相繞組上的電壓降低到額定電壓的1 3 從而降低了啟動電流 待電動機轉(zhuǎn)速升高后 再將繞組接成三角形 使其在額定電壓下運行 Y 啟動線路如圖5 17所示 圖5 17Y 啟動線路圖 5 1電動機 58 可以證明 星形啟動時的啟動電流 線電流 僅為三角形直接啟動時電流 線電流 的1 3 即 其啟動轉(zhuǎn)矩也為后者的1 3 即 Y 啟動的優(yōu)點是啟動設(shè)備簡單 成本低 能量損失小 目前 4 100kW的電動機均設(shè)計成380V三角形連接 所以 這種方法有很廣泛的應(yīng)用意義 第三 自耦變壓器啟動 對容量較大或正常運行時作星形連接的電動機 可應(yīng)用自耦變壓器降壓啟動 此自耦變壓器稱為啟動補償器 其電路接線如圖5 18所示 自耦變壓器的一次繞組接電源 啟動時 將開關(guān)接到 啟動 位置 則低壓側(cè)接電動機的定子繞組 使電動機在低電壓下啟動 待電動機轉(zhuǎn)速升高到一定值 將開關(guān)切換到 運行 位置 電動機便在額定電壓下運行 5 1電動機 59 自耦變壓器上備有抽頭 以便根據(jù)所要求的啟動轉(zhuǎn)矩來選擇不同的電壓 如QJ3型的抽頭比 U2 U1 為40 60 80 同樣可以證明 自耦變壓器降壓啟動電流為直接啟動電流的1 K2 其啟動轉(zhuǎn)矩也為后者的1 K2 這里 K為變壓器的變壓比 K U2 U1 圖5 18自耦變壓器啟動線路圖 5 1電動機 60 自耦變壓器降壓啟動的優(yōu)點是不受電動機繞組接線方法的限制 可按照允許的啟動電流和所需的啟動轉(zhuǎn)矩選擇不同的抽頭 常用于啟動容量較大的電動機 其缺點是設(shè)備費用高 不宜頻繁啟動 例5 1一臺三角形連接的三相鼠籠式異步電動機 已知PN 10kW UN 380V IN 20A nN 1450r min 由手冊查得 Ist IN 7 Tst TN 1 4 擬半載啟動 電源容量為200kV A 試選擇適當?shù)膯臃椒?并求此時的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩 5 1電動機 61 第四 三相籠型異步電動機的軟啟動 軟啟動器是一種集電機軟啟動 軟停車 輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電動機控制裝置 國外稱為SoftStarter 它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電動機之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路 軟啟動器實際上是個調(diào)壓器 用于電動機啟動時 輸出只改變電壓并沒有改變頻率 軟啟動器用于需降壓啟動和停止的場合 軟啟動只改變輸出電壓 不改變頻率 也就是不改變電動機運行曲線上的n1 而是加大該曲線的陡度 使電動機特性變軟 當n1不變時 電動機的各個轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 均正比于其端電壓的平方 因此用軟啟動時大大降低了電動機的啟動轉(zhuǎn)矩 所以軟啟動并不適用于重載啟動的電動機 5 1電動機 62 2 繞線式電動機的啟動 轉(zhuǎn)子繞組串接電阻啟動 繞線式電動機是在轉(zhuǎn)子電路中接入電阻來啟動的 如圖5 19所示 啟動時 先將啟動變阻器調(diào)到最大值 使轉(zhuǎn)子電路電阻最大 從而降低啟動電流和提高啟動轉(zhuǎn)矩 隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高 逐步減小變阻器電阻 啟動完畢時 切除啟動電阻 繞線式電動機常用于要求啟動轉(zhuǎn)矩較大的生產(chǎn)機械上 如卷揚機 鍛壓機 起重機及轉(zhuǎn)爐等 圖5 19繞線式電動機的啟動線路 5 1電動機 63 5 1電動機 64 頻敏變阻器是一種由鑄鐵片或鋼板疊成鐵芯 外面套上三相繞組組成三相電抗器 將其接入繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路中 由其繞組電抗和鐵芯損耗 主要是渦流損耗 決定的阻抗隨電動機的轉(zhuǎn)速而變化 其結(jié)構(gòu)簡單 體積小 運行可靠 但啟動時功率因數(shù)低 啟動轉(zhuǎn)矩小 常用的頻敏變阻器有用于輕載啟動的BP1 BP2 BP3系列 用于重載啟動的BP4 BP6系列 5 1 5 2三相異步電動機的反轉(zhuǎn)根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)動原理 如果旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn) 則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也隨之改變 改變?nèi)嚯娫吹南嘈?即把任意兩相線對調(diào) 就可改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向 電動機便會反轉(zhuǎn) 5 1電動機 65 5 1 5 3三相異步電動機的調(diào)速所謂調(diào)速 就是在同一負載下使電動機得到不同的轉(zhuǎn)速 生產(chǎn)機械采用電氣調(diào)速 可以大大簡化機械變速系統(tǒng) 由式 5 2 知 改變電動機的轉(zhuǎn)速有三種方式 即改變電源頻率 極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s 1 變頻調(diào)速近年來 交流變頻調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展非常迅速 由于晶閘管變流技術(shù)的日趨成熟和可靠 變頻調(diào)速在生產(chǎn)實際中應(yīng)用非常普遍 它打破了直流拖動在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位 5 1電動機 66 2 電磁調(diào)速電磁調(diào)速異步電動機是由普通鼠籠式異步電動機 電磁滑差離合器和直流勵磁電源三部分組成 異步電動機作為原動機使用 當它旋轉(zhuǎn)時帶動離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn) 直流勵磁電源是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置 這里主要介紹電磁滑差離合器 圖5 20是其結(jié)構(gòu)示意圖 圖5 20電磁滑差離合器基本結(jié)構(gòu)示意圖1 可控整流器 2 負載 3 磁極 4 電樞 5 籠型機 6 電磁調(diào)整電動機 7 勵磁線圈 5 1電動機 67 它包括電樞 磁極和勵磁線圈三部分 電樞為鑄鋼制成的圓筒形結(jié)構(gòu) 它與鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)軸相連接 俗稱主動部分 磁極做成爪形結(jié)構(gòu) 裝在負載軸上 俗稱從動部分 主動部分和從動部分在機械上無任何聯(lián)系 當勵磁線圈通過電流時 產(chǎn)生磁場 爪形結(jié)構(gòu)便形成很多磁極 此時若電樞被鼠籠式異步電動機拖著旋轉(zhuǎn) 那么它便切割磁場相互作用 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 于是從動部分的磁極便跟著主動部分電樞一起旋轉(zhuǎn) 前者轉(zhuǎn)速低于后者 因為只有當電樞與磁場存在相對運動時 電樞才能切割磁力線 磁極隨電樞旋轉(zhuǎn)的原理與普通異步電動機轉(zhuǎn)子跟著定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場的運動原理沒有本質(zhì)的區(qū)別 所不同的是 異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交流電產(chǎn)生 而電磁滑差離合器的磁場則由勵磁線圈中的直流電流產(chǎn)生 并由于電樞旋轉(zhuǎn)時才起到旋轉(zhuǎn)磁場的作用 5 1電動機 68 3 變極調(diào)速改變磁極對數(shù) 可有效地改變電動機的轉(zhuǎn)速 增加磁極對數(shù) 可以降低電動機的轉(zhuǎn)速 但磁極對數(shù)只能成整數(shù)倍地變化 因此 該調(diào)速方法無法做到平滑調(diào)速 變極調(diào)速的實質(zhì)是改變電動機旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 在實際生產(chǎn)中 磁極對數(shù)可以改變的電動機稱為多速電動機 如雙速 三速 四速等 雙速電動機定子每相繞組由兩個相同的部分組成 這兩部分若串聯(lián)連接 則獲得的磁極對數(shù)為兩部分并聯(lián)時的兩倍 如圖5 21所示 因為變極調(diào)速經(jīng)濟 簡便 因而在金屬切削機床中經(jīng)常應(yīng)用 5 1電動機 69 4 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速在繞線式電動機的轉(zhuǎn)子電路中 接入調(diào)速變阻器 改變轉(zhuǎn)子回路電阻 即可實現(xiàn)調(diào)速 這種調(diào)速方法也能平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 但能耗較大 效率低 目前主要應(yīng)用在起重設(shè)備中 圖5 21磁極對數(shù)改變的方法 a 串聯(lián)時 b 并聯(lián)時 5 1電動機 70 5 1 5 4三相異步電動機的制動 1 能耗制動這種制動方法是在電動機脫離三相電源的同時 將定子繞組接入直流電源 從而在電動機中產(chǎn)生一個不旋轉(zhuǎn)的直流磁場 如圖5 22所示 此時 由于轉(zhuǎn)子的慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 根據(jù)右手定則和左手定則不難確定 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和直流磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反 稱為制動轉(zhuǎn)矩 電動機在制動轉(zhuǎn)矩的作用下就很快停止 由于該制動方法是把電動機的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子電阻上 故稱能耗制動 能耗制動能量消耗小 制動平穩(wěn) 無沖擊 但需要直流電源 主要應(yīng)用于要求平穩(wěn)準確停車的場合 5 1電動機 71 圖5 22能耗制動 圖5 23反接制動 5 1電動機 72 2 反接制動在電動機停車時 可將三相電源中的任意兩相電源接線對調(diào) 此時旋轉(zhuǎn)磁場便反向旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流及電磁轉(zhuǎn)矩方向改變 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反 因而成為制動轉(zhuǎn)矩 在制動轉(zhuǎn)矩的作用下 電動機的轉(zhuǎn)速很快下降到零 應(yīng)當注意 當電動機的轉(zhuǎn)速接近于零時 應(yīng)及時切斷電源 以防電動機反轉(zhuǎn) 反接制動的電路原理如圖5 23所示 反接制動線路簡單 制動力大 制動效果好 但由于制動過程中沖擊力大 制動電流大 不宜在頻繁制動的場合下使用 5 1電動機 73 3 機械制動在切斷電源后 利用機械裝置使電動機迅速停轉(zhuǎn)的措施稱為機械制動 在實踐中用得較多的是電磁抱閘 電磁抱閘主要由制動電磁鐵和閘瓦制動器組成 制動電磁鐵用于接受制動信號 其組成與普通的電磁機構(gòu)相同 閘瓦制動器由閘輪 閘瓦 杠桿和彈簧等組成 閘輪與電動機同軸連接 當制動電磁鐵接受到制動信號時 產(chǎn)生電磁吸力帶動閘瓦制動器動作 使電動機迅速停轉(zhuǎn) 電磁抱閘的動作分為通電制動型和斷電制動型兩種 所謂通電制動型就是當電磁抱閘斷電時 閘瓦制動器處在松弛狀態(tài) 閘輪可以自由轉(zhuǎn)動 當電磁抱閘通電時 閘瓦抱緊閘輪 閘瓦制動器處在制動狀態(tài) 而斷電制動與通電制動正好相反 即通電時 制動器處于松弛狀態(tài) 斷電時 制動器處于制動狀態(tài) 5 1電動機 74 直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的旋轉(zhuǎn)機械 它與交流電動機 如三相異步電動機 相比 雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 生產(chǎn)成本較高 故障較多等 目前已不如交流電動機應(yīng)用普遍 但由于它具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較大的啟動轉(zhuǎn)矩 仍得到廣泛應(yīng)用 本節(jié)僅就直流電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理 直流電動機的分類 直流電動機的啟動與調(diào)速作一簡單介紹 直流電動機按勵磁方式分為永磁 他勵和自勵三類 其中自勵又分為并勵 串勵和復(fù)勵三種 5 2直流電動機 5 2直流電動機 75 直流電動機主要由磁極 電樞 換向器三部分組成 其結(jié)構(gòu)如圖5 24所示 5 2 1直流電動機的結(jié)構(gòu) 圖5 24直流電動機的主要結(jié)構(gòu)圖 5 2直流電動機 76 磁極 磁極是電動機中產(chǎn)生磁場的裝置 如圖5 25所示 它分成極芯1和極掌2兩部分 極芯上放置勵磁繞組3 極掌的作用是使電動機空氣隙中磁感應(yīng)強度的分布最為合適 并用來擋住勵磁繞組 磁極是用鋼片疊成的 固定在機座4 即電機外殼 上 機座也是磁路的一部分 機座常用鑄鋼制成 圖5 25直流電動機的磁極及磁路1 極芯 2 極掌 3 勵磁繞組 4 機座 5 2直流電動機 77 電樞 電樞是電動機中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分 直流電動機的電樞是旋轉(zhuǎn)的 電樞鐵芯呈圓柱狀 由硅鋼片疊成 表面沖有槽 槽中放有電樞繞組 如圖5 26所示 圖5 26直流電動機的電樞 5 2直流電動機 78 換向器 整流子 換向器是直流電動機的一種特殊裝置 其外形如圖5 27所示 主要由許多換向片組成 每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片 在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷 使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路連接 換向器是直流電動機的結(jié)構(gòu)特征 易于識別 圖5 27換向器 5 2直流電動機 79 圖5 28是直流電動機的示意圖 若在A B之間外加一個直流電壓 A接電源正極 B接負極 則線圈中有電流流過 當線圈處于圖5 28所示位置時 有效邊ab在N極下 cd在S極上 兩邊中的電流方向為a b c d 5 2 2直流電動機的轉(zhuǎn)動原理 圖5 28直流電動機原理圖 5 2直流電動機 80 由安培定律可知 ab邊和cd邊所受的電磁力為 F BIL 式中 I為導線中的電流 單位為安 A 根據(jù)左手定則知 兩個F的方向相反 如圖5 28所示 形成電磁轉(zhuǎn)矩 驅(qū)使線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn) 當線圈轉(zhuǎn)過180 時 cd邊處于N極下 ab邊處于S極上 由于換向器的作用 使兩有效邊中電流的方向與原來相反 變?yōu)閐 c b a 這就使得兩極面下的有效邊中電流的方向保持不變 因而其受力方向 電磁轉(zhuǎn)矩方向都不變 由此可見 正是由于直流電動機采用了換向器結(jié)構(gòu) 使電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變 在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn) 這時電動機可作為原動機帶動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn) 即由電動機向機械負載輸出機械功率 5 2直流電動機 81 5 2 3 1直流電動機的分類及其特性在直流電動機中 除了必須給電樞繞組外接直流電源外 還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場 電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電 也可以由一個公共電源供電 按勵磁方式的不同 直流電動機可以分為他勵 并勵 串勵和復(fù)勵等形式 由于勵磁方式不同 它們的特性也不同 1 他勵電動機他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電 如圖5 29所示 他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源 設(shè)備較復(fù)雜 但這種電動機調(diào)速范圍很寬 多用于主機拖動中 5 2 3直流電動機的分類和機械特性 5 2直流電動機 82 圖5 29他勵電動機 圖5 30并勵電動機 5 2直流電動機 83 2 并勵電動機并勵電動機的勵磁繞組是和電樞繞組并聯(lián)后由同一個直流電源供電 如圖5 30所示 這時電源提供的電流I等于電樞電流Ia和勵磁電流If之和 即I Ia If 并勵電動機勵磁繞組的特點是導線細 匝數(shù)多 電阻大 電流小 這是因為勵磁繞組的電壓就是電樞繞組的端電壓 這個電壓通常較高 勵磁繞組電阻大 可使If減小 從而減小損耗 由于If較小 為了產(chǎn)生足夠的主磁通 就應(yīng)增加繞組的匝數(shù) 由于If較小 可近似為I Ia 并勵直流電動機的機械特性較好 在負載變化時 轉(zhuǎn)速變化很小 并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便 調(diào)節(jié)范圍大 啟動轉(zhuǎn)矩較大 因此應(yīng)用廣泛 5 2直流電動機 84 3 串勵電動機串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)之后接直流電源 如圖5 31所示 串勵電動機勵磁繞組的特點是其勵磁電流If就是電樞電流Ia 這個電流一般比較大 所以勵磁繞組導線粗 匝數(shù)少 它的電阻也較小 串勵電動機多用于負載在較大范圍內(nèi)變化的和要求有較大啟動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備中 圖5 31串勵電動機 5 2直流電動機 85 4 復(fù)勵電動機這種直流電動機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組 一個與電樞繞組串聯(lián) 另一個與電樞繞組并聯(lián) 如圖5 32所示 所以復(fù)勵電動機的特性兼有串勵電動機和并勵電動機的特點 所以也被廣泛應(yīng)用 在以上四種類型的直流電動機中 以并勵直流電動機和他勵直流電動機應(yīng)用最為廣泛 圖5 32復(fù)勵電動機 5 2直流電動機 86 5 2 3 2直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓 勵磁電流 電樞回路總電阻為恒值時 電動機在穩(wěn)定運行狀態(tài)下 電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系 即 或者說電動機的轉(zhuǎn)速n與電樞電流的關(guān)系 即 后者也就是轉(zhuǎn)速調(diào)整特性 由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機械量 所以把它稱為機械特性 利用機械特性和負載轉(zhuǎn)矩特性 可以確定電動機在拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 在一定條件下還可以利用機械特性和運動方程式來分析拖動系統(tǒng)的動態(tài)運動情況 如轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩及電流隨時間的變化規(guī)律 而且電動機的機械特性對分析電力拖動系統(tǒng)的啟動 調(diào)速 制動等運行性能也是十分重要的 5 2直流電動機 87 圖5 33是他勵直流電動機的電路原理圖 他勵直流電動機的機械特性方程式可以由他勵直流電動機的基本方程式導出 根據(jù)電動勢方程式可以求得機械特性方程式 為電樞回路總電阻 5 20 圖5 33他勵直流電動機電路原理圖 5 2直流電動機 88 當電源電壓U 常數(shù) 電樞回路總電阻R 常數(shù) 勵磁磁通 常數(shù)時 根據(jù)式 5 20 求出他勵直流電動機的機械特性曲線 如圖5 34所示 它是一條向下傾斜的直線 這說明當加大電動機的負載 就會使電動機的轉(zhuǎn)速下降 特性曲線與縱軸的交點為T 0時的轉(zhuǎn)速 稱為理想空載的轉(zhuǎn)速 5 21 圖5 34他勵直流電動機的機械特性 5 2直流電動機 89 1 直流電動機的啟動直流電動機直接啟動時的啟動電流很大 達到額定電流的10 20倍 因此必須限制啟動電流 限制啟動電流的方法就是啟動時在電樞電路中串接啟動電阻Rst 一般規(guī)定啟動電流不應(yīng)超過額定電流的1 5 2 5倍 啟動時將啟動電阻調(diào)至最大 待啟動后 隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升將啟動電阻逐漸減小 如圖5 35所示 5 2 4直流電動機的啟動 反轉(zhuǎn) 調(diào)速 圖5 35直流電動機電樞電路中串接啟動電阻原理圖 a 他勱式 b 并勵式 5 2直流電動機 90 2 直流電動機的調(diào)速根據(jù)直流電動機的轉(zhuǎn)速公式 可知直流電動機的調(diào)速方法有三種 改變磁通 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)點是調(diào)速平滑 可做到無級調(diào)速 調(diào)速經(jīng)濟 控制方便 機械特性較硬 穩(wěn)定性較好 但由于電動機在額定狀態(tài)運行時磁路已接近飽和 所以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)點是不改變電動機機械特性的硬度 穩(wěn)定性好 控制靈活 方便 可實現(xiàn)無級調(diào)速 調(diào)速范圍較寬 可達到6 10 但電樞繞組需要一個單獨的可調(diào)直流電源 設(shè)備較復(fù)雜 5 2直流電動機 91 3 直流電動機的制動直流電動機的制動也有能耗制動 反接制動和發(fā)電反饋制動三種 能耗制動是在停機時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個制動電阻短接 由于慣性 短接后電動機仍保持原方向旋轉(zhuǎn) 電樞繞組中的感應(yīng)電動勢仍存在并保持原方向 但因為沒有外加電壓 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 起到了制動作用 5 2直流電動機 92 反接制動是在停機時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個相反極性的電源相接 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩 使電動機迅速減速至停轉(zhuǎn) 發(fā)電反饋制動是在電動機轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速時 電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢將高于外加電壓 使電機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運行 電樞電流改變方向 電磁轉(zhuǎn)矩成為制動轉(zhuǎn)矩 限制電機轉(zhuǎn)速過分升高 5 2直流電動機 93 特種電機是指有特殊用途的電機 它們的容量和尺寸通常都比較小 所以又稱微型電機 特種電機常在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作檢測 放大 執(zhí)行等元件使用 本節(jié)介紹目前常用的幾種交流特種電機 自整角機是一種感應(yīng)式特種電機 通常成對使用或多個組合使用 它能將發(fā)送機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)角變換為電信號 再通過接收機將電信號變換為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角輸出 從而實現(xiàn)角度的遠距離傳送 自整角機廣泛用于同步傳動系統(tǒng)中 5 3其他電動機 5 3 1自整角機 5 3其他電動機 94 圖5 36為單相同步偏轉(zhuǎn)自整角機的工作原理圖 圖中1為發(fā)送自整角機 2為接收自整角機 它們都由定子和轉(zhuǎn)子組成 定子三相繞組在空間互差120 對稱排列 轉(zhuǎn)子上嵌有單相勵磁繞組 發(fā)送機和接收機的定子繞組各自作Y形連接后再按相序?qū)?yīng)連通 兩者轉(zhuǎn)子上的勵磁組則并聯(lián)后接入單相電源中 圖5 36單相自整角機工作原理圖 5 3其他電動機 95 轉(zhuǎn)子繞組通過單相電流后 產(chǎn)生脈動磁場 在該磁場作用下 定子三相繞組中會出現(xiàn)感應(yīng)電動勢 感應(yīng)電動勢的大小取決于各繞組與轉(zhuǎn)子之間的相對位置 顯然 如果發(fā)送機與接收機的轉(zhuǎn)子位置相同 則發(fā)送機與接收機對應(yīng)的定子三相繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等 處于平衡狀態(tài) 繞組中沒有電流通過 但如果發(fā)送機與接收機的轉(zhuǎn)子位置不同 例如發(fā)送機的轉(zhuǎn)子在其他機械帶動下轉(zhuǎn)過一個角度 則會引起發(fā)送機與接收機的定子繞組中有電流通過 此電流與兩轉(zhuǎn)子繞組所建立的磁場相互作用 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 但由于發(fā)送機的轉(zhuǎn)子是與其他機械軸相連的 這個轉(zhuǎn)矩無法使它轉(zhuǎn)動 因而轉(zhuǎn)矩只能使接收機的轉(zhuǎn)子跟隨發(fā)送機轉(zhuǎn)過相同的角度 此時 兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角一致 三相電動勢重新平衡 轉(zhuǎn)矩消失 從而完成傳遞轉(zhuǎn)角的作用 5 3其他電動機 96 伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中常用作執(zhí)行元件 它能將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角速度或角位移輸出 交流伺服電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成 其定子結(jié)構(gòu)與單相異步電動機類似 定子嵌有兩組繞組 在空間互成90 排列 一個是勵磁繞組 一個是控制繞組 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式 鼠籠式轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子 鼠籠式轉(zhuǎn)子與一般異步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似 只是較為細長 杯形轉(zhuǎn)子通常采用鋁合金制成空心薄壁圓筒形 為了減小磁阻 其內(nèi)再放置一個固定的內(nèi)定子鐵芯 由于轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu) 它的轉(zhuǎn)動慣量很小 能夠迅速而靈敏地對控制信號作出相應(yīng)的反應(yīng) 5 3 2伺服電動機 5 3其他電動機 97 交流伺服電動機的接線原理如圖5 37所示 勵磁繞組1與電容器串聯(lián)后接入交流電源 控制繞組2則接控制信號電壓 當沒有控制信號輸入時 定子只有勵磁繞組產(chǎn)生脈動磁場 故轉(zhuǎn)子靜止不動 當控制繞組有信號電壓輸入時 在電容的分相作用下 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 從而使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn) 控制電壓高 電動機轉(zhuǎn)速就高 反之轉(zhuǎn)速則低 當控制電壓反相時 轉(zhuǎn)子也跟隨反轉(zhuǎn) 控制電壓一旦消失 轉(zhuǎn)速迅速下降到零 圖5 37伺服電動機的接線 5 3其他電動機 98 交流測速發(fā)電機是一種測量轉(zhuǎn)速的信號元件 它可以將轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出 目前應(yīng)用較多的是異步測速發(fā)電機 異步測速發(fā)電機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同又分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種 由于后者精度高 轉(zhuǎn)子慣量小 能滿足快速反應(yīng)的要求 目前使用最為廣泛 杯形轉(zhuǎn)子做成一個薄壁非磁性杯 通常采用高電阻率的硅錳青銅或錫鋅青銅制成 定子上嵌有兩相繞組 它們在空間相隔90 一個為勵磁繞組 一個為輸出繞組 交流異步測速發(fā)電機的工作原理見圖5 38 在勵磁繞組F兩端加上一交流電壓 將產(chǎn)生脈動磁場 該磁通與輸出繞組O的軸線垂直 如果此時轉(zhuǎn)子靜止不動 輸出繞組不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時 輸出電壓也為零 5 3 3交流測速發(fā)電機 5 3其他電動機 99 當轉(zhuǎn)子以速度n旋轉(zhuǎn)時 轉(zhuǎn)子切割磁場 1 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流 該電流又產(chǎn)生磁通 2 由圖5 38可以看出 當轉(zhuǎn)向一定時 該磁場方向是固定的 且與輸出繞組軸線方向一致 在 2作用下 輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 于是有電壓u2輸出 且轉(zhuǎn)速越高 輸出的電壓u2越大 當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時 由上述分析可知 輸出電壓將在相位上相反 所以還可根據(jù)輸出電壓的相位判斷電動機的旋轉(zhuǎn)方向 圖5 38交流測速發(fā)動機工作原理圖 5 3其他電動機 100 步進電機又稱脈沖電機 它是一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行元件 工作時 給一個脈沖信號 電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步 它的位移量與脈沖數(shù)成正比 其轉(zhuǎn)速或線速與脈沖頻率成正比 步進電機能通過改變脈沖頻率來調(diào)速 并能快速啟動 反轉(zhuǎn)和制動 近年來廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床 自動記錄儀表 計算機繪圖等許多領(lǐng)域 圖5 39為反應(yīng)式步進電機的工作原理圖 它的定子有六個磁極 每兩個相對的極上繞有一相控制繞組 三相繞組作Y形連接 轉(zhuǎn)子由硅鋼片制成凸極形狀 圖中示出為四個齒極 轉(zhuǎn)子上沒有繞組 5 3 4步進電機 5 3其他電動機 101 當給U繞組通入一個脈沖信號時 氣隙中產(chǎn)生一個沿U1 U2軸線方向的磁場 在這個磁場作用下 轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置 即轉(zhuǎn)子1 3兩個齒極將轉(zhuǎn)至與U1 U2軸線對齊 圖5 39三相三拍步進電機工作原理圖 5 3其他電動機 102 這時再將脈沖信號換到V繞組 同樣原理 這時磁場 V1 V2方向 將就近吸引2 4兩個齒極與之對齊 轉(zhuǎn)子就順時針轉(zhuǎn)過30 如果再將脈沖信號加到W繞組上 轉(zhuǎn)子又將按順時針轉(zhuǎn)動30 這樣一來 當脈沖信號一個接一個發(fā)來 并按U V W U 的順序輪流通電 則轉(zhuǎn)子將按順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動 每一步轉(zhuǎn)過30 這個角度稱為步距角 從一相通電換到另一相通電稱為一拍 每一拍轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個步距角 顯然 如果將通電順序改為U W V U 轉(zhuǎn)子將反向轉(zhuǎn)動 步進電機按上述方法通電的規(guī)律是三相勵磁繞組依次單獨通電運行 三拍完成一個通電循環(huán) 所以常稱為三相單三拍運行 這種運行方式在切換過程中易造成失步 而且運行穩(wěn)定性也較差 實際中較少采用 5 3其他電動機 103 步進電機按U UV V VW W WU U的順序通電 即三相繞組輪流單 雙繞組通電 六拍一個循環(huán) 稱為三相六拍運行 其原理如圖5 40所示 當UV兩相通電時 磁拉力使轉(zhuǎn)子齒3 4間的槽軸線與W繞組軸線對齊 圖5 40 b 與第一拍U繞組通電比較 轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過了15 而下一拍當V繞組通電時 轉(zhuǎn)子齒極2 4軸線與V1V2軸線對齊 圖5 40 c 轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過了15 即步距角為15 圖5 40三相六拍工作方式 5 3其他電動機 104 實際應(yīng)用中 為了滿足精度的要求 步進電機的步距角通常是比較小的 如3 1 5 等 這是通過制作時將定子每一極分成許多小齒極 轉(zhuǎn)子也由許多小齒極組成 其實際結(jié)構(gòu)原理如圖5 41所示 只要適當選取定子及轉(zhuǎn)子齒數(shù) 即可獲得較小的步距角 圖5 41步進電機實際結(jié)構(gòu)示意圖 5 3其他電動機 105 5 3 5 1電容式單相異步電動機單相交流電動機只有一個繞組 轉(zhuǎn)子是鼠籠式的 當單相正弦電流通過定子繞組時 電動機就會產(chǎn)生一個交變磁場 這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規(guī)律變化 但在空間方位上是固定的 所以又稱這個磁場是交變脈動磁場 這個交變脈動磁場可分解為兩個以相同轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場 當轉(zhuǎn)子靜止時 這兩個旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個大小相等 方向相反的轉(zhuǎn)矩 使得合成轉(zhuǎn)矩為零 所以電動機無法旋轉(zhuǎn) 當用外力使電動機向某一方向旋轉(zhuǎn)時 如順時針方向旋轉(zhuǎn) 這時轉(zhuǎn)子與順時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變小 轉(zhuǎn)子與逆時針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場間的切割磁力線運動變大 這樣平衡就打破了 轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零 轉(zhuǎn)子將順著推動方向旋轉(zhuǎn)起來 5 3 5單相交流電動機 5 3其他電動機 106 圖5 42電容式異步電動機原理圖 5 3其他電動機 107 從類似三相旋轉(zhuǎn)磁場的分析可知 當具有90 相位差的兩個電流i1和i2分別通入空間相差90 的兩個繞組時 也能產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場 在這個旋轉(zhuǎn)磁場的作用下 單相異步電動機的轉(zhuǎn)子就能獲得啟動轉(zhuǎn)矩 隨旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動起來 當需要改變轉(zhuǎn)向時 只要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向即可 具體方法是把任意一個繞組的兩個接線端換接 圖5 43單相罩極式電動機 5 3其他電動機 108 5 3 5 2單相罩極式電動機在單相電動機中 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的另一種方法稱為罩極法 又稱單相罩極式電動機 此種電動機定子做成凸極式的 有兩極和四極兩種 每個磁極在1 4 1 3的極面處開有小槽 如圖5 43所示 把磁極分成兩個部分 在小的部分上套裝上一個短路銅環(huán) 好像把這部分磁極罩起來一樣 所以叫罩極式電動機 單相繞組套裝在整個磁極上 每個極的線圈是串聯(lián)的 連接時必須使其產(chǎn)生的極性依次按N S N S排列 當定子繞組通電后 在磁極中產(chǎn)生主磁通 根據(jù)楞次定律 其中穿過短路銅環(huán)的主磁通在銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個在相位上滯后90 的感應(yīng)電流 此電流產(chǎn)生的磁通在相位上也滯后于主磁通 它的作用與電容式電動機的啟動繞組相當 從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場使電動機轉(zhuǎn)動起來 5 3其他電動機 109 本章小結(jié)三相異步電動機由兩個基本部分組成 定子 固定部分 和轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)部分 定子由機座 定子鐵芯和定子繞組三部分組成 轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分組成 根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)不同 三相異步電動機分為籠型和繞線式兩種 三相異步電動機的工作原理是 由定子繞組通入三相交流電源而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流 轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力 從而形成電磁轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)差率 小結(jié) 110 電磁轉(zhuǎn)矩是三相電動機最重要的物理量之一 電源電壓的波動對異步電動機的轉(zhuǎn)矩影響很大 電動機的轉(zhuǎn)矩特性 電動機的機械特性 異步電動機有較硬的機械特性 較大的過載能力和啟動能力 電動機的銘牌上都標注了電動機的型號 額定值和在額定運行狀況下的有關(guān)技術(shù)參數(shù) 銘牌上的額定值及有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)是正確設(shè)計 選型 使用和維修電動機的依據(jù) 鼠籠式電動機的啟動方法有直接啟動和降壓啟動兩種 繞線式電動機是在轉(zhuǎn)子電路中接入電阻來啟動的 改變電動機的轉(zhuǎn)速有三種方式 即改變電源頻率 極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s 電動機的制動方法較多 如機械制動 電氣制動等 常見的電氣制動有能耗制動和反接制動 小結(jié) 111 直流電動機主要由磁極 電樞 換向器三部分組成 直流電動機采用了換向器結(jié)構(gòu) 使電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變 在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn) 這時電動機可作為原動機帶動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn) 即由電動機向機械負載輸出機械功率 按勵磁方式的不同 直流電動機可以分為他勵 并勵 串勵和復(fù)勵等形式 直流電動機直接啟動時在電樞電路中串接啟動電阻 直流電動機的調(diào)速方法有三種 改變磁通 調(diào)速 改變電樞電壓U調(diào)速和電樞串聯(lián)電阻調(diào)速 直流電動機的制動也有能耗制動 反接制動和發(fā)電反饋制動三種 小結(jié) 112 特種電機常在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中作檢測 放大 執(zhí)行等元件使用 目前常用的幾種交流特種電機 自整角機 伺服電動機 交流測速發(fā)電機 步進電機 單相電動機介紹了電容式單相異步電動機和單相罩極式電動機 轉(zhuǎn)動原理和三相異步電動機的類似 小結(jié)