发电机与电动机改装.ppt

.1 三相异步电动机的构造与原理,第 章 发电机与电动机,. 异步电动机的转矩与机械特性,. 异步电动机的控制,.车用交流发电机,. 直流电动机,本章要求：,第 章 发电机与电动机,1) 了解三相异步电动机的基本结构、工作原理。 2）了解三相异步电动机的机械特性，掌握起动、调速、反转和制动。 3）了解车用交流发电机。 4）了解直流电机的基本结构和工作原理。 5）了解直流并励、他励、串励电动机的机械特性及其应用。 6）了解直流电动机的起动、反转和调速。,电动机的分类：,第 章 发电机与电动机,实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。,机械能,电能,发电机,电动机,直流电动机的最大特点,优良的调速性能 起动转矩也比较大,生产成本较高 需要使用直流电源 维护要求较高,应用：,轧钢机、龙门刨床等主传动机构 某些电力牵引和起重设备 电车及电力机车,异步电动机,构造简单、价格便宜、工作可靠、使用维护方便,应用：,金属切削机床、起重机、传送带、功率不大的水泵、通风机,在全国电动机总容量中有85以上是三相异步电动机。,.1 三相异步电动机的构造与工作原理,4.1.1.构造,笼型电机的各部件,铁心：由内周有槽的0.5mm厚硅钢片叠成。磁路的一部分,机座：铸铁或钢板焊接,支撑铁心和固定电机,硅钢片,装有三相绕组的定子,1、定子,定子绕组,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y 联结, 联结,2、转子,转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流,产生旋转力矩,转轴 转子铁心 转子绕组,0.5mm的硅钢片叠压,笼型转子,(2) 绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的变阻器上，以便改善电机的起动和调速性能。,绕线式转子绕组与外接变阻器的连接,4.2 三相异步电动机的工作原理,4.2.1旋转磁场的产生,规定,()电流出,()电流入,三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；（动画1，动画2）,三相电流合成磁 场 的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,o,分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,取决于三相电流的相序,1、旋转磁场的旋转方向,结论： 任意调换两根 电源进线，则旋转 磁场反转。,任意调换两根电源进线,若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端 之间互差60，将形成两对磁极的旋转磁场。,2、旋转磁场的极对数P,极对数,动画,旋转磁场的磁极对数 与三相绕组的排列有关,3、旋转磁场的转速,工频：,旋转磁场的转速取决于磁场的极对数,p=1时,p=2时,旋转磁场转速n1与极对数 p 的关系,4.2. 2 三相电动机的工作原理,1. 转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,方向:顺时针,感应电动势 E20,电磁力F,4. 2. 3 转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与 旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例1：一台三相异步电动机，其额定转速 n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转 速的关系可知：n1=1000 r/min , 即,p=3,额定转差率为,4.2.4 三相异步电动机铭牌数据,1、 型号,例如： Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,2. 电压,例如：380/220V、Y/ 是指线电压为 380V 时 采用 Y联结；线电压为 220V 时采用 联结。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,3. 电流,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,例如： Y / 6.73 / 11.64 A 表示星形联结下电机的线电流为 6.73A；三角形联结下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。,4. 功率与效率,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。,注意：实用中应选 择容量合适的电机，防止出现 “大马拉 小车” 的现象。,5. 功率因数,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载 时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。,6. 额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,如： n N =1440 转/分 sN = 0.04,4.2 三相异步电动机转矩与机械特性,4.2.1 转矩公式,转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转矩之总和。,常数，与电 机结构有关,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路的 功率因数,电磁转矩公式,可推导出,由公式可知,电磁转矩公式,1. T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T ,2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3. R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转矩。,4. 2. 2 机械特性曲线,根据转矩公式,得特性曲线：,动画,动画,电动机在额定负载时的转矩。,1.额定转矩TN,三个重要转矩,额定转矩,(N m),如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为,2.最大转矩 Tmax,转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则将 造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,将sm代入转矩公式，可得,当 U1 一定时，Tmax为定值,过载系数(能力),一般三相异步电动机的过载系数为,工作时必须使T2 Tmax ，否则电机将停转。,电机严重过热而烧坏。,3. 起动转矩 Tst,电动机起动时的转矩。,起动时n= 0 时，s =1,(2) Tst与 R2 有关， 适当使 R2 Tst 。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R2 , 可使Tst =Tmax 。,Tst体现了电动机带载起动的能力。 若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,起动能力,4. 电动机的运行分析,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整，这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械 的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由 操作者加大油门，才能带动新的负载） 。,此过程中， n 、sE2 , I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,s,T2 T,T =T2,n ,T ,达到新的平衡,4.3 异步电动机的运行与控制,起动问题：起动电流大，起动转矩小。 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4 7 倍; 电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。,后果：,原因：,直接起动： n = 0，s =1, 接通电源。,4.3.1 起动方法,直接起动 7.5千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。,（适用于笼型电动机）,转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,以下介绍降压起动和转子串电阻起动。,设：电机每相阻抗为,1、 降压起动,(1) Y 换接起动,降压起动时的电流 为直接起动时的,(a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y- 换接起动应注意的问题,(2) 自耦降压起动,Q2下合： 接入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合： 切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时 联成 Y形不能采用Y起动的笼型异步电动机。,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2、绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst ,转子电路串电阻起动的特点,1、 变频调速 (无级调速),频率调节范围：0.5几百赫兹,4.3.2 三相异步电动机的调速,2、 变极调速 (有级调速),变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性 能优异，因而正获得越来越广泛的应用。,P=2,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机， 由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对 调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床 等机床上。,3、 变转差率调速 (无级调速),变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调 速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少， 缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种 提升、起重设备中。,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机 正转,电动机 反转,4.3.3 三相异步电动机的正、反转,4.2.4 三相异步电动机的制动,1、 能耗制动,制动方法,能耗制动 反接制动 发电反馈制动,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相 绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与 旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的 转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,2、 反接制动,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,3、 回馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速 时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变 化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制,动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成 电能回送给电网。,n n0,1、 直流电动机的构造,4.5 直流电动机,4.5.1 直流电机的构造与工作原理,定子,转子,机座、 主磁极、 换向极、 电刷装置等,铁心、绕组、换向器,作用是产生磁场和作电机的机械支撑,产生感应电动势实现能量转换的关键部分。,直流电机的主要结构：,1） 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,2、 直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。,4) 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,3） 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,额定功率PN: 电机轴上输出的机械功率。,额定电压UN : 额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：110V，220V，440V）,额定电流IN : 额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。 三者关系：PN=UNIN （ ：效率）,额定转速nN: 在PN , UN , IN 时的转速。 直流电机的转速一般在500r/min 以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过1.2nN 。 。,3、直流电动机的额定值,注意,3、 直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。,电刷,换向片,换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 直流电，以保 持转矩方向不 变。,线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。,1） 电枢感应电动势,Ea=Ce n,由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。,式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻,2） 电枢回路电压平衡式,3） 电磁转矩,单位: (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为,4） 转矩平衡关系,电动机的电磁转矩Tem为驱动转矩, 它使电枢转动。 在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空 载损耗转矩相平衡，即,Tem=CT Ia,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时， 若T2突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,Tem ,E,Ea=Ce n,4.5.2并励直流电动机的机械特性,由图可求得,由上分析可知：,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时, 励 磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则,令：,由以下公式,求得,4.5.2并励直流电动机的机械特性,转速降,式中：,n= f (T) 特性曲线,并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大硬机械特性（自然特性）。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,4.5.3 并励电动机的起动、反转与调速,起动,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；,1. 起动问题：,(1) 起动电流大,(2) 起动转矩大,起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,2.起动方法,3.注意事项,(1) 电枢串电阻起动法,(2) 降压起动法：,直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：,在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。,(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT Ia) , 电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流 很大，电枢绕组有被烧坏的危险。,(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势 E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的 转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转， 更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换 向器。,(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭 受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组 烧坏。,（ Ea Ia Tem T0 n飞车）,3.反转,电磁转矩： Tem=CT Ia,(1) 改变励磁电流的方向。 (2) 改变电枢电流的方向。,注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,改变直流电机转向的方法有两种：,4、 并励(他励)电动机的调速,1）调速均匀平滑，可以无级调速。 2）调速范围大，调速比可达200 以上,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。,主要优点：,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,可见：在U 一定的情况下，改变可改变转速n 。,1） 改变磁通调速,保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以改变磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即,改变磁通调速的方法：,减小磁通，n只能上调。,改变时的机械特性如图。,动画,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，n不能太高。 (2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达, 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,减小 调速的特点：,(1) 若调速后 Ia 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。 (2) 这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机 床)。,使用调磁调速时应注意：,2） 改变电压调速,调速特性是一组平行曲线,特性曲线,改变电压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN ，而n U, 所以调速 只能向下调。,(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。,(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(4)调速幅度较大。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。 近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,3、电枢串电阻调速,电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线 变陡(斜率变大)，在相同力 矩下,n。特性曲线如图。,Ra,电枢回路串电阻调速需 在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降， 因此 n 只能下调。,特点：(1) 设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,Ra + R,电阻增大,由直流电动机、单向传动机构和操纵机构三大部分组成.,直流电动机是起动机的核心。其作用是产生发动机起动时所需的电磁转矩。 单向传动机构的作用是传递或切断发动机与起动机之间的扭矩。,4.5.4车用起动机,1、车用起动机基本组成,操纵机构的作用是接通或切断起动机与蓄电池之间的主电路。,车用起动机的直流电动机主要由磁极、电枢、换向器等部件组成。一般采用串励式直流电动机。,一般的车用起动机的电动机有四个励磁绕组。励磁绕组有两种连接方式：励磁绕组全部串联；或励磁绕组两两串联之后再并联的复式接法。,复式接法可以在绕组导体截面相同的情况下，增大起动电流，从