电机原理与测试.doc

论文围绕电机原理与测试书写，是可以的，但论文格式完全没有按照要求做：第一章 绪论1.1 课题的研究意义，论述电机测试的意义；1.2 电机的分类，应用，发展（自行考虑小标题或内容）1.3 本文主要工作（写这篇论文做了什么工作）第二章 三相异步电动机的工作原理（将交流电机绕组的磁势理论部分去掉，增加异步电机的等效电路，参数测定，电磁转矩的表达式，异步电机的工作特性等内容，这些内容在任何一本电机学的教科书上都有，但要有所选择，不要大段大段地抄教科书）第三章 三相异步电动机的出厂测试（测试软件的画面可否截图，现在完全是纯文字论述）第四章 总结章中，图名要用word书写，严格按格式要求书写，公式编辑器的字体要与正文字体一致，文中表格用word表格，严禁拷贝；文中变量必须用公式编辑器写，改用下标的地方必须用下标。格式的问题自行修改。目前，论文很粗糙，认真修改后在发来。1.1三相异步电动机1.1.1基本结构和铭牌数据 三相鼠笼异步电动机结构图1.交流电机定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：单层绕组和双层绕组。绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。2.转子结构转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。 转子绕组：是用作产生感应电势、并产生电磁转矩它分鼠笼式和绕线式两种。 气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.21.5 mm范围。转子 鼠笼转子绕线转子提刷装置3.铭牌数据主要铭牌数据1(1) 额定功率PN：指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位：W或kW；(2) 额定电压U1N：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位： V；(3)额定电流I1N：指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时定子绕组中的线电流，单位：A；主要铭牌数据2 (4)额定频率f1N：我国规定电网工频为50Hz； (5)额定转速nN：指电动机在定子额定电压、额定频率下，轴上输出额定功率 时的转子转速，单位：r/min； (6)额定功率因数cosN：指电动机在额定运行时定子侧的功率因数。主要铭牌数据3 铭牌上还标有绝缘等级、温升、工作方式、连接方法等，对绕线式异步电动机还标有转子绕组的额定电压和额定电流。 (7)转子绕组额定电压U2N：指定子绕组加额定电压、转子绕组开路时，滑环间 的线电压，单位：V； (8)转子额定电流I2N：指电动机额定运行、转子短路状态下，滑环之间流过的 线电流，单位：A。转差率转差率 s 是表示转子转速n与磁场转速n0 之间差别程度即： 转子转速 n电动机运行时的实际转速也就是转子转速 n。同步转速 n0电动机旋转磁场的转速也称为同步转速 n0。根据电动机的转动原理，转子转速将小于磁场的转速，即n n0。若二者相等，转子就没有切割磁力线作用，转矩也就消失了，因此转子不可能以n0的转速正常运行。1.2交流电机的绕组和感应电动势（以下内容去掉）1.2.1绕组极距是指每一磁极所占定子内圆周的距离，即有 节距y是指线圈两有效边之间的距离。单层绕组是整距绕组，即有y=每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕组所占有的槽数，即有相带是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。机械角：电机圆周空间角度为360或为2弧度，称这种角度为机械角。对于一对磁极由NSN变化一周相当于360电角度或为2电弧度。当电机有p对磁极时，电角度=p机械角。1.2.2 交流绕组的感应电势1.一根导体感应电势设定子内表面槽中嵌放导体A，有效长度为l(m)，转子只有一对磁极，它由原动机拖动以恒定转速n1(r/min)逆时针旋转，沿气隙圆周方向分布的基波磁密波形，大小为：式中B1m为基波气隙磁密幅值。感应电动势导体A切割磁力线产生感应电动势大小为：导体的基波感应电动势最大值为：波形感应电动势频率在一对磁极情况下，导体A每经过一对主磁极，其中的感应电势经历一个周期。当电机转子上有p对主磁极，电机每旋转一圈，导体A中的基波感应电势变化p周，则导体A中基波感应电势频率为： 当电机的极对数p和转速n1一定时，f1频率便为固定的数值。2. 整距线匝感应电势两导体A、X就构成了整距线匝。它们中的感应电势总是大小相等，方向相反。整距线匝基波感应电势为：用相量表示时：整距线匝基波感应电动势整距线匝基波感应电势瞬时表达式为：整距线匝基波感应电势有效值为：3. 整距线圈感应电动势线圈是由Ny匝线匝串联而成，即匝数Ny整距线圈的基波感应电势瞬时值为：4. 整距分布线圈感应电动势如果在定子内圆表面槽中均匀嵌放三个匝数为Ny的整距线圈头尾连接，相互串联形成线圈组，称为整距分布线圈，相邻线圈的槽距角是。整距分布线圈的基波感应电动整距分布线圈的基波感应电势为：绕组的基波分布系数：基波分布系数含义基波分布系数是一个小于1的数，其含义是：分布放置的线圈要比将各线圈集中放置在一个槽中的基波感应电势小。可以这样认为：把实际q个分布放置的整距线圈，看成是集中放置的，但它们的总等效匝数为qNykq1，而不是qNy。1.3交流电机绕组的磁动势1.3.1单相脉振磁场1.整距集中绕组的磁动势 由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁芯中的磁阻，可认为磁势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气隙的磁势为全部磁势的一半（iNy/2）磁动势波形为矩形波。整距集中绕组的磁动势2. 磁动势的空间谐波矩形波磁动势用傅立叶级数分解得：3. 单相绕组基波脉振磁动势设AX中通入交流电为：则每极磁势表达式为：谐波分析对周期性变化的矩形波分布的磁势，用傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：式中v=1，3，5为谐波系数，系数Cv为基波磁势为： 为基波磁势最大幅值。三次谐波磁势为： 三次谐波磁势最大幅值五次谐波和高次谐波五次谐波磁势为： 五次谐波磁势最大幅值。还有七次、九次、十一次等高次谐波磁势。分析：谐波次数越高，其幅值就越小。为了改善波形，除基波以外，考虑消除三、五、七次谐波，由于三次谐波及三的倍数次谐波在绕组连接成三相对称绕组时就已相互抵消，而五、七次谐波可通过短距和分布绕组来基本消除。因此当连成三相绕组后，只考虑基波磁势就可以了每相绕组产生基波磁势幅值：I1为相电流的有效值，kw1=kq1ky1称为基波绕组系数，基波分布系数为：基波短距系数为：每相绕组产生的谐波磁动势幅值为： （安匝/极）kw=kqky称为v次谐波绕组系数v次谐波分布系数为：v 次谐波短距系数为：脉振磁动势的分解推导根据三角函数的和差与积的关系：1.3.2三相绕组的合成旋转磁场三相对称绕组：各相绕组匝数、结构相同，在空间互差120电角度。三相对称交流电：在三相对称绕组中通入三相对称交流电，每相绕组中都要产生单相脉振磁势，这三个脉振磁势在空间和时间上都互差120电角度。图示三个脉振磁动势表达式合成磁动势在三相对称绕组通以三相对称交流电产生的旋转磁势具有以下特点：旋转磁势的幅值为：旋转磁势的转速为同步转速： 旋转磁势的转向：由电流的相序决定（即电流达到最大值的顺序），它总是从电流领先的一相绕组向电流滞后的一相绕组方向转动。1.3.3三相电动机的起动1. 起动性能电动机的起动就是将它开动起来。在起动瞬间，n=0,s=1。我们没从起动时的电流和转矩来分析电动机的期待性能。起动电流Ist在刚起动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁力线切割转子导体的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都很大。一般中小型电动机的起动电流约为额定值的5-7倍。即：当电动机不是频繁起动时，起动电流对电机本身影响不大。因为电机的起动时间很短。但当起动频繁时，由于热量的积累，可以使电机过热。但是，电动机的起动电流对线路是有影响的。起动转矩Tst在刚起动时，虽然转子电流较大，但由于转子的功率因数是很低的。因此起动转矩是不大的，它与额定转矩之比值约为1.02.2。如果起动转矩过小，就不能在满载下起动，应设法提高。但起动转矩也不能过大，否则，会使传动机构收到冲击而损坏。由上述可知，异步电动机起动时的主要缺点是起动电流较大。为了减小起动电流，必须采用适当的起动方法。2、 起动方法 1、直接起动鼠笼式电动机的起动方法有两种 2、降压起动直接起动直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电源上。这种起动方法虽然简单，但如上所述，由于起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载的正常工作。一般只有功率在二三十千瓦以下的异步电动机才能采用直接起动的方法来起动。而对于功率较大的异步电动机通常都采用降压起动。降压起动所谓降压起动就是在电动机起动时，降低其所加的电压。其目的就是要减小起动电流。降压起动通常采用下面的几种方法。星形三角形（Y-）换接起动该方法只适合于电动机在工作时，其定子绕组接成三角形时的情况。IlIpULIlIpUL电流关系当电动机正常工作时，当电动机星形起动时，通过计算可以看出，电压下降了1/3倍，电流下降了1/3。由于转矩与电压的平方成正比，所以起动转矩也减小到直接起动时的1/3。因此，这种方法只适合于空载或轻栽时起动。该种起动一般采用星三角起动器来实现，电路如图所示。动触点Y动触点返回正常状态自耦降压起动自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，其接线如图所示。自耦变压器备有抽头，以便得到不同的电压（例如为电源电压的73%、64%、55%），根据对起动转矩的要求而选用。自耦降压起动适用于容量较大的或正常运行时联成星形不能采用三角起动器的鼠笼式异步电动机。工作起动对于绕线式电动机的起动，只要在转子电路中接入大小适当的起动电阻，就可达到减小起动电流的目的；同时起动转矩也提高了。1.3.4三相电动机的调速调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求。从三相异步电动机的转速公式可以看到改变电动机的转速有三种可能：（1） 改变电源频率f1（2） 改变极对数p（3） 改变转差率s前两者是鼠笼式电动机的调速方法，后者是绕线式电动机的调速方法。1. 变极调速 由式：可知，如果极对数减小一半，则旋转磁场的转速便提高一倍，转子转速差不多也提高一倍，因此，改变p可以得到不同的转速。2. 变频调速变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。3. 变转差率调速只要在绕线式电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大小，就可以得到平滑调速。如增大调速电阻时，转差率上升，而转速下降。这种调速方法的优点是设备简单、投资少；但能量损耗较大。这种调速方法广泛应用于起重设备中。1.3.5三相电动机的制动因为电动机的转动部分有惯性，所以把电源切断后，电动机还会继续转动一定时间后停止。为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，并为了安全起见，往往要求电动机能够迅速停车和反转。这就需要对电动机制动。对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反。这时的转矩称为制动转矩。异步电动机的制动常用下列几种方法：1. 能耗制动n0=0FnM3R+-2.反接制动n0nnn0Fn0nM33.发电反馈制动2.1.1三相异步电机的出厂测试以西门西电气传动有限公司电机出厂测试流程为例1.一致性检查测试人员要对照随被测电机转来的文件中的产品编号与电机转子端头上的号码是否一致，随机资料是否齐全。随机资料包括：装配报告；电机主接线图；电机辅助回路接线图；电机铭牌图。2.电机的安装就位及其相应的检查保证底座安装型卧式电机的安装脚平面的洁净，而且四脚安放平稳。观察电机底部散热筋的高度，保证底部散热筋不得受力。对于法兰盘安装形式的立式电机，要把法兰盘放在4个稳固的垫箱上，并且要用压铁等夹具固定。3.绕组电阻测试测试人员在做测试时，首先要按照被测电机的编号在SiMoMess软件上选择被测电机的STK测试计划，然后在测量电脑上打开STK的测试画面。测试人员根据测试计划工程师在SiMoKonf软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取绕组电阻测试图标，开始测试工作。把三个电阻测量夹分别夹在被测电机的U、V、W 三相接线柱上，操作测量电脑上相应的图标完成测试工作。4.温度传感器测试测试人员根据测试计划工程师在SiMoKonf软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取辅助电阻测试图标，开始测试工作。用万用表来测量各个温度传感器的电阻值，并将测量值录入测量电脑内。5.防潮加热器测试测试人员根据测试计划工程师在SiMoKonf软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取辅助电阻测试图标，开始测试工作。用万用表来测量防潮加热器的电阻值，并将测量值录入测量电脑内。6.被测电机的准备工作根据被测电机的电流值，选择相应截面的电缆与电机的接线柱连接，测试人员要保证相序正确，并盖好安全防护盖。在被测电机的转子轴的键槽中安装测试时使用的半键并在转子轴上套上卡环，旋紧卡环上的压键螺钉，使半键被固定。连接接地线，保证电机的外壳接地。7.电机旋转方向的检查测试人员根据测试计划工程师在SiMoKonf软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取电机旋转方向测试图标，开始测试工作。测试人员在WINCC 电脑上通过调节发电机组的频率给定和电压给定，使电机在低速下旋转，测试人员站在被测电机旁，确认其旋转方向，并与测试计划中的内容对照是否一致。8.操作测试系统时注意事项：根据被测电机种类选择不同的通道，并根据所测试项目要求调整好相关的电流互感器的量程和电压互感器的量程，调整好被测电机的保护限制电流。根据测试项目要求合理调整好发电机的输出电流和电压，原则上发电机组输出电流和电压都要求大于被测电机的测试项目中所给定的电流和电压。具体电流、电压和联接方式的关系如下表：U1/U2电流联接方式1000V860A串星580V1500A串角500V1730A并星290V3000A并角U3电流联接方式1000V462A串星580V800A串角500V924A并星290V1600A并角 被测电机起动时要注意发电机的特性以及不同的电机起动特性。要起动电机的过程中要关注电机的进程，以便及时调整发电机的频率和电压。注意：在每次调整发电机组频率和电压时，只有当频率或者电压滑块被释放后，所给与的指令才能得以被执行！9.电机短路测试测试人员根据测试计划工程师在 SiMoKonf 软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取电机短路测试图标，开始测试工作。测试人员根据前面已经确认的电机旋转方向，正确安装止动杆，要保证止动杆与测试平台接触好。在测量电脑内上根据给出的短路电流值，测试人员在Wincc电脑上通过调节发电机组的频率给定（放置在50Hz位置）和电压给定游标，使电流达到测试计划中要求的数值，并保存测试数据，然后迅速调节电压给定游标到零。如有几个电流测试点，则重复几遍上述步骤。测试结束要取下止动杆。短路试验是在电动机转子堵住不转动的条件下进行的，故又称堵转试验。试验接线与空载实验相同，只是电流表和功率表的电流线圈量程要变大，对于绕线式转子，应将转子绕组短路。堵转实验可测得短路参数（rk、xk、zk）、定转子铜损。试验时，由于转子堵转，加在定子绕组上的电压要降低，与变压器短路试验相似，所加电压应使电动机的短路电流为额定电流，因此一般应从U1=(0.30.4)UN开始，监视电流表读数，逐渐加压，使电流为额定值为止，然后在逐渐降低电压，同时记录定子相电压Uk、定子相电流Ik和输入的三相功率Pk。根据试验数据作出短路特性Ik=(Uk)、Pk=(Uk) 。根据堵转时的等值电路，机械损耗pm=0，铁损pFe和附加损耗pad都很小，可忽略，则输入功率Pk都消耗在定、转子的电阻上，即：式中rk=r1+r2为短路电阻，从而有：10.电机振动测试测试人员根据测试计划工程师在 SiMoKonf 软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取电机振动测试图标，开始测试工作。在测试之前测试人员要分别在被测电机的驱动端和非驱动端的X轴、Y轴、Z轴三个方向上放置振动测量头，测试人员在WINcc 电脑上通过调节机发电组的频率给定和电压给定游标，使电流达到测试计划中要求的电机的额定数值，此时保存这组数据，完成此项测试。11. 电机空载测试测试人员根据测试计划工程师在 SiMoKonf 软件中已经编写好的测试项目，在SiMoMess软件画面上选取电机空载测试图标，开始测试工作。此项测试可以结合电机振动测试项目进行。测试人员在WINcc 电脑上通过调节发电机组的频率给定和电压给定游标，使电压达到测试计划中要求的电机的额定数值，此时保存这组数据，完成此项测试。通过空载试验可测得励磁参数（rm、xm、zm）、铁损pFe、机械损耗pm。试验时，异步电动机定子通过调压器接三相交流电源，转子轴上不带负载，加额定电压使电动机运行在空载状态，稳定运行一段时间后，电动机的机械损耗达到稳定值，然后调节调压器使定子电压从(1.11.3)UN开始，逐渐下调直至电动机转速有明显变化为止，同时测取电动机的相电压U1、空载电流I0、空载功率P0和电动机转速n，接线图是用二功率法测取功率所以两功率表P1、P2的读数之和为空载功率，即有P0= P1+ P2。注意试验时一定要含U1N这一点。根据试验数据作出P0=(U1)和I0=(U1)曲线 三相异步电动机空载特性由于电动机空载时，转速nn1，转子电流I20，转子铜损pCu0，可忽略转子铜损，这时电动机的空载损耗为：在输入功率P0中扣除定子铜损后，剩下的功率为P0，则有：式中有三部分：铁损、机械损耗和附加损耗，其中机械损耗pm只与转速大小有关，而与电压U1大小无关。铁损pFe和空载附加损耗pad则与磁通的平方成正比，即与U12成正比。为了从P0中分离机械损耗pm，作P0=(U12)曲线，将图中的曲线延长与纵坐标轴相交与0点，再通过0点作与横坐标轴的水平虚线，将与电压无关的机械损耗pm从P0中分离，虚线之上是pFe+pad，虚线之下是pm。若想精确测得励磁参数，还需将铁损和空载附加损耗分离。一般可近似认为：根据电压U1=U1N时，测得的空载试验数据P0和I0可计算参数：式中U1N、I0分别为额定相电压和相电流；P0为测得的三相功率；P0、I0应取额定电压所对应的数据。电动机空载时，转速nn1，转差率s0， “T”形等值电路中的附加电阻 ，转子可认为开路，这样就有：式中r1为定子电阻，可用电桥测得；x1为定子漏电抗，可从堵转试验测得。 三相异步电动机的P0=f(U12)曲线 三相异步电动机短路特性12.电机轴承运行的平稳性、噪声及轴承温升的检查此项测试结合电机空载测试一起进行。因为电机的轴承是比较容易损坏的零件，而且在工厂进货检验时无法对其进行功能检验，而且如果安装不当也能造成轴承损坏，所以在电机出厂检验过程中要对轴承运行情况进行主观判断。因为这种对轴承状态的判断具有主观性，所以只能由经过相应训练并且具有一定经验的测试人员进行这种判断，同时要使用一种专用听筒进行评判。通常测