直流电机基本构造.doc

第二章 文 獻 探 討1第一節 直流電基本構造1第二節 基本公式2第三節 線圈連接方式2第三節 電刷的種類及特性2第四節 電樞反應及換向3第五節、各種直流發電機之特性曲線4第六節、直流電動機特性曲線5第七節 電機三大並聯運用之條件6第八節 交直流電動機起動規定7第九節感應電動機之啟動7第十節 損失8第十一節 交流電機之實驗9第十二節 二瓦特量三相功率10第十三節 絕緣10第十四節 變壓器構造10第十五節 三相感應電動機14第十六節 單相交流電動機16第十七節 三相同步機17第十八節 特殊電機20第一節 直流電機基本構造結構功能備註直流機殼採用疊片式矽鋼片減少過流損矽含量5%以下極掌面積大於極心減低空氣隙的碳通密度分激場繞導線細匝數多電阻大.電流小與電樞繞組並聯串激場繞導線粗匝數少電阻小.電流大Rf(分)RaRfs(串)中間極改善換向補償繞組抵銷電樞反應與電樞繞組串聯斜形槽減少噪音換向器與電刷內部交流電AC外部直流電DC第二節 基本公式發電機電動機備註(nt-m)=BA(wb)Wm=2S第三節 線圈連接方式壘繞波繞適用電機低電壓、大電流大電壓、低電流電流路徑數a=m(重入數)*p(極數)a=2m(重入數)電刷數p(極數)2只或p只均壓線p2時需均壓線不需均壓線換向片距m(Cm) / (P/2)公式Ys=S(槽數) / P(極數)Yb= Cs*Ys+1Yf= YbCs*mN= S*Cs/2Yav=(Z2*m)/PYav奇數Yb= Yf=YavYav偶數Yb= Yav+1 Yf=Yb-2 *m蛙腿繞=單式跌繞+複分波繞(不需均壓線)註：C(換向片數)=N(線圈數)= S(槽數)*Cs(每槽元件數)/2第三節 電刷的種類及特性種類特性用途碳 質接觸電阻高、摩擦係數大高壓、小容量、低速石 墨接觸電阻低小、摩擦係數小中低壓、高速、大容量電氣石墨接觸電阻適中、摩擦係數小一般直流機金屬石墨接觸電阻小、摩擦係數小低壓、大電流 第四節 電樞反應及換向壹、電樞反應：負載電流產生電樞磁場對主磁場之干擾發電機電動機前極尖減少增加後極尖增加減少效應去磁及交磁去磁及交磁磁中性面順向移位逆向移位電刷順向移位逆向移位效果應電勢下降(E=Kn)轉矩下降(T=KI)轉速上升(n=E/K)貳、換向低速換向過速換向定義換向初期(i/t)較小換向末期(i/t)較大換向初期(i/t)較大換向末期(i/t)較小發電機電刷超過新中性面(之後)移位不足負載增加電刷不到新中性面(之前)移位過度負載減少電動機移位過度負載減少移位不足負載增加結果後端(跟)部分過熱前端(趾)部分過熱電抗電壓E=(L+M)*(2Ic/Tc)參、改善換向之方法1. 延長換向期間2. 減少電感量3. 提高電刷接觸電阻4. 設置補償繞組5. 移電刷法6. 增設中間極(發電機依轉動方向NsSn)肆、去磁安匝與交磁安匝去磁安匝：F(去磁)=( Z / 360)*2*(1/2)*(Ia / a)=N*I(每機械角內之導體數Z / 360，每極去磁安匝之角度為2)交磁安匝：F(交磁)=(Z/2)*(Ia/a)- F(去磁)伍、減少電樞反應之方法方式功能備註採用高磁阻極尖左右疊成增加磁阻楞德爾磁極法主磁極上刻空心長槽增加磁阻補償繞阻法(湯姆生-雷恩)置於主磁極極面上，與電樞串聯抵銷電樞磁動勢Fa=(Z/2)*0.7*(1/P)*(Ia/a)0.7=極面弧度/極距Fc=(Zc/2)*Ia= FaZc=0.7*Z/(P*a)中間極移動電刷第五節、各種直流發電機之特性曲線種類電路圖曲線他激式E=V+Ia*Ra+VbVb電刷壓降分激式IL=Ia+IfE=V+Ia*Ra+Vb串激式E=V+Is*(Ra+ Rs)複激式E=V+Is*(Ra+ Rs)IL= Is+If發電機外部特性曲線分激式 E=Kn，V=E- Ia* Ra串激式 E=Kn積複激式E = K n(f+s)差複激式E= K n (f-s)第六節、直流電動機特性曲線轉速曲線分激式 n=(V-Ia*Ra) / K*串激式 n = V / K*積複激式 n = V / K*(f+s)差複激式 n = V / K*(f-s)壹、分激式與串激式之比較分激式串激式發電機與電動機轉向相同相反電源互換轉向改變轉向不變使用交流電不轉動轉向不變轉子飛脫場電阻斷線無載時(不可使用皮帶)貳、直流電動機之應用特性用途分激式定速、調速車床串激式變速吊車、起重機、果汁機積複激式定速、調速間電梯參、直流電動機速率控制公式控制法特性n=E / K場電阻控制法Rf，If，n轉矩隨速度上升而下降又稱定馬力控制簡單、方便、有效電樞電阻控制法E=V - Ia*RnRn，E，n轉矩不隨速度上升而下降又稱定轉矩控制電壓控制法E=V - Ia*RnV，E，n可得寬廣速度控制，但價格昂貴第七節 電機三大並聯運用之條件1.直流發電機條件:2.變壓器條件:3.同步發電機之條件:(1) 電壓定額須相同(2) 端子極性需相同(3) V-IL曲線有下垂特性(1) 端子極性必須正確(2) 電壓定額及匝數必須相同(3) 電阻與漏電抗比相同(阻抗角相等)(4) 容量與阻抗成正比(1) 電壓大小相同(2) 電壓相位相同(3) 頻率相同(4) 相序相同(5) 電勢波形相同(6) 適當下垂之速率負載特性(7) 若相位相同,電壓大小不同 則產生無效環流ICI1+I2=ILV=E1-I1R1=E2-I2R2P1+P2=PL過複激並聯時應有均壓線S1+S2=SL二明一滅 大小看暗 相位看OR閘 頻率看輪流 相序看皆不可並聯1.-對-Y 2.-對Y-3. Y-Y對-Y 4. Y-Y 對Y- 第八節 交直流電動機起動規定目的a.增加起動轉距 b.減少啟動電流啟動電流限制a.直流機2倍以下 b.感應機3.5倍以下直流機a.直接啟動1/3馬力以下b.在電樞電路串一起動電阻 啟動DC.G時,將Rf置於最大處 啟動DC.M時,將Rf置於最小處 啟動差複激M時,需將串激繞組短路第九節感應電動機之啟動壹、鼠龍式直接啟動Y-啟動補償繞組降壓啟動採-3HP以下IS為5-8倍每相電壓=(1/3)全電壓每相電流=(1/3)全電壓相電流啟動電流IY=(1/3)I啟動轉矩TY=(1/3)T電動機側IS=(1/n)全電壓電流電源側IS=(1/n)2全電壓電流轉矩TS=(1/n)2直接啟動貳、繞線式感應電動機之啟動在轉部加入電阻a.增加啟動轉矩 b.限制啟動電流 c.提高啟動功因 d.速度控制參、單相感應電動機a.主繞組 匝數多 線徑粗 置於內層 R小 X大 b.輔助繞組 匝數少 線徑細 置於外層 R大 X小 電流超前轉速達額定速度之75%離心開關切斷輔助繞組同步電動機利用組尼繞組啟動肆、三相感應電動機速率控制公式控制法特性n=(1-S)(120f / p)定部改變電源電壓改變S範圍不大改變電源頻率改變範圍大價格高改變磁極改變接線增加p，n減少轉部T=(kSE2)/R2轉部加電阻R2，T，n轉部加電壓E與應電勢相同n加速轉部加電壓E與應電勢不相同n減少串並聯運用同方向運轉n=120f / (p1+p2)同方向運轉n=120f / (p1-p2)(註：轉子輸入功率Pg，轉子輸出功率Po，轉子銅損Pc)(Pg/Ns=Po/Nr=Pc/SNs)伍、三相同步電動機速率控制N=120f / P速度由頻率及磁極數決定第十節 損失類別損失項目直流機1. 銅損Pc=I2*R(電樞電阻+磁場電阻)2. 鐵損Pi=Pe+PhPe=Ke*f2*Bm2*t2 (當Bm固定，Pe正比於n)Ph=Kh*f*Bm1.62(當Bm固定，Ph正比於n)3. 機械損=摩擦損、風阻力損等，轉速越快機械損越大4. 雜散損失=無法直接測得 (大型機械大約1%)5.交流機1. 銅損Pc=I2*R(交流等效電阻)2. 鐵損Pi=Pe+PhPe=Ke*f2*Bm2*t2 (當Bm固定，Pe正比於n)Ph=Kh*f*Bm1.62(當Bm固定，Ph正比於n)3. 機械損=摩擦損、風阻力損等，轉速越快機械損越大4. 雜散損失=無法直接測得 (大型機械大約1%)變壓器1. 銅損Pc=I2*R（一、二次側等效電阻）2. 鐵損Pi=Pe+PhPe=Ke*f2*Bm2*t2 = Ke*V2 Ph=Kh*f*Bm1.62= Kh*V2/f3. 最大效率：銅損鐵損 銅損m2*滿載銅損鐵損 （m倍滿載）第十一節 交流電機之實驗壹、開路及短路試驗變壓器三相感應電動機開路試驗目的G0(激磁電導),B0,Y0I0 (激磁),Ie(鐵損),Im(磁化)G0,B0,Y0I0,cos0方法低壓側加額定電壓，高壓側開路定子加入額定電壓各表之值V低壓側電源電壓V2A低壓側IO,PPn轉子旋轉短路試驗目的Re1,X.e1,Ze1,Pc反轉銅損方法高壓側加額定電流，低壓側短路定子加入額定電流各表之值V高壓側額定電壓之310%A高壓側額定電流I1,P滿載PcV額定電壓之58%轉子堵住S=1貳、變壓器a.開路公式b.短路公式1.無載公因cos0=Poc/VocIoc2.Ic=I0cos(A)3.Im=I0sin(A)1.Ze1=Vsc/Isc , Ze2=Ze1/a22.Re1=Psc/Isc2 ,Re2=Re1/a23.Xe1=Ze12-Re12 ,Xe2=Xe1/a2參、三相感應電動機3IM開路公式短路公式無載功因cos0=P/3VI0cos= P/3VIs第十二節 二瓦特量三相功率PT3=W 1+W 2 (w)QT3=3(W 1-W 2)(VAR)S T3=P T32 +QT32 (VA)cos=W 1+W 2/2W 12+W 22-W 1W 2W 1=W 2 cos=1W 1= -W 2 cos=0W 1=0 , W 2 0 cos=1/2W 1=2W 2 cos=3/2第十三節 絕緣級別YAEBFHC最高容許威度90度105度120度130度155度180度180度以上直流機採用A和B級第十四節 變壓器構造1.矽鋼片條件a.鐵損小，b.導磁細數大c.飽和磁通密度高，d.機械強度大，e.含矽量4% 2.儲油器a.改善絕原油劣化3.外型a.內鐵式高壓小電流，b.外鐵式低壓大電流4.理想Tra.=100%，b.E=4.44fN(=BmA)c.能量守恒S=E1*I1=E2I2d.a=N1/N2=E1/E2=I2/I1=Z1/Z2壹、等效圖換算至一次側時R01=R1+a2X2 X01=X1+a2X2Z01=(R01) 2 +(X01) 2Ie=Io*cosIm= Io*sin貳、標么值阻抗標么值ZpuSbase=Vbase * Ibase Zbase=Vbase / Ibase (base基本值) 標么值與額定容量成正比與額定電壓成平方反比參、電壓調整率VR%=(E2-V2)/V2肆、Tr之測試(1)溫升試驗(2)絕緣電阻測試又稱背向試驗需使用高阻計高壓側瓦特表=PnL線路(先實施)低壓側瓦特表=PcE接地(後實施)G保護伍、極性試驗a.DC法S閉合瞬間伏特計往正向偏轉減極性伏特計往負向偏轉加極性b.AC法V3=V1-V2減極性V3=V1+V2加極性c.比較法一次側看接線，二次側跑回路陸、Tr之三相連接Y聯結聯結VL=3VpVL=VPILIPIL=3IPVL lead VP 30IL Lag Ip 30產生諧波干擾可免去諧波之害i. Y接”接地，拉出”為該相ii. 接依序將”接”，拉出”+”為該相(4)三相口訣1+1=11103=1903.3K3=57K1-1=31203=2086.6K3=11.4K1+1-1=22203=3803/3=0.5771+1+1=03/2=0.866Sin75=0.966 (5)公式單相視在功率S1=VP1IP1=VP2IP2(VA),單相有效功率P1=S1cos(W)三相視在功率S3=3VL1I L1=3VL2IL2 =3VPIP=3S1(VA)三相有效功率P3=3P1=3VPIPcos(W)各種接法Y-Y-Y發電廠Y-二次變電所=0=0=-30=+30V-VT-TVL=VP，IL=IPV主=VP=VL ，V支=(3 / 2)VL利用率=輸出容量 / 設備容量 =3S1 / 2S1 =0.866相同容量=輸出容量 / 設備容量 =3S1 / 2S1=0.8661大1小容量=輸出容量 / 設備容量 =3S1 / (S1+2/3 S1) =0.9283SV-V=S-捌、特殊變壓器(a)自耦變壓器SA=(1+a) a=(共用/非共用)自有容量=感應傳送的伏安功率 =e*I2傳導容量=全部容量-自有容量特點：1.電壓調整率小，效率低 2.需高度絕緣 3.電壓比小1.051.25到1(b)儀表變壓器PT比壓器(降壓Tr)CT比流器(升壓Tr)二次側額定電壓110V額定電流5A不可短路不可開路定要接地定要接地使用2.0mm2紅線使用2.0mm2黑線(c)感應電壓調整器次繞組P轉部導線細，匝數多並聯電源二次繞組S定部導線粗，匝數少串聯負載短路線圈T轉部與P垂直90度無法成為抗流線圈 VO=(1+1/a*cos)V1 (a=p/s)=0VO=(1+1/a)V1=90VO=V1=180VO=(1-1/a)V1第十五節 三相感應電動機壹、三相感應電動機構造轉子鼠籠式繞線式優點構造簡單堅牢啟動轉矩Ts大，恆速，轉差率小啟動電流Is小缺點無法加Rx，Ts，Is構造複雜，成本高貳、轉差率S(1) 、S=(NsNr)/Ns100%a.啟動(靜止，堵住)Nr=0，S=1b.同步Nr=Ns，S=0c.反同步Nr=-Ns，S=2d.超同步Nr=2Ns，S=-1鼠籠式S=35%繞線式S=110%S跟負載成正比(2)、公式(運轉時)a.轉子轉速Nr=(1-S)Ns b.轉子頻率fr=Sf c.轉子電壓E2r=SE2 d.轉子電流I2=(S*E2)/(R2+SX2)e. 轉子Cos=R/Z(3)、解題步驟1.求轉子電壓E2a.E1=VP1 b.靜止時E2=E1/匝數比 c.轉動時 S=(NsNr)/Ns， E2r=SE21.求轉子電流I2a. Z=(R2+SX2) b. I2=(S*E2)/(R2+SX2)二、轉矩(1)電動機轉子輸出功率P2=T*w=T*2Nr，T=9.55*P2 / Nr(NT-m)=0.973*P2/ Nr(Kg-m)(2)轉子每相轉矩 T=K1I2cos ( I2=(S*E2)/(R2+SX2) ，(cos=R/(R2+SX2) T =P2/WS=(q*I2*R2/S) (3)S=1時T與電壓平方成正比，與R2成正比(4)定電壓下T與R2/S成正比，繞線型外加電阻時S將改變但轉矩不變 比例推移 r2/S=(R+r2)S 最大轉矩時轉差率Sm=r2/(x1+x2)參、雙鼠籠式(1)上層導體細，電阻大，電感小，啟動轉矩大，啟動電流小啟動時流過大部分電流(2)下層導體粗，電阻小，電感大運轉時流過大部分電流(3)規格CNSIECNEMAVDE=台灣(中國)=國際=美國=德國肆、制動a.再生制動=使NrNs產生反轉矩並回收電力於電源b.發電制動(動力)(直流)=當I.M切離A.C時，在轉子上加D.C，使旋轉磁場變為固定c.逆轉制動=將電源線任意換兩條，使之產生反轉矩，為了防止逆轉插入柱塞電驛d.單相制動=將一相切離，使之成為單相運轉伍、試驗繞組電阻測定負載實驗Y形接線 Ry=e/i=2r形接線 R=e/i=2r/3a.方法動力計b.目的測量T及PmT=Fr(kg-m) =9.8Fr(Nt-m)Pm=1.026FrNr第十六節 單相交流電動機壹、分類(1)感應(2)換向a.分相式a.推斥式b.電容式b.串激式c.蔽極式貳、單相感應電動機與3相電動機比較a.體積大 b.成本高 c.效率和Cos差 d.噪音與振動大參、單相感應電動機構造定部裝設行駛繞組，外加A.C，產生交變磁場，交變磁場分相為兩個大小相等，方向相反的磁場稱雙旋轉磁場。分相式反轉=將啟動繞組或行駛繞組兩端反接轉矩由大至小排列：推斥雙值電容分相永久蔽極肆、電容式(1)電容啟動式使用交流電解電容體積小，容量大，耐壓低輔助繞組電流Ia越前主繞組電流90電機角用途電冰箱壓縮機(2)永久電容式使用浸油式電容體積大，容量小，耐壓高用途洗衣機馬達伍、蔽極式a.方向由未蔽極向有蔽極處轉動b.反轉必須把整個磁極反轉過來c.蔽極線圈幫助啟動d.蔽極磁通滯後主磁通e.構造簡單便宜f.功因最低，效率最差，Ts最小，用途吊扇陸、交流單相串激(1)DCAC(直流串激電動機加交流電源)應修改部分a.定部和轉部鐵心均採用矽鋼片b.弱磁場減少Rf，漏磁電抗電壓影響功率因數c. 裝設補償繞組，減少電樞反應(電抗電壓影響功率因數)d. 減少電樞繞組，否則換向困難(2)Cos隨負載增加而降低柒、推斥式構造最簡單，Ts最大，電刷需短路(1)刷軸平行極軸(2)刷軸垂直極軸(3)轉向磁通=0磁通最大a.電刷順極軸移動順向方向b.電刷逆極軸移動逆向方向Ia最大Ia=0(刷軸短路線圈)T=KIa(方向相反合力=0)T=0e=BLVSin90最大第十七節 三相同步機壹、結構a.定子繞置互隔120e三相電樞繞組b.轉子通以低壓直流貳、交流發電機之種類凸極型圓柱型適於低速800rpm以下高速800rpm以上轉子直徑大小轉軸短長直軸磁阻小於交軸等於交軸直軸電抗大於交軸等於交軸用途水輪G汽(渦)輪G引擎G參、交流發電機之種類及用途水輪汽輪引擎轉速20080015003600300600轉子凸極型圓柱型凸極型冷卻水氫氣用途水力發電廠火力、核能緊急備用肆、同步電動機阻尼繞組裝於轉子磁極槽內，藉端環加以短路，形成鼠籠般的繞組，協助啟動a.Nr=Ns不作用b.NrNs，防止追逐現象，維持Nsc.追逐現象:由於負載急遽變化，造成同步機之負載角(應電勢E與端電壓V之相角)在同步速率上下作週期性變化二.繞線方式(1)理論上全節矩、集中繞、但會有諧波干擾(2)實際上短節矩、分佈繞(3)短節矩之優缺點優點:a.減少諧波、改善電勢波形、使其更接近正弦波b.節省末端連線，減少Pcc.減少電感量缺點:應電勢較全節矩低(4)分佈繞a.降低應電勢諧波成份b.效率高c.繞組較易散熱、應電勢較低三.感應電勢計算(1)理論Ep=4.44N =2.22Zf(2)實際Ep=Kw4.44fNp(3)Kw(繞組因數)=KpKd(4)Kp(節距因數)=短節距感應電勢 / 全節距感應電勢=sin(x/2)(5)Kd(分佈因數)=分佈繞感應電勢 / 集中繞感應電勢 =sin(180/2*相數) / qsin(180/2*相數*q) q (每相每極槽數)=槽/(相數*極數) (6)諧波正弦波三次諧波五次諧波A0A0*3=0A0*5=0B-120B-120*3=0B-120*5=120C120C120*3=0C120=-120四、特性曲線(1)外部特性曲線條件：額定轉速及激磁電流不變， 負載電流與端電壓之關係負載超前電樞反應產生加磁作用，端電壓上升負載落後電樞反應產生去磁作用，端電壓下降(2)激磁特性曲線條件：額定轉速及端電壓不變， 負載電流與激磁電流之關係負載超前電樞反應產生加磁作用，