电力驱动原理部分

电力驱动原理部分电力驱动原理部分 一 电动机的种类 电动机是把电能转换成机械能的设备 它是利用通电线圈在磁场中受力转 动的原理制成 1 按工作电源种类划分 可分为直流电机和交流电机 1 1 直流电动机按结构及工作原理可划分 无刷直流电动机和有刷直流电 动机 1 1 1 有刷直流电动机可划分 永磁直流电动机和电磁直流电动机 1 1 1 1 电磁直流电动机划分 串励直流电动机 并励直流电动机 他励串励直流电动机 并励直流电动机 他励 直流电动机和复励直流电动机直流电动机和复励直流电动机 1 1 1 2 永磁直流电动机划分 稀土永磁直流电动机 铁氧体永磁直流电 动机和铝镍钴永磁直流电动机 1 2 其中交流电机还可分 单相电机和三相电机 2 按结构和工作原理划分 可分为直流电动机 异步电动机 同步电动机 2 1 同步电机可划分 永磁同步电动机 磁阻同步电动机和磁滞同步电动 机 2 2 异步电机可划分 感应电动机和交流换向器电动机 2 2 1 感应电动机可划分 三相异步电动机三相异步电动机 单相异步电动机和罩极异步 电动机等 2 2 2 交流换向器电动机可划分 单相串励电动机 交直流两用电动机和 推斥电动机 二 电动机工作原理 下面主要主要以三相异步交流电动机和电磁直流电动机为例介绍一下其组 成及工作原理 1 三相异步交流电动机 1 1 三相异步交流电动机的组成 三相异步电动机主要由定子和转子两大部分构成 如图 1 1 图 1 1 三相异步交流电动机的构件分解图 1 定子 图 1 2 定子由铁心 绕组 机座三部分组成 铁心由 0 5mm 的硅钢片叠压而成 机座一般用铸铁作成 主要用于固定和支撑定子铁心 图 1 2 三相异步电动机的机座与定子铁心 三相定子绕组分别 U V W 相 三相定子绕组联接成星形 Y 或 见图 1 3 图 1 3 三相异步电动机的定子绕组联接方式 注 注 三相绕组连接成星形三相绕组连接成星形 每相绕组承受相电压每相绕组承受相电压 220V 三相绕组连接成三角形三相绕组连接成三角形 每相绕组承受线电压每相绕组承受线电压 380V 2 转子 见图 1 4 转子由铁心和绕组组成 转子同样由硅钢片叠压而成 压装在转轴上 转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种 线绕式异步电动机还有滑环 电刷机构 图 1 4 三相异步电动机的鼠笼型转子绕组 1 2 三相异步电动机的转动原理 1 旋转磁场的产生 三相对称交流 iu iv iw 在转子空间产生的磁场如图 1 5 所示 图 1 5 转子空间旋转磁场的变化 由图 1 5 可以看出 三相交流电流在转子空间产生的旋转磁场具有 1 对磁 极 当磁场具有 P 对磁极时 设电源频率为 50Hz P 和旋转磁场的转速为 N0关 系如下表 磁极 个 2 级4 级6 级8 级10 级12 级 N0 r min 300015001000750600500 磁极个数与旋转磁场转速的关系 将连接三相电源的导线任意对调两根 则旋转磁场反向 即电动机改变转动方 向 2 三相异步电动机的转动原理和转差率 a 三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组 产生旋转磁场 旋转磁场的转速 称之为同步转速 b 旋转磁场切割转子导体 产生感应电势 c 转子绕组中感生电流 d 转子电流在旋转磁场中产生力 形成电磁转矩 电动机就转动起来了 e 转差率 电动机的转速达不到旋转磁场的转速 否则 就不能切割磁力线 就没有感应 电势 电动机就停下来了 转子转速与同步转速不一样 差那么一些 称之为异步 设同步转速为 no 电动机的转速为 n 则转速差为 no n 电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率 S S 是分析 异步电动机运行情况的主要参数 即 0 0 n nn S 电动机启动瞬间转差率最大 S 1 运转后约为 1 9 1 3 三相异步电动机的额定值 1 额定功率 容量 指电动机输出的机械功率 KW 2 额定电压 通常为 380V 3 额定电流 指电动机在输出额定功率时 定子绕组允许通过的线电流 A 电动机的启动电流约为额定电流的 4 7 倍 4 额定转速 转子转速 5 额定频率 通常为 50Hz 6 接法 指三相定子绕组的联接方式 2 直流电机 2 1 直流电机的结构图如图 1 6 由定子 电枢 转子 电刷装置以及支撑保 护结构件说组成 1 定子 定子由主磁极 换向级 基座和补偿绕组所组成 2 转子 直流电机的转子是由电枢铁芯 电枢绕组 电枢支架 指中大型 换向器 转轴和风扇等主要部件组成 2 2 直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式有他励和自励两种 自励又分为并励 串励 复励 复励又有积复励和差复励之分 如图 1 7 图 1 6 直流电机结构图 图 1 7 直流电机励磁方式 2 3 直流电机工作原理 直流电机里边固定有环状永磁体 电流通过转子上的线圈产生安培力 当 转子上的线圈与磁场平行时 再继续转受到的磁场方向将改变 因此此时转子 末端的电刷跟转换片交替接触 从而线圈上的电流方向也改变 产生的洛伦兹 力方向不变 所以电机能保持一个方向转动 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势 靠换向器配 合电刷的换向作用 使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理 3 电动机的起动 1 三相鼠笼式异步电动机的起动方法 三相异步电动机起动电流是额定电流的 5 7 倍 为满足起动要求 三相异步电动 机的起动方法分为直接起动和降压起动两类 1 直接起动 全电压起动 适用范围 电动机功率 20 变压器容量 一般中小型鼠笼式异步电动机都采用 全电压直接起动 2 降压起动 容量大的电动机起动电流大 为 了限制过大的起动电流 采用降压起动 在工厂常 用的降压起动方法有 4 种 定子串电阻或电抗器 Y 变换 自耦变压器 延边三角形 a 定子绕组串电阻或电抗器降压起动 电路图如右图 不足之处 起动转矩随定子电压的平方下降 不 经济 应用场合 电动机空载或轻载起动 b Y 降压起动 只有正常运行时定子三相绕组是 接法的 电动机才能采用 Y 降压起动 对于国产 JO JO2 Y Y2 系列电动机 功率大于 4 5kW 的都是采用 接线 也就是说 大容量 电动机都可以用 Y 降压起动 Y 降压起动的电气原理图如右图所示 起动时 三相绕组接成 Y 形 运行时 绕组接成 形 电流下降 1 3 转矩也下降 1 3 特点 电动机 Y 形起动过程中 可提高电动 机的效率和功率 因数 起动转矩小 只适用于空载或轻载起动的场合 设备简单 经济 c 自耦变压器降压起动 特点 起动电流小 而且可以调节 不适用于频繁起动 体积大 重量重 价格高 与定子串电阻或电抗器起动相比较 在相同的起动转矩情况下 起动电流要小 d 延边三角形起动 对电动机定子绕组和绕组出线有特殊要求 起动时绕组一部分 Y 形 一部分 形接线 运行时绕组 接线 制造成本高 接线复杂 2 三相线绕式异步电动机的起动方法 线绕式电动机在转子电路串电阻 可以获得较大的起动转矩以及较小的起动电流 即有良好的起动特性 1 逐级切除起动电阻法 a 电路图 如下图转子外接电阻为三相对称电阻 当电动机容量大时 一般采用三 相不对称电阻 b 起动过程 起动初瞬 电阻全部接入 在起动过程中 分三次切除外接电阻 人工 特性往上提 电阻全部切除后 通过提刷机构 使转子绕组短接 机械特性回到自然 特性 c 特点 在起动过程中 电动机能保持最大的加速转矩 2 频敏变阻器起动法 a 频敏变阻器 它是一个铁损很大的 三相电抗器 铁心用 A3 钢板叠成 三相绕组接成 Y 形 b 起动过程 起动初瞬 转子电流频率接近 50Hz 铁 损大 即等效阻抗大 从而限制了起动电流 增大了起 动转矩 随着转速逐步上升 等效阻抗逐步减小 到转 速达额定转速 相当转子被短接 起动结束 c 特点 起动过程能平滑进行 不需要控制电器 功率因数低 只能用于起动 而串电阻起动时 电阻还可用 于调速 四 电动机制动 三相异步电动机制动方法有 3 种 反馈制动 反接制动 能耗制动 1 反馈制动 1 产生条件 电动机的运行速度高于同步转速 此时 S 0 电机进入发电状态 电能反馈给 电网 2 运行状态 有两种情况 a 位能转矩负载的起重机在下 放重物时的反馈制动状态 可使重物匀速下降如右图中 a 点 b 点是改变转子外接电阻后的稳 定工作点 b 多速电动机和变频调速电机 的同步速突然降低时的反馈制动状 态 2 反接制动 分为电源反接和倒拉制动 电源反接是突然改变三相电源的相 序 旋转磁场反向 而倒拉制动则出现在转 子位能负载超过电磁转矩的时候 1 电源反接 转子在由正变负的电磁转矩和负载转矩作用下迅 速减速 反接制动时电流大 要在定子电路串电阻 2 倒拉制动 电动机减速至右图 c 点 由于负载转矩大于电磁转矩 起重机的重物迫使电动机反转 电 动机进入反接制动状态 电源反接 倒拉制动 3 能