电机原理与拖动第7-9章课件

1、电机原理及拖动（下）电机原理及拖动（下）东北大学边春元2007.8 东北大学东北大学内容介绍同步电动机同步电动机控制电机控制电机三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机原理三相异步电动机原理电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择 东北大学东北大学第一节 概述l分类分类）电业局不允许：工厂；带负载，专门用于调节同步补偿机（电动机不电动机（大量）发电机（大量）同步机90cos cosl同步机结构同步机结构 定子定子 与异步机一样与异步机一样 ：绕组、磁势（圆形旋转磁场）：绕组、磁势（圆形旋转磁场）转子转子 同步机：静止磁场（直流、永磁）同步旋转；异步机：感应磁同

2、步机：静止磁场（直流、永磁）同步旋转；异步机：感应磁极，转子频率（相对转子转速）为极，转子频率（相对转子转速）为f2分类：（分类：（两者功角特性不同）两者功角特性不同） 东北大学东北大学v凸极：各向不同磁导（多极、低速）；凸极：各向不同磁导（多极、低速）；图图7-1（a）v隐极：各向同磁导（少极、高速）；隐极：各向同磁导（少极、高速）；图图7-1（b）l简单原理简单原理同步转速与同步转矩同步转速与同步转矩NSNS0FFNS转子励磁磁势转子励磁磁势气隙磁势气隙磁势功角功角FFFa气气隙隙磁磁势势转转子子（励励磁磁）磁磁势势定定子子（电电枢枢反反应应）磁磁势势0电机只有同步运行（电机只有同步运行（

3、n=n1）时，）时，才会有（平均）转矩（称为才会有（平均）转矩（称为同同步转矩步转矩）。）。（ ？）：瞬时转矩一会正、一）：瞬时转矩一会正、一会负，总的效应为会负，总的效应为0。 东北大学东北大学功角功角F0FaF功角：功角：的夹角的夹角。和和为为：定子三相绕组通交流电产生，电枢磁动势。：定子三相绕组通交流电产生，电枢磁动势。作图时：作图时：时间（电流）和空间（磁势）向量表现为同向。时间（电流）和空间（磁势）向量表现为同向。从从“恒压系统恒压系统”概念出发，只要概念出发，只要 ， 恒定，恒定， 就恒定。就恒定。（不是（不是 ？）原因：原因： 、 都切割定子绕组，都切割定子绕组， 是是 合成效应

4、。合成效应。0FF1U1faF1E分析：分析：aFF同步机的物理事实同步机的物理事实 过载能力：过载能力： 3020 N 强励磁时，定子电流引前定子电压，电机表现为容性，无功补偿。强励磁时，定子电流引前定子电压，电机表现为容性，无功补偿。 东北大学东北大学铭牌：铭牌： NSNSF0F)(1IFa11EU8 . 0cosN的夹角。和11 :IUN(外外)功率因数角功率因数角: 东北大学东北大学第二节 电势、相量图 l电势电势aFFF0aEEE01F1El隐极机隐极机 定子电压方程：定子电压方程： jxrIEU1111xI jEU111（不计 ） 1rxI jEEUa101定子漏抗 xxI jEU

5、a101电枢反应电抗 cxI jEU101同步电抗 东北大学东北大学等效电路等效电路 1r0E1Ucx1E1I1Ux相量图相量图 1E1EF1I1UxI1aF0F0EaxI1 东北大学东北大学l凸极机凸极机双反应原理双反应原理同步电机模型（图7-11）磁路各向不同性： fxxxqxdaaaqqadd变变化化，随随位位置置变变化化，其其他他方方向向：小小小小，轴轴方方向向：大大大大，轴轴方方向向：磁磁导导dq处理方法： 双反应原理分解21CxCxxaqada 东北大学东北大学方程式：方程式： aFFF0aqadaFFFaqadaEEEqdIII1aqqaddaxI jxI jxI j1xI jx

6、I jxI jqd1qqddcxI jxI jxI j1直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 直轴同步电抗 交轴同步电抗 qqddxI jxI jEU01 东北大学东北大学相量图相量图1E1EF1I1UxI jqaF0F0EadxI jaqqxI jaddxI jqIdI)()(1110的的夹夹角角与与忽忽略略的的夹夹角角与与EUIE内功率因数角：内功率因数角： 隐极机隐极机 ：（特例：（特例） cqdxxxqdIII1 东北大学东北大学第三节 同步电动机的功率关系、转矩平衡和矩角特性 l概述概述机械特性机械特性 Tn1n负载过重，停机（失步）：负载过重，停机（失步）：电压施加在漏阻抗上（此时电

7、压施加在漏阻抗上（此时无感应电势）；事故状态。无感应电势）；事故状态。研究对象：研究对象： fPM fT 1MPTCnn1CTTL ,稳稳态态： 东北大学东北大学l功率关系功率关系 分析铁损分析铁损 pFe直流机：机械功率承担（静止磁场，转子旋转才引起涡流）变压器：电功率承担（脉振磁场）异步机：电功率承担（旋转磁场）同步机：电功率承担（旋转磁场）；由于同步，铁损不发生在转子上。教材图教材图7-8 能流图（能流图（有错误有错误）。）。 2012111PPppPppppPppPFecusmFecuMFecu 东北大学东北大学l功角和矩角特性功角和矩角特性 功（矩）角特性功（矩）角特性 )()(11

8、10的的夹夹角角与与忽忽略略的的夹夹角角与与EUIE内功率因数角：内功率因数角： sinsin3coscos3cos3cos3111111111IUIUIUIUPPM（不计（不计pcu1 和和pFe ）sin3cos311dqMIUIUP从相量图（教材图7-7） 1E1EF1I1UxI jqaF0F0EadxI jaqqxI jaddxI jqIdIsin1UxIqqcos10UExIddqqxUIsin1ddxUEIcos10 东北大学东北大学功角表达式：功角表达式： fPMMMdqdMPPxxUxEUP 2sin1123sin32101矩角表达式：矩角表达式： fT TTxxUxEUPTd

9、qdM 2sin1123sin31211011附加（凸极效应、磁阻、附加（凸极效应、磁阻、反应反应）转矩）转矩转子不加励磁，转子仅有磁极转子不加励磁，转子仅有磁极（磁阻电机磁阻电机）：）：E0=0；同步机的反应转矩（图同步机的反应转矩（图7-12（a、b）和和（c、d） TT 教材图7-9 、图7-10给出了功角特性曲线 东北大学东北大学分析分析 稳定性： 教材图7-13 v隐极机： 090稳定 90不稳定 v凸极机：不是以90划分。矩角特性：矩角特性：v凸极机有附加磁阻转矩（反应转矩）；隐极机则没有。凸极机有附加磁阻转矩（反应转矩）；隐极机则没有。v反应式同步机和磁阻式同步机利用附加转矩。特

10、点：结构反应式同步机和磁阻式同步机利用附加转矩。特点：结构简单。简单。v隐极机为例讨论转矩隐极机为例讨论转矩 东北大学东北大学sin3101cxEUT3020 N倍32sin1N0maxET强励强励 异步机：异步机： 21maxUT不能1U不能maxTmaxT同步机优于异步机，受电网影响小（相对异步机的平方关系）。同步机优于异步机，受电网影响小（相对异步机的平方关系）。 1UT 21UT 东北大学东北大学功角物理意义功角物理意义 1U0E11EU1E0EF0F是是与与夹角，（认为夹角，（认为），则功角为），则功角为和和夹角，即夹角，即和和夹角。夹角。 T 0 090 90 90180 180

11、0 + max + -习题：习题：转矩转矩=两磁势叉乘积两磁势叉乘积 sin0FFkTsinaFFkT90sin0aFFkT90 东北大学东北大学第四节 励磁调节 l概述概述以隐极机为例：以隐极机为例： cxI jEU101fI0E1I都可能都可能同相同相滞后于滞后于引前于引前于11UU改变改变，变化变化 相位相位可以通过可以通过调节直流励磁电流使电动机对调节直流励磁电流使电动机对电网呈电容性电网呈电容性。 1E1EF1I1UxI1aF0F0EaxI1 东北大学东北大学l定子电流轨迹定子电流轨迹 cxI jEU101baccIIxEjxUjI011CIfCIb 即即 LT1I轨迹如教材图轨迹如

12、教材图7-14 圆弧圆弧 LTK：空载，同步，纯电容；：空载，同步，纯电容；D：额定附近，容性负载；：额定附近，容性负载； E： 11,IU同相，纯电阻；同相，纯电阻； F： 90电感性负载。电感性负载。 CIfLT变（大幅），对变（大幅），对电网影响恶劣。电网影响恶劣。 东北大学东北大学l有功功率恒定时的励磁调节有功功率恒定时的励磁调节 CTL（图7-15 ）CIUP1111cos3CU 1CI11cos11,IU1cos1平励：平励：同相，同相，电机损耗最小，出力最大，阻性。，电机损耗最小，出力最大，阻性。 1I1U9 . 0cos1过励：过励：引前引前，额定工作，额定工作，左右，容性。左

13、右，容性。 1I1U欠励：欠励：滞后滞后，感性（不希望），感性（不希望） lU形曲线形曲线 保持保持P恒定，恒定， fbIfIfI1baccIIxEjxUjI011（图7-15） 东北大学东北大学l同步补偿机同步补偿机 （空载运行的同步机）（空载运行的同步机）相量图（相量图（图图7-17）一般调为过励，空载，容性（同步调相机）一般调为过励，空载，容性（同步调相机）l第五节第五节 同步机起动简介同步机起动简介 机械特性机械特性 Tn1n说明：起动时转矩不确定。因为说明：起动时转矩不确定。因为不确定。转矩可能时正、时不确定。转矩可能时正、时负，电机达不到同步。负，电机达不到同步。 措施：措施：辅助

14、电机法：辅助电机法：用异步机牵入准同步速用异步机牵入准同步速度，再投入电网，直流励磁。度，再投入电网，直流励磁。异步起动：异步起动：异步启动，牵入同步（转异步启动，牵入同步（转子有笼型绕组）子有笼型绕组）变频起动（牵入同步）变频起动（牵入同步） 东北大学东北大学第八章 控制电机（特殊电机）：自己看 第九章 电动机选择 l着重容量选择：校核着重容量选择：校核 （以直流电机为例以直流电机为例）dLTdtdnGDTT3752aITnt 东北大学东北大学第一节 一般概念 l正确选择电动机的意义正确选择电动机的意义选择电机的内容选择电机的内容 额额定定功功率率额额定定转转速速额额定定电电压压容容量量重重

15、复复短短时时短短时时连连续续）种种（讨讨论论工工作作制制：）防防护护等等级级（爆爆式式（矿矿井井、化化工工）、封封闭闭式式（常常见见）、防防型型式式：开开启启式式（教教学学）种种类类：直直、异异、同同电电机机类类型型)(3191SSSSIP合理选择的意义合理选择的意义热热合合理理：充充分分利利用用又又不不过过选选小小：寿寿命命，选选大大：“大大马马拉拉小小车车” 东北大学东北大学l选择电机容量的主要因素选择电机容量的主要因素 起动能力起动能力过载能力过载能力电机的发热与温升电机的发热与温升着眼于着眼于决定电机额定功率的主要因素决定电机额定功率的主要因素损耗与温升损耗与温升 kWP111kWP1

16、kWP102决定发热8度率度率 821寿命绝缘材料决定工作温度 环境温度：40度 东北大学东北大学容量选择方法容量选择方法计算法v依据 tfPL tfTL tfIL2GD生产机械负载图生产机械负载图 预选电机预选电机 v求作电力拖动负载图 tfItfTtfP 东北大学东北大学v校核电机容量 起起动动能能力力过过载载能能力力重重点点研研究究内内容容等等效效功功率率法法等等效效转转矩矩法法等等效效电电流流法法等等效效法法平平均均损损耗耗法法发发热热、温温升升校校核核统计、类比法统计、类比法 东北大学东北大学第二节 电机发热与冷却规律 l过程复杂：强假定过程复杂：强假定电机为均匀体，各部分热容量、散

17、热系数相同电机为均匀体，各部分热容量、散热系数相同环境温度不变环境温度不变电机长期运行，负载恒定，总损耗电机长期运行，负载恒定，总损耗p不变不变 l电机发热过程电机发热过程 热平衡方程：热平衡方程：电机产生热量=用于温升热量+散出热量 东北大学东北大学时间温升增量 电机热容量 C sJKJKC11sKJdtd设：电机单位时间发热Q 焦耳/开尔文 电机散热系数A 电机比环境温度高1K时，单位时间内散出热量； K焦耳/秒电机温升 K；有：dtACdQdtAQdtdACACTH其中，发热时间常数：稳定温升：AQs 东北大学东北大学电机温升曲线（电机温升曲线（图图9-1）：）：说明：说明：指数规律；

18、大； HTQsAs1HTtsise0, 0itHTtse1it , 0初始条件：。 东北大学东北大学l散热（冷却）过程散热（冷却）过程 （图图9-2）方式：减载冷却、停车冷却。方式：减载冷却、停车冷却。 情况不同，情况不同，HT不同：不同： HHHHTTTT他扇冷却：自扇冷却：) 32(变频专用电机：通风好。变频专用电机：通风好。“大电机背小电机大电机背小电机” 东北大学东北大学第三节 电机工作制 lS1S9 常见三种：长期工作制（连续）常见三种：长期工作制（连续）S1、短时工作制、短时工作制S2、重复短时、重复短时（断续周期）（断续周期）S3。l连续工作制连续工作制 （风机、泵）（风机、泵）

19、特点：特点：工作时间工作时间 4TH温升温升达到达到 s额定功率下：额定功率下： s= max （最高允许温升：电机绝缘材料决定）（最高允许温升：电机绝缘材料决定） 东北大学东北大学l短时工作制短时工作制 工作时间工作时间 4TH 温升曲线温升曲线 （教材教材 图图9-4）额定功率下：额定功率下： m= max s标准工作时间（标准工作时间（tR：min）：）：10、30、60、90 l讨论：同一台电机运行在不同的标准工作时间，其额定功讨论：同一台电机运行在不同的标准工作时间，其额定功率和过载能力有何变化？率和过载能力有何变化？CTmaxmNNTP 东北大学东北大学l断续周期（短时重复）工作制

20、断续周期（短时重复）工作制 工作时间工作时间 4TH 、停车时间（t0） 4TH 、 tC =tR +t0PL 无过载校核问题温升：无过载校核问题温升：PL=C笼型电机起动能力较差，要校核起动能力：笼型电机起动能力较差，要校核起动能力：TstTL 2、环境温度非标准，电机容量的修正、环境温度非标准，电机容量的修正 定义：400 东北大学东北大学IT 11sNNTTIP 11sNNPP11sNNII5 . 117 . 025. 0其中：为定耗与变耗比（直流机，交流机）。 东北大学东北大学二、连续变载电机容量选择二、连续变载电机容量选择%70% FSHCTt4min10mav，认为。 等效功率法等

21、效转矩法等效电流法等效法繁平均损耗法：需要工程法难需要准确法：温升曲线法。校核方法2PTH 东北大学东北大学l平均损耗法平均损耗法 l等效电流法等效电流法min10CtCA CR NeqIInkkkCeqtItI121知电流负载图；。发热通过。；Cn CA NavavavppAp标准max112211tttptppav2Pf，需要用计算。 ： 东北大学东北大学l等效转矩法等效转矩法 l等效电流法等效电流法min10CtCA 知 ；。发热通过。；)cos,(2CCITmNeqTTnkkkCeqtTtT121 tfT min10CtCA 知 ；。发热通过。； tfP )(CnPTnkkkCeqtP

22、tP121NeqPP 东北大学东北大学三、特殊情况处理三、特殊情况处理 重点掌握有重点掌握有起动、制动及停机过程时等效公式的修正起动、制动及停机过程时等效公式的修正，了解，了解负载图中某段负载不为常数时等效值的求法、磁通变化时等效转负载图中某段负载不为常数时等效值的求法、磁通变化时等效转矩法的修正、转速变化时等效功率法的修正。矩法的修正、转速变化时等效功率法的修正。 eqeqPI 、2220st stssbbeqstsbT tT tT tTtttt直流电动机：直流电动机：异步电动机：异步电动机： 5 . 0 75. 0，25. 0 5 . 0， 东北大学东北大学第五节第五节 短时工作制电机容量选择短时工作制电机容量选择一、选用专用的短时工作制电机一、选用专用的短时工作制电机l工作时间标准工作时间标准短时恒载短时恒载 RNR