電機的工作原理及特性

1、第1章 電動機的工作原理及特性 掌握直流電動機的電勢方程式，轉(zhuǎn)矩 方程式和電壓平衡方程式；三相異步 電動機的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率的概念; 掌握電動機的機械特性，特別是人工 機械特性； 掌握電動機起動，制動，調(diào)速的各種 方法和應用場所； 了解用機械特性來分析電動機運行狀 態(tài)的方法; 了解常用控制電機的應用場合. 1.1直流電機的工作原理及特性 1.直流電機的基本結(jié)構(gòu) 主磁極 電樞 換向器 電刷裝置 直流電機的結(jié)構(gòu)圖 剖面圖：電樞1； 主磁極2；換向 極4；機座6 電樞鐵心沖片 換向器：換向片3； 連接片4；云母環(huán)2 2.直流電機的基本工作原理 發(fā)電機電動機 簡化為一對磁極,一個線圈 1)感應電勢E

2、2.直流電機的基本方程式 2)電磁轉(zhuǎn)矩T ta TKI - 一對磁極的磁通(Wb); n-電樞轉(zhuǎn)速(r/min); Ke -與結(jié)構(gòu)有關的常數(shù). 式中:E-電動勢(V); -一對磁極的磁通(Wb); Ia-電樞電流(A); Kt-與結(jié)構(gòu)有關的常數(shù). 式中: T-電磁轉(zhuǎn)矩(Nm); nKE e 3.直流電動機的機械特性 1.他激和并激直流電動機的機械特性 1)原理電路圖 1)直流電動機機械特性方程式 直流電動機電樞電壓平衡方程式 aa UEI R e EKn e a ee RU nI KK 0 2 a eet RU nTnn KK K 上式為直流電動機機械特性的一般表達式 式中,Ra為電樞電阻.以

3、 代入得: ta TKI 由將Ia值再代入,得: 機械特性曲線n=f(T) 4.固有(自然)機械特性和人工機械特性 1)他激直流電動機的自然機械特性(正轉(zhuǎn)) 在額定電壓,額定磁通,電樞電路內(nèi)不外接電阻時的 機械特性即為自然機械特性. 額定負載時,轉(zhuǎn)速降 落不多,是硬特性; 金屬切削機床,冷軋 機,造紙機等宜于選 用硬特性的電動機. 0 2 a eet RU nTnn KK K 2)自然機械特性曲線的作法 已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra, Ke , N 0 500 751 NN a NNN pU R U II NNa eN N UI R K n 0 N eN U n K

4、9 55 N N N P T n (1)電樞電阻Ra的估算: (2)理想空載轉(zhuǎn)速no計算: (3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計算: no,TN,找出兩個點,即理想空載點(o,no)和額定運 行點(TN,nN),通過這兩點作出自然機械特性. 3)舉例 (1)一臺Z2-51型直流他激電動機,已知額定功率 5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉(zhuǎn)速 1500r/min,忽略損耗,求自然機械特性. 解:分析 只要求出理想空載點和額定運行點,就可 繪出機械特性. 0 500 751 NN a NNN pU R U II =0.71 NNa eN N UI R K n =0.132 N o eN U n

5、K =1667r/min 9 55 N N N P T n =35Nm 4)電動機人工機械特性(三種) (1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機械特性 在自然機械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到 串電阻的人工機械特性方程式: 附加電阻Rad越大,機械特性越軟. nnT KK RR K U n te aad e N 0 2 0 2 a eet RU nTnn KK K (2)改變電樞電壓的人工機械特性 U改變,但轉(zhuǎn)速降不變 .因此,變電樞電壓的人工機械 特性是一簇與自然機械特性 平行的特性曲線. 只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié). 在后面的自動調(diào)速系統(tǒng)學習中 有廣泛的應用. N o eN U

6、 n K 隨U的變化而變化 0 2 a eet RU nTnn KK K (3)改變磁通的人工機械特性 從機械特性方程可知,改變 磁通時,電動機的理想空載 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會隨磁通 的變化而變化. 磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié), 理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都 要增大-弱磁增速. 使用中,要防止電動機過載, 更要防止飛車,因此,直流他 激電動機設有失磁保護. 0 2 a eet RU nTnn KK K 串激直流電動機的機械特性 1)特點:電樞電流就是激 磁電流. 2)機械特性分析: 第一段,電動機輕載時, 機械特性具有雙曲線的 形狀,理想空載轉(zhuǎn)速趨近 無窮大. 第二段,電動機負載較重 時,磁路趨于飽和

7、,機械特 性近似一條直線. 3)注意事項: 直流串激電動機不允許 空載運行-飛車事故. 4 直流他激電動機的起動特性 直流他激電動機的起動電流 是額定電流的(10-20)倍,不 允許直接起動.限制其起動電 流的方法有兩種. 1.降壓起動: 組成SCR-M自動調(diào)速系統(tǒng)的 起動環(huán)節(jié).是后面學習的一個 重點. 2.電樞電路串外接電阻起動 右圖為具有三段起動電阻的 他激電動機電路原理圖和起 動特性, 其起動特性就是前面剛剛學 習過的一種人工機械特性. 5.直流他激電動機的制動特性 直流他激電動機的工作狀 態(tài)分為電動狀態(tài)和制動狀 態(tài),如右圖所示. 圖中,(a)為電動狀態(tài); (b)為制動狀態(tài). 1)特點:

8、電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn) 速n方向相反,電機處于發(fā) 電工作狀態(tài). 2)制動形式:穩(wěn)定的制動狀態(tài); 過渡的制動狀態(tài). 3)制動方法有3種: 反饋制動; 反接制動; 能耗制動. 1.反饋制動 1)實現(xiàn)條件:外部作用使電 動機的轉(zhuǎn)速n大于其理想空 載轉(zhuǎn)速no.如,電車下坡,起重 機下放重物. 2)機械特性:正轉(zhuǎn)時,是第一 象限的機械特性在第二象限 內(nèi)的延伸,如右圖所示. 3)特點: (1)利用位能轉(zhuǎn)矩帶動電動機發(fā) 電,將機械能變成電能,向電源饋 送. (2)重物下放時電動機的轉(zhuǎn)速仍 高于理想空載轉(zhuǎn)速,運行不太安全. 2.反接制動 1)實現(xiàn)條件:電樞電壓 或電樞電勢反向. 2)分類: (1)電源反接制動.改

9、變 電樞電壓U的方向所產(chǎn) 生的制動. 機械特性方程式為; T KK RR K U n te ada e 2 為了限制制動時比較大的電樞電流,實施電源反接 制動時,一定要在電樞電路中串入限流電阻. 應用在需要迅速減速或頻繁正反轉(zhuǎn)的機械上. (2)倒拉反接制動.改變電樞 電勢方向所產(chǎn)生的制動. 如:起重機的重物下降時, 電樞反轉(zhuǎn),電勢反向.此時, 位能負載轉(zhuǎn)矩TL使重物下 放,電動機轉(zhuǎn)矩TM反對重物 下放-制動. 特點:適當選擇電樞電路中 的附加電阻,可以得到低的 轉(zhuǎn)速,保證安全; 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差. 制動特性如右圖所示.是第 一象限在第四象限的延伸 或第三象限在第二象限的 延伸. 反接制動 3.能

10、耗制動 1)實現(xiàn)條件:將電樞電壓突 然降為零,串一外接電阻使 電樞短接.此時電動機繼續(xù) 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T與n反向- -制動. 2)特點:制動時的機械能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔苁雇饨与娮璋l(fā)熱 而消耗,稱之為“能耗”; 穩(wěn)定性好,電動機不可能 反向起動. 3)應用:要求迅速準確停車 的場合;重物恒速下放. 6.直流他激電動機的調(diào)速特性 由直流他激電動機人工機械特性方程式 直流電動機的調(diào)速方法: 式中, Ke,Kt,Ra 均為常數(shù),因此,電動機有3種調(diào)速方法 1.變電樞電路外接電阻Rad; 2.變電樞電壓U; 3.變磁通 . T KK RR K U n te ada e 2 1.改變電樞電路外接電阻調(diào)速 電動機

11、電樞電路串電阻 后,其人工機械特性如右 圖示. 1)應用: 起重機,卷揚機; 2)缺點:機械特性軟,實現(xiàn)無級調(diào) 速困難; 3)注意:串電阻調(diào)速與起動特性相 似,但起動電阻與調(diào)速電阻不同. 2.改變電動機電樞供電電壓調(diào)速 變電樞電壓調(diào)速的機械 特性如右圖. 1)特點:容易實現(xiàn)無級調(diào)速; 機械特性是一組平行線,硬度 不變;不需用其他起動設備. 2)應用;適用于恒轉(zhuǎn)矩負載, 組成SCR-M系統(tǒng)，在工業(yè)生 產(chǎn)中廣泛應用.第11章將重點 學習. 3.改變電動機主磁通調(diào)速 變磁通調(diào)速的機械特性 如右圖示. 1)特點:可以實現(xiàn)無級調(diào)速; 機械特性軟;調(diào)速范圍不大. 2)應用:適用于恒功率負載. 一般與調(diào)壓配

12、合使用. 3)注意:在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié) -弱磁增速. 例題 例:一臺直流他激電機的額定數(shù)據(jù) 為;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7 歐 ;如果電動機在額定轉(zhuǎn)矩下運行,求(1)電動機的電樞電壓 降到180V時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通 為額定值的0.8時)時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?(3)電樞電路串入 2歐的附加電阻時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少? 解: 1500 2200 55. 955. 9 N N N n P TT 13. 0 1500 7 . 14 .12220 N aNN ee n RIU KK 24. 113.

13、 055. 955. 9 et KK 16. 024. 113 . 0 2 t KK e 123614 16. 0 7 . 1 13. 0 180 2 N te a e T KK R K U n 1962n (1)此時,U=180V,Ra=1.7歐 =14 例題求解 99. 055. 9 et KK 099. 0 2 teK K (2)此時,U=UN=220V,Ra=1.7歐 min/196214 099. 0 7 . 1 1 . 0 220 ( 2 rT KK R K U n N te a e N (3)此時,U=UNa=220V;電樞電路總電阻 R=Ra+Rad=1.7+2=3.7 13.

14、 0 e K 24. 1 t K16. 0 2 teK K 136814 16. 0 7 . 3 13. 0 220 2 N te ada Ne N T KK RR K U n (以上轉(zhuǎn)速單位為r/min) 1 . 08 . 0 Nee KK 5.定子鐵心定子鐵心,6.定子繞組定子繞組,7.轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸,8.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子,9.風扇風扇,11.軸承軸承,12.機座機座 0 0 n nn S 此時的合成磁場如圖此時的合成磁場如圖(d)(d)所示。合成磁場從所示。合成磁場從t=0t=0瞬間所在瞬間所在 位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了位置順時針方向旋轉(zhuǎn)了。按以上分析可以證明：當三。按以上分析可以證明：當三 相電流隨時間

15、不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不 斷旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。斷旋轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。 t=T/2t=T/2時，時，t=T/2=,it=T/2=,iA A=0=0；i iB B為正；為正；i iC C為負。為負。 p f n 60 0 式中式中,f,f為電源頻率為電源頻率50HZ;p50HZ;p為電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù). . 電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù)為1 1時時, ,同步轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速為3000r/min;3000r/min; 電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù)為2 2時時, ,同步轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速為1500r/m

16、in;1500r/min; 電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù)為3 3時時, ,同步轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速為1000r/min.1000r/min. 注意注意:三相繞組連接成星形三相繞組連接成星形,每相繞組承受相電壓每相繞組承受相電壓220V; 三相繞組連接成三角形三相繞組連接成三角形,每相繞組承受線電壓每相繞組承受線電壓380V. dt d Ne 1 其有效值為其有效值為 : : 111 44.4NfE 定子和轉(zhuǎn)子電路的感應電勢定子和轉(zhuǎn)子電路的感應電勢 11 EU 其大小為其大小為: 11 EU 忽略忽略R1和和X1上的電壓降上的電壓降,有有: ) 1 ( 111 11EIIU xjR 考慮定子電流

17、產(chǎn)生的漏磁考慮定子電流產(chǎn)生的漏磁 通通, ,用復數(shù)表示為用復數(shù)表示為: : 一相電路圖一相電路圖 dt d Ne 22 222 44. 4NfE 12 sff 其中其中 212 44. 4NfE o 起動瞬間起動瞬間 o sEE 22 2120 2 L LfX o sxx 22 2 20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 )(sXR sE XR E I o 2 20 2 2 2 2 )(sXR R COS N N N n P T9550 NNN N N IU P cos3 1111 cos3IUP 1 1 1 2 P PP P P P2等于等于P1減去電動機的總損耗減去電動機的總損耗 電源輸

18、入的功率P1: 電動機的輸出功率P2(銘 牌功率) VNfE1634023. 03205044. 444. 4 111 VNfE o 102023. 0205044. 444. 4 212 Hzfsf N 43. 1500285. 0 12 解解:1):1)由電勢計算公式得由電勢計算公式得 : : VNfE o 102023. 0205044. 444. 4 212 3)3)額定轉(zhuǎn)速時額定轉(zhuǎn)速時, ,轉(zhuǎn)子電動勢的頻率轉(zhuǎn)子電動勢的頻率 2)2)轉(zhuǎn)子繞組開路時轉(zhuǎn)子繞組開路時,f2=f1,f2=f1,得得 A XR E I st 5 .242 08. 002. 0 20 222 20 2 2 20

19、2 例例2:一臺一臺4極三相異步電動機極三相異步電動機,電源頻率電源頻率50Hz, 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 1440r/min,轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子電阻0.02歐歐,轉(zhuǎn)子電抗轉(zhuǎn)子電抗0.08歐歐,轉(zhuǎn)子電動勢轉(zhuǎn)子電動勢 E20=20V,求求: 1)電動機的同步轉(zhuǎn)速電動機的同步轉(zhuǎn)速;2)電動機起動時的轉(zhuǎn)子電動機起動時的轉(zhuǎn)子 電流電流. 解解;1)電動機為電動機為4極極,磁極對數(shù)磁極對數(shù)p=2, 有有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)電動機起動時的轉(zhuǎn)子電流電動機起動時的轉(zhuǎn)子電流 22 cosIKT t 2 20 2 2 2 2 2 2 2 2 2 )(sXR sE XR E I o 2 20

20、 2 2 2 2 )(sXR R COS 212 44. 4NSfE o 代入代入 用用 代入代入,合并上面幾個式子得轉(zhuǎn)矩又一公式合并上面幾個式子得轉(zhuǎn)矩又一公式: 2 20 2 2 2 2 )(SXR USR KT 注意注意,轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比 N N N n P T9550 0 0 n nn S N N 2 20 2 2 2 2 XR UR KTst N st st T T 20 2 X R S m 20 2 2X U KTman N man m T T 解解(1)電動機額定功率與供電變壓器容量之比為電動機額定功率與供電變壓器容量之比為 75/320=0.2340.2

21、電動機不宜直接起動電動機不宜直接起動. (2)(2)電動機的額定轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩分別為電動機的額定轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩分別為 TN=9550(PN/nN)=TN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484Nm 9550(750/1480)=484Nm Tst=1.9TN=1.9X484=920NmTst=1.9TN=1.9X484=920Nm 如果采用如果采用Y- Y- 降壓起動降壓起動, ,則起動轉(zhuǎn)矩僅為起動轉(zhuǎn)矩的三分之一則起動轉(zhuǎn)矩僅為起動轉(zhuǎn)矩的三分之一, ,即即 TstY=1/3X920=307200=TLTstY=1/3X920=307200=TL 因此因此, ,可以采用可以

22、采用Y- Y- 降壓起動降壓起動. . 2 cos 2 cos 2 cos 3 A XR E I st 87604 163. 00344. 0 146 222 20 2 2 20 2 206. 0cos 2 20 2 2 2 2 XR R 984. 0cos 2 得得 2 2 2 2 2 2 )( cos XRR RR 得得R=0.0732歐歐; 由由 2 2 2 2 2 2 )(XRR E I 由下式由下式 0196. 0 202 SXX5 .17 202 SEE 12. 0 600 528600 0 0 n nn S (3) 984. 0cos 2 2 2 2 2 2 N N XR R A XR E I N N N 160 2 2 2 2 2 2 006243. 0 202