電動(dòng)機(jī)及其計(jì)算機(jī)仿真 第02章 電動(dòng)機(jī)基本理論

電動(dòng)機(jī)基本理論“第二章電動(dòng)機(jī)及其計(jì)算機(jī)仿真0

1PARTONE磁路基本知識(shí)01磁路基本知識(shí)電動(dòng)機(jī)可以看成一種具有典型磁路的電氣設(shè)備。如圖2.1所示為一個(gè)均勻環(huán)形線圈磁路示意圖，在圓形磁性鐵芯上繞有多匝線圈，當(dāng)線圈中通入交流電流時(shí)，鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生磁通，磁通經(jīng)過(guò)的路徑簡(jiǎn)稱磁路。01磁路基本知識(shí)0

2PARTTWO變壓器01變壓器的基本工作原理由上述內(nèi)容可知，當(dāng)電源電壓與一次側(cè)繞組連接時(shí)，只要改變一次側(cè)和二次側(cè)繞組的匝數(shù)比N/N，就可以得到不同數(shù)值的二次側(cè)電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓變換的目的。這就是變壓器的基本工作原理。1.電壓變換01變壓器的基本工作原理由上述內(nèi)容可知，當(dāng)電源電壓與一次側(cè)繞組連接時(shí)，只要改變一次側(cè)和二次側(cè)繞組的匝數(shù)比N/N，就可以得到不同數(shù)值的二次側(cè)電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓變換的目的。這就是變壓器的基本工作原理。1.電壓變換01變壓器的基本工作原理2.電流變換3.阻抗變換01變壓器的基本工作原理變壓器的空載運(yùn)行是指變壓器一次側(cè)繞組接在額定電壓的正弦交流電源上，而二次側(cè)繞不帶負(fù)載(即開(kāi)路)時(shí)的工作情況。如圖2.5所示為單相變壓器空載運(yùn)行示意圖

02變壓器的空載運(yùn)行

由于變壓器中電壓、電流、磁通和電動(dòng)勢(shì)的大小及方向均隨時(shí)間交變所以為了正確表明它們之間的相互關(guān)系，必須規(guī)定它們的正方向。正方向規(guī)定如下·在同一支路內(nèi)，電壓降的正方向與電流的正方向相同:磁通的正方向與電流的正方向滿足右手螺旋定則;感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向與產(chǎn)生該磁通的電流正方向相同02變壓器的空載運(yùn)行03變壓器的基本參數(shù)額定值是對(duì)變壓器正常工作狀態(tài)所做的使用規(guī)定,是變壓器制造廠家給出的使用參考值。

03變壓器的基本參數(shù)我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電的頻率即工頻為50Hz。連接組標(biāo)號(hào)指三相變壓器一、二次側(cè)繞組的連接方式，Y說(shuō)明高壓繞組為星形連接，y說(shuō)明低壓繞組為星形連接；D說(shuō)明高壓繞組為三角形連接，d說(shuō)明低壓繞組為三角形連接；N說(shuō)明低壓繞組為星形連接時(shí)的中性線。額定運(yùn)行時(shí)變壓器其他常見(jiàn)參數(shù)有效率、溫升等，均屬于額定值。除額定值外，銘牌上還標(biāo)有變壓的相數(shù)、運(yùn)行方式及冷卻方式等。阻抗電壓又稱短路電壓，它標(biāo)志著額定電流時(shí)變壓器阻抗壓降的大小。通常用額定電壓的百分比來(lái)表示阻抗電壓，即得阻抗電壓的相對(duì)值。04變壓器的運(yùn)行特性若一次側(cè)繞組電壓和負(fù)載功率因數(shù)一定，則此時(shí)二次側(cè)電壓和負(fù)載電流之間的關(guān)系稱為變壓器的外特性，它可以通過(guò)試驗(yàn)求得。在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于變壓器內(nèi)部存在電阻和漏抗故當(dāng)負(fù)載電流流過(guò)時(shí)，變壓器內(nèi)部將產(chǎn)生阻抗壓降，使二次側(cè)電壓隨負(fù)載電流的變化而變化。

05損耗與效率提高變壓器效率是供電系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的課題，世界各國(guó)都在大力研究高效節(jié)能變壓器。其主要方法有兩種。采用低損耗的冷軋硅鋼片來(lái)制作鐵芯。例如，容量相同的兩臺(tái)電力變壓器，用熱軋硅鋼片制作鐵芯的SJL-1000/10變壓器鐵損耗約為4440W，用冷軋硅鋼片制作鐵芯的S7-1000/10變壓器鐵損耗為1700W，后者比前者每小時(shí)可減少2.74kw·h的損耗，僅此一項(xiàng)每年可節(jié)電約23652kW·h，由此可見(jiàn)為什么我國(guó)要強(qiáng)制推行使用低損耗變壓器。方法一減小銅損耗，如果能用超導(dǎo)材料來(lái)制作變壓器繞組，則可使其電阻為零銅損耗也就不存在了。世界上許多國(guó)家正在致力于該項(xiàng)研究，目前已有330KV單相超導(dǎo)變壓器問(wèn)世，其體積比普通變壓器要小70%左右，損耗可降低50%。方法二05損耗與效率

06三相變壓器現(xiàn)代電力系統(tǒng)均采用三相制，因而三相變壓器的應(yīng)用極為廣泛。根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)不同，三相變壓器磁路系統(tǒng)可分為兩類(lèi)，三相磁路彼此獨(dú)立的三相變壓器組，三相磁路彼此相關(guān)的三相芯式變壓器1.三相變壓器組的磁路三相變壓器組是由三臺(tái)完全相同的單相變壓器組成的，相應(yīng)的磁路為組式磁路，如圖2.8所示。組式磁路的特點(diǎn)是三相磁通各有自己?jiǎn)为?dú)的磁路，互不相關(guān)。因此當(dāng)一次側(cè)外加對(duì)稱三相電壓時(shí)，各相的主磁通必然對(duì)稱，各相空載電流也是對(duì)稱的。06三相變壓器2.三相芯式變壓器的磁路三相芯式變壓器的磁路是由三相變壓器組的磁路演變而來(lái)的如圖2.9(a)所示為三相共用鐵芯。這種鐵芯構(gòu)成的磁路的特點(diǎn)是三相磁路互相關(guān)聯(lián)，各相磁通要借助另外兩相磁路閉合。當(dāng)外加三相對(duì)稱電壓時(shí)，三相主磁通是對(duì)稱的，即中間鐵芯柱內(nèi)的合成主磁通為0，因此可將中間鐵芯柱省去，即可變?yōu)閳D2.9(b)所示的無(wú)中間鐵芯柱的結(jié)構(gòu)形式。為了制造方便和節(jié)省材料，常把三相鐵芯柱布置在同一平面內(nèi)(即三相鐵芯柱共面)，即成為目前廣泛采用的三相芯式變壓器的鐵芯，如圖2.9(c)所示。06三相變壓器3.三相變壓器的電路系統(tǒng)一連接組別三相變壓器的繞組連接組別是一個(gè)很重要的問(wèn)題，它關(guān)系到變壓器電磁量中的諧波問(wèn)題及并聯(lián)運(yùn)行等一些運(yùn)行上的問(wèn)題。變壓器每相繞組的首端和末端標(biāo)志如表2.1所示06三相變壓器三相變壓器繞組的連接形式分為兩種，①是星形連接，②是三角形連接，如圖2.10所示。三相繞組短接并通過(guò)中性點(diǎn)引出，則稱為有中性點(diǎn)的星形連接，用符號(hào)YN或yn來(lái)表示，如圖2.10(b)所示。把三相繞組的末端短接在一起，三個(gè)首端引出電源線，這種接法就是變壓器繞組的星形連接，通常用符號(hào)Y或y來(lái)表示，如圖2.10(a)所示。將三相繞組的首、末端首尾相接，同時(shí)首端引出三根電源線，則這種接法稱為三角形連接，用符號(hào)D或d來(lái)表示，如圖2.10(c)所示。0

3PARTTHREE直流電機(jī)的基本工作原理01直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)(一般是交流電動(dòng)機(jī))拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，可見(jiàn)，它是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電磁設(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)則接在直流電源上，拖動(dòng)各種工作機(jī)械《機(jī)床、泵、電車(chē)、電纜設(shè)備等)工作，它是把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電磁設(shè)備。首先簡(jiǎn)要介紹直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。圖2.11所示為直流發(fā)電機(jī)工作原理圖，固定部分由N極和S極構(gòu)成，并安裝有勵(lì)磁繞組。繞有線圈abcd的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為電樞，電樞在兩個(gè)磁極中間旋轉(zhuǎn)，這兩個(gè)半圓形銅環(huán)稱為換向片，兩個(gè)換向片之間用絕緣材料隔開(kāi)，共同組成最簡(jiǎn)單的換向器。換向器上裝的是接通外電路的靜止電刷A、B。由圖211可知，如果線圈ab邊此時(shí)處于N極并按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則依據(jù)右手定則可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向從b到a，這時(shí)線圈的cd邊位于S極且按照逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，導(dǎo)體cd產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向從d到c。閉合線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向依次為d-c-b-a。這時(shí)，與線圈a端接觸的半圓形銅片1和電刷A處于“+”極;與線圈d端接觸的半圓形銅片2和電刷B處于“_”極。外電路閉合時(shí)，電流就從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。當(dāng)線圈的ab邊轉(zhuǎn)到S極位置時(shí)(旋轉(zhuǎn)了180°)，可知，因?yàn)殡娝⑹庆o止的，因此和線圈d端連接的半圓形銅片2和電刷A接觸它仍然是正電位。而與線圈a端連接的半圓形銅片1則和電刷B接觸，它仍然是負(fù)電位。接通外電路時(shí)，電流仍然是從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B的。從上述分析可知，雖然線圈abcd中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向周期變化，但電刷A卻一直位于N極并與線圈邊相連，而電刷B一直位于S極并與線圈邊相連。最終，電權(quán)線圈中的交流電在外電路負(fù)載中為直流。02直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)時(shí)，將電刷A和電刷B分別接在直流電源上，如圖2.12(a)所示，可見(jiàn)，電刷A為正電位，B為負(fù)電位，位于N極下的導(dǎo)體ab中的感生電流方向由a到b，位于S極下的導(dǎo)體cd中的感生電流方向由c到d。由電磁感應(yīng)定律可得ab和cd兩導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用。依據(jù)左手定則可知，ab邊所受電磁力方向向左，此時(shí)cd邊所受電磁力方向向右。如果認(rèn)為磁場(chǎng)均勻，導(dǎo)體中流過(guò)的電流相同，那么，ab邊和cd邊所受的電磁力大小相等。電磁力對(duì)軸心形成電磁轉(zhuǎn)矩T。線圈上就受到了電磁轉(zhuǎn)矩T的作用而按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時(shí)，線圈中的電流等于零，電磁轉(zhuǎn)矩等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過(guò)半周之后，如圖2.12(b)所示，雖然a與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中的電流方向變?yōu)閺膁流向在S極下的ab邊中的電流方向則從流向。因此，電磁力F的方向仍然不變，線圈仍然受力并按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)?？梢?jiàn)，分別處在N極、S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個(gè)邊的受力方向也不變。線圈就可以按照受力方向不停地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了，直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向一直不變而連續(xù)運(yùn)行。以上為直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。直流電動(dòng)機(jī)中除了主極磁場(chǎng)外，當(dāng)電樞繞組中有電流流過(guò)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)和主磁場(chǎng)譽(yù)加后就形成了電動(dòng)機(jī)中的氣院磁場(chǎng)，它制約著電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。故需要理解氣隙磁場(chǎng)的情況。在電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，電樞電流很小，電樞磁動(dòng)勢(shì)也很小，發(fā)電機(jī)不輸出電功率，電動(dòng)機(jī)不輸出機(jī)械功率。

03直流電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電動(dòng)機(jī)中的磁通通過(guò)一對(duì)磁極而形成的閉合回路稱為磁路?？芍绷麟妱?dòng)機(jī)的磁路包括氣隙、電樞的齒槽部分、電樞鐵芯、磁極(包括極靴)、定子磁驅(qū)五個(gè)部分。03直流電動(dòng)機(jī)的空載磁場(chǎng)

在極靴范圍內(nèi)，氣隙小，氣隙中各點(diǎn)磁通密度大;在極靴范圍外，氣隙增大很多因此磁通密度從磁極尖處開(kāi)始顯著減小，直到兩極間的幾何中性線處磁通密度為零。由此得出直流電動(dòng)機(jī)空載磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線，如圖2.13所示，它是一個(gè)梯形波，對(duì)稱于磁極軸線

04直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)1.電樞反應(yīng)當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)有負(fù)載時(shí)，電樞繞組中有電流流過(guò)，它將產(chǎn)生一個(gè)電樞磁動(dòng)勢(shì)，因此有負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)由主極磁動(dòng)勢(shì)與電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用而產(chǎn)生。電樞磁動(dòng)勢(shì)是由電樞電流產(chǎn)生的，從對(duì)電樞繞組的分析可以知道，相鄰的兩個(gè)電刷之間形成一條支路，在同一條支路內(nèi)元件的電流是同方向的;而在同一電刷兩側(cè)的元件中，其電流方向是相反的。因此，電刷是電樞表面導(dǎo)體中電流方向的分界線。顯然，電樞反應(yīng)與電刷的位置有關(guān)。通常把有負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。04直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)2.電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)電刷在幾何中性線上，指的是電刷的電氣位置，表示電刷與位于幾何中性線的電樞元件相連。為使作圖簡(jiǎn)單，電樞元件只畫(huà)一層，省去換向器，電刷就放在幾何中性線上直接與電樞元件接觸，圖2.15(a)所示為直流電動(dòng)機(jī)有負(fù)載時(shí)的電權(quán)磁場(chǎng)。

04直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)2.電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)

為了分析電磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁場(chǎng)的影響，在圖2.15的基礎(chǔ)上標(biāo)明主極極性，因?yàn)槭请妱?dòng)機(jī)，導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)與電流反方向所以可用左手定則判定電樞轉(zhuǎn)向?yàn)橛捎蚁蜃?，這樣就得到了如圖2.16所示的電動(dòng)機(jī)有負(fù)載時(shí)的合成磁場(chǎng)。04直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)2.電刷在幾何中性線上時(shí)的電樞反應(yīng)從圖2.16中可以看出，磁場(chǎng)在電樞進(jìn)入主磁極邊時(shí)增強(qiáng)，在電樞離開(kāi)主磁極邊時(shí)削弱。合成磁場(chǎng)的分布情況和空載時(shí)不同，發(fā)生了畸變。磁場(chǎng)畸變的結(jié)果使磁通密度為零的點(diǎn)a、b從幾何中性線移動(dòng)了一個(gè)角度，如圖2.16(b)所示。圖中m--m為合成磁場(chǎng)為零值的線(即通過(guò)a、b兩點(diǎn)的直線)，稱為物理中性線。物理中性線是可以移動(dòng)的，而幾何中性線則是固定的。只有在空載時(shí)，物理中性線才和幾何中性線重合。在電樞磁場(chǎng)進(jìn)入主磁極邊時(shí)磁場(chǎng)增強(qiáng)，使磁極和齒之間的磁場(chǎng)發(fā)生飽和，磁阻增大。故在主磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)的合成作用下，進(jìn)入磁極邊(簡(jiǎn)稱進(jìn)入邊)產(chǎn)生的磁場(chǎng)比不考慮飽和影響時(shí)小，如圖2.16(b)中的曲線4所示。由此可知，電樞磁場(chǎng)在退出磁極邊(簡(jiǎn)稱退出邊)時(shí)削弱主磁場(chǎng)的程度要比在進(jìn)入磁極邊時(shí)增強(qiáng)主磁場(chǎng)的程度大得多。04直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)3.電樞反應(yīng)的結(jié)論使氣隙合成磁場(chǎng)的分布發(fā)生畸變。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)存在交軸電樞反應(yīng)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)由主磁場(chǎng)和交軸磁場(chǎng)組合而成。交軸電樞反應(yīng)將對(duì)氣隙合成磁場(chǎng)產(chǎn)生兩大影響:在電樞磁場(chǎng)進(jìn)入主磁極邊時(shí)磁場(chǎng)被增強(qiáng)，在電樞磁場(chǎng)退出主磁極邊時(shí)磁場(chǎng)被削弱結(jié)論(1)產(chǎn)生去磁效應(yīng)。在磁路不飽和的前提下，每極的總磁通和空載時(shí)一樣:當(dāng)磁路飽和時(shí)，使總磁通減小，稱為去磁效應(yīng)結(jié)論(2)0

4PARTFOUR直流電動(dòng)機(jī)方程01電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩1.電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)機(jī)電樞運(yùn)行時(shí)，電樞繞組切割氣隙磁場(chǎng)就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于已經(jīng)制造好的直流電動(dòng)機(jī)，其電樞電動(dòng)勢(shì)的大小正比于每極磁通D和轉(zhuǎn)速，電樞電動(dòng)勢(shì)的方向由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和主磁場(chǎng)方向決定。繞組電動(dòng)勢(shì)是正、負(fù)電刷之間的電動(dòng)勢(shì)，是每條支路中各串聯(lián)導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總和。由于支路內(nèi)各導(dǎo)體分布在氣隙磁場(chǎng)的位置不同，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同。

電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式01電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩2.電磁轉(zhuǎn)矩在直流電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力所形成的。電樞繞組中各元件所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向相同。

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式02電動(dòng)勢(shì)、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式1.電動(dòng)勢(shì)

直流電動(dòng)機(jī)的各種平衡方程式與勵(lì)磁方式有關(guān)，下面以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)電學(xué)和力學(xué)的基本規(guī)律，分析其平衡關(guān)系，得到電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、功率平衡方程式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式.

電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為02電動(dòng)勢(shì)、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式2.功率平衡方程式

功率平衡關(guān)系也可以用圖2.17所示來(lái)表示。02電動(dòng)勢(shì)、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式3.轉(zhuǎn)矩平衡方程式轉(zhuǎn)矩平衡方程式可以分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程式兩種直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)矩并不等于電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。

(2.36)

式中，m為旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量;p為旋轉(zhuǎn)體的半徑

(2.37)旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的計(jì)算式為:

(2.38)02電動(dòng)勢(shì)、功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式3.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

(2.39)由式(2.36)和式(2.37)可得運(yùn)動(dòng)方程式為:

(2.40)于是轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)方程式可以寫(xiě)成實(shí)用計(jì)算形式:(2.41)

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5PARTFIVE三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步電動(dòng)機(jī)通常包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子主要包括定子鐵芯和定子繞組，轉(zhuǎn)子也由鐵芯和繞組組成。定子和轉(zhuǎn)子間有氣隙，此外還有端蓋軸承和通風(fēng)裝置等，三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.18所示。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)劃分，有鼠籠式和繞線式兩種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組按照材料可以分為銅條和鑄鋁兩大類(lèi)。繞線式轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)與定子繞組大致相同。繞線轉(zhuǎn)子三相繞組星形連接，三相繞組的首端分別與電刷和滑環(huán)連接。01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)1.定子定子是電動(dòng)機(jī)固定不動(dòng)的部分，包括定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座等。定子鐵芯是電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)內(nèi)部磁通經(jīng)過(guò)的路徑，考慮到降低鐵損的要求，通常由磁導(dǎo)性能較好的硅鋼片疊壓制成鐵芯內(nèi)圓周表面有槽孔，用于嵌放定子繞組。定子沖片及定子鐵芯結(jié)構(gòu)如圖2.19所示

由于機(jī)座用于固定和支撐定子鐵芯，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)1.定子三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子，它由轉(zhuǎn)子鐵芯、繞組和轉(zhuǎn)軸三部分組成，轉(zhuǎn)子靠軸承和端蓋支撐。轉(zhuǎn)子鐵芯也是異步電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分，它用沖有槽的硅鋼片彼此絕緣疊裝而成。轉(zhuǎn)子硅鋼片如圖2.20所示。轉(zhuǎn)子鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯的外表呈圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯外圍也開(kāi)有均勻分布的槽，槽內(nèi)安放轉(zhuǎn)子繞組。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為籠型轉(zhuǎn)子與繞線式轉(zhuǎn)子兩種.01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子繞組做成鼠籠狀，就是在轉(zhuǎn)子鐵芯每個(gè)槽中放一根銅條，其兩端用導(dǎo)電的端環(huán)把所有銅條連接起來(lái)，形成一個(gè)短接回路。如果去掉轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組的形狀即呈籠型所以叫籠型轉(zhuǎn)子繞組，如圖2.21所示。在轉(zhuǎn)子槽中澆入熔化的鋁水，形成鑄鋁轉(zhuǎn)子如圖2.22所示。由于鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)量小和成本低，故其在實(shí)際應(yīng)用中較為普遍。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為籠型轉(zhuǎn)子與繞線式轉(zhuǎn)子兩種.01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子鐵芯外部的槽內(nèi)嵌放對(duì)稱的三相繞組。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子如圖2.23所示。01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸一般用碳鋼制成，轉(zhuǎn)子鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸借助前端蓋及后端蓋固定在機(jī)座上。轉(zhuǎn)軸前端開(kāi)有鍵槽，可與帶輪連接，傳遞電磁轉(zhuǎn)矩，其后端接風(fēng)扇或滑環(huán)。3.轉(zhuǎn)軸0

6PARTSIX電動(dòng)機(jī)原理如圖2.24所示，如果定子繞組接成星形并通入交流電，則定子繞組中流過(guò)對(duì)稱三相電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。01電動(dòng)機(jī)原理

假設(shè)通入定子三相繞組的電流表達(dá)示：取繞組始端到末端的方向作為電流的參考方向，那么當(dāng)位于電流正半周時(shí)，其值為正，即電流實(shí)際方向與參考方向相同。在負(fù)半周時(shí)，其值為負(fù)，即電流實(shí)際方向與參考方向相反。對(duì)稱三相繞組中分別通入三相交流電后，在AX、BY、CZ中將產(chǎn)生各自的交變磁場(chǎng)，三個(gè)交變磁場(chǎng)將合成一個(gè)兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖2.25所示，它反映了交流電變化一個(gè)周期旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化情況。01電動(dòng)機(jī)原理對(duì)兩極磁場(chǎng)，電流變化一周，則磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周。

(2.43)同步轉(zhuǎn)速”與磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)p滿足:圖2.26所示為三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖，當(dāng)定子繞組接通相交流電源后，繞組中便有三相交變電流通過(guò)，并在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。01電動(dòng)機(jī)原理按照右手定則，得到轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向如圖2.26所示。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中出現(xiàn)感應(yīng)電流，它與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同。

(2.44)異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率s，通常用百分?jǐn)?shù)表示:載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的相互作用產(chǎn)生電磁力F，力的方向根據(jù)左手定則判斷。在電磁力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)子即旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)差率是表征異步電動(dòng)機(jī)性能的重要變量之一。額定負(fù)載情況下轉(zhuǎn)差率一般為1%~5%。0

7PARTSEVEN三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性01電磁轉(zhuǎn)矩

(2.45)

(2.46)

02電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是反映電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的性能曲線。三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2.27所示。

(2.46)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)(n-0，s-1)時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

(2.47)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩，不計(jì)空載損耗影響，額定轉(zhuǎn)矩與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩大致相等。

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8PARTEIGHT三相異步電動(dòng)機(jī)的控制直接啟動(dòng)指采用閘刀開(kāi)關(guān)或接觸器把電動(dòng)機(jī)直接與額定電源電壓相連，有時(shí)也稱全壓?jiǎn)?dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；不足之處就是啟動(dòng)過(guò)程中的電流大,會(huì)導(dǎo)致線路電壓下降，影響電網(wǎng)中其他負(fù)載的正常運(yùn)行。星形-三角形(Y-A)降壓?jiǎn)?dòng)是指啟動(dòng)過(guò)程中把定子繞組按照星形連接，當(dāng)轉(zhuǎn)速將要達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)再將定子繞組轉(zhuǎn)換為三角形接法，如圖2.28所示。01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)1)直接啟動(dòng)2)降壓?jiǎn)?dòng)其好處在于啟動(dòng)電流較小，大致為全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的1/3；不足之處是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降為全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的1/3。自耦降壓?jiǎn)?dòng)如圖2.29所示，在啟動(dòng)過(guò)程中，采取調(diào)節(jié)三相自變壓器抽頭的方式把電動(dòng)機(jī)端電壓適當(dāng)減小，可以減小啟動(dòng)電流。當(dāng)在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串入外加電阻時(shí)，不僅能夠降低啟動(dòng)電流，而且會(huì)增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖2.30所示。01三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組所形成的磁極對(duì)數(shù)p來(lái)調(diào)速，稱為變極調(diào)速。變極調(diào)速的速度調(diào)節(jié)不連續(xù)，而且電動(dòng)機(jī)定子繞組的制造和加工比較困難.利用變頻器使電源頻率和電壓發(fā)生變化，然后供給三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)達(dá)到負(fù)載需要的速度稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，此種方法的缺點(diǎn)是需要額外增加設(shè)備，初期投資增大.02三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1)變極調(diào)速2)變頻調(diào)速采用在轉(zhuǎn)子繞組中串接外加電阻調(diào)整轉(zhuǎn)差率的方法來(lái)平滑調(diào)速，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速僅適用于轉(zhuǎn)子電阻可變的繞線式異步電動(dòng)機(jī)

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算式為3)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向始終與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相同，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向與定子繞組中通入三相電流的相序有關(guān)。如果想讓電動(dòng)機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)換定子三相繞組電源的任意兩相就可以實(shí)現(xiàn)，電源的相序改變必然引起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向的改變，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向改變。03三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子繞組切斷三相電源后迅速接通直流電源。感應(yīng)電流與直流電產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，起到制動(dòng)作用。其優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，缺點(diǎn)是增加了額外的直流電源。能耗制動(dòng)如圖2.31所示。電動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)將三相電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電源反接制動(dòng)如圖2.32所示。04三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1)能耗制動(dòng)2)電源反接制動(dòng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，起到制動(dòng)作用。此方法稱為發(fā)電反饋制動(dòng)，如圖2.33所示。04三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)3）發(fā)電反饋制動(dòng)0

9PARTNINE常用低壓電器01手動(dòng)開(kāi)關(guān)1.刀開(kāi)關(guān)刀開(kāi)關(guān)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且應(yīng)用廣泛的一種手動(dòng)電器。其主要功能是接通和切斷長(zhǎng)期工作設(shè)備的電源及不經(jīng)常啟動(dòng)和制動(dòng)的設(shè)備。刀開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖2.34所示。刀片和刀座安裝在瓷質(zhì)底板上，并用膠木蓋置住。膠蓋可以熄滅由于切斷電源時(shí)在刀片和刀座間產(chǎn)生的電弧，并可保障操作人員的安全。刀開(kāi)關(guān)的選用主要考慮額定電壓和長(zhǎng)期工作電流。刀開(kāi)關(guān)的圖形符號(hào)和文字符號(hào)如圖2.35所示。01手動(dòng)開(kāi)關(guān)2.組合開(kāi)關(guān)組合開(kāi)關(guān)又叫轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，是手動(dòng)控制電器。組合開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.36所示，轉(zhuǎn)軸上裝有彈簧和輪機(jī)構(gòu)，可使動(dòng)、靜觸片迅速離開(kāi)，快速熄滅切斷電路時(shí)產(chǎn)生的電弧。組合開(kāi)關(guān)圖形符號(hào)和文字符號(hào)如圖2.37所示：02按鈕按鈕是控制線路中常用的一種最簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制電器。其結(jié)構(gòu)如圖2.38所示，主要由按鈕帽和觸點(diǎn)組成。按動(dòng)作狀態(tài)的不同，按鈕的觸點(diǎn)可分為兩種，動(dòng)合觸點(diǎn)是按鈕未按下時(shí)斷開(kāi)、按下后閉合的觸點(diǎn):動(dòng)斷觸點(diǎn)與動(dòng)合觸點(diǎn)動(dòng)作正好相反。若按鈕動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)是橋式聯(lián)動(dòng)的，則當(dāng)按下按鈕帽時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)下移，使動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合。這種按鈕稱為復(fù)合按鈕。可根據(jù)需要只選其中的動(dòng)合觸點(diǎn)或動(dòng)斷觸點(diǎn)也可以兩者同時(shí)選用。按鈕觸點(diǎn)的接觸面積都很小，額定電流通常不超過(guò)5A。03交流接觸器交流接觸器是一種自動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，兼有失壓保護(hù)作用。交流接觸器的結(jié)構(gòu)如圖2.40所示1.交流接觸器的組成(1)電磁機(jī)構(gòu)的功能是把電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而利用電磁吸力使觸點(diǎn)動(dòng)作。(2)觸點(diǎn)系統(tǒng)按動(dòng)作狀態(tài)可以分為動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)按容量可分為主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)，主觸點(diǎn)比輔助觸點(diǎn)的額定電流大，用來(lái)接通和分?jǐn)啻箅娏鞯闹麟娐?；而輔助觸點(diǎn)可以接通和分?jǐn)嘈‰娏鞯目刂齐娐贰?3)對(duì)于小容量的接觸器，常采用雙斷口觸點(diǎn)滅弧、電動(dòng)力滅弧、相間弧板隔弧及陶土滅弧置滅弧。對(duì)于大容量的接觸器，采用縱縫滅弧罩及柵片滅弧。03交流接觸器2.交流接觸器的工作原理當(dāng)吸引線圈兩端施加額定電壓時(shí)，產(chǎn)生電磁力，將動(dòng)鐵芯(上鐵芯)吸下，動(dòng)鐵芯帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)一起下移，使動(dòng)合觸點(diǎn)閉合接通電路，動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)切斷電路。當(dāng)吸引線圈斷電時(shí)鐵芯失去電磁力，動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈管的作用下復(fù)位，觸點(diǎn)系統(tǒng)恢復(fù)常態(tài)。交流接觸器的圖形符號(hào)和文字符號(hào)如圖2.41所示03交流接觸器3.交流接觸器的技術(shù)參數(shù)(1)額定電壓是主觸點(diǎn)的額定電壓，在接觸器銘牌上標(biāo)注。常用的有交流220V、380V、660V。(2)額定電流是主觸點(diǎn)的額定電流，在接觸器銘牌上標(biāo)注。(3)線圈的額定電壓是指加在線圈上的電壓。常用的有交流220V和380V。(4)接通和分?jǐn)嗄芰χ饕侵钢饔|點(diǎn)在規(guī)定運(yùn)行狀態(tài)允許接通和分?jǐn)嗟碾娏髦怠?5)額定操作頻率主要指接觸器每小時(shí)的接通和分段次數(shù)。交流接觸器最高操作頻率為600次/h。04繼電器1.中間繼電器中間繼電器廣泛應(yīng)用于繼電保護(hù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以增加觸點(diǎn)的數(shù)量及容量。其主要功能是實(shí)現(xiàn)電路中中間信號(hào)的傳遞。中間繼電器的結(jié)構(gòu)和原理與交流接觸器基本相同。其文字符號(hào)和圖形符號(hào)如圖2.42所示。04繼電器2熱繼電器熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)來(lái)使觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)的保護(hù)電器，功能是對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡保護(hù)，以及其他電氣設(shè)備過(guò)熱狀態(tài)時(shí)的保護(hù)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.43所示。在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱元件3生的熱量不足以使雙金屬片2曲，一旦電動(dòng)機(jī)過(guò)載，電流即增大，使雙金屬片發(fā)熱變形嚴(yán)重，足夠時(shí)間后雙金屬片彎曲到推動(dòng)導(dǎo)板4，并通過(guò)補(bǔ)償雙金屬片5與推桿14將動(dòng)觸點(diǎn)9和靜觸點(diǎn)6分開(kāi)，動(dòng)觸點(diǎn)9和靜觸點(diǎn)6為熱繼電器串于接觸器線圈回路的常閉觸點(diǎn)，斷開(kāi)后使接觸器線圈失電，接觸器的主觸點(diǎn)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)的電源以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。調(diào)節(jié)旋鈕11為一個(gè)偏心輪，它可以調(diào)節(jié)整定熱繼電器動(dòng)作電流。復(fù)位螺釘8使熱繼電器能工作在手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位兩種工作狀態(tài)。故障排除后要按下復(fù)位按鈕10才能使熱繼電器復(fù)位。熱繼電器只適用于不頻繁啟動(dòng)、輕載啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。熱繼電器的圖形符號(hào)和文字符號(hào)如圖2.44所示。04繼電器3.時(shí)間繼電器時(shí)間繼電器的功能是可以延遲一定時(shí)間或定時(shí)接通和分?jǐn)嗄承┛刂齐娐?。時(shí)間繼電器的種類(lèi)很多，應(yīng)用較多的是空氣式時(shí)間繼電器，它有通電延時(shí)型和斷電延時(shí)型兩種。圖2.45所示為通電延時(shí)型時(shí)間繼電器的結(jié)構(gòu)原理圖，當(dāng)吸引線圈1通電后，動(dòng)鐵芯3被吸下，連同托板4瞬時(shí)下移，使瞬時(shí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)6的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合、動(dòng)斷觸點(diǎn)分?jǐn)?。同時(shí)，在托板4與活塞桿12頂端形成一段距離。在恢復(fù)彈簧15的作用下，活塞桿12向下移動(dòng)，與橡皮膜16相連，當(dāng)活寒桿帶動(dòng)橡皮膜下移時(shí)受到空氣的阻尼作用。氣室8的空氣需要由進(jìn)氣孔7慢慢補(bǔ)充，氣體稀薄。而氣室8下部空氣壓力大，在橡皮膜的兩面形成很大的壓力差使活寒桿下降緩慢，延長(zhǎng)了時(shí)間。當(dāng)移動(dòng)到最后位置時(shí)，活塞桿帶動(dòng)撞板9壓下延時(shí)動(dòng)作微動(dòng)開(kāi)關(guān)10，使延時(shí)動(dòng)斷觸點(diǎn)13斷開(kāi)、延時(shí)動(dòng)合觸點(diǎn)14接通，達(dá)到通電延時(shí)的作用。04繼電器通電延時(shí)型時(shí)間繼電器有兩對(duì)延時(shí)觸點(diǎn)，一對(duì)是延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)斷觸點(diǎn)，一對(duì)是延時(shí)閉合的動(dòng)合觸點(diǎn)?？諝馐綍r(shí)間繼電器的優(yōu)點(diǎn)是延時(shí)范圍大(0.4~180s)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉。其缺點(diǎn)是延時(shí)誤差大(10%~+20%)，無(wú)調(diào)節(jié)刻度指示，難以精確整定延時(shí)時(shí)間。時(shí)間繼電器的圖形符號(hào)和文字符號(hào)如圖2.46所示。還有兩對(duì)瞬時(shí)動(dòng)作觸點(diǎn):一對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn);一對(duì)動(dòng)斷觸點(diǎn).05熔斷器熔斷器的圖形符號(hào)和文字符號(hào)如圖2.47所示熔斷器基于電流熱效應(yīng)原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設(shè)計(jì)，具有一定的瞬動(dòng)特性，用于電路的短路保護(hù)和嚴(yán)重過(guò)載保護(hù)。熔斷器熔體材料一般采用鉛錫合金、鍍銀銅片、鋅、銀等金屬。熔斷器串接于被保護(hù)電路，當(dāng)電路短路或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，熔體迅速熔斷，從而切斷故障電路，達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的。06自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)又稱為空氣開(kāi)關(guān)或斷路器，