電機基礎知識

直流電機分為直流發(fā)電機和直流電動機1、直流電機的優(yōu)點調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。起動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動、停車。易于控制。2、直流電機的應用軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設備。用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具。3、直流電動機工作原理

把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過。

直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械。

在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。原N極性下導體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)。實際的直流電動機的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。

當電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機發(fā)電機：是指輸出額定電壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉(zhuǎn)速.對應于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù)，如勵磁電壓、出廠日期、出廠編號等。4、直流電機的勵磁方式

供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵和自勵兩大類，自勵方式又分并勵、串勵和復勵三種方式。1、他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。

他勵直流電機的電樞電流和負載電流相同，即：2、并勵：電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足3、串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足4、復勵：

并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。

直流電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動瞬間，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流分別為

為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。

起動時由于轉(zhuǎn)速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值，將達到額定電流的10-20倍。

過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動機不允許直接起動。1、起動過程以三級電阻起動時電動機為例●

電樞回路串電阻起動在電樞回路串入啟動電阻，可以限制啟動電流，但啟動電流也不能太小，應控制在額定電流的2~2.5倍范圍內(nèi)，并使啟動轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩，迅速完成啟動過程。一般不允許將啟動電阻在電動機正常運行時接入電路使用，因為長時間通過電流會燒毀電阻。這種方式的缺點是啟動過程中要消耗大量的能量，因此對經(jīng)常頻繁啟動和大中型直流電機不適用?！?/p>

降壓起動

當直流電源電壓可調(diào)時，可采用降壓方法起動。

起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需要的加速度升速。

降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此對啟動頻繁和大中型電機中得到廣泛應用。直流電機的制動直流電動機在脫離電源后要求迅速停轉(zhuǎn)，能實現(xiàn)這一目的成為制動。制動的方法有機械制動和電磁制動兩類。機械制動是利用機械裝置，使電動機在切斷電源后迅速停轉(zhuǎn)，常用方式有制動器和電磁抱閘。電磁制動的方法一般有能耗制動、反接制動和回饋制動三種。

制動原理：當電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同時,電機運行于電動機狀態(tài);當電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反時,電機運行于制動狀態(tài)。

1、能耗制動電動制動電動狀態(tài)，如圖所示。將開關S投向制動電阻上即實現(xiàn)制動.

脫離電源后，由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動勢方向不變。由產(chǎn)生的電樞電流的方向與電動狀態(tài)時的方向相反,對應的電磁轉(zhuǎn)矩與方向相反,為制動性質(zhì),電機處于制動狀態(tài)。

制動運行時，電機靠生產(chǎn)機械的慣性力的拖動而發(fā)電，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電阻上，直到電機停止轉(zhuǎn)動。一般電阻越小，制動電流越大，制動轉(zhuǎn)矩也越大。實際中制動電阻常常為滑動變阻器。優(yōu)點制動減速平穩(wěn)、可靠；制動線路較簡單；便于實現(xiàn)準確停車；●缺點制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低成正比減小，低速時制動效果差；有能量損耗；●應用場合不要求反轉(zhuǎn)及減速要求較平穩(wěn)的場合；電壓反接制動時接線如圖所示。2、電壓反接制動電動制動

開關S投向“電動”側時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。進行制動時，開關投向“制動”側，電樞回路串入制動電阻后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：

反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強的制動作用——電壓反接制動。優(yōu)點制動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，不隨著n下降而減少；制動強烈，制動時間短?！袢秉c制動時的能量損耗大；制動到n=0時，如不斷電會產(chǎn)生反轉(zhuǎn)；制動沖擊大，電機的壽命降低?！駪梅秶笱杆僦苿油＾D(zhuǎn)并反轉(zhuǎn)的場合●回饋制動原理當電動機在電動狀態(tài)運行時，由于某種因素，如用電動機拖動機車下坡，使電動機的轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速，進入發(fā)電狀態(tài)，此時n>n0，使得Ea>U，電樞電流為與電動狀態(tài)時相反，因磁通方向未變，則電磁轉(zhuǎn)矩T的方向隨著Ia的反向而反向，對電動機起到制動作用。在電動狀態(tài)時電樞電流從電網(wǎng)的正端流向電動機，而在制動時，電樞電流從電樞流向電網(wǎng)，因而稱為回饋制動。

電動優(yōu)點不需改變線路，就可以從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)入回饋制動狀態(tài)；電能可回饋給電網(wǎng)，比較經(jīng)濟?！袢秉c當轉(zhuǎn)速n低于理想轉(zhuǎn)速n0時，不能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；不能使轉(zhuǎn)速制動到0?！駪梅秶糜谵D(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的場合；在降壓及增磁調(diào)速時，可自行轉(zhuǎn)入回饋制動狀態(tài)。直流電動機的調(diào)速

電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速可以采用機械調(diào)、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機構速比進行調(diào)速的方法稱為機械調(diào)速；通過改變電動機參數(shù)進行調(diào)速的方法稱為電氣調(diào)速。他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速為電氣調(diào)速方法:1.調(diào)壓調(diào)速;2.電樞串電阻調(diào)速;3.調(diào)磁調(diào)速。目前最流行的是直流調(diào)速器，它具有啟動、調(diào)速、制動的優(yōu)點，這里不再介紹了。

改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。調(diào)速前后，電動機工作在不同的機械特性上。1、三相異步電動機的基本結構一、定子部分1.定子鐵心：由導磁性能很好的硅鋼片疊成——導磁部分。2、定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導電部分。3、機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。二、轉(zhuǎn)子部分1、轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。2、轉(zhuǎn)子繞組：1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。

異步電動機的氣隙是均勻的。大小為機械條件所能允許達到的最小值。三、氣隙按轉(zhuǎn)子結構分：繞線型異步電動機鼠籠型異步電動機下面是它主要部件的拆分圖。

右圖是一臺三相鼠籠型異步電動機的外形圖。鼠籠型轉(zhuǎn)子鐵心和繞組結構示意圖三相繞線型轉(zhuǎn)子結構圖鑄鋁轉(zhuǎn)子繞線轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心和繞組三相異步電動機的基本工作原理U2U1W2V1W1V2n●轉(zhuǎn)動原理1、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2、磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體感應電動勢和電流。3、電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。只要轉(zhuǎn)子繞組和氣隙旋轉(zhuǎn)磁通密度之間有相對運動，轉(zhuǎn)子就會有電流，就會有電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子上，當電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子以恒速n運行。在定子三相對稱的定子繞組中通入對稱三相電流即在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：

為了分析旋轉(zhuǎn)磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向，設三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，U相電流最大時為計時點，電流取首進尾出為正，電流波形和各時刻旋轉(zhuǎn)磁動勢的位置如圖所示：定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速記為n1，又稱為同步轉(zhuǎn)速:式中：n1的單位為每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）f為電源的頻率p為繞組磁場的極數(shù)例如，對工頻50Hz電源，2極，4極，6極，8極電機的同步轉(zhuǎn)速分別為：3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等同步轉(zhuǎn)速異步電動機的轉(zhuǎn)速可表示為：式中S稱為轉(zhuǎn)差率；當電機剛剛開始起動時，n=0，s=1；若電機處于理想空載，n=n1,s=0，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場同步，故n1稱為同步轉(zhuǎn)速；額定負載情況下，s為2—5%，所以異步電機的額定轉(zhuǎn)速nN總是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。轉(zhuǎn)差率的大小反映了電機的不同運行狀態(tài)。異步電動機的轉(zhuǎn)速●異步電機的三種運行狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負,異步電機有三種運行狀態(tài)機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茈娔芎蜋C械能變成內(nèi)能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能能量關系制動制動驅(qū)動電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)速外力使電機快速旋轉(zhuǎn)外力使電機沿磁場反方向旋轉(zhuǎn)定子繞組接對稱電源實現(xiàn)發(fā)電機電磁制動電動機狀態(tài)額定值關系有：額定運行狀態(tài)時加在定子繞組上的線電壓.額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率。在額定運行狀態(tài)下流入定子繞組的線電流.額定運行時電動機的轉(zhuǎn)速.二、額定值

三相異步電動機的定子部分在結構上和同步電動機的定子部分完全相同。對中、小容量的低壓異步電動機，通常定子三相繞組的六個出線頭都引出，這樣可根據(jù)需要靈活地接成“Y”形或“D”形。“Y”形連接時，線電流=相電流，線電壓=相電壓；“D”形連接時，線電壓=相電壓，線電流=相電流三、接線U1V1W1U1V1W1U2V2W2D聯(lián)結Y聯(lián)結U2V2W2

三相異步電動機的定子部分在結構上和同步電動機的定子部分完全相同。對中、小容量的低壓異步電動機，通常定子三相繞組的六個出線頭都引出，這樣可根據(jù)需要靈活地接成“Y”形或“D”形。“Y”形連接時，線電流=相電流，線電壓=相電壓；“D”形連接時，線電壓=相電壓，線電流=相電流三、接線U1V1W1U1V1W1U2V2W2D聯(lián)結Y聯(lián)結U2V2W2

●實用表達式工程上常根據(jù)電機的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、過載能力來求出實用表達式。方法是：TN是電機的額定轉(zhuǎn)矩，PN

是電機的額定功率，

nN

是額定轉(zhuǎn)速λT

是過載能力●

三相異步電動機的固有機械特性和人為機械特性一、固有機械特性固有機械特性是指電動機在額定電壓和額定頻率下，按規(guī)定的接線，定、轉(zhuǎn)子電路不外接阻抗時的機械特性。Sm為最大轉(zhuǎn)矩時的臨界轉(zhuǎn)差率。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem幾個特殊點：ABCD1.起動點A:2.最大轉(zhuǎn)矩點B:3.額定運行點C4.同步運行點D二、人為機械特性人為機械特性是指人為改變電源參數(shù)或電動機參數(shù)而得到的機械特性。snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm1.降壓時的人為機械特性

下降后,和均下降,但不變,和減少。

如果電機在定額負載下運行,下降后,下降,增大,轉(zhuǎn)子電流因增大而增大,導致電機過載。長期欠壓過載運行將使電機過熱，減少使用壽命。TST和KST分別是啟動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩倍數(shù)2.轉(zhuǎn)子回路串對稱電阻時的人為機械特性串電阻后,、不變，增大。在一定范圍內(nèi)增加電阻，可以增加。當時，若再增加電阻，減小。串電阻后，機械特性線性段斜率變大，特性變軟。

除了上述特性外，還有改變電源頻率、極對數(shù)等人為機械特性。10TstTmTemsn0n1smR2TstsmR2+Rs●

三相異步電動機的起動

起動指電動機接通電源后由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程.對電動機的起動性能要求二：起動電流小,起動轉(zhuǎn)矩不大。1.起動電流大的原因

起動時,轉(zhuǎn)子感應電動勢大,使轉(zhuǎn)子電流大,根據(jù)磁動勢平衡關系,定子電流必然增大.2.起動轉(zhuǎn)矩不大的原因從下述公式分析

起動時,,遠大于運行時的,轉(zhuǎn)子漏抗很大,很低,盡管很大,但并不大.

由于起動電流大,定子漏阻抗壓降大,使定子感應電動勢減小,對應的氣隙磁通減小.由上述兩個原因使得起動轉(zhuǎn)矩不大.●

三相籠型異步電動機的起動一、直接起動可以直接起動的條件：起動電流倍數(shù)從三相異步電動機固有機械特性中分析知道，如果在額定電壓下直接起動，起動電流大。起動轉(zhuǎn)矩不大。一般起動電流可達額定電流的5-7倍，對機械設備的沖擊也大。一般情況下，在供電變壓器容量較大，電機的容量較小時，三相鼠籠型電機可以直接啟動，經(jīng)驗上7.5KW以下的小容量電機可以直接起動。二、降壓起動適用于正常運行時定子繞組為三角形接線的電動機。起動時Y接，起動電壓降為U起動電流降為I運行時△接。起動電流關系:Y-△降壓起動多用于空載或輕載起動1.Y-△降壓起動起動轉(zhuǎn)矩關系:2.自耦變壓器降壓起動直接起動時的起動電流：降壓后二次側起動電流：變壓器一次側電流：電網(wǎng)提供的起動電流減小倍數(shù)：起動轉(zhuǎn)矩減小的倍數(shù)：自耦變壓器一般有三個分接頭可供選用。3、轉(zhuǎn)子回路串電阻起動

在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)適當?shù)碾娮?既能限制起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩。

為了有較大的起動轉(zhuǎn)矩、使起動過程平滑，應在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻，并隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸切除起動電阻。

電動機由a點開始起動，經(jīng)b→c→d→e→f→g→h，完成起動過程。起動過程二、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器。轉(zhuǎn)子電動勢的頻率為：

起動時，S2斷開，轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器,S1閉合，電機通電開始起動。起動時,,頻敏變阻器鐵損大,反映鐵損耗的等效電阻大,相當于轉(zhuǎn)子回路串入一個較大電阻。所以限制了轉(zhuǎn)子的起動電流，隨著上升,轉(zhuǎn)子頻率減小,鐵損減少,等效電阻減小,相當于逐漸切除,起動結束,S2閉合，切除頻敏變阻器，轉(zhuǎn)子電路直接短路。

理想