電機原理與拖動第7-9章課件

1、電機原理及拖動（下）電機原理及拖動（下）河北工程大學河北工程大學河北工程大學劉增環(huán)劉增環(huán)劉增環(huán)河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學內(nèi)容介紹同步電動機同步電動機控制電機控制電機三相異步電動機的電力拖動三相異步電動機的電力拖動三相異步電動機原理三相異步電動機原理電力拖動系統(tǒng)中電動機的選擇電力拖動系統(tǒng)中電動機的選擇河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第一節(jié) 概述l分類分類）電業(yè)局不允許：工廠；帶負載，專門用于調(diào)節(jié)同步補償機（電動機不電動機（大量）發(fā)電機（大量）同步機90cos cosl同步機結(jié)構(gòu)同步機結(jié)構(gòu) 定子定子 與異步機一樣

2、與異步機一樣 ：繞組、磁勢（圓形旋轉(zhuǎn)磁場）：繞組、磁勢（圓形旋轉(zhuǎn)磁場） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 同步機：靜止磁場（直流、永磁）同步旋轉(zhuǎn)；異步機：感應(yīng)磁同步機：靜止磁場（直流、永磁）同步旋轉(zhuǎn)；異步機：感應(yīng)磁極，轉(zhuǎn)子頻率（相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）為極，轉(zhuǎn)子頻率（相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）為f2分類：（分類：（兩者功角特性不同）兩者功角特性不同） 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學v凸極：各向不同磁導(dǎo)（多極、低速）；凸極：各向不同磁導(dǎo)（多極、低速）；圖圖7-1（a）v隱極：各向同磁導(dǎo)（少極、高速）；隱極：各向同磁導(dǎo)（少極、高速）；圖圖7-1（b）l簡單原理簡單原理 同步轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)矩同步轉(zhuǎn)速與同步

3、轉(zhuǎn)矩NSNS0FFNS轉(zhuǎn)子勵磁磁勢轉(zhuǎn)子勵磁磁勢氣隙磁勢氣隙磁勢功角功角FFFa氣氣隙隙磁磁勢勢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子（勵勵磁磁）磁磁勢勢定定子子（電電樞樞反反應(yīng)應(yīng)）磁磁勢勢0電機只有同步運行（電機只有同步運行（n=n1）時，）時，才會有（平均）轉(zhuǎn)矩（稱為才會有（平均）轉(zhuǎn)矩（稱為同同步轉(zhuǎn)矩步轉(zhuǎn)矩）。）。（ ？）：瞬時轉(zhuǎn)矩一會正、一）：瞬時轉(zhuǎn)矩一會正、一會負，總的效應(yīng)為會負，總的效應(yīng)為0。河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學功角功角F0FaF功角：功角：的夾角的夾角。和和為為：定子三相繞組通交流電產(chǎn)生，電樞磁動勢。：定子三相繞組通交流電產(chǎn)生，電樞磁動勢。作圖時：作圖時：時間（

4、電流）和空間（磁勢）向量表現(xiàn)為同向。時間（電流）和空間（磁勢）向量表現(xiàn)為同向。從從“恒壓系統(tǒng)恒壓系統(tǒng)”概念出發(fā)，只要概念出發(fā)，只要 ， 恒定，恒定， 就恒定。就恒定。（不是（不是 ？）原因：原因： 、 都切割定子繞組，都切割定子繞組， 是是 合成效應(yīng)。合成效應(yīng)。0FF1U1faF1E分析：分析：aFF 同步機的物理事實同步機的物理事實 過載能力：過載能力： 3020 N 強勵磁時，定子電流引前定子電壓，電機表現(xiàn)為容性，無功補償。強勵磁時，定子電流引前定子電壓，電機表現(xiàn)為容性，無功補償。河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學銘牌：銘牌： NSNSF0F)(1IF

5、a11EU8 . 0cosN的夾角。和11 :IUN(外外)功率因數(shù)角功率因數(shù)角:河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第二節(jié) 電勢、相量圖 l電勢電勢aFFF0aEEE01F1El隱極機隱極機 定子電壓方程：定子電壓方程： jxrIEU1111xI jEU111（不計 ） 1rxI jEEUa101定子漏抗 xxI jEUa101電樞反應(yīng)電抗 cxI jEU101同步電抗 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學 等效電路等效電路 1r0E1Ucx1E1I1Ux 相量圖相量圖 1E1EF1I1UxI1aF0F0EaxI1河北工

6、程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l凸極機凸極機 雙反應(yīng)原理雙反應(yīng)原理同步電機模型（圖7-11）磁路各向不同性： fxxxqxdaaaqqadd變化，變化，隨位置變化，隨位置變化，其他方向：其他方向：小小小，小，軸方向：軸方向：大大大，大，軸方向：磁導(dǎo)軸方向：磁導(dǎo)dq處理方法： 雙反應(yīng)原理分解21CxCxxaqada河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學 方程式：方程式： aFFF0aqadaFFFaqadaEEEqdIII1aqqaddaxI jxI jxI j1xI jxI jxI jqd1qqddcxI jxI jxI j

7、1直軸電樞反應(yīng)電抗 交軸電樞反應(yīng)電抗 直軸同步電抗 交軸同步電抗 qqddxI jxI jEU01河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學 相量圖相量圖1E1EF1I1UxI jqaF0F0EadxI jaqqxI jaddxI jqIdI)()(1110的的夾夾角角與與忽忽略略的的夾夾角角與與EUIE內(nèi)功率因數(shù)角：內(nèi)功率因數(shù)角： 隱極機隱極機 ：（特例：（特例） cqdxxxqdIII1河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第三節(jié) 同步電動機的功率關(guān)系、轉(zhuǎn)矩平衡和矩角特性 l概述概述 機械特性機械特性 Tn1n負載過重，停機（

8、失步）：負載過重，停機（失步）：電壓施加在漏阻抗上（此時電壓施加在漏阻抗上（此時無感應(yīng)電勢）；事故狀態(tài)。無感應(yīng)電勢）；事故狀態(tài)。 研究對象：研究對象： fPM fT 1MPTCnn1CTTL ,穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)：河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l功率關(guān)系功率關(guān)系 分析鐵損分析鐵損 pFe直流機：機械功率承擔（靜止磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)才引起渦流）變壓器：電功率承擔（脈振磁場）異步機：電功率承擔（旋轉(zhuǎn)磁場）同步機：電功率承擔（旋轉(zhuǎn)磁場）；由于同步，鐵損不發(fā)生在轉(zhuǎn)子上。 教材圖教材圖7-8 能流圖（能流圖（有錯誤有錯誤）。）。 2012111PPppPppppPppPFec

9、usmFecuMFecu河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學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 )()(1110的的夾夾角角與與忽忽略略的的夾夾角角與與EUIE內(nèi)功率因數(shù)角：內(nèi)功率因數(shù)角： sinsin3coscos3cos3cos3111111111IUIUIUIUPPM（不計（不計pcu1 和和pFe ）sin3cos311dqMIUIUP從相量圖（教材圖7-7） 1E1EF1I1UxI jqaF0F0EadxI jaqqxI jaddxI jqIdIsin1UxIqqcos10UExIddqqxUIsin1ddxUEIcos1

10、0河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學功角表達式：功角表達式： fPMMMdqdMPPxxUxEUP 2sin1123sin32101矩角表達式：矩角表達式： fT TTxxUxEUPTdqdM 2sin1123sin31211011附加（凸極效應(yīng)、磁阻、附加（凸極效應(yīng)、磁阻、反應(yīng)反應(yīng)）轉(zhuǎn)矩）轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子不加勵磁，轉(zhuǎn)子僅有磁極轉(zhuǎn)子不加勵磁，轉(zhuǎn)子僅有磁極（磁阻電機磁阻電機）：）：E0=0；同步機的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（圖同步機的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（圖7-12（a、b）和和（c、d） TT 教材圖7-9 、圖7-10給出了功角特性曲線河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工

11、程大學河北工程大學 分析分析 穩(wěn)定性： 教材圖7-13 v隱極機： 090穩(wěn)定 90不穩(wěn)定 v凸極機：不是以90劃分。矩角特性：矩角特性：v凸極機有附加磁阻轉(zhuǎn)矩（反應(yīng)轉(zhuǎn)矩）；隱極機則沒有。凸極機有附加磁阻轉(zhuǎn)矩（反應(yīng)轉(zhuǎn)矩）；隱極機則沒有。v反應(yīng)式同步機和磁阻式同步機利用附加轉(zhuǎn)矩。特點：結(jié)構(gòu)反應(yīng)式同步機和磁阻式同步機利用附加轉(zhuǎn)矩。特點：結(jié)構(gòu)簡單。簡單。v隱極機為例討論轉(zhuǎn)矩隱極機為例討論轉(zhuǎn)矩 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學sin3101cxEUT3020 N倍32sin1N0maxET強勵強勵 異步機：異步機： 21maxUT不能1U不能maxTmaxT同步

12、機優(yōu)于異步機，受電網(wǎng)影響?。ㄏ鄬Ξ惒綑C的平方關(guān)系）。同步機優(yōu)于異步機，受電網(wǎng)影響小（相對異步機的平方關(guān)系）。 1UT 21UT 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學 功角物理意義功角物理意義 1U0E11EU1E0EF0F是是與與夾角，（認為夾角，（認為），則功角為），則功角為和和夾角，即夾角，即和和夾角。夾角。 T 0 090 90 90180 180 0 + max + - 習題：習題：轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩=兩磁勢叉乘積兩磁勢叉乘積 sin0FFkTsinaFFkT90sin0aFFkT90河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第四

13、節(jié) 勵磁調(diào)節(jié) l概述概述 以隱極機為例：以隱極機為例： cxI jEU101fI0E1I都都可可能能同同相相滯滯后后于于引引前前于于11UU改變改變，變化變化 相位相位可以通過可以通過調(diào)節(jié)直流勵磁電流使電動機對調(diào)節(jié)直流勵磁電流使電動機對電網(wǎng)呈電容性電網(wǎng)呈電容性。 1E1EF1I1UxI1aF0F0EaxI1河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l定子電流軌跡定子電流軌跡 cxI jEU101baccIIxEjxUjI011CIfCIb 即即 LT1I軌跡如教材圖軌跡如教材圖7-14 圓弧圓弧 LTK：空載，同步，純電容；：空載，同步，純電容；D：額定附近，容性

14、負載；：額定附近，容性負載； E： 11,IU同相，純電阻；同相，純電阻； F： 90電感性負載。電感性負載。 CIfLT變（大幅），對變（大幅），對電網(wǎng)影響惡劣。電網(wǎng)影響惡劣。 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l有功功率恒定時的勵磁調(diào)節(jié)有功功率恒定時的勵磁調(diào)節(jié) CTL（圖7-15 ）CIUP1111cos3CU 1CI11cos11,IU1cos1平勵：平勵：同相，同相，電機損耗最小，出力最大，阻性。，電機損耗最小，出力最大，阻性。 1I1U9 . 0cos1過勵：過勵：引前引前，額定工作，額定工作，左右，容性。左右，容性。 1I1U欠勵：欠勵：滯后滯

15、后，感性（不希望），感性（不希望） lU形曲線形曲線 保持保持P恒定，恒定， fbIfIfI1baccIIxEjxUjI011（圖7-15）河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l同步補償機同步補償機 （空載運行的同步機）（空載運行的同步機） 相量圖（相量圖（圖圖7-17） 一般調(diào)為過勵，空載，容性（同步調(diào)相機）一般調(diào)為過勵，空載，容性（同步調(diào)相機）l第五節(jié)第五節(jié) 同步機起動簡介同步機起動簡介 機械特性機械特性 Tn1n說明：起動時轉(zhuǎn)矩不確定。因為說明：起動時轉(zhuǎn)矩不確定。因為不確定。轉(zhuǎn)矩可能時正、時不確定。轉(zhuǎn)矩可能時正、時負，電機達不到同步。負，電機達不到同步

16、。 措施：措施：輔助電機法：輔助電機法：用異步機牽入準同步速用異步機牽入準同步速度，再投入電網(wǎng)，直流勵磁。度，再投入電網(wǎng)，直流勵磁。異步起動：異步起動：異步啟動，牽入同步（轉(zhuǎn)異步啟動，牽入同步（轉(zhuǎn)子有籠型繞組）子有籠型繞組）變頻起動（牽入同步）變頻起動（牽入同步） 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第八章 控制電機（特殊電機）：自己看 第九章 電動機選擇 l著重容量選擇：校核著重容量選擇：校核 （以直流電機為例以直流電機為例）dLTdtdnGDTT3752aITnt河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第一節(jié) 一般概念 l

17、正確選擇電動機的意義正確選擇電動機的意義 選擇電機的內(nèi)容選擇電機的內(nèi)容 額定功率額定功率額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速額定電壓額定電壓容量容量重復(fù)短時重復(fù)短時短時短時連續(xù)連續(xù)）種（討論種（討論工作制：工作制：）防護等級（防護等級（爆式（礦井、化工）爆式（礦井、化工）、封閉式（常見）、防、封閉式（常見）、防型式：開啟式（教學）型式：開啟式（教學）種類：直、異、同種類：直、異、同電機類型電機類型)(3191SSSSIP 合理選擇的意義合理選擇的意義熱熱合理：充分利用又不過合理：充分利用又不過選小：壽命選?。簤勖?，選大：“大馬拉小車”選大：“大馬拉小車”河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學

18、河北工程大學l選擇電機容量的主要因素選擇電機容量的主要因素 起動能力起動能力過載能力過載能力電機的發(fā)熱與溫升電機的發(fā)熱與溫升著眼于著眼于 決定電機額定功率的主要因素決定電機額定功率的主要因素損耗與溫升損耗與溫升 kWP111kWP1kWP102決定發(fā)熱8度率度率 821壽命絕緣材料決定工作溫度 環(huán)境溫度：40度 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學 容量選擇方法容量選擇方法計算法v依據(jù) tfPL tfTL tfIL2GD生產(chǎn)機械負載圖生產(chǎn)機械負載圖 預(yù)選電機預(yù)選電機 v求作電力拖動負載圖 tfItfTtfP河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北

19、工程大學河北工程大學v校核電機容量 起動能力起動能力過載能力過載能力重點研究內(nèi)容重點研究內(nèi)容等效功率法等效功率法等效轉(zhuǎn)矩法等效轉(zhuǎn)矩法等效電流法等效電流法等效法等效法平均損耗法平均損耗法發(fā)熱、溫升發(fā)熱、溫升校核校核統(tǒng)計、類比法統(tǒng)計、類比法 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第二節(jié) 電機發(fā)熱與冷卻規(guī)律 l過程復(fù)雜：強假定過程復(fù)雜：強假定 電機為均勻體，各部分熱容量、散熱系數(shù)相同電機為均勻體，各部分熱容量、散熱系數(shù)相同 環(huán)境溫度不變環(huán)境溫度不變 電機長期運行，負載恒定，總損耗電機長期運行，負載恒定，總損耗p不變不變 l電機發(fā)熱過程電機發(fā)熱過程 熱平衡方程：熱平衡

20、方程：電機產(chǎn)生熱量=用于溫升熱量+散出熱量河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學時間溫升增量 電機熱容量 C sJKJKC11sKJdtd設(shè)：電機單位時間發(fā)熱Q 焦耳/開爾文 電機散熱系數(shù)A 電機比環(huán)境溫度高1K時，單位時間內(nèi)散出熱量； K焦耳/秒電機溫升 K；有：dtACdQdtAQdtdACACTH其中，發(fā)熱時間常數(shù)：穩(wěn)定溫升：AQs河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學電機溫升曲線（電機溫升曲線（圖圖9-1）：）：說明：說明：指數(shù)規(guī)律； 大； HTQsAs1HTtsise0, 0itHTtse1it , 0初始條件：。

21、河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l散熱（冷卻）過程散熱（冷卻）過程 （圖圖9-2）方式：減載冷卻、停車冷卻。方式：減載冷卻、停車冷卻。 情況不同，情況不同，HT不同：不同： HHHHTTTT他扇冷卻：自扇冷卻：) 32(變頻專用電機：通風好。變頻專用電機：通風好。“大電機背小電機大電機背小電機” 河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第三節(jié) 電機工作制 lS1S9 常見三種：長期工作制（連續(xù)）常見三種：長期工作制（連續(xù)）S1、短時工作制、短時工作制S2、重復(fù)短時、重復(fù)短時（斷續(xù)周期）（斷續(xù)周期）S3。l連續(xù)工作制連續(xù)工作

22、制 （風機、泵）（風機、泵） 特點：特點：工作時間工作時間 4TH溫升溫升達到達到 s 額定功率下：額定功率下： s= max （最高允許溫升：電機絕緣材料決定）（最高允許溫升：電機絕緣材料決定）河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l短時工作制短時工作制 工作時間工作時間 4TH 溫升曲線溫升曲線 （教材教材 圖圖9-4） 額定功率下：額定功率下： m= max s 標準工作時間（標準工作時間（tR：min）：）：10、30、60、90 l討論：同一臺電機運行在不同的標準工作時間，其額定功討論：同一臺電機運行在不同的標準工作時間，其額定功率和過載能力有何變化

23、？率和過載能力有何變化？CTmaxmNNTP河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l斷續(xù)周期（短時重復(fù)）工作制斷續(xù)周期（短時重復(fù)）工作制 工作時間工作時間 4TH 、停車時間（t0） 4TH 、 tC =tR +t0PL 無過載校核問題溫升：無過載校核問題溫升：PL=C籠型電機起動能力較差，要校核起動能力：籠型電機起動能力較差，要校核起動能力：TstTL 2、環(huán)境溫度非標準，電機容量的修正、環(huán)境溫度非標準，電機容量的修正 定義：400河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學IT 11sNNTTIP 11sNNPP11sNNII5

24、 . 117 . 025. 0其中：為定耗與變耗比（直流機，交流機）。河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學二、連續(xù)變載電機容量選擇二、連續(xù)變載電機容量選擇%70% FSHCTt4min10mav，認為。 等效功率法等效轉(zhuǎn)矩法等效電流法等效法繁平均損耗法：需要工程法難需要準確法：溫升曲線法。校核方法2PTH河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l平均損耗法平均損耗法 l等效電流法等效電流法min10CtCA CR NeqIInkkkCeqtItI121知電流負載圖；。發(fā)熱通過。；Cn CA NavavavppAp標準max11

25、2211tttptppav2Pf，需要用計算。 ：河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學l等效轉(zhuǎn)矩法等效轉(zhuǎn)矩法 l等效電流法等效電流法min10CtCA 知 ；。發(fā)熱通過。；)cos,(2CCITmNeqTTnkkkCeqtTtT121 tfT min10CtCA 知 ；。發(fā)熱通過。； tfP )(CnPTnkkkCeqtPtP121NeqPP河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學三、特殊情況處理三、特殊情況處理 重點掌握有重點掌握有起動、制動及停機過程時等效公式的修正起動、制動及停機過程時等效公式的修正，了解，了解負載圖中某

26、段負載不為常數(shù)時等效值的求法、磁通變化時等效轉(zhuǎn)負載圖中某段負載不為常數(shù)時等效值的求法、磁通變化時等效轉(zhuǎn)矩法的修正、轉(zhuǎn)速變化時等效功率法的修正。矩法的修正、轉(zhuǎn)速變化時等效功率法的修正。 eqeqPI 、2220st stssbbeqstsbT tT tT tTtttt直流電動機：直流電動機：異步電動機：異步電動機： 5 . 0 75. 0，25. 0 5 . 0，河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學河北工程大學第五節(jié)第五節(jié) 短時工作制電機容量選擇短時工作制電機容量選擇一、選用專用的短時工作制電機一、選用專用的短時工作制電機l工作時間標準工作時間標準 短時恒載短時恒載 RNRtt CPL，。 選電機：選電機