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變壓器與電動(dòng)機(jī)第1頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四第5章變壓器與電動(dòng)機(jī)5.2三相異步電動(dòng)機(jī)
5.3單相異步電動(dòng)機(jī)
5.4三相異步電動(dòng)機(jī)的電氣控制5.1變壓器第2頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.1變壓器5.1.1磁性材料的磁性能
磁性材料(如鐵、鎳、鈷及其合金)的磁導(dǎo)率很高,是制造變壓器、電機(jī)和各類電器鐵心的主要材料,磁性材料具有以下特點(diǎn)。
變壓器是一種靜止的電能轉(zhuǎn)換裝置,它利用電磁感應(yīng)原理,根據(jù)需要可以將一種交流電壓和電流等級(jí)轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓和電流等級(jí)。電動(dòng)機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠等一系列優(yōu)點(diǎn),能滿足各行各業(yè)大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)要求,在各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣。第3頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四1.高導(dǎo)磁性
磁性材料內(nèi)部存在的天然磁化區(qū)(稱為磁疇),在沒有外磁場(chǎng)的作用時(shí),磁疇呈現(xiàn)雜亂無章的排列,磁場(chǎng)相互抵銷,對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。在外加磁場(chǎng)時(shí),磁疇在外磁場(chǎng)的作用下,其方向逐漸與外磁場(chǎng)一致,產(chǎn)生遠(yuǎn)大于外磁場(chǎng)的附加磁場(chǎng),從而增強(qiáng)了原來的磁場(chǎng)。(a)無外磁場(chǎng)(b)有外磁場(chǎng)第4頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.磁飽和性
當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定程度時(shí),磁性材料中的磁疇已全部排列整齊,這時(shí)磁性材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度趨向于某一定值,稱此特性為磁飽和性。
磁性材料的磁化特性用磁化曲線(B-H曲線)來表示。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H比較小時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B與H近似成比例地增加;當(dāng)H增大到一定值后,B的增加緩慢下來,最后趨于磁飽和。因此磁性材料的B與H為非線性關(guān)系,磁導(dǎo)率不是常數(shù)。圖中B0-H為真空的磁化曲線,B0與H為正比關(guān)系。第5頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.磁滯性
磁性材料在交變磁場(chǎng)中被反復(fù)磁化,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H變化的關(guān)系為一條閉合曲線,稱為磁滯回線。
當(dāng)H減小到零時(shí),B并未回到零,這種磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁性材料的磁滯性。Br剩磁感應(yīng)強(qiáng)度(剩磁)Hc矯頑磁力永久磁鐵的磁性就是剩磁產(chǎn)生的。第6頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四
磁性材料在交變磁化過程中,由于磁滯現(xiàn)象的存在而產(chǎn)生的能量損耗,稱為磁滯損耗。在交變磁場(chǎng)作用下,在垂直于磁力線方向的鐵心截面上還會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的電流,稱為渦流,如圖所示。在鐵心內(nèi)產(chǎn)生的能量損耗稱為渦流損耗。
磁性材料的磁滯損耗和渦流損耗統(tǒng)稱為鐵損耗。為了減小鐵損耗,通常變壓器和交流電機(jī)的鐵心都采用硅鋼片疊片而成。第7頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四
磁性材料常分為以下兩類。
(1)軟磁材料。軟磁材料的磁滯回線較窄,剩磁較小,矯頑磁力較小,常用來制造變壓器、電機(jī)和電器等的鐵心。軟磁材料主要有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等。
(2)硬磁材料。硬磁材料的磁滯回線較寬,剩磁較大,矯頑磁力較大,常用來制造永久磁鐵。硬磁材料主要有碳鋼、鎳鋁鈷合金和釹鐵硼合金等。第8頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四1.變壓器的基本結(jié)構(gòu)
變壓器的主要組成部分是鐵心和繞組(俗稱器身)。電力變壓器多采用油浸式和干式結(jié)構(gòu),圖示為油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)圖。5.1.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理第9頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(1)鐵心是變壓器的主磁路,又是繞組的支撐骨架。
鐵心的基本結(jié)構(gòu)有心式和殼式兩種,如圖所示。(a)心式(b)殼式(2)繞組變壓器的電路部分,常用絕緣銅線或鋁線繞制而成。
一般電力變壓器都把繞組繞制成圓形的。工作電壓高的繞組稱為高壓繞組,工作電壓低的繞組稱為低壓繞組。在高、低壓繞組之間及繞組與鐵心之間都加有絕緣。第10頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.變壓器的額定值銘牌數(shù)據(jù)主要包括(1)額定電壓U1N和U2N(V)。對(duì)于三相變壓器指線電壓。(2)額定電流I1N和I2N(A)。對(duì)于三相變壓器指線電流。(3)額定容量SN(kVA)。由于電力變壓器的效率很高,忽略壓降損耗時(shí)有對(duì)單相變壓器
對(duì)三相變壓器
第11頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四【例5.1.1】一臺(tái)三相油浸自冷式變壓器,已知SN=560kVA,U1N/U2N=10kV/400V,試求一次、二次繞組的額定電流I1N、I2N各為多少?解第12頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.變壓器的工作原理變壓器的工作原理圖
第13頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(1)電壓變換作用變壓器是利用電磁感應(yīng)原理工作。通常接交流電源的稱為一次繞組(俗稱原繞組或初級(jí)繞組);接負(fù)載的稱為二次繞組(俗稱副繞組或次級(jí)繞組)。一次繞組加合適的交流電源電壓u1
,就有交流電流i1
流過,產(chǎn)生一次繞組磁通勢(shì),鐵心中激勵(lì)起交變的主磁通,同時(shí)交鏈一次、二次繞組。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,便在一次、二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2
。二次繞組在e2的作用下,向負(fù)載ZL供電,實(shí)現(xiàn)了能量傳遞。另有一小部分磁通經(jīng)非磁性材料形成閉路,不參與能量傳遞,為漏磁通1、2,產(chǎn)生漏磁電動(dòng)勢(shì)e1
、e2
。第14頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四
變壓器中電壓、電流、磁通及電動(dòng)勢(shì)一般采用電工慣例來規(guī)定其正方向
①同一條支路中,u與i的正方向一致;②由電流i產(chǎn)生的磁通,正方向符合右手螺旋法則;
③由磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e,其正方向與產(chǎn)生該磁通的電流i的正方向一致。
設(shè)主磁通,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,則一次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為有效值:
第15頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四同理,二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為
由于一次繞組的漏阻抗壓降較小,忽略不計(jì)時(shí),可近似地認(rèn)為空載時(shí)的二次繞組開路電壓其有效值的關(guān)系為式中k
為匝數(shù)比。表明一次、二次繞組的電壓之比與一次、二次繞組的匝數(shù)比k成正比。改變?cè)褦?shù)比k,即可改變輸出電壓。如果N1>N2,則U1>U20,為降壓變壓器;反之,N1<N2,則U1<U20,為升壓變壓器。第16頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(2)電流變換作用由于變壓器空載電流I0很小,忽略不計(jì),則有
變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí),二次繞組流過負(fù)載電流i2,一次繞組電流由空載電流i0變?yōu)樨?fù)載時(shí)電流i1,負(fù)載時(shí)的主磁通由一、二次繞組的磁通勢(shì)共同建立。由U1≈E1=4.44fN1m,當(dāng)電源U1
和f不變時(shí),產(chǎn)生E1
的主磁通也應(yīng)基本不變,所以負(fù)載時(shí)建立主磁通所需的合成磁通勢(shì)與空載時(shí)所需的磁通勢(shì)也應(yīng)基本不變,即有磁通勢(shì)平衡方程第17頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四變壓器一次、二次繞組中電流有效值的關(guān)系為表明變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí),其一次側(cè)與二次側(cè)的電流之比在數(shù)值上近似地與一、二次繞組的匝數(shù)成反比。綜合有,變壓器的繞組電壓高的,其工作電流小;繞組電壓低的,其工作電流大?!纠?.1.2】有一臺(tái)變壓器,已知額定容量SN=500VA,一次繞組匝數(shù)N1=800匝,二次繞組有兩個(gè),額定電壓為U1N/U2N/U3N=220V/110V/36V,如圖所示。(1)求二次繞組匝數(shù)N2和N3;(2)如果兩個(gè)二次繞組分別接阻性負(fù)載,繞組電流I2=2A,I3=3A,求一次繞組電流及繞組的功率。第18頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四解(1)則有一次、二次繞組的功率為
P1=U1I1=220×1.491=328WP2=U2I2=110×2=220WP3=U3I3=36×3=108W或P1≈P2+P3=220+108=328W(2)第19頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(3)阻抗變換作
變壓器和負(fù)載阻抗ZL一起是電源的負(fù)載,根據(jù)等效變換原則,在保證端口特性不變的情況下,虛線框中的電路可用等效阻抗來代替,則有表明對(duì)一次側(cè)來說,相當(dāng)于在一次側(cè)接一個(gè)k2ZL的阻抗。第20頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四【例5.1.3】已知信號(hào)源電壓US=12V,內(nèi)阻R0=600,負(fù)載電阻RL=8。(1)若將負(fù)載直接接在信號(hào)源上,如圖(a)所示,求負(fù)載獲得的功率;(2)在信號(hào)源與負(fù)載之間接入變壓器,如圖(b)所示,為使負(fù)載獲得最大功率,求變壓器的匝數(shù)比和負(fù)載獲得的功率。
(a)(b)(c)第21頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(2)為使負(fù)載電阻獲得最大功率,其等效電阻應(yīng)等于信號(hào)源內(nèi)阻R0,如圖(c)所示,即等效電阻獲得的功率即為負(fù)載電阻獲得的功率,有解(1)當(dāng)負(fù)載直接接在信號(hào)源上時(shí),負(fù)載獲得的功率則變壓器的匝數(shù)比可見,經(jīng)變壓器的阻抗變換,負(fù)載電阻獲得的功率增加了。第22頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四4.變壓器繞組的極性
繞組連接必須按照繞組的同名端正確連接,一般應(yīng)使兩個(gè)繞組在鐵心中產(chǎn)生的磁通相助。
具有磁耦合的兩個(gè)線圈,當(dāng)電流分別從兩繞組各自的某端點(diǎn)同時(shí)流入(或流出)時(shí),若兩者產(chǎn)生的磁通相助,則這兩端點(diǎn)稱為同名端,用黑點(diǎn)“·”或星號(hào)“*”做標(biāo)記。同名端的感應(yīng)電壓極性相同,故同名端也稱為同極性端。感應(yīng)電壓極性相反的端點(diǎn)稱為異名端。第23頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.1.3變壓器的運(yùn)行特性對(duì)于負(fù)載來講,變壓器的二次側(cè)相當(dāng)于一個(gè)電源。
1.變壓器的外特性變壓器一次側(cè)接額定電網(wǎng),負(fù)載功率因數(shù)一定,負(fù)載運(yùn)行時(shí)二次側(cè)端電壓隨負(fù)載電流變化的關(guān)系即外特性,U2=f(I2)。從空載到負(fù)載運(yùn)行時(shí)二次側(cè)端電壓的變化量用電壓變化率ΔU
表示,即第24頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.變壓器的效率特性
變壓器的損耗為繞組銅損耗pCu
和鐵心損耗pFe
。銅耗為可變損耗,鐵心損耗為不變損耗,
在純電阻負(fù)載時(shí),ΔU很小,U2下降得很?。辉诟行载?fù)載時(shí),ΔU較大,U2的下降大;在容性負(fù)載時(shí),二次側(cè)端電壓U2可能比空載時(shí)高,即隨I2
的增大而升高。第25頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.1.4三相變壓器
三相變壓器在對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí),各相的電壓和電流大小相等,相位上彼此相差120°,因此三相變壓器有三相變壓器組和三相心式變壓器兩種形式。三相繞組的連接主要采用星形和三角形兩種方法。三相變壓器組三相心式變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)
第26頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.1.5特殊變壓器1.自耦變壓器自耦降壓變壓器原理圖
(a)結(jié)構(gòu)(b)原理圖自耦調(diào)壓器一次、二次繞組共用一個(gè)繞組第27頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.儀用互感器
使用互感器有兩個(gè)目的:一是使測(cè)量回路與被測(cè)量回路隔離,從而保證工作人員的安全;二是可以使用普通量程的電壓表和電流表測(cè)量高電壓和大電流。(1)電壓互感器
電壓互感器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)降壓變壓器,一次繞組匝數(shù)N1多,直接并聯(lián)到被測(cè)的高壓線路上;二次繞組匝數(shù)N2少,接高阻抗的測(cè)量?jī)x表(如電壓表)。第28頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(2)電流互感器
電流互感器類似于升壓變壓器,一次繞組匝數(shù)N1少,一般只有一匝到幾匝,串聯(lián)在被測(cè)線路中;二次繞組匝數(shù)N2多,接阻抗很小的儀表(如電流表)。鉗形電流表第29頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)5.2三相異步電動(dòng)機(jī)
按轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)形式,分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子兩類;按外殼防護(hù)形式,分為開啟式、防護(hù)式、封閉式和全封閉式等;按冷卻方式,分為自冷式、自扇冷式、他扇冷式和管道通風(fēng)式等。
(a)開啟式(IP11)(b)防護(hù)式(IP22)(c)封閉式(IP44)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的外形第30頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四封閉式三相籠型異步電動(dòng)機(jī)組成圖第31頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(a)定子沖片(b)半閉口槽定子鐵心沖片及槽形第32頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四三相異步電動(dòng)機(jī)接線盒內(nèi)繞組連接示意圖第33頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四轉(zhuǎn)子鐵心沖片(a)銅條轉(zhuǎn)子繞組(b)銅條轉(zhuǎn)子(c)鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組(d)鑄鋁轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)第34頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四繞線型轉(zhuǎn)子和電刷裝置繞線型轉(zhuǎn)子與外部變阻器的連接第35頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.三相交流電的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(1)U形磁鐵的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(2)定子三相繞組及三相對(duì)稱電流(a)繞組連接(b)繞組星形連接(c)三相對(duì)稱電流波形第36頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(3)三相兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)
如果將電流iu通入U(xiǎn)相繞組、iv通入V相繞組、iw通入W相繞組,不同時(shí)刻產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng),即在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。第37頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(4)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速
繞組按U1—W2—V1—U2—Wl—V2排列一個(gè)循環(huán),產(chǎn)生一對(duì)磁極。如果要增加磁極數(shù),只要在圓周上增加繞組排列循環(huán)即可。式中,fl為電源頻率(Hz);p為磁極對(duì)數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速(即同步轉(zhuǎn)速):(r/min)磁極數(shù)與同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系(f1=50Hz)磁極數(shù)(2p)24681012n1(r/min)300015001000750600500第38頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理
異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí),0≤n<n1,故有0<s≤
1。異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),一般n略低于n1,其額定轉(zhuǎn)差率sN為0.02~0.06,這時(shí)n=(0.94~0.98)nl。
定子繞組通入三相電流,電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流(轉(zhuǎn)子繞組閉合),又將產(chǎn)生電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩,克服阻力矩后促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來,最終進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率:第39頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四【例5.2.1】某臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nN=720r/min,試求該機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和額定轉(zhuǎn)差率;另一臺(tái)4極三相異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率sN=0.05,試求該機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。解:
因異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN略低于但很接近于對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速,因此該機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1=750r/min,磁極對(duì)數(shù)p=4。額定轉(zhuǎn)差率:
對(duì)4極三相異步電動(dòng)機(jī),其同步轉(zhuǎn)速n1=1500r/min,則額定轉(zhuǎn)速:
nN=n1(1-s)=1500×(1-0.05)=1425r/min第40頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四4.三相異步電動(dòng)機(jī)的額定值(1)額定功率PN(2)額定轉(zhuǎn)矩式中,PN的單位為kW;nN的單位為r/min。式中,UN—額定電壓,IN—額定電流,
cosN—額定功率因數(shù),N—額定效率。第41頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四【例5.2.2】一臺(tái)Y160M2-2三相異步電動(dòng)機(jī),已知PN=15kW,UN=380V,nN=2930r/min,cosN=0.88,N=88.2%,定子繞組△接法。試求該機(jī)的額定電流、額定相電流和額定轉(zhuǎn)矩。解額定電流:額定相電流:額定轉(zhuǎn)矩:第42頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T的參數(shù)表達(dá)式2.固有機(jī)械特性
當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)一定時(shí),,另外,還受轉(zhuǎn)子電阻R2的影響。T-s曲線n-T曲線第43頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.降低定子端電壓的人為機(jī)械特性
如果在電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)降低定子端電壓,最大轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),電動(dòng)機(jī)因帶不動(dòng)負(fù)載而停機(jī),電動(dòng)機(jī)會(huì)燒毀。如果降低定子端電壓后啟動(dòng),其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),電動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)。(1)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)或過載能力(2)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)第44頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四【例5.2.3】一臺(tái)Y132M-4三相異步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)如下:PN=7.5kW,UN=380V,IN=15.4A,nN=1440r/min,△接法,st=2.2,m=2.3,負(fù)載TL=0.6TN。(1)求額定轉(zhuǎn)差率、額定轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩;(2)電源電壓下降為0.5UN時(shí)能否啟動(dòng)?若不能啟動(dòng),電源電壓應(yīng)大于多少才能啟動(dòng)?(3)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電源電壓下降為0.5UN,能否繼續(xù)運(yùn)行?若不能運(yùn)行,電源電壓應(yīng)大于多少才能繼續(xù)運(yùn)行?解(1)由nN=1440r/min可知,電動(dòng)機(jī)為4極的,即p=2,n1=1500r/min,則額定轉(zhuǎn)差率第45頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四此時(shí)無法帶0.6TN的負(fù)載啟動(dòng)。額定轉(zhuǎn)矩
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩(2)由,當(dāng)U1=0.5UN時(shí),得當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)才能啟動(dòng),設(shè)U1=kUN,則有第46頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四即電源電壓U1>kUN=0.522UN=198.4V時(shí)才能啟動(dòng)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電源電壓下降,無法繼續(xù)運(yùn)行,將停機(jī)。當(dāng)最大轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)才能繼續(xù)運(yùn)行,設(shè)U1=kUN,則有所以
(3)由,當(dāng)U1=0.5UN時(shí),得所以
即電源電壓U1>kUN=0.511UN=194.2V時(shí)才能繼續(xù)運(yùn)行。第47頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四4.繞線轉(zhuǎn)子串電阻的人為機(jī)械特性
繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī),其他條件不變,僅在轉(zhuǎn)子回路串入對(duì)稱三相電阻Rp,則有(1)同步轉(zhuǎn)速不變;(2)最大轉(zhuǎn)矩Tmax的大小不變,但臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子回路電阻成正比,(或nm’隨的增大而減小);(3)在繞線轉(zhuǎn)子回路串適當(dāng)?shù)碾娮杩稍龃髥?dòng)轉(zhuǎn)矩。第48頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)1.全壓?jiǎn)?dòng)存在的問題
全壓?jiǎn)?dòng)就是利用開關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)的定子繞組直接接到具有額定電壓的電網(wǎng)上,也稱為直接啟動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單,但存在問題:(1)全壓?jiǎn)?dòng)電流很大。Ist≈(4~7)IN。(2)全壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩不是很大。st=1.8~2.0。如果三相籠型異步電動(dòng)機(jī)滿足就可以允許全壓?jiǎn)?dòng)。第49頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四對(duì)于45kW的電動(dòng)機(jī)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于18.5kW的電動(dòng)機(jī),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式允許全壓?jiǎn)?dòng)【例5.2.4】一臺(tái)Y180M—4三相籠型異步電動(dòng)機(jī),已知PN=18.5kW,,其電源變壓器的容量為560kVA,問能否全壓?jiǎn)?dòng)?另有一臺(tái)Y225S—4三相籠型異步電動(dòng)機(jī),已知PN=37kW,,問能否全壓?jiǎn)?dòng)?解
不允許全壓?jiǎn)?dòng)第50頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)
降壓?jiǎn)?dòng)不改變電源電壓,只采用某種方法使電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓降低。降壓?jiǎn)?dòng)的目的是減小啟動(dòng)電流,但同時(shí)使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減?。═U12),故適用于輕負(fù)載啟動(dòng)。(1)星-三角(Y-△)降壓?jiǎn)?dòng)
啟動(dòng)時(shí),定子繞組接成星形(Y)接法,使相電壓降為額定電壓的1/;運(yùn)行時(shí),定子繞組換接成三角形(△)接法,使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下正常。啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩第51頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(2)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)
利用三相自耦變壓器降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓,以減小啟動(dòng)電流。
降壓?jiǎn)?dòng)時(shí),加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓為(變比k>1)啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩第52頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四4.三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)
采用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻,可限制啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子及定子電流;同時(shí)繞線轉(zhuǎn)子串適當(dāng)?shù)碾娮柽€能增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。(1)若采用全壓?jiǎn)?dòng)。由經(jīng)驗(yàn)公式【例5.2.5】某廠的電源容量為560kVA,一皮帶運(yùn)輸機(jī)采用Y225M-4三相籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),其PN=45kW,△接法,,帶0.8TN的負(fù)載啟動(dòng),試問能否采用:(1)全壓?jiǎn)?dòng);(2)Y-△降壓?jiǎn)?dòng);(3)73%抽頭的自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)。解不能采用全壓?jiǎn)?dòng)。
第53頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(2)若采用Y-△降壓?jiǎn)?dòng),則Y接法啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不符合要求,不能采用。
(3)若采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
可見用73%抽頭的自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng),啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩均符合電網(wǎng)和負(fù)載的要求,可以采用。啟動(dòng)電流啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩第54頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)
將接到電動(dòng)機(jī)接線端子的三相電源線的任意兩根線對(duì)調(diào),就可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向,也就改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。5.2.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速
調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,可采用改變電源頻率f、改變磁極對(duì)數(shù)p和改變轉(zhuǎn)差率s的方法來實(shí)現(xiàn),其中改變轉(zhuǎn)差率的方法中又分為改變定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻等。根據(jù)第55頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四1.變極調(diào)速變極調(diào)速一般只用于籠型異步電動(dòng)機(jī),稱為多速電動(dòng)機(jī)。變極調(diào)速的方法有:①在定子鐵心槽內(nèi)嵌放兩套不同磁極數(shù)且完全獨(dú)立的三相繞組;②單繞組反向變極法,通過改變定子繞組的接法來改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù),故又稱為單繞組變極電動(dòng)機(jī)。(1)單繞組反向變極法每相繞組分兩半,將一個(gè)“半相繞組”的電流由同向(都由首端流進(jìn)或流出)改為反向(一半繞組的電流由首端流進(jìn),另一半繞組的電流由首端流出),就可將極對(duì)數(shù)減少一半,轉(zhuǎn)速增加一倍,這就是單繞組反向變極法的變極原理。繞組正規(guī)分布時(shí)可得到倍極比(2/4極、4/8極等)的轉(zhuǎn)速。第56頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(2)Y/YY接法,低速時(shí)為單星形(Y),高速時(shí)為雙星形(YY),適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。第57頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(3)△/YY接法,低速時(shí)為三角形(△),高速時(shí)為雙星形(YY),適用于恒功率負(fù)載。
注意,在改變定子繞組接線的同時(shí),將V、W兩相的出線端進(jìn)行了對(duì)調(diào),以保證變極調(diào)速前后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變。第58頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.變頻調(diào)速
改變電源頻率可平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。f1n1n。
在基頻(額定頻率)以下進(jìn)行調(diào)速時(shí),變頻電源的輸出電壓大小與頻率成正比例地調(diào)節(jié),適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。當(dāng)頻率很低時(shí),為保持電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩,可以人為地使定子電壓U1提高一些進(jìn)行補(bǔ)償。
當(dāng)在基頻(額定頻率)以上進(jìn)行調(diào)速時(shí),保持定子電壓不變,適用于恒功率負(fù)載。第59頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速
通過改變轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法較多,主要有改變定子電壓調(diào)速法、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速法等。(1)改變定子電壓調(diào)速改變定子電壓調(diào)速只能在定子端電壓U1≤UN的范圍內(nèi)進(jìn)行。由降壓人為機(jī)械特性,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),U1n。調(diào)壓調(diào)速應(yīng)用于通風(fēng)機(jī)型負(fù)載。(2)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī),由轉(zhuǎn)子串電阻人為機(jī)械特性,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),Rp
n。這種調(diào)速方法適用于帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速,調(diào)速電阻可兼作為啟動(dòng)與制動(dòng)電阻使用,因而在起重機(jī)械的拖動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。第60頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.2.6三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1.能耗制動(dòng)
制動(dòng)時(shí),KM1斷開后將KM2閉合,即斷開異步電動(dòng)機(jī)的三相交流電源,同時(shí)將直流電流通入定子繞組。第61頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.電源反接制動(dòng)
制動(dòng)時(shí),KM1斷開后將KM2閉合,三相交流電源的兩相對(duì)調(diào)后再通入電動(dòng)機(jī)。第62頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.回饋制動(dòng)(再生發(fā)電制動(dòng))
電動(dòng)狀態(tài)時(shí),在轉(zhuǎn)向不變的條件下,使轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n1,則進(jìn)入回饋制動(dòng)(再生發(fā)電制動(dòng))狀態(tài)。第63頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.3.1分相式異步電動(dòng)機(jī)1.單相電阻啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)5.3單相異步電動(dòng)機(jī)
啟動(dòng)時(shí)主繞組、輔繞組兩個(gè)支路的阻抗不同,導(dǎo)致兩繞組中電流的相位不同,形成兩相電流,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。工作時(shí)離心開關(guān)S斷開,剩下主繞組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。第64頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.單相電容啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)
在輔繞組支路中串聯(lián)一個(gè)電容,增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同樣,當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的70%~80%時(shí),離心開關(guān)S將輔繞組從電源上自動(dòng)斷開,靠主繞組單獨(dú)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。輔繞組按短時(shí)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)的。第65頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)
輔繞組不僅在啟動(dòng)時(shí)起作用,而且在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也起作用,長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率、過載能力等運(yùn)行性能有較大的改善,運(yùn)行也比較平穩(wěn)。第66頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四4.單相雙值電容異步電動(dòng)機(jī)
電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都得到比較好的性能。啟動(dòng)時(shí),Cl和C2兩個(gè)電容并聯(lián)作啟動(dòng)電容,總?cè)萘看螅妱?dòng)機(jī)有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;運(yùn)行時(shí)由容量較小的Cl參與運(yùn)行,因此電動(dòng)機(jī)又有較好的運(yùn)行性能,第67頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.3.2罩極式異步電動(dòng)機(jī)
定子鐵心多制成凸極式,裝有集中式的主繞組,每個(gè)磁極極靴開有小槽,槽中嵌入的短路銅環(huán)將小的部分極靴罩住。由于短路銅環(huán)的作用,電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,從而旋轉(zhuǎn)起來。第68頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.4.1常用低壓電器1.按鈕按鈕主要用來發(fā)布操作命令、接通或斷開控制電路、控制機(jī)械與電氣設(shè)備的運(yùn)行。常見的有啟動(dòng)按鈕(動(dòng)合)、停止按鈕(動(dòng)斷)和復(fù)合按鈕。5.4三相異步電動(dòng)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)(a)啟動(dòng)(b)停止(c)復(fù)合按鈕的圖形符號(hào)第69頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.組合開關(guān)
組合開關(guān)常用做電源引入的開關(guān),也用于5.5kW以下電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制開關(guān)。常用的三極組合開關(guān)。每一極有一對(duì)靜觸片與盒外接線柱相接,動(dòng)觸片受手柄控制可以轉(zhuǎn)動(dòng),以達(dá)到線路的通、斷控制。第70頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.閘刀開關(guān)(a)外形(b)符號(hào)
閘刀開關(guān)又稱為膠蓋閘刀開關(guān)或隔離開關(guān),常用做隔離電源的開關(guān),以便能安全地對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行檢修或更換熔絲,也可用做照明電路和小容量(5.5kW及以下)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的電源開關(guān)。分單極(單刀)、雙極(雙刀)和三極(三刀)。刀片下端裝有熔絲,起保護(hù)作用。第71頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四4.熔斷器
螺旋式熔斷器的結(jié)構(gòu)熔斷器的電氣符號(hào)
熔斷器主要由熔體、外殼和支座等組成。當(dāng)電流超過規(guī)定值一定時(shí)間后,以它本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化而分?jǐn)嚯娐?,廣泛用于短路保護(hù)和過電流保護(hù)。常用的熔斷器有插入式熔斷器、螺旋式熔斷器、管式熔斷器和有填料式熔斷器等。使用時(shí)不允許隨意加大熔體或用其他導(dǎo)體代替熔體。第72頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.熱繼電器
使用時(shí),將發(fā)熱元件接入電機(jī)主電路,若長(zhǎng)時(shí)間過載,雙金屬片受熱彎曲,推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,促使動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開,達(dá)到保護(hù)的目的。動(dòng)作后,雙金屬片經(jīng)過一段時(shí)間冷卻,按下復(fù)位按鈕即可將觸點(diǎn)復(fù)位。第73頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四6.低壓斷路器低壓斷路器的電氣符號(hào)
低壓斷路器又稱為自動(dòng)空氣開關(guān),可用來接通和分?jǐn)嘭?fù)載電路,也可用來控制不頻繁啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。它相當(dāng)于閘刀開關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器的組合,是一種既具有手動(dòng)開關(guān)作用又能自動(dòng)進(jìn)行欠壓、失壓、過載和短路保護(hù)的電器。第74頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四
圖示為三極塑殼式低壓斷路器的外形,另有單極、二極和四極等,廣泛應(yīng)用于照明配電系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)的配電系統(tǒng)中,可以在正常情況下不頻繁地通斷電器裝置和照明線路,在線路中起過載、短路保護(hù)作用。第75頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四7.接觸器
接觸器是一種用于中遠(yuǎn)距離頻繁地接通和斷開大電流電路的開關(guān)電器。線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引動(dòng)鐵心,并帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作,使動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開,動(dòng)合觸點(diǎn)閉合。線圈斷電時(shí),電磁吸力消失,動(dòng)鐵心在釋放彈簧的作用下,使觸點(diǎn)恢復(fù)到原來的位置。第76頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(a)電磁線圈(b)主觸點(diǎn)(c)輔助觸點(diǎn)接觸器的電氣符號(hào)
接觸器主觸點(diǎn)的容量大,額定電流為5~1000A,用于控制各種電力負(fù)載,而輔助觸點(diǎn)的額定電流一般為5A,主要用于控制回路中。第77頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四8.中間繼電器JZ7系列中間繼電器的外形及結(jié)構(gòu)
中間繼電器的結(jié)構(gòu)和原理與小型交流接觸器基本相同,但觸點(diǎn)沒有主、輔之分,每對(duì)觸點(diǎn)允許通過的電流大小相同,其額定電流一般為
5A。第78頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四(a)電磁線圈(b)動(dòng)合觸點(diǎn)(c)動(dòng)斷觸點(diǎn)中間繼電器的電氣符號(hào)
中間繼電器的觸點(diǎn)數(shù)目多,通常用于傳遞信號(hào)和同時(shí)控制多個(gè)電路,也可直接用它來控制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件。第79頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四9.時(shí)間繼電器
時(shí)間繼電器是利用電磁原理或機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制的自動(dòng)開關(guān)裝置。延時(shí)方式有通電延時(shí)和斷電延時(shí)兩種,圖示為電氣符號(hào)。第80頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四10.行程開關(guān)(位置開關(guān)、限位開關(guān))行程開關(guān)原理圖和電氣符號(hào)
行程開關(guān)是利用生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸點(diǎn)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)接通或分?jǐn)噙_(dá)到控制目的。用來限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的行程或位置,實(shí)現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測(cè)。第81頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四5.4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本控制線路1.刀開關(guān)單向運(yùn)轉(zhuǎn)控制線路
合上或斷開電源開關(guān)QS就能控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或停止,從而帶動(dòng)負(fù)載工作。當(dāng)線路發(fā)生短路故障或長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重過載時(shí),熔斷器FU的熔體熔斷,切斷電源,以保證安全。熔斷器熔體的額定電流一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5~2.5倍。第82頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四2.具有過載保護(hù)的單向運(yùn)轉(zhuǎn)控制線路
圖中FU1、FU2為熔斷器,F(xiàn)R為熱繼電器,其熱元件串聯(lián)在主電路中,起過載保護(hù)作用;熔斷器FU起短路保護(hù)。第83頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四合上電源開關(guān)QS,
松開SB2,由于KM輔助動(dòng)合觸點(diǎn)閉合自鎖,保持KM線圈得電,電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。停止時(shí),按停止按鈕SB1,KM線圈失電,觸點(diǎn)復(fù)位,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。具有自鎖的單向運(yùn)轉(zhuǎn)控制線路還具有欠壓與失壓(或零壓)的保護(hù)作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載,電流超過整定電流(電動(dòng)機(jī)的額定電流值)時(shí),F(xiàn)R
動(dòng)斷觸點(diǎn)動(dòng)作,斷開控制線路,使KM線圈斷電、觸點(diǎn)復(fù)位,電動(dòng)機(jī)便脫離電源,起過載保護(hù)作用。第84頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四3.利用復(fù)合按鈕的點(diǎn)動(dòng)、長(zhǎng)動(dòng)控制線路第85頁(yè),共101頁(yè),2023年,2月20日,星期四長(zhǎng)動(dòng)控制:
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