維修電工之電機(jī)的工作原理

1、第1章 電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性掌握直流電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和電壓平衡方程式；三相異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率的概念; 掌握電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，特別是人工機(jī)械特性；掌握電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)，調(diào)速的各種方法和應(yīng)用場所；了解用機(jī)械特性來分析電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法;了解常用控制電機(jī)的應(yīng)用場合.1.1直流電機(jī)的工作原理及特性1.直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主磁極電樞換向器電刷裝置直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖剖面圖：電樞1；主磁極2；換向極4；機(jī)座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3；連接片4；云母環(huán)22.直流電機(jī)的基本工作原理發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)簡化為一對(duì)磁極,一個(gè)線圈1)感應(yīng)電勢(shì)E2.直流電機(jī)的基本方程式2)電磁轉(zhuǎn)矩TtaTKI-一對(duì)

2、磁極的磁通(Wb);n-電樞轉(zhuǎn)速(r/min); Ke -與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù).式中:E-電動(dòng)勢(shì)(V);-一對(duì)磁極的磁通(Wb); Ia-電樞電流(A); Kt-與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù).式中:T-電磁轉(zhuǎn)矩(Nm);nKEe3.直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.他激和并激直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1)原理電路圖1)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓平衡方程式 aaUEI ReEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKK K上式為直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式式中,Ra為電樞電阻.以代入得:taTKI由將Ia值再代入,得:機(jī)械特性曲線n=f(T)4.固有(自然)機(jī)械特性和人工機(jī)械特性1)他激直流電動(dòng)機(jī)的自

3、然機(jī)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(shí)的機(jī)械特性即為自然機(jī)械特性.額定負(fù)載時(shí),轉(zhuǎn)速降落不多,是硬特性;金屬切削機(jī)床,冷軋機(jī),造紙機(jī)等宜于選用硬特性的電動(dòng)機(jī).02aeetRUnTnnKK K2)自然機(jī)械特性曲線的作法已知電動(dòng)機(jī)的PN,UN,IN,nN,由公式可計(jì)算出Ra,Ke , N0 500 751NNaNNNpURU II NNaeNNUI RKn0NeNUnK9 55NNNPTn(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計(jì)算:(3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計(jì)算:no,TN,找出兩個(gè)點(diǎn),即理想空載點(diǎn)(o,no)和額定運(yùn)行點(diǎn)(TN,nN),通過這兩點(diǎn)作出自然機(jī)械特性.3)舉

4、例(1)一臺(tái)Z2-51型直流他激電動(dòng)機(jī),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(jī)械特性.解:分析 只要求出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn),就可繪出機(jī)械特性. 0 500 751NNaNNNpURU II =0.71NNaeNNUI RKn=0.132NoeNUnK=1667r/min9 55NNNPTn=35Nm4)電動(dòng)機(jī)人工機(jī)械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機(jī)械特性在自然機(jī)械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機(jī)械特性方程式:附加電阻Rad越大,機(jī)械特性越軟.nnTKKRRKUnteaadeN02

5、02aeetRUnTnnKK K(2)改變電樞電壓的人工機(jī)械特性U改變,但轉(zhuǎn)速降不變.因此,變電樞電壓的人工機(jī)械特性是一簇與自然機(jī)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(dòng)調(diào)速系統(tǒng)學(xué)習(xí)中有廣泛的應(yīng)用. NoeNUnK隨U的變化而變化02aeetRUnTnnKK K(3)改變磁通的人工機(jī)械特性從機(jī)械特性方程可知,改變磁通時(shí),電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)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(dòng)機(jī)過載,更要防止飛車,因此,直流他激電動(dòng)機(jī)設(shè)有失磁保護(hù).02aeetRUnTnnKK K串激直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1)特

6、點(diǎn):電樞電流就是激磁電流.2)機(jī)械特性分析: 第一段,電動(dòng)機(jī)輕載時(shí),機(jī)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(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí),磁路趨于飽和,機(jī)械特性近似一條直線.3)注意事項(xiàng): 直流串激電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行-飛車事故. 4 直流他激電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性直流他激電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動(dòng).限制其起動(dòng)電流的方法有兩種.1.降壓起動(dòng): 組成SCR-M自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)環(huán)節(jié).是后面學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn).2.電樞電路串外接電阻起動(dòng) 右圖為具有三段起動(dòng)電阻的他激電動(dòng)機(jī)電路原理圖和起動(dòng)特性, 其起動(dòng)特性就是前面剛剛學(xué)習(xí)過的一種人工機(jī)械特性.5.直流他激電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

7、特性直流他激電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)分為電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài),如右圖所示.圖中,(a)為電動(dòng)狀態(tài); (b)為制動(dòng)狀態(tài).1)特點(diǎn):電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反,電機(jī)處于發(fā)電工作狀態(tài).2)制動(dòng)形式:穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài); 過渡的制動(dòng)狀態(tài).3)制動(dòng)方法有3種: 反饋制動(dòng); 反接制動(dòng); 能耗制動(dòng).1.反饋制動(dòng)1)實(shí)現(xiàn)條件:外部作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n大于其理想空載轉(zhuǎn)速no.如,電車下坡,起重機(jī)下放重物.2)機(jī)械特性:正轉(zhuǎn)時(shí),是第一象限的機(jī)械特性在第二象限內(nèi)的延伸,如右圖所示.3)特點(diǎn):(1)利用位能轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電,將機(jī)械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仍高于理想空載轉(zhuǎn)速,運(yùn)行不太安全.2.反接制

8、動(dòng)1)實(shí)現(xiàn)條件:電樞電壓或電樞電勢(shì)反向.2)分類:(1)電源反接制動(dòng).改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的制動(dòng).機(jī)械特性方程式為; TKKRRKUnteadae2 為了限制制動(dòng)時(shí)比較大的電樞電流,實(shí)施電源反接制動(dòng)時(shí),一定要在電樞電路中串入限流電阻. 應(yīng)用在需要迅速減速或頻繁正反轉(zhuǎn)的機(jī)械上.(2)倒拉反接制動(dòng).改變電樞電勢(shì)方向所產(chǎn)生的制動(dòng).如:起重機(jī)的重物下降時(shí),電樞反轉(zhuǎn),電勢(shì)反向.此時(shí),位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL使重物下放,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TM反對(duì)重物下放-制動(dòng).特點(diǎn):適當(dāng)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(dòng)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.

9、反接制動(dòng)3.能耗制動(dòng)1)實(shí)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(shí)電動(dòng)機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T與n反向-制動(dòng).2)特點(diǎn):制動(dòng)時(shí)的機(jī)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(dòng)機(jī)不可能反向起動(dòng).3)應(yīng)用:要求迅速準(zhǔn)確停車的場合;重物恒速下放. 6.直流他激電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性由直流他激電動(dòng)機(jī)人工機(jī)械特性方程式直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法:式中, Ke,Kt,Ra 均為常數(shù),因此,電動(dòng)機(jī)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 .TKKRRKUnteadae21.改變電樞電路外接電阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)電樞電路串電阻后,其人工機(jī)械特性如右圖示

10、.1)應(yīng)用: 起重機(jī),卷揚(yáng)機(jī);2)缺點(diǎn):機(jī)械特性軟,實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速困難;3)注意:串電阻調(diào)速與起動(dòng)特性相似,但起動(dòng)電阻與調(diào)速電阻不同. 2.改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓調(diào)速變電樞電壓調(diào)速的機(jī)械特性如右圖.1)特點(diǎn):容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速;機(jī)械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動(dòng)設(shè)備.2)應(yīng)用;適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,組成SCR-M系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用.第11章將重點(diǎn)學(xué)習(xí).3.改變電動(dòng)機(jī)主磁通調(diào)速變磁通調(diào)速的機(jī)械特性如右圖示.1)特點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速;機(jī)械特性軟;調(diào)速范圍不大.2)應(yīng)用:適用于恒功率負(fù)載.一般與調(diào)壓配合使用.3)注意:在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)-弱磁增速.例題例:一臺(tái)直流他激電機(jī)的額定數(shù)據(jù)為;

11、PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐 ;如果電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行,求(1)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓降到180V時(shí),電動(dòng)機(jī)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(shí))時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?(3)電樞電路串入2歐的附加電阻時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?解: 1500220055. 955. 9NNNnPTT13. 015007 . 14 .12220NaNNeenRIUKK24. 113. 055. 955. 9etKK16. 024. 113. 02tKKe12361416. 07 . 113. 01802NteaeTKKRK

12、Un1962n(1)此時(shí),U=180V,Ra=1.7歐=14例題求解99. 055. 9etKK099. 02teKK(2)此時(shí),U=UN=220V,Ra=1.7歐min/196214099. 07 . 11 . 0220(2rTKKRKUnNteaeN(3)此時(shí),U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.713. 0eK24. 1tK16. 02teKK13681416. 07 . 313. 02202NteadaNeNTKKRRKUn(以上轉(zhuǎn)速單位為r/min)1 . 08 . 0NeeKK5.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,

13、9.風(fēng)扇風(fēng)扇,11.軸承軸承,12.機(jī)座機(jī)座00nnnS此時(shí)的合成磁場如圖此時(shí)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(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了位置順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了。按以上分析可以證明：當(dāng)三。按以上分析可以證明：當(dāng)三相電流隨時(shí)間不斷變化時(shí)，合成磁場的方向在空間也不相電流隨時(shí)間不斷變化時(shí)，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(shí)，時(shí)，t=T/2=,it=T/2=,iA A=0=0；i iB B為正；為正；i iC C為負(fù)。為負(fù)。pfn600式中式中,f,f為電源頻率為電源頻率50HZ;p50

14、HZ;p為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù). .電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為1 1時(shí)時(shí), ,同步轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速為3000r/min;3000r/min;電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為2 2時(shí)時(shí), ,同步轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速為1500r/min;1500r/min;電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為3 3時(shí)時(shí), ,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.dtdNe1其有效值為其有效值

15、為 : :11144.4NfE 定子和轉(zhuǎn)子電路的感應(yīng)電勢(shì)定子和轉(zhuǎn)子電路的感應(yīng)電勢(shì)11EU其大小為其大小為:11EU忽略忽略R1和和X1上的電壓降上的電壓降,有有:)1(11111EIIUxjR考慮定子電流產(chǎn)生的漏磁考慮定子電流產(chǎn)生的漏磁通通, ,用復(fù)數(shù)表示為用復(fù)數(shù)表示為: :一相電路圖一相電路圖dtdNe2222244. 4NfE 12sff 其中其中21244. 4NfEo起動(dòng)瞬間起動(dòng)瞬間osEE2221202LLfXosxx22220222222222)(sXRsEXREIo2202222)(sXRRCOSNNNnPT9550NNNNNIUPcos31111cos3IUP 1112PPPP

16、PP2等于等于P1減去電動(dòng)機(jī)的總損耗減去電動(dòng)機(jī)的總損耗電源輸入的功率P1:電動(dòng)機(jī)的輸出功率P2(銘牌功率)VNfE1634023. 03205044. 444. 4111VNfEo102023. 0205044. 444. 4212HzfsfN43. 1500285. 012解解:1):1)由電勢(shì)計(jì)算公式得由電勢(shì)計(jì)算公式得 : : VNfEo102023. 0205044. 444. 42123)3)額定轉(zhuǎn)速時(shí)額定轉(zhuǎn)速時(shí), ,轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率2)2)轉(zhuǎn)子繞組開路時(shí)轉(zhuǎn)子繞組開路時(shí),f2=f1,f2=f1,得得 AXREIst5 .24208. 002. 0202222022202

17、例例2:一臺(tái)一臺(tái)4極三相異步電動(dòng)機(jī)極三相異步電動(dòng)機(jī),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(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)E20=20V,求求: 1)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速;2)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流電流.解解;1)電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)為4極極,磁極對(duì)數(shù)磁極對(duì)數(shù)p=2,有有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流 22cosIKTt220222222222)(sXRsEXREIo2202222)(sXRRCOS21244. 4NSfEo代入

18、代入用用代入代入,合并上面幾個(gè)式子得轉(zhuǎn)矩又一公式合并上面幾個(gè)式子得轉(zhuǎn)矩又一公式:2202222)(SXRUSRKT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NNNnPT955000nnnSNN2202222XRURKTstNststTT202XRSm2022XUKTmanNmanmTT解解(1)電動(dòng)機(jī)額定功率與供電變壓器容量之比為電動(dòng)機(jī)額定功率與供電變壓器容量之比為 75/320=0.2340.2 電動(dòng)機(jī)不宜直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)不宜直接起動(dòng). (2)(2)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為 TN=9550(PN/nN)=TN=9550(PN/nN)= 9550(

19、750/1480)=484Nm 9550(750/1480)=484NmTstTst=1.9TN=1.9X484=920Nm=1.9TN=1.9X484=920Nm如果采用如果采用Y- Y- 降壓起動(dòng)降壓起動(dòng), ,則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的三分之一則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的三分之一, ,即即TstYTstY=1/3X920=307200=TL=1/3X920=307200=TL因此因此, ,可以采用可以采用Y- Y- 降壓起動(dòng)降壓起動(dòng). .2cos2cos2cos3AXREIst87604163. 00344. 01462222022202206. 0cos2202222XRR984. 0cos2得得222222)(cosXRRRR得得R=0.0732歐歐; 由由222222)(XRREI由下式由下式0196. 0202 SXX5 .17202 SEE12. 060052860000nnnS (3)984. 0cos222222