2012能源管理师培训课件(电气-上) 第04章――电机与拖动

§4.1电机与拖动一、电机分类通常所说的电机，指那些利用电磁感应原理设计制造而成的、用于实现能量或信号传递与变换的电磁机械的统称。包括：发电机——机械能转换成电能电动机——电能转化成机械能变压器、变频机、变流机、移相器——是分别用于改变电压、频率、电流及相位的，即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能;控制电机—应用于各类自动控制系统中的控制元件。从基本工作原理来看，发电机与电动机只是电机的两种不同的运行方式，能量转换，两者是可逆的。电动机拖动生产机械的运转称为电力拖动（或称为电气传动）。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五个部分组成。二、同步电动机同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式应用在小容量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中。同步电动机的特点是：转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速，其功率因数可以调节。当电动机的转速接近同步转速时，才对转子励磁。这时旋转磁场就能紧紧牵引转子一起转动。以后转速便保持同步。改变定子相电压与相电流的功率因数角，可以使电机运行于感性、电阻性、电容性三种状态。可以提高电动机本身的功率因数，也可以用来提高电网的功率因数。同步电动机常用于长期连续工作及保持转速不变的场所，如用来驱动水泵、通风机、压缩机。三、其他电机异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的。控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。控制电机种类很多，常用的有伺服电动机、测速电动机、步进电机。对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠。§4.2变压器及其应用提高电压等级可以减小输电线的截面积，节省材料，同时还可以减少线路的功率损耗。因此在输电时必须用变压器将电压升高。为了保证用电的安全和合乎用电设备的电压要求，还要利用变压器将电压降低。在电子线路中，除电源变压器外，变压器还用来耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。此外，有自耦变压器、互感器及各种专用变压器。一、变压器工作原理变压器由闭合铁芯和高压、低压绕组等几个主要部分构成。（一）电磁关系（自学）（二）电压关系（设加正弦交流电压）1.一次侧二次侧主磁通感应电动势设主磁通为tmsin)90sin(cos1111tEtNdtdNemm有：)90sin(cos2222tEtNdtdNemm感应电动势的有效值为：mmmfNfNEE111144.4222mmmfNfNEE222244.42222.一次二次电压二次侧空载时，kNNEEUU2121201（三）电流变换电流关系为：KNNII11221变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是一、二次绕组中电流的比值是基本不变的。（四）阻抗变换2222121222111IUNNINNUNNIUZIU22ZIU11ZKZ2二、变压器的额定值（一）额定电压（二）额定电流（三）额定容量NNNNNIUIUS1122三、变压器的损耗与效率变压器的功率损耗包括铁芯中的铁损耗和绕组上的铜损耗两部分。变压器的铁耗与原边绕组所施加的电压有关，在其不变的前提下，铁耗为一常数，通常称为不变损耗。变压器的铜耗为原边、副边绕组电阻上所消耗的功率，随负载的变化而变化，称为可变损耗。FePCuP变压器的效率常用下式确定：FeCuPPPPPP1212效率特性曲线，变压器的效率在某一负载时最高。四、特殊变压器（一）自耦变压器结构特点是：副绕组是原绕组的一部分，原、副绕组不但有磁的联系，也有电的联系。在实验室或某些电子设备中经常用到。使用时要注意原、副绕组的公共端应接零线，以保正用电安全。自耦变压器的原理与普通电力变压器相同。Z+u1－+u2－N1N2（二）电流互感器电流互感器可扩大交流电流表的量程。注意：二次侧不能开路，以防产生高电压；铁芯、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过电压。（三）电压互感器电压互感器是用来实现用低量程的电压表测量高电压的。注意：二次侧不能短路，以防产生过流；铁芯、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在二次侧出现过电流。§4.3直流电动机直流电动机就是将直流电能转化成机械能的电机，按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励。直流电动机的优点：较好的调速性能，调速范围广，易于平滑调节，起动、制动转矩很大，易于快速起动、停车，易于控制。一、直流电动机的工作原理（自学）由定子（磁极）、转子（电枢）和机座等部分构成。任何电机的工作原理都建立在电磁力和电磁感应基础上。二、直流电机的机械特性（自学）三、并励电动机的调速并励电动机调速的优点(1)调速均匀平滑，可以无级调速。(2)调速范围大，调速比可达200以上。由转速公式可见并励电机调速方法有3种:(1)改变电压调速优点：机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；调速幅度较大，可达6~10;可均匀调节电枢电压，可得到平滑的无极调速。但是需要电压可以调节的专用设备，投资较高。近年来普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变转速。EaaKIRUn(2)改变磁通调速（保持电枢电压不变，改变励磁电流）优点：调速平滑，可到达无级调速；调速经济，控制方便；机械特性硬，稳定性比较好；对专门生产的调磁电动机，其调速幅度可达3~4。注意事项：若调速后电枢电流不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。这种调速方法只适合于恒功率调速。(3)电枢回路串电阻调速在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降。特点：设备简单，操作方便；机械特性软，稳定性差；能量损耗大，只用于小型直流机。§4.4异步电动机异步电动机（也叫感应电机）是指电机工作时转子的速度与定子旋转的磁场速度不一致的电机。其主要优点包括：笼型转子异步电机结构简单、牢固，特别适合用于高圆周速度电机；无集电环和碳刷，可靠性高，不受使用场所限制；由于无转子励磁磁场，不需要同期及电压调节装置，电站设备简化，负荷控制十分简单。异步电动机被广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。Pfn11601、定子上有完全相同的三个绕组AX,BY,CZ,它们在空间上互差1200电角度，称之为三相对称绕组。2、转子绕组为闭合绕组；3、旋转磁场的转速n1称为同步转速：一、三相异步电机的工作原理感应电机的基本工作原理转子绕组的导体处于旋转磁场中;转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向;电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转;转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流i2;感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力Bi2l;vBle2转差（n1-n）与同步转速n1的比值称为转差率，用‘S’表示：转差率是感应电机的一个基本参数它对电机的运行有极大影响。它的大小同样也能反映转子转速，即：1)1(nSn10nn10S;05.0NS一般而言，额定转差率11nnnS切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才能切割磁力线。11195.0)05.01()1(nnnSn电机实际转速：n转/分同步转速：Pfn1160转/分，30001nP=115001n10001n7501n6001nP=2P=3P=4P=5例：某三相50Hz的感应电动机的额定转速，试求该电机的额定转差率和极对数。min]/[720rnN解：求极对数，根据公式Pfn1160所以，极对数4P04.075072075011nnnSN额定转差率讨论n＝750算例分析：二、三相异步电动机的电路分析三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2。（一）定子电路1.旋转磁场的磁通φ因为所以：111144.4NfEU11144.4NfU2.定子感应电势的频率f1感应电动势的频率与磁场和导体间的相对速度有关，旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以：6010pnf（二）转子电路1.转子感应电势频率f2因为定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而变化，所以旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同。转子感应电动势频率见下式：10000260**60sfpnnnnpnnf2.转子感应电动势E22122244.444.4NsfNfE当转速n=0时，s=1,E2最大。3.转子感抗X22122LsfX当转速n=0时，s=1,X2最大。4.转子电流I2222222XREI5.转子电路的功率因数cosφ2222222cosXRR结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率s有关，即与转速n有关。三、三相异步电动机转矩与机械特性（一）转矩公式22022212)(sXRUsRKTK是与电动机结构有关。（二）机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，转矩与转差率的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T),如下图所示：1.额定转矩TNmin)/()(9550rnkwPTNNN转矩单位为牛米2.最大转矩Tmax2021max2XUKT转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tmax,否则将造成堵转。3.起动转矩Tst电动机刚起动时的转矩称为启动转矩。22022212XRURKTst四、三相异步电动机的损耗Δp（一）恒定损耗恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗也称为空载损耗P0，它与负载大小无关，与电动机材料、制造工艺、结构设计、转速等参数有关。恒定损耗包括铁芯损耗（含空载杂散损耗）及机械损耗。（二）负载损耗负载损耗主要是指电动机运行时，定子转子绕组通过电流分别在定子绕组电阻和转子绕组电阻上引起的损耗，亦称铜耗。它包括定子铜耗和转子铜耗。负载损耗大小取决于负载电流及绕组电阻值。（三）杂散损耗杂散损耗主要是由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁芯及其他金属部件内所引起的损耗。当异步电机空载时，损耗主要是恒定损耗，这时轴输出为零，其效率也为零；当负载从零增加时，负载损耗随负载增加，但总损耗增加较慢，效率曲线上升很快；当恒定损耗等于负载损耗时，效率达到最大值。随后若负载继续增大，负载损耗增加很快，其效率反而减小。从异步电动机的特性曲线可以看出，选择电机时应使电动机的容量与机械负载相匹配。如果电动机容量选的过小，电动机运行时要过载，以至温升过高而影响使用寿命。但选的过大，不仅电动机的价格较高，而且电动机长期处于低负荷下运行，此时效率和功率因数都很低，浪费能源，经济性差。五、三相异步电动机的起动起动电流大，起动转矩小，转子绕组感应出的电动势和产生的转子电流都很大，后果就是频繁起动造成热量积累，电机过热。（二）起动方法异步电动机的起动主要有直接起动、降压起动和转子串电阻起动。直接起动主要针对30kW以下。如果直接起动所引起的线路电压降较大，必须采用降压起动，就是降低加在电机定子绕组上的电压，以减小起动电流。异步电动机的降压起动常有两种方法：1、Y-Δ换接起动需注意：1）仅使用于正常运行为三角形连接的电机；2）起动电流小，起动转矩也小，适合控制或轻载起动。2、自耦降压起动利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低。六、三相异步电动机的调速调速即在同一负载下得到不同的转速，以满足生产过程的要求。pfsnsn1060)1()1(改变电动机的转速有三种可能：即改变电源频率f1、极对数p及转差率s。前两者用于笼型电动机，后者用于绕线型电动机。变频调速方法可以实现无级平滑调速，调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。采用变级调速的方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合。只要在绕线型电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大小，就可得到平滑转速。增大调速电阻时，转差率上升，转速下降。优点是设备简单、投资少，但能量损耗较大。广泛应用于其中设备中。