《交流電機(jī)原理及應(yīng)用》課件

交流電機(jī)原理及應(yīng)用電力驅(qū)動(dòng)的核心技術(shù)課程概述課程目標(biāo)掌握交流電機(jī)基本原理主要內(nèi)容涵蓋結(jié)構(gòu)、原理、參數(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)方法第一章：交流電機(jī)概述1分類(lèi)同步電機(jī)、異步電機(jī)及特種電機(jī)2發(fā)展歷史從特斯拉到現(xiàn)代智能電機(jī)3定義將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的交流設(shè)備交流電機(jī)的基本類(lèi)型同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率同步需要直流勵(lì)磁功率因數(shù)可調(diào)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速略低于同步速度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固應(yīng)用廣泛交流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)換向器和電刷部件少，故障率低制造方便標(biāo)準(zhǔn)化程度高成本低，生產(chǎn)效率高維護(hù)成本低運(yùn)行穩(wěn)定可靠壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單交流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)生產(chǎn)線、傳送帶家用電器洗衣機(jī)、空調(diào)電風(fēng)扇、冰箱交通運(yùn)輸電動(dòng)汽車(chē)、地鐵電梯、輪船第二章：交流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)磁路系統(tǒng)產(chǎn)生并引導(dǎo)磁場(chǎng)電氣系統(tǒng)傳導(dǎo)電流并產(chǎn)生電磁力機(jī)械系統(tǒng)支撐部件并傳遞轉(zhuǎn)矩冷卻系統(tǒng)散熱保證正常運(yùn)行定子結(jié)構(gòu)1定子鐵芯疊片結(jié)構(gòu)減小渦流材料為硅鋼片2定子繞組單層或雙層繞組星形或三角形連接3絕緣系統(tǒng)繞組間絕緣對(duì)地絕緣轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鼠籠式轉(zhuǎn)子鋁條或銅條導(dǎo)體壓鑄工藝一次成型，堅(jiān)固耐用繞線式轉(zhuǎn)子繞組引出至滑環(huán)外部接入電阻可調(diào)控轉(zhuǎn)子參數(shù)其他部件軸承支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承機(jī)殼保護(hù)內(nèi)部組件提供機(jī)械強(qiáng)度端蓋固定軸承密封內(nèi)部空間第三章：交流電機(jī)的工作原理產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相電流創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線電磁轉(zhuǎn)矩洛倫茲力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理120°相位差三相電流相位差為120°3相數(shù)最少需要三相交流電50Hz電源頻率決定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度1500同步轉(zhuǎn)速(rpm)四極電機(jī)在50Hz下的轉(zhuǎn)速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)原理感應(yīng)電流大小與各因素的相對(duì)影響程度，磁場(chǎng)強(qiáng)度和相對(duì)速度影響最大同步電機(jī)原理1磁極對(duì)數(shù)決定同步速度，極對(duì)數(shù)越多轉(zhuǎn)速越低2同步速度計(jì)算n=60f/p，f為頻率，p為極對(duì)數(shù)3磁極鎖定轉(zhuǎn)子磁極追隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)4功率因數(shù)調(diào)節(jié)改變勵(lì)磁電流可調(diào)節(jié)功率因數(shù)異步電機(jī)原理1負(fù)載適應(yīng)負(fù)載增大轉(zhuǎn)差率增大2轉(zhuǎn)差率計(jì)算s=(n?-n?)/n?3異步速度實(shí)際轉(zhuǎn)速低于同步速度轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)差值，反映了負(fù)載情況第四章：交流電機(jī)的基本參數(shù)電機(jī)銘牌是選型和使用的重要依據(jù)，包含所有基本參數(shù)額定電壓和額定電流參數(shù)含義典型值額定電壓長(zhǎng)期工作電壓380V/220V額定電流長(zhǎng)期工作電流取決于功率電壓波動(dòng)允許范圍±10%啟動(dòng)電流啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)電流5-7倍額定值額定功率和額定轉(zhuǎn)速額定功率機(jī)械輸出功率額定轉(zhuǎn)速滿載時(shí)的轉(zhuǎn)子速度功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系通常成正比關(guān)系額定值是設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)，長(zhǎng)期運(yùn)行應(yīng)在此范圍內(nèi)效率和功率因數(shù)鐵損銅損機(jī)械損耗附加損耗風(fēng)扇損耗電機(jī)效率=輸出功率/輸入功率，功率因數(shù)反映有功功率與視在功率比值啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩電機(jī)啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩電機(jī)能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩額定負(fù)載下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩系數(shù)最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比第五章：三相異步電動(dòng)機(jī)最常用交流電機(jī)工業(yè)應(yīng)用主力堅(jiān)固可靠適應(yīng)惡劣環(huán)境維護(hù)簡(jiǎn)單無(wú)需日常保養(yǎng)成本效益高投資回報(bào)周期短三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三相對(duì)稱(chēng)繞組120°相位差排列鼠籠式轉(zhuǎn)子鋁條和端環(huán)構(gòu)成散熱系統(tǒng)風(fēng)扇和散熱筋三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速由頻率和極數(shù)決定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子跟隨磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)但速度略低于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路符號(hào)參數(shù)物理意義R?定子電阻銅損X?定子漏抗漏磁通R'?轉(zhuǎn)子電阻負(fù)載條件X'?轉(zhuǎn)子漏抗轉(zhuǎn)子漏磁通Xm勵(lì)磁電抗主磁通三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線，顯示最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法直接啟動(dòng)小功率電機(jī)使用降壓?jiǎn)?dòng)減小啟動(dòng)電流沖擊星-三角啟動(dòng)先星形后三角形連接軟啟動(dòng)電子控制平滑啟動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法變極調(diào)速更改定子極對(duì)數(shù)只能獲得幾個(gè)固定轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)復(fù)雜變頻調(diào)速改變電源頻率連續(xù)平滑調(diào)速節(jié)能效果好變頻調(diào)速是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的調(diào)速方法，可實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度調(diào)速第六章：?jiǎn)蜗喈惒诫妱?dòng)機(jī)家用電器應(yīng)用洗衣機(jī)、風(fēng)扇、冰箱小型工具電鉆、切割機(jī)、拋光機(jī)辦公設(shè)備打印機(jī)、復(fù)印機(jī)農(nóng)業(yè)設(shè)備小型灌溉泵、飼料機(jī)單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主繞組連接到電源較多匝數(shù)，細(xì)導(dǎo)線輔助繞組啟動(dòng)用較少匝數(shù)，粗導(dǎo)線離心開(kāi)關(guān)速度達(dá)到后斷開(kāi)輔助繞組防止長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1單相交流產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)不能自啟動(dòng)2輔助繞組提供相移產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)3轉(zhuǎn)子獲得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始旋轉(zhuǎn)4主繞組單獨(dú)維持運(yùn)行輔助繞組斷開(kāi)單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法分相啟動(dòng)輔助繞組空間偏移90°啟動(dòng)后斷開(kāi)電容啟動(dòng)串聯(lián)電容獲得相移啟動(dòng)力矩大電容運(yùn)行電容一直在線運(yùn)行效率高雙值電容啟動(dòng)和運(yùn)行用不同電容綜合優(yōu)點(diǎn)單相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用單相電機(jī)主要應(yīng)用于家庭和小型設(shè)備，功率通常不超過(guò)3kW第七章：同步電機(jī)100%同步率轉(zhuǎn)速與頻率完全同步90%效率大型同步電機(jī)效率高0.8-1.0功率因數(shù)可調(diào)節(jié)范圍1-100MW功率范圍從小型到大型應(yīng)用同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定子與異步電機(jī)類(lèi)似三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子凸極式或隱極式含有勵(lì)磁繞組勵(lì)磁系統(tǒng)滑環(huán)和電刷或無(wú)刷勵(lì)磁同步電機(jī)的工作原理1定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三相交流電產(chǎn)生2轉(zhuǎn)子通入直流勵(lì)磁產(chǎn)生固定磁極3轉(zhuǎn)子磁極與定子磁場(chǎng)鎖定磁極相吸相斥4同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)速度完全相同同步電機(jī)的勵(lì)磁方式電勵(lì)磁滑環(huán)供電可調(diào)勵(lì)磁電流功率因數(shù)可調(diào)永磁勵(lì)磁無(wú)需外部電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單效率高無(wú)刷勵(lì)磁無(wú)滑環(huán)和電刷維護(hù)簡(jiǎn)單可靠性高同步電機(jī)的應(yīng)用大型發(fā)電機(jī)火電、水電廠功率因數(shù)調(diào)節(jié)改善電網(wǎng)質(zhì)量高精度控制系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化第八章：特種交流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)其他特種電機(jī)特種電機(jī)是為特定應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的電機(jī)，具有特殊性能特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)多相繞組定子帶齒的永磁轉(zhuǎn)子精密齒距設(shè)計(jì)原理脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)每脈沖旋轉(zhuǎn)固定角度開(kāi)環(huán)控制位置應(yīng)用3D打印機(jī)精密儀器數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)本體與反饋元件組合原理閉環(huán)控制位置、速度和轉(zhuǎn)矩應(yīng)用機(jī)器人、高精度自動(dòng)化設(shè)備特點(diǎn)響應(yīng)快、精度高、動(dòng)態(tài)性能好無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子，電子換向原理電子控制系統(tǒng)代替機(jī)械換向器優(yōu)點(diǎn)高效率，低噪音，長(zhǎng)壽命應(yīng)用電動(dòng)工具，電動(dòng)車(chē)，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器第九章：交流電機(jī)的控制技術(shù)控制器處理算法與指令功率模塊提供電能調(diào)節(jié)傳感器獲取反饋信息通信接口與上位系統(tǒng)連接變頻控制技術(shù)整流環(huán)節(jié)交流轉(zhuǎn)直流直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能和濾波逆變環(huán)節(jié)直流轉(zhuǎn)可變頻交流控制環(huán)節(jié)SPWM調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生矢量控制技術(shù)1坐標(biāo)變換三相靜止坐標(biāo)轉(zhuǎn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)2電流分離分離磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流3閉環(huán)控制獨(dú)立控制磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩4逆變輸出產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)基本原理直接控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩基于空間電壓矢量選擇動(dòng)態(tài)響應(yīng)快實(shí)現(xiàn)方法磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算滯環(huán)比較器開(kāi)關(guān)表查詢(xún)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快低速性能好第十章：交流電機(jī)的保護(hù)與維護(hù)保護(hù)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)方式保護(hù)目標(biāo)過(guò)載保護(hù)熱繼電器防止繞組過(guò)熱短路保護(hù)斷路器防止電流瞬時(shí)過(guò)大過(guò)熱保護(hù)溫度傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度缺相保護(hù)相序繼電器防止單相運(yùn)行過(guò)壓欠壓保護(hù)電壓監(jiān)測(cè)防止電壓異常過(guò)載保護(hù)過(guò)載倍數(shù)跳閘時(shí)間(秒)過(guò)載保護(hù)裝置的跳閘特性曲線，過(guò)載倍數(shù)越大，跳閘時(shí)間越短短路保護(hù)熔斷器經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的一次性保護(hù)斷路器可重復(fù)使用的自動(dòng)保護(hù)快速熔斷器保護(hù)功率半導(dǎo)體器件電子保護(hù)快速檢測(cè)和響應(yīng)過(guò)熱保護(hù)155°CF級(jí)絕緣常用絕緣等級(jí)的溫度限值10°C溫升余量保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)與極限溫度差值3傳感器數(shù)量大型電機(jī)的熱保護(hù)點(diǎn)數(shù)PTC傳感器類(lèi)型正溫度系數(shù)熱敏電阻日常維護(hù)和檢查清潔定期清除灰塵和污物溫度監(jiān)測(cè)檢查運(yùn)行溫度是否正常振動(dòng)檢查監(jiān)測(cè)軸承和平衡狀況絕緣測(cè)試定期測(cè)量絕緣電阻常見(jiàn)故障及處理方法故障現(xiàn)象可能原因處理方法不能啟動(dòng)電源問(wèn)題檢查電源和保險(xiǎn)過(guò)熱過(guò)載或通風(fēng)不良減輕負(fù)載，清理風(fēng)道噪音異常軸承磨損更換軸承振動(dòng)過(guò)大不平衡或松動(dòng)平衡轉(zhuǎn)子，緊固部件漏電絕緣損壞維修或更換繞組第十一章：交流電機(jī)的選型與應(yīng)用1精細(xì)匹配考慮特殊工況和精確需求2安全系數(shù)留有合理裕量3負(fù)載特性確定負(fù)載類(lèi)型和要求4基本需求功率、轉(zhuǎn)速、電壓等參數(shù)電機(jī)選型的基本原則確定負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩或變轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動(dòng)特性要求計(jì)算所需功率考慮負(fù)載功率和效率添加安全系數(shù)選擇電機(jī)類(lèi)型異步、同步或特種電機(jī)高效節(jié)能考慮匹配控制方式直接啟動(dòng)或變頻控制速度和精度要求負(fù)載特性分析速度百分比恒轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)負(fù)載恒功率不同類(lèi)型負(fù)載的轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線，選擇電機(jī)時(shí)必須匹配對(duì)應(yīng)特性環(huán)境因素考慮溫度環(huán)境溫度影響散熱高溫需降額使用低溫需防凍措施濕度潮濕環(huán)境需防水選擇適當(dāng)防護(hù)等級(jí)考慮絕緣防潮處理腐蝕性環(huán)境化工廠特殊防護(hù)可能需要不銹鋼部件專(zhuān)用防腐涂層典型應(yīng)用案例分析工業(yè)應(yīng)用傳送帶系統(tǒng)，變頻調(diào)速家用電器應(yīng)用直驅(qū)洗衣機(jī)，高效節(jié)能新能源領(lǐng)域應(yīng)用電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第十二章