《交流電機(jī)原理》課件

交流電機(jī)原理電機(jī)技術(shù)核心課程深入探索交流電機(jī)工作原理課程概述課程目標(biāo)掌握交流電機(jī)基本理論主要內(nèi)容電機(jī)結(jié)構(gòu)、原理、控制方法學(xué)習(xí)方法第一章：交流電機(jī)簡介定義將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置歷史發(fā)展從法拉第到特斯拉的重大突破應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)、交通、家電等多領(lǐng)域交流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子固定部分，包含主繞組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分，產(chǎn)生機(jī)械輸出軸承和外殼支撐和保護(hù)內(nèi)部組件定子結(jié)構(gòu)詳解定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成減小渦流損耗定子繞組導(dǎo)線排列成特定方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場絕緣材料防止繞組間短路耐高溫、耐腐蝕轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)詳解鼠籠式轉(zhuǎn)子鋁或銅導(dǎo)條短接結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用常用于異步電機(jī)繞線式轉(zhuǎn)子帶有繞組的轉(zhuǎn)子可通過電刷引入電流起動性能好永磁轉(zhuǎn)子含永磁材料無需勵磁效率高交流電機(jī)的分類同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率同步需要勵磁系統(tǒng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步速度結(jié)構(gòu)簡單可靠其他類型單相電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)第二章：交流電機(jī)的工作原理電磁感應(yīng)定律法拉第發(fā)現(xiàn)磁通變化產(chǎn)生電動勢旋轉(zhuǎn)磁場原理多相交流電產(chǎn)生特斯拉首次提出旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生單相交流電需要輔助繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場三相交流電自然形成旋轉(zhuǎn)磁場多相交流電磁場更加均勻旋轉(zhuǎn)磁場的特性旋轉(zhuǎn)速度與頻率和極對數(shù)相關(guān)磁場強(qiáng)度由電流和匝數(shù)決定極對數(shù)的影響極對數(shù)增加，速度減小感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生1法拉第電磁感應(yīng)定律導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電動勢2感應(yīng)電動勢的大小與磁通變化率成正比3感應(yīng)電動勢的頻率與磁場旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)交流電機(jī)的基本方程電壓方程描述電壓、電流和磁鏈關(guān)系磁鏈方程表示磁鏈與電流的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)矩方程計算電磁轉(zhuǎn)矩的大小第三章：異步電機(jī)原理95%市場占有率工業(yè)應(yīng)用最廣泛1891發(fā)明年份特斯拉發(fā)明75%最高效率現(xiàn)代高效設(shè)計異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義同步速度與實際速度差值的比率計算方法s=(n?-n)/n?影響因素負(fù)載、電源電壓、轉(zhuǎn)子阻抗異步電機(jī)的等效電路單相等效電路簡化分析模型忽略相互影響T型等效電路完整模型考慮漏磁和互感Γ型等效電路簡化模型便于控制系統(tǒng)設(shè)計異步電機(jī)的功率關(guān)系輸入功率電源提供的電功率銅損和鐵損電阻損耗和磁滯渦流損耗輸出功率和效率機(jī)械軸輸出功率與效率計算異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)矩異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)異步電機(jī)的起動方法直接起動小功率電機(jī)適用降壓起動降低起動電流變頻起動軟起動，減小沖擊異步電機(jī)的調(diào)速方法極數(shù)變換通過改變定子繞組連接方式只能獲得離散速度轉(zhuǎn)子變阻適用于繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)調(diào)速范圍窄且效率低變頻調(diào)速調(diào)速范圍寬效率高，精度好第四章：同步電機(jī)原理定義轉(zhuǎn)速與磁場同步旋轉(zhuǎn)的電機(jī)工作原理轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場相互作用應(yīng)用大功率發(fā)電、精密控制同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)凸極式極數(shù)較多，適用于低速隱極式高速運(yùn)行，結(jié)構(gòu)緊湊永磁式無需勵磁，效率高同步電機(jī)的勵磁系統(tǒng)直流勵磁通過滑環(huán)和電刷引入直流電交流勵磁經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換為直流電無刷勵磁轉(zhuǎn)子上安裝勵磁機(jī)同步電機(jī)的矢量圖無載矢量圖僅有感應(yīng)電動勢無負(fù)載轉(zhuǎn)矩有載矢量圖電流與電壓有相位差產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩功率角特性功率角決定輸出功率靜態(tài)穩(wěn)定性邊界同步電機(jī)的功率特性功率角(°)有功功率(pu)無功功率(pu)同步電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行并網(wǎng)條件電壓相等、頻率相同、相位一致并網(wǎng)過程調(diào)整轉(zhuǎn)速、電壓、相位后并入并網(wǎng)后的調(diào)節(jié)調(diào)整勵磁電流控制功率因數(shù)同步電機(jī)的穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定性小擾動下的自恢復(fù)能力動態(tài)穩(wěn)定性大擾動下的穩(wěn)定運(yùn)行能力提高穩(wěn)定性的措施增加阻尼繞組、安裝穩(wěn)定器同步電機(jī)的調(diào)速方法變頻調(diào)速改變供電頻率勵磁調(diào)節(jié)影響功率因數(shù)功率角調(diào)節(jié)調(diào)整負(fù)載轉(zhuǎn)矩第五章：特殊交流電機(jī)單相交流電機(jī)原理應(yīng)用領(lǐng)域家用電器、小功率設(shè)備工作原理輔助繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場結(jié)構(gòu)特點主繞組和輔助繞組構(gòu)成單相交流電機(jī)的啟動方法分相啟動輔助繞組相位偏移90°啟動后斷開電容啟動電容產(chǎn)生相位差啟動轉(zhuǎn)矩大鼠籠式啟動特殊設(shè)計的鼠籠轉(zhuǎn)子自啟動能力永磁同步電機(jī)原理結(jié)構(gòu)特點轉(zhuǎn)子采用永磁材料無需勵磁繞組工作原理永磁體與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用轉(zhuǎn)速與電源頻率同步優(yōu)缺點分析優(yōu)點：高效率、高功率密度缺點：成本高、溫度限制永磁同步電機(jī)的控制方法矢量控制分解為磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流直接轉(zhuǎn)矩控制直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩?zé)o傳感器控制估算轉(zhuǎn)子位置和速度開關(guān)磁阻電機(jī)原理結(jié)構(gòu)特點雙凸極結(jié)構(gòu)無永磁體和轉(zhuǎn)子繞組工作原理利用磁阻變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩線圈通電吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動優(yōu)缺點分析優(yōu)點：堅固耐用、高速能力缺點：轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲高開關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略電流控制控制相電流波形和幅值角度控制優(yōu)化導(dǎo)通角和關(guān)斷角3轉(zhuǎn)矩控制直接控制輸出轉(zhuǎn)矩第六章：交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建模的目的分析電機(jī)性能建模的意義設(shè)計控制系統(tǒng)常用坐標(biāo)系靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系三相靜止坐標(biāo)系模型電壓方程描述相電壓與相電流關(guān)系考慮電阻和電感參數(shù)磁鏈方程表示磁鏈與相電流關(guān)系包含自感和互感項轉(zhuǎn)矩方程計算電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式與電流和磁鏈相關(guān)兩相靜止坐標(biāo)系模型Clarke變換三相到兩相的變換簡化計算復(fù)雜度α-β坐標(biāo)系靜止正交坐標(biāo)系位于定子平面內(nèi)變換方程保持功率不變的變換數(shù)學(xué)矩陣表示同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型Park變換靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q坐標(biāo)系與磁場同步旋轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)表達(dá)式簡化為直流量控制狀態(tài)空間模型第七章：交流電機(jī)控制技術(shù)控制目標(biāo)速度、轉(zhuǎn)矩、位置精確控制控制方法分類標(biāo)量控制、矢量控制、直接控制實現(xiàn)平臺數(shù)字信號處理器、微控制器標(biāo)量控制V/F控制原理保持電壓頻率比恒定開環(huán)控制無反饋信號閉環(huán)控制增加速度反饋環(huán)節(jié)矢量控制間接矢量控制基于轉(zhuǎn)子磁場定向直接矢量控制直接測量或估計磁通無傳感器矢量控制無需速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制快速動態(tài)響應(yīng)直接控制轉(zhuǎn)矩控制策略基于開關(guān)表選擇優(yōu)缺點分析快速響應(yīng)但轉(zhuǎn)矩脈動大預(yù)測控制模型預(yù)測控制基于系統(tǒng)模型預(yù)測優(yōu)化控制行為有限控制集離散開關(guān)狀態(tài)評估所有可能的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用實例高性能電機(jī)控制多電機(jī)協(xié)調(diào)控制智能控制模糊控制基于專家知識神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)能力強(qiáng)自適應(yīng)控制自動調(diào)整參數(shù)第八章：交流電機(jī)的檢測與保護(hù)2檢測目的監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)預(yù)防故障發(fā)生保護(hù)意義避免嚴(yán)重?fù)p壞延長使用壽命常見故障過載、短路絕緣老化、軸承磨損溫度檢測155°CF級絕緣限值繞組最高允許溫度40°C環(huán)境溫度標(biāo)準(zhǔn)工作條件115°C允許溫升額定工作狀態(tài)電流檢測檢測方法互感器、霍爾傳感器過流保護(hù)熱繼電器、斷路器電流特征分析故障診斷依據(jù)電壓檢測檢測方法電壓互感器、分壓器數(shù)字采樣技術(shù)過壓保護(hù)壓敏電阻、放電間隙保護(hù)電路設(shè)計欠壓保護(hù)低壓脫扣自動重啟設(shè)置速度和位置檢測編碼器高精度位置反饋霍爾傳感器磁場位置檢測無傳感器技術(shù)基于模型估計絕緣檢測時間(年)絕緣電阻(MΩ)振動檢測檢測方法加速度傳感器測量振動分析頻譜分析識別故障故障診斷軸承故障、不平衡、松動第九章：交流電機(jī)的效率優(yōu)化節(jié)能環(huán)保降低能源消耗經(jīng)濟(jì)效益降低運(yùn)行成本3技術(shù)挑戰(zhàn)各種損耗的綜合優(yōu)化電機(jī)設(shè)計優(yōu)化材料選擇高磁導(dǎo)率硅鋼片低損耗軟磁材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化氣隙大小調(diào)整冷卻系統(tǒng)設(shè)計繞組設(shè)計分布因數(shù)優(yōu)化短距系數(shù)選擇控制策略優(yōu)化磁通優(yōu)化輕載時降低磁通滑差頻率優(yōu)化維持最優(yōu)滑差損耗模型優(yōu)化基于損耗模型的實時控制變頻器效率優(yōu)化PWM優(yōu)化優(yōu)化開關(guān)序列和占空比1開關(guān)頻率優(yōu)化權(quán)衡開關(guān)損耗和諧波損耗直流母線電壓優(yōu)化根據(jù)負(fù)載調(diào)整母線電壓3系統(tǒng)級效率優(yōu)化多電