《交流電機原理及應用》課件

交流電機原理及應用電力驅動的核心技術課程概述課程目標掌握交流電機基本原理主要內容涵蓋結構、原理、參數(shù)及應用學習方法第一章：交流電機概述1分類同步電機、異步電機及特種電機2發(fā)展歷史從特斯拉到現(xiàn)代智能電機3定義將電能轉換為機械能的交流設備交流電機的基本類型同步電機轉速與電源頻率同步需要直流勵磁功率因數(shù)可調異步電機轉速略低于同步速度結構簡單堅固應用廣泛交流電機的優(yōu)勢結構簡單無換向器和電刷部件少，故障率低制造方便標準化程度高成本低，生產效率高維護成本低運行穩(wěn)定可靠壽命長，維護簡單交流電機的應用領域工業(yè)泵、風機、壓縮機生產線、傳送帶家用電器洗衣機、空調電風扇、冰箱交通運輸電動汽車、地鐵電梯、輪船第二章：交流電機的基本結構磁路系統(tǒng)產生并引導磁場電氣系統(tǒng)傳導電流并產生電磁力機械系統(tǒng)支撐部件并傳遞轉矩冷卻系統(tǒng)散熱保證正常運行定子結構1定子鐵芯疊片結構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)繞組間絕緣對地絕緣轉子結構鼠籠式轉子鋁條或銅條導體壓鑄工藝一次成型，堅固耐用繞線式轉子繞組引出至滑環(huán)外部接入電阻可調控轉子參數(shù)其他部件軸承支撐轉子旋轉滾動軸承或滑動軸承機殼保護內部組件提供機械強度端蓋固定軸承密封內部空間第三章：交流電機的工作原理產生旋轉磁場三相電流創(chuàng)建旋轉磁場感應電流轉子導體切割磁力線電磁轉矩洛倫茲力產生轉矩機械旋轉轉矩帶動負載旋轉旋轉磁場原理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電源頻率決定旋轉磁場速度1500同步轉速(rpm)四極電機在50Hz下的轉速感應電動機原理感應電流大小與各因素的相對影響程度，磁場強度和相對速度影響最大同步電機原理1磁極對數(shù)決定同步速度，極對數(shù)越多轉速越低2同步速度計算n=60f/p，f為頻率，p為極對數(shù)3磁極鎖定轉子磁極追隨定子旋轉磁場4功率因數(shù)調節(jié)改變勵磁電流可調節(jié)功率因數(shù)異步電機原理1負載適應負載增大轉差率增大2轉差率計算s=(n?-n?)/n?3異步速度實際轉速低于同步速度轉差率是異步電機的關鍵參數(shù)，表示轉子轉速與同步轉速之間的相對差值，反映了負載情況第四章：交流電機的基本參數(shù)電機銘牌是選型和使用的重要依據，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期工作電壓380V/220V額定電流長期工作電流取決于功率電壓波動允許范圍±10%啟動電流啟動時瞬時電流5-7倍額定值額定功率和額定轉速額定功率機械輸出功率額定轉速滿載時的轉子速度功率與轉速關系通常成正比關系額定值是設計運行點，長期運行應在此范圍內效率和功率因數(shù)鐵損銅損機械損耗附加損耗風扇損耗電機效率=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轉矩和最大轉矩啟動轉矩電機啟動瞬間產生的轉矩最大轉矩電機能產生的最大轉矩額定轉矩額定負載下的穩(wěn)定轉矩轉矩系數(shù)最大轉矩與額定轉矩之比第五章：三相異步電動機最常用交流電機工業(yè)應用主力堅固可靠適應惡劣環(huán)境維護簡單無需日常保養(yǎng)成本效益高投資回報周期短三相異步電動機的結構特點三相對稱繞組120°相位差排列鼠籠式轉子鋁條和端環(huán)構成散熱系統(tǒng)風扇和散熱筋三相異步電動機的工作原理三相電流產生旋轉磁場磁場轉速由頻率和極數(shù)決定轉子導體切割磁力線感應電動勢和電流電流與磁場相互作用產生轉矩帶動轉子旋轉轉子跟隨磁場轉動但速度略低于磁場轉速三相異步電動機的等效電路符號參數(shù)物理意義R?定子電阻銅損X?定子漏抗漏磁通R'?轉子電阻負載條件X'?轉子漏抗轉子漏磁通Xm勵磁電抗主磁通三相異步電動機的機械特性曲線轉差率轉矩電流轉差率與轉矩關系曲線，顯示最大轉矩點和穩(wěn)定運行區(qū)三相異步電動機的啟動方法直接啟動小功率電機使用降壓啟動減小啟動電流沖擊星-三角啟動先星形后三角形連接軟啟動電子控制平滑啟動三相異步電動機的調速方法變極調速更改定子極對數(shù)只能獲得幾個固定轉速結構復雜變頻調速改變電源頻率連續(xù)平滑調速節(jié)能效果好變頻調速是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的調速方法，可實現(xiàn)寬范圍、高精度調速第六章：單相異步電動機家用電器應用洗衣機、風扇、冰箱小型工具電鉆、切割機、拋光機辦公設備打印機、復印機農業(yè)設備小型灌溉泵、飼料機單相異步電動機的結構特點主繞組連接到電源較多匝數(shù)，細導線輔助繞組啟動用較少匝數(shù)，粗導線離心開關速度達到后斷開輔助繞組防止長時間過熱單相異步電動機的工作原理1單相交流產生脈動磁場不能自啟動2輔助繞組提供相移產生橢圓旋轉磁場3轉子獲得啟動轉矩開始旋轉4主繞組單獨維持運行輔助繞組斷開單相異步電動機的啟動方法分相啟動輔助繞組空間偏移90°啟動后斷開電容啟動串聯(lián)電容獲得相移啟動力矩大電容運行電容一直在線運行效率高雙值電容啟動和運行用不同電容綜合優(yōu)點單相異步電動機的應用單相電機主要應用于家庭和小型設備，功率通常不超過3kW第七章：同步電機100%同步率轉速與頻率完全同步90%效率大型同步電機效率高0.8-1.0功率因數(shù)可調節(jié)范圍1-100MW功率范圍從小型到大型應用同步電機的結構特點定子與異步電機類似三相繞組產生旋轉磁場轉子凸極式或隱極式含有勵磁繞組勵磁系統(tǒng)滑環(huán)和電刷或無刷勵磁同步電機的工作原理1定子產生旋轉磁場三相交流電產生2轉子通入直流勵磁產生固定磁極3轉子磁極與定子磁場鎖定磁極相吸相斥4同步旋轉轉速與磁場速度完全相同同步電機的勵磁方式電勵磁滑環(huán)供電可調勵磁電流功率因數(shù)可調永磁勵磁無需外部電源結構簡單效率高無刷勵磁無滑環(huán)和電刷維護簡單可靠性高同步電機的應用大型發(fā)電機火電、水電廠功率因數(shù)調節(jié)改善電網質量高精度控制系統(tǒng)工業(yè)自動化第八章：特種交流電機步進電機伺服電機無刷直流電機其他特種電機特種電機是為特定應用領域設計的電機，具有特殊性能特點步進電機結構多相繞組定子帶齒的永磁轉子精密齒距設計原理脈沖信號驅動每脈沖旋轉固定角度開環(huán)控制位置應用3D打印機精密儀器數(shù)控機床伺服電機結構電機本體與反饋元件組合原理閉環(huán)控制位置、速度和轉矩應用機器人、高精度自動化設備特點響應快、精度高、動態(tài)性能好無刷直流電機結構永磁轉子，電子換向原理電子控制系統(tǒng)代替機械換向器優(yōu)點高效率，低噪音，長壽命應用電動工具，電動車，硬盤驅動器第九章：交流電機的控制技術控制器處理算法與指令功率模塊提供電能調節(jié)傳感器獲取反饋信息通信接口與上位系統(tǒng)連接變頻控制技術整流環(huán)節(jié)交流轉直流直流環(huán)節(jié)儲能和濾波逆變環(huán)節(jié)直流轉可變頻交流控制環(huán)節(jié)SPWM調制信號產生矢量控制技術1坐標變換三相靜止坐標轉兩相旋轉坐標2電流分離分離磁通電流和轉矩電流3閉環(huán)控制獨立控制磁場和轉矩4逆變輸出產生相應的PWM波形直接轉矩控制技術基本原理直接控制定子磁鏈和電磁轉矩基于空間電壓矢量選擇動態(tài)響應快實現(xiàn)方法磁鏈和轉矩估算滯環(huán)比較器開關表查詢應用優(yōu)勢結構簡單動態(tài)響應極快低速性能好第十章：交流電機的保護與維護保護類型實現(xiàn)方式保護目標過載保護熱繼電器防止繞組過熱短路保護斷路器防止電流瞬時過大過熱保護溫度傳感器監(jiān)測電機溫度缺相保護相序繼電器防止單相運行過壓欠壓保護電壓監(jiān)測防止電壓異常過載保護過載倍數(shù)跳閘時間(秒)過載保護裝置的跳閘特性曲線，過載倍數(shù)越大，跳閘時間越短短路保護熔斷器經濟簡單的一次性保護斷路器可重復使用的自動保護快速熔斷器保護功率半導體器件電子保護快速檢測和響應過熱保護155°CF級絕緣常用絕緣等級的溫度限值10°C溫升余量保護動作點與極限溫度差值3傳感器數(shù)量大型電機的熱保護點數(shù)PTC傳感器類型正溫度系數(shù)熱敏電阻日常維護和檢查清潔定期清除灰塵和污物溫度監(jiān)測檢查運行溫度是否正常振動檢查監(jiān)測軸承和平衡狀況絕緣測試定期測量絕緣電阻常見故障及處理方法故障現(xiàn)象可能原因處理方法不能啟動電源問題檢查電源和保險過熱過載或通風不良減輕負載，清理風道噪音異常軸承磨損更換軸承振動過大不平衡或松動平衡轉子，緊固部件漏電絕緣損壞維修或更換繞組第十一章：交流電機的選型與應用1精細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負載特性確定負載類型和要求4基本需求功率、轉速、電壓等參數(shù)電機選型的基本原則確定負載特性恒轉矩或變轉矩負載啟動特性要求計算所需功率考慮負載功率和效率添加安全系數(shù)選擇電機類型異步、同步或特種電機高效節(jié)能考慮匹配控制方式直接啟動或變頻控制速度和精度要求負載特性分析速度百分比恒轉矩風機負載恒功率不同類型負載的轉矩-速度特性曲線，選擇電機時必須匹配對應特性環(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)境需防水選擇適當防護等級考慮絕緣防潮處理腐蝕性環(huán)境化工廠特殊防護可能需要不銹鋼部件專用防腐涂層典型應用案例分析工業(yè)應用傳送帶系統(tǒng)，變頻調速家用電器應用直驅洗衣機，高效節(jié)能新能源領域應用電動汽車驅動系統(tǒng)第十二章