电气自动化思维导图

伪电气白兰

2024-11-16

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电气自动化

机械特性

电力拖动

三相异步电动机，机械特性内容讲解

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思维导图大纲

第五章：三相异步电动机

结构组成

定子

由机座、定子铁心、定子绕组组成。机座用于固定和支撑定子铁心，定子铁心由硅钢片冲叠而成，内开有均布槽嵌放定子绕组，定子绕组由三个完全相同、空间互差 120 度的绕组组成，可接成 Y、Yn 或 Δ

转子

由转轴、转子铁心、转子绕组组成。转轴是支撑部件，转子铁心也是由硅钢片冲叠而成，内开有槽，转子绕组分为绕线式绕组和鼠笼式绕组。气隙：定子与转子之间的间隙，一般为 0.2 - 2.5mm，气隙越大，功率因数越低

气隙

定子与转子之间的间隙，一般为 0.2 - 2.5mm，气隙越大，功率因数越低。

额定数据

额定功率

电动机在额定情况下，轴上输出的机械功率，单位为 KW。

额定电压

电动机额定运行时加在定子绕组上的线电压，单位为 V 或 KV。

额定电流

电动机在额定电压下，轴上有额定功率输出时，定子绕组中的线电流，单位为 A。

额定频率

我国规定标准工业用电频率为50Hz

额定转速

电动机在额定状态时转子的转速，单位为 r/min。

三相异步电动机的定子绕组

构成原则

- 在一定导体数下，力求获得较大的磁势和电势且对称，波形接近正弦波。 - 各相绕组的磁势和电势对称，电阻电抗相等，各相绕组的形状、尺寸和匝数都相同。 - 各相绕组在空间的分布彼此相差 120 电角度。 - 绝缘性能和机械强度可靠，制造工艺简单，用铜量少，散热好，检修方便。

定子磁动势及磁场

定子旋转磁动势的产生

三相异步电动机定子绕组通入三相对称电流后，会产生三相磁动势，该磁动势形成旋转磁场。

旋转磁场的特点

磁场以同步转速沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转，其幅值不变，分布近似正弦。

定子绕组的电动势

整距线圈的感应电动势

设定子同圆周上放置一个整距线圈，磁极不动线圈顺时针旋转，一个有效边（一根导体）会产生感应电动势，一个整距线圈两个有效边产生的感应电动势为二者之和。

短距线圈的感应电动势

通过向量图可得出短距线圈的感应电动势，存在短距因数，表示线圈短距时电动势比整距时打的折扣。

线圈组的感应电动势

组成一个线圈组的多个线圈在定子圆周上均匀分布，空间上依次差一个槽距角，旋转磁场在每个线圈中感应的电动势大小、波形相同，相位依次差一个电角度，线圈组的总电动势为所有线圈的电动势的相量和。

相绕组的感应电动势

每相绕组由多个线圈组串联、并联或串并联组成，单层绕组和双层绕组的相电动势计算方式不同，还可得出相电动势中各次谐波电动势有效值。

线电动势

三相绕组由在空间错开 120 电角度对称分布的三个单相绕组构成，根据三相相电动势及三相绕组的接法，可得到绕组的线电动势。

功率和转矩

功率

包括输入功率（定子绕组从电源吸收的电功率）、输出功率（电动机轴上输出的机械功率）以及各种损耗功率（如铜损、铁损、机械损耗等）。输入功率与输出功率之差为损耗功率，效率等于输出功率与输入功率之比。

转矩

电磁转矩是使电机转子转动的力矩，与定子磁动势、转子电流以及它们之间的夹角等因素有关。在运行过程中，需要根据负载情况来确定电机的转矩大小，以保证电机的正常运行。当负载转矩与电磁转矩相等时，电机处于稳定运行状态。

第六章：三相异步电机的机械特性

机械特性表达式

物理表达式

表明三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。

参数表达式

电磁转矩与电源参数（电压、频率）、结构参数（电阻、电抗、磁极对数等）和运行参数（转差率）有关。通过该表达式可得出机械特性曲线。

实用表达式

工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。

机械特性曲线的特殊点

固有机械特性

起动点 A

电机刚起动时的状态，此时转速为 0，转差率为 1，起动转矩是该点对应的转矩。

最大转矩点 B

电磁转矩有最大值，对应的转差率称为临界转差率。最大转矩与额定转矩之比称为过载能力，一般异步电动机的过载能力为 1.8 -3.0，起重冶金机械用的电动机可达 3.5 以上。

额定运行点 C

电机在额定状态下运行的工作点，此时电机的输出功率、电压、电流等都处于额定值。

同步运行点 D

理论上电机转速达到同步转速时的状态，但异步电机实际运行中转速略低于同步转速，该点是一个理想的极限状态。

人为机械特性

降压时的人为机械特性

降低电源电压，最大转矩和起动转矩均下降，临界转差率不变，电机的过载能力和起动能力降低。如果电机在定额负载下运行，电压下降后，电流增大，转子电流因电流增大而增大，可能导致电机过载。

转子回路串对称电阻时的人为机械特性

串电阻后，最大转矩不变，临界转差率增大。在一定范围内增加电阻，可以增加起动转矩，但当超过一定值后，继续增加电阻，起动转矩反而减小。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。

第七章：三相异步电机的电力拖动

三相异步电动机的起动

三相笼型异步电动机的起动

直接起动

当电网允许的起动电流倍数不小于电动机的起动电流倍数时可直接起动。

降压起动

包括定子串联电阻或电抗降压起动、星形－三角形降压起动、自耦变压器降压起动等，这些方法可以降低起动电流，但同时也会降低起动转矩。

三相绕线型异步电动机的起动

可采用转子串电阻起动或转子串频敏变阻器起动。转子串电阻起动可以提高起动转矩，适用于要求起动转矩较大的场合；转子串频敏变阻器起动则具有自动适应起动过程中转子频率变化的特点，能在起动过程中保持较大的起动转矩，同时限制起动电流。

三相异步电动机的制动

能耗制动

将电动机从三相电源断开，定子绕组通入一定大小的励磁电流，转子由于惯性继续旋转，切割定子绕组产生的恒定磁场，感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到与转向相反的电磁力，使电动机进入制动状态。

反接制动

包括转速反向的反接制动和定子两相反接的反接制动。转速反向的反接制动适用于绕线型异步电动机带位能性负载下放重物的情况；定子两相反接的反接制动可使电机迅速减速，但需注意及时断开电源，否则可能出现反转现象。

回馈制动

当电动机的转速高于同步转速时，电动机处于发电机状态，将系统的动能转换成电能送回电网。

三相异步电动机的调速

变极调速

基于三相异步电动机的同步转速公式，通过改变定子绕组的极对数来改变同步转速，从而实现调速。定子绕组的极对数改变是通过改变定子绕组的连接方式实现的。

变频调速

根据同步转速公式，在保持电机极对数不变的情况下，通过改变电源频率来改变同步转速，进而调节电动机的转速。为了保证电机在不同频率下能正常运行，还需要考虑电压与频率的协调控制，一般采用恒压频比控制方式，以维持电机磁通基本不变。

变转差率调速

对于绕线式异步电动机，在转子回路中串联电阻。根据其机械特性表达式，当转子电阻增大时，最大转矩不变，但临界转差率增大，电机的机械特性曲线变软。负载转矩不变时，随着转子电阻的增加，电机的转速下降，从而实现调速。

定子调压调速（笼型异步电动机）

改变定子绕组的端电压，根据电机的机械特性，当电压降低时，最大转矩和起动转矩都按电压的平方比例下降，临界转差率不变。对于恒转矩负载，随着电压降低，转差率增大，转速下降；对于风机、泵类负载等转矩与转速平方成正比的负载，随着电压降低，转速下降，负载转矩也下降，在一定范围内可以稳定运行。

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