【201集全】伺服步進電機 P1 - 第1課時.異步電動機基礎原理01

介紹了一部電動機的基本原理 因爲一部電動機啊 現在有變頻調速以後啊 變頻器主要爲電機服務的 我們要用好使用好變頻器，對電動機的原理 旋轉原理 基本結構及特性呢，深入的瞭解 一部電動機的基本原理 前沿 變頻器，它是一種電力轉換裝置 它是向交流異步電動機提供電源 使電動機改變轉速 達到調速的目的 變頻器是爲一部電動機服務的 要使用好，調試好，用好變頻器 就必須瞭解電動機的基本結構 基本特性，或者這旋轉原理 由於一部電動機的結構比較簡單 堅固耐用，使用壽命長 易於維修價格低廉 所以在整個電力拖動中 佔有很重要的地位 也就是說，在這個領域呢 拖動領域呢，獨佔鰲頭 而變頻調速這種技術在三相異步電動機 作爲主要的應用對象呢，將這種技術呢發揮到了極致 所以說，我們要想用好變頻器 就必須對電動機的基本特性基本功能呢 及其結構這些原理呢，有個比較深入的瞭解 以下幾節課呢，主要就是對電動機的基本旋轉原理 給大家介紹一下一部 電動機的基本結構 從A這個外形來看 這是呃普通的一部電動機 它分兩部分組成 一部分呢，呃，就是它的定子 定子中有 三相 的交流電繞組 有這三個繞 組 當這三相的繞組 通入三相交流電 就會在電動機這個空間內 產生一個旋轉磁場 有 銅導條 銅導條的 兩端呢 有一個短路環 這兩端都是短路環 把這個銅導條呢，兩邊短路 形成了一個比較封閉的 這樣一個結構看上去呢像一個鼠籠 所以說也叫做 也叫它爲鼠籠型電動機 個轉子呢，這是它 的實體有些硅鋼片 疊加而起的它 靠兩頭的軸承呢，支撐在這一個轉子上 基本上，這就是電動機的結構呢，是比較簡單的 第二部分這個內容是旋轉磁場 產生旋轉磁場的方法有兩種 一種就是用機械的方法來產生旋轉磁場 就是電動機帶動直流磁場轉動 就形成了一個旋轉磁場 這樣的一個旋轉磁場呢，也叫直流旋轉磁場 也就是說有一個繞組線包，通上直流電 通上直流電以後呢，這個形成一個固定的這樣的一個磁場 有一部電動機帶動它旋轉 電動機帶動它旋轉，就形成了一個旋轉磁場 通常我們把它叫呢直流旋轉磁場 還有一種就是多相交流電 通入多相繞組 所產生的合成磁場 這多相繞組 通交流電，這個合成磁場就是 一個旋轉磁場 三相一部電動機 通入三相交流電 產生了 一個技術 一定要通入的是交流電 如果你通入直流電 它不會旋轉 那麼通入了交變這個電流之後呢 合成一個這樣的旋轉磁場 看一下直流旋轉 磁場這個圖 你看這邊是一個電動機 N極S極 它是一個 你看它線圈也可以 把它看成一個線圈也可以 兩個線圈通入直流電 當通入直流電了以後呀 就在這個NS之間形成 這樣的一個磁場 這個磁場是固定不變的不動的 通過調節通入線圈的電流 就可以調節它的磁場的大小 就是磁感應 也叫磁場強度大小 量 當電動機旋轉的時候 以n的速度旋轉的時候 就形成了一個旋轉磁場 用這個圖來看 這個磁場通入直流電以後這個磁場是不變的 電動機帶着它一旋轉就變成一個旋轉磁場 這個旋轉磁場叫做直流旋轉磁場 我們不再講這個 剛纔講的是直流旋轉磁場 現在講的是交流旋轉磁場 我們從這個A圖可以看到三相交流電 在工業中普通應用這個電動機呢 都是通入這個三相交流電 從這個圖 可以看到 它以正弦波變化IB和IC 這是通入了交流電的 三相交流電的電流 電流波形相差一百 這是三相繞組 在定子中的三相繞組 通入了三相的電流 三相電流Ia 它之間的電壓，相電壓 Ux 通常我們工業上使用的 這個相電壓，這個線電壓就 380 了 A 這個 電動機的繞組 B擾阻或C擾阻 A 繞組 B 繞組 C 繞組 這三相繞組 通入交流電之後 它就會合成一個旋轉磁場 這個旋轉磁場的轉速 N0 這個旋轉磁場的轉速 裏面這是一個轉子 這是轉子 一個圈呢，小圈呢 它就代表是一個什麼呢 銅導條 這個旋轉磁場 切割電動機轉子的銅導條 從這個示意圖可以看 通入三相交流電之後 產生一個合成的旋轉磁場 它的磁通量 用表測 旋轉磁場 那麼就切割電動機轉子的銅導條 你從上面看這三個銅導條 這三個銅導條就產生了電流 它的方向是從垂直的面朝我們而來 而下面這三個銅導條產生電流的方向 就是垂直這個平面離我們而去 那麼通電的導體又在磁場中 和磁場的旋轉磁場的相互作用 就產生了電磁轉矩 用TM TM表示這個電磁轉矩就 帶動着一個電動機的轉子運行 它旋轉的速度呢 是這個Nm 它的電流在銅導條產生的電流呢，轉子電流也叫 那麼從這邊就看給電動機 的三相繞組通入了 三相交流電 合成一個旋轉的磁場 這個旋轉的磁場呢 就切割電動機轉子的銅導條產生電流 如果磁場相互作用旋轉磁場相互作用就產生電磁轉 這就是電動機的基本旋轉原理 這裏面就是有一個問題了 電動機的轉速 如果和旋轉磁場的轉速相等了 也就是說這個 n0 是同步轉速 也叫磁場旋轉轉速 或者 nm 相等了就不切割磁力線 不切割磁力線了 就不會產生電磁轉矩 那就沒有電磁轉矩 所以在正常情況下 電動機的轉子 要比旋轉磁場的轉速要小 從這裡面看 nm 要小於 n0 就是小於同步轉速 我們的電動機也叫一部電動機呢 就是它的轉子的轉速 要比旋轉磁場的轉速 要比同步轉速 n0 要小 這個電動機 的轉子 比這個旋轉磁場還快 它所產生的電磁轉矩呢 就是相反的相反的 電動機呢就處於發電狀態 就處於發電狀態 所以電動機呢有這麼三種狀態 一種狀態呢就是電動機的 轉子和旋轉磁場的速度相等 相等的時候那麼它就沒有電磁轉矩 同步速度 第二種情況呢 就是電動機的轉子比旋轉磁場的轉速要小 這是通常我們說的電動機電磁做功 第三種呢 就是說電動機的轉子要比旋轉磁場呢 那下面我們就 把這個公式列出來 交流電動機形成的這個交流旋轉磁場有一個基本公式 n0就是一個 旋轉磁場的 通過三相交流電就形成了 一個旋轉磁場的轉速 60f除以p f呢表示通入 電動機電源的頻率 工業用電的這個三相交流電它的頻率是多少呢是50 它表示什麼呢 表示極對數 那麼用在我們通常情況下 我們的工業用電呢是50 那50赫茲乘以60呢這樣就是3000 如果是電動機的極對數是一對極對數呢 那就用1了，這樣呢轉數呢 3000 同步轉數也叫旋轉磁場的轉數 如果極對數是兩個極對數呢，那除以2 就是兩極電機，四極電機了 那是多少呢 1500 同步轉數 下面給出來了n0 也叫旋轉磁場的轉數 愛護的是供給電動機的電源頻率，第一類就是個極對數 旋轉磁場呢 電動機轉子 的旋轉速度 也叫轉子速度 用那個nm表示 你看60f除以p 這是一個n0的轉數 旋轉磁場的轉速 也叫同步轉速，乘上個 一減s，這個s呢 叫什麼呢 就是這樣一個 同步轉數n0 的轉數 那從這個 公式來看 改變電動機 一部電動機的轉速呢 就有三種辦法 第一種改 變磁極對數 極對數P 極對數越大 理解 轉速 的 越低 分母 越大 第二呢就是改變轉差率 也可以改變 電動機 滑差電機啊 電動機的 轉差率 第三我們最重要的一點講到第三 改變供給電動 機電源的頻率 現在這個電力電子的發展計算機的發展 使我們的變頻器達到了大力的發展 所以改變供給電動機電源的頻率很容易了 很方便了 改變電動機的頻率供給它電源的頻率改變 又能改變電動機的 現在在這方面 變頻調速的原理 那我們也講了 改變供給電動機的電源的頻率 我們的工頻是50赫茲 那麼我們加一個變頻器呢 變頻器就是爲電動機提供電源的 變頻變頻就是改變輸入給電動機的頻率 通常進入變頻器的這個電源呢 是50赫茲 380 50赫茲 380 這是我們的工業用電 那麼變頻器輸出的頻率呢 是多少呢 有些變頻器呢可能還更高可以達到600多 輸出的電壓呢也是 也隨着變化 0到380 通常情況下變頻器達到50赫茲的時候 它的輸出電壓呢就380了 這次變頻器輸出的頻率和電壓呀 它有一個比例關係呈比例變化的 也就是說變頻器輸入 輸入給電動機的電源和電壓 這個爲什麼呢 輸出轉矩 有效轉矩 有效轉矩可以達到 像三百八五十赫茲那樣的有效 變頻器變頻的原理就是 根據電動機的這樣一個公式改變了 供給電動機的頻率 就改變 了電機 的轉速 把電動機的定子進行叫做等效電路 你看我們這個定子繞組 A相的定子繞組 A相的定子繞組 把這個轉換成一種等效的電路 像B這個等效等效的 怎麼轉換呢 微向擾阻221 繞組的電抗 X1 它表示什麼呢？漏感漏磁感抗 漏磁感抗是什麼意思呢？ 你看這裏面有一個微零，微零呢，磁通量 它表示漏感，就是說這個旋轉磁場啊 通入三相交流電以後呢，我們剛纔不都說了 形成一個旋轉的磁場，合成一個旋轉磁場 這個旋轉磁場呢？這個它的磁力線是封閉的 你看，我們這邊有一圈兒了，這個磁力線呢 定子或轉子 這是定子，這是轉子 轉子和定子之間有一個空隙 磁力線沒有 通過空間間隙 穿到定子上 這一部分磁通不傳遞能量 磁力線沒有通過轉子的銅條 不傳遞能量 但這一部分呢它還消耗能量 比如說消耗這份能量作為一種發熱 那這種形式呢就浪費掉了 這叫漏感，也叫漏磁通 這裡面還有 個主磁通啊 就是這個磁力線啊 這個磁力線穿過了這個定子 和轉子之間的磁隙啊 穿到了這一個 轉子的銅條以後呢這個轉子 這個磁力線呢就會切割轉子的銅條 所以它是傳遞能量就是 這個主磁通 它傳遞把這個電 磁能傳遞給轉子 這一個等效電路圖看到 形成這個磁場，它傳遞 把電磁的能量呢傳遞給 這裏面有一個U1，這個U1呢 我們是拿着單向的嘛 這個U1呢，就是相電壓嘛 對於三百八十來說呢 相電壓，那麼這個E 感應電動勢也就是說 在這個通過三相交流電 形成這個合成的旋轉磁場的時候呀 它不僅 切割轉子的銅條 也就切割轉子的繞組 也切割產生自感電動勢 E就是自感電動勢 也叫反電動勢 反電動勢的大小 它就決定了傳遞能量的強度 它越大 說明傳遞這個能量越大 這 地方 呢 表示電能做功的一種形式 從這張圖上 我們就通入電動機定子的 三相繞組的 這個三相交流電 它就形成了一個旋轉的磁場 形成旋轉磁場以後呢 在它那個繞組上就產生了 自感電動勢 自感電動勢 那麼在 R1 上消耗的 R1 是這個繞組的電阻 在上面消耗的能量 消耗的電能 我們叫這個銅損 以發熱的形式 還有呢 X1 我們叫銅損 這部分都是發熱的形式 大部分的電能 就是說產生這個電壓磅 定子等效電路上 磁通傳遞能量的 漏磁通是不傳遞能量的 消耗能量的 不傳遞能量的 剛纔講的主磁通 能夠穿過氣隙 什麼叫氣隙呢就是轉子和定子之間 穿過這個氣隙呢與轉子繞組連接 能量傳遞給轉子 怎麼傳遞呢？它這個磁力線穿過了轉子的銅條 能夠切割轉子的繞組 在轉子繞組上產生感生電動勢 這樣呢，就把這個能量傳遞給它 那麼漏磁通呢？ 你看這部分的漏磁通呢？ 漏磁通是不能穿過氣隙 與轉子的繞組相連 消耗 消耗電功率 在電路中起到電抗的作用 稱作漏磁感抗電抗 漏磁通呢？ 它的表現形式我們後面要講，是 以鐵損的方式消耗能量 我們剛纔講 的是 定子的等效電路 現在我們講一下轉子的等效電路 那邊我們可以看到 這個鼠籠條 這地方呢 有這個銅條 兩邊呢有這個短路環 把它等效成多項的 就是每一個銅條 等效成一個這樣的一個電路 這個電路里面呢，看到一個繞組 它等效成，你看 有這個感應的，一二感應電動勢 因爲這個磁場在旋轉 它切割了轉子的繞組 我們銅條一個一個看成一個繞組 也有感應電流 這一個銅條 R2呢電阻 X2呢也叫漏抗 這四個參數 那麼是一個旋轉的 多相的這樣一個電路 你看這地方也是 這樣是一個旋轉的 多相的繞組 一個多相的旋轉繞組 多相的這樣一個繞組 變成三相的 變成三向的 變成旋轉繞組 這地方你看就變成三向了 是吧 這一相又這一相 變成三向 爲了和 定子等效電路了 相互對應 轉變成三相的電磁繞組 它也有等效的 電動勢 個 電阻 這地方還有一個P2 和N1相等 N表示這個匝數 繞組匝數 也就是說在這個等效過程中 是轉子繞組的線圈的匝數 和定子 線圈的繞組匝數相等 這地方是個旋轉的 就是旋轉的三相繞組 定子三相繞組 再把旋轉的三相的定子繞組 動態的變成靜態 轉換成這樣一個 BA這個圖 這樣一個等效的三相的靜態電路 我們從正面來看 看到一個 增加一個可變電阻 它是負載電阻 負載電阻上消耗的電功率 後面我們講消耗電功率 也就是電動機輸出的機械功率 輸出的機械功率 我們從這個圖上可以看到 一二偏 就是等效後的靜子 移相繞組的感應電動勢 E2' 呢 單向的 小二二表示 等效的 變成一向的電子 R2' 呢 二偏二的 它就表示負載電阻，負載電阻，這 跟負載有很大的關係 那麼在 你比如說，在 R1 R 2' R2' R2' 或X二上面 消耗的這個 電能 電功率 這部分電功率是無用的 只有消耗在可變電阻 RL' 這上面 的電功率 電動機的機械輸出的機械功率 電動機軸上輸出機械功率 那麼我從這個公式上看 從這個公式可以看出 3I²R平方 再乘上個 RL I²平方乘上一個 3R的這個功率一向上 等效電路上一項上 那麼三項呢等效成三項它成了三 這個功率呢就等於電動機 的輸出的有效的機械功率 機械功率就在它的轉子 上樓上有效的轉移 體驗機械功率 這個機械功率和電功率在 R 上消耗的電功率 在 R 上消耗的電功率是相等的 我們從這個轉子等效電路最後等效成一個這樣的一個電路 那麼這裡面就轉子裡面 那個是一樣的 轉子的磁通量 入三相交流電之後 產生這個旋轉磁場 它不僅切割定子繞組的線圈 也切割轉子繞組的線圈 也切割轉子繞組的線圈 產生感應電動勢 這裏面呢感應出來 在轉子上的感應電動勢呢 作爲電源了，電源電動勢了 那麼在二撇上 產生這個電壓降 由二撇 這一部分就做功了 理解 宇宙 的 消耗掉，在轉子上也有銅損和鐵損在R二上消耗這部分電功率， 就叫做銅損而在這個漏抗X二上，這邊消耗這一部分功率呢， 比較貼切轉子等效電路這樣來把定子或轉子把它作爲一種等效電路，這 樣呢，可以就進行它的有效的進行分析了，進行因爲我們的一個轉子呀 和定子啊，它沒有電的聯繫沒有電的聯繫我們通過等效電路呢， 把它結合在一起，可以進行呢定量的分析在這個轉換過程中你 比如說把多相的繞組 的旋轉繞組的這個電路轉變成旋轉的三相電路 再轉變成靜態的三相電路 這樣的轉換在這個轉換過程中 有一個前提這個原則就是 轉換前不轉換後轉子的能量主要的能量不變 我們再把它 總結一下 把轉子的鼠籠條，也叫銅條 用旋轉着的多相電路 電動勢呀，感應電流 電阻啊，是吧？漏感吶？ 用旋轉的 等效三相電路在代替旋轉的 多相電路變成旋轉的三相電路 再把旋轉着的三相電路，又 等效成靜止的三相電路 這樣就形成了，用來表示能夠進行定量分析 的要進行等效電路分析轉換的一個目的 那麼等效電路 電路的等效轉換原則 轉換前當要 轉換前後， 轉子的功率 不變轉子 的功率是不變轉換的過程中啊 在靜止的電路中每一相都增加一個等效的負載電阻 它是電動機輸出機械功率， 在靜止電路中的一個反應 爲什麼用這個大 RL 變成可變電阻呢？ 因爲這個在電動機軸上的轉速 或它的力矩是隨時隨地變化的 所以我們用可變電阻來表示 這種變化的這種規律吧 片上所消耗的電功率 應該等於，不是應該等於，就是等於這個軸上的機械功率 這一部分在R2L這個片兒，這 一個讓消耗的電功率 我們 這裏面你 看 啊，這一個R平方，這是 在單相等效電路單相 的這個電路上的一個電流，乘上一個 我們等效的時候 變成三項再乘以3 是整個轉子上片電 阻消耗的 電功率，它就等於電機的機械功率，電動機軸上輸出的機 械功率，這得從一個從電的方向分析 一個從機械方向上分析 哎，兩個倒在一起，是最後的能量