第四章 离心泵动力设备.docx

第四章 动力设备第一节 动力设备概述能够带动工作机进行工作的一切原动机统称为动力设备，对于泵而言，它本身也 可以作为动力设备例离心泵和液力透平以回收压力液流的可用能量一般情况下泵 在选用原动机类型时应根据动力来源、工厂或装置能量平衡、环境条件、调节控制要 求以及经济效益而定三相交流鼠笼型异步电机是泵的主要原动机它具有结构简单、维护方便、价格 低廉、体积紧凑、启动及运行均较方便可靠的优点但它不能经济、方便的实现范围 较广的平滑调速、运行中必须从电网吸收滞后的无功电流而使电网功率因素变低，一 般不适于大型泵及调速泵，而多用于中、小型泵相比之下，三相交流绕线型电机和三相交流同步电机，则可用于对启动、调速、 改善电网功率、大功率、高效率、转速恒定等有特殊要求的场合，但用于驱动泵的不 多直流电机虽有调速性好、启动转矩大等优点，但需要直流电源，造价高，维修较 复杂，一般也不常用于生产装置中当需要改善工厂的蒸汽平衡，对装置中大型泵或需调速等特殊要求的泵，可采用 汽轮机做泵的原动机此外，在特定的情况下，也有用蒸汽机、内燃机、燃气轮机等作为泵的原动机 大部分原动机的基本原理差不多，所以本章仅阐述电机的作用、分类、原理、结构等。

第二节 电 机一、 电机在国民经济中的重要作用在现代社会中电能的应用非常广泛与其他形式的能量相比，电能具有大量生产、 来源广泛、集中管理、便于输送、使用方便等优点电机是一种与电能密切相关的能 量转换装置，可以实现电能和机械能、电能和电能之间的转换，在电力工业、工农业 生产、交通运输、国防和日常生活中得到了广泛应用自然界里存在各种形式的能量，可以通过一定的方式释放出来，通过特定装置转 换为机械能并驱动发电机运动，产生电能在水电站，水流驱动水轮机，驱动汽轮机 旋转，将热能转换为机械能，带动发电机旋转，将机械能转换为电能大多数发电厂通常设在资源丰富的地区，往往地处偏僻，发出的电能需要远距离 输送到电能大量使用的地区，为降低传输过程中的电能损失，通常采用高压输电，用 变压器将发电机产生的电压升高，经过高压电力网传输到用户端，再用变压器将高电 压降低到适于用户使用的电压等级在用户端，利用电能驱动电动机工作，带动生产机械，实现电能向机械能的转换 工业企业需要大量的电动机用作风机、泵、压缩机、纺织机、轧钢机、机床等的动力 源；在农业生产中，随着农业生产技术的不断发展，电机的应用也日益广泛，农田灌 溉、农产品加工、农业机械等离不开电机；在国防工作中，电机用作武器装备的动力 和电源，如装甲车辆上的电动机和发电机；在交通运输中，汽车、牵引机车、飞机、 电动车辆等，都离不开电机，一台高级轿车上的电机就有几十台；电机在日常生活中 的应用也非常广泛，如空调、电风扇、冰箱、录音机、洗衣机、食品加工机、吸尘器 等。

随着自动化程度的不断提高，需要众多的精密控制电机作为自动控制系统的重要 原件在系统中起调节、放大和控制作用二、 电机的基本构成和分类电机是基于电磁感应定律实现能量转换的装置要实现能量转换，必须有一个闭 合磁路产生磁场，磁场与两个或两个以上的电路耦合电机中的能量转换，就是通过 有关电路中磁链的变化来实现的最常见的电机是旋转电机，它产生旋转运动，有一 静止部分（称为定子）和一旋转部分（称为转子），两者之间有一定的气隙电机在各个领域内都得到广泛的应用，种类繁多，性能各异，分类方法也很多， 主要有两种常用的分类方法：1. 从能量传递、转换的功能及用途来分，电机有以下几类：（1）变压器：主要改变交流电的电压，也有改变相数、阻抗及相位的2）发电机：机械能转换为电能3）电动机：把电能转换为机械能.（4）控制电机：作为自动控制系统的控制元件 这一种分类方法中，电动机与发电机的功能不同，用途也不一样，但从运行原理 上看，电动机运行和发电机运行不过是电机的两个运行状态，它们之间可逆，而且电 机还可以运行于其它状态2. 按照电机的结构特点及电源的性质分类，电机主要有以下几类： （1）变压器：属于静止的不旋转的设备。

2）旋转电机：包括直流电机和交流电机，交流电机因结构不同又分为同步电机 和异步电机直流电机：电源为直流电的电机 交流同步电机：交流电机的一种，运行于恒转速为同步转速电力系统中的发电 机都是同步电机.交流异步电机：也是一种交流电机，运行中转速不为同步转速，异步电机主要用 于电动机还有其他非分类方法，但不论哪种方法都不是绝对的本节按照异步电机、同步电机、直流电机的顺序分别进行阐述从具体电机入手， 分析其主要原理、结构，使初学者易于掌握三、异步电动机1. 异步电动机概述 界定：异步电动机是一种与同步电机相对应的交流电机因其转子转速与定子电 流所产生的磁场转速不同，而称为异步电机又因其定、转子之间没有电的直接联系， 是借助于定、转子之间的电磁感应作用实现机电能量转换的，故又称为感应电机应用：主要用作电动机，是工业生产的主要动力应用非常广泛工业——风机、 泵、压缩机、轧机、起重机、机床、轻工及矿山机械；农业——水泵、脱粒机、粉碎 机和农副产品加工机械；交通——电力机车和电动汽车；日用——电扇、洗衣机、电 冰箱和各种医疗机械（单相）优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、使用及维护方便、坚固耐用 运行效率较高和适用的工作特性。

缺点：目前还不能经济地在较大范围内实现平滑调速；需要从电网吸收感性的无功功率,建立磁场，因而功率因数较差，总小于12. 异步电机的结构1 ）分类和图示：厂 「 单相异步电机按相数分YI三相异步电机异步电机绕线型异步电机图2-1单相异步电机图图2-2三相异步电机图图 2-3 鼠笼型异步电机剖视图图 2-4 绕线型异步电机剖视图鼠笼型异步电机 按转子结构分V2）以三相异步电动机为例如图2-5，具体分析其结构三相异步电动机由定子和 转子构成,定子和转子之间有气隙定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成， 硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定 子三相绕组AX、BY、CZ定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁 心槽内的相同的线圈这三相绕组可接成星形或 三角形机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组转子三相绕组转子绕组转子绕组有两种形式：鼠笼式--鼠笼式异步电动机绕线式--绕线式异步电动机转轴转轴上加机械负载由厚度为0.5mm的，转于铁」转子铁心孑钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子\ ◎座定子铁心丄定子绕组风罩凤叶端盖轴图2-5三相异步电机剖视图轴,硅鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应 用得最广泛的一种电动机。

定、转子之间的间隙，也是主磁路的组成部分 气隙大小对异步电机的性能影响很大为了减小主磁路的磁阻，降低励磁电流，提高功率因数，气隙应尽可能小异 步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值 中、小型 异步电机中，气隙长度一般为0.2〜1.5mm3. 三相异步电机的工作原理三相异步电机接上电源就会转动，这是什么道理呢？为了说明电机转动的原理， 先来做个演示图2-6所示的是一个装有手柄的蹄形磁铁，磁极间放有一个可以自由转动的、由铜 条组成的转子铜条两端分别用铜环连接起来，形式鼠笼，可称为鼠笼转子磁极和 转子之间没有机械联系当摇动磁极时，发现转子跟着磁极一起转动摇的快，转子 转的也快；摇的慢，转的也慢；反摇，转子马上反转异步电机转子转动的原理与上述演示试验相似当磁极向顺时针方向旋转，磁极 的磁力线切割转子铜条，铜条中就感应出电动势电动势的方向由右手定则确定在 这里应用右手定则时，可以假设磁极不动，而转子铜条向逆时针方向旋转切割磁力线， 这与实际上磁极顺时针方向旋转时磁力线切割转子铜条是相当的图2-6异步电机转子转动演示在电动势的作用下，闭合的铜条中就有感应电流，感应电流与旋转磁极的磁场相 互作用，而使转子铜条受到安培力F,安培力的方向可用左手定则来判定，由安培力 产生电磁转矩，转子就转动起来，由图2-7可见，转子转动的方向与磁极旋转的方向 是相同的。

图2-7转子转动的方向与磁极转动的方向是相同面具体分析三相异步电机旋转的工作原理1）旋转磁场的产生三相异步电机的定子绕组嵌放在定子铁芯槽内，按一定规律连接成三相对称结构三相定子绕组U1 U2, Vi V2, W1 W2在空间互成120°，它可以连接成丫形，也可以连接 成△形若把三项绕组连成Y形时，则三相绕组的立体图、接线图和端面如图2-8所示图 2-8 定子绕组立体图、连线图和端面图(a)立体图(b)接线图(c)端面图当三相绕组接至三相对称电源时，三相绕组中便通入三相对称电流 iU、 iV、 iW 则 iU =Im sinwtiV=Im sin(wt -120°)iW =Im sin(wt -240°)=Im sin(wt +120°)电流的参考方向和随时间变化的波形图如图2-9所示图2-9 电流的参考方向和随时间变化的波形图a) wt=0；(b) wt=90°；(c) wt=180°；(d) wt=270°；(e) wt=360°取绕组始端到末端的方向作为电流的正方向，在电流的正半周内，其值为正，其 实际方向与正方向一致，在负半周内，其实际方向与正方向相反当wt=0时，定子个绕组电流的方向如图2-9 (a)所示，这时iu=0,所以定子线圈 中的U1U2始末端用"，表示，5是负的，既实际方向从V到Vi端，V2入V出，故V用"「 表示，V2用“表示。

而iw是正的，即实际方向从Wi到W2端，Wi入W2出，故Wi用表 示，W2用"「表示•将每相电流所产生的磁场相加，便得到三相电流的合成磁场，在 wt=0时，合成磁场的方向是自上而下，如图中2-9 (a)所示图中2-9(b)是wt=90°时的三相电流合成磁场，这时的合成磁场已在空间转过了 90°同理可得wt等于180°、270°和360°时的合成磁场方向，如图2-9 (c)、图 2-9 (d)、图2-9 (e)所示由上可知，当定子绕组中通入三相电流后，他们共同产生的合成磁场随电流的交 变而在空间不断的旋转着，这就是旋转磁场旋转磁场同磁极在空间旋转所起的作用是一样的也就是，三相电流产生的旋转 磁场切割转子导体(铜或铝)，便在其中感应出电动势和电流，转子电流同旋转磁场 相互作用而产生的电磁转矩使电机转动起来2) 电机旋转方向的改变 电机的转子转动的方向和磁场旋转的方向是相同的，如果电机反转，必须改变磁场的旋转方向在三相电流中，电流出现正负值的顺序为U1 - V1 - W1，因此磁场 的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关 如果将同三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置，例如，对调了 V1与 W1两相，则电机三相绕组的V1相与W1相对调(注意：电源三相端子的相序未变)，旋 转磁场因此反转，电机也就跟着改变转动方向。

3) 三相异步电机的级数与转速级数三相异步电机的级数就是旋转磁场的级数，旋转磁场的级数和三相绕组的安排有 关在前面介绍的定子绕组中，每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°， 则产生的旋转磁场具有一对级，即P=1 (P是磁极对数)如将定子绕组安排得如图2-10 那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间只差60°角，则产生的旋转磁场 具有两对极，即P=2，如图2-11所示图中的N、S表示磁极可用右手。