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1、绪论绪论第一章第一章 直流电机直流电机第二章第二章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第三章第三章 三相异步电动机三相异步电动机第四章第四章 三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动电机及拖动 为什么要学电机?为什么要学电机? 请同学们就电机的相关应用举例。请同学们就电机的相关应用举例。绪 论 电机是利用电机是利用电磁感应原理电磁感应原理工作的机械。工作的机械。 电机常用的分类是按功能分,有发电机、电动机、变压器和电机常用的分类是按功能分,有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类;控制电机四大类;归纳如下归纳如下: 电机电机变压器变压器直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动
2、机直流电动机交流电机交流电机控制电机控制电机同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电机异步电机异步发电机异步发电机异步电动机异步电动机绪 论 电机拖动系统电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括:是用电动机来拖动机械运行的系统。包括:电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下它们之间的关系如下 电动机电动机传动机构传动机构生产负载生产负载控制设备控制设备电源电源 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理,讨论直流电本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理,讨论直流电机的磁场分布、感应电
3、动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法,从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流及改善换向方法,从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。电动机的工作特性。1.2 1.2 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.3 1.3 直流发电机直流发电机1.4 1.4 直流电动机直流电动机1.1 直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构1.1 直流电机的基本工作原理和结构1.1.1 直流电机的主要结构主磁极主磁极:产生恒定的气隙磁通,由铁心和励磁绕组构成:产生恒定的气隙磁通,由铁心
4、和励磁绕组构成换向磁极换向磁极:改善换向。:改善换向。电刷装置电刷装置:与换向片配合:与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖:起支撑和固定作用。:起支撑和固定作用。定子定子转子转子电枢铁心电枢铁心:主磁路的一部分,放置电枢绕组。:主磁路的一部分,放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组:由带绝缘的导线绕制而成,是电路部分。:由带绝缘的导线绕制而成,是电路部分。换向器换向器:与电刷装置配合与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承1.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原
5、理 右图为直流发电机的物理模型,右图为直流发电机的物理模型,N N、S S为定子磁极,为定子磁极,abcdabcd是固定在可是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈,线圈连旋转导磁圆柱体上的线圈,线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端枢。线圈的首末端a a、d d连接到两个连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。电刷进行的。直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。是将机械能转变成电能的旋
6、转机械。抢答: 一直导体放在磁场中,并与磁力线垂直,当导体运动的方向与磁力线方向成()夹角时导体中产生的电动势最大。 A、90 B、30 C、45 D、0 答案: A 法拉第电磁感应定律回路中的一部分导体做切割磁感线的运动,产生的感应电动势计算公式为EBLvsin,式中为导体运动方向与磁感线方向的夹角 当原动机驱动当原动机驱动电机转子逆时针旋电机转子逆时针旋转时同,线圈转时同,线圈abcdabcd将感应电动势。如将感应电动势。如右图,导体右图,导体abab在在N N极极下,下,a a点高电位,点高电位,b b点低电位;导体点低电位;导体cdcd在在S S极下,极下,c c点高电点高电位,位,d
7、 d点低电位;电点低电位;电刷刷A A极性为正,电刷极性为正,电刷B B极性为负。极性为负。 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后,如右图后,如右图。0180 与电刷与电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下,与电刷极下,与电刷B B接触的导体总是位接触的导体总是位于于S S极下极下, ,电刷电刷A A的极性总是正的,的极性总是正的,电刷电刷B B的极性总是负的,在电刷的极性总是负的,在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 导体导体abab在在S S极下,极下,a a点低电位,点低电位,b b点高电位;导体点高电位;导体cd
8、cd在在N N极下,极下,c c点点低电位,低电位,d d点高电位;电刷点高电位;电刷A A极性极性仍为正,电刷仍为正,电刷B B极性仍为负。极性仍为负。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置,按照一定的规律连接起来,构成布在电枢铁心表面的不同位置,按照一定的规律连接起来,构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上,接到直流电源上,电刷电刷A A接正极,电刷接正极,电
9、刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。 直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。 在磁场作用下,在磁场作用下,N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左,受力方向从右向左,S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时,电机当电磁转矩大于阻转矩时,电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。 原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下,受力方向从左向右,原下,受力方向从左向右,原
10、S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下,受力方极下,受力方向从右向左。该电磁力形成逆向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。下继续逆时针方向旋转。 与直流发电机相同,实际的与直流发电机相同,实际的直流电动机的电枢并非单一线圈,直流电动机的电枢并非单一线圈,磁极也并非一对。磁极也并非一对。 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时1.2.1 直流电机的电枢电动势1.2 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时电枢旋转时, ,主磁场在电枢绕组中感应的电动
11、势简称为电主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。枢电动势。大小大小: :60aepNE nC na)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中apNCe601.2.2 直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, ,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小: :2emaTapNT IC Ia为电机的转矩常数,有为电机的转矩常数,有其中其中apNCT2eTCC9.551.3.1 1.3.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.3 直
12、流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励他励和和自励自励两大类,自励方式又分两大类,自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励:直流电机的励磁电流:直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。aIIGUfUfIaII 他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同,即:和负载电流相同,即:2 2、并励、并励:发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足afI =I+IfIUIaEaI3 3、串励、串励:励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组
13、与电枢绕组串联。满足满足afI = I = IUIaIfIaE4 4、复励、复励 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组,一个与电枢绕组串联,一个与电枢绕组并联。组,一个与电枢绕组串联,一个与电枢绕组并联。2fIUaEIaI1fIIaEUaI1fI2fI1.3.2 1.3.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一. .电动势平衡方程电动势平衡方程2aaabaaEUI RUUI R从方程式可见,直流发电机满足从方程式可见,直流发电机满足aEU二二. . 转矩平衡方程转矩平衡方程10
14、emTTTfIfU UaI1T0TemTnaEemT发电机轴上有三个转矩:原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩:原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为:。转矩平衡方程为:1T0T1.4 直流电动机1.4.1 1.4.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 一台电机既可作为发电机运行,又可作为电一台电机既可作为发电机运行,又可作为电动机运行,这就是直流电机的可逆原理。动机运行,这就是直流电机的可逆原理。 第1章 直流电机1.4.2 直流电动机的基本方程aEMUaIemT0T2Tn规定各物理量的参考方向如
15、图规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下:电动机的基本方程如下:nCEeaaaabaaaRIEURIEU2UEafIfU1.4.3 1.4.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1 1、转速特性、转速特性他励(并励)直流电动机的工作特性NUU 定义:当定义:当 、 时,时,fNfII)f(Ina由方程式可得由方程式可得aeaeNICRCUnaIn0n2T0TemTT 直流电动机的转速公式为)。 A、n=(U-IaRa)/Ce B、n=(U+IaRa)/Ce C、n=Ce/(U-IaRa) D、n=Ce/(U+IaRa) 答案: A2.1 他励直流电动机的机械特性 第二章直流电动
16、机的电力拖动第二章直流电动机的电力拖动2.2 他励直流电动机的制动2.3 他励直流电动机的调速2.1 他励直流电动机的机械特性2.1.1 2.1.1 机械特性的表达式机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下,即电动机处于稳态运行时,电动电枢回路电阻为恒值的条件下,即电动机处于稳态运行时,电动机的转速与电磁转矩之间的关系:机的转速与电磁转矩之间的关系:)f(Tnem2emeeT0emURnTC C C nT由电机的电路原理图可得机械特性的表达式:由电机的电路原理图可得机械特性的表达式:0
17、n0nNnnemTNT0T0n称为理想空载转速。称为理想空载转速。实际空载转速实际空载转速020TCCRCUnTee 抢答: 直流电动机的机械特性是()之间的关系。 A、电源电压与转速 B、电枢电流与转速 C、励磁电流与电磁转矩D、电机转速与电磁转矩 答案: D2.2 他励直流电动机的制动 当电磁转矩的方向与转速方向相同时当电磁转矩的方向与转速方向相同时, ,电机运行于电动机状电机运行于电动机状态态; ;当电磁转矩方向与转速方向相反时当电磁转矩方向与转速方向相反时, ,电机运行于制动状态。电机运行于制动状态。 2.2.1 能耗制动能耗制动 U电动电动MaEaInemTfIS制动制动BRaBIe
18、mBT电动状态,如图所示。电动状态,如图所示。将开关将开关S S投向制动电阻投向制动电阻 上即实现制动上即实现制动. .BR 由于惯性,电枢保持原来方向继续旋由于惯性,电枢保持原来方向继续旋转,电动势转,电动势 方向不变。由方向不变。由 产生的电枢产生的电枢电流电流 的方向与电动状态时的的方向与电动状态时的 方向相方向相反反, ,对应的电磁转矩对应的电磁转矩 与与 方向相反方向相反, ,为为制动性质制动性质, ,电机处于制动状态。电机处于制动状态。aEaEaBIaIemBTemT 制动运行时,电机靠生产机械的惯性力的制动运行时,电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电,将生产机械储存的动能转换成电拖
19、动而发电,将生产机械储存的动能转换成电能,消耗在电阻上,直到电机停止转动。能,消耗在电阻上,直到电机停止转动。 . 直流并励电动机采用能耗制动时,切断电枢电源,同时电枢与电阻接通,并(),产生的电磁转矩方向与电枢转动方向相反,使电动机迅速制动。 A、增大励磁电流 B、减小励磁电流 C、保持励磁电流不变 D、使励磁电流为零 答案: C2.2.2 2.2.2 反接制动反接制动电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动时接线如图所示。*电压反接制动 U电动电动MaEaInemTfIS制动制动BRaBIemBT 开关开关S S投向投向“电动电动”侧时,电枢接正极侧时,电枢接正极电压,电机处于电动状态。进
20、行制动时,开电压,电机处于电动状态。进行制动时,开关投向关投向“制动制动”侧,电枢回路串入制动电阻侧,电枢回路串入制动电阻 后,接上极性相反的电源电压,电枢回路内后,接上极性相反的电源电压,电枢回路内产生反向电流:产生反向电流:BRaaaBaBaBUEUEIRRRR 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩,从反向的电枢电流产生反向的电磁转矩,从而产生很强的制动作用而产生很强的制动作用电压反接制动电压反接制动。注意:注意:当电动机转速降低至接近零时应立即断开电源当电动机转速降低至接近零时应立即断开电源 ( )直流电动机反接制动,当电动机转速降低至接近零时应立即断开电源。 2.3 他励直流电动机的调速
21、电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速;通;通过改变电动机参数进行调速的方法称为过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。他励直流电动机的转速为他励直流电动机的转速为aaseUI (RR )nC 电气调速方法电气调速方法: :1.1.调压调速调压调速; ;2.2.电枢串电阻调速电枢串电阻调速; ;3.3.调磁调速调磁调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性,使改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特
22、性,使工作点发生变化,转速发生变化。调速前后,电动机工作在不工作点发生变化,转速发生变化。调速前后,电动机工作在不同的机械特性上。同的机械特性上。2.5.1 2.5.1 评价调速的指标评价调速的指标一、调速范围一、调速范围:minmaxnnD 二、静差率(相对稳定性)二、静差率(相对稳定性)%越小,相对稳定性越好;越小,相对稳定性越好;%与机械特性硬度和与机械特性硬度和n n0 0有关有关。%nn%nnn%NN100100000指负载变化时,转速变化的程度,转速变化小,稳定性好。指负载变化时,转速变化的程度,转速变化小,稳定性好。)(1nnnnnnnnnnDNmaxNNmaxNminmaxmi
23、nmax0 D D与与%相互制约相互制约: :越小越小,D,D越小越小, ,相对稳定性越好相对稳定性越好; ;在保证一定在保证一定的的指标的前提下指标的前提下, ,要扩大要扩大D,D,须减少须减少n,n,即提高机械特性的硬度。即提高机械特性的硬度。三、调速的平滑性三、调速的平滑性1iinn 越接近越接近1 1,平滑性越好,当,平滑性越好,当 时,称为无级调速,即转时,称为无级调速,即转速可以连续调节。调速不连续时,级数有限,称为有级调速。速可以连续调节。调速不连续时,级数有限,称为有级调速。1四、调速的经济性 在一定的调速范围内,调速的级数越多,调速越平滑。相在一定的调速范围内,调速的级数越多
24、,调速越平滑。相邻两级转速之比,为平滑系数邻两级转速之比,为平滑系数主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。 . 调速系统的调速范围和静差率这两个指标( )。 A、互不相关 B、相互制约 C、相互补充 D、相互平等 答案: B三相异步电动机的基本工作原理和结构三相异步电动机的基本工作原理和结构 第三章第三章 三相异步电动机三相异步电动机。4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.14.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构一、定子部分1.1.定子铁心:由导磁性能很好的硅钢片叠成定子铁心:由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。导磁
25、部分。2 2、定子绕组:放在定子铁心内圆槽内、定子绕组:放在定子铁心内圆槽内导电部分。导电部分。3 3、机座:固定定子铁心及端盖,具有较强的机械强度和刚度。、机座:固定定子铁心及端盖,具有较强的机械强度和刚度。二、转子部分1 1、转子铁心:由硅钢片叠成,也是磁路的一部分。、转子铁心:由硅钢片叠成,也是磁路的一部分。2 2、转子绕组转子绕组: 1 1)鼠笼式转子:转子铁心的每个槽内插入一)鼠笼式转子:转子铁心的每个槽内插入一根裸导条,形成一个多相对称短路绕组。根裸导条,形成一个多相对称短路绕组。2 2)绕线式转子:转)绕线式转子:转子绕组为三相对称绕组,嵌放在转子铁心槽内。子绕组为三相对称绕组,
26、嵌放在转子铁心槽内。 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。到的最小值。三、气隙按转子结构分按转子结构分:绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机继续继续下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。 右图是一台三相鼠笼型异步电右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。动机的外形图。鼠笼型转子鼠笼型转子铁心和绕组铁心和绕组结构示意图结构示意图三相绕线型三相绕线型转子结构图转子结构图返回4.1.2 4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V21nn
27、一、转动原理1 1、电生磁、电生磁:三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电:旋转磁场切割旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。转子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力:转子载流(有功转子载流(有功分量电流)体在磁场作用下受分量电流)体在磁场作用下受电磁力作用,形成电磁转矩,电磁力作用,形成电磁转矩,驱动电动机旋转,将电能转化驱动电动机旋转,将电能转化为机械能。为机械能。 33. 三相异步电动机是利用( )的原理工作的。 A、导体切割磁力线 B、电流的线圈产生的磁场 C、载流导体受力在磁场中运动 D、电磁感应和载
28、流导体在磁场中受力 答案: D 二、转差率11nnsn 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种运行情况。运行情况。转子未转动时转子未转动时,;s,n10 电机理想空载时电机理想空载时,.s,nn01 作为电动机,转速在作为电动机,转速在10n范围内变化,转差率在范围内变化,转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。 负载越大,转速越低,转差率越大;反之,转差率越小。负载越大,转速越低,转差率越大;反之,转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为:速为:
29、11n = (- s)n 额定运行时,转差率一般在额定运行时,转差率一般在0.010.060.010.06之间,即电机转速接之间,即电机转速接近同步速。近同步速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率,用同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率,用s s表示,表示,即:即:三、异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能转变为电机械能转变为电能能电能和机械能变电能和机械能变成内能成内能电能转变为机电能转变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速外力使电机快速旋转
30、旋转外力使电机沿磁外力使电机沿磁场反方向旋转场反方向旋转定子绕组接对定子绕组接对称电源称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态10 n n0n n10 s1s0s4.1.3 4.1.3 型号和额定值型号和额定值一、型号例例: :额定值关系有:额定值关系有:3NNNNNPU I cos)VkV(UN或或额额定定电电压压额定运行状态时加在额定运行状态时加在定子绕组上的线电压定子绕组上的线电压. .)kW(PN额额定定功功率率额定条件下转轴上额定条件下转轴上输出的机械功率。输出的机械功率。)A(IN额额定定电电流流在额定运行状态下流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流入定子绕组的线
31、电流.min)/r(nN额定转速额定转速额定运行时电额定运行时电动机的转速动机的转速.NNf额额定定效效率率额额定定频频率率额额定定功功率率因因数数Ncos二、额定值二、额定值 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机,通常定子三相绕对中、小容量的低压异步电动机,通常定子三相绕组的六个出线头都引出,这样可根据需要灵活组的六个出线头都引出,这样可根据需要灵活地接成地接成“Y”Y”形或形或“D”D”形。形。U1 V1 W1U1 V1 W1W2 U 2 V2W2 U2 V2D联结联结Y联结联结三、接线三、接线 为了分析旋转磁动势的旋转方向,设三相对称电流按余弦规为了分析旋转磁动势的旋转方向,设三相对称电流按余弦规律变化,律变化,U U 相电流最大时为计时点,电流取首进尾出为正,电相电流最大时为计时点,电流取首进尾出为正,电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示:流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示:U2U1W2V1W1V21n用图解法分析用图解法分析不同时刻三相合成磁动势不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。流的相。
限制150内