电机与拖动基础.ppt

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1、电机及拖动基础Fundamentals of Electric Machinery and Electric Drives绪论Introduce自 动 化 系 陈 亚 爱主要内容主要内容n直流电机原理直流电机原理n电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础n直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动n变压器变压器n三相异步电动机原理三相异步电动机原理n三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动n同步电动机同步电动机n电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择0.1电机的应用和分类电机的应用和分类 另一类广泛应用于各种自动控制系统中的控制电另一类广泛应用于各种自动控制系统中的

2、控制电机，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，而能机，其主要任务是完成控制信号的传递和转换，而能量转换是次要的，控制电机应具有高可靠性、高精度量转换是次要的，控制电机应具有高可靠性、高精度和快速响应等性能。和快速响应等性能。电机的分类电机的分类 由于电能易于转换、传输、分配和控制，现代能由于电能易于转换、传输、分配和控制，现代能源的主要形式是电能，所以，与电能密切关联的电机源的主要形式是电能，所以，与电能密切关联的电机广泛应用于社会生产各个部门和社会生活各个方面。广泛应用于社会生产各个部门和社会生活各个方面。电机按不同的功能可分为：作为动力设备用的和电机按不同的功能可分为：作为动力设备用的和

3、作为控制元件用的两大类，如电机分类图所示作为控制元件用的两大类，如电机分类图所示 普通电机的主要任务是能量转换，主要问题是如普通电机的主要任务是能量转换，主要问题是如何提高能量转换的效率。何提高能量转换的效率。直流发电机 直流 直流电动机动力设备类 异步电动机 旋转电机 同步电动机 电机 交流 同步电机 同步发电机 变压器 调相机控制电机 电机分类图电机分类图电机分类图电机的应用电机的应用n控制系统中的信号转换控制系统中的信号转换由各种控制电由各种控制电机完成。机完成。n电能生产电能生产由同步发电机生产；由同步发电机生产；n高压输电高压输电由升压变压器将发电机发出由升压变压器将发电机发出的电压

4、升高到输电电压再输送；的电压升高到输电电压再输送；n降压用电降压用电由降压变压器将输来的高压电由降压变压器将输来的高压电降为所需低电压，供给用电设备；降为所需低电压，供给用电设备；n生产机械的拖动生产机械的拖动由各种电动机实现；由各种电动机实现；0.2本教材内容、课程性质和教学目的本教材内容、课程性质和教学目的 电机基础课程是以电力拖电机基础课程是以电力拖动系统中应用最广泛的电机为重点，动系统中应用最广泛的电机为重点，从使用的角度介绍交、直流电机、从使用的角度介绍交、直流电机、变压器等的基本结构、工作原理、变压器等的基本结构、工作原理、主要工作特性以及运行特性等。主要工作特性以及运行特性等。教

5、材内容教材内容教材与参考书教材与参考书教材教材：电机原理及拖动电机原理及拖动.彭鸿才主编彭鸿才主编.机械工业出机械工业出版社，版社，1996年10月参考书参考书：1电机与拖动基础（第电机与拖动基础（第3版）版）.李发海、王岩编著李发海、王岩编著.清清华大学出版社，华大学出版社，2005年8月2电机及拖动基础上、下册（第电机及拖动基础上、下册（第3版）版）.顾绳谷主编顾绳谷主编.机械工业出版社，机械工业出版社，2004年4月3Electric Machinery(Sixth Edition).清华大学出版社，清华大学出版社，2003年年7月月课程性质课程性质 本课程属专业技术基础课，本课程属专业

6、技术基础课，学习过程中要用到学习过程中要用到高等数学高等数学、大学物理大学物理、电路电路等课程的知识。等课程的知识。课程性质课程性质 本课程虽是基础课，但又具有专业性质，本课程虽是基础课，但又具有专业性质，讲授的内容是电机方面非常具体、实际的问题。讲授的内容是电机方面非常具体、实际的问题。在实际运行着的电机中，在实际运行着的电机中，电、磁、力、热电、磁、力、热等等物理定律同时起作用，互相制约，分析解决物理定律同时起作用，互相制约，分析解决这种复杂问题时，往往需忽略一些次要因数，这种复杂问题时，往往需忽略一些次要因数，抓住主要矛盾加以解决，只要所得结果正确，抓住主要矛盾加以解决，只要所得结果正确

7、，引起的误差在允许的范围内，这在工程上是允引起的误差在允许的范围内，这在工程上是允许的，这与以前所学课程中解决问题理想化、许的，这与以前所学课程中解决问题理想化、单一化有很大区别，学习时需有足够的认识。单一化有很大区别，学习时需有足够的认识。教学目的教学目的 为后续专业基础课和专业课的学习准为后续专业基础课和专业课的学习准备必要的基础知识，提高分析问题、解决备必要的基础知识，提高分析问题、解决问题的能力，也为今后从事自动化工程技问题的能力，也为今后从事自动化工程技术工作和科学研究奠定初步基础。术工作和科学研究奠定初步基础。通过本课程的学习通过本课程的学习，使学生掌握常使学生掌握常用交、直流电机

8、及变压器的基本结构、工用交、直流电机及变压器的基本结构、工作原理、运行性能和实验方法；掌握电动作原理、运行性能和实验方法；掌握电动机的特性分析的方法。机的特性分析的方法。学习方法学习方法n1.注意共性问题注意共性问题 电机种类繁多，各具特性，但就其内部电机种类繁多，各具特性，但就其内部电磁关系耦合过程和机电能量转换关系，仍电磁关系耦合过程和机电能量转换关系，仍有其内在联系。他们的基本工作原理都是建有其内在联系。他们的基本工作原理都是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上的；立在电磁感应定律和电磁力定律基础上的；他们的能量转换都是以磁场为媒介，其电磁他们的能量转换都是以磁场为媒介，其电磁关系可抽象

9、为电路参数，得出基本方程式和关系可抽象为电路参数，得出基本方程式和等值电路，这是共性方面。等值电路，这是共性方面。学习方法学习方法n2.注意课程主线注意课程主线 在学习中应将变压器、交流电机、直流在学习中应将变压器、交流电机、直流电机的相似性有机地统一起来，注意课程内电机的相似性有机地统一起来，注意课程内容的内在联系，形成学习本课程鲜明的主容的内在联系，形成学习本课程鲜明的主线，只要学好了变压器，对交流机和直流机线，只要学好了变压器，对交流机和直流机的内容就比较容易掌握了。的内容就比较容易掌握了。学习方法学习方法n3.注意理论联系实际注意理论联系实际 理论联系实际，注重做好本课程开设的理论联系

10、实际，注重做好本课程开设的相关实验，立足于学会使用各类电机，在实相关实验，立足于学会使用各类电机，在实验中学习解决实际问题的方法，注意培养解验中学习解决实际问题的方法，注意培养解决工程实际问题的能力。决工程实际问题的能力。0.2.5课程有关事项及纪律要求课程有关事项及纪律要求总评成绩：作业10%，实验20%，考试70%。n不迟到，上课认真听讲，做好重点内容的笔记。n课前预习，课后复习，及时掌握每次课的要点。n按时完成作业，不抄作业，每章结束后交一次作业。n课上不做与课程无关的事，不懂可及时举手提问。n有疑难，应及时答疑。答疑时间：每周 午00：00-00：00 地点：四教西913，电话：888

11、02861 实验前做好预习报告，实验时注意安全，实验后完成实验报告。0.3本课程中常用的基本电磁定律本课程中常用的基本电磁定律n注：课后要自己复习上述定律。学习本课程中常要用到的基本电磁定律有：全电流定律、磁路欧姆定律、电磁力定律、电磁感应定律、基尔霍夫电流定律和电压定律等。电路定律电路定律n1.电路欧姆定律电路欧姆定律 流过电阻流过电阻R(resistance)的电流的电流I(current)大小与电阻两端的电压大小与电阻两端的电压U(voltage)成正比，与成正比，与电阻电阻R的大小成反比，即有的大小成反比，即有 （1）2.基尔霍夫定律基尔霍夫定律n基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律 电路

12、中任意节点的电流的代数和等于电路中任意节点的电流的代数和等于零，即有零，即有 （2）n基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律 对电路中任一回路，电压降的代数和等对电路中任一回路，电压降的代数和等于电动势于电动势(emf)的代数和，即有的代数和，即有 (3)电磁感应定律电磁感应定律 一匝数（一匝数（turn）为）为N的线圈的线圈(winding)，在，在变化的磁场中产生的感应电动势变化的磁场中产生的感应电动势e(induce electromotive force)的大小与线圈匝数的大小与线圈匝数N和线圈所交和线圈所交链的磁通（链的磁通（the magntic flux）对时间的变化率）对时间的变化率

13、dF/dt成正比，当感应电动势正方向与产生他的磁通正方成正比，当感应电动势正方向与产生他的磁通正方向符合右手螺旋定则时，则有向符合右手螺旋定则时，则有 （4）全电流定律全电流定律 磁场中沿任一闭合回路的磁场强度磁场中沿任一闭合回路的磁场强度H(the magnetic field intensity)的线积分等于该闭合的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和，即有回路所包围的所有导体电流的代数和，即有 （5）电磁力定律 载流导体在磁场中受到力的作用，当磁载流导体在磁场中受到力的作用，当磁场与导体相互垂直作用时，作用在载流导体场与导体相互垂直作用时，作用在载流导体的电磁力为的电磁力为

14、（6）磁路定律1.磁路基尔霍夫第一定律磁路基尔霍夫第一定律 在磁路在磁路(magnetic circuit)中根据磁通的中根据磁通的连续性可得：穿入任一闭合面的磁通必等于连续性可得：穿入任一闭合面的磁通必等于穿出该闭合面的磁通，即磁路中通过任何闭穿出该闭合面的磁通，即磁路中通过任何闭合面上的磁通的代数和等于零，则有合面上的磁通的代数和等于零，则有 （7）n上式中一般将穿出闭合面的磁通取正号，上式中一般将穿出闭合面的磁通取正号，穿入闭合面的磁通取负号。穿入闭合面的磁通取负号。2.磁路基尔霍夫第二定律磁路基尔霍夫第二定律 根据麦克斯韦方程（式（根据麦克斯韦方程（式（5）可得出：）可得出：在闭合的磁

15、路中，各段磁压降的代数和等于在闭合的磁路中，各段磁压降的代数和等于闭合磁路中磁动势闭合磁路中磁动势(mmf)的代数和，即有的代数和，即有 （8）n上式中，上式中，H磁场强度，磁场强度，A/m；n L各段磁路的长度，各段磁路的长度，m；n N线积分线路所包围的导体数；线积分线路所包围的导体数；n I每根导体所流过的电流，每根导体所流过的电流，A。3.磁路欧姆定律磁路欧姆定律 在无分支的磁路中，磁通在无分支的磁路中，磁通F与磁动势与磁动势F大大小成正比，与磁路中的总磁阻小成正比，与磁路中的总磁阻Rm(total reluctance)的大小成反比，即有的大小成反比，即有 （9）上式中，上式中，Rm

16、磁路的总磁阻，磁路的总磁阻，1/H。电机主要组成系统电机主要组成系统 电机主要由两大系统组成：电电机主要由两大系统组成：电路系统和磁路系统。铁磁材料是组路系统和磁路系统。铁磁材料是组成磁路的主要部分。成磁路的主要部分。所谓铁磁材料是指导磁性能好所谓铁磁材料是指导磁性能好的材料，如：铁、镍、钴等以及它的材料，如：铁、镍、钴等以及它们的合金。们的合金。0.4电机中铁磁材料的特点电机中铁磁材料的特点n 铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁导率Fe要比要比非铁磁材料磁导率非铁磁材料磁导率大得多大得多（Fe），非铁磁材料磁导），非铁磁材料磁导率接近真空磁导率率接近真空磁导率0（0=410-7H/m）。）。电机中

17、常用的铁磁材料的磁导电机中常用的铁磁材料的磁导率率Fe=（20006000）0。铁磁材料能在外磁场中呈铁磁材料能在外磁场中呈现很强的磁性，这种现象称磁现很强的磁性，这种现象称磁化，磁化是铁磁材料的特性之化，磁化是铁磁材料的特性之一。一。磁化曲线磁化曲线magnetization curve 在非铁磁材料中，磁通密度在非铁磁材料中，磁通密度B和磁场强度和磁场强度H之之间呈线性关系，即间呈线性关系，即B=0 H。对于铁磁材料，磁导率对于铁磁材料，磁导率Fe除了比除了比0大得多以外，大得多以外，还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关，所以铁还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关，所以铁磁材料的磁导率磁材

18、料的磁导率Fe不是常数。不是常数。在工程计算时，事先将各种铁磁材料用试验的在工程计算时，事先将各种铁磁材料用试验的方法，测得它们在不同磁场强度方法，测得它们在不同磁场强度H下对应的磁通密度下对应的磁通密度B，绘制成，绘制成B-H曲线，这条曲线，这条B-H曲线，就称为磁化曲曲线，就称为磁化曲线。将未经磁化的铁磁材料进行磁化，磁场强度线。将未经磁化的铁磁材料进行磁化，磁场强度H由由零增大时，磁通密度零增大时，磁通密度B随之增大，所得的随之增大，所得的B=（H）曲线称为起始磁化曲线。曲线称为起始磁化曲线。分析磁化曲线分析磁化曲线n从图中可见，曲线分四段从图中可见，曲线分四段 在在oa段段：当：当H增

19、大增大B增增大，但大，但B增大速度较慢；增大速度较慢；在在bc段段：B随随H增大的增大的速度又较慢；速度又较慢；在在cd段段：为磁饱和区：为磁饱和区（又呈直线段）。其中，（又呈直线段）。其中，a点点称为跗点；拐弯点称为跗点；拐弯点b称为膝点；称为膝点；c点为饱和点。点为饱和点。过了饱和点过了饱和点c，铁磁材料的磁导率趋近，铁磁材料的磁导率趋近0。在在ab段段：当：当H增大增大B增大，增大，B增大速度快；增大速度快；铁磁材料具有的特点铁磁材料具有的特点n铁磁材料具有如下特点：铁磁材料具有如下特点：n 它的磁化曲线具有饱和性，磁它的磁化曲线具有饱和性，磁导率导率Fe不是常数，且随不是常数，且随B的

20、变化而的变化而变化。变化。磁滞回线磁滞回线hysteresis loop 铁磁材料被反铁磁材料被反复磁化时，复磁化时，B-H曲曲线不是单值的，是线不是单值的，是一条磁滞回线。一条磁滞回线。n分析：分析：同一个同一个H值下，有两个值下，有两个B值与之对应。当值与之对应。当H=0时，时，B0，B=Br，Br称为剩磁；当称为剩磁；当B=0时，时，H0，H=Hc，Hc称为矫顽力。称为矫顽力。n不同的铁磁物质其不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算（如

21、曲线进行计算（如图中的曲线图中的曲线3所示）。所示）。说明说明1说明说明2 根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料的磁滞分为硬磁材料和软磁材料。硬磁材料的磁滞回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如钨钢、钴钢回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如钨钢、钴钢等；软磁材料的磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽等；软磁材料的磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽力小，如硅钢片、铸钢等。力小，如硅钢片、铸钢等。由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁由于电机铁芯采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲

22、线计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示来表示B与与H之间的关系，故通常所讲的铁磁之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。交流磁路中的铁心损耗交流磁路中的铁心损耗n交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁滞损交流磁路中存在铁芯损耗，铁芯损耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。耗和涡流损耗。1.磁滞损耗磁滞损耗 hysteresis loss 铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴间相互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与交变磁场的频率损耗与交变磁场的频率

23、f、铁芯的体积、铁芯的体积V、磁滞回线、磁滞回线的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：的面积成正比。磁滞损耗功率可用下式表示：式中式中kh磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一般电工钢片质；对一般电工钢片n=1.62.3；f磁通交变频磁通交变频率；率；Bm磁通密度的最大值。磁通密度的最大值。2.涡流损耗涡流损耗eddy-current loss 铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯铁芯是有阻值的，当磁通交变时，铁芯中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中中就会感应交变的电势，在导电的铁芯中就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回就会产生环流，这种电流在铁芯构成的回路与磁通相环链，故称涡流，涡流产生的路与磁通相环链，故称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。损耗称为涡流损耗。涡流损耗功率可用下式表示：涡流损耗功率可用下式表示：式中式中kw与材料有关的比例系数。与材料有关的比例系数。3.铁芯损耗铁芯损耗core loss 铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗之合称为铁芯损耗，即有：之合称为铁芯损耗，即有：绪论部分的作业：绪论部分的作业：Problemsn1.铁磁材料分哪两类？它们各有什么特点？n2.铁磁材料的特点是什么？n3.铁损包括哪些损耗？n4.复习本课程所用到的基本电磁定律。n注：2、3题做在作业本上。