電機及拖動基礎課件

1、緒論 電機、電力拖動的基本概況關于能量關于能量關于電機關于電機關于本課程關于本課程一、一、關關 于于 能能 量量1. 能量的運動方式能量的運動方式風能風能變換變換一種形式另一種形式2. 能量的基本存在形式能量的基本存在形式機械能機械能電能電能熱能熱能核能核能磁能磁能光能光能化學能化學能二、二、關關 于于 電電 機機一種能量一種能量裝置裝置集集、和和為一體為一體一種典型的一種典型的設備設備越來越強越來越強電機的應用分類電動方式電動方式 消耗電能消耗電能 發(fā)電方式發(fā)電方式 產生電能產生電能二、二、關關 于于 電電 機機三、三、關關 于于 本本 課課 程程1.專業(yè)目的專業(yè)目的u 研究電機，對其實施預

2、想的控制（后續(xù)課程：運動控制系統(tǒng)）2.預備知識預備知識u 電路原理（電動勢，電勢平衡，復阻抗，電路的相量分析）u 電磁學（電磁效應）u 運動力學（力矩，運動狀態(tài)）3.學習內容學習內容u 電動勢，電勢平衡，電磁轉矩，相量圖及其分析；u 工作特性，機械特性，機械負載，功率損耗，有功功率，無功功率；u 空載運行，負載運行，電機起動，電動運行，制動運行；三、三、關關 于于 本本 課課 程程4.學習方式學習方式u 以物理 概念領先，數(shù)學描述隨后；u 突出主要知識點，以點 帶面；u 注意知識的持續(xù) 性、關聯(lián) 性；u 擯棄“按例解題”學習模式，建立獨立的、發(fā)散的 和思辯的 思維方式；5.教與學教與學u 課堂

3、教學：參與和互動；u 成績評價體系：課堂記錄課堂記錄實驗記錄實驗記錄作業(yè)記錄作業(yè)記錄理論考試理論考試四四部部分分60%左右左右40%左右左右關于本課程(二)第一章 磁路基本定律及物理概念基本定律及物理概念磁場與電流磁場與電流磁路與電路磁路與電路1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律一、（電）磁場存在的基本要素一、（電）磁場存在的基本要素1.磁場源，勵磁源，勵磁電流磁場源，勵磁源，勵磁電流2.磁路，磁通路徑磁路，磁通路徑二、（電）磁場的基本物理量二、（電）磁場的基本物理量1.磁通磁通 描述描述 通過一定橫截面積的磁力線總數(shù)通過一定橫截面積的磁力線總數(shù) 符號符號 類型類型 矢量矢量 量綱量綱

4、 Wb ； 1 Wb = 108 lines 2.磁感應強度磁感應強度 ，磁通密度，磁通密度 描述描述 通過單位面積的磁力線數(shù)量通過單位面積的磁力線數(shù)量 符號符號 B ；B = / A(面積面積) 類型類型 矢量矢量 量綱量綱 Wb/m2面積A A磁力線單位面積3. 磁勢（磁動勢）磁勢（磁動勢） 描述描述 衡量磁場源的基本強度衡量磁場源的基本強度 符號符號 F F = i N 類型類型 矢量矢量 量綱量綱 Aturn(安匝安匝)4. 磁場強度磁場強度 描述描述 在單位長度的磁力線上磁場源所分配的勵磁磁勢大小在單位長度的磁力線上磁場源所分配的勵磁磁勢大小 符號符號 H B = H 類型類型 矢量

5、矢量 量綱量綱 T（特斯拉）（特斯拉） 或或 A / m 或或 Aturn / m5.磁導率磁導率 描述描述 衡量指定物質導磁能力大小的物理量衡量指定物質導磁能力大小的物理量 符號符號 類型類型 標量標量 量綱量綱 H / m 在真空介質中在真空介質中 o= 4 10-7 H/m 1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律提示：磁勢不僅與流過電流載體的安培強度有關，還與電流載體圍繞磁路的匝數(shù)有關提示：此量綱稱為：亨每米1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律三、磁與電的聯(lián)系三、磁與電的聯(lián)系1.磁場與電流 安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律 P 7 右手定則右手定則L Li iH Hd dl l+_

6、繞組 N 匝磁性鐵心 橫截面A鐵心平均長度 lci磁勢的大?。捍艅莸拇笮。?F = i N = HclcRVI mRF1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律2.磁路與電路磁路與電路 磁路歐姆定律磁路歐姆定律 P 7 磁路與電路的區(qū)別磁路與電路的區(qū)別 P 9 +_VRIF+_Rm電路電路 磁路磁路1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律1. 磁導率 （H/mH/m）的量綱 H H是即電感量的量綱，解釋 1H1H 的物理含義是什么? ?預測電磁元件的電感量受哪些參量的影響？2. 在假定每種磁介質的 為常數(shù)的前提下，如何解釋磁導率 （H/m）的物理意義？試寫出可能的物理描述。 思考題 1-

7、2 1-2 常用的鐵磁材料及其特性常用的鐵磁材料及其特性一、鐵磁物質的磁化一、鐵磁物質的磁化1.很多鐵磁材料在常態(tài)下不顯磁性，只有通過外磁場的激勵，才表現(xiàn)出很強的磁性。 磁疇未加激勵狀態(tài)未加激勵狀態(tài)激勵磁化狀態(tài)激勵磁化狀態(tài)2.一般用于電機的鐵磁材料其FeFe=(2000 6000)0，因而采用鐵磁材料構成磁路鐵心，再由電場激勵磁場成為產生電機電磁場的必然途徑。 1-2 1-2 常用的鐵磁材料及其特性常用的鐵磁材料及其特性二、鐵磁材料的磁化特性二、鐵磁材料的磁化特性1.磁化曲線 P10 鐵磁材料的磁化特性具有非線性的特點，當磁化強度達到一鐵磁材料的磁化特性具有非線性的特點，當磁化強度達到一定臨界

8、值，磁感應能力開始下降定臨界值，磁感應能力開始下降2.磁滯回線 P10 當鐵磁材料受到周期性的交變磁化時，磁化特性具有滯后回當鐵磁材料受到周期性的交變磁化時，磁化特性具有滯后回環(huán)特點。環(huán)特點。1-2 1-2 常用的鐵磁材料及其特性常用的鐵磁材料及其特性三、鐵磁材料的分類和損耗三、鐵磁材料的分類和損耗2.鐵心損耗 P12 磁滯損耗：鐵心的磁能熱耗散磁滯損耗：鐵心的磁能熱耗散渦流損耗：鐵心的電熱損耗渦流損耗：鐵心的電熱損耗 1.軟磁和硬磁材料的分類 P12 第二章第二章 直流電機直流電機原理與構造基本物理量與工作特性數(shù)學描述一、直流電動機的電磁力運動現(xiàn)象（左手定則）2-1 2-1 工作原理及結構工

9、作原理及結構1.恒定磁場，帶電導體（相互垂直） f = Bil皮皮 薩電磁力定律薩電磁力定律ax 、by段雖然有電流，由于其平行于段雖然有電流，由于其平行于磁力線，無切割運動，故不會產生感磁力線，無切割運動，故不會產生感應力而影響旋轉運動應力而影響旋轉運動l laxby通電后，導體ab段受到向左的電磁力作用，導體ab段受到向右的電磁力作用，整個導體框產生以虛線為軸心得逆時針旋轉運動。2-1 2-1 工作原理及結構工作原理及結構由于通電導線的空間由于通電導線的空間位置不斷變化，如何位置不斷變化，如何保證旋轉方向恒定不保證旋轉方向恒定不變變？外電源固定極性外電源固定極性電流電流+_2-1 2-1

10、工作原理及結構工作原理及結構外電源固定外電源固定極性電流極性電流換向片換向片一個電樞一個電樞繞組繞組電機旋轉體電機旋轉體電樞電樞換向電刷換向電刷電樞結構示意2-1 2-1 工作原理及結構工作原理及結構直流電源導電體電磁場左手定則瞬間旋轉運動換向器持續(xù)旋轉運動輸出轉矩產生電磁轉矩直流電動機的能量變換途徑：2-1 2-1 工作原理及結構工作原理及結構二、直流發(fā)電機的電磁感應現(xiàn)象（右手定則）1.恒定磁場，運動的導體（單方向運動）2.借助換向器，保證輸出為直流電壓直流電源導電體電磁場右手定則交變感應電勢換向器直流感應電勢輸入轉矩產生感應電勢+U_ +Ea _+_ +Ea _+_電動運行發(fā)電運行2-1

11、2-1 工作原理及結構工作原理及結構直流電機電氣原理圖直流電機電氣原理圖2-1 2-1 工作原理及結構工作原理及結構三、直流電機的基本結構1.機械結構定子部分轉子部分主磁極主磁極 換向極換向極 機座機座 電刷裝置電刷裝置電樞鐵心電樞鐵心 電樞繞組電樞繞組 換向器換向器2.電氣結構勵磁回路電樞回路主磁極主磁極 換向極換向極 電刷裝置電刷裝置電樞繞組電樞繞組 換向器換向器電樞（繞組）電刷換向器電源接線端機械連結軸主磁極，勵磁繞組2-1 2-1 工作原理及結構工作原理及結構NS1237846 5直流電機電樞繞組的基本結構特征2-3 2-3 直流電機的繞組直流電機的繞組為產生足夠的電磁力或發(fā)電電動勢需

12、要將均勻分布的多個電樞線圈相互并串聯(lián)，形成繞組。需要將均勻分布的多個電樞線圈相互并串聯(lián)，形成繞組。+單繞組結構單繞組結構:優(yōu)：增加線圈數(shù)量，在旋轉一周優(yōu)：增加線圈數(shù)量，在旋轉一周過程中始終有一個繞組產生均衡過程中始終有一個繞組產生均衡的電磁力或發(fā)電電勢。的電磁力或發(fā)電電勢。劣：任何時刻只有一個繞組產生劣：任何時刻只有一個繞組產生電磁效應，結構利用率低，效能電磁效應，結構利用率低，效能差。差。NS14328567+該繞組結構工作時有幾條電流支該繞組結構工作時有幾條電流支路？圖示狀態(tài)的電流路徑如何，路？圖示狀態(tài)的電流路徑如何，以繞組端排序表示。以繞組端排序表示。多繞組結構多繞組結構:繞組繞組 1-

13、2，3-4，5-6，7-8 共四組。共四組。利用換向片將繞組端利用換向片將繞組端 1和和8，3和和2 ，4和和5，6和和7 永久短接。永久短接。優(yōu)：通過繞組串并聯(lián)，增加通電優(yōu)：通過繞組串并聯(lián)，增加通電線圈的數(shù)量（匝數(shù)），大大提高線圈的數(shù)量（匝數(shù)），大大提高了在旋轉一周過程中產生的電磁了在旋轉一周過程中產生的電磁力或發(fā)電電勢。力或發(fā)電電勢。2-3 2-3 直流電機的繞組直流電機的繞組1237846 5+NNSS_極對數(shù)：P=22-3 2-3 直流電機的繞組直流電機的繞組多對勵磁極結構多對勵磁極結構:2-4 2-4 直流電機的勵磁方式和磁場直流電機的勵磁方式和磁場+ + + + 并勵方式并勵方式他

14、勵方式他勵方式串勵方式串勵方式復勵方式復勵方式一、直流電機的基本勵磁結構2-4 2-4 直流電機的勵磁方式和磁場直流電機的勵磁方式和磁場二、直流電機的空載勵磁狀態(tài) P30直流電機的空載狀態(tài)定義：無負載的運行狀態(tài)直流電機的空載狀態(tài)定義：無負載的運行狀態(tài)主磁通取決于勵磁電流強度主磁通取決于勵磁電流強度三、直流電機的負載勵磁狀態(tài) P32直流電機的負載達到一定強度后，其電樞電流的勵磁作直流電機的負載達到一定強度后，其電樞電流的勵磁作用不可忽略用不可忽略電樞反應：去磁作用電樞反應：去磁作用2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩在電機的物理量中：在電機的物理量中：感應電動勢感應電動勢 主

15、要的電氣特征量主要的電氣特征量電磁轉矩電磁轉矩 主要的機械特征量主要的機械特征量一、感應電動勢 Ea1. 量綱：伏特量綱：伏特2. 無論導體是否帶電，只要按一定方向切割磁力線，導體都將無論導體是否帶電，只要按一定方向切割磁力線，導體都將產生感應電動勢。產生感應電動勢。3. 直流電機的感應電動勢直流電機的感應電動勢 ；Ce 電動勢常數(shù)電動勢常數(shù) Ea = Ce n ； 合成磁通合成磁通 ；n 電機轉速電機轉速ia , t0 2P=2的直流電動機感應電動勢分析2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩元件的指定支路邊電流變化波形NNS S14328567+_ _電樞空間位置與電角度的

16、關系由于磁極與換向電刷的配合由于磁極與換向電刷的配合, ,使電使電樞元件邊的電流極性與磁極極性總樞元件邊的電流極性與磁極極性總保持相對一致性。當電流相角度發(fā)保持相對一致性。當電流相角度發(fā)生半周變化即生半周變化即時，元件邊切割的時，元件邊切割的磁通也正好發(fā)生半周變化即磁通也正好發(fā)生半周變化即。電角度電角度 + -2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩n602P=1：設定電樞繞組每一邊支路經過磁通變化半個周期時，需要的時間為t： tn604P=2：導出導出P38 (2-18)P38 (2-18)式式電樞支路邊電流的電角速度與電樞的機械轉速n n的關系：nP602n：轉：轉/分分（

17、rpm）2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩求t時間內最后感應電勢平均值，最后考慮電樞繞組總有效元件電勢總量值。式2-21由電磁感應定律，匝數(shù)為 Ny 的元件的感應電勢瞬時值表達結果：dtdNdtdey磁鏈磁鏈dtdNydtdetaedttE011nCenaPZEa604. 推導線索推導線索電磁感應定律電磁感應定律單位繞組以速度單位繞組以速度n旋轉時的平均感應電動勢旋轉時的平均感應電動勢考慮總量考慮總量2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩axyxilBNf二、電磁轉矩 Tm2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩1. 量綱：牛頓米量綱：牛

18、頓米2. 具有矢量特征（順反兩種方向）。具有矢量特征（順反兩種方向）。3. 直流電機的電磁轉矩直流電機的電磁轉矩 ； 合成磁通合成磁通Tm = CM Ia ；CM 轉矩常數(shù)轉矩常數(shù) ；Ia 電機電樞電流電機電樞電流4. 推導線索推導線索電磁力定律電磁力定律 單個元件所受電磁力單個元件所受電磁力 ；Ny 每個元件的匝數(shù)每個元件的匝數(shù)2axemDfTldxBIaZTxaem04ldxBx0元件所受電磁轉矩元件所受電磁轉矩 2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩 ；Da 電樞轉軸直徑電樞轉軸直徑每極下的電磁轉矩每極下的電磁轉矩 由于每個磁極下的磁通為由于每個磁極下的磁通為 amae

19、mICIaZpT42電樞（P對磁極）總電磁轉矩為 2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩電磁轉矩電磁轉矩 Tem 的大小與每極磁通和電樞電流的乘積成的大小與每極磁通和電樞電流的乘積成正比正比 思考思考 1. 當電樞回路電流為零時，是否能確定Ea為零？2. 當機轉速為零時，是否能斷定 Tem 為零？aaaaaemIEnIaPZIaPZIaPZT60260602三、機電能量的關系2-6 2-6 感應電動勢和電磁轉矩感應電動勢和電磁轉矩 EaIa： 通過電磁感應輸送到電機的電功率通過電磁感應輸送到電機的電功率Tem ：通過電樞轉軸輸送的機械功率：通過電樞轉軸輸送的機械功率轉矩常數(shù)C

20、T電動勢常數(shù)Ce見 P38392-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理一、描述運行規(guī)律的一般數(shù)學表達1. 電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式(以電樞回路為主以電樞回路為主)dtdiLRiEuaaaaaadtidLRiEuaaaaa)()(電動運行狀態(tài)電動運行狀態(tài)發(fā)電運行狀態(tài)發(fā)電運行狀態(tài)+U_ +Ea _+Uf_LaRaia電動運行穩(wěn)態(tài)時為零 Tem T2 Tl 思考思考 一臺直流電機，勵磁磁場恒定一臺直流電機，勵磁磁場恒定，電樞電阻，電樞電阻 Ra=1Ra=1 ，當，當作為電動機穩(wěn)定運行時，外加作為電動機穩(wěn)定運行時，外加 Ua=200VUa=200V直流電壓，電樞直流電壓，電樞電流為

21、電流為10A10A；當作為發(fā)電機運行時，外力拖動其穩(wěn)定運；當作為發(fā)電機運行時，外力拖動其穩(wěn)定運行于同一轉速，發(fā)電輸出電流為行于同一轉速，發(fā)電輸出電流為 20A20A。 估算其輸出的發(fā)電電壓估算其輸出的發(fā)電電壓 UF =？2. 轉矩平衡方程式轉矩平衡方程式電動運行狀態(tài)電動運行狀態(tài)發(fā)電運行狀態(tài)發(fā)電運行狀態(tài)dtdJTTTem02d dt td dJ JT TT TT T0 0e em m1 12-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理+U_+Uf_ia電動運行 Tem T2 Tl 穩(wěn)態(tài)時為零2-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理3. 能量平衡方程式能量平衡方程式(以電動機為例

22、以電動機為例 )emcCuaCufPppp affUIIUUIP1mecFe20202ppPPP)T(T e em me em mT TP PPCufPCuaPFePCPmecP1PemP2電功率機械功率2-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理二、直流電動機的工作特性電機為使用者提供的典型運行規(guī)律電機為使用者提供的典型運行規(guī)律 P4345定義：在定義：在U = UN，If = IfN，電樞回路無外串電阻時，電動機的，電樞回路無外串電阻時，電動機的 n，Tem， = f ( P2 或或 Ia )關系。關系。1. 轉速特性轉速特性 (以并勵電動機為例以并勵電動機為例 ) n= f (

23、Ia )aeaeICRCUn負斜率項n0nIaN Ia轉速特性的特殊工作點轉速特性的特殊工作點nnICRCUnaeae0 2-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理n0nIN Ian0：電機在電樞電流為：電機在電樞電流為0時的轉速，稱為電機在該工作條時的轉速，稱為電機在該工作條件下的理想空載轉速。件下的理想空載轉速。當當 n = nN Ia = IN時：電機工作在額定工作點。時：電機工作在額定工作點。理想空載點理想空載點額定工作載點額定工作載點aTemICT忽忽略略電電樞樞反反應應的的影影響響2-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理 思考 電動機處于穩(wěn)定空載運行時，大致在

24、該特性的哪個位置點？2. 轉矩特性轉矩特性 (以并勵電動機為例以并勵電動機為例 ) Tem= f ( Ia )正斜率項Tem0TemIaN Ia100%100%) )I IU(IU(IU U2I2IR RI Ip pp pp p- -1 1 100%100%) )P Pp p(1(1 100%100%P PP Pf fa ac ca aa a2 2a aCufCufmecmecFeFe1 11 12 23. 效率特性效率特性 (以并勵電動機為例以并勵電動機為例 ) = f ( Ia )所有的損耗和2-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運行原理2-7 2-7 直流電機的運行原理直流電機的運

25、行原理（并勵）直流電動機工作特性（并勵）直流電動機工作特性n,Tem0nTemIaN Ia第八章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎運動方程式運動方程式負載轉矩特性負載轉矩特性dtdJTTdtdvmFFzz8-1 8-1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式電力拖動系統(tǒng)的運動方程式一、電力拖動系統(tǒng)的一般結構電網(wǎng)電源電網(wǎng)電源受控電源受控電源電動機電動機機械負載機械負載二、運動方程式直線運動：直線運動：旋轉運動：旋轉運動：；J = GD2/4g）（dtdndtddtdnGDTTz60237621. 電動機運動方程式：電動機運動方程式：8-1 8-1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式電力拖動系統(tǒng)的運動方程式2. 運動方程與運動狀

26、態(tài)運動方程與運動狀態(tài)u T = TZ 時，時，dn/dt = 0，穩(wěn)定運動，穩(wěn)定運動，無加速度，穩(wěn)態(tài)無加速度，穩(wěn)態(tài)u T TZ 時，時，dn/dt 0，加速運動，加速運動，正加速度，動態(tài)正加速度，動態(tài)u T TZ 時，時，dn/dt Tz1)dn/dt U1)I T T Tz dn/dt 0 直到直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n2nTz Tem o第一工作點(T Tz z，n n1 1) )第二工作點(T(Tz z，n n2 2) )當當 U2又變回到又變回到 U1 (U2 U1)I T T Tz dn/dt 0 直到直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n1分析前

27、提：電樞的電氣慣性大大小于機械慣性電動機機械特性具有：電動機機械特性具有：交點以上同一速度有交點以上同一速度有TTzdtdiLERiUaaaaaaRUi 一、他勵直流電動機的安全起動要求一、他勵直流電動機的安全起動要求9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動1. 問題的存在問題的存在 在電樞回路中：在電樞回路中：忽略忽略 L，起動時，起動時，Ea = 0:結果結果 ia 往往過大往往過大超越電氣和機械強度的極限超越電氣和機械強度的極限2. 改善方案：改善方案：降降壓啟動壓啟動 電阻分壓分級起動電阻分壓分級起動 可變電源降壓起動可變電源降壓起動直流電動機直流電動機1.5KW1.5

28、KW，220V220V，8.7A8.7A，0.80.8，1450rpm1450rpmAVIQ2758 . 0220275A 8.7A275A 8.7Aa3212RRRRUIC)RRR(RIUnea321119-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動Ra+U_ +Ea _+Uf_R 1 R 2 R 3 Ras1 s2 s3 i i anIz I1 I2 Iao負載點負載點(Tz，nz)電樞電阻分級起動：第一級第一級 s1，s2，s3 開路開路第二級第二級 s1 閉合，閉合，s2，s3 開路開路第三級第三級 s1，s2 閉合，閉合，s3 開路開路第四級第四級 s1，s2，s3 閉合閉

29、合轉折點轉折點(T2，0）轉折點轉折點(T1，n1） 案例案例 已知：U = 200v，Ce = 0.2v/rpm，Ra = 1要求：電動機從 n=0 開始起動，每增加300rpm切換一次起動電阻，盡可能使每次切換后的最大加速電流為10A，直到完全除掉外串電阻，使電動機穩(wěn)定運行于空載點（Io = 1A）。u設計各級分級電阻；u畫出起動過程的機械特性 n = f(Ia)(并標注各轉折點坐標)；u畫出電動機電樞回路原理圖，說明分級控制步驟。9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動n900600300Iz 10A Iaorpm1000CUneorpm995CRIUneaoo在約定工作

30、條件下在約定工作條件下電動機理想空載轉速：電動機理想空載轉速：實際空載轉速：實際空載轉速：9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動參考解答：參考解答：(1A，995rpm)(0A，1000rpm)R1=20n900600300Iz 10A Iao2020R RR RU U10A10A1 11 1設第一級總電阻為設第一級總電阻為 R1 (含含Ra)，切換后分別為，切換后分別為 R2，R3，R4對應外串電阻為對應外串電阻為R1，R2，R3，R49-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動7 7A AI IC CR RI IU U3 30 00 0r rp pm m1 1

31、e e1 11 1此后電機加速，當轉速達此后電機加速，當轉速達到到300rpm時：時：（7, 300）一般認為：動態(tài)過程中，一般認為：動態(tài)過程中，電樞電流的響應遠快于轉電樞電流的響應遠快于轉速的響應速的響應電機通電后，第一級總電電機通電后，第一級總電阻為阻為 R1 R2=14n900600300Iz 10A Iao（7, 300）9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動切換電阻由切換電阻由R1R2，速度不變，電流增加再次達，速度不變，電流增加再次達10A：1 14 4R RC CR R1 10 0A AU U3 30 00 0r rp pm m2 2e e2 2（5.7, 60

32、0）此后電機加速，當轉速此后電機加速，當轉速達到達到 600 rpm 時：時：5 5. .7 7A AI IC CR RI IU U6 60 00 0r rp pm m2 2e e2 22 2R3=8（7, 300）（5.7, 600）n900600300Iz 10A Iao9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動切換電阻由切換電阻由R2R3，速度不變，電流增加再次達，速度不變，電流增加再次達10A：8 8R RC CR R1 10 0A AU U6 60 00 0r rp pm m3 3e e3 3此后電機加速，當轉速此后電機加速，當轉速達到達到 900 rpm 時：時：A

33、AI IC CR RI IU U9 90 00 0r rp pm m3 3e e3 33 35 .2（2.5, 900）9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動切換電阻由切換電阻由R3R4，速度不變，電流增加再次達，速度不變，電流增加再次達10A：2 2R RC CR R1 10 0A AU U9 90 00 0r rp pm m4 4e e4 4此后速度已沒有此后速度已沒有300 rpm的的增加余地，為保證切除最后增加余地，為保證切除最后一級外串電阻時電流能達到一級外串電阻時電流能達到10A，切換點的坐標如何切換點的坐標如何確定？確定？（7, 300）（5.7, 600）n9

34、00600300Iz 10A Iao（2.5, 900）R4=2（2.5, 900）n1000900Iz 10A Iao9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動切出最后一級電阻時，速度應等于自然特性在切出最后一級電阻時，速度應等于自然特性在 Ia=10A 點：點：r rp pm mn nC CR R1 10 0A AU Un n4 4e ea a4 49 95 50 0切換點電流切換點電流 I4：A AI IC CR RI IU Un n4 4e e4 44 454（5, 950）最后，電機進入自然特性直至穩(wěn)定于（最后，電機進入自然特性直至穩(wěn)定于（1A, 995 rpm）(1A

35、，995rpm)n900600300Iz 10A Iao（7, 300）（5.7, 600）（2.5,900）（1 ,995）（5 ,950）9-2 9-2 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動Ra+U_ +Ea _Ras1 s2 s3 S4i i a6 6 6 1 9-3 9-3 他勵直流電動機的制動他勵直流電動機的制動一、電機制動狀態(tài)的定義當電磁轉矩 T T 與轉速 n n 方向相反時，電機處于制動狀態(tài)提示： 制動過程不一定是減速過程 制動過程是外部機械能進入電機轉變?yōu)殡娔艿倪^程 二、電機制動狀態(tài)的分類能耗制動回饋制動反接制動電樞反接制動轉速反接制動nT能耗制動aaaREUIzaaaR

36、REI9-3 9-3 他勵直流電動機的制動他勵直流電動機的制動1. 能耗制動能耗制動u應用：減速，剎車或抑制速度應用：減速，剎車或抑制速度u案例：當案例：當 K左端，電動運行，左端，電動運行，T與與 n 同向同向當當 K右端，右端，U = 0 n，Ea大小、方向不變大小、方向不變 T與與 n 反向，處于制動運行，反向，處于制動運行，+U_ +Ea _+Uf_RzRanKaezaICRRn9-3 9-3 他勵直流電動機的制動他勵直流電動機的制動由于機械能最終轉變?yōu)殡姽β室杂捎跈C械能最終轉變?yōu)殡姽β室?Ia2(Ra+Rz) 方式消耗掉，所以方式消耗掉，所以稱之為稱之為能能 耗耗 制制 動動u 機械

37、特性方程機械特性方程提示：提示： 特性為斜率等于特性為斜率等于 （Ra+RzRa+Rz）/Ce/Ce 的斜線的斜線 最大制動轉矩最大制動轉矩 T T1 1可調節(jié)可調節(jié)Ra+RzT1 o Iz Ia Ranno o Iz1 Iz2 Ia 9-3 9-3 他勵直流電動機的制動他勵直流電動機的制動RaRa+Rznno案例分析案例分析如圖：電動機在兩種不同強度的反作用負載下穩(wěn)定運行，若配以相同能耗制動電阻Rz，能否判斷兩者停車的快慢？負載負載1負載負載2a aa aa aR RR RE EU UI Ia ae ea ao oI IC CR RR Rn nn n9-3 9-3 他勵直流電動機的制動他勵直

38、流電動機的制動2. 反接制動反接制動u應用：吊車重物下放等應用：吊車重物下放等u案例：案例：電動運行，電動運行，R R = 0= 0，重物向上提升；，重物向上提升；制動運行，制動運行， R R 增大，使增大，使 T TzT 0，i10及電路的純感性特征；及電路的純感性特征；u確立電路工作時段確立電路工作時段 t1 t2；uDi1 /dt 0，d /dt 0及及 的方向為順時針；的方向為順時針；u二次繞組感生電流產生的磁通方向阻礙二次繞組感生電流產生的磁通方向阻礙 的變化；的變化；u判斷出判斷出 i2， u2 的方向。的方向。e13-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行一、空載運

39、行的物理分析 1 其中存在少量只與一次繞組交鏈的，經過非磁性物質（空氣或其中存在少量只與一次繞組交鏈的，經過非磁性物質（空氣或絕緣油）的漏磁通絕緣油）的漏磁通 1 me1e2 u2i0u1N1 N2dtdtd dN Ndtdtd dN Nr ri iu u) )e e( () )e e( (r ri iu um m1 11 11 11 10 01 11 11 11 10 01 1當一次繞組施加電壓當一次繞組施加電壓u1；i0 一次繞組空載電流一次繞組空載電流；e1 一次繞組漏磁通對應的電動勢一次繞組漏磁通對應的電動勢；r1 一次繞組電阻一次繞組電阻變壓器總磁通量：變壓器總磁通量： = m +

40、1 3-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行1.1. 感應電動勢和主磁通感應電動勢和主磁通近似假定：近似假定： m = msin t 則：則： ；Im 勵磁電流勵磁電流；I I 磁化（勵磁）電流磁化（勵磁）電流；I IFe Fe 鐵耗電流鐵耗電流22FemIIImII3-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行2.2. 空載電流分析空載電流分析實際空載時，銅耗實際空載時，銅耗 P Pcu1cu1相對很小，若忽略則有：相對很小，若忽略則有：一般由于一般由于 I IFe， I 是是 Im 的主要分量的主要分量FeImmmfNjEfNjE221144. 444. 4推導見

41、推導見 P57P57如何轉換為如何轉換為相量圖？相量圖？ me1e2 u2i0u1N1 N23-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行1e1如何將電磁效應表達為由如何將電磁效應表達為由電氣參數(shù)電氣參數(shù)組成的方程式？組成的方程式？3-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行m m1 11 1m m1 1m m1 11 1I IjxjxE E同相同相I I與與I IE E3. 漏磁通與漏電抗漏磁通與漏電抗；定義；定義 x1為一次繞組的漏電抗，以為一次繞組的漏電抗，以表征漏磁通對一次繞組的電磁效應。表征漏磁通對一次繞組的電磁效應。二、空載運行的電勢平衡式、相量圖和等效電路二

42、、空載運行的電勢平衡式、相量圖和等效電路P653-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行1. 在假定漏電抗為在假定漏電抗為 x1 的前提下，推算與二次繞組非耦合的的前提下，推算與二次繞組非耦合的等效阻抗等效阻抗) )E E( () )E E( (r rI Iu u1 11 11 1m m1 1) )E E( (Z ZI I) )E E( () )x xj j( (r rI I) )E E( (x xI Ij jr rI I1 11 1m m1 11 11 1m m1 11 1m m1 1m m其中，將其中，將 Z1= r1+jx1 認定為認定為考慮一次繞組的電阻考慮一次繞組的電阻

43、r1一次繞一次繞組漏阻抗組漏阻抗1EmIIFeI3-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行2. 進一步定義進一步定義 對應的阻抗對應的阻抗 Zm 為耦合于二次繞組的勵磁電流和磁通為耦合于二次繞組的勵磁電流和磁通 由由 （鐵耗分量）和（鐵耗分量）和 （勵磁分量）組成（勵磁分量）組成mIm定義：定義：一次繞組的感應電動勢一次繞組的感應電動勢m mm m1 1Z ZI IE E；其中復阻抗；其中復阻抗 Zm = rm + jxm3. 重新表達電勢平衡關系：重新表達電勢平衡關系：) )Z Z(Z(ZI IU Um m1 1m m1 1) )jxjx(r(rI I) )jxjx(r(rI

44、IU Um mm mm m1 11 1m m1 11U1mxI j1mrI m mI Im1EmmxI jmmrI1E3-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行相量圖相量圖 （忽略銅耗）（忽略銅耗） 等效電路等效電路r1 x1rm xmmI1U22FemIII3-2 3-2 單相變壓器的空載運行單相變壓器的空載運行 思考思考 1. 1. 當不忽略一次繞組的電阻當不忽略一次繞組的電阻r r1 1時，時，P58P58(2-16)(2-16)式是否適用？式是否適用？2. 2. 利用等效電路模型說明變壓利用等效電路模型說明變壓器空載運行時電源的功率分配情器空載運行時電源的功率分配情況況.

45、 .r1 x1rm xmmI1U0 0U Ue ee eI I不變)不變)U U(而(而e edtdtd d0 0I Im m1 11 11 1m m1 11 11 1m m2 2m3-3 3-3 單相變壓器的基本方程式單相變壓器的基本方程式一、負載后的電磁變化e1 1 me1e2 u2i1u1N1 N22ZFi23-3 3-3 單相變壓器的基本方程式單相變壓器的基本方程式 I1 增量與輸出電流增量與輸出電流I2的關系：的關系：2 21 12 21 12 22 21 11 1m mI IN NN NI I0 0N NI IN NI I即即0 0N NI I0 0；磁通勢變化總量為；磁通勢變化總

46、量為 0 0；總磁勢不變；總磁勢不變；一、二次繞組磁通勢變；一、二次繞組磁通勢變化量相量和為化量相量和為 0 0；一、二次繞組電流增量；一、二次繞組電流增量的關系的關系1 1m m2 22 21 11 1N NI IN NI IN NI I2 22 22 22 21 11 11 11 1Z ZI IE EU UZ ZI IE EU U2U1E二、負載時的基本方程式二、負載時的基本方程式3-3 3-3 單相變壓器的基本方程式單相變壓器的基本方程式磁動勢平衡方程磁動勢平衡方程電動勢平衡方程電動勢平衡方程1Irm xm1Ur1 x1r2 x2rm xm2I2EZF一次回路一次回路 二次回路二次回路2

47、 22 22 2 1 1 2 21 1 2 2E EK KE EN NN NE EE EE E3-4 3-4 單相變壓器的等效電路及相量圖單相變壓器的等效電路及相量圖一、目的等效電路等效電路：便于工程計算的無電磁隔離的單純電路：便于工程計算的無電磁隔離的單純電路二、繞組歸算歸算原則歸算原則：歸算前的磁勢平衡關系和能量平衡關系保持不變：歸算前的磁勢平衡關系和能量平衡關系保持不變歸算方法歸算方法：將二次（或一次）繞組的匝數(shù)換算成一次（或二次）：將二次（或一次）繞組的匝數(shù)換算成一次（或二次）繞組的匝數(shù)繞組的匝數(shù)歸算結果歸算結果：將一個匝數(shù)與一次繞組相等，電磁效應與二次繞組：將一個匝數(shù)與一次繞組相等，

48、電磁效應與二次繞組相同的并聯(lián)繞組去代替實際的二次繞組相同的并聯(lián)繞組去代替實際的二次繞組 N N 2 2 = N = N1 11. 歸算電動勢與電壓歸算電動勢與電壓 由（由（3-15）式知，）式知，K KI II IN NN NI IN NN NI II IN NI IN N2 22 21 12 22 2 2 22 2 2 22 22 2 2 2 2 22 22 22 22 22 21 12 22 2 2 22 22 2 2 22 22 22 2 2 22 2 2 2r rK Kr r) )N NN N( (r rI II Ir rr rI Ir rI I2 22 22 22 22 21 12

49、22 2 2 22 22 2 2 22 22 22 2 2 22 2 2 2x xK Kx x) )N NN N( (x xI II Ix xx xI Ix xI I3-4 3-4 單相變壓器的等效電路及相量圖單相變壓器的等效電路及相量圖2.2. 歸算電流歸算電流 保持二次繞組折算前后磁動勢不變：保持二次繞組折算前后磁動勢不變：3.3. 歸算阻抗歸算阻抗 保持二次繞組折算前后有功功率、無功功率不變：保持二次繞組折算前后有功功率、無功功率不變：三、等效電路三、等效電路3-4 3-4 單相變壓器的等效電路單相變壓器的等效電路由于感生電動勢折算后相等，從電氣效應的角度看，可將由于感生電動勢折算后相等

50、，從電氣效應的角度看，可將磁路屏蔽掉，直接連接一、二次繞組。磁路屏蔽掉，直接連接一、二次繞組。2U1Irm xm1Ur1 x1x2 r22I1EZFmI三、簡化等效電路3-4 3-4 單相變壓器的等效電路單相變壓器的等效電路P66 思考思考 1. 一臺單相變壓器分兩組輸入端，額定電壓分別為一臺單相變壓器分兩組輸入端，額定電壓分別為380/220伏，額定頻率為伏，額定頻率為50Hz，試問：，試問：1)如誤將如誤將220伏端接在伏端接在380伏電源上，會有什么情況發(fā)生？伏電源上，會有什么情況發(fā)生？2)如果電源電壓正常，電源頻率提高如果電源電壓正常，電源頻率提高20%，xm，I0，PFe將將如何變化

51、？如何變化？3)如果將變壓器接在直流電源上，會有什么情況發(fā)生？如果將變壓器接在直流電源上，會有什么情況發(fā)生？3-4 3-4 單相變壓器的等效電路單相變壓器的等效電路2. 在變換功率一定的前提下：在變換功率一定的前提下：1)變壓器的勵磁電抗變壓器的勵磁電抗xm宜大還是宜??？宜大還是宜?。?)若變壓器用空氣心而不是鐵心，若變壓器用空氣心而不是鐵心，xm如何變化？若增大一如何變化？若增大一次繞組匝數(shù)，次繞組匝數(shù)， xm如何變化？如何變化？第四章 三相異步電動機的基本原理結構和工作原理結構和工作原理基本物理量基本物理量4-1 4-1 三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理一、旋轉磁場一、旋轉磁場

52、直流電動機：靜止磁場直流電動機：靜止磁場 + + 外部輸入電流外部輸入電流異步電動機：旋轉磁場異步電動機：旋轉磁場 + + 內部感生電流內部感生電流電磁轉矩電磁轉矩1.1. 三相定子繞組三相定子繞組互差互差120120o o空間分布空間分布A B CABCAXCZBY互差互差120o正弦勵磁電流正弦勵磁電流iAiCiBi0 tiAiBiC4-1 4-1 三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理i0 tAXCZBYiAiBiC360o t = 0120o t =120o240o t = 240o 4-1 4-1 三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理顯然，由于三相交流相電流所在的三相繞

53、組的對顯然，由于三相交流相電流所在的三相繞組的對稱分布規(guī)律，產生的合成磁通（或磁勢）為稱分布規(guī)律，產生的合成磁通（或磁勢）為旋轉旋轉的。的。4-1 4-1 三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理那么，旋轉磁場的那么，旋轉磁場的 速度速度 能否確定？能否確定？當繞組產生的極對數(shù)大于當繞組產生的極對數(shù)大于1 1時時P = 2P = 2AXCZBYABYCZX2. 旋轉的定子磁場旋轉的定子磁場顯然：旋轉磁場的速率與勵磁電流頻率有關。顯然：旋轉磁場的速率與勵磁電流頻率有關。4-1 4-1 三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理AXCZBYAXBYCZSSNNSSNN60o t = 0o t

54、 = 120o二、電磁感應現(xiàn)象二、電磁感應現(xiàn)象4-1 4-1 三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理顯然，顯然，P = 2 P = 2 時勵磁電流變化一個周期，磁場旋轉時勵磁電流變化一個周期，磁場旋轉 0.5 0.5 周。周。1. 靜止的轉子繞組被旋轉磁場的磁力線切靜止的轉子繞組被旋轉磁場的磁力線切割割 （右手定則右手定則 斷定感生電流方向）；斷定感生電流方向）；u 拇指拇指導體運動方向導體運動方向u 四指四指感生電流方向感生電流方向u 掌心掌心朝向磁場朝向磁場 N 極極S NS Nnon(r/min)(r/min)p p60f60f(r/s)(r/s)p pf fn n1 11 1o

55、o稱之為同步轉速2. 感生電流與磁場作用產生電磁力（感生電流與磁場作用產生電磁力（左手左手定則定則斷定電磁力方向）。斷定電磁力方向）。u 拇指拇指導體受力方向導體受力方向u 四指四指導體電流方向導體電流方向u 掌心掌心朝向磁場朝向磁場N極極n no o與與n n的大小關系的大小關系如何如何? ?4-14-1三相異步電動機工作原理三相異步電動機工作原理三、轉差率概念1.1. 轉子轉速（即電動機轉速）轉子轉速（即電動機轉速）n n 與同步磁場轉速與同步磁場轉速 n no o 的比率關系的比率關系 1 10 00 0% %n nn nn ns s( (% %) )o oo oS S 稱為異步電動機的

56、轉差率稱為異步電動機的轉差率2.2. 在電動運行時，由于在電動運行時，由于n nn no o ，所以，所以 0 s 10 s 1四、結構 P98轉子繞線式：轉子繞線式：結構較復雜，成本較高；易于控制。應用面窄結構較復雜，成本較高；易于控制。應用面窄轉子鼠籠式轉子鼠籠式: : 制造成本低，壽命長，易維護；控制復雜。應制造成本低，壽命長，易維護；控制復雜。應用廣泛用廣泛4-2 4-2 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)額定功率：額定功率：標準工況下輸出的機械功率標準工況下輸出的機械功率額定電壓：額定電壓：定子繞組的標準線電壓定子繞組的標準線電壓額定電流：額定電流：定子繞組的標準線電流

57、定子繞組的標準線電流額定頻率：額定頻率：定子繞組的勵磁電源標準頻率定子繞組的勵磁電源標準頻率額定轉速：額定轉速：標準工況下的轉速標準工況下的轉速 思考思考 1. 從異步電動機的運行原理看，電動運行時是否一定存在 n nn no o ?電動時是否可能有n = nn = no o ？2. 如何使異步電動機正反運轉？試設計一簡單電路實現(xiàn)對轉向的控制。3. 列舉異步電動機與變壓器、直流電動機在運行原理方面的異同之處；4-2 4-2 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)第五章 三相異步電動機的基本工作原理旋轉磁動勢旋轉磁動勢等效電路等效電路基本方程式基本方程式m0m0m0m010101 11

58、 1F FF FI IU U0 0I I0 0E E2 22s2s2 22 22 22 2s s0 0F FI II I, ,E En n) )( (n nn n5-1 5-1 三相異步電動機運行時的電磁過程三相異步電動機運行時的電磁過程一、異步電動機負載運行的物理狀況一、異步電動機負載運行的物理狀況空載時空載時：由于空載時由于空載時 n0 n，2s2s1 1E EE E負載時負載時：AXCZBYnon負載后，電機出現(xiàn)負載后，電機出現(xiàn)兩個相對獨立的勵兩個相對獨立的勵磁磁通勢磁磁通勢F F1 1、F F2 2，且均為運動的。且均為運動的。i0 tiaibicAXCZBY5-1 5-1 三相異步電

59、動機運行時的電磁過程三相異步電動機運行時的電磁過程nonF2與與 F1如何相互作用？如何相互作用？1. F2的旋轉方向的旋轉方向ayzbxc 1 2轉子電流相位轉子電流相位轉子相對運轉子相對運動方向動方向i0 tiaibic5-1 5-1 三相異步電動機運行時的電磁過程三相異步電動機運行時的電磁過程AXCZBYayzbxc no 2u 轉子磁場轉子磁場 2 2 也旋轉也旋轉120120o ou 但轉子感應電流（電勢）的角速度小于但轉子感應電流（電勢）的角速度小于120o 思考思考如上例中定子電流頻率50Hz，則轉子感應電流的頻率是多少？電機轉速是多少？假定當定子磁場假定當定子磁場 1 1 旋轉

60、旋轉120120o o時，轉子空間位置旋轉時，轉子空間位置旋轉9090o o：答案5-1 5-1 三相異步電動機運行時的電磁過程三相異步電動機運行時的電磁過程轉子電流頻率：=（30o/120o）*50Hz=12.5Hz電機轉速：=（90o/120o）*3000rpm=2250rpm或=(50Hz-12.5Hz)*60=2250rpmno=60f1/Ps sf fn nn nn n6 60 0P Pn n6 60 0n n) )P P( (n nf f1 10 00 00 00 02 2n nn n6060n)n)p(np(nP P6060P P60f60fn n0 00 02 22.2. F