緒論(電機與拖動)

《電機與拖動基礎》機械電子工程學院工程訓練中心許麗川xulichuan@.cn第一章緒論1.1課程內(nèi)容與課程性質(zhì)1.2本課程常用的物理概念和定律概述1.1課程內(nèi)容與課程性質(zhì)“電機與拖動基礎”是把電機學和電力拖動基礎兩門課程有機結(jié)合的一門課程。是工業(yè)電氣自動化專業(yè)和非電機專業(yè)最主要的專業(yè)基礎課。電機定義為“依據(jù)電磁感應定律和電磁力定律，由電路和磁路構(gòu)成的能實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換或信號傳遞與轉(zhuǎn)換的裝置”?！姶攀诫姍C電力拖動定義為“電動機拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)”。電機——泛指機電能量轉(zhuǎn)換的裝置。根據(jù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的原理，有電磁原理、壓電超聲原理、靜電原理(MEMS)、形狀記憶合金等。超聲波電機電磁式電機電機拖動應用系統(tǒng)懸掛傳送系統(tǒng)飲料灌裝分揀系統(tǒng)電機拖動應用系統(tǒng)工業(yè)機械臂升降電梯電機拖動應用系統(tǒng)電機拖動應用系統(tǒng)本課程學習的主要內(nèi)容幾種電機的工作原理、分析方法、運行特性工作原理電機內(nèi)部電磁關(guān)系——物理模型分析方法——穩(wěn)態(tài)分析電機運動方程——數(shù)學模型電機等效電路——電路模型運行特性電機的運行特性和性能——外特性、機械特性等。幾種電機的拖動性能——起動、調(diào)速、制動電機模型穩(wěn)態(tài)模型動態(tài)模型拖動性能動態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：電動機重載和輕載時，哪種情況轉(zhuǎn)速快？哪種情況更耗電？動態(tài)現(xiàn)象：電動機起動時，轉(zhuǎn)速和電流如何變化？本課程與后續(xù)課程的關(guān)系電力拖動系統(tǒng)一般是由電動機、生產(chǎn)機械的傳動機構(gòu)、工作機構(gòu)、控制設備和電源組成?？刂圃O備電動機傳動機構(gòu)工作機構(gòu)電源

《電機與拖動基礎》《電力電子變流技術(shù)》《電氣控制及PLC》《單片機》《電機拖動自動控制系統(tǒng)》《工廠供電》《自動控制原理》特殊電機現(xiàn)代電機控制原理本課程的安排課堂課時：68學時成績比例：平時10％，期末90％一.磁路基本理論二.拖動系統(tǒng)基本理論三.直流電機及其拖動系統(tǒng)四.變壓器五.交流電機及其拖動系統(tǒng)直流電機、變壓器、交流電機基本各占1/3學時。ElectricPowerSystemGeneratingfacilitiesBulktransmissionstationtransmissionlinesSmallindustrialcustomersSchoolstransmissionstationLargeindustrialcustomerstransmissionstationStoresDistributionsubstationResidentialandruralcustomers二、發(fā)電到用電的簡況華北——內(nèi)蒙古赤峰發(fā)電廠山西大同發(fā)電廠哈爾濱第三發(fā)電廠華東——浙江富春江水電廠全景新安江水電廠全景廣東省第一座無人值班110千伏佛山城東變電站（1998年3月投產(chǎn)）500kV瓶窯變電所全景華東-500kV黃渡變電站主變壓器徐（州）-滬500kV線路鎮(zhèn)江大跨越1.2本課程常用的物理概念和定律概述一、電機基本分類及電機中的材料二、鐵磁材料特性三、電機中的基本電磁定律四、磁路基本定律及計算方法一、電機基本分類及電機中的材料電機基本分類變壓器旋轉(zhuǎn)電機直流電機交流電機同步電機異步電機按運動方式分類按功能分類發(fā)電機電動機變壓器、變流機、變頻機、移相器控制電機直線電機電機中的材料導電材料：銅線或鋁線，常用于電機繞組導磁材料：鐵磁材料（鐵、鎳、鈷等以及它們的合金）——硅鋼片（DR320、DR530），鑄鋼，鑄鐵結(jié)構(gòu)材料：鑄鐵、鑄鋼和鋼板或鋁合金，用來構(gòu)成電機的整體，要求機械強度好，加工方便。絕緣材料：聚酯漆、環(huán)氧樹脂、玻璃絲帶等，常用于導體之間和各種構(gòu)件之間的絕緣處理，要求介電強度高，耐熱性好。絕緣性能與溫度有關(guān)，按耐熱程度可以分為A、E、B、F、H、C等6個絕緣等級。如B級絕緣為130度長期使用，H級絕緣為180度長期使用。二、鐵磁材料特性——導磁特性1、磁導率B：磁感應強度、磁通密度、磁密，通常用磁力線描述其大小和方向。單位“特斯拉”，T(1T=1Wb/m2)。：磁感應通量、磁通，穿過某一截面S的磁感應強度B的通量。單位“韋”，Wb。H：磁場強度，計算導磁物質(zhì)中的磁場時，引入的輔助物理量。單位“安/米”，A/m。若磁介質(zhì)是均勻而且各向同性的，則B和H是同向的。磁導率μ：磁感應強度B與磁場強度H之比，是衡量物質(zhì)導磁性能的物理量，單位是亨/米，H/m(1H=1Wb/A)。μ0=4π×10－7H/m真空中的磁導率為常數(shù):2.物質(zhì)磁性能分類(按磁導率分類)(1)磁性物質(zhì)

(2)非磁性物質(zhì)：

≈

0

順磁物質(zhì)（如變壓器油和空氣）：

略大于

0

反磁物質(zhì)（如銅和鉍）：

略小于

0

3.磁性物質(zhì)的特點

(1)高導磁性：μ

>>μ0

鑄鋼μ

≈1000μ0

硅鋼片μ

≈(6000~7000)μ0

坡莫合金μ

≈(幾萬倍)μ0磁性物質(zhì)具有高導磁性的原因：內(nèi)部存在著很多小“磁疇”磁疇（磁化前）磁疇（磁化后）(2)磁飽和性：μ

≠常數(shù)跗點膝點飽和點磁性物質(zhì)磁場飽和后，其磁導率μ

近似為真空磁導率μ0

。初始磁化曲線(3)磁滯性：B的變化總是滯后H的變化剩磁矯頑力磁滯回線基本磁化曲線(a)

硬磁物質(zhì)

B－H曲線寬，Br大、Hc

大。鈷鋼、鋁鎳鈷合金、鉍鐵硼合金，用于制造永磁鐵。(b)

軟磁物質(zhì)

B－H曲線窄，Br小、Hc

小。軟鐵、硅鋼、坡莫合金、鐵氧體，用于制造變壓器、電機和電器等的鐵心。(c)矩磁物質(zhì)

B－H曲線形狀接近矩形，Br大、Hc

小。鎂錳鐵氧體(磁性陶瓷)，用于計算機中，作記憶單元。按磁滯回線的不同，磁性物質(zhì)可分為

磁滯損耗——鐵磁材料在交變磁場作用下的反復磁化過程中，磁疇會不停轉(zhuǎn)動，相互之間不斷摩擦，消耗一定的能量，產(chǎn)生功率損耗，稱為磁滯損耗。

磁滯損耗與磁滯回線的面積、電流頻率、鐵心體積成正比。硅鋼片的磁滯回線窄（鋼片中加入硅），導磁性能也較好，所以，大多數(shù)電機、變壓器和普通電器的鐵心都由硅鋼片疊成。4.磁性物質(zhì)的功率損耗渦流與渦流損耗

渦流——鐵磁材料在交變磁場作用下將有圍繞磁通呈渦旋狀的感應電動勢和電流產(chǎn)生，簡稱渦流。

渦流損耗——渦流在其流通路徑上的等效電阻中產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。

減小渦流損耗，首先減小厚度，其次是增加渦流回路的電阻率，電工鋼片中加入適量的硅，顯著提高了電阻率。鐵損=磁滯損耗+渦流損耗在電機和變壓器計算中，當磁路鐵心中的磁通是交變磁通時，磁滯和渦流損耗是同時發(fā)生的，通常把二者合在一起稱為鐵損耗，簡稱鐵損。想一下：鐵損屬于有功功率還是無功功率？鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗都消耗有功功率，使鐵心發(fā)熱。三、電機中的基本電磁定律1、安培環(huán)路定律在磁場中，沿任意一個磁回路的磁場強度線積分等于該回路所環(huán)鏈的所有電流的代數(shù)和。正方向規(guī)定：I的方向與回路方向符合右螺旋定則為正。工程簡化式為：其中：為勵磁線圈的匝數(shù)；為磁路各段的磁位降，或一段磁路所消耗的磁通勢；

,單位A，為整個磁路上的磁通勢，或全電流匝數(shù)；電機中磁場構(gòu)成的主要結(jié)構(gòu)——鐵心線圈：在均勻磁場中，若載流直導線與B方向垂直、長度為L，流過的電流為I，則載流導線所受的力為f，有其方向在電機學中習慣上用左手定則確定。2、電磁力定律3、電磁感應定律——切割電動勢長度為l的直導線與磁場相對運動，切割速度為v，若磁場均勻，導線l、B、v三者方向互相垂直，則導線中感應電動勢為

，方向用右手定則確定。電磁感應定律——線圈電動勢正方向規(guī)定：電動勢或電流正方向與磁通正方向符合右螺旋定則。四、磁路基本定律及計算方法(一)鐵心線圈磁路基本概念1.鐵心線圈：采用具有高導磁性的鐵磁物質(zhì)做成鐵心，將線圈繞于其上通以電流產(chǎn)生磁場2.主磁通：經(jīng)鐵心而閉合的磁通Φ，占總磁通量的絕大部分3.漏磁通：經(jīng)空氣等非磁性物質(zhì)而閉合的磁通Φσ

，占總磁通量的很小部分，通?？梢院雎?.磁路：主磁通通過的路徑(二)磁路歐姆定律根據(jù)全電流定律，等式左邊：μc

Aclcμ0A0l0+u－iΦ等式右邊：磁路歐姆定律：磁阻(H-1)：磁路的磁阻與磁路的長度l成正比，與磁路的橫截面積A成反比，與磁路介質(zhì)的磁導率μ成反比；鐵磁物質(zhì)磁路的磁阻就是非線性的；鐵磁物質(zhì)的磁阻遠遠小于空氣隙的磁阻；若要保持磁路中的磁通不變，磁阻越大，所需磁通勢NI就越大，因此，磁路中要盡量減少不必要的空氣隙磁阻。磁阻：磁導：(三)磁路基爾霍夫定律1.磁路基爾霍夫第一定律任一封閉面內(nèi)，磁通的代數(shù)和等于零，即∑Φ=0，或穿入任一封閉面的磁通量等于穿出此封閉面的磁通量。Φ3－Φ1－Φ2

=

02.磁路基爾霍夫第二定律磁路任一閉合回路中，磁位差的代數(shù)和等于磁通勢的代數(shù)和，即∑Um=∑F，H和i方向符合右手螺旋規(guī)則，H方向以回路繞行方向為參考正方向。例如，考察l1和l2構(gòu)成的閉合回路，取l1回路方向為參考正方向。(四)磁路的簡單計算——1.直流磁路兩種問題：①已知Ф，求解F；②已知F，求解Ф。在電機或變壓器的磁路計算中常見第一種。求解基本步驟磁路分段，求解各段截面積Ai和長度Li根據(jù)給定磁通Ф

，求解各段磁密Bi根據(jù)各段磁密

Bi，求解對應的磁場強度Hi對鐵磁材料，查基本磁化曲線或表對空氣隙或非磁性間隙，用真空磁導率計算計算各段的HiLi根據(jù)磁路基氏第二定律，在磁回路上求解F=Ni2.交流磁路的特點(1)在每一瞬間與直流磁路相同，遵循磁路基本定律，可以使用相同的基本磁化曲線。(2)磁通量和磁密均用交流的瞬時最大值表示。(3)磁通勢和磁場強度則用有效值表示。(4)交變磁通會在鐵心中引起鐵損耗，會在勵磁線圈中感應電動勢。(5)磁飽和現(xiàn)象會導致勵磁電流、磁通和電動勢波形的畸變。

(五)自感——單位電流所產(chǎn)生的自感磁鏈自感的大小與匝數(shù)的平方和磁路的磁導成正比；鐵心線圈的自感要比空心線