电机与拖动课件.ppt

电机与拖动 关于本课程 课程性质 技术基础课 专业基础课 教材 电机拖动基础 宋银宾主编实验教材 电机实验与检测 李宗昉主编任课教师 李宗昉教学时间 5 16 80 10 实验 70学时成绩评定 期末考试70 中期考试10 其他20 含实验 出勤 课堂听课 纪律 学习电机与拖动的目的 学习 电机与拖动 不仅实际工作需要 而且对后续课程是一个基础 对于电车专业 电机与拖动 牵引电机电子专业 电机与拖动 微特电机 自控技术 序言 一 电机概述 1 电机 与电能有关的能量转换的机器比如 电能生产 传输 分配和使用 主要是动力用电 2 重要性 电气化的心脏3 分类 普通电机与特种电机 1 普通电机 按能量转换分 机械能 电能 发电机 产生电能 直流交流水力 火力 原子能 潮汐 地热 风力电能 机械能 电动机 用于动力机械 65 的总电量被电动机消耗电能之间的转换 改变交流电压 变压器改变电流 变流机 直流 交流 改变频率 变频机改变相数 劈相机或单 三相变压器 2 特种电机 特种电机 主要完成信号传递和转换 用于数字计算 是自控系统中的一个重要元件 比如 潜艇导航90多台 自动火炮60多台 导弹控制50多台 雷达20多台 飞机的无人驾驶30多台 电机的分类发电机直流电机电动机电动机旋转电机异步电机普通电机发电机变压器交流电机电机电动机同步电机通用式发电机特种电机控制式 二 电力拖动概述 拖动 原动机为了完成一定任务而使生产机械运动 电力拖动 电动机作为拖动的动力源或以电动机为动力拖动生产机械运动的拖动方式 电力拖动系统 以电机为核心而向两边扩展形成 机电一体化 控制与被控制对象结合 专业方向 电力拖动系统 电力拖动类型 1 成组拖动一台电动机拖动几个工作机构 条件 电机容量大 但容量得不到充分利用 缺点 不安全 效率低 图 成组拖动 2 单电机拖动系统 一台电动机拖动一个工作机构 图 单机拖动优点 电机容量利用充分且控制方便 用于各种机床 3 多电机拖动系统 一个生产机械有多个工作机构 每个工作机构用一台电机拖动 比如 龙门铣床 图 多电机拖动 4 自动化电力拖动系统 多学科综合应用比如 自动恒定功率 自动调节转矩 电力拖动的优点 电力拖动效率高 因为电动机效率高且与生产机械联接方便 电机种类多 具有各种运行特性 可满足不同生产机械的要求 检测方便 易于组成完善的反馈控制系统以实现最佳控制 可以实现远距离控制和测量 便于集中管理 实现生产过程自动化 三 基本定律 1 全电流定律 电生磁 比如 空间有n 3根导体 其中电流 方向如图所示 它们所产生的磁场强度H沿任何闭合路径的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和 用途 电机和变压器的磁路计算 2 电磁感应定律 磁生电 变压器电势 感应电势 大小 变化引起 方向楞次定则 线圈中感应电动势倾向于阻止线圈中磁链的变化 速率电势大小 B 磁通密度 导体有效长度V 导体切割磁力线速度方向 右手定则 3 电磁力定律 载流导体在磁场中受力 大小 B 磁通密度 导体的有效长度 通电电流强度方向 左手定则 4 可逆原理电能机械能电功率 机械功率 5 磁路的欧姆定律 磁动势相当于E 磁通相当于I 磁阻 相当于 磁路的欧姆定律 四 课程的性质和任务 性质 技术基础课 承上启下任务 掌握各种电机的基本结构 工作原理 基本特性及应用 掌握电力拖动系统的组成 特性及分析计算 通过试验验证电机的各种性能 第一章直流电机基础 1 1概述 直流电机 一种转换与直流电能有关的机器直流电能 机械能 直流电动机 机械能 直流电能 直流发电机 可逆性 同一直流电机即可用作电动机也可用作发电机优点 范围广 调速性能好方便平滑 起动性能好 起动力矩大缺点 结构复杂 用铜多 成本高 运行有时不够可靠 环火问题 电力机车用途 电动机主要用于广泛调速的地方地铁电力机车牵引电机电车卷扬机快速可逆电机拖动系统轧钢机 发电机可作独立直流电源 也可组成发电机 电动机拖动系统 F D 比如冶金 化工 采矿中使用 优点 发电机提供的直流电质量好 可靠 比整流 将来会被可控硅整流取代 但直流电动机目前还在继续使用 1 2直流电机的工作原理 一 直流发电机的原理原理 导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势大小 方向 右手定则下面以二极环形绕组 原理结构 为例 图 二极环形绕组 原理结构 定子 两个主磁极 永久磁铁 在空间固定 产生恒定磁场转子 环形铁心上绕有12个线圈 闭合绕组在原动机拖动下旋转 N极下 2 3 4 5 6切割磁力线感应电势方向S极下 8 9 10 11 12切割磁力线感应电势方向1 7处于几何中性线处不感应电势 特点 同一极下的导体是在变化的 但同一极下导体电势方向是一致的 对于某一元件而言 其元件电势是交变的 元件依次切割不同极性的磁力线 转子绕组闭合回路中 0 对称 无环流 引出直流电的办法 1 7导体处加固定电刷 并把电刷接触处的导线剥开 从而形成了两个并联支路且同一支路内电势方向一致 直流电势 电刷存在的问题及改进方法 问题 寿命不长 经不起长期磨损 安放电刷有困难改进办法 用换向器代替电刷与导体直接摩擦 换向器由相互绝缘铜片组成 装在电枢端部与电枢一起旋转 特点 电刷位置 应与中性线处导体相连 从而保证支路内电势不互相抵消 以获取刷间最大电势 换向片数K S 元件数 环形绕组并联之路数2a 极数2p 电刷数a 并联支路对数 两条支路时a 1 p 极对数 两个极时p 1 二 直流电动机工作原理 结构 同直流发电机特点 在电刷间加直流电源 电刷极性不变 图 直流电动机原理 通过换向器的作用 将电流直流电转换为元件中的交流电 但在同一极下导体的电流方向一致 根据左手定则 确定导体受力方向 注意 转子旋转后 元件中的电流方向在改变 换向器的作用 元件中的交流电电刷间的直流电 1 3直流电机的基本结构 分类及额定值 一 主要结构部件1 定子部分 主磁极 产生主磁场铁心 0 5 1 0mm厚硅钢片冲迭而成 励磁绕组 由绝缘导线绕成 通以直流电产生主极磁场 换向极 附加极 改善换向 减小电刷下的火花 铁心 整块矩形铸钢 形状不复杂 易于加工 线圈 绝缘导线绕成与电枢绕组串联 机座 磁轭 由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢作用 提供磁路 支撑 防护作用 电刷装置和其它电刷装置的作用 引出 引进 电流组成 电刷 石墨制品 耐磨 导电刷握 刷盒 放电刷 用弹簧压紧电刷 在空间固定刷架 安放刷盒用 本身固定在机座或端盖上 注意 刷盒与刷架之间要绝缘其它 端盖 轴承 支持 防护 2 转子部分 电枢 感应电势 通过电流 电枢铁心 0 5mm厚低硅钢片外圆冲上齿 槽装迭而成 目的在于减少铁心在磁场中旋转时被反复磁化而产生过多铁耗齿 槽 安放电枢绕组通风孔 散热内圆 轴孔 电枢绕组 绝缘导线型绕加工而成 嵌放在铁心槽中导线截面 矩形 大电机 圆形 小电机 槽内有绝缘 对地 槽楔封口固定 绕组元件的两头与换向片相联 图 电枢绕组 换向器 由许多彼此绝缘的换向片构成 侧视图 沿径向剖开 沿圆周方向剖开 作用 基体 与电刷接触竖板 升高片 连接电枢绕组元件燕尾 夹紧 固定二 分类 按励磁方式分 他励自励他励式 独立直流电源单独供给励磁绕组励磁 励磁绕组与电枢绕组不连接 励磁电流 电枢电流 负载电流 图 并励 图 串励 一部分与电枢绕组串联复励 励磁绕组分两部份另一部分与电枢绕组并联 短分接法 先并后串 长分接法 先串后并 差复励 串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相反积复励 串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相同由于联接方式不一样 将直接影响电机的特性 无论是发电机还是电动机都可采用上述联接方式 三 额定值1 额定功率 容量 指输出功率 单位 瓦 千瓦 发电机 输出电功率 电动机 轴上输出机械功率 式中 电动机的额定电压 电动机的额定电流 电动机的额定效率2 额定电压 允许加在电机两端的电压限定值小型发电机小型电动机大型电机115V230V460V110V220V440V 1000V 3 额定电流 电机额定输出功率时的电流值发电机过载满载电动机欠载4 额定转速 额定负载时电机的限定转速5 额定励磁电流6 额定效率 1 4直流电机的空载磁场 空载磁场 直流电通入励磁绕组产生的磁场特点 负载电流 0 不考虑电枢通过电流产生磁场的影响 只有主磁极产生的磁场 一 直流电机空载时的磁通分布 1 直流电机空载时的磁通分布 以四极电机为例 主磁通 每极 经过气隙进入电枢的磁通 磁通路径 路径 N极出发 N极下的气隙 N极下的电枢齿槽 电枢铁心 S极下的电枢齿槽 S极下气隙 S极下铁心 磁轭 回到N极下的铁心主磁通又称有效磁通 能感应电势的磁通或能产生力矩的磁通漏磁通 未进入电枢铁心的磁通特点 不感应电势也不产生力矩 无效的缺点 不可避免它增加了铁心和磁轭的饱和程度 总磁通 2 产生主磁通的磁动势产生每极主磁通所需要的磁势 激磁安匝 基本定律 全电流定律 分段计算法 注意 这里把 场 的问题简化为 路 来计算W 总激磁匝数2 表示两个极 磁路某段的场强 1个磁极上的激磁绕组匝数 该段磁路的平均长度 激磁电流 利用磁回路的基尔霍夫第二定律可得 总磁势 气隙长度 2 电枢齿长 2 电枢轭一段长 1 主极铁心长 2 定子磁轭一段长 1 计算总磁势的基本方法设计一台电机首先要确定 每极磁通量 已知 S为不同段的磁路截面积 每段磁场强度H气隙 气隙磁导 铁磁材料只有通过查该材料的磁化曲线求H 图 磁化曲线 计算分段磁势 总磁势 一对极的总安匝 决定I 决定导线截面3 主磁通磁势产生的气隙磁密的分布曲线 1 气隙磁密 电枢表面的磁通密度 它与电机的感应电势 力矩大小和形状有关 特点 与气隙大小有关且分布不均匀 2 气隙特点 极中心处气隙最小 极尖 极掌 处气隙最大 比如 城市电车用直流电机ZQ 8009 4 5 即 4 5mm 9mm结果 在气隙中的磁密形成帽形 图 帽形磁密 帽形磁密的证明 一个极的磁势令 不变 为帽形 极距 代表电枢表面的圆周一个极所占的范围 电枢外径 p 极对数 气隙磁密的最大值10千瓦以下电机 4000 6500高斯大容量电机 10000 10500高斯 计算中常用 气隙平均磁密 电枢轴向有效长度 4 电机的磁化曲线 1 定义 代表每极主磁通与励磁电流的关系曲线 2 形状及解释调R 保持n不变 测 由此可求得磁化曲线 主要特点 很小时 铁心磁路不饱和 为直线关系原因 小 小 铁心不饱和 磁势主要消耗在气隙上 即 因不变 不变 不变 为直线关系 2 增大后 铁心磁路饱和 曲线向右弯曲 越大 曲线越趋于水平原因 由于 铁心饱和 铁心上磁压降所占成分大 而铁心中常数 所以出现非线性 即 铁心 不多 3 气隙线 磁化曲线在线性部份的延长线 它反映主磁通通过气隙所需磁动势 4 磁路饱和程度 额定电压下的激磁电流 额定电压下气隙磁势所需激磁电流大 饱和好 则铁心体积相对小 但发热严重相同容量比小 不饱和 则铁心体积相对大 性能好 1 5直流电机的电枢绕组 以单迭绕组为例 一由环型绕组过渡到鼓型绕组 4极电机为例 1环型绕组的缺点 1 制造困难 修理不便 2 内腔导体不感应电势 导体没有充分利用 1 5 9不感应电势 2 过渡到鼓型绕组 环型 鼓型 作法 把内腔层导体拉出来原则 两边电势相加最大位置 两边相距约一个极距端部 一般为对称结构电刷 仍然要与中轴导体相连 为此 实际位置在极轴处 二 几个基本关系元件 绕组的基本单元 头尾分别接在两个换向片上 元件边 有效边 放在电枢槽内部分前段接 靠换向器的一边后端接 无换向器的一边 1 元件数S 换向片数K 2 总导体数 S 2 WcWc 一个元件的匝数 3 若一个槽内只放上下一个元件边 则槽数Ze 元件数S 换向片数K若C个槽 虚槽 合编成一个槽 实 Z虚槽数Ze CZ如图 Ze 3Z 三 单迭绕组的组成1节距 绕组连接的规律 1 第一节距y1 后距 表示元件两有效边之间的距离 元件宽度 用虚槽数来表示 0整距长距短距 2 合成节距Y 紧相串联的元件对应边的距离单迭绕组y 1 3 第二节距y2 前距 接在同一换向片的两元件边的距离单迭绕组 y2 y1 y 2单迭绕组的展开图 某一瞬间 例 Z K S 162p 4作一单迭绕组展开图计算节距 y1 z 2p 16 4 4 整距 0 单迭y 1y2 y1 y 4 1 3作图步骤 均匀分布全部边 槽 并编号按极数等分元件边 槽 按y1画出后端接 结构对称 按y2画出前端接 结构对称 画出换相片 对应编号 画出电刷位置 极轴线上 标明电刷极性 按发电机 第二章直流发电机 2 1直流发电机的感应电势和电磁转矩 一 感应电势公式感应电势 电刷间的电枢电势 一个并联支路内导体数 一根导体感应的平均电势 电机总导体数S 元件数 一个元件的匝数一个并联支路内串联导体数 a 并联支路对数平均电势 转 分 代入上式 电势常数 与结构有关单位 韦伯 转 分 伏 结论 当电机每极磁通保持不变时 电枢电势与转速成正比 说明1 该公式是在空载时推导出来的 负载后有所变化 故公式中的应该用负载时的气隙磁场关系求得 2 该公式是电刷处于几何中性线导出 若电刷偏离则将有所变化 3 此公式对发电机而言是向外供电的正电势 对于电动机而言属于反电势 4 若要改变的方向 可改变电枢旋转方向或改变磁场方向得到 二 电磁转矩公式电磁转矩 导体中电流与磁场作用产生电动机 拖动负载的转矩 M与n方向一致 发电机 反转矩 与原动机转向相反 是能量交换的关健 电磁功率 电磁转矩 结论 当磁通不变时 电磁转矩与电枢电流成正比 2 2直流电机的磁场和电枢反应 一 空载时 只存在主极磁势 在气隙中产生的帽形磁密 负载后 出现了电枢磁势 电枢绕组通过电枢直流电流产生 电枢反应 电枢磁势对气隙磁场分布的影响 二 电枢磁势1 电枢磁势在气隙中的分布假设 忽略铁心磁位降 电枢磁势主要降在两个气隙中 导体在电枢表面均匀分布 忽略齿槽影响 分析方法 磁路的安培环路定律特点 极轴处 电枢磁势 0 包围电流小 中轴处 电枢磁势 最大 从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的 三角波形 分析方法 磁路的安培环路定律特点 极轴处 电枢磁势 0 包围电流小 中轴处 电枢磁势 最大 从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的 三角波形 2 电枢磁势 幅值 公式导体中 支路中 的电流一个极下的导体数 电枢线负载A 电枢圆周单位长度的电流数 安 厘米 A与关系 3 电枢磁势对气隙磁场的影响空载时 只有直流励磁磁势产生的气隙磁密 帽形负载后 出现了电枢磁势 三角波 由产生的气隙磁密 其特点 在极弧范围内直线分布 主极之间下凹成马鞍形 主极之间磁阻大 合成气隙磁密 结论 电枢反应使合成气隙磁密分布畸变且总的磁密减小 注意 两个气隙之间磁阻大 尽管大 但更小 故下凹成马鞍形 极弧内气隙均匀 线性变化 也线性变化 合成后 对一个极而言 因反向对称 与相加后 应当使合成气隙磁密与保持数量不变 但前极端是去磁该去多少正比去掉 后极端为加磁 因饱和影响该加的加不上去故一个极下总磁密有所减少 显然 波形发生畸变 三 直轴和交轴电枢反应 研究对象 电枢反应的交轴分量和直轴分量对主极磁势的影响a 交轴电枢反应 电刷位于几何中性线处 只存在 0对主极磁场的影响 使主极磁场发生畸变 对主极磁场有去磁作用 总的磁密减少 b 直轴电枢反应 电刷不在几何中性线 以发电机为例 顺转向偏离几何中性线 角 相当于电枢表面移动了b厘米 作用 a 的轴线与主极磁场轴线重合 且方向相反 所以对于发电机若顺转向移动电刷 则起去磁作用 发电机端电压下降 b 起交轴电枢反应 作用同上 若电刷逆转向移动 则与主极磁场轴线重合且方向相同 起加磁作用 端电压上升 办法 若端压上升 则顺转向移动电刷 若端电压下降 则逆转向移动电刷 准确位置 正反转时 两端电压维持不变 图 直轴电枢反应电刷不在几何中性线 四 解决办法 主要指对交轴磁势的解决办法 适当改变主极的励磁电流 以补偿电枢反应的去磁作用 在主极极面上加装 补偿绕组 抵消电枢磁势 自动化 结构上 补偿绕组装在主极极面上其电流方向在空间与电枢电流的反向 与反向电路上 补偿绕组与电枢绕组串联 适当设计补偿绕组匝数使 2 3直流电机换向的一般概念 换向 电枢绕组的每一个元件依次从一条支路经过电刷进入另一条支路 此时元件中的电流要随着改变方向 这一现象和过程称为换向 比如 元件 4 在上一支路电流是从 流向 进入下一支路后电流从 流入 二 换向不良的后果由于元件中电抗电势的作用使换向遇到阻力 特别是超前换向和延迟换向将在电刷下产生火花 电磁能量释放 使电机运行带来不利影响 三 换向极的作用换向极产生附加电势去抵消换向元件中的电抗电势从而使换向元件中合成电势为0 从而改善电机的换向 极性正确 与电枢串联 低饱和状态 图 换向极的作用 2 4直流发电机的基本平衡关系 一 电压平衡关系 以并励直流发电机为例 电枢回路总电阻 含电枢电阻 电刷和换向器之间的接触电阻 励磁回路总电阻注意 是发电机 二 功率平衡关系电磁功率 输出功率 励磁回路铜耗 电枢回路内阻损耗 输入功率 机械损耗 摩擦 风阻 铁耗 电枢硅钢片反复磁化引起 附加损耗 电枢齿槽使磁场脉振引起损耗 电枢反应使磁场畸变使铁耗增加 电枢拉紧轴杆在磁场中旋转时的铁耗 换向损耗等组成 约占额定功率0 5 1 三 转矩平衡关系转向 由原动机产生的输入转矩决定 转子机械角速度 方向一致 发电机时 由左手定则决定 发电机时M正好与反向 属于制动转矩 空载转矩 平衡关系 四效率关系总损耗 2 5直流发电机的运行特性 一 他励直流发电机的特性1 空载特性 当时 的关系曲线 即磁化曲线 注意 无论是并励还是串励发电机的都要改为他励来测取 否则无法实现空载 测取的步骤 1 调节原动机 实验室一般采用并励直流电动机作为原动机拖动直流发电机 的转速 使并保持不变 2 调节励磁回路外加电阻RP使由零逐渐单方向增加 直至为止 然后逐渐单方向减少到零 并测取每一点的所对应的 曲线说明 1 由于剩磁所在 当 0时 2 由于磁滞的作用使磁化曲线上升支和下降支不一致 取其平均值代表 3 代表了直流电机最基本的磁化曲线作为设计电机时的依据 2 外特性 当 为常数时 的关系曲线现象 原因 1 电路上2 磁路上 当不变时电枢反应为去磁作用使 曲线分析 1 电压变化率 实质 空载满载时电压变化一般允许 2 当负载电阻 0时 出现短路电流因为很小 Isk 12 30 Ie 危险 办法 加装保护装置 3 效率特性当当当迅速上升所对应效率为 75 93 二 并励直流发电机的自励过程及特性1 并励直流发电机电压建立的物理过程并励 励磁绕组两端与电枢绕组两端并联 励磁电流取自发电机本身 不需要其他直流电源供电 励磁绕组电阻 励磁回路电阻 两个关系 磁路上Es Uo 电路上 过程 主磁极有剩磁 剩 电枢旋转感应剩供给起始励磁电流产生磁场加强剩磁到达空载特性曲线与场阻线OP的交点P才能实现稳定场阻线OP 不变 直线关系说明 OP 是以励磁回路电阻的大小为斜率的直线即OP的斜率与Rf成正比所以 临界场阻 此时OP与相切 2 建立电压的条件 1 主磁极要有剩磁 2 初始励磁电流产生磁场必须加强剩磁 3 与要有交点 励磁回路断开时即无交点 电压不能建立 3 不能建立电压的原因和解决办法 1 0 无剩磁 电机多年不用造成 加直流重新充磁加强励磁时 联接错误 出现刹磁办法 1 改变电枢与励磁绕组的相对联接 比如将励磁绕组的两个头调换 2 改变原动机的转向 本质是使Es调头 注意 1 2两种方法不能同时使用 3 加强励磁后无变化 励磁回磁断开造成 解决办法是停机查线 4 稳定点电压太低 4 并励直流发电机的外特性条件 n ne常数研究U f I 关系 特点 解释 1 引起U原因 电枢回路电阻压降 电枢反应去磁作用 这两个原因他励机也存在 2 稳态短路电流不大但要注意两点 即突然短路过程中仍然出现危险 稳态短路过程中 电流要经过电流 致使电机出现环火 不允许 有电感 不能马上为0 考虑过渡过程 U 0瞬间 磁场不等于0 即Es较大 Ik 8 12 Ie也危险 3 引起外特性 拐弯 的原因两种趋势 三 串励直流发电机的外特性 条件 研究 关系 分析方法 画出曲线 1 2 将 1 2 得U f I 引起U变化原因 上升因素 下降因素 电枢反应去磁主次关系 负载电流I小 磁路不饱和上升因素占主要负载电流I大 磁路饱和上升大于Es上升 U下降占主要结论 串励直流发电机的端电压随负载变化很大 不适于恒压系统 四 复励直流发电机的外特性 复励外特性 串励和并励外特性的组合 视连接成分而定 积复励 并励 串励 平复励 在额定负载时 串励补偿了因负载引起的电压降 U0 满载电压 过复励 串场太强 使U0 满载电压 欠复励 串场太弱 使U0 满载电压差复励 并励 串励即 串励起去磁作用 使端电压随I增大而急剧下降 少用 可用于直流电焊机 第三章直流电动机 同一台直流电机既可作发电机运行 也可作电动机运行 3 1电机的可逆原理 图 电机可逆原理示意图 物理过程 减小原动机的 3 2直流电动机的平衡关系 以并励电动机为例 一 电路平衡关系 二 功率平衡关系 三 转矩平衡空载时 负载后 3 3直流电动机的运行特性 一 并励直流电动机1 转速特性 速率特性 由转速公式 考虑到电枢反应的去磁作用 结论 并励直流电动机的转速随负载 变化不大 硬特性优点 适用于要求转速恒定的场合 缺点 不能过载 注意 并励直流电动机的励磁回路不能断开 轻载时 重载时 3 机械特性公式推导 是一条略为下降的直线自然机械特性 电枢回路无附加电阻Rt 即Rt 0时的机械特性考虑到电枢反应的去磁 当Is较大时 相对较小曲线略微上翘人为机械特性 电枢回路串入附加电阻Rt设 特点 串入附加电阻相当于从公式可见 越大 直线下降越厉害用途 用于调速 二 串励直流电动机的运行特性1 转速特性 注意 1 串励直流电动机不能空载 否则 飞速 2 串励电动机的串励绕组不能过多 旁路 因为过多旁路会使更厉害 图 接旁路电阻示意图 串励直流电动机的优点 起动转矩越大 过载能力越强 具有恒功特性轻载和重载时输出功率基本相等 解释 轻载时 n高 低n高 低重载时 高 n低 高 n低 优点 充分利用电动机和电源 全部贡献 牛马特性 软特性适用于 牵引 比如上坡时 要求M大 n自动降下来 列车能上去如 牛 慢行比如下坡时 要求M小 n自动升起来 列车如 马 飞奔三 复励电动机的运行特性1 转速特性积复励磁场 并励磁场 串励磁场特性 介于并 串励特性之间 串励为主 并励为辅优点 具有串励机的牛马特性 且在空载时不会 飞速 并励为主 串励为辅优点 具有硬特性 且过载能力强差复励 并励磁场 串励磁场特点 转矩特性设计中对积复励考虑之前 积复励的 串励其 串励 并励 并励 之后 积复励的 并励其 并励 串励 串励 一般 串励只占 第四章直流电动机的电力拖动基础 4 1电力拖动系统的运动方程式 一 电力拖动 用各种电动机作为原动机的拖动系统关键 掌握电动机的特性和被拖动的负载的特性 二 直线运动系统与旋转运动系统 直线运动系统 例如直线电机拖动的系统 旋转运动系统 工作机构及传动机构参数的折算 一 实际拖动系统与等效拖动系统 实际拖动系统 特点 转轴有多根 多级传动 各轴上有本身的转动惯量及转速从而要列出每根轴的运动方程及相互联系的运动方程联立求解 才能了解负载的运动状况 太复杂 等效系统以电动机轴为研究对象 把实际拖动系统等效为单轴运动系统等效原则 系统传送的功率及储存的动能不变优点 仅研究一根轴的运动系统 从而大大简化了计算 办法 把传动机构和工作机构的参数折算到电动机轴上比如 工作机构的负载转矩 直线运动时的各轴的转动惯量 都要折算到电动机轴上进行计算 二 工作机构转矩的折算原则 系统传递的功率不变 把传动机构的损耗在效率中考虑 电动机带动负载时 电动状态 图 齿轮传动 发电机制动状态时 工作机构拖动电动机 三 工作机构直线作用力的折算 起重机 刨床 发电机状态 工作机构拖动电机 重物下落 说明 工作机构的下降功率不足以克服传动机构的功率损耗 要下落必须电动机帮忙 反向转动 好处 比如电梯 由于设计时有意使传动机构损耗大 故提升效率 这个代价才能保证突然断电时电梯无法下降 以保证人的生命安全 四 传动机构和工作机构飞轮矩的折算 五 工作机构直线运动质量的折算以运动的质量折算到电动机轴上可用一个转动惯量为的转动体与之等效折算原则 储存动能等效 生产机械的负载特性 一 恒转矩负载特性与负载转速无关 反抗性负载 比如钢板碾压 方向可变 但不变 位能性负载 起重类 负载转矩由重力作用产生 无论提升或下放重物 重力作用方向始终不变 特点 数量 方向均不变 特点 二 通风机负载 因旋转要克服周围介质阻力包括 通风机 水泵 油泵 按离心力原理设计 三 恒功率负载特性 比如车床粗加工时 切削量大精加工时 切削量小 第五章他励直流电动机拖动系统的静态特性 5 1他励直流电动机的机械特性 一 机械特性的一般表达式任何特性来源于基本关系 二 固有 自然 机械特性 三 人为机械特性 人为改变电路的参数所得到的特性 电枢串电阻的人为特性 结论 电枢回路串电阻后其机械特性变软 转速差增大 可用于调速 改变电枢电压时的人为特性 弱磁时的人为特性 四 机械特性的绘制因为是一条直线 故确定直线上的两个点可确定 固有的绘制 理想空载转速 10千瓦以上的电机 其系数取1 210千瓦以下的电机 其系数取2 3 额定转矩点 人为机械特性的绘制代入相应的变化量即可求得相应的人为机械特性 比如 电枢回路串电阻Rt1的人为特性的绘制 求求求 已知 n0一点 n Me 一点可画一直线 5 2他励直流电动机的起动特性 一 起动的基本知识特点 n 0 合闸瞬间 由于机械惯性 电动机来不及转动 后果 损坏电机 1 电磁力可把绕组从槽中摔出来 2 大电流形成环火 启动时引起爆炸损坏换向器 冲击电流 1 造成电网电压 影响其他负载 2 如采用半导体电源 由于其过载能力差 损坏 要求 1 起动电流Iq要小 约为 1 2 2 0 Ie2 动转矩要大 满磁场下起动 缩短起动过程 提高生产率 方法 一 降压起动 1 要用专用的可调电压的电源 半导体可调电源 2 经济性能高 起动中无附加损耗 3 可实现无级调压 起动平稳 但价格贵 二 变阻起动 本质也是降压起动1 操作过程 闭合C 电动机开始转动Es 闭合C1 切除闭合C2 切除 至此 起动电阻全部切除 起动完毕 优点 设备简单 操作方便 缺点 起动过程中上要消耗能量 由于起动时间短 消耗能量少 故广泛应用 2 起动的物理过程 起动中最大电流 起动中最小电流 切换电流 以保证足够转矩 起动时 注意 操作过程中 当Is下降不要太多就可切换 以保证足够的力矩 3 起动电阻的计算 1 图解解析法画起动特性图先画出固有机械特性 选择起动中最大电流和最小电流 根据起动级数画人为机械特性 试探法 一般变动 计算起动电阻 根据 2 用解析法计算起动电阻 原理 相当于电动机短路 步骤 根据电动机的铭牌数据 计算 根据电动机容量选定起动级数m和最大起动电流 计算最大起动电阻R2 由公式计算各段起动总电阻 计算各段起动电阻 5 3他励直流电动机的制动特性 一 制动的基本知识 制动 阻止拖动系统的运动 制动方法 机械制动 比如采用箍瓦 靠强大机械摩擦使其停下来或减速 电气制动 利用电动机产生反向转矩阻止拖动系统运动 电气制动的两个方面 制动过程 拖动系统转速下降直到零的过程 制动运行 负载拖动电机在某一转速下稳定运行 比如 列车在秦岭坡道 0 3 前电机属于电动机状态 拖动列车前进 下坡道时 如果不切断电源 这时列车拖动电动机前进 其转速必然大于n0 即电动机进入发电机状态 Is反向 产生电磁转矩M与n相反 起到刹车作用 从而使列车保持在一定转速时下坡 避免了列车越来越快 二 能耗制动特性 1 制动过程电机原来处于电动状态 想马上停转 可拉闸后在电枢两端接上制动电阻 励磁电流不变 让电枢储存动能发电 从而产生反向制动力矩使电机迅速制停 电动机状态 关系 能耗制动状态 拉开K1 闭合K2 迅速制动 关系 n较高 Es较大 串R2限流M 制动 2 机械特性分析 原来 电动机时 现在U 0 即 n 0 M 0 特性曲线通过0点 M n 4象限 或M n 2象限 过0点的2 4象限一条直线 斜率即该特性直线与时的人为机械特性直线平行 制动电阻RZ的选取 RZ不能选得过小 制动效果好 但I s超过允许值 使电刷下火花增大 三 反接制动特性 制动力量更强 1 转速反向 反转 的反接制动 位能性负载 1 过程 电机处于电动机状态 把重物G向上提升 此时K处于闭合状态 RZ未接入 2 机械特性分析电路关系 电源U与电势Es串联 相当于电枢被反接 故称反接制动 因大 变为负值 即反转 反接制动 斜率 很大 陡峭 3 功率关系分析 功率关系 2 电源反接的反接制动 1 过程 正常情况下 1 闭合 2 打开 电机处于电动机状态 M与n方向一致 反接制动时 1 打开 2 闭合 电源电压U反向加在电枢两端 电枢电势与电源电压串联 相加 经Rz形成回路 这一瞬间Is 且反向 未反向 反向即与n反向形成制动力矩 使电动机尽快制停 2 机械特性分析电动机状态 制动前 制动后 斜率很大 与的人为特性平行 四 回馈制动特性 再生制动 1 回馈 把电能反送给电网 比如 位能性负载反向拖动电动机成为发电机状态比如 转向不变的位能性负载如机车下坡 2 过程 机车下坡 转向未变 但由于势能变成动能使机车的速度越来越快 n n0 使电动机进入正向发电状态 Es U Is反向 反送电能给电网 再生 由于Is反向 的方向不变 故M反向成为制动转矩 从而放慢了机车下坡的速度 3 机械特性分析其他参数未变 仅n n0 故在原特性基础上向第2象限延伸 5 4他励直流电动机的调速特性 一 调速的基本知识 1 为什么要调速 不同的生产机械需要不同的转速 同一生产机械在不同的时间需要的转速也不同 2 调速的类别 机械调速 齿轮变速 不改变电动机转速 仅通过齿轮变速适应机械需要 电气调速 改变电动机的参数来改变转速 调速比较平滑 机械 电气配合调速 调速范围更大 3 电气调速方法的基本途径电枢回路串电阻调速 下调 降压调速 下调 削弱磁场调速 上调 二 调速指标1 技术指标调速范围D由生产机械提出要求 比如 车床 D 20 120龙门刨床D 10 40 使用机械调速还是使用电气调速应视具体情况而定 若采用机械电气配合法调速 则调速范围应当注意 若太低 电机齿槽磁通脉动厉害 电机受力不稳定 因此受低速相对稳定性限制 相对稳定性 静差率 比如 降压调速时 n0变 但 ne不变 低速时的 工作点Me点时 ne足够大 转速相对降低太多 故运行不稳定 在n0点时 在点时 显然 稳定性差一点 注意 区别于转速变化率 与电动机的机械特性硬度 斜率 有关 但又有区别 有关 同样的n0 在Me相同时若特性硬一点 即 ne小一点 则小 相对稳定性就好一点 区别 在降压调速时 低速和高速的特性斜率相同 因为平行 但低速时 的大小由生产机械的需要所决定 比如 普通车床 30 高精度造纸机 0 1 若 大 纸张积压大 范围D与 的关系或 低速时允许转速降要由 nmax来决定 推导 上式说明 调速范围受低速时的静差率的限制 比如 降压调速时 n0 1000r p mnmax ne 900r p m ne 100r p m 200r p Mnmin ne 100r p m技术指标 但低速时 稳定性相对差若要提高相对稳定性 比如要求低速时 20 则这时即 小 D小 为了提高相对稳定性 D就得减少 平滑性 有级 无级调速的问题 调速的级数越多越平滑平滑系数 即相邻两转速之比 该比值越小 越平滑 比如 机床 1 261 411 58等 调速的容许输出包括调速时的功率 转矩是否恒定 与什么样负载配合最佳 后面将专门讨论 2 经济指标 设备投资少 设备运行费用 即调速设备的效率 式中 指调速设备的效率 不是电机本身的效率 P2 电动机的输出功率 P 调速设备的损耗 不是电动机的各种损耗 比如 同一台电动机输出P2相同的情况下 若采用电枢回路串电阻R调速 R上的损耗大 P大 若采用磁场回路中并调速 上的损耗小 P小 显然后者比前者调速设备的效率高 三 电气调速方法的分析1 电枢回路串电阻调速 显然 物理过程 调速前后的关系调速前若电动机的电枢电流为Is调速后电动机的电枢电流仍保持为Is 即Is不变原因 电动机所带负载不变 即 不变则Is不变 但转速降低了 新转速此调速方法的优缺点优点 调速设备简单 操作方便 初投资小缺点 1 技术指标差 大 相对稳定性差为了减小 D则减小 2 调速中大 不经济 3 属于有级调速 平滑性差 4 轻载时调速范围小 效果不明显 经济性分析输入功率调速损耗 调速设备效率 由上式可见调速中若n则 比如 调速时使n且 0 5 就意味转速下降到原来的一半 调速设备消耗的功率占总功率的一半 即只有一半的输入功率变成电动机的输出 效率太低 提高相对稳定性的措施 在电枢两端并联电阻RB 图 在电枢两端并联电阻RB 关系式 技术指标 特性硬度 稳定性 技术指标经济指标 有损耗 经济指标 2 降压调速 1 调速系统 小功率系统 大功率系统 直流电动机容量太大时 小功率系统主要是通过晶闸管 SCR 触发角的控制来调节输出电压即直流电动机两端的电压大小 大功率系统则指直流电动机容量特别大时 晶闸管容量有限 直接控制难以实现 因此用一台三相交流电动机JD拖动大容量的直流发电机ZF 通过SCR来控制它的励磁电流大小 改变 从而改变直流电动机ZD两端的电压来实现降压控制 调速的物理过程 U Is M Mz n Es Is M Mz为止机械特性分析 由于发电机存在内阻Ro特点 略有增长 斜率略有增长 如 虚线 所示 转速计算 即转速与电压成正比优缺点优点 无级调速 平滑性好 调速范围D大缺点 但其投资大 损耗大 晶闸管会引起谐波公害 3 励磁调速 升速 调速系统小功率系统大功率系统 励磁回路串联可调电阻改变If改变 通过晶闸管改变励磁绕组两端电压来改变 调速的物理过程 s s z n s s 直至 z特点 负载转矩不变 转速变化曲线磁通变化曲线电流变化曲线 3 机械特性特点 4 转速关系 转速与磁通成反比 5 优缺点优点 消耗功率小 设备容量小 投资少 控制方便 平滑性好 缺点 磁场不能削弱过多 要受限制 四 调速时的功率和转矩 如何充分 合理利用电机 电磁功率电磁转矩如果 调速时因此 调速前后能维持不变 这是电机长期工作的利用限度 1 恒转矩调速对于他励直流电动机 因不变 要实现恒转矩调速则必须要保证 比如降压调速时 保持不变 不变 但功率要变 四 恒功率调速比如弱磁调速时 为了长期运转的需要 Is Ie 不变 改变 属于恒功调速但 3 调速方式与负载类型配合 降压调速与负载配合 恒转矩负载配合选择电机 根据负载Mz要求的最大转速来决定 Me Mz电机额定功率为 调速时 M Mz Me 常数电机不会过热 充分利用热容量 但 PM Mn 975 n在功率未充分利用且散热条件恶化 结论 恒转矩调速用于恒转矩负载是合理的 与恒功率负载配合选择电机 负载功率 关系 电机的一般D较大 小 但为了安全运行 必须加大电机的功率即小负载配大电机 这样就不合理 此外在高速时大 Mmin小 Imin Ie 热容量利用不充分 恒转矩调速方式与恒功率负载配合会造成浪费 不合理 弱磁调速与负载配合与恒功率负载配合负载功率恒定 电机功率 恒定值电机Pe Pz 负载 不扩大功率 比较合理 特点 调速时电机的功率不变 电流不变 长期运行需要 转矩与转速成反比转矩与成正比与恒转矩负载配合选电机 低速时 结论 低速运行时电动机的功率只发挥了额定值的1 D 转矩却比实际需要值大功率利用不充分 浪费 不合理 5 5串励直流电动机的电力拖动 一 串励直流电动机的机械特性在磁场不饱和时为双曲线 磁场饱和时为下降直线 关系 串场电阻 磁路不饱和时 为双曲线 二 串励直流电动机的人为特性1 降低电压时 一组平行曲线 U1 Ue关系 即降压调速时转速与所降电压成正比 应用 比如城市电车 为了降速 但又不能改变直流电网电压 故有时就将电车上的两台串励直流电动机串联 而每台电机的电压降一半 转速也就近似降一半 2 削弱磁场时的人为特性 串励绕组两端并电阻分流 不并RB时If Is并RB时磁场削弱 其机械特性由于 使曲线上移 2 增强磁场时的人为特性办法 在电枢两端并电阻 机械特性 若n n0则Es Us Is反向 发电制动能量消耗在中 三 串励直流电动机的制动1 反接制动转速反向时的反接制动 入R Is M Mz n n继续 重物太重物理过程 加 Es Is M 当n 0Mk 堵转转矩 Mz重物不再正向上升而是下落即电机反转 Es反向 相当于U Es Is M M Mz为止稳定下落 此时n n 反接制动 转速反向 Es反向 相当于电枢反接 产生制动转矩 阻止重物自由落体下落而使其在 n低转速下匀速下落 电枢反接时的反接制动 适用于n不反向时的负载 分析 电枢反接 Is反向 If不反向 M反向 M与n的方向相反 迅速制动当n 0时不切断电源 电动机将会反转进入反向电动机状态 曲线比曲线陡 因此与M曲线有交点 而Es Es后其他参数未变 故机械特性与曲线反向对称 2 能耗制动 利用电动机储存动能发电进行制动 能耗制动时 当电源切断后 让励磁绕组1 2倒接 即 1 接电枢 2 接Rz 其作用是保持If不反向 仅Is反向 所以M反向与n反向 迅速制动 问题 Is If 故制动转矩M 太快 制动力小 解决办法 能耗制动时 把串励绕组打开 另接一低压额定励磁电源 保证不随n Es Is 而If 保证了足够制动力矩 快速制停 第六章变压器 6 1概述 一 变压器的用途1 改变变流电压考虑绝缘 发电机输出电压6300伏 远离城市需要升压传输 2 改变相数 通过变压器的作用线把三相 六相 十二相或单相 三相 单三相变压器 比如 铁路沿线只有27 5KV的单相交流电 而场站的三相电动机需要三相交流电 因此通过单一三相变压器把单相变为三相满足要求 也可采用劈相机 3 进行阻抗变换 比如收音机的最后一级往往要经过一台变压器接至喇叭 目的就是实现阻抗匹配使喇叭获得最大功率 4 改变频率 相位及其他 自控系统用得较多 二 变压器的类别1 按原 副边电压关系分类接电源接负载U1 U2降压变压器U1 U2升压变压器2 按相数分类 单相变压器 输入单相 输出也单相 三相变压器 输入三相 输出也三相 三相 六相 三相 十二相 整流 3 按绕组数目分单绕组变压双绕组变压三绕组变压器4 按容量大小分小型变压器中型变压器大型变压器特大型变压器630KVA以下800 6300KVA8000 63000KVA90000KVA以上我国最大变压器容量为100万千伏安 100万伏超高压 6 2变压器的结构 额定值 和标幺值 一 变压器的结构1 铁心 材料 0 35 0 5毫米厚的硅钢片冲迭而成 功用 构成磁路 磁导率要高 铁心损耗小 迭装方式 1 对接式 工艺简单拆装方便 存在问题是接缝之间容易片间错开 扩大涡流 扩大涡流范围 接缝处电阻大 发热 2 交迭式 避免了片间错开 而且容易夹紧 但工艺复杂 拆装困难 铁芯截面形状矩形截面工艺简单 但空间利用不充分 小型变压器线细 绕组可绕成矩形 空间利用也充分 梯形截面空间利用充分 但硅钢片尺寸较多 工艺复杂阶梯级数最多九级 2 绕组 线圈 功用 构成变压器的电路材料 绝缘导体 铜或铝的绝缘导线 型式 铁心式 同心式 铁壳式 铁心式 同心式 铁壳式铁心式 高低压绕组在铁心柱内外布置 低压绕组在内层 绝缘考虑 多用于电力系统铁壳式 结构坚固 多用于弱电系统3 其他 油箱 散热 绝缘 瓦斯继电器 测温器 二 额定值1 额定容量 厂方提供在额定工作条件下 变压器输出能力的保证值 用Se表示 单位KVA 比如 10 20 30 40 50 63 80 部分规定 2 额定电压Ue 绕组空载时 额定分接头下端子间的电压保证值 U1e 原边额定电压 接入规定电源电压U2e 原边电压为U1e时 副边的空载电压 三相变压器的额定电压指线电压单位 KV V额定电压的大小主要受铁心发热的限制 不是怕绝缘击穿 因为B U Pfe B 3 额定电流Ie 主要受导线发热的限制I1e 原边额定电流I2e 副边额定电流三相变压器均指线电流单相变压器 忽略损耗 三相变压器 三 标幺值 相对值 的概念标幺值 实际值 基值优点 1 标幺值概念明确 说明问题清楚比如 有两台变压器 原边实际电流均为50A 很难说清哪一台变压器所带负载较重 若 说明第一台变压器负载轻 2 起到了折算的作用 使计算简化 后面再详细介绍 6 3变压器的空载运行 一 空载运行的特点1 空载 变压器原边接额定电压 副边开路2 空载下的磁场 3 正方向的假定惯例1 原边以电动机惯例定向从A到X 则从A经绕组到尾端X 符合右手螺旋定则 遵循电磁感应定律 与同方向 2 副边以发电机惯例定向由上指向下 与同方向 同时为正或同时为负 功率都为正 即功率自变压器输出 相当于发电机 与反向 3 定向具有任意性但电磁规律是一定的 惯例就是大家都承认 讨论问题有共同语言二 感应电势及变比设主磁通则 原边电势平衡 四 空载电流1 的波形 非正弦 原因 铁心磁导率 不是正比关系为正弦波 则为尖顶波同理 用作图法可证明 当磁路饱和时 为平顶波 则为正弦波 结论 a 为了得到正弦波的感应电势 必须为正弦波 因此励磁电流则为尖顶波 b 若为平顶波 其中包含三次谐波磁通 由此感应三次谐波电势 使总电势e为尖顶波 由此会危机到绕组的绝缘安全 因此必须消除三次谐波电势 因此在后面的分析中仅取其的基波分量进行研究 2 分解可分解为两个分量a 磁化分量 主要作用 建立磁场 产生大小 由磁化曲线确定确定相位 与同相b 铁耗分量 供给铁耗大小 与铁耗有关相位 与电压同相位 五 变压器空载运行的相量图 电压平衡方程的形象化 根据 步骤 1 画出为参考相量2 画出3 超前一个铁心损耗角 4 画5 画6 画 注 放大了 实际上 空载时的功率因数角 大 很小 六 空载变压器的等效电路和激磁参数1 等效 与变压器的实际电磁关系等值 与电压方程相适应 目的是为了计算方便 2 等效电路 其中 激磁阻抗 激磁电阻 铁耗等效电阻 激磁电抗 无功分量等效 6 4变压器的负载运行 负载 变压器的副边向外供电一 负载后的物理过程 副边接上负载送出电流主磁路上增加了一个磁动势力图改变主磁通改变原边电路平衡关系被破坏原边电流从实现新的平衡从而实现了电能的传递能量传递媒介 主磁通 难点 产生磁通与的关系是去磁关系 二 基本电磁关系1 主磁通2 磁势平衡关系 式中 为原边电流的负载分量 即副边负载后在原边引起的电流增量 3 电路平衡关系 原边相当于电动机 吸收电功率副边相当于发电机 送出电功