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电机驱动及控制 课程要求 一 课程的目的1 握直流电机以及交流三相电机的工作原理 特性以及电机的选择应考虑的因素 2 了解电机调速的基本知识 本课程的主要内容包括 直流电机直流电机的原理与结构 直流电机的机械特性 直流电机的换向 他励直流电机的制动与调速 交流异步电机三相异步电动机的基本工作原理 异步电机的机械特性 异步电机的启动 制动与调速 电机的选择电机的发热与冷却 电机的容量选择电机种类 类型 电压 转速选择 二 参考书1 电机驱动技术王淑芳编科学出版社2 电机与电力拖动朱耀忠主编北京航空航天大学出版社3 电机及拖动许晓峰主编高等教育出版社 本课程的考核形式及记分 考查随堂测验总成绩 0 6 考查成绩 0 4 平时成绩平时成绩 0 4 课堂作业 0 3 考勤 0 3 实验 同时参考网络学堂使用情况 答疑时间 地点 时间 每周日上午10 00 11 00地点 实验楼203 网络学堂网址 用户名 学号密码 初始密码123456进入后点击 我的课程 电机驱动及控制 第一章预备知识 1 1有关磁场的几个物理量1 1 1磁感应强度 磁通密度 B用来描述磁场强弱及方向的物理量 单位为T 特斯拉 1 1 2磁通量 简称磁通 指穿过某一截面S的磁感应强度B的通量 常用穿过截面S的磁感线的数量表示 对垂直于截面的均匀磁场有 B S或B S 的单位为Wb 韦伯 1T 1Wb m2 1 1 3磁场强度H是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量 方向与B相同 大小 B H或H B 导磁率 反映导磁介质导磁性能的物理量 大表示导磁性能好 单位H m真空中的导磁率 0 4 10 7H m其他材料导磁率为 0的倍数 r 0 r 0为相对导磁率 非铁磁材料的相对导磁率 r 1 为常数铁磁材料的相对导磁率 r 2 000 6 000 为非常数 H的单位为A m 安培 米 1 2常用基本定律1 2 1电磁感应定律一 切割电动势由导体或导线切割磁感应线而感应的电动势 B l v三者相互垂直时有 e Blve 感应电动势 方向可由右手定则确定B 磁感应强度l 导体的有效长度v 导体相对于磁场的运动速度 返回 1 2 2电磁力定律载流导体在磁场中会受到电磁力的作用 当磁感线和导体方向互相垂直时 载流导体所受电磁力为 f 载流导体所受的电磁力B 载流导体所在处的磁感应强度l 载流导体在磁场中的有效长度I 载流导体中流过的电流电磁力的方向可由左手电动机定则确定 二 变压器电动势与线圈交链的磁通发生变化时 线圈中将感应出电动势 方向可由楞次定律确定 楞次定律 闭合导体回路中的感应电流 其流向总是企图使感应电流自己激发的穿过回路面积的磁通量 能够抵消或补偿引起感应电流的磁通量的增加或减少 或者说 回路中感应电流的流向 总是使感应电流激发的穿过该回路的磁通量 反抗回路中原磁通量的变化 N 线圈匝数 第二章直流电机的电力拖动 主要内容 直流电动机的结构 特性 启动 制动 调速第一节直流电机的结构与工作原理2 1结构直流电动机工作具有可逆性 即可作为电动机使用 也可作为发电机使用 两者结构上相同 直流电机的结构简单的说可以有如下几个部分组成 主磁极 励磁绕组 换向磁极及绕组 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 其他还包括机壳 风扇等 1 励磁绕组的作用是在主磁极上产生磁通 主磁通 该磁通是使电机工作的前提 2 电枢绕组是转子的一部分 有了主磁通之后 若在电枢上加入电压 形成电枢电流 这时电机转子就会在主磁通与电枢磁场的作用下产生旋转运动 外力使转子转动 则会在电枢上感应出电压 这时的电机就成为发电机 3 换向器 整流子 的作用是将外加的直流电转换为电动机电枢所需的交流电 或是将发电机电枢绕组中的交流电变为直流电输出 4 电刷 外部给电枢施加的直流电压或电枢产生的电压 通过整流子与电刷的接触进行传输 5 换向极 用来改善换向特性 减少换向火花 思考题1 直流电动机和直流发电机在结构上是否相同 2 在什么条件下直流电动机可以作为直流发电机使用 3 直流电动机电枢中的电流是直流的还是交流的 为什么 2 2直流电动机的铭牌数据国家标注规定直流电动机的额定数据有 1 额定容量 功率 Pn kW 2 额定电压Un V 3 额定电流In A 4 额定转速nN r min 5 励磁方式和额定励磁电流IfN A N 直流电动机的额定效率 为直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率的比 电动机轴上输出的额定转矩T2N 2 3直流电动机的励磁方式根据励磁方式的不同 直流电动机分为如下几种方式 a 他励直流电机b 并励直流电机c 串励直流电机d 复励直流电机 2 4直流电动机工作原理 注意 当电动机在电枢电流的作用下旋转时 其电枢线圈会切割磁力线这一运动会在电枢中产生感生电动势 该电动势产生的电流方向与外加电源的方向相反 对外加电流有抵消作用 而且这一感生电动势与转速有关 与转速成正比 2 5直流电动机的基本方程 查看 Ia 电枢电流Ea 电枢中感生电动势U 供电电压Uf 励磁电压If 励磁电流 磁通量Tem 电磁转矩n 转速T2 电机轴输出转矩T0 电机轴空载转矩矩 基本方程 电压平衡方程 转矩平衡方程 Ce 电动式常数CT 转矩常数 取决于电机的结构Ra 电枢内电阻 包括电刷接触电阻ra 电枢绕组电阻 p 极对数 a 绕组并联支路对数 与电机结构有关 P1 电网输入功率Pem 电磁功率pCua 电枢铜损耗pb 电刷接触损耗 P2 电机轴输出功率 轴功率 P1 Pem PCua Pb P2 P0 PCua PbP0包含铁损 机械损耗 其他损耗故 P1 P2 p效率可以表达为 2 6他励直流电动机的机械特性2 6 1机械特性方程式机械特性 在电枢电压 励磁电流 电枢总电阻均为常数的条件下 电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系 即 n f Tem 对电枢回路有 n0 理想空载转速 机械特性的斜率 TN 额定转矩nN 额定转速T0 实际空载转矩n0 实际空载转速 也可以 表示 n 2 6 2他励直流电动机的固有机械特性所有参数均为额定值时的机械特性 即 U UN N Rad 0 固有机械特性的特点 1 电磁转矩Tem越大 转速越低 2 当Tem 0时 为理想空载转速 此时 Ia 0 Ea UN 3 斜率 小 特性线较平 称为硬特性 大 称为软特性 4 T TN时 n nN 转速差 nN n0 nN TN 称为额定转速差 一般 nN 0 05n05 电机起动时n 0 此时电枢电流称为起动电流 转矩成为起动转矩 此时的起动电流和起动转矩分别为 若 n n0 n 0 05n0 则 因此 启动时有 2 6 3他励直流电动机的人为机械特性通过改变U Rad三个参数实现对机械特性的调整 一 电枢中串入电阻时的人为机械特性U UN N R Ra Rad n0不变 变化 二 改变电枢电压的人为机械特性 R Ra不变 而改变U n0变化 不变 由于n0随着U的减小而减小 而 不变 形成一组平行直线 UN U1 U2 U3 三 减弱励磁磁通时的人为特性R Ra U UN不变 而改变 改变 意味着减小 正常工作时磁路基本饱和 机械特性方程 转速方程n 0时 n0 均发生变化 图中 堵转电流与磁通 的大小无关 为 而堵转转矩 当转矩不大时 的减小可以导致转速提高 而当转矩较大时 的减小会导致转速降低 此时处于过载状态 的减小导致转速提高 的减小导致转速降低 T2 T1 2 6 4电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统的稳定运行指的是电动机带动负载在恒定的转速下运行 实际上 在工作中由于负载的变化或电网电压的波动都会导致系统的运行偏离额定工作点 这就要求系统有能力恢复稳定状态 特性线下降 2020 3 18 51 可编辑 特性线上升 电力拖动系统稳定运行的条件为 1 电机的机械特性与负载转矩特性必须有交点 即Tem TL 2 在交点附近有 也可以说 在交点的转速以上存在TemTL 对于有下降趋势机械特性的电机都可以有稳定态 另外此规律对交流电机同样适用 2 6 5他励直流电机的起动一 电机的起动电机起动时应首先加上励磁电压使电机主磁极上建立起稳定的磁通 之后才能给电枢通电 给电枢通电时由于n 0 没有感生电动势 所以此时电枢电流会很大 10 20倍IN 同时Tst Ct NIst也会很大 一方面Ist大可能引起整流子的火花或环火 另一方面过大的Tst会造成冲击 易损坏转动机构 过大的Ist对电网也会有很大冲击 再者 过大的Ist对电机本身也很不利 可能烧坏电枢 一般要求Ist 1 5 2 IN对电机起动的要求 有足够大的起动转矩 起动电流在限制范围内 起动设备简单可靠 二 直接起动 三 电枢回路串电阻起动在这种起动方式中电压U UN不变 在电枢回路中串接电阻 以达到限制电流的目的 串接的电阻Rst称为起动电阻 动画演示 起动时必须保证Tst2 TL Tst2 Ist2 小 则起动速度慢 Tst2 Ist2 大可以提高起动速度 但是会造成起动电阻级数增多 四 降压起动保持 R Ra不变 起动时减小电枢电压U 从而达到降低起动电流的目的 实际应用中由于电压可以连续升高 起动可以更平稳 思考题1 人为机械特性有什么特点 2 直流电动机起动时应注意什么问题 3 如何才能使电动机具有稳定的工作状态 2 7他励直流电动机的制动 根据电机电磁转矩与转子转动方向的不同 可以将电机的工作状态分为 1 电动运行状态 电磁转矩方向与转子转动方向相同2 制动运行状态 电磁转矩方向与转子转动方向相反在机械制动的情况下 机械转矩同样与转子转动方向相反 1 Ea的大小正比于转速 Ea的大小是电机能量的表征 当转速为0时 电动机停止 此时Ea 0 由此制动的手段之一就是尽快使Ea 0 为防止冲击过大 制动时的电流应 2 5倍额定电流 常见的电制动方法 1 能耗制动2 反接制动 到拉反接制动 电源反接 3 回馈制动2 7 1能耗制动能耗制动的基本原理就是尽快地消耗掉电动机工作时所存储的能量 从而达到制动的目的 制动时KM2闭合 制动时KM1断开 而KM2闭合 此时U 0 仅有Ea作用于电枢电路 因而 制动效果取决于制动时Tem的大小 Tem大 则制动效果好 而Ia Ea R 可见小的R Ra Rad 可以导致大的制动力 从而有较好的制动效果 但是大的电流会使转子电流过大 会使转子转矩和电流超出允许值 2 7 2反接制动一 倒拉反接制动 二 电源反接制动 电源反接制动开始时 n大小和方向不变 但是电源反向 电枢电压 U Ea 设n方向为正向 与原方向相反 形成与原方向相反的Tem 此时电机的特性方程 2 7 3回馈制动电动机工作时的理想空载转速为n0 由于各种损耗的存在 在电机正常电力驱动的情况下 不可能达到转速n0 但在某些特殊情况下 电动机的转速可能达到n0以上 举例1 起重机放下重物 举例2 电动自行车下坡 上述两种情况都由于重力的作用使得电机的转速超过了n0 转速的提高导致Ea增加 使得Ea U 进而使Ia换向 Tem换向 使电动机处于发电状态 同时提供负载阻止速度的增加 2 7 4各种制动方法比较一 能耗制动1 制动减速平稳可靠2 电路简单3 制动转矩随n的降低而降低二 回馈制动1 无需电路改接 自动转换到制动状态2 发出的电可以回馈给电网三 反接制动1 制动时从电网吸收能量2 n 0时必须切断电源 否则反向加速 思考题 1 能耗制动时电枢中的电流由谁提供 2 能耗制动电路中的电阻的作用是什么 3 电源反接制动应注意什么问题 4 何种制动方法可以使电动机向电网回馈电量 2 8他励直流电机的调速 电力拖动系统的常用调速方法 1 机械调速 2 电气调速 3 机电混合调速2 8 1调速指标一 调速范围 在额定负载下可能运行的最高转速与最低转速之比 以D表示 轧钢机D 3 10 龙门刨D 10 40 造纸机D 1 20 车床D 20 120D的范围不能太大 原因是受nmax和nmin的限制 nmax受到换向条件及机械强度的限制 nmin最低稳定转速的限制 二 调速平滑性指的是相邻两级转速之比 以K表示K越接近1则平滑性越好 K 1时为无级调速三 调速的相对稳定性 静差率 指的是在同一条机械特性线上 额定负载时的转速降与理想空载转速n0之比 越小特性线越平稳 特性越硬 但硬度相同 静差率可能不同 不同机械设备调速时对静差率的要求 普通车床 30 即可龙门刨 10 高精度造纸机 0 1 小的 可以提高电机的工作稳定性 扩大调速范围 静差率 与调速范围D是相互制约的 二者的关系为 用小数表示的静差率 nN 低速特性额定负载下的转速降 四 调速的经济性设备的初投资 运行效率及维修费用 五 适应负载的特点调速过程中所能输出的功率和转矩 调速方法适应负载的要求 2 8 2调速方法一 电枢串电阻调速 Ia与转速无关而与负载转矩成正比 所以当负载恒定时Ia也恒定 由于UN未变 所以电网输入给电机的功率不变 由于Rs存在会消耗功率 故串电阻调速时 Rs越大 调速越低则电机效率越低 Rs上消耗功率增加 可以看出UN N恒定时Rs越大n越低 特点 设备简单 初投资少 有级调速 平滑性差 低速时转速的相对稳定性差 低速时效率低 电能损耗大 适合于对调速性能要求不高的设备上 二 弱磁通调速 由于磁通发生了变化 在相同的负载转矩下 电枢电流与原磁通情况下的电枢电流不同 而弱磁通下的转速为 安全问题 无论何种调速方式 都不允许切断励磁绕组的电源 因为在励磁磁通很弱的情况下可能造成飞车 发生事故 特点 设备简单 效率高 但特性变软 常用在要求调速在额定转速之上的场合 三 改变电枢电压调速保证 为恒定值 电枢不串电阻 仅改变电枢电压 所以得到一组平行特性线 降低电枢电压得到的平行线 所以电机特性比较硬 电源采用他励直流发电机或晶闸管整流器供电 能提供连续可调的电压 从而实现无级调速 特点 调速平滑性好 可以达到无级调速 机械特性硬度不变 低速时能量损耗少 效率高 四 调速方法与负载类型的配合 1 电机的允许输出电机的允许输出指的是 在不同转速下 电机长期工作所能输出的最大转矩和功率 此功率取决于电动机的发热 即取决于Ia 不同转速下只要Ia不超过In即可 另外 在不同转速下 若能保证Ia In 则电动机被充分利用 2 调速方法 电枢串电阻和降低电枢电压调速在这两种调速方法中 励磁磁通 N恒定 若不同转速时Ia In 则输出转矩 可见这里T为常数 而功率则不为常数 即随着转速的提高电机功率提高 弱磁通调速弱磁通调速时通过改变励磁磁通来调速 而 只能变小 故调速时从nN向上调 可见 Tem与n成反比 而 故 弱磁通调速时 弱磁通调速只能使转速从nN提高 而其他两种方式只适合于减速 所以有 n nN时 采用弱磁通调速为恒功率调速 n nN时 采用电枢串电阻或降低电枢电压调速 为恒转矩调速 恒功率调速区 3 调速方法的选择电动机铭牌上所标明的输矩和功率 并不表示其实际输出 而表示电机的使用限度 电机的实际输出取决于负载的大小 负载有三种 恒定负载 恒转矩负载 风机型负载 电动机拖动恒转矩负载应采用恒转矩调速方法 并应使TN TL 额定转速nN等于生产机械所要求的最高转速nmax在电机工作于不同转速时 电枢电流和电磁转矩均为额定值 使电机得到充分利用 若采用恒功率调速方法 为保证电动机能在各种转速下能正常连续工作 必须使电机的最低转矩等于负载转矩 即T Tem TLmin 此最小转矩为最高转速时的转矩 当电机转