电机与拖动基础(现用)

第二章电力拖动系统动力学,电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成。,电力拖动系统组成,1.1电力拖动系统的转动方程式,2020/4/30,电机与拖动基础,2,机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系，生产机械的负载转矩特性表明负载的性能，要研究整个电力拖动系统，必须研究电动机和负载之间的运动规律电力拖动系统的运动方程式。,1.单轴电力拖动系统电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连，工作机构是电动机的负载。,单轴电力拖动系统,T为电动机的电磁转矩(Nm)，TL为电动机的负载转矩(Nm)，J为电动机轴上的总转动惯量(kgm2)，为电动机的角速度(rad/s),D为系统转动部分的回转直径(m),m为系统转动部分的质量(kg),是具有加速度量纲的系数，单位为mmins。,动转矩,系统处于加速；恒速或静止，稳定运转状态；系统减速,为系统转动部分的回转半径(m),g=9.81m/s2为重力加速度,G为系统转动部分的重力(N),GD2为转动部分的飞轮矩(Nm2),实际的电力拖动系统，大多数是电动机通过传动机构与工作机构相连的多轴电力拖动系统。研究多轴电力拖动系统时，需要对每根轴分别写出运动方程式并联立求解，最后得出电力拖动系统的运动规律，显然比较麻烦。,等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率及储存动能保持不变，即等效单轴系统应与实际的多轴系统具有相等的机械功率和动能。,实用工程计算：采用筒化多轴电力拖动系统的分析计算，将负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上，变多轴系统为等效的单轴系统。,多轴电力拖动系统的简化,1.2多轴电力拖动系统的简化计算1.2.1工作机构为转动情况时，转矩与飞轮矩的折算1.转矩的折算多轴电力拖动系统中:,工作机构折算前的机械功率=工作机构折算后的机械功率,f为工作机构转轴的角速度；Tf为工作机构的实际负载转矩；,为电动机轴的角速度；TF为工作机构负载转矩折算到电动机轴上的折算值；,为传动机构总的速比，写成一般形式为等于各级速比乘积；,考虑传动机构的传动效率：,式中为传动机构总效率，等于各级传动效率乘积，；传动机构转矩损耗：,由于负载是由电动机拖动的，电磁转矩为拖动性转矩，T是由电动机负担。,2飞轮矩的折算飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小；,工作机构转轴的飞轮矩为，动能为:,折合到电动机轴上的飞轮矩为，折算后其动能为:,折算的原则是折算前后该轴的动能不变，即,化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式:,旋转物体的动能为:,传动机构中还有转速为nb的轴，其轴上各部分的总飞轮矩实际值为,动能是:,折合到电动机轴上以后的飞轮矩为，其动能为:,根据折算前后该轴动能不变的原则有:,飞轮矩折算时，其折算值为实际值除以速比的平方，(注意不同转速的轴其速比也不一样。),写成一般形式为:,一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分(20-30%)；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。,从上面分析的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴上的总飞轮矩为:,一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分(20-30%)；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。,例题11(Pg4)已知飞轮矩GDa2=14.5Nm，GDb2=18.8Nm，GDf2=120Nm，传动效率1=0.91,2=0.93,转矩Tf=85Nm，转速n=2450rmin，nb=810rmin，nf=150rmin，忽略电动机空载转矩，求：(1)折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2；(2)折算到电动机轴上的负载转矩TF。,解:(1)系统总飞轮矩:,(2)负载转矩:,1.2.2工作机构为平移运动时，转矩与飞轮矩的折算,有些生产机械，如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等，它们的工作机构作平移运动。,刨床电力拖动系统：电动机经多级齿轮变速后，用齿轮、齿条把旋转运动变成工作台的平移运动。切削时工件与工作台一起以速度V移,刨床电力拖动示意图,动，刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为F，电动机的转速为n，传动机构效率为。,把这种多轴系统等效成单轴系统，须将切削力及平移运动部件的质量折算到电动机轴上的等效转矩TF及等效飞轮矩GDF2。,1.转矩的折算工作机构为平移运动时，切削功率为:根据功率平衡关系则有:,电动机轴上的等效转矩:,传动机构的转矩损耗:,2.飞轮矩的折算折算的原则：折算前后储存的动能相等。平移运动部件的动能:折算到电动机轴上的转动惯量中储存的动能:,根据折算前后动能不变的原则有:,例题:已知切削力F=10000N，工作台与工件运动速度v=0.7m/s，(Pg12)传动机构总效率=0.81，电动机转速n=1450rmin，电动机的飞轮矩GDD2=100Nm2，求：(l)切削时折算到电动机轴上的负载转矩；(2)估算系统的总飞轮矩；(3)不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以dn/dt=500r/mins,恒加速度运行，计算此时系统的动转矩绝对值。,解：(1）切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削功率为:,折算后的负载转矩:,(2)估算系统总的飞轮矩:,(3)不切削时，工作台与工件反向加速，系统动转矩绝对值:,1.2.3工作机构做提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算,工作机构运动为升降的电力拖动系统,电动机通过传动机构（减速箱,速比为j）拖动一个卷筒，半径为R，转速为nf；缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重力为G=mg，；重物提升时传动机构效率为，卷筒重物提升或下放的速度都为v。,桥式起重机的提升机构、电梯、矿井卷扬机等，它们的工作机构都是作升降运动。升降运动属于直线运动并与重力有关。,1.负载转矩折算,(1）提升重物时负载转矩的折算:,传动机构损耗的转矩:,由摩擦产生，总是起阻碍运动的作用。提升重物时由电动机负担，下放重物时，卷筒上的负载转矩成为拖动转矩，由负载承担。,(2)下放重物时负载转矩的折算,2.飞轮矩的计算与平移运动相同。,例题(Pg8):已知减速箱的速比j=34，提升重物时效率=0.83，卷筒直径d=0.22m，空钩重量G0=470N，所吊重物重G=8820N，电动机的飞轮矩GDD2=10Nm2，当提升速度为v=0.4m/s，求：(1)电动机的转速(2)忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩；(3)以v=0.4m/s下放该重物时，电动机的负载转矩。,解:(l)电动机转速的计算卷筒的转速:,电动机的转速:,(3)以v=0.4m/s下放该重物时电动机负载转矩的计算传动机构损耗转矩:,电动机的负载转矩为:,(2)提升时电动机负载转矩的计算,提升重物时负载实际转矩为:,电动机的负载转矩为:,例题(Pg9):某起重机的电力拖动系统：电动机Pn=20kw，nN=950r/min，传动机构的速比j1=3，j2=3.5，j3=4，各级齿轮传递效率都是=0.95，各转轴上的飞轮矩:GDa2=123Nm2，GDb2=49Nm，GDc2=40Nm，Dd2=465Nm，卷筒直径d=0.6m，吊钩重G0=1962N，被吊重物G=49050N。,忽略电动机空载转矩，忽略钢丝绳重量，忽略滑轮传递的损耗，求：,解：(1)以速度v=0.3m/s提升重物时负载（吊钩及重物）转矩:,卷筒转速:,电动机输出转矩:,电动机转速:,(1)以速度v=0.3m/s提升重物时，负载（重物及吊钩）转矩、卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速；(2)负载及系统的飞轮矩（折算到电动机轴上）；(3)以加速度a=0.1m/s2提升重物时，电动机输出的转矩。,(2)负载及系统的飞轮矩的计算吊钩及重物飞轮矩:,系统总的飞轮矩:,(3)以加速度a=0.1m/s2提升重物时电动机输出转矩的计算电动机转速与重物提升速度的关系:,电动机加速度与重物提升速度的关系:,电动机输出转矩:,1.3负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件,电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为机械特性。电动机的电磁转矩为驱动转矩，其正方向与电机的旋转方向一致；生产机械工作机构的负载转矩的正方向与电机的旋转方向相反。生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系，称之为负载的转矩特性。,1.3.1负载的转矩特性1.恒转矩负载的转矩特性(1)反抗性恒转矩负载特点：工作机构的负载转矩与转速的方向始终相反，转矩特性位于I,III象限内,转矩的绝对值大小恒定不变，是阻碍运动的制动性转矩。皮带运输机、轧钢机等由摩擦力产生负载转矩的工作机构属于这类型。,考虑传动机构损耗转矩后，折算到电动机轴上负载转矩特性，即关系曲线。,实际特性折算后特性反抗性恒转矩负载的转矩特性,I象限:,III象限:,阻碍运动的制动性转矩,(2)位能性恒转矩负载特点:工作机构的负载转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，转矩特性位于I,IV象限内；起重机提升下放重物就属于这个类型。我们分析的电力拖动系统都简化为单轴系统，只要知道电动机轴上的转矩与转速关系曲线。,实际特性折算后特性位能性恒转矩负载的转矩特性,提升重物时：阻碍运动的制动性转矩,下放重物时：帮助运动的拖动性转矩,2.泵类负载的转矩特性,水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即,泵类负载的转矩特性,3.恒功率负载的转矩特性,工作机构负载转矩与转速之积为常数，即,电力牵引系统：汽车爬坡，低速大转矩；高速公路运行，高速小转矩。车床加工另件：粗加工时，较大进刀量和较低转速；精加工时，较小进刀量和较高转速。,恒功率负载的转矩特性,以上所述恒转矩负载、泵类负载及恒功率负载都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载型式，实际的负载可能是以某种典型为主或某几种典型的结合。例如通风机，主要是泵类负载特性，但是轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。又如起重机在提升和下放重物时，一般主要是位能性恒转矩负载。我们分析电力拖动系统时；负载转矩特性作为已知量对待。,1.3.2电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统是由电动机与负载两部分组成的，把电动机的机械特性与负载的转矩特性结合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。,电力拖动系统的平衡状态,左图：1.电动机的机械特性2.负载的转矩特性电力拖动系统的平衡工作点(稳定运行的必要条件),图中两条曲线的交点A满足此条件，称为平衡工作点。,实际运行的电力拖动系统，经常会出现一些干扰：电源电压波动;负载转矩波动;当负载电流较大时，电枢反应使得他励直流电动机的机械特性上翘。关键是：l突然出现了干扰，系统是否能够稳定运行？l干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？这就是我们要讨论的电力拖动系统稳定运行的充分条件。,举例：他励直流电动机拖动一泵类负载运行,不变；,此刻，系统将改变原来的平衡状态，引起过渡过程：,电磁过渡过程机械过渡过程,相比较而言：机械惯性远远大于电磁惯性，电磁过渡过程很快就结束；而转速变化较慢，必须考虑机械过渡过程。,电力拖动系统的稳定运行,电力拖动系统的稳定运行,分析步骤：忽略电磁过渡过程，曲线1直接替代曲线1；但此刻，转速不能突变,负载转矩不能突变；电动机运行点从A变到B，电磁转矩变小为；,系统开始减速的机械过渡过程。(2)在减速的机械过渡过程中：,对电动机来讲，,电动机运行点沿曲线1下降；对泵类负载来讲，,电力拖动系统的稳定运行,直到曲线1与曲线2交于A点为止，,电动机的运行点经历了的过程，系统减速过渡过程结束，到达新的平衡点。,可见，虽然出现了电压干扰，但系统是能够稳定运行；那么，电压干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？,(3)电压干扰消失后，忽略电磁过渡过程，曲线1直接恢复为曲线1；但此刻，转速不能突变，负载转矩不能突变；电动机运行点从A变到C，电磁转矩加大为；,电力拖动系统的稳定运行,系统开始升速的机械过渡过程(4)在升速的机械过渡过程中：,电动机,电动机运行点沿曲线1上升；同时，泵类负载；直到曲线1与曲线2交于A点为止,电动机的运行点经历了,的过程，系统回到原工作点上稳定运行。,那么，是否所有的电动机机械特性与负载转矩特性上的交点都能稳定运行？举例：当负载电流较大时，电枢反应可以使得他励直流电动机的机械特性上翘。,左图：1与1为他励直流电动机的机械特性2为恒转矩负载的转矩特性,电力拖动系统的不稳定运行,分析步骤：(1)忽略电磁过渡过程，曲线1直接替代曲线1；但此刻，转速不能突变，负载转矩不能突变；电动机运行点从A变到B,，电磁转矩增大为；系统开始升速的机械过渡过程。,电力拖动系统的不稳定运行,(2)在升速的机械过渡过程中：负载转矩始终为，电动机运行点沿曲线1，,转速上升得越来越快。直到系统转速过高，毁坏电动机为止。该系统不能在原来交点A的附近继续稳定运行，属不稳定运行,稳定运行的充分必要条件是:,在交点所对应的转速之上区域，应保证，使得当系统高于交点处的速度时，系统作减速运行；在交点所对应的转速之下区域，应保证，使得当系统低于交点处的速度时，系统作升速运行。,电力拖动系统必须在电动机的机械特性与负载转矩特性的交点上；两条曲线在交点处必须配合得好，才能保证系统稳定运行：,判别下列系统能否稳定运行,第一章磁路（绪论）,本章学习：磁路的基本概念和基本定律铁磁材料的磁性能,磁路,本章要求：掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点掌握描述磁路的基本物理量掌握研究磁路的几个基本定律熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线,第一节磁路的基本概念和基本定律,一、磁路的基本概念磁路：磁通经过的路径。基本物理量：1、磁感应强度B（磁密）单位：Wb/m2;或T2、磁通单位：WB3、磁场强度H单位：A/m4、磁动势F=NI单位：A5、磁压降V=Hl单位：A线圈中有电流I，线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积IN，该乘积就叫磁动势F。,变压器磁路,5、磁导率,表示物质导磁能力强弱的物理量=B/H单位：亨/米空气磁导率0=410-7H/m铁磁材料磁导率0,6、磁阻Rm,磁阻Rm=L/(S)L:磁路长度；：磁导率；S：磁路截面积单位：1/亨,二.磁路的基本定律,1、安培环路定律（全电流定律）磁场强度H沿任意闭合回路l的线积分，等于该闭合回路所包围的全电流，即,2、磁路欧姆定律,磁路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成反比，即磁通=F/Rm,3、磁路的基尔霍夫第一定律任何磁路中，流进节点的磁通代数和为零,4、磁路的基尔霍夫第二定律在闭合磁回路中，磁路各段磁压降代数和等于作用于该磁路上的磁动势之和。,三.基本电磁定律,1、电磁感应定律1）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。大小：电势e=Blv。B:磁密；l：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e=-U。,2）变压器电势：,线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：电势e正方向：e的正方向与正方向符合右手螺旋关系,2、电磁力定律,一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。电磁力f=Bli电磁力方向：左手定则判断,第二节铁磁材料的磁性能,一、高导磁性数据终端设备1、含义：在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大加强。2、高导磁性原因,二、铁磁材料的磁化过程和磁化曲线,铁磁材料的磁化过程可分为四阶段：可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、可逆与不可逆磁化阶段、趋近饱和阶段磁场强度H与铁磁材料中B的关系曲线B=f(H),三、铁磁材料的磁滞和剩磁现象,铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场H的变化称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。饱和磁滞回线与换向磁化曲线上的各有关磁学量,四、铁磁材料的磁损耗,当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。1、涡流损耗pFe=CFeD2f2B2CFe：系数D：厚度f:频率B：磁密2、磁滞损耗小磁铁来回翻转，摩擦耗能。ph=khfB2,海南风光,第15讲,直流电动机,第9章直流电动机,9.1概述9.2工作原理9.3电枢电动势及电压平衡关系9.4电磁转矩9.5机械特性9.6直流电动机的调速9.7直流电动机的使用和额定值,9.1概述,与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。,9.2工作原理,一、工作原理,电刷,换向片,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。,由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。,直流发电机,用右手定则判感应电动势Ea的方向,电枢绕组电阻Ra,感应电动势,输出电压,二、直流电机的构成,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,励磁式直流电动机结构,1.转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,2.定子,定子的分类：,励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,9.3电枢电动势及电压平衡关系,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,一、电枢中的感应电动势,根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：,单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）,二、电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。,U：外加电压Ra:绕组电阻,9.4电磁转矩,一、电磁转矩,单位：（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）,由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。,二、转矩平衡关系,电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即,转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。,例：,设外加电枢电压U一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：Ia、P入,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,9.5机械特性,一、他励电动机的机械特性,n0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）,当T时n，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。,根据n-T公式画出特性曲线,串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。,二、串励电动机的机械特性,设磁通和电流成正比，即=KIa,则,据此公式做出T-n曲线,(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。,串励特性：,(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。,(2)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。,9.6直流电动机的调速,与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。,下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。,（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。,直流电动机调速的主要优点是：,由该式可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。,一、改变磁通（调磁）,1.原理,其中：=KIf,RfIfn，但在额定情况下，已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。RfIfn，减弱磁通是常用的调速方法。,If的调节有两种情况：,概念：改变磁通调速的方法减小磁通，n只能上调。,2.特性的变化,调速过程:U一定,则,暂时TTL,（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。,3.减小调速的特点：,二、改变电枢电压调速,由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,1.特性曲线,2.改变电枢电压调速的特点,（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而nU，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。,Uf=110V固定,U=0110V可调,改变电枢电压调速方案举例：,例：已知他励电动机的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：,（1）TL=0.5TN时,n=?（2）=0.8N时,n=?,解：（1）TL=0.5TN时,（2）=0.8N时,这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。,三、改变转子电阻调速,在电枢中串入电阻，使n、n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，n,9.7直流电动机的使用和额定值,限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。,一、使用,1.启动,启动时,n=0Ea=0，若加入额定电压，则,Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN内。,(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=KTIa，而0，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。,（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则E，Ia，T和，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大，也很危险。,措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。,2.反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,（1）反接制动,3.制动,制动的所采用的方法：反接制动、能耗制动、发电回馈制动,电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。,（2）能耗制动电枢断电后立即接入一个电阻。,特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，在重力的作用下nn0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。,(3)发电回馈制动,直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,4.连接,（1）绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,（2）绕组的符号,二、额定值,1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。,2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）,3.额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN（：效率）,注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN。,4.额定转速nN：在PN，UN，IN时的转速。直流电机的转速等级一般在500r/min以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,Armatureelectromotiveforceandelectromagnetictorque,电枢电动势armatureelectromotiveforce,产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势.,大小:,性质:发电机:电源电势(与电枢电流同方向);电动机:反电势(与电枢电流反方向).,产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩.,大小:,性质:发电机:制动(与转速方向相反);电动机:驱动(与转速方向相同).,电磁转矩electromagnetictorque,他励直流电动机的机械特性,定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下，电机的转速与电磁转矩之间的关系：,由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：,一、机械特性的表达式,他励直流电动机的机械特性,机械特性的曲线：,通常称大的机械特性为软特性，小的机械特性为硬特性。,他励直流电动机的机械特性,二、固有机械特性和人为机械特性,1、固有机械特性,当时的机械特性称为固有机械特性：,2、人为机械特性,当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性,他励直流电动机的机械特性,1）电枢串电阻时的人为特性,保持不变，只在电枢回路中串入电阻的人为特性：,特点：（1）n0不变，变大；（2）RS越大，特性越软。,他励直流电动机的机械特性,2）降低电枢电压时的人为特性,保持不变，只改变电枢电压的人为特性：,特点：（1）n0随U变化；（2）U不同，曲线是一组平行线。,他励直流电动机的机械特性,3）减弱励磁磁通时的人为特性,保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：,特点：（1）弱磁，n0增大；（2）弱磁，增大,他励直流电动机的机械特性,三、机械特性的求取,求两点：1）理想空载点：2）额定运行点：,1、固有机械特性（已知：）,他励直流电动机的机械特性,步骤：,1）估算,2）计算,3）计算理想空载点：,4）计算额定工作点：,他励直流电动机的机械特性,2、人为机械特性的求取,在固有机械特性方程的基础上，根据人为特性所对应的参数或或变化，重新计算和，然后得（）、（）。,他励直流电动机三级电阻起动的机械特性,分级起动电阻的计算,设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：,b点,c点,d点,e点,f点,g点,比较以上各式得：,在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，各级起动总电阻为:,各级串联电阻的计算公式为：,计算各级起动电阻的步骤：,（1）估算或查出电枢电阻Ra;（2）根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流I1；（3）选取起动级数m；,（6）计算各级起动电阻。,他励直流电动机的调速,Speed-regulationofseparatelyexcitedmotor,他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速:1)机械调速;2)电气调速,他励电动机的转速公式：,电气调速方法：1）调压调速；2）电枢回路串电阻调速；3）调磁调速。,他励直流电动机的调速,调速指标：,1、调速范围D：,2、静差率（相对稳定性）%：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。,%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。,他励直流电动机的调速,D与%相互制约：,越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的指标的前提下，要扩大D，须减少n，即提高机械特性的硬度。,他励直流电动机的调速,3、调速的平滑性：在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：,越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,4、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。,他励直流电动机的调速,1、电枢回路串电阻调速,他励直流电动机的调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,缺点：,2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；,3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；,4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,他励直流电动机的调速,2、降低电压调速,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,他励直流电动机的调速,优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。,他励直流电动机的调速,3、减弱磁通调速,他励直流电动机的调速,优点：,由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,缺点：,机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D2；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。,他励直流电动机的调速,调速方式与负载类型的配合,容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。,充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值。,当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。,他励直流电动机的调速,以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。,电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。,电枢串电阻调速和降压调速时，磁通保持不变，若在不同转速下保持电流不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：,他励直流电动机的调速,电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。,弱磁调速时，磁通是变化的，在不同转速下若保持电流不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：,他励直流电动机的调速,上述容许输出转矩和功率与转速的关系为：,以为界，分两个区域：为恒转矩调速区；为恒功率调速区,他励直流电动机的调速,1、恒转矩负载配恒转矩调速,和均为常数,和均与转速成正比，只要选择电动机的与相等，在任何转速下均有：,电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。,这是一种理想的配合，转速是从额定转速向下调，所以额定转速为系统的最高转速。,他励直流电动机的调速,2、恒功率负载配恒功率调速,和均为常数，和均与成反比，只要选择与相等，在任何转速下均有：,电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。,这是一种理想的配合，转速是从额定转速向上调，所以额定转速为系统的最低转速。,他励直流电动机的调速,3、恒转矩负载配恒功率调速,他励直流电动机的调速,可以证明：,在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）只是电动机额定功率的（D为调速范围）。,显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。,他励直流电动机的调速,4、恒功率负载配恒转矩调速,他励直流电动机的调速,可以证明：,这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功率）只是电动机额定功率的（D为调速范围）。,显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。,他励直流电动机的调速,5、风机型负载与两种调速方式的配合,由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最高转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使,只有在最高转速时，电动机才被充分利用。恒转矩调速方式所造成的电动机容量浪费比恒功率调速方式小一些。,他励直流电动机的调速,根据以上五种情况分析可得：,1）电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载。,2）弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载。,3）对于泵与风机类负载，三种调速方式都不十分合适，但采用电枢串电阻和降压调速比弱磁调速合适一些。,他励直流电动机的制动,一、能耗制动,他励直流电动机的制动,二、反接制动,1、电压反接制动,他励直流电动机的制动,二、反接制动,2、倒拉反转反接制动,他励直流电动机的制动,三、回馈制动,回馈制动状态下稳定运行有以下两种情况：1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限；2、当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，进入第二象限。,回馈制动状态下瞬态过程有以下两种情况：1、降压调速过程中；2、弱磁状态下增磁调速过程中。,他励直流电动机的制动,三、回馈制动,降压调速时产生的回馈制动,增磁调速时产生的回馈制动,直流发电机与直流电动机的区别,能量关系:,机械能转变成电能,电能转变成机械能,电枢电势:,电源电势,反电势,电磁转矩:,制动,驱动,电势平衡方程:,直流发电机与直流电动机的区别,转矩平衡方程：,功率平衡方程：,特性：,单相变压器的空载运行,EmptyRunningofSingleTransformer,单相变压器的空载运行,一、电磁现象,单相变压器的空载运行,各量的电磁关系：,单相变压器的空载运行,主、漏磁通的区别：,1）性质上：与成非线性关系，与成线性关系；2）数量上：占99%以上，仅占1%以下；3）作用上：起传递能量的作用，起漏抗压降作用。,单相变压器的空载运行,二、空载电流：,1）作用和组成,一方面：用来励磁，建立磁场-无功分量二方面：供变压器空载损耗-有功分量,2）性质和大小,性质：主要是感性无功性质-也称励磁电流；大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示。,单相变压器的空载运行,3)空载电流波形,磁路饱和时，正弦，尖顶，正弦，平顶。,单相变压器的空载运行,三、感应电动势,单相变压器的空载运行,为一次侧漏抗，反映漏磁通的作用。,对一切电抗,返回12页,单相变压器的空载运行,四、空载损耗,经验公式：,空载损耗约占额定容量的（0.21）%，随容量的增大而减小。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。,包括：铜损耗铁损耗。,单相变压器的空载运行,五、电磁关系：,1、电势方程：,忽略漏阻抗压降后有效值：,故：,可知：影响主磁通大小的因素是电源电压、电源频率和一次侧线圈的匝数，与铁芯的材质和几何尺寸无关。,单相变压器的空载运行,2、变比,定义：变比为一、二次线圈主电势之比。,或,对三相变压器，变比指一、二次侧相电势之比,Y，D接线,D，Y接线,单相变压器的空载运行,3、等效电路,连接第8页,令：,其中：,-励磁阻抗,-励磁电阻，对应铁损耗的等效电阻；,-励磁电抗，对应主磁通的电抗。,一次侧的电势方程为：,单相变压器的空载运行,等效电路为：,由于主磁通路径铁心为非线性磁路，故励磁阻抗、励磁电阻和励电抗均不为常数，大小随磁路的饱和而减小。,单相变压器的空载运行,4、相量图,空载时的基本方程为,单相变压器的空载运行,小结:,（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.,（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。,（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。,（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。,变压器参数测定,一、空载实验,目的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变压器的变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。,接线图：,变压器参数测定,一、空载实验,要求及分析：,1）低压侧加电压，高压侧开路；,2）忽略和，则：,变压器参数测定,一、空载实验,3）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；,4）若要得到高压侧参数，须折算；,5）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,6）由于空载时功率因数很低，为减小误差，应采用低功率因数表测量空载功率。,变压器参数测定,二、短路实验,目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,接线图：,变压器参数测定,二、短路实验,1）高压侧加电压，低压侧短路；,2）忽略和铁损，则：,对T型等效电路：,要求及分析：,变压器参数测定,二、短路实验,3）温度折算；,4）若要得到高压侧参数，须折算；,5）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,三、短路电压（阻抗电压）：,短路实验时使短路电流为额定电流时一次所加的电压称为短路电压。记作：,变压器参数测定,三、短路电压,短路电压为额定电流在阻抗上的压降，故也称阻抗电压。,短路电压通常以百分值表示，即：,短路电压（阻抗电压）：,无功分量（电抗电压）：,有功分量（电阻电压）：,变压器参数测定,三、短路电压,短路电压是变压器的重要参数，它的大小直接反映了短路阻抗的大小，而短路阻抗直接影响变压器的运行性能。,从正常运行角度，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些。,标么值per-unitvalue,定义:,基准值的选取：以各自量的额定值为基准值,标么值per-unitvalue,优点：,1）额定值的标么值为1。,2）折算前、后标么值相等（不需折算）。,3）线值标么值和相值标么值相等。,4）单相的标么值和三相的标么值相等。,6）电压等级差别大，但标么值表示的参数变化范围不大。,5）百分值=标么值100（%）,标么值per-unitvalue,例：,8）物理意义不同的量，标么值相等。,7）标么值表示的电压和电流，能反映设备运行情况。,标么值per-unitvalue,缺点：,1）标么值无单位，物理概念模糊。,2）物理意义不同的量，标么值相等。,变压器的运行特性operatingcharacteristicoftransformer,电压变化率voltagerate-of-change,定义：变压器在U1N、fN下，副边空载电压U20与负载后在某一功率因数下副边端电压U2之差，与副边额定电压U2N的比值。,即：,表达式：,电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的参数有关。,变压器的运行特性operatingcharacteristicoftransformer,外特性：变压器在U1N、fN下，负载功率因数一定时，U2=f（I2）。,调压方式：1）有载调压2）无励磁调压。,变压器的运行特性operatingcharacteristicoftransformer,损耗和效率lossandefficiency,损耗,效率,变压器的效率与负载的大小、性质及铜损和铁损有关。,变压器的运行特性operatingcharacteristicoftransformer,最大效率：,当时，即时有最大效率。,也就是当变压器的铜损耗等于铁损耗时有最大效率，最大效率和最大效率时的负载分别为：,第8章交流电动机,8.1三相异步电动机的结构与工作原理8.2三相异步电动机的机械特性8.3三相异步电动机的使用,交流电动机,电动机,直流电动机,他励、异励、串励、复励,电动机的分类,8.1三相异步电动机的结构与工作原理,e方向用右手定则确定,f方向用左手定则确定,磁场旋转,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,切割速度,（右手定则）,2.线圈比磁场转得慢,三相异步机的结构,转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,三相定子绕组：产生旋转磁场。,旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,()电流入,X,合成磁场方向：向下,同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：,旋转方向：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相。,旋转磁场的旋转方向,旋转磁场的转速大小,一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,电流频率为fHz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋转f圈。每分钟旋转：,n1称为同步转速,极对数（P）的概念,极对数（P）的改变,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。,极对数,极对数和转速的关系,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期磁场转过的空间角度,同步转速,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速（额定转速）:,提示：如果,转差率的概念：,异步电机运行中:,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：,转子感生电流的频率：,例1：三相异步电动机p=3，电源f1=50Hz，电机额定转速n=960r/min。求：转差率s，转子电动势的频率f2,同步转速：,转差率：,一、三相异步电动机的“电磁”关系,8.2三相异步电动机的机械特性,定子电路,：主磁通产生的感应电动势。,转子电路,设：,则：,定子边：,取决于转子和旋转磁场的相对速度,同理可得：,转子功率因数,例2：三相异步电动机，p=2，n=1440r/min，转子R2=0.02，X20=0.08，E20=20V，f1=50Hz。,启动时I2（st）,额定转速下的I2（N）,s=1,电磁转矩T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和。,常数,每极磁通,转子电流,转子电路的,转矩公式的推导,（牛顿米）,得到转矩公式,二、三相电动机的机械特性,根据转矩公式,得特性曲线：,启动时n=0,最大转速n=n1时,三个重要转矩,n1,T,n,（牛顿米）,如果电机将会因带不动负载而停转。,求解,过载系数：,三相异步机,n1,T,n,机械特性曲线,启动：,TstTL(负载转矩)，电机启动,转速n，转矩T,c,c点：转矩达最大Tm，转速n继续，T，沿cb走,b,b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行,若TL，暂时TTL,nsI2Tn,电动机的自适应负载能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。,s=