电机拖动与控制ppt课件

张勇主编，电机驱动与控制，青岛港职业技术学院，21世纪高职系列教材，第0章电机概述，电机定义电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电机和发电机的统称。将电能转换成机械能的马达叫做马达。将机械能转化为电能的马达称为发电机。工作原理：电磁感应定律、电磁力定律和电流磁效应。构造的一般原理是使用适当的磁性和导电材料形成电路和磁路，这些电路和磁路可以相互传导电磁感应，从而产生电磁功率和电磁转矩，并达到能量转换的目的。电机的分类，我们身边的电机的例子，我们身边的电机的例子，本章内容：DC电机的基本工作原理，DC电机的结构和DC电机的铭牌电枢绕组，DC电机的磁场电枢绕组的感应电动势和电磁转矩DC电机中换向DC电机的分类，DC电机的基本理论和结构，DC电机的基本理论和结构，直流电机的优缺点：起动性能和调速性能好，过载能力大。缺点：电流换向问题、结构和工艺复杂、有色金属数量大、价格高、运行可靠性差。DC电机的发展情况：随着近年来电力电子和微电子技术的飞速发展，它将逐渐被交流调速电机所取代，而DC发电机将被电力电子整流器所取代。然而，在未来很长一段时间内，DC汽车将继续在许多场合发挥作用。1.1 DC电机的基本工作原理，补充：分析电机中常用的基本电磁定律(1)电磁力定律：当一根垂直于磁力线的导体通过一个电流时，它会受到力的影响。力的方向由左手定则确定：如果导体垂直于磁力线通过电流，导体上的力为：F=BLIF:力，NB:磁感应强度，Wb/m2或t(特斯拉)L:导体有效长度，mi:导体中的电流，a，如果导体和磁力线相对移动，导体中的感应电势为：E=BLVE:感应电势，VB:磁感应强度， Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mV:导体的移动速度，m/s，感应电动势的方向由右手定则1.1电机的基本工作原理，(2)电磁感应定律：如果导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。 1.1电机的基本工作原理，(3)电流磁效应：通电导体周围将产生磁场。磁场的方向由右手螺旋尺决定。n和s是一对固定磁极，可以是电磁铁或永磁体。将电刷A和B连接到DC电源，电刷A连接到正极，电刷B连接到负极。此时，电流将以电流方向a至b至c至d至a流过电枢线圈。在磁场的作用下，N极性的下导体ab的力方向是从右向左，S极性的下导体cd的力方向是从左向右。这种电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻力转矩时，电机转子逆时针旋转。如右边所示。a)图1-1 DC电机的工作原理和1 . 1 . 1 DC电机的基本工作原理。当电枢旋转到右图所示位置时，原来的N极性下导体ab转到S极的底部，应力方向是从左向右，原来的S极性下导体cd转到N极的底部，应力方向是从右向左。这种电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在电磁力形成的电磁转矩的作用下继续逆时针旋转。在实际的DC电动机中，许多线圈均匀地嵌在电枢圆周上，相应地，换向器由许多换向器片组成，因此由(b)图1-1 DC电机的工作原理，1 . 1 . 1 DC电机的基本工作原理，电机的组成，1.1 DC电机的基本工作原理，1 . 1 . 2 DC发电机的基本工作原理。右图显示了DC发电机的物理模型，n和s是定子磁极，abcd是固定在可旋转的导磁圆筒上的线圈，该线圈与导磁圆筒一起被称为电机的转子或电枢。线圈的第一端A、D连接到两个换向器片上，这两个换向器片彼此绝缘并能与线圈一起转动。转子线圈和外部电路之间的连接是通过放置在换向器片上的固定电刷实现的。1 . 1 . 2 DC发电机的基本工作原理，DC发电机是将机械能转化为电能的旋转机械。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，线圈abcd将产生感应电动势。如右图所示，导体ab位于N极之下，点A具有高电位，点B具有低电位。导体cd在南极之下，点C具有高电位，点D具有低电位。刷子a的极性是正的，刷子b的极性是负的。图1-2 DC发电机示意图。当原动机的转子驱动电机逆时针旋转180度时，如图所示。导体ab在南极之下，A点为低电位，B点为高电位。导体cd在N极之下，点C具有低电位，点D具有高电位。刷子A的极性仍然是正的，刷子B仍然是负的。可以看出，与电刷a接触的导体总是位于n极下方，而与电刷b接触的导体总是位于s极下方。1 . 1 . 2 DC发电机的基本工作原理，图1-2 DC发电机的基本工作原理，1 . 1 . 2 DC发电机的基本工作原理，电动机的可逆原理：从上述基本电磁情况来看，DC电动机原则上可以作为发电机或电动机运行，但其输入和输出条件不同。如果用原动机拖动DC电机的电枢，机械能从电机轴输入，没有DC电压加到电刷上，那么DC电动势可以从电刷端引出作为DC电源，输出电能，电机将机械能转化为电能，成为发电机；如果向电刷施加DC电压，并将电能输入电枢，则机械能从电机轴输出，并且生产机械被拖动以将电能转换成机械能，从而成为电机。在电机理论中，同一台电动机既可以用作发电机又可以用作电动机的原理被称为电动机的可逆原理。1.2 DC电机结构和铭牌1.2.1结构，DC电机结构：主要由定子和转子(电枢)组成。定子的作用是产生磁场；转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势。1.2.1结构，图1-4 DC电机横截面示意图。1.定子DC电机定子由主磁极、框架、换向极、端盖和电刷装置组成。(1)主磁极：主要功能是建立主磁场。大多数DC电机的主磁极不是永久磁铁，而是DC电流通过励磁绕组建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。靠近转子一端的主磁极铁芯的扩大部分称为极靴。其功能是减小气隙磁阻，改善主磁极的磁场分布，并使励磁绕组易于固定。(2)换向器：其主要功能是改善换向。它安装在两个相邻的主磁极之间，由换向磁极铁芯和套在铁芯上的换向磁极绕组组成。(3)框架：框架有两个功能，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。框架中用作磁通道的部分称为磁轭。端盖安装在框架的两端。(4)端盖：端盖安装在机座的两端，通过端盖中的轴承支撑转子，将定子和转子连接成一个整体。同时，端盖还保护电机内部。1.2.1结构，1.2.1结构，(5)电刷装置：电刷装置是电枢电路的引出(或引入)装置，由电刷、电刷架、刷杆和连接组成(2)电枢绕组：电枢绕组由一定数量的电枢线圈按照一定规则连接而成。它是DC电机的电路部分，是感应电动势并产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈由圆形或矩形截面的绝缘线缠绕而成，分两层嵌在电枢铁芯槽中。上层和下层以及线圈和电枢铁芯之间应适当绝缘，并用槽楔压紧。(3)换向器：换向器在DC电机中起逆变作用，因此换向器是DC电机的关键部件之一。换向器是通过将多个换向器片排列成一个圆柱体，用云母片使它们绝缘，并用两个V形环夹住两端而形成的。1.2.1结构、1.2.1结构、1.2.1结构、1.2.1结构，电机铭牌标明电机的型号和额定数据，供用户选择和参考使用。当各种电气设备(本章中的DC电机)在规定的工作条件下运行时，额定值是制造商规定的一些值。在额定状态下运行时，能保证所有电气设备长期可靠工作，性能优良。评级也是制造商和用户设计或测试产品的基础。额定值通常标在每个电气设备的铭牌上，因此也称为铭牌值。1.2.2电机铭牌，1。铭牌数据根据国家标准，DC电机额定数据为：1。额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时电机的输出功率，以“w”为尺寸单位。如果大于1kW或1MW，则表示为千瓦或兆瓦。对于DC发电机，PN指发电机在额定负载下电刷的输出功率，等于额定电压和额定电流的乘积。PN=Unin对于DC电机，PN指电机在额定负载下转轴上的机械功率输出，因此效率N也应存在于公式中。Pn=unin(额定效率 n)，1.2.2电机铭牌，2 .额定电压UN指额定状态下电枢出口端的电压，单位为“v”。3.额定电流IN指电机在额定电压和额定功率下的电枢电流值，单位为“A”。4.额定转速nN指额定状态下转子的转速，以r/min为尺寸单位。额定励磁电流If指电动机在额定状态下的励磁电流值。1.2.2电机铭牌，1.2.2电机铭牌，此外，电机铭牌还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。电机轴上的额定转矩输出用TN表示，其大小等于额定机械功率输出除以转子的额定角速度，即TN=PN/N=PN/(2NN/60)=9.55 PN/NN。当电机实际运行时，电机不可能总是在额定运行状态下工作。如果电机在运行过程中的负载小于额定容量，则称之为欠载运行。电机负载超过额定容量，这称为过载运行。长期欠载或过载不好。1.2.2电机铭牌，示例1-1:DC电机额定功率PN=160kW千瓦，额定电压UN=220V伏，额定效率N=90%，额定转速nN=1500r转/分，找出电机额定运行状态下的输入功率、额定电流和额定转矩是多少？1.2.2电机铭牌，解决方案：额定输入功率P1=PN/N=160/0.9=177.8千瓦额定电流in=PN/unN=160 * 103/220 * 0.9=808.1 a额定转矩TN=9.55 PN/nn=9.55 * 160 * 103/1500=1018.7nm，2。国产DC汽车产品型号：汽车产品型号一般用大写印刷体汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。其中，所述汉语拼音字母是根据所述电机的全名选择的具有代表性含义的汉字，并且是从所述字符的拼音字母中获得的，例如，za-112/2-1，其中z-DC电机；a-设计序列号；112-中心高度112 mm2极数；Z2系列铁芯1-1是中小型通用DC电机，包括发电机、电动机和调压发电机。z和ZF系列是大中型DC通用汽车公司。z是DC汽车系列；ZF是一系列DC发电机。ZQ系列是用于电力机车、工矿电力机车和电池供电电车的DC牵引电机。ZH系列是船用DC发动机，用于船上的各种辅助机械。ZU系列是DC龙门刨床电机。1.2.2电机铭牌，1.3 DC电机电枢绕组，1.3.1电枢绕组常用术语，元件(线圈):构成绕组的线圈称为绕组元件，分为单匝和多匝。一个元件由两个元件边缘和端线组成。元件边缘放置在凹槽中，可以切割磁力线，产生感应电动势，称为“有效边缘”。端线放置在凹槽外，不切割磁力线，仅用作连接线。每个组件的一个组件边缘放置在某个凹槽的上层，而另一个组件边缘放置在另一个凹槽的下层。元件的头端：每个元件引出两根导线与换向器片连接，其中一根称为头端，另一根称为末端。每个元件的两个端点分别连接到不同的换向器片，每个换向器片连接到两个不同的线圈端。实际槽：电机电枢上实际开的槽叫做实际槽。实际插槽的数量用q表示。虚拟插槽：即单位插槽(每层中组件边缘的数量等于虚拟插槽的数量)，每个虚拟插槽在上层和下层都有一个组件边缘。虚槽的数量用Q表示。假设插槽中的每一层都有个虚拟插槽。如果实际槽数为q，虚拟槽数为Q，则q = q。极轴：磁极的中心线。几何中性线：指主磁极的北极和南极之间的机械边界。物理中性线：北极和南极磁场为零的分界线称为物理中性线。1.3.1电枢绕组的通用术语，A)部件B)绕组部件在槽C)实槽和虚槽B)1-上侧的放置；2-下边缘；3-终端部分；4头端c) 1槽楔；2-线圈绝缘；3-导体；4-层间绝缘；5槽绝缘；6槽底部绝缘，1.3.1电枢绕组的通用术语，极距：沿电枢表面的两个相邻主极轴之间的距离，表示为(距离)，1.3.1电枢绕组的通用术语，极距位置示意图，绕组节距：绕组节距通常表示为虚槽号或换向器片号，如图1-12所示。(1)第一节距Y1:电枢表面上同一元件的两个有效边相交的距离。(2)第二节距Y2:连接到同一换向器片的两个元件中的第一元件的下边缘和第二元件的上边缘之间的距离。(3)复合节距Y:同一换向器片上两个元件对应边缘之间的距离。(4)换向器节距YK:连接在同一元件头部和端部的换向器片之间的距离。1.3.1电枢绕组的通用术语，1.3.1电枢绕组的通用术语，绕组主要分类：大型分类是环形和鼓形；环形绕组仅用于原电机。现代DC电机都使用鼓形绕组，分为重叠绕组、波形绕组和辙叉绕组。鼓形绕组比环形绕组更容易制造。它还节省了电线。操作更可靠，经济性更好。因此，现在使用鼓形绕组。1.3.1电枢绕组的通用术语，堆叠绕组：指串联连接的两个元件总是与前一个元件的终端部分直接重叠，并且整个绕组向前折叠。波形绕组：是指在由一对极距隔开的同极性磁场下，相应部件的串联，它像波一样向前运动。1.3.1电枢绕组的通用术语，单堆叠绕组：指相邻部件(线圈)的重叠，部件的引出端连接到相邻的换向器片。第一部件的下边缘(虚线)连接到第二部件的上边缘，第二部件放置在与第一部件的上边缘相邻的第二槽中。合成间距和换向间距都是1，即Y=Yk=1。下面是一个例子，说明单个堆叠绕组是如何连接的，以及它们有什么特性。例如：已知DC电机的极数p=2，虚槽数Q，元件数S，换向器片数为K，S=K=Q=16，并试画一个单组绕组展开图。1.3.2单堆叠绕组，解决方案：1。w的计算(3)连接换向器片，对准1和2片之间的部件中心线，然后等分换向器，确定换向器片