电机与拖动第0章绪论

1、信息与工程学院电气工程系信息与工程学院电气工程系蔡春伟蔡春伟宋健宋健1 1号楼南号楼南317 317 电机与拖动一、电机的作用一、电机的作用 能源系统的关键设备能源系统的关键设备 各领域中有特殊要求的动力装置各领域中有特殊要求的动力装置电能电能电机电机 发电机发电机-输电输电-用电用电1.1.发电环节发电环节各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机 国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机20kV/500kV(220kV) 20kV/500k

2、V(220kV) 为了把发电厂发出的电力输送到四面八方为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的的用户，需要将发电机输出的 20 kV 左右的电左右的电压升高。在我国，一般升高到压升高。在我国，一般升高到220kV或或500kV。为了输送一定大小的功率、采用高电压。为了输送一定大小的功率、采用高电压。500kV(220kV)/110kV500kV(220kV)/110kV110kV/35kV110kV/35kV35kV/10kV35kV/10kV10kV/380V10kV/380V连接发电机与电网的升压变压器连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的连接发电机的封闭母线封闭母

3、线 与电网相连与电网相连的高压出线端的高压出线端3.3.用电环节用电环节电动机电动机1 1）各行业广泛使用电动机）各行业广泛使用电动机2 2）在高新技术领域的新应用）在高新技术领域的新应用 信息技术（雷达驱动）信息技术（雷达驱动） 航天航空航海（超声波马达，数码航天航空航海（超声波马达，数码相机调焦）相机调焦） 生物医学工程（多种医疗设备生物医学工程（多种医疗设备, ,人工心脏）人工心脏）二、电机发展历程及当前状况二、电机发展历程及当前状况 1837 1837年年 直流电机直流电机 18871887年年 异步电动机异步电动机 18891889年年 三相系统三相系统1.1.历程历程 至今保留在美

4、国麻省理工学院 的由爱迪生发明的一种直流电动机 2. 2.我国目前实际应用情况我国目前实际应用情况 汽发：消化引进，设计汽发：消化引进，设计600MW600MW 700MW700MW水发水发, , 三峡电站三峡电站 500kV500kV输电线路以及相应的变压器输电线路以及相应的变压器 500kV500kV直流输电，西电东送运行中直流输电，西电东送运行中 400MW400MW燃气轮机联合循环机组燃气轮机联合循环机组 引进建设引进建设 600MW600MW核电机组核电机组 各种电动汽车各种电动汽车3.3.当前研究、开发与创新当前研究、开发与创新国内外与电机相关的研究领域国内外与电机相关的研究领域

5、精确模型研究精确模型研究 新能源技术（风力发电，波浪发电，核电）新能源技术（风力发电，波浪发电，核电） 机电一体化机电一体化( (电机、电力电子与微电子结合电机、电力电子与微电子结合) ) 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）特殊新用途（电磁发射，纳米电机） 精确模型研究 300MW 汽轮发电机fNfII，NUU 的电抗值 新能源技术新能源技术风力发电风力发电山东省风能资源总含量为6700万千瓦，相当于368个三峡水电站（1820万千瓦）的装机容量 光伏发电光伏发电-微逆变器微逆变器波浪发电 波浪能电站外景波浪能电站外景 波浪能电站内景波浪能电站内景 新能源技术潮汐发电潮汐发电秦山核电站汽轮机厂房

6、秦山核电站汽轮机厂房核能电厂 机电一体化机电一体化 如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动如果用正在发展的新型永磁无刷直流电动机代替普通电动机机代替普通电动机, ,效果如下：效果如下：电冰箱：电冰箱：10001000万台万台/ /年，电量少年，电量少15%15%洗衣机：洗衣机：11001100万台，噪音降低万台，噪音降低1010分贝，节分贝，节 省电能省电能50%50%，节水，节水20%20%http:/ 特殊新用途（电磁发射，纳米电机）特殊新用途（电磁发射，纳米电机） 电磁发射技术电磁发射技术 （发射导弹）（发射导弹）超微电机与微型机器人技术超微电机与微型机器人技术人工心脏技术人工心脏技术 电

7、磁推进电磁推进电磁发射吨位最大全电推进战舰通用电气能源管理公司的电力转换业务部已交付八台推进电机 .每艘长为280米，排水量65000吨 微型机器人下面是几个实例：下面是几个实例： 航天超声波电机航天超声波电机 高速发电的发电机高速发电的发电机 人工肌肉直线电机人工肌肉直线电机 超导电机超导电机 电动机故障诊断电动机故障诊断 舰船驱动用电动机舰船驱动用电动机 智能型电力电子变压器智能型电力电子变压器采用电路和磁路理论的宏观分析方法 采用电磁场理论的微观分析方法 0.2 电机学与电力拖动技术的一般分析方法分析电机和拖动系统的一般步骤 各类电机的基本运行原理和结构 根据结构的具体特点，分析各类电机

8、内部的电磁关系 根据内部的电磁关系，写出电磁过程的数学描述即数学模型，包括：基本方程式、等效电路和相量图 利用上述数学模型分析计算各类电机的运行特性和性能指标。运行特性主要是反映电动机机械量输出之间关系的机械特性和发电机输出电能质量的的外特性；根据机械特性和负载的转矩特性讨论各类拖动系统的稳定性、起、制动特性、各种调速方案等0.3 课程的性质与任务电机学+电力拖动基础专业基础课各种类型的电机基本运行原理、结构、内部电磁关系及其数学描述、机械特性及外特性的分析与计算 各类电机拖动不同负载的起、制动与调速性能等 课程任务课程性质课程组成0.4 本课程的学习方法以物理概念为主、工程计算为辅 重点应掌

9、握各类电动机的机械特性以及其与生产机械配合时的起、制动方法与调速方案.实验和仿真并重理论联系实际 0.5 以下课程的基础电力电子技术 电力拖动自动控制系统主要内容：直流电机主要内容：直流电机 直流电机拖动直流电机拖动 变压器变压器 异步电机异步电机 三相异步电动机拖动三相异步电动机拖动 三相同步电机三相同步电机 微特电机微特电机 本学期第1章 电磁学的基本知识与基本定律第1章 预备知识-电磁学的基本知识与基本定律本章内容:电磁学的基本知识与基本定律；常用磁性材料（铁磁材料与永磁材料）及其特性。1.1 电路的基本定律 基尔霍夫电流定律(KCL)基尔霍夫电压定律（KVL）1.2 磁场的基本知识磁通

10、密度磁通密度（简称磁密磁密）或磁感应度)B 图1.1 磁力线与电流之间的右螺旋关系磁通量磁通量SdSB(1-1)若对于均匀磁场，若若对于均匀磁场，若B与与S垂直，则垂直，则 BS磁场强度磁场强度H HB(1-2)磁势：磁势： NiF N磁链：磁链：反映了磁性材料的导磁能力反映了磁性材料的导磁能力1.3 基本电磁定律电生磁的基本定律电生磁的基本定律安培环路定律安培环路定律 磁生电的基本定律磁生电的基本定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 电磁力定律电磁力定律磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律NiHL 1.3.1 电生磁的基本定律电生磁的基本定律安培环路定律安培环路定律 NiidkLlH(1-3)若

11、闭合磁力线上 处处相等,则上式变为: H图1-2 安培环路定律H HL L1i2i3idl下页下页1.3.2 磁生电的基本定律磁生电的基本定律法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律0ddtA点为高位，点为高位，X点为低位点为低位 0ddtX点为高电位，点为高电位，A点为低电位点为低电位 而规定的而规定的 的正方向与实际方向相反。的正方向与实际方向相反。10e 根据楞次定律1e而规定的而规定的 的正方向与实际方向相同。的正方向与实际方向相同。1e10e ddeNdtdt (1-4)当磁通按正弦规律变化时，即当磁通按正弦规律变化时，即: sinmt 则上式变为则上式变为: )90sin(2)90si

12、n(2)(00tEtfNtem若取若取 0mm 为参考相量，则：为参考相量，则： mfNjE44. 4(1-5)变压器电势：变压器电势：Blve (1-6)图1.4 感应电势与磁场、导体运动速度之间的右手定则速度电势：emfBil(1-7)1.3.3 1.3.3 电磁力定律电磁力定律1.3.4磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律图1-3 无分支铁心磁路 A)无分支铁心磁路A AN Ni i下页下页B) 模拟电路图mRF F下页下页对于均匀磁路：对于均匀磁路：FNiHl式中，式中， SlRm定义为磁路的磁阻。定义为磁路的磁阻。mmR1又称为磁导。又称为磁导。 1.3.4 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律由于

13、式由于式(1-8)与电路的欧姆定律相似与电路的欧姆定律相似,故又称为磁路的欧姆定律。故又称为磁路的欧姆定律。(1-8)iL根据和式（1-8）得：NlSNNLm22上式给出了电感与结构参数以及磁性材料之间的关系式。1.3.5 线圈电感线圈电感mmBllRS 1.4 1.4 常用磁性材料及其特性常用磁性材料及其特性1.4.1 铁磁材料的磁化及磁滞回线铁磁材料的磁化及磁滞回线图1-6 磁畴(A)未磁化 (B)磁化下页下页外加磁场H 1.4.2 磁化曲线与饱和现象磁化曲线与饱和现象图1.12 铁磁材料与非铁磁材料的磁化曲线1.4.3 软磁材料与硬磁材料软磁材料与硬磁材料图1.13 铁磁材料的磁滞回线B BH H图1-7 铁磁材料的起始磁化曲线a ab bc cd d)(HfB)(HfFeHB0下页下页 图1-8 铁磁材料的磁滞回线H HB Ba ab bc cd de ef fcHmBmBmHmHrB下页下页 图图1-111-11a a）软磁材料的磁滞曲线）软磁材料的磁滞曲线B B下页下页A)A)软磁材料软磁材料H H 图图b b）硬磁材料的磁滞曲线）硬磁材料的磁滞曲线下页下页B BH HB)B)硬磁材料硬磁材料 1.4.4 铁磁材料中的铁耗铁磁材料中的铁耗磁滞损耗磁滞损耗: VfBCHdBfKpmhhh2(1-9)222eempC f BV涡流损耗