电机电器及其控制技术课件

电机电器及其控制技术一、电机的作用与发展简史什么是电机？——电机是以电磁感应现象为基础实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械。——一般分为发电机、电动机和变压器三大类电机的作用控制电机阀门控制火炮控制计算机……驱动各种机械和装备电动机机床水泵……电能的生产、传输和分配发电机变压器……一、电机的作用与发展简史（续）一、电机的作用与发展简史（续）1831年法拉第创造了第一部感应发电机的模型1834年雅可比发明了功率为15W的棒状铁芯电动机1836年达文波特首先尝试用电动机驱动机械1845年惠斯通用电磁铁替代永久磁铁制成第一台电磁铁发电机1866年西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机1870年格拉姆制成了环形电枢自激发电机1878年出现了铁芯开槽法。有槽铁芯和鼓形绕组的结构一直沿用至今1880年爱迪生制造了名为“巨象”的大型直流发电机1885年费拉里斯提出旋转磁场原理，研制出两相异步电动机1888年俄国人制成一台三相交流单鼠笼异步电动机一、电机的作用与发展简史（续）1882年英国人费朗蒂改进了交流发电机，提出了交流高压输电的概念1882年英国人高登制造了大型两相交流发电机1882年法国人高兰德和英国人约翰·吉布斯成功研制了第一台实用变压器1884年英国人霍普金生又发明了具有封闭磁路的变压器1891年布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，使得远距离高压输电成为现实 经过100多年的发展，电机的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、材料科学、计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进入了新的阶段。按电流分类直流电机交流电机按功能分类(1)将机械功率转换为电功率——发电机(2)将电功率转换为机械功率——电动机(3)将电功率转换为另一种形式的电功率，又可分为：

输出和输入有不同的电压——变压器输出与输入有不同的波形，如将交流变为直流——变流机输出与输入有不同的频率——变频机输出与输入有不同的相位——移相机(4)在机电系统中起调节、放大和控制作用的电机——控制电机按运行速度分类(1)静止设备——变压器(2)没有固定的同步速度——直流电机(3)转子速度永远与同步速度有差异——异步电机(4)速度等于同步速度——同步电机(5)速度可以在宽广范围内随意调节——交流换向器电机按功率大小分类大型电机中小型电机微型电机电机的分类二、电机的分类与结构二、电机的分类与结构（续）2、发电机将机械能转变为电能的机械水轮机风力机蒸汽轮机燃气轮机柴油机…直流电机的结构

1定子：用来产生磁场和作为电机的机械支架，主要包括主磁极、换向极、机座和电刷装置。2转子：也称为电枢，用来产生感应电动势和电磁转矩，实现能量的转换。主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等。二、电机的分类与结构（续）2、发电机将机械能转变为电能的机械水轮机风力机蒸汽轮机燃气轮机柴油机…二、电机的分类与结构（续）2、发电机将机械能转变为电能的机械水轮机风力机蒸汽轮机燃气轮机柴油机…定子转子（a）转子定子(b)三相同步电机（磁极对数p=1)定子上嵌放有对称的三相绕组a-x、b-y、c-z对称是指各相绕组的匝数相等，空间位置彼此相距120°设磁场在气隙中按正弦分布设转子以恒定速度旋转定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化，其感应电势按正弦规律变化。由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120°，从而三相电势时间相位差120°——满足了三相电势对称要求。隐极同步电机隐极式转子特点：在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。转子长度/直径=2.5~6.5，且容量愈大比值愈大。凸极同步电机水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。转子：水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。凸极式转子二、电机的分类与结构（续）3、电动机将电能转变为机械能的机械同步电动机异步电动机直流电动机伺服电动机…转子定子铁心机座定子绕组（1）电机的可逆原理：直流电机可作为发电机运行，也可作为电动机运行。（2）换向器的作用是实现电枢线圈内的交流电动势、电流与电刷的直流电压、电流之间的转化。直流电动机直流电机的励磁

直流电机的励磁方式分为永磁体励磁、电机本体励磁（并励、串励和复励）、其他电源励磁三种。实现交流电能与机械能转换的装置被称为交流电动机。交流电机有两大类：异步电动机和同步电动机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系，异步电机则不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。交流电动机三相异步电动机的工作原理三相异步电机的转子结构三相异步电动机圆柱形的转子铁心上，嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环将它们连接成一个整体。三相异步电机转子感应电动势和电流的产生三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内感应电动势，从而形成感应电流。三相异步电机转子产生转矩并形成旋转导条内产生的感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。二、电机的分类与结构（续）3电动机直线电动机永磁直线同步电机工作原理

旋转电机展开为直线电机示意图

平面电动机步进式平面电动机机构示意图步进式平面电动机在x方向上的工作原理二、电机的分类与结构（续）4、变压器将一种电压的电能变换为另一种电压的电能的装置单相变压器三相变压器… 变压器是通过电磁感应原理，通过电磁耦合实现电能传递的一种静止电气设备，主要由铁芯及绕在铁芯上的两个绕组组成。变压器原理图三相组式变压器三相芯式变压器二、电机的分类与结构（续）5、特种电机1）永磁无刷电动机应用：航空、航天家用电器机器人电动汽车电动车组电动舰船…1934年，E.F.W.Alexanderson博士提出用开关器件替代有刷直流电动机的机械电刷的构想；1955年，美国的D.Harrison首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械换向器的专利；1978年，原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC永磁无刷直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入实用阶段。永磁无刷电动机分为两类：

BrushlessDCMotor（BLDCM）和

PermanentMagnetSynchronousMotor

(PMSM)

小结:使用位置传感器及功率电子开关代替传统直流电动机中的电刷和换向器，是一种集永磁电动机、电力电子技术、微机技术和现代控制技术为一体的装置。BLDCM的研究热点:新型无位置传感器检测方法与控制全数字、高性能控制系统应用研究(电动车、智能家电)位置传感器是无刷电机的重要部件，但并非必不可少；无刷直流电机可以通过改变电压调速；通过改变相序转向。复习1、什么是电机？2、电机的主要作用？3、直流电机的基本原理与结构4、异步电动机5、同步发电机 ------隐极式、凸极式6、直流无刷电机二、电机的分类与结构（续）5、特种电机2）直线电机应用：工业机械；轨道交通；电梯；航空母舰飞机发射；导弹发射架；电磁推进潜艇；…海浪直接驱动直线发电机回顾旋转电机的基本工作原理

旋转电机的磁场为旋转磁场，它的旋转速度称为同步转速，用表示，它与电流的频率(Hz)成正比，而与电机的极对数成反比，如下式所示：(rad/min)

(9-1)

如用表示在定子内圆表面上磁场运动的线速度则有：

(m/s)

(9-2)

式中

——极距，m。

图10旋转电机的基本工作原理

1-定子；2-转子；3-磁场方向

图10可以说明旋转磁场对转子的作用。为了简单起见，图中鼠笼转子只画出了两根导条。直线感应电动机的基本工作原理

将图10所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图11所示的直线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后二也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。

显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为，称为同步速度，且图11直线电机的基本工作原理1-初级；2-次级；3-行波磁场(m/s)图10直线电机基本工作原理行波磁场次级初级NSvSSN与旋转电机传动相比，直线电机传动主要具有下列优点：

(1)直线电机由于不需要中间传动机械，因而使整个机械得到简化，提高了精度，减少了振动和噪音；

(2)快速响应：用直线电机驱动时，由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，因而加速和减速时间短，可实现快速启动和正反向运行；

(3)仪表用的直线电机，可以省去电刷和换向器等易损零件，提高可靠性，延长使用寿命；磁悬浮列车中直线电机的应用

高速切削与精密加工

交通运输及传输机械

二、电机的分类与结构（续）5、特种电机3）步进电动机应用：自动控制装置中的执行元件各种步进电动机机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。步进电动机的机理

步进电机内部结构步进电机内部结构步进电机的内部构造

步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC工作方式1吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30

；1C'342CA'BB'AC相通电再转30

工作方式2三相绕组的通电顺序为：

A

AB

B

BC

C

CA

A

共六拍。工作过程：A相通电，转子1、3齿和A相对齐。CA'BB'C'A3412所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA'通电，转子转了15°。（1）BB'

磁场对2、4齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA'

磁场继续对1、3齿有拉力。CA'BB'C'A3412总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15

。CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

。步距角：

步进电机的定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的角度称步距角。♠转子齿数越多，步距角越小♠定子相数越多，步距角越小♠通电方式的节拍越多，步距角越小式中：m

－定子相数

Z

－转子齿数

C

－通电方式

C=1

单相轮流通电、双相轮流通电方式

C=2

单、双相轮流通电方式步进电机的实际结构步进电机的实际结构步进电机展开结构♠

控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移结论♠控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速♠控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动方向

步进电机的驱动控制步进电机的驱动控制功率放大器环形分配器加减速电路脉冲混合电路加减脉冲分配电路进给脉冲至步进电机绕阻1.脉冲混合电路将脉冲进给、手动进给、手动回原点、误差补偿等混合为正向或负向脉冲进给信号2.加减脉冲分配电路将同时存在正向或负向脉冲合成为单一方向的进给脉冲3.加减速电路

将单一方向的进给脉冲调整为符合步进电机加减速特性的脉冲，频率的变化要平稳，加减速具有一定的时间常数。4.环形分配器

将来自加减速电路的一系列进给脉冲转换成控制步进电机定子绕阻通、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。5.功率放大器

将环形分配器输出的mA级电流进行功率放大，一般由前置放大器和功率放大器组成。步进电机的驱动控制总结步进电机必须加驱动才可以运转，驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止。转动的速度和脉冲的频率成正比。步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。二、电机的分类与结构（续）5、特种电机4）超导电机应用：超大型发电机或电动机全电军舰吊舱式推进系统超导直流电动机剖面图二、电机的分类与结构（续）5、特种电机5）超声波压电电动机应用：生物生命科学；光学仪器；高精密机械；…微型超声波压电电动机超声波电动机(UltrasonicMotor，简称为USM)，是利用压电材料的逆压电效应为激励，使定子弹性体在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20kHz以上)，并通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了传统电机需由电磁效应获得转矩和转速的概念。电能→振动能量→机械能量

1948年，W·illiams和Brown申请了历史上第一个“压电马达“的专利，其结构如图1所示。这一发明点燃了研究超声电机的火花。超声电机技术及其起源

1961年，日本Bulova公司利用音叉的往复位移驱动如图2所示的钟表齿轮，这种钟表的工作频率为360Hz，其月误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，也是人类尝试利用弹性振动获得动力的开始。超声电机技术及其起源

1965年，前苏联Lavrinenco提出了如图3所示的超声电机，该电机利用压电板的振动来驱动转子。Lavrinenco申请了国家专利，并归纳出了超声电机具有结构简单、成本低、低速大扭矩、单位体积能量密度大、运动精确、能量转换效率高等特性。超声电机技术及其起源

1973年,IBM公司的Barth提出了如图4所示的具有现代超声电机原理的结构方案。他利用压电元件使一种具有牛角尖形的压电振子产生振动，通过压电振子的牛角尖端与转子表面接触、摩擦来驱使转子转动。超声电机技术及其起源

日本Sashida于1982年提出并制造了如图7所示的驻波型压电超声电机，该电机使用Langevin振子，驱动频率为27.8kHz，电输入功率为90W，机械输出功率为50W，输出扭矩为0.25N·m，输出转速为2000r/min，效率55%。可以说，Sashida研制的这个压电超声电机，在性能上是第一次能够满足实际使用的要求。由于该电机的振动片与转子的接触是固定在一个位置上，接触表面上存在着严重的磨损问题。超声电机技术及其起源为了解决接触表面上存在着严重的磨损问题，Sashida又于1983年提出并制造了另一台超声电机——行波型超声电机，并于1985年在美国申请了行波型超声电机的专利，其原理如图8所示。该电机实现了由驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦磨损。这种电机的研究成功，为压电超声电机走向实用阶段开辟了道路。超声电机技术及其起源超声波电机结构图逆压电效应简介压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移。这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。

超声电机工作原理超声波电机利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动,把电能转换为弹性体的超声波振动，并把这种振动通过摩擦传动的方式驱使运动体回转或直线运动。超声波电机没有磁极和绕组，它一般由振动体和移动体组成，为了减少振动体和移动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者间加一层摩擦材料。当在振动体的压电陶瓷(PZT)上施加20KHz以上超声波频率的交流电压时，逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫的超声波振动，使振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率的微观振动（振幅一般为数微米），如椭圆、李萨如轨迹等，该微观振动通过振动体和移动体之间的摩擦作用使移动体沿某一方向做连续宏观运动。因此，超声波电机是将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。超声电机工作原理

椭圆运动及其作用

超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。当振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。右图所示当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点（质点）A做周期运动，轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触，并通过摩擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去，则对转子具有连续的定向拨动作用，从而使转子连续不断地旋转。超声电机工作原理椭圆运动及其作用相位差ψ的取值就决定了椭圆运动的旋转方向。当ψ>O时，椭圆运动为顺时针方向，当ψ<O时，椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，因此也就决定了超声波电动机的转子转向。超声电机工作原理超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elasticbody)和压电陶瓷(Piezoelectricceramic)构成转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为90

电角度的高频电压时，在弹性体内产生两组驻波(StandingWave)，这两组驻波合成一个沿定子弹性体圆周方向行进的行波(ProgressiveWave/TravellingWave)，使得定子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。

(1)结构简单、紧凑。(2)无需齿轮减速机构，可实现直接驱动(3)动作响应快(毫秒级)，控制性能好。(4)不产生磁场，也不受外界磁场干扰。(5)运行噪声小。(6)摩擦损耗大，效率低，只有10％—40％。(7)输出功率小，目前实际应用的只有10W左右。（b）柱体行波型电机（a）环形行波型电机九十年代中期，佳能公司又研制了一种直径8mm、长24mm的柱体行波型超声波电机用于照相机的调焦，如图(b)所示。佳能公司生产的用于照相机的超声波电机用于太空机器人的环形行波型超声波电机

太空机器人在收集小岩石（左）和安放科学仪器（右）

Tiny,Ultrasonic,PiezoelectricMotorsPennStateUniversity，USA清华大学研制的微型超声电机（2001）三、电机的应用领域1、电力工业1）汽轮发电机应用：火力发电厂；核电厂；汽轮发电机正在安装转子三、电机的应用领域（续）1、电力工业2）水轮发电机应用：水力发电厂世界上最大的水轮发电机在三峡电站安装三、电机的应用领域（续）1、电力工业3）风力发电机应用：风力发电厂永磁外转子大型风力发电机永磁外转子定子电机转速与功率绕组、励磁绕组电流频率和电机转子极数之间的关系为:特点：变频器所需容量相对较小，可降低发电成本，提高可靠性。可以通过调节励磁，在转速变化的情况下保证输出电能的质量。功率输出侧直接接入电网，电能质量得以保证。励磁侧能量能够双向流动，方便调节有功功率和无功功率。三、电机的应用领域（续）2、工业生产部门与建筑业应用：机床；轧钢机；鼓风机；水泵；起重机；传送带；生产线；…电梯用永磁曳引电动机三、电机的应用领域（续）3、交通运输业1）电力机车与城市轨道交通电气化铁路；地铁；无轨电车；…电力机车直流牵引电动机三、电机的应用领域（续）3、交通运输业2）机车电传动内燃机车：直流—直流；交流—直流；交流—直流—交流；…燃油箱柴油机发电机励磁机牵引电动机整流柜电传动内燃机车动力关系示意图106CRH2牵引传动系统主电路

牵引逆变器输出电压0~2300V，频率0～220Hz可控的三相交流电供给异步牵引电动机。牵引电机为4极三相鼠笼式异步电机，采用架悬、强迫风冷方式，通过弹性齿型联轴节连接传动齿轮。

三、电机的应用领域（续）3、交通运输业3）船舶内燃机—电力推进：舰船内燃机—电力推进感应电动机三、电机的应用领域（续）3、交通运输业4）汽车座椅滑动控制电机座椅升降电机座椅角度调整电机空气靠垫泵电动按摩坐垫天窗控制电机自动窗电机(4)散热器风扇电机油冷却扇电机空调热风电机阻流片控制电机起动电机后灯雨刷(2)碰撞缓冲器控制电机自动门锁电机自动伸缩天线电机燃油泵时钟步进电机录音机电机DVD电机里程表步进电机前雨刷电机(2)风挡清洁泵(2)前灯雨刷(2)空气净化器后部空调自动空调执行器真空泵热量回收泵自动水平校正器自动调速泵油门控制电机后视镜电机(2)后雨刷电机(2)减震直线电机(4)三、电机的应用领域（续）3、交通运输业5）电动车纯电动车；混合动力车；无轨电车；有轨电车；电瓶车；电动自行车；…串联式混合电动车并联式混合电动车混合动力电动汽车电动汽车

分类纯电动汽车燃料电池电动汽车串联式混合动力电动汽车★并联式混合动力电动汽车★混联式混合动力电动汽车铅酸电池型镍镉电池型

镍氢电池型锂离子电池型

维护型

（现小巴车辆使用）免维护型

碱性燃料电池（AFC）质子交换膜燃料电（PEMFC）磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸燃料电池（MCFC）固志氧燃料电池（SOFC）

电动汽车分类电动汽车基本概念混合动力电动汽车是指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车：——可消耗的燃料；——可再充电能/能量储存装置。纯电动汽车是由电动机驱动的汽车,电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量存储装置。燃料电池汽车是以燃料电池作为动力源的汽车。三、电机的应用领域（续）3、交通运输业5）电动车纯电动车；混合动力车；无轨电车；有轨电车；电瓶车；电动自行车；…三、电机的应用领域（续）3、交通运输业6）磁悬浮列车驱动

图2-25三、电机的应用领域（续）3、交通运输业7）直线电动机轮轨车辆

三、电机的应用领域（续）4、医疗、办公设备与家用电器医疗器械心电机X光机CT牙科手术工具渗析机呼吸机电动轮椅…办公设备DVD驱动器CD-ROM打印机传真机…家用电器电冰箱洗衣机电风扇空调器抽油烟机…三、电机的应用领域（续）5、航空、航天、国防飞轮储能系统电能变换装置直线电机发射器控制装置定子转子控制台三、电机的应用领域（续）6、其它演出设备运动训练设备游乐设备电动玩具…四、电动机的选用与运行控制1、电动机的选用

种类：交流电机：三相电机、单相电机直流电机功率：

电动机的功率是由生产机械所需的功率确定的。四、电动机的选用与运行控制（续）2、电动机的运行控制

电动机的启动鼠笼异步电动机：直接启动、降压启动、软启动。直流电机：直接启动、串联电阻启动、软启动。同步电动机：同步电动机本身没有启动转矩，启动时采用异步启动法，当启动到接近同步转速时再投入励磁，牵入同步运行。电动机的调速直流调速交流调速电动机的制动能耗制动反接制动回馈制动直流电动机的调速调速的方法调压调速调电枢电阻调速调励磁电流调速电枢控制磁场控制UEa,IaI+-UfIf+-Ia=I电枢：Armature磁场：Field感应电机：感应电动机的调速方法变极调速变频调速变转差调速对比直流电机：+··+A1X1X2A2感应电动机的变极调速NNSS+·+·A1X1X2A2NS4极2极双速电机每相有两套绕组，改变其中一套绕组的接线，就可以改变定子磁场的极对数。笼型转子极对数自动随之变化。变频器的基本构成控制电路DC直流环节整流器AC50Hz逆变器ACf电动机常用的变频器：PWM变频器。s=f(U1,R1,X1σ,R’2,X’2σ

）改变端电压调速定子绕组串联电阻器或电抗器调速转子绕组串联电阻器或电抗器调速双馈电机调速变转差调速复习1、直线电机2、步进电机3、超声波电机4、直流电机/异步电动机的启动方式5、直流电机的调速方法6、异步电动机的调速方法感应电动机几种调速方法的对比调速方法主要优点主要缺点变极调速调速成本低有级调速运行性能稍差变频调速无极调速运行性能好调速成本高变R2调速调速成本低操作简单损耗大调速范围小双馈电机调速范围大，性能好，无极调速，节能调速成本高控制复杂四、电动机的选用与运行控制（续）2、电动机的运行控制

电动机的启动鼠笼异步电动机：直接启动、降压启动、软启动。直流电机：直接启动、串联电阻启动、软启动。同步电动机：同步电动机本身没有启动转矩，启动时采用异步启动法，当启动到接近同步转速时再投入励磁，牵入同步运行。电动机的调速直流调速交流调速电动机的制动能耗制动反接制动回馈制动5、电机学研究的内容电机学是电气工程及其自动化本科专业的专业基础课。通过本课程的学习，能够使学生掌握各种电机的结构、电磁关系、基础理论知识、基本运行特性和一般分析方法的训练，为学习后续的专业课程和将来从事专业工作打下良好基础。电机运行原理基于电磁感应定律和电磁力定律。类型有：变压器、直流电机、同步电机、异步电机。电机学分别研究上述电机的以下主要内容：物理模型、数学模型、实际运行、实验测试。电机学分别研究上述电机的以下主要内容：物理模型数学模型实际运行：实验测试电机运行时，内部存在多种损耗，如电流在导体内产生的绕组损耗、铁心中磁场交变引起的铁心损耗、通风和机械摩擦引起的机械损耗等。这些损耗都转变为热量，向周围介质传播，使电机各部件的温度升高，当温度超过绝缘允许的温度时，将导致绝缘乃至电机的损坏。要将电机各部件的温度控制在允许范围内，一方面要降低损耗，减少电机的发热量，另一方面要提高电机的冷却散热能力。电机的发热与冷却在冷却介质方面，首先被采用的是空气，后来采用氢、水和油等。在冷却方式方面，从表面冷却（外冷）发展到冷却效果较好的内部冷却（内冷）。表面冷却方式：在电机中，冷却介质通过绕组、铁心和机壳的表面，将热量带走，称为表面冷却。表面冷却主要采用空气做冷却介质，具有结构简单、成本低的特点，但冷却效果较差，在高速电机中产生的摩擦损耗较大，主要用于中小型电机中。表面冷却按结构可分为自冷、内部风扇自冷、外部风扇自冷电机的发热与冷却大型同步发电机电压较高，绕组采用较厚的绝缘层，而绝缘材料的导热性能较差，若采用表面冷却方式，即使绝缘外表面得到很好的冷却，绝缘内层的温度仍可能超过绝缘的允许工作温度。所谓内部冷却，就是采用空心导体将冷却介质通入导体内部直接带走热量的冷却方式。采用内部冷却，导体的热量不再经过绝缘层，而是直接被冷却介质带走，大大提高了冷却效果，改善了绝缘材料的工作条件。根据冷却介质的不同，内部冷却方式又分为氢内冷、水内冷和空气内冷。电机的发热与冷却——内部冷却方式氢内冷----冷却介质为氢气。转子绕组采用氢内冷时，绕组和槽楔上有与槽底通风槽相通的小孔，氢气可自槽底通风槽进入，冷却转子后再由小孔轴向流入空气隙；也可在转子导体上铣出两排斜向相反的扁条状斜孔，所有铜线叠在一起就形成两排不同方向的倾斜风道，氢气自槽楔上正对气流方向的风斗进入风道，冷却导体后，由槽楔上背向气流方向的风斗排出。空气内冷----冷却介质为空气。冷却结构与氢内冷相同。氢冷发电机组启动复杂，对运行操作人员要求高空气冷却汽轮发电机系统简单，没有充氢、排氢和氢油密封这些复杂结构，运行维修操作简单，没有氢气爆炸的危险。其缺点是定子绕组温度高，铜铁温差大，电机效率较氢冷低，转子铜线内易积灰，发电机有效部分尺寸大。电机的发热与冷却——内部冷却方式水内冷----冷却介质为水。绕组采用管式导线，冷却水沿导线内孔流动，直接将导体的热量带走。水内冷冷却方式对冷却水有一定要求。在火电厂中，汽轮机的凝结水水质较好，一般用它作冷却水。采用水冷时，有易漏水和需增加一套供水系统等缺点。蒸发冷却----空心定子线棒内的冷却介质吸取线棒热量而温度升高，达到饱和温度时部分介质沸腾汽化，空心线棒内的介质变成汽液混合态的两相介质，其密度小于回液管内纯液态介质的密度，由此密度差形成的流动压头克服阻力后形成无动力自循环，介质进入压力最低的冷凝器，与冷却水进行热交换后恢复为液态介质，重新循环。实际运行：实验测试电机的额定参数-----以三相异步电机为例电机的额定参数-----以三相异步电机为例电机的额定参数-----以三相异步电机为例电机的额定参数-----以三相异步电机为例不对称问题暂态问题电机的一些特殊问题不对称的三相负载不对称的三相电流不对称的三相绕组不对称的三相电压、电动势、磁通、磁动势……不对称的概念在实际问题中，“对称”是相对的、理想化的，“不对称”是绝对的，普遍存在的。不对称的概念对称系统对称分量法不对称系统正序系统负序系统零序系统分解不对称系统合成对称分量法的应用

——椭圆形旋转磁动势OxyF-ω-F+ω+ωF暂态是相对于稳态而言的。稳态、稳定、恒定状态……物理量不随时间发生变化。暂态、瞬态、过渡状态……物理量要随时间发生变化。从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态稳态是相对的，暂态是绝对的。暂态时间虽短，但电磁关系复杂，其分析需要用到较多的数学公式。暂态的概念变压器空载合闸变压器突然短路直流电动机起动、调速、制动感应电动机起动、调速、制动同步发电机突然短路电机暂态现象举例变压器空载合闸变压器突然短路非周期分量周期分量突然短路电流电机国内外研究现状、发展趋势

1、大容量、超高速和超低速电机设计理论基础2、基于新型材料的能量转换装置新理论和新技术3、新型交流调速系统4、多功能集成电机系统5、电机系统控制的新理论和新技术6、电器的发展历史电器特指用于对电路进行接通、分断，对电路参数进行变换，以实现对电路和用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等动作的电工装置、设备和组件。电器从人类正式使用电能就开始使用。随着电工新材料、电工制造新技术、新工艺的发展，各类电器得到飞速发展。总体趋势是容量增大，传输电压高，自动化程度高。开关电器的发展为例：刀开关；熔断器；高压断路器。7、电器的分类电器按功能可分为：

用于接通和分断电路的电器

如：刀开关、接触器、负荷开关、隔离开关、断路器等

用于控制电路的电器如：电磁启动器、星-三角启动器、变阻器、控制继电器等用于切换电路的电器如：转换开关、主令电器等用于检测电路的电器

如互感器、传感器等用于保护电路的电器

如熔断器、断路器、限流电抗器、避雷器等电器按工作电压可分为：

高压电器

低压电器8、高压电器高压开关设备：

包括：断路器、隔离开关、重合器、分段器、接触器、熔断器、负荷开关和接地开关等隔离开关真空负荷开关-熔断器组合电器高压真空断路器8、高压电器（续）高压开关设备：

包括：断路器、隔离开关、重合器、分段器、接触器、熔断器、负荷开关和接地开关等户外多油断路器220kVSF6瓷柱式户外高压断路器断路器（Circuit-breaker）：电力网正常工作和发生故障时关合和开断电路，具有灭弧装置。隔离开关（Disconnector）：将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。熔断器（Fuse）：电路发生故障或短路时,依靠熔件的熔断来开断电路。8、高压电器（续）互感器：

是电力系统中供测量和保护用的设备，包括：电流互感器、电压互感器两大类。电流互感器电压互感器互感器

互感器是利用变压器的电磁感应原理，将大电量信号变换为小电量信号以方便测量的一种设备，可分为电流互感器和电压互感器。

（一）电流互感器（TA）

1、工作原理

电流互感器工作原理图2、使用注意事项（1）电流互感器二次侧绕组绝对不允许开路。（2）电流互感器的二次侧绕组和外壳必须可靠接地，以防止因绝缘击穿而危害人身安全。（二）电压互感器(TV)

电压互感器按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。

1、电磁式电压互感器（1）工作原理

电压互感器工作原理图

（2）电磁式电压互感器使用时的注意事项：

1）电压互感器的二次侧绕组绝对不允许短路。

2）电压互感器的二次侧绕组和铁芯必须可靠接地。

3）电压互感器的二次侧负载不易接太多，以免降低负载阻抗，影响测量准确性。2、电容式电压互感器（CVT）

电容式电压互感器

电容式电压互感器理想情况下输出电压U2L的计算公式：其中，k1=c1/(c1+c2);k2为中间变压器的变换比。电容式电压互感器具有结构简单、体积小、成本低等优点，可用于110-500kV中性点直接接地系统中的电压测量。其缺点主要是输出容量较小，误差较大。8、高压电器（续）避雷器：

避雷器实质上是一种放电器，可优先于被保护电器放电动作，限制由线路传来的雷电冲击电压和操作过电压，完成保护后迅速恢复原来对地绝缘的状态，准备下次保护动作，同时使系统恢复正常工作状态。目前常用的有：碳化硅阀型避雷器、金属氧化锌避雷器等。硅橡胶绝缘金属氧化锌避雷器用于变压器保护的避雷器及放电间隙9、低压电器低压电器通常指交流1000V、直流1500V及以下配电和控制系统中的电器设备。它是对电能的产生、输送、分配起着开关、控制、保护、调节、检测及显示等作用。如继电器、接触器转换开关等。各种接触器和继电器各种低压转换开关按用途分类：控制电器：用于各种控制电路和控制系统。配电电器：用于电能输送和分配。执行电器：用于完成某种动作或传送某种能。可通信低压电器：用于计算机接口和通信口。

中间继电器中间继电器热继电器热继电器

空气囊时间继电器空气囊时间继电器电子式时间继电器

JSS1P1--时间继电器DH11S-S--时间继电器

电磁机构（检测部分）低压电器的基本结构

触头系统（执行部分）

一、电磁机构

电磁线圈

电磁机构铁心衔铁

电磁线圈

电磁机构铁心衔铁二、触头系统（一）触头的接触形式

触头的作用：触头是电磁式电器的执行元件，起接通和分断电路的作用。点接触线接触面接触（二）触头的种类主触头：用于接通和断开主电路，允许通过较大电流。辅助触头：用于接通和断开控制电路，允许通过较小电流。按触头控制的电路分：按触头原始状态分：常开触头：电磁线圈未通电时，断开的触头。常闭触头：电磁线圈未通电时，闭合的触头。三、电弧的产生和常用的灭弧方法（一）电弧的产生

当触头分断电路时，若触头间的电压达10V～20V、电流达0.25～1A，触头间隙就会产生电弧。电弧会使触头烧蚀，并使电路切断时间延长，甚至不能断开，造成事故，为此，必须采取灭弧措施，加速并可靠的熄灭电弧。（二）电弧的危害：开关电器在分断电路时产生的电弧，一方面使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面会烧损触点，缩短电器的使用寿命。灭弧措施主要有以下几种：(1)拉长电弧：依靠触点的分开，机械地拉长电弧，如图（a）、（b）所示。(2)磁吹灭弧：利用导电回路或特制线圈的电流在弧区产生磁场，使电弧受力迅速移动并拉长电弧（磁吹灭弧），如图（a）、（b）、（c）、（d）所示。(3)分隔电弧：将电弧分隔成许多串联的短弧，如图（c）、（f）所示。(4)冷却电弧：依靠磁场作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加快电弧的冷却，如图（e）、（g）所示。三刀开关的手动控制电路及过载保护手动控制控制按钮常开(动合)按钮电路符号SB常闭(动断)按钮电路符号SB复合按钮电路符号SB1.目的:用于接通或断开辅助电路，靠手动操作。2.结构：

1—常闭触点或动断触点2—常开触点或动合触点触点1触点2上一页返回下一节下一页上一节图按钮紧急按钮自锁按钮用指示灯表示其工作状态3.作用:起停自动控制起停自动控制行程开关(ST)

——也称限位开关用作电路的限位保护、行程控制、自动切换等。

动作原理:运动部件撞击产生动作。符号：动断触点：动合触点：ST行程控制结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。主电路：一台电机正反转。向右工作台撞块向右（电机正转）ABSTA1STA2STB1STB2例:工作台前进、后退往复运动。1.作用:

接通或断开电路的，利用电磁吸力的作用而动作的。2.结构:按状态分按用途分动合触点动断触点主触点辅助触点图交流接触器交流接触器(KM)线圈铁芯衔铁主触头弹簧辅助触头M3~电机接触器动作过程线圈通电衔铁被吸合触头闭合电机接通电源~380~~M3~接触器动作过程线圈通电衔铁被吸合触头闭合电机接通电源

~220~380~~接触器有关符号：接触器线圈接触器主触头－－用于主电路（流过的电流大，需加灭弧装置）常开常闭接触器辅助触头－－用于控制电路（流过的电流小，无需加灭弧装置）接触器控制对象：电动机及其它电力负载接触器技术指标：额定工作电压、电流、触点数目等。简单的接触器控制ABCM3~刀闸起隔离作用自保持停止按钮起动按钮特点：小电流控制大电流。继电器中间继电器电压继电器电流继电器时间继电器（具有延时功能）热继电器（做过载保护）…...继电器类型：电流继电器

根据线圈中电流大小而动作的继电器称为电流继电器。其线圈与被测电路串联，反映电路电流的变化。其线圈匝数少，导线粗，阻抗小。{欠电流继电器过电流继电器I>IdI<Id直流电动机磁场控制及失磁保护。电动机过载及短路保护动作用途用途动作欠电压（或零压）继电器在电压低于规定值时动作，对电路进行欠电压（或零压）保护。电压为1.1倍额定电压以上时动作，以对电路进行过电压保护电压继电器：根据线圈两端电压大小而动作的继电器。{欠电压继电器过电压继电器U>UdU<Ud图

电压继电器的符号发热元件功能：过载保护热继电器结构：I常闭触头双金属片扣板发热元件FR动断触点FR热继电器的符号发热元件串联在主电路中串联在控制电路中常闭触头FRFR1.作用:用于辅助电路,弥补触点的不足。2.工作原理:与交流接触器相同。上一页返回下一节上一节中间继电器中间继电器本质上是电压继电器，它是用来远距离传输或转换控制信号的中间元件。输入线圈通电断电输出接通断开触点用途：增加控制信号的数目因为触头的额定电流大于线圈的额定电流，故还可用来放大信号。图

中间继电器的图形符号

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