中国石油大学电机与拖动基础全部课件.ppt

1、电机与拖动基础,电 气 工 程 系,张 磊,1,课程介绍：专业基础课 电力电子技术 直流电机调速 电路（磁路） 电机拖动 交流电机调速 电力系统 考试：平时（实验、作业、课堂） 期末 答疑：初步为周六课后答疑 办公室：基础实验楼B座-216 电话2,参考教材：,电机及拖动基础林瑞光 浙江大学出版社 电机与拖动基础顾绳谷 机械工业出版社 电机学 汤蕴璆 机械工业出版社 电机学 许实章 机械工业出版社,3,学习电机与拖动基础对本学科的意义,第一门专业基础课，发电机、电动机、变压器我们都要学习 是电机调速的基础 是电力系统相关学科的基础,4,学习这门课程的方法,重视原理，重

2、视理解，不必过于重视计算。 物理量的关系曲线、相量图、等效电路+重要的公式。 温故而知新 联系实际 善于利用仿真软件：Matlab、Maxwell 多看看维基百科的知识,5,库仑定律 （法）,安培定律 （法）,法拉第（英） 电磁感应定律,高斯定律 （法）,电磁学四大定律,麦克斯韦 （英）,6,绪论,1、电机的应用 2、电机的主要类型 3、基本电磁定律 4、铁磁材料的性能,7,轧钢机,数控机床,石化工业,1）一般工业,电机拖动技术的应用,8,2）交通运输,电机拖动技术的应用,9,3）电力系统,三峡工程水力发电机,火力发电机,电机拖动技术的应用,10,4）家用电器,电机拖动技术的应用,11,5）其

3、他,计算机,航天技术,新型能源,电机拖动技术的应用,12,电机拖动在油田的应用,采油设备 注水泵站 钻机,13,14,0-1.1 电机的主要类型,电机,15,0-1.2 电机的发展史简介,1821，法拉第（Faraday）发现了载流导体在磁场中受力的现象，也就是电动机的作用原理，并首次用模型表演了这种电能转换为机械能的过程。这就是最早的直流电机，当时是用电池供电的。 1831年，法拉第发现了电磁感应定律，第二年，皮克西（Pixii）制成一台直流发电机的原型机。第三年，楞次（Lenz）证明了电机的可逆原理。 1866年，西门子兄弟（W放元件;元件接到换向片;放主磁极,放电刷;,思考1：观察一下电

4、刷的位置，这个位置是最佳的吗？为什么？（以电动机为例说明）,电刷应放在被其所短路的元件电动势为零的位置，使其中心线与磁极中心线重合。,思考2:有多少条并联支路？,121,放错了电刷使得电机输出电磁转矩降低，甚至转不起来。使电机发热，可能烧坏电机。？,122,123,电刷放在几何中性线上，并不代表电刷的实际位置，而是指被电刷短路的元件的两个有效边处于几何中性线。,124,单迭绕组的并联支路数等于极数，并联支路对数等于极对数：a=p 。除了被电刷短路的元件，各元件的电流均相等,电机出线端的电流Ia与每个元件中的电流ia之间的关系为： Ia=2aia,思考：2a条支路，有没有可能不并联？,没有可能，

5、假设A1与A2不并联，则A1-B2支路与A2-B1两条支路串起来，有什么后果？,125,B2-A2这一支路被短路，剩下的一条支路电流较大。,126,单波绕组并联支路对数a为1，适用于高压小电流电机,例2：某直流电机，极对数为p，电枢回路总导体数为N，每个元件有n匝，单叠绕组，则：每条支路的串联导体数为多少？每条支路的串联元件数是多少？一共有多少个元件？,导体：元件一个有效边中的一匝导线 总导体数：2n倍的总元件数，z倍的每槽导体数,每条支路串联导体数：N/2p 每条支路串联元件数：N/2p/2n,127,本节要点,掌握相关的术语及其意义 极对数、槽数、极距、节距（第一、合成、换向器）、短距、长

6、距、整距、并联支路对数。 理解电刷的位置 了解单叠绕组和单波绕组 并联支路对数、适用场合,128,1-3 直流电机的磁场,129,直流电机的励磁方式,电枢绕组与励磁绕组分别由两个独立直流电源供电;励磁电流不受电枢端电压和电枢电流影响;电机出线端电流等于电枢电流;永磁直流电机可看作他励直流电机,励磁绕组与电枢绕组并联,同接到一个直流电源上；电机出线端电流等于电枢电流与励磁电流之和（差）：I=IaIf（和？差？额定电流是指？）,励磁绕组与电枢绕组串联后接到同一直流电源上；电机出线端电流、电枢电流、励磁电流三者相等： I=Ia=Is,电机主磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组Nf，

7、一个与电枢绕组串联，称为串励绕组Ns；Ns接在里面为长复励（虚线），接在外面为短复励（实线）；两绕组产生的磁动势一致，为积复励，不一致，为差复励。,说明：1.额定电压与额定电流 2.并励和他励绕组中的电流小(15%IN)，导线细，匝数 多，而串励绕组的电流近似为IN，导线粗，匝数少。,130,空载磁场分布,空载即电机运行时，电枢电流为零或接近于零的情况。不是指电机停转的情况。（空车）,空载？,为何要研究空载磁场？,电枢有电流时，电机的磁场由两部分电流产生，即励磁电流和电枢电流，是两个磁动势共同作用产生的磁场。可否用叠加原理分别求出每个磁动势产生的磁场，然后将磁场叠加？（类比电路中两个电压源产生

8、的电流）,131,空载磁场分布,主磁通所走的路径，称为主磁路，气隙小，磁阻小；漏磁通所走的路径，称为漏磁路，气隙大，磁阻大。故主磁通比漏磁通大得多。,磁力线为何不穿过中心？,理解铁磁材料的作用，利用其高导磁性，按需要构建磁场分布,主磁路与漏磁路是串联还是并联？,132,气隙中主磁场磁密的分布,忽略了切向磁场，只考虑了径向磁场。为什么可以这样做？,133,由此可见，法向气隙磁场产生切向力，切向力产生有效电磁转矩,切向气隙磁场产生法向力，法向力不产生有效电磁转矩，从传统电机观点上看，切向磁场是没有用的，所以只研究法向磁场。,可否利用切向气隙磁场？可以，试想，如果下面的法向力都向上该多好？可实现磁悬

9、浮电机。,134,设电枢表面为x轴，主磁级轴线为纵轴，电枢长度为l，则：,空载时每极主磁通为：,当电枢长度确定后，每极主磁通只与B0(x)与x轴所围的面积成正比，与其波形无关。这是一个重要结论！,135,主磁通回路按截面积和材料不同，可分为五段：电枢铁心、极靴、极身、定子磁轭、气隙。,四段铁心的截面积相近，磁导率也相近，可近似看作一段，整个主磁路由两段构成，一段是铁心，一段是气隙,136,由磁路的基尔霍夫第二定律可知：,电机的磁化曲线只与结构和材料有关，与励磁方式无关,137,励磁电流增大到一定程度，铁心饱和，磁阻增大，磁化曲线离开气隙线而转弯，呈非线性。为有效利用材料，额定运行N的一般设计在

10、A点,思考1：这条磁化曲线与铁磁材料的起始磁化曲线有何不同？为什么？,思考2：于A点增大一点励磁电流，磁通会不会成比例增加？减少励磁电流呢？,138,三、直流电机负载时的磁场,负载时，电机的磁场由两部分磁动势产生：,这两个磁动势不易叠加。如果电机的磁路不饱和，可否分别求出这两个磁动势产生的磁场，然后把磁场叠加？,励磁磁动势产生的磁场就是空载磁场B0(x)，已经求出，如能求出电枢磁动势产生的磁场Ba(x) ，则可求出负载时的磁场。,139,一个规定：磁动势和磁密的正方向，以磁力线由电枢出来进入磁极时为正，磁力线从磁极出来进入电枢时为负。,三条假设：电刷位于几何中性线上，电枢表面光滑（不计齿槽效应

11、），电枢导体均匀地分布在电枢表面。,140,从一电刷展开，取一主磁极中心线与电枢表面交点为坐标原点,离原点x处作一对称闭合磁回路，有：,同一极下这些导体电流是否相等？,磁路不饱和时，铁心磁阻小，磁动势主要消耗在气隙上,要求,关键是：,一共有N根导体，均匀分布在直径为Da的电枢表面， 那么长度为2x的电枢表面，一共会有多少导体？,所以，一段气隙上的磁压降为： 即：,141,电枢磁动势,142,不计及饱和影响，每极主磁通如何变化？计及饱和呢？,B为矢量，为何可以代数相加？,电枢电流所产生的电枢磁动势将对气隙中的主磁场产生影响，我们把这种影响称为电枢反应。,矢量若方向一致，可以直接代数相加，如同一方

12、向的力可直接相加。,143,电刷位于几何中性线上,1.气隙磁场发生畸变，对电动机而言，前极尖磁场被加强，而后 极尖磁场被削弱。发电机则相反。,2.物理中性线发生偏移，气隙中各点磁密为零的连线称为物理中性线。空载时物理中性线与几何中性线重合。负载时，对电动机而言，物理中性线逆转角度，发电机则顺转角度,3.对每极磁通的影响，电枢反应会使每极磁通减少，即具有去磁作用。,144,电枢磁场与主磁场轴线正交，称这时的电枢磁动势为交轴磁动势，它对主磁场的影响称为交轴电枢反应,145,电刷不在几何中心线的电枢反应,说明：书中关于电刷正向转动，逆向转动助磁或去磁的 问题，会分析，但不必死记。,146,本节要点,

13、掌握励磁方式，不同励磁方式的励磁绕组有何特点 空载磁场的分布及电机的磁化曲线 一个重要的结论。 理解电枢反应 交轴电枢反应有不考虑饱和时和考虑饱和时有何不同。直轴电枢反应的作用。,147,1-4 直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率,148,电枢电动势是联系电路与磁场的物理量； 电磁转矩是联系电能与机械能的物理量； 是电机中重要的两个物理量。,从一对正负电刷之间引出的直流电动势Ea称为电枢电动势。它是一条支路内所有串联导体电动势之和。,一、直流电机的电枢电动势,149,和的平均值等于每一个加数的平均值之和。,电动势常数,150,思考：不计饱和，交轴电枢反应对电枢电动势有何影响？计及饱和呢？

14、直轴电枢反应呢？,Ea与成正比，与磁密的分布无关，因为Ea本身就是一个平均值。但磁密的波形会影响什么呢？,151,二、直流电机的电磁转矩,电枢上所有导体产生的平均电磁转矩之和，等于一根导体产生的平均电磁转矩乘以总导体数N,转矩常数,Ce和CM都是取决于电机结构的参数，对于一台确定的电机，它们是常数。二者之间的关系为：,与成正比，与磁密的分布无关，因为本身是一个平均值。但磁密的波形会影响什么呢？,152,三、直流电机的电磁功率,在电磁感应作用下，电能和机械能相互转换的功率称为电磁功率，用PM来表示。,电动机：从电源吸收电功率EaIa，通过电磁感应作用转换成轴上的机械功率T,发电机：从原动机吸收的

15、机械功率T，通过电磁感应作用转换成电枢回路的电功率EaIa，,153,1-5 直流电机的运行原理,154,一、直流电动机的基本方程式,分析完了磁场的分布和磁场对电和机械量的影响，现在开始学习电路中的各物理量的关系、机械运动中各物理量的关系及能量流动的关系基本方程式。 电量和机械量之间的关系工作特性。,电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式,列写方程式，必须先规定正方向！,155,直流电动机惯例,1. U与I、Ia、If呈关联参考方向； 2. Ea与Ia方向相反，是反电势； 3. T与n相同，是驱动转矩，轴上的机械负载转矩T2和空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。,156,电动势平衡方

16、程式（实际上就是电压回路方程）：,电枢回路：,在电动机中，端电压U必须大于反电势Ea，转速公式为：,157,只作为一个数值来使用,励磁回路：,转矩平衡方程式（电机恒速旋转，转矩须平衡） ：,Tz=T2+T0为总的负载转矩,直流电动机稳定运行时的电枢电流为：,每极磁通不变的情况下，稳态电枢电流由总负载转矩决定。,158,为消耗在电枢回路总电阻上的损耗,功率平衡方程式 ：,为消耗在励磁回路总电阻上的损耗，称为励磁损耗,为轴上输出的机械功率,159,为电机本身的空载损耗，包括铁耗pFe 、机械损耗p和附加损耗p，即：,所以，并励直流电动机的功率平衡方程式为：,电机的效率为：,思考：为什么铁耗在电磁功

17、率之内？,电动机从电源吸收的总的电功率为P1，一部分消耗在电枢回路的总电阻上，一部分消耗在励磁回路的电阻上，剩下的转化成机械能，是电磁功率PM。电磁功率要克服轴上的磨擦和一系列杂散损耗，还要克服铁耗，为什么呢？铁耗是由于电枢转动使电枢铁心磁场的发生变化而铁磁材料用磁滞和涡流效应来阻碍这种变化引起的。,160,是指在一定的条件下， 转速n、电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系。即,二、工作特性,或,1.他励和并励直流电动机的工作特性,理想空载转速,161,n0,是一条下降的直线，Ra很小，所以n下降不多。考虑电枢反应去磁，下降更少，可能上升,思考：如果并励和他励直流电机在运行过程中，励磁线

18、突然断了，会发生什么问题？,空载或轻载会飞车，满载会使电机停转，烧坏电机。所以，使用直流电机时一定要注意，一定要保证励磁绕组通电。,162,考虑电枢反应的去磁作用， 曲线有所下降,课堂练习：1-26,163,效率曲线存在一个最大值,164,令 可得,结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时， 此时效率最高。,165,2.串励直流电动机的工作特性,串励电动机不允许在小于1520 的额定负载下运行。,166,如果磁路不饱和，根据转矩公式：,特点：串励电动机有较大起动转矩与过载能力。,结论：适用于重载起动的场合， 不允许在空载和很轻负载下运行。,167,例 题1,思路：额定运行是什么意思？,所

19、有物理量都处于额定状态。,要求转矩，额定转速有了，关键要求出相应的功率即可。,电动机的额定功率是指？,额定状态电动机轴上输出的机械功率,电磁转矩对应的是电磁功率。电磁功率可从电路中求解，求IaN和EaN。也可利用功率平衡方程式求解。可直接利用电磁转矩公式求解。关键是记住CM和Ce关系,168,理想空载是指电枢电流为零的理想情况。 实际空载是指由于T0的存在，即使T2为零，电枢电流也不为零,思考：所求的T0是额定状态时的，用来求空载电流，对吗？,注意书中的一句话：主磁通不变且n变化不大。,169,（3） 额定运行时突然在转子回路中串入 的电阻，串入初瞬时的电枢电流和转速各为多少？,意味着转速等机

20、械量没有变化，而电磁量已完成过渡过程，如风扇在刚打开开关时。,电机转速保持额定转速不变，则感应电动势变不变？,170,结论：1. 在不计饱和情况下，电枢电流取决于总的负载转矩，与转速无关。 2. 在电枢回路串入电阻，可以改变电机的转速。 3. 系统的输入功率不变，输出功率变小，那部分功率哪里去了？这种调速方法的代价是降低效率。,171,本节要点,掌握直流电动机惯例、三个平衡方程式、转速公式、电流公式、直流电动机的功率流动关系 并励和他励直流电机的转速特性、转矩特性、效率特性。 一条重要注意事项：电机运行中励磁不能断线。 利用额定值来估算电枢绕组电阻。 串励直流电机的转速特性、转矩特性及这种电机

21、的适用场合（牵引机械和重载起动）。 串励直流电机不允许工作在空载或很轻负载状态。（额定电压条件下）,172,1-6 直流发电机的运行原理,173,一、直流发电机的基本方程式,电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式,174,电动势平衡方程式（实际上就是电压回路方程）：,转矩平衡方程式（电机恒速旋转，转矩须平衡） ：,功率平衡方程式 ：,175,二、直流发电机的运行特性,1.他励直流发电机的空载特性,转速n=常数，发电机输出端开路（I=Ia=0），电枢空载端电压U0与励磁电流之间的关系：U0=f(If),剩磁电压,176,2. 他励直流发电机的外特性,发电机的转速n=nN，励磁电流If=

22、IfN不变，发电机端电压与线路电流I之间的关系U=f(I),课堂练习：1-32,177,3.并励直流发电机的空载自励过程,一定导致磁通增加吗？,不一定，只有励磁电流产生磁通方向与剩磁一致才可以,这一过程是否会无休止进行下去？,如何保证励磁电流产生的磁通方向与剩磁一致？,如不一致，单独改变转向或励磁绕组接法。,178,自励建压的稳定工作点,自励建压过程仍在继续，图中A点以下,不变， 自励建压稳定于A点,自励建压的稳定工作点即为空载特性与场阻线的交点。,Rf变大，n不变,n变大，Rf不变,179,自励条件：,1.必须有剩磁；,2.励磁绕组的接法与发电机的转向相配合保证励磁电流产生的磁通方向与剩磁一

23、致；,3. Rf不能太大，n不能太低,思考：如何才能使并励发电机发出的电压反向？ 习题33、34、25,180,181,本节要点,掌握直流发电机惯例、三个平衡方程式直流发电机的动率流动关系 并励和他励直流发电机的空载特性、外特性 并励直流发电机自励条件,182,1-7 直流电机的换向,183,184,185,186,电流从ia变为-ia，在这一过程中，元件中会产生感应电动势阻碍 电流的变化，这个电动势称为电抗电动势er，其方向是？,与换向前电流方向相同。,187,188,对于发电机， 电抗电动势的方向？ 电动机呢？,189,190,191,对于发电机，旋转电动势 的方向？电动机呢？,N,S,思

24、路：先判断转向，再判断 旋转电动势方向。转向根据 电流产生的电磁转矩方向 来判断。,结论：无论对于发电机 还是电动机，旋转电动 势的方向仍然与换向前 元件电流的方向一致。,192,危害：损坏电刷 及换向器表面， 损伤电机；电磁 干扰；容易引起 爆炸。,193,改善换向的方法增大换向回路电阻、装换向极,换向极作用原理：在换向元件处建立一个磁动势，不仅仅 用来抵消电枢反应磁动势，而且在气隙中建立一个磁场， 使换向元件切割磁力线后产生的感应电动势抵消电抗 电动势，即ek-er=0,换向极的要求： （1）装在几何中性线处； （2）换向极应产生与电枢 反应磁动势相反的磁动势； （3）换向极绕组与电枢串联

25、， 且换向极磁路应不饱和,194,小型直流电机可以通过偏转电刷的方式改善换向,195,有一些小型直流电机也可以只装一个换向极,196,本节要点,了解直流电机的换向过程 了解直流电机换向引起的问题及应对的策略 换向极工作的原理及要求,197,本章小结,直流电机的工作原理、结构 直流电机的磁场（励磁方式、空载磁场、电枢反应） 直流电机三个重要的物理量的公式 直流电动机的三个平衡方程式、转速特性、转矩特性、效率特性。两个重要的注意事项。 直流发电机的平衡方程式、空载特性、外特性及自励过程。 直流电机的换向。,198,1一台并励直流电动机，若电源电压和励磁电流不变，当加一恒转矩负载后，发现电枢电流超过

26、额定值，有人试图在电枢回路中串入一个电阻来限制电流，能达到目的吗？ 串入电阻初瞬，电动机输入功率及电枢电流将增大还是减少？ 稳定后电机的输入功率、电枢电流、转速和效率将如何变化？铁耗将如何变化？ 2. 一台并励直流电动机拖动恒转矩负载，如果将电源电压降低20%，则降压初瞬，电机的电枢电流将如何变化？稳定后电机电枢的电流为_倍的额定电枢电流。（假设磁路不饱和）,199,3. 对于他励直流发电机而言，输入功率与电磁功率之差为_，对于他励直流电动机而言，输入功率与电磁功率之差为_。 4. 某他励直流电动机额定运行且正转时，转速为1500r/min，现保持电枢端电压不变U=UN，电枢电流不变I=IN，

27、励磁电流大小不变If=IfN，电枢回路处接电阻R=0不变而只改变励磁电流的方向，使电机反转，发现其转速变为1520r/min，试分析转速升高的原因。,200,作业：1.一台直流电动机，2p=4，总元件数为120，每一元件的电阻为0.2，当转速为n=1000r/min时，每元件的平均电动势为10V，求当电枢为单叠绕组或单波绕组时，电枢绕组的电阻和电枢电动势是多少？ 2.一台并励直流电机，接额定电压220V运行，已知，a=1，p=2，电枢总导体数N=398，此时，电机的相关运行数据为：n=1500r/min，N=0.0103Wb，电枢回路电阻Ra=0.17，IfN=1.83A，pFe=276W，p

28、=379W，p=0.86%P1，试问： （1）此直流电机可能是单波绕组还是单叠绕组？为什么？ （2）此直流电机是处于发电运行还是电动运行？ （3）计算此时的电磁转矩和效率。,大作业：1-6,201,第二章 直流电机的电力拖动,202,以电动机为原动机，按人们所给定的规律来带动生产 机械， 称为电力拖动。,皮带、齿轮等,203,204,2-1 电力拖动的运动方程式,另外，还有单机多轴系统（抽油机）和多机多轴系统（轧钢机）,单机单轴系统：单台电动机直接与生产机械同轴联接，简称为单轴系统。,205,单轴系统的运动方程式：,说明：1.在电力拖动系统中，通常称Tz为生产机械的总负载转矩， 即：Tz=T2

29、+T0,T2为生产机械的转矩，T0为电动机本身的空载转矩。,正方向的规定：首先规定电动状态下n的方向为系统旋转的正 方向，电磁转矩T的实际方向与n相同则为正，相反则为负； 负载转矩Tz的实际方向与n相同则为负，相反则为正。,206,2. J为整个系统的转动惯量，包括电动机、传动机构和生产机械。 工程上，通常用飞轮矩GD2来表征转动物体的惯性作用，GD2和 J的关系为:,GD2为电动机转子、传动机构和生产机械转动部分的飞轮矩之 和，单位为Nm2，一般可以查到。是一个完整的符号，不是 G和D2的乘积，g为重力加速度，9.8m/s2。,T=Tz时，n=常数。是使系统稳定的先决条件。 TTz时，n升高

30、，系统加速。 TTz时，n降低，系统减速。,207,3.转矩单位为Nm，转速单位为是r/min，时间为s，飞轮矩 为Nm2，如果从产品目录上查出飞轮矩以kgm2为单位，则必须 乘以9.8m/s2。,在大多数的电力拖动系统中，控制转速是我们的目标，抽油机、 风扇、空调、洗衣机、电动车等等。根据运动方程，系统的 转速n与T和Tz有关，要控制n必须要知道Tz与n 、 T与n之间的 关系。即要知道负载的转矩特性n=f(Tz)和n=f(T)电动机的机械 特性。即本章第二节和第三节的内容。,208,2-2 生产机械的负载转矩特性,根据n与Tz的关系，可以分为三种类型的负载特性： 恒转矩负载、恒功率负载、风

31、机泵类负载,一、恒转矩负载,转速变化时，负载转矩的大小保持不变，称为恒转矩负载， 可分为两类：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。,209,该负载的大小与转速无关，方向始终与转向相反，属于 这类负载的生产机械有机床的平移机构等。,1.反抗性恒转矩负载,210,生产机械工作机构中具有位能部件，其转矩具有固定 方向，不随转向的改变而改变，如起重机系统。,2.位能性恒转矩负载,为简单起见，在今后的分析中， 除非特别说明，位能性负载都 采用理想特性。,211,恒功率负载是指负载的功率为常数，不随转速变化。,二.恒功率负载特性,恒功率负载的转矩与转速成反比。比如机床主轴和轧机,212,对于通风机、水泵及

32、油泵等生产机械，其负载是介质对 机器叶片的阻力产生的阻转矩，基本上与转速的平方成 正比，即：,三.通风机负载特性,实际生产机械的负载特性，往往是上述 几种典型特性的组合。例如，考虑空 载转矩，实际鼓风机的负载特性如图 中的虚线所示。,213,2-3 他励直流电动机的机械特性,电磁转矩：,感应电动势：,电枢回路电势平衡式：,电动机转速特性：,机械特性一般表达式：,214,一、直流电动机机械特性的一般形式,电动机的机械特性与端电压U、主磁通及电枢回路外 接电阻R有关，励磁方式不同时，主磁通与电磁转矩的 关系是不同的，机械特性也不同。但上式是通用的。,215,二、他励直流电动机的固有机械特性,n0理

33、想空载转速,N固有机械特性的斜率,额定负载时的转速降为：,216,n,0,T,n0,TN,nN,由于电枢回路电阻Ra很小，固有 机械特性是一条的斜率很小的直线， 可通过直线上的两个点来确定。 通常取理想空载点和额定点来确定 固有机械特性。,额定负载时的转速降落很小，他励直流电动机的固有机械特性较“硬”。,217,例2-2 某他励直流电动机数据如下：PN=40kW，UN=220V， IN=210A，nN=750r/min，试计算其固有机械特性。,要求：,已知：UN，IN，PN，nN,须先求出：CeN或CMN，Ra,Ra可由估算公式估算出，然后利用电动势平衡方程式可 求出CeN,做题或者分析问题的

34、时候，一定要先画出等效电路,218,三、他励直流电动机的人为机械特性,219,1、电枢回路串入电阻的人为机械特性,保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻 ，所得的nf（T）关系。,对于给定的 ，为常数。,220,2、改变端电压时的人为机械特性,保持 N 不变而且电枢回路中串入电阻为零 ，改变电动机的端电压U所得的nf（T）关系。,电动机受耐压限制而不能在过电压状态下运行，所以一般只能使UUN,221,改变端电压人为特性的特点： （1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。,（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行

35、。,222,3、减弱磁通时的人为机械特性,保持U=UN不变而且电枢回路中串入电阻为零 ，改变电动机的励磁电流If，使IfIfN，所得的nf（T）关系。,如何改变励磁电流？,改变励磁回路的调节电阻（小容量电机）； 改变励磁电压（大容量电机）,为何励磁电流只能在额定值以下调？,往上调没有效果，因为磁路已饱和。,弱磁,223,N N,减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。,（2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。,224,四、电力拖动系统的稳定运行条件,1. 电力拖动系统的平衡状态,电动机机械特性与负载转矩特性交点处，电磁转矩与

36、总的负载转矩相等，转速不变，电枢电流不变，称该系统处于平衡状态。,225,2. 电力拖动系统的稳定平衡状态,系统原来处于平衡状态，如果由于某种原因（电压的波动、 负载的变化或电动机参数的正常调节），使系统离开了原来 的平衡状态，但能够在新的条件下自动地达到新的平衡； 或者在外界扰动消失后能够恢复到原来的平衡状态，则称 该拖动系统原来的运行状态是稳定平衡状态。,如不能达到新的平衡或在外界扰动消失后不能够恢复到原来的 平衡状态，则称该拖动系统原来的状态不是稳定平衡状态。,226,他励直流电动机带 恒转矩负载端电压 突然下降，然后 又恢复到原来电压 的动态过程。,到达B点是什么意思？,TBTz，系统

37、转速下降，最后到达C点（新的平衡点）,在C点，当电机端电压恢复时，到达D点，转矩为TD，TDTz， 系统转速上升，最后到达A点，外界扰动消失后又恢复到原来的 平衡状态。,电动机运行于红线上，此时转速不变，对应的转矩为TB,227,A点到B点，TBTz， 转速上升？下降？,上升，无休止地上升 不能平衡。,假设到达D点，外部 扰动消失，能否再返 回到A点？,原来的平衡状态A不是稳定的平衡状态,228,分析电力拖动系统的动态过程方法总结： 电磁量变化的时间常数非常小，认为在瞬间完成。 而在此时转速没来得及改变，但电动机的机械特性 发生改变，即此时电磁转矩改变，负载的转矩特性 不变，新的电磁转矩与负载

38、转矩不相等，于是就 有了转矩差，有了转速变化率，转速开始变化。可以 根据转速变化的方向，确定系统是否能达到新的平衡。,229,判断稳定平衡点的方法： 1. 利用公式； 2. n法。,230,有一个扰动，使系统的转速有一个微小的变化n，系统能否 恢复到原来的平衡状态，如能，则为稳定平衡状态，不能，则 不是稳定平衡状态。,练习：课后习题,231,232,本节要点,他励直流电机的固有机械特性 他励直流电机的三种人为机械特性及各自特点 稳定运行条件及判断方法，电力拖动系统动态过程分析方法。,233,2-4 他励直流电动机的起动,一、直接起动存在的问题,将一台电动机接上电源，使之从静止状态开始旋转直至稳

39、定运 行，这个过程称为起动过程。如果起动时U=UN，R=0，称为 直接起动。其起动初瞬，电枢电流为：,电枢电阻较小，起动时电枢电流很大，可达到1020IN,234,直接起动存在的问题：,1.换向恶化，出现强烈的火花或环火，烧坏换向器，电枢绕 组产生很大的电磁力而损坏绕组,2.如保持主磁通为额定值，此时的电磁转矩T也将达到额定值 的1020倍，从而损坏传动机构。,3.过大的起动电流会引起电网的供电波动，影响同一电网上 其他设备的运行。,总之，直接起动“害己、害人”，不能去做。,我们期望的起动过程是：起动快而又没有电流和转矩冲击。,235,起动时应限制起动电流，使之不超过1.52IN，且要使If=

40、IfN， 即满励磁起动。为何要满励磁起动？,起动时，我们期望的是转矩在允许的限度内最大，这样才能使 转速尽快升起来。所在要满励磁起动。,如何来限制起动电流？,降压起动或电枢回路串电阻起动,236,二、他励直流电动机的起动方法,优点：起动平稳， 起动过程中能量损耗小,1. 降压起动 起动时降低端电压U，使 且 ， 在不大的起动电流下使系统顺利起动，随着转速升高， 反电动势 增大，电枢电流开始下降，这时 逐渐升高端电压，直到U=UN，则起动完毕。,237,2.电枢回路串电阻起动将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。,R1+R2+R3,R1+R2,R1,N,238,本节要点,理解

41、他励直流电动机起动存在的问题 掌握他励直流电动机起动的方法,课堂练习：习题2-9、11,239,2-5 他励直流电动机的制动,直流电动机的两种运行状态：,（1）电动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同。,（2）制动运行状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反。,电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行。,分析运行状态，关键有两点： T与n的关系，能量流动关系,240,回忆：正方向的规定 首先规定电动状态下n的方向为系统旋转的正方向，电磁转矩T的实际方向与n相同则为正，相反则为负； 负载转矩Tz的实际方向与n相同则为负，相反则为正。,直流电动机的制动方法,241,一、能

42、耗制动的方法和原理,参数特点： N， U0， 电枢回路总电阻RRaRz,实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全部消耗于电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。,242,能耗制动时的机械特性,机械特性的一般表达式,思考：哪一条线串的电阻大？哪一条线电机停车更快,243,位能性负载稳速下放,mg,mg,n,T,mg,n,T,如果要放慢下放速度，该 减少还是增加串入电阻？ 最小的下放速度是多少？,下放转速：,不计传动机械的损耗，则下放时稳态电枢电流与提升时相同,244,能耗制动的特点：,245,例2-5（不计空载损耗）,他励直流电动机额定数据：UN=220V， IN=12.5A，nN=

43、1500r/min，Ra=0.8 且=N，试求：,（1）当n=1000r/min时系统转入能耗制动，要 求起始制动电流为2IN，求电枢回路应串入多大 电阻？,分析：已知电流和电枢电阻，如能求出Ea，即可求出Rz,如何求出Ea?转速有了，如有CeN，则可求。,关键在于CeN，根据已知条件，有：,246,使Tz=0.8TN的位能性负载以最低的速度稳速下放，则应 串入制动电阻大小为？最低的转速为？,最低下放转速对应最小电阻，最小的 电阻即Ra，即串入的电阻为0。,此时电枢电流可求，整个回路的感应电动势可求，转速可求。,或者直接利用机械特性来求。 nz=-57.14r/min,247,二、反接制动的方

44、法和原理,能耗制动为何停机慢？,随着转速降低，感应电动势减小，电枢 电流也减少，所以产生制动转矩也减少。,如何实现快速停机？,使其低速下仍然有较大的反向的 电枢电流产生制动转矩，所以需 要在电枢回路中再串入反向电压。 这就是电压反向的反接制动。,248,C,对于相同的起始制动电流值， 电压反向的反接制动所需的 制动电阻约为能耗制动的2倍,在转速接近于零时，仍然有较 大的电磁转矩。制动效果比能 耗制动好，可用于快速停机。,能量流动关系：U与Ia同向，电 源输出电能，Ea与Ia同向，电 机向外输出电能，即动能转换为 电能，这些电能消耗在电枢电阻 和制动电阻上。,如果仅要求制动停机，应在转 速降到零

45、时立刻切断电源，否 则系统有可能反向起动。,对于反抗性负载，会稳定运行于 D点，此时电机处于反向电动状 态，T与n都小于零，但方向相同,对于位能性负载，会进入第四象限， T0，n0且大于理想空载转速，电机 处于发电状态，此时电源输出还是 吸收电能？能量流动情况？,249,电压反向的反接制动的特点,（1）可以很快使机组停机。 （2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流； （3）如需停机，则转速至零时， 需切断电源。 （4）转速与理想空载转速方向相反 （5）电机发的电和电源输出的电能均消耗在电枢回路电阻上。,250,2.电动势反向的反接制动,251,在机械特性的第四象限，系统处于电动势反向的反接制动状

46、态 电机运行于发电状态，电源处于何种状态？此时能量流动关系？,因为电枢电流仍为正（为什么？），电枢端电压为正，故电源 仍然输出电功率。电机发的电和电源输出的电功率均消耗在电 枢电阻和制动电阻上。,转速与理想空载转速相反。,最低的下放转速为多少？,接近于零。可以以极低的稳定下 放速度下放重物。,252,反接制动的特点,（1）转速与理想空载转速方向相反 （2）电机发的电和电源输出的电能均消耗在电枢回路电阻上。,更是能耗型制动方式，如何改进？,253,例2-6 他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A， nN=1500r/min，Ra=0.8，且=N，,（1）当n=1000r/min

47、时将电枢反接，使系统快速制动停机， 要求起始制动电流为2IN，求电枢回路应串入多大电阻？,（2）保持额定励磁不变，使Tz=0.8TN的位能性负载以20r/min 的速度稳速下放，应采用什么制动方式？串入多大的制动电阻？,关键仍然是,254,首先，排除电压反向的反接制动（为什么？），再排除回馈 制动，然后根据例2-5，排除能耗制动，只能采用电动势反向的 反接制动，实质上就是在电枢回路串一大电阻，使其机械特 性很软，与负载特性曲线交于第四象限。,有了转速，就有了感应电动势，注意此时 为负，有了电枢电流和电枢端电压，可求 出串入的电阻阻值。注意各量的符号。,255,三、回馈制动,电压反向的回馈制动，

48、电压不反向的回馈制动。,（1）电机的转速方向与其理想空载转 速方向一致，且绝对值大。,（2）能量流动关系：电机运行于发电 状态，发出的电功率一部分消耗在电枢 回路电阻上，一部分回馈给电源，所以 称为回馈制动。,256,电车下坡,转速高于理想空载转速，且与其方向相同。电磁转矩为负，而转速 为正，电机运行于发电状态，电源吸收电能（能否从等效电路解释？）。,257,降低端电压的降速过程,转速与理想空载转速方向 一致，而且高于理想空载 转速。电机发电，电源吸收 电功率。,降压降速或停机的过程可以节能。 如果快速调节电压，使电机始终运行于最大允许转矩下， 可加快停机速度。,258,电机在在主磁通不变情况

49、下，不同条件下三条机械特性曲线， 哪一条电枢回路总电阻最大？为什么？,相同。根据机械特性的一般表达式,各段各运行于什么状态？ 能量流动是什么情况？,259,小结： 制动只是电机运行的一种状态。无论哪种制动，电机都运行于 发电状态。能耗制动和反接制动实际上都是能耗制动。前者不 接外电源，后者外电源也输出电功率。而回馈制动则是外电源 吸收电功率。 从转速的角度来看：能耗制动的理想空载转速为零，反接制动 的实际转速与理想空载转速方向相反，回馈制动则方向相同， 但实际转速绝对值大于理想空载转速，正向和反向电动则转速 方向与理想空载转速相同，但绝对值小。,260,课后练习：2-17,作业：,261,要求

50、抄题！,2-6 他励直流电动机的调速,一、调速方法,电枢回路串电阻调速、降低端电压调速、减弱主磁通调速,262,1.电枢回路串电阻调速,（1）空载或轻载时，调速效果不明显； （2）低速时，机械特性软，负载变化时，转速波动大 （3）电阻只能分段调节，有级调速，速度调节不平滑 （4）能耗大，效率低。,263,2.降低电枢端电压调速,（1）无论空载或满载，都有明显的 调速效果； （2）机械特性硬度不变，低速时由 负载变化引起的转速波动不大； （3）可实现速度平滑调节，实现 无级调速； （4）调节过程能耗小，效率高。,264,3.减弱主磁通调速,（1）控制励磁回路，控制方便， 能量损耗小 （2）可实现

51、速度平滑调节，实 现无级调速； （3）通常与调压调速配合来扩 大调速范围。,If,UN,Ea,Ia,n,265,例2-8 他励直流电动机额定数据：UN=220V，IN=12.5A， nN=1500r/min，Ra=0.8，电枢反应去磁不计，不计空载 损耗。试求：,（1）保持U=UN且If=IfN不变，使Tz=0.8TN恒转矩负载转速 降为1000r/min，应在电枢回路串入的电阻是多少？,不计电枢反应，励磁电流等于额定励磁电流，则=N； 不计空载损耗，则平衡时，T=Tz=0.8TN，此时电枢电流为0.8IN 如求出Ea，则电阻可求，如何求Ea？先求CeN。,U,266,（2）设该机带通风机负载

52、Tz=kn2，原来运行于额定状态，现 通过降压调速使转速降为1300r/min，则端电压U为多少？稳定 后电流为多少？,U,要求电压，转速已知，Ea已知，如 求出电枢电流，即可求出端电压U。 如何求电枢电流？利用转矩平衡方 程式，知负载转矩可求电枢电流。,267,（3）系统带反抗性恒转矩负载Tz=TN，额定运行时突然励磁回路 断线，已知断线后的剩磁为0.04N，则断线后系统将加速还是 减速？稳定后的电流与转速各是多少？,断线瞬间，转速来不及变，但主磁通已变为剩磁。电路已处于平 衡状态，所以可以用电动势平衡方程式求解。可得电枢电流。,由电枢电流，可求出此时电磁转矩，根据电磁转矩和负载转矩的 大小

53、关系，判断系统加速还是减速。,系统将减速，速度减小，电流将增大，电磁转矩增大，即使速度为0，电磁转矩仍小于负载转矩，此时系统最终将停转。如带位能性恒转矩负载，将反转，电枢电流增大，直到转矩平衡。,268,二、调速指标,269,270,2静差率（或称相对稳定性）,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。,271,3平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。,值愈接近于1，则平滑性愈好。当1.06时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,4调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩） 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴

54、上所能输出的功率和转矩。,273,作业：2-22,2-8 串励和复励直流电动机(了解),一、串励直流电动机的机械特性,磁路不饱和时,274,1、串励电动机固有机械特性,特点： (1)磁路不饱和时，为非线性的软特性。 (2)空载时，转速可达到56倍的nN所以，串励电机不允许空载运行。 (3)电磁转矩与电枢电流的平方成正比，起动和过载能力强。,只是说额定电压时不允许空载或轻载运行，当电压较小时，也可以轻载。,275,特点： a) 相当于他励直流电动机； b) 此时负载很大，转速下降减少，特性变硬，特性近似直线。,磁路饱和时情况：,276,2、串励电动机人为机械特性,（1）电枢回路串电阻，磁路不饱和

55、时,277,3,（2）降低端电压的人为特性,磁路不饱和时,当电压较小的时候，可否空载运行？,278,b)电枢绕组并联分流电阻 ：相当于增加了 ，增磁作用，曲线5。可进入第二象限。,（3）调节励磁电流,a)串励绕组并联分流电阻 ：相当于减小了 ，弱磁作用，对应曲线4,279,二、串励直流电动机的电力拖动,1.起动： （1）电枢回路串电阻分级起动； （2）降压起动,2.反转：只将电枢两端调换方向,280,3.调速： （1）电枢回路串电阻，使nnN。,281,4.制动,串励电动机的理想空载转速趋于无穷大，实际转速不可能超过 它，不可能实现回馈制动,a、反接制动 （1）电势反向的反接制动：对于位能负载

56、，在电枢串足够大电阻，可实现电势反向的反接制动，将重物匀低速下放；,282,（2）电压反向的反接制动：对于反抗性负载，将电枢电压反接的同时再在回路串电阻，可实现电压反接制动，使之快速停机。,停机后必须快速切断电源否则系统可能反向起动。,283,b、能耗制动,可以分为自励能耗制动与他励能耗制动两种。,自励能耗制动的接线特点： 切断外接直流电源，接入制动电阻形成回路； 励磁绕组反接。（为什么？）,此时电枢电流方向与原来方向相反，要形成制动转矩，必须保证磁通方向与原来相同，只有将励磁绕组反接才能做到。,284,自励能耗制动,自励能耗制动后期，转速下降，Ea下降，Ia下降，电磁转矩与Ia的平方成正比，

57、下降得更多，制动效果差。但接线简单，可用于断电事故时安全制动。,285,为了加快可靠停车，通常采用他励能耗制动，电路特点： 将电机从电路中断开，用一个励磁限流电阻Rf取代； 电机通过制动电阻Rz形成回路。,他励能耗制动,EO段用于能耗制动停车， OF段可用于能耗制动使重物下放。,286,本章小结,系统运动方程式，正方向的规定 负载的转矩特性 他励直流电动机的机械特性，要求记住一般形式。 稳定平衡点的条件及判断方法，分析系统由动态过程的方法。 起动（中型以上电机不能直接起动） 制动（重点掌握能量流动关系及判断是何种制动方式） 调速（哪三种调速方式，各有何优缺点）,287,预习提示,变压器对大家既

58、熟悉，又陌生 变压器可能是同学们接触最多、十分特殊又简单的交流电机 熟悉的是原副边的变比关系 陌生的是变压器的交流磁路、等效电路、参数测定以及三相变压器 下章我们将进入交流电机的领域，去接触一些熟悉又崭新的电机知识，会让我们受益终身,288,289,第三章 变压器,中国石油大学（华东）信控学院,290,291,变压器是一种静止的电气设备， 通过电磁耦合作用，把电能或信号从一个电路传递到另一个电路。通常用来改变电压的大小，故叫变压器，有时用于电气隔离。,变压器的主要是电路和磁路两大部分构成。磁路起媒介的作用。,292,本章学习重点,293,电力变压器,294,电力变压器,295,电力变压器,29

59、6,电力变压器,297,电力变压器,298,电炉变压器(专用) 给电炉(如炼钢 炉)供电。,299,电焊变压器(专用) 给电焊机供电。,整流变压器(专用)： 给直流电力机车供电,300,三相干式变压器,电源变压器,接触调压器,控制变压器,301,仪用、试验用变压器：用在测量设备中，如互感器。,302,电子变压器：用在电子线路中。,303,3-1变压器的结构和工作原理,一、主要结构（磁路、电路及辅助部分）,1.铁芯：铁心是变压器主磁通经过的磁路部分；铁心通常用 0.35mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片冲成一定的形状叠制而成。,304,心式冷轧硅钢片迭片,305,306,铁心柱截面形状：小型变压器做成方形或者矩形；大型