1、1電機(jī)與拖動2 緒 論1 電機(jī)和電力拖動技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用2 電機(jī)以及電力拖動的發(fā)展概況 3 本課程的主要內(nèi)容、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法3電能是現(xiàn)代能源中應(yīng)用最廣的二次能源，它的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制都比較方便經(jīng)濟(jì)，而要實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、變換和使用等都離不開電機(jī)。電機(jī)是一種利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，將能量或信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機(jī)械裝置。電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域起著重要作用。1 電機(jī)和電力拖動技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用4在電力工業(yè)中，產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)和對電能進(jìn)行變換、傳輸與分配的變壓器是電站和變電所的主要設(shè)備。在工業(yè)企業(yè)中，人們利用電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能去拖動各種生產(chǎn)機(jī)械，從而滿足生產(chǎn)

2、工藝過程的要求。在交通運輸業(yè)中，需要大量的牽引電動機(jī)。在電力排灌、播種、收割等農(nóng)用機(jī)械中，都需要規(guī)格不同的電動機(jī)。在品種繁多的家用電器中，也離不開功能各異的小功率電動機(jī)。 用電動機(jī)作為原動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運行的系統(tǒng)，稱為電力拖動系統(tǒng)。電力拖動是機(jī)電設(shè)備中的一個重要組成部分。5除小部分生產(chǎn)機(jī)械采用氣動或液壓拖動外，絕大多數(shù)的生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動，這源于電力拖動有其一系列的優(yōu)點：（1） 電能的遠(yuǎn)距離輸送簡便經(jīng)濟(jì)，分配簡單，檢測方便；（2） 電力拖動比其他形式的拖動效率高，電動機(jī)與被拖動機(jī)械的聯(lián)接簡便；（3） 電動機(jī)的形式和種類很多，具有各種各樣的特性，可適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械的需要，且電力拖動的起動、制

3、動與調(diào)速等控制簡便迅速，調(diào)節(jié)性能好；（4） 可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制與自動調(diào)節(jié)，并進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。6始于19世紀(jì)6070年代的第二次工業(yè)技術(shù)革命，是以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點的。從此人類社會由蒸汽機(jī)時代步入了電氣化時代。在法拉第電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上，一系列電氣發(fā)明相繼出現(xiàn)。1866年，德國工程師西門子制成發(fā)電機(jī)；1870年比利時人格拉姆發(fā)明了電動機(jī)，電力開始成為取代蒸汽來拖動機(jī)器的新能源。隨后，各種用電設(shè)備相繼出現(xiàn)。1882年法國學(xué)者德普勒發(fā)明了遠(yuǎn)距離送電的方法。2 電機(jī)以及電力拖動的發(fā)展概況 7 同年，美國著名發(fā)明家愛迪生創(chuàng)建了美國第一個火力發(fā)電站，把輸電線結(jié)成網(wǎng)絡(luò)。從此電力作為一種新能源而

4、廣泛應(yīng)用。那時，電機(jī)剛剛在工業(yè)上初步應(yīng)用，各種電機(jī)初步定型，電機(jī)設(shè)計理論和電機(jī)設(shè)計計算初步建立。 隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對電機(jī)也提出了更高的要求，如：性能良好、運行可靠、單位容量的重量輕體積小等，而且隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，8又派生出多種精度高、響應(yīng)快的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的一個獨立分支。電機(jī)制造也向著大型、巨型發(fā)展。 中小型電機(jī)正向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效節(jié)能方向發(fā)展。各種響應(yīng)快速、起停快速的特種電機(jī)在各種復(fù)雜的計算機(jī)控制系統(tǒng)和無人工廠中實現(xiàn)了比人的手腳更復(fù)雜而精巧的運動。古老的電機(jī)學(xué)已經(jīng)和電力電子學(xué)、計算機(jī)、控制論結(jié)合起來，發(fā)展成了一門新的學(xué)科

5、。 9 在我國，電機(jī)制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。我國的電機(jī)生產(chǎn)從1917年至今已有80多年的歷史，經(jīng)過改革開放20多年的發(fā)展，特別是近10年的發(fā)展，有了長足的進(jìn)步，令世人矚目。目前已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)業(yè)體系，電機(jī)產(chǎn)品的品種、規(guī)格、性能和產(chǎn)量滿足了我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。而且一些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。近來世界上電機(jī)行業(yè)專家紛紛預(yù)測，中國將會成為世界電動機(jī)的生產(chǎn)制造基地。 10本課程是電氣自動化、電氣技術(shù)和機(jī)電一體化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課?！半姍C(jī)與拖動”是“電機(jī)學(xué)”和“電力拖動技術(shù)”兩部分內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，它是在學(xué)習(xí)了“電工基礎(chǔ)”等課程的基礎(chǔ)上，通過講授直流電機(jī)、變壓器、交流電機(jī)的基本理論和

6、電力拖動的基本原理等知識，以期達(dá)到下列要求：（1） 熟悉直流電機(jī)、變壓器、三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，掌握它們的工作原理。（2） 掌握直流電動機(jī)、三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論。3 本課程的主要內(nèi)容、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法11（3） 掌握直流電動機(jī)、三相異步電動機(jī)起動、制動、調(diào)速的電力拖動基本原理和計算方法。（4） 掌握電機(jī)及電力拖動實驗的基本方法和技能。 “電機(jī)與拖動”既是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，又具有專業(yè)課的性質(zhì)，不僅有理論的分析推導(dǎo)、磁場的抽象敘述，還要用基本理論去分析比較復(fù)雜又帶有機(jī)、電、磁綜合性的工程實際問題，這是學(xué)習(xí)本課程的難點12學(xué)習(xí)時應(yīng)注意以下幾點：（1） 牢固掌握基本概念、基

7、本原理和主要特性。（2） 可運用類比或比較的學(xué)習(xí)方法，找出各種電機(jī)的共性和個性，以加深對各種電機(jī)及拖動系統(tǒng)性能的理解。（3） 要理論聯(lián)系實際，重視實驗和實訓(xùn)環(huán)節(jié)。（4） 課前應(yīng)預(yù)習(xí)，課后應(yīng)及時復(fù)習(xí),并選擇適當(dāng)?shù)乃伎碱}和習(xí)題作為課外作業(yè)，以鞏固理論知識，提高理解和運算能力。第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 電力拖動裝置可分為電動機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備及電源等五個組成部分 在許多情況下，電動機(jī)與工作機(jī)構(gòu)并不同軸，而在二者之間有傳動機(jī)構(gòu)，它把電動機(jī)的運動經(jīng)過中間變速或變換運動方式后再傳給生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu) 14一、運動方程式電力拖動系統(tǒng)經(jīng)過化簡，都可轉(zhuǎn)為如圖1-2a所

8、示的電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)直接相連的單軸電力拖動系統(tǒng)，各物理量的方向標(biāo)示如圖1-2b。15對于直線運動 對于旋轉(zhuǎn)運動 式中 m與G旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（kg）與重量（N） r 與D慣性半徑與直徑（m） 轉(zhuǎn)動慣量 單位為 式中 稱為飛輪慣量（ ）， （1-4） 375 = 4g 602，是具有加速度量綱的系數(shù)。 根據(jù)牛頓力學(xué)定律，該系統(tǒng)的運動方程為: 16二、運動方程式方向的約定運動方程式的一般形式 、 和n都是有方向的，它們的實際方向可以根據(jù)圖1-2b給出的參考正方向，用正、負(fù)號來表示。這里規(guī)定n及 的參考方向為對觀察者而言逆時針為正，反之為負(fù)； 的參考方向為順時針為正，反之為負(fù)。 171、

9、當(dāng)電動機(jī)靜止或等速旋轉(zhuǎn)，電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)下。2、當(dāng)電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài) 3、當(dāng)電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài) 三、運動方程的物理意義也就是一旦 則轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，我們把這種運動狀態(tài)稱為動態(tài)或過渡狀態(tài)。18 第二節(jié) 多軸電力拖動系統(tǒng)的化簡 前面我們討論了單軸電力拖動系統(tǒng)問題，但是，實際的電力拖動系統(tǒng)往往是復(fù)雜的，有的生產(chǎn)機(jī)械需要通過傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)速匹配，因此增加了很多齒輪和傳動軸；有的生產(chǎn)機(jī)械需要通過傳動機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，比如：刨床、起貨機(jī)等。對這樣一些復(fù)雜的電力拖動系統(tǒng)，如何來研究其力學(xué)問題呢？一般來說，有兩種解決辦法： （1）對拖動系統(tǒng)的每根軸分別列出其運動方程， 用連列

10、方程組來消除中間變量。這種解法會因方程較多，計算量大而比較繁雜。 （2）用折算的方法把復(fù)雜的多軸拖動系統(tǒng)等效為一個簡單的單軸拖動系統(tǒng)，然后通過對等效系統(tǒng)建立運動方程，以實現(xiàn)問題求解。這種方法相對而言較為簡單。 19、 系統(tǒng)等效的原則和方法 在電力拖動系統(tǒng)的分析中，對于一個復(fù)雜的多軸電力拖動系統(tǒng)，比較簡單而且實用的方法是用折算的方法把它等效成一個簡單的單軸拖動系統(tǒng)來處理，并使兩者的動力學(xué)性能保持不變。一個典型的等效過程如圖1-3所示，其基本思想是通過傳動機(jī)構(gòu)的力學(xué)折算把實際的多軸系統(tǒng)表示成等效的單軸系統(tǒng)。 系統(tǒng)等效的的原則是：保持兩個系統(tǒng)傳遞的功率及儲存的動能相同。 20二、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等效為單

11、軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方法靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的折算如果不考慮傳動機(jī)構(gòu)的損耗，工作機(jī)構(gòu)折算前的機(jī)械功率為 ，折算后電動機(jī)軸上的機(jī)械功率為 ，根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有折算前后工作機(jī)構(gòu)的傳遞功率相等，即 式中: 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)速； 電動機(jī)轉(zhuǎn)速。（1-5） 21由式（1-5）可得 如果要考慮傳動機(jī)構(gòu)的損耗，可以在折算公式中引入傳動效率c。由于功率傳送是有方向的，因此引入效率c 時必須注意：要因功率傳送方向的不同而不同?，F(xiàn)分兩種情況討論：（1） 電動機(jī)工作在電動狀態(tài)，此時由電動機(jī)帶動工作機(jī)構(gòu)，功率由電動機(jī)各工作機(jī)構(gòu)傳送，傳動損耗由電動機(jī)承擔(dān)，即電動機(jī)發(fā)出的功率比生產(chǎn)機(jī)械消耗的功率大。 根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有式中jL 電動機(jī)

12、軸與工作機(jī)械軸間的轉(zhuǎn)速比jL = /L = n / nL22（1-8）（2）電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)， 此時由工作機(jī)構(gòu)帶動電動機(jī)，功率傳送方向由工作機(jī)構(gòu)和向電動機(jī)傳送。因而傳動損耗由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)，根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有 (1-7) (1-10)(1-9)23對于系統(tǒng)有多級齒輪或皮帶輪變速的情況，設(shè)已知各級速比為j1，j2，jn，則總的速比為各級速比之積，即 （1-11）在多級傳動時，如果已知各級的傳遞效率為： c1， c2， cn，則總效率 c 應(yīng)為各級效率之積，即 （1-12）242轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩的折算將圖1-4中 兩軸系統(tǒng)中的電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 Je 和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量JL，折算到電動

13、機(jī)軸的等效系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量J，其等效原則是：折算前后系統(tǒng)的動能不變，即有 （1-13） （1-14）25整理后： （1-15）根據(jù)式GD2 = 4gJ 的關(guān)系，可以相應(yīng)地得到折算到電動機(jī)軸上的等效飛輪轉(zhuǎn)矩（1-16）式中，j1，j2，jn電動機(jī)軸對中間傳動軸的傳動比；J1，J2，Jn各傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量GD21，GD21，GD2n各傳動軸的飛輪慣量26三、直線運動系統(tǒng)等效為旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng) 有些生產(chǎn)機(jī)械它不僅有旋轉(zhuǎn)運動部件，還兼有直線運動部件，分析時要將這樣的拖動系統(tǒng)等效為簡單的單軸拖動系統(tǒng)，如圖1-5所示。 27靜態(tài)力FL（或稱負(fù)載重力）的折算 把直線運動的靜態(tài)力FL折算到電動機(jī)軸上的等效靜轉(zhuǎn)矩TL

14、的原則仍是保持折算前后的靜態(tài)功率不變。如果考慮功率的傳遞方向，同樣分兩種情況討論： （1）電動機(jī)工作在電動狀態(tài)，此時由電動機(jī)帶動工作機(jī)構(gòu)，使重物提升。由圖1-5，折算前直線運動部件的靜態(tài)功率PL為 （1-20）折算后等效拖動系統(tǒng)的靜態(tài)功率PL 為 （1-21）28 代入關(guān)系式 =2n/60 ，經(jīng)整理，得到如下折算公式 （1-23） 現(xiàn)功率是由電動機(jī)傳向負(fù)載，按功率平衡原則PL=PL/c ，即（1-22）（2）電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)，此時工作機(jī)構(gòu)帶動電動機(jī)，使重物下放。根據(jù)功率平衡關(guān)系，有 （1-24）29由此得 ： （1-25）式中，物體下放時的傳動效率。2.直線運動系統(tǒng)質(zhì)量的折算 由圖1-

15、5所示，將直線運動系統(tǒng)的質(zhì)量mL折算到電動機(jī)軸上，用等效的轉(zhuǎn)動慣量J 來表示。折算的原則是兩者儲存的動能相等，即（1-26） （1-27）30可得 由于 =2n/60 ，mL = GL/g ， 31第三節(jié) 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 運動方程式中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系TL= f（n）即為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小與多種因素有關(guān)。以車床主軸為例，當(dāng)車床切削工件時，主軸轉(zhuǎn)矩和切削速度、切削量大小、工件直徑、工件材料及刀具類型等都有密切關(guān)系。大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可歸納為下列三種類型。、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 所謂恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，就是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 與轉(zhuǎn)速n無關(guān)的特性，即當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時

16、，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL保持常值。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性又可分為反抗性負(fù)載特性和位能性負(fù)載特性兩種： 1、反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的特點是，恒值轉(zhuǎn)矩TL總是反對運動的方向。 2、位能性恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩則與反抗性的特性不同，其特點是轉(zhuǎn)矩TL具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變。 32恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 33二、恒功率負(fù)載特性 有些生產(chǎn)機(jī)械，比如車床，在粗加工時，切削量大，切削阻力大，此時開低速；在精加工時，切削量小，切削阻力小，往往開高速。因此，在不同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，即 由于負(fù)載功率PL= TL ， = 2n/60，即 PL=TL2n/60 = TL n/9.55， 再代入上式，可得PL= k /9.5

17、5為常數(shù)，表示在不同轉(zhuǎn)速下，電力拖動系統(tǒng)的功率保持不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL與n 的持性曲線呈現(xiàn)恒功率的性質(zhì) 34三、通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性 通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比 。為反抗性負(fù)載。通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性 屬于通風(fēng)機(jī)負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械有離心式通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等，其中空氣、水、油等介質(zhì)對機(jī)器葉片的阻力基本上和轉(zhuǎn)速的平方成正比。 35實際通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性 實際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。例如，實際通風(fēng)機(jī)除了主要是通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性外，由于其軸承上還有一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，因而實際通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性應(yīng)為 機(jī)床平移機(jī)構(gòu)實際的負(fù)載特性36第四節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行 電力拖動系統(tǒng)是由

18、電動機(jī)與負(fù)載兩部分組成的，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為機(jī)械特性n=f(Te)，分析電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行問題。 為了便于理解，現(xiàn)分兩步來分析和求解問題： 給出問題的直觀解，即首先建立電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行 的直觀概念； 從電力拖動系統(tǒng)的運動方程出發(fā)，給出這一問題的解析解。 一、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的概念：所謂電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行是指系統(tǒng)在擾動作用下，離開原來的平衡狀態(tài)，但仍然能夠在新的運行條件達(dá)到平衡狀態(tài)，或者在擾動消失之后，能夠回到原有的平衡狀態(tài)。 37提問：是否在所有的電動機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性交點上運行的情況都能夠穩(wěn)定運行呢？下面舉例說明。 38顯然，在交點A處，nnA，TTL ，

19、滿足了系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，電動機(jī)的機(jī)械特性突然(忽略電磁過渡過程)從曲線1變成曲線1，而此時的轉(zhuǎn)速不能突變，仍為nA，可是曲線1的電磁轉(zhuǎn)短小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)開始減速。隨著轉(zhuǎn)速的降低，電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)減小，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍不變，系統(tǒng)將繼續(xù)減速，因而轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，直到轉(zhuǎn)速等于0。 39二、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件穩(wěn)定運行的充分必要條件是 根據(jù)電力拖動運動方程： 系統(tǒng)在平衡點穩(wěn)定運行時應(yīng)有 這種平衡狀態(tài)僅僅是系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件 40第五節(jié) 電力拖動系統(tǒng)過渡過程 所謂動態(tài)過程是指系統(tǒng)從一個穩(wěn)定工作點向另一個穩(wěn)定工作點過渡的中間過程，這個過程被稱為過渡過程，系統(tǒng)在過渡過程的變化規(guī)律和性能被稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。 、電力拖動系統(tǒng)動態(tài)分析的假設(shè)條件 如果已知電動機(jī)的機(jī)械特性、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、起始點、穩(wěn)態(tài)點以及系統(tǒng)的飛輪矩，可根據(jù)