1、緒論 電機(jī)、電力拖動的基本概況,關(guān)于能量 關(guān)于電機(jī) 關(guān)于本課程,緒論,一、關(guān) 于 能 量,1. 能量的運(yùn)動方式,風(fēng)能,變換,一種形式,另一種形式,2. 能量的基本存在形式,機(jī)械能,電能,熱能,核能,磁能,光能,關(guān)于能量,化學(xué)能,二、關(guān) 于 電 機(jī),一種能量變換 裝置,集電能、磁能 和機(jī)械能 為一體,一種典型的機(jī)電一體化 設(shè)備,可控性 越來越強(qiáng),關(guān)于電機(jī),電機(jī)的應(yīng)用分類,電動方式 消耗電能 發(fā)電方式 產(chǎn)生電能,二、關(guān) 于 電 機(jī),關(guān)于本課程(一),三、關(guān) 于 本 課 程,專業(yè)目的 研究電機(jī)，對其實(shí)施預(yù)想的控制（后續(xù)課程：運(yùn)動控制系統(tǒng)）,預(yù)備知識 電路原理（電動勢，電勢平衡，復(fù)阻抗，電路的相量分析

2、） 電磁學(xué)（電磁效應(yīng)） 運(yùn)動力學(xué)（力矩，運(yùn)動狀態(tài)）,學(xué)習(xí)內(nèi)容 電動勢，電勢平衡，電磁轉(zhuǎn)矩，相量圖及其分析； 工作特性，機(jī)械特性，機(jī)械負(fù)載，功率損耗，有功功率，無功功率； 空載運(yùn)行，負(fù)載運(yùn)行，電機(jī)起動，電動運(yùn)行，制動運(yùn)行；,三、關(guān) 于 本 課 程,學(xué)習(xí)方式 以物理 概念領(lǐng)先，數(shù)學(xué)描述隨后； 突出主要知識點(diǎn)，以點(diǎn) 帶面； 注意知識的持續(xù) 性、關(guān)聯(lián) 性； 擯棄“按例解題”學(xué)習(xí)模式，建立獨(dú)立的、發(fā)散的 和思辯的 思維方式；,教與學(xué) 課堂教學(xué)：參與和互動； 成績評價體系：,課堂記錄,實(shí)驗(yàn)記錄,作業(yè)記錄,理論考試,四部分,60%左右,40%左右,關(guān)于本課程(二),第一章 磁路,基本定律及物理概念 磁場與電

3、流 磁路與電路,第一章 磁路,1-1 磁路的基本定律,一、（電）磁場存在的基本要素,磁場源，勵磁源，勵磁電流 磁路，磁通路徑,二、（電）磁場的基本物理量,磁通 描述 通過一定橫截面積的磁力線總數(shù) 符號 類型 矢量 量綱 Wb ； 1 Wb = 108 lines 磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，磁通密度 描述 通過單位面積的磁力線數(shù)量 符號 B ；B = / A(面積) 類型 矢量 量綱 Wb/m2,面積A,磁力線,單位面積,1-1磁路的基本定律（一）,磁勢（磁動勢） 描述 衡量磁場源的基本強(qiáng)度 符號 F F = i N 類型 矢量 量綱 Aturn(安匝) 磁場強(qiáng)度 描述 在單位長度的磁力線上磁場源所分配的勵

4、磁磁勢大小 符號 H B = H 類型 矢量 量綱 T（特斯拉） 或 A / m 或 Aturn / m 磁導(dǎo)率 描述 衡量指定物質(zhì)導(dǎo)磁能力大小的物理量 符號 類型 標(biāo)量 量綱 H / m 在真空介質(zhì)中 o= 4 10-7 H/m,1-1 磁路的基本定律,1-1磁路的基本定律（三）,提示： 磁勢不僅與流過電流載體的安培強(qiáng)度有關(guān)，還與電流載體圍繞磁路的匝數(shù)有關(guān),提示： 此量綱稱為：亨每米,1-1磁路的基本定律（四）,1-1 磁路的基本定律,三、磁與電的聯(lián)系,磁場與電流 安培環(huán)路定律 P 7 右手定則,+ _,繞組 N 匝,磁性鐵心 ,橫截面A,鐵心平均長度 lc,i,磁勢的大?。?F = i N

5、 = Hclc,磁路的基本定律（六）,1-1 磁路的基本定律,磁路與電路 磁路歐姆定律 P 7 磁路與電路的區(qū)別 P 9,+ _,V,R,I,F,+ _,Rm,電路 磁路,思考（一）,1-1 磁路的基本定律,磁導(dǎo)率 （H/m）的量綱 H是即電感量的量綱，解釋 1H 的物理含義是什么?預(yù)測電磁元件的電感量受哪些參量的影響？ 在假定每種磁介質(zhì)的 為常數(shù)的前提下，如何解釋磁導(dǎo)率 （H/m）的物理意義？試寫出可能的物理描述。, 思考題 ,常用的鐵磁材料及其特性,1-2 常用的鐵磁材料及其特性,一、鐵磁物質(zhì)的磁化,很多鐵磁材料在常態(tài)下不顯磁性，只有通過外磁場的激勵，才表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。,一般用于電機(jī)的鐵

6、磁材料其Fe=(2000 6000)0，因而采用鐵磁材料構(gòu)成磁路鐵心，再由電場激勵磁場成為產(chǎn)生電機(jī)電磁場的必然途徑。,、鐵磁材料的磁化特性,1-2 常用的鐵磁材料及其特性,二、鐵磁材料的磁化特性,三、鐵磁材料的分類和損耗,1-2 常用的鐵磁材料及其特性,三、鐵磁材料的分類和損耗,鐵心損耗 P12 磁滯損耗：鐵心的磁能熱耗散 渦流損耗：鐵心的電熱損耗,第二章 直流電機(jī),原理與構(gòu)造 基本物理量與工作特性 數(shù)學(xué)描述,第二章 直流電機(jī),一、直流電動機(jī)的電磁力運(yùn)動現(xiàn)象（左手定則）,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),2-1工作原理及結(jié)構(gòu),ax 、by段雖然有電流，由于其平行于磁力線，無切割運(yùn)動，故不會產(chǎn)生感應(yīng)力而影

7、響旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,通電后，導(dǎo)體ab段受到向左的電磁力作用，導(dǎo)體ab段受到向右的電磁力作用，整個導(dǎo)體框產(chǎn)生以虛線為軸心得逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。,換向器連續(xù)轉(zhuǎn)動,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),外電源固定極性電流,三維圖示,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),2-1工作原理及結(jié)構(gòu),2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),直流電源,左手定則,瞬間 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,換向器,持續(xù) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,輸出轉(zhuǎn)矩,產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩,直流電動機(jī)的能量變換途徑：,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),二、直流發(fā)電機(jī)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象（右手定則）,恒定磁場，運(yùn)動的導(dǎo)體（單方向運(yùn)動）,借助換向器，保證輸出為直流電壓,直流電源,右手定則,交變 感應(yīng)電勢,換向器,直流 感應(yīng)電勢,輸入轉(zhuǎn)矩,產(chǎn)生 感應(yīng)電

8、勢,2-1工作原理及結(jié)構(gòu),2-1,電動運(yùn)行,發(fā)電運(yùn)行,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),直流電機(jī)電氣原理圖,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),三、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),機(jī)械結(jié)構(gòu),定子部分,轉(zhuǎn)子部分,主磁極 換向極 機(jī)座 電刷裝置,電樞鐵心 電樞繞組 換向器,電氣結(jié)構(gòu),勵磁回路,電樞回路,主磁極 換向極 電刷裝置,電樞繞組 換向器,三、直流電機(jī)結(jié)構(gòu),2-1工作原理及結(jié)構(gòu),電樞（繞組）,電刷,換向器,電源接線端,機(jī)械連結(jié)軸,主磁極，勵磁繞組,2-1 工作原理及結(jié)構(gòu),2-3直流電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)特征,直流電機(jī)電樞繞組的基本結(jié)構(gòu)特征,2-3 直流電機(jī)的繞組,為產(chǎn)生足夠的電磁力或發(fā)電電動勢 需要將均勻分布的多個電樞線圈相互并串聯(lián)

9、，形成繞組。,單繞組結(jié)構(gòu): 優(yōu)：增加線圈數(shù)量，在旋轉(zhuǎn)一周過程中始終有一個繞組產(chǎn)生均衡的電磁力或發(fā)電電勢。 劣：任何時刻只有一個繞組產(chǎn)生電磁效應(yīng)，結(jié)構(gòu)利用率低，效能差。,多繞組結(jié)構(gòu),該繞組結(jié)構(gòu)工作時有幾條電流支路？圖示狀態(tài)的電流路徑如何，以繞組端排序表示。,多繞組結(jié)構(gòu): 繞組 1-2，3-4，5-6，7-8 共四組。 利用換向片將繞組端 1和8，3和2 ，4和5，6和7 永久短接。 優(yōu)：通過繞組串并聯(lián)，增加通電線圈的數(shù)量（匝數(shù)），大大提高了在旋轉(zhuǎn)一周過程中產(chǎn)生的電磁力或發(fā)電電勢。,2-3 直流電機(jī)的繞組,多對極勵磁,N,N,S,S,極對數(shù)： P=2,2-3 直流電機(jī)的繞組,多對勵磁極結(jié)構(gòu):,2-

10、4 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,并勵方式,他勵方式,串勵方式,2-4勵磁方式,復(fù)勵方式,一、直流電機(jī)的基本勵磁結(jié)構(gòu),空載和負(fù)載勵磁狀態(tài),2-4 直流電機(jī)的勵磁方式和磁場,二、直流電機(jī)的空載勵磁狀態(tài) P30,直流電機(jī)的空載狀態(tài)定義：無負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài) 主磁通取決于勵磁電流強(qiáng)度,三、直流電機(jī)的負(fù)載勵磁狀態(tài) P32,直流電機(jī)的負(fù)載達(dá)到一定強(qiáng)度后，其電樞電流的勵磁作用不可忽略 電樞反應(yīng)：去磁作用,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,在電機(jī)的物理量中： 感應(yīng)電動勢 主要的電氣特征量 電磁轉(zhuǎn)矩 主要的機(jī)械特征量,一、感應(yīng)電動勢 Ea,量綱：伏特 無論導(dǎo)體是否帶電，只要按一定方向切割磁力線，導(dǎo)體都將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

11、直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢,；Ce 電動勢常數(shù) Ea = Ce n ； 合成磁通 ；n 電機(jī)轉(zhuǎn)速,2-6感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,P=2的直流電動機(jī)感應(yīng)電動勢分析,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,元件的指定支路邊電流變化波形,電樞空間位置與電角度的關(guān)系,由于磁極與換向電刷的配合,使電樞元件邊的電流極性與磁極極性總保持相對一致性。當(dāng)電流相角度發(fā)生半周變化即時，元件邊切割的磁通也正好發(fā)生半周變化即。,電角度,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,P=1：,設(shè)定電樞繞組每一邊支路經(jīng)過磁通變化半個周期時，需要的時間為t：,P=2：,導(dǎo)出P38 (2-18)式,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,求t時間內(nèi)最后感應(yīng)電勢平均值，最

12、后考慮電樞繞組總有效元件電勢總量值。 式2-21,感應(yīng)電動勢,推導(dǎo)線索,電磁感應(yīng)定律,單位繞組以速度n旋轉(zhuǎn)時的平均感應(yīng)電動勢,考慮總量,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩,二、電磁轉(zhuǎn)矩 Tm,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,量綱：牛頓米 具有矢量特征（順反兩種方向）。 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,； 合成磁通 Tm = CM Ia ；CM 轉(zhuǎn)矩常數(shù) ；Ia 電機(jī)電樞電流,推導(dǎo)線索,電磁力定律 單個元件所受電磁力,；Ny 每個元件的匝數(shù),電磁轉(zhuǎn)矩,元件所受電磁轉(zhuǎn)矩,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,；Da 電樞轉(zhuǎn)軸直徑,每極下的電磁轉(zhuǎn)矩,由于每個磁極下的磁通為,電磁轉(zhuǎn)矩,電樞（P對磁極）總電磁轉(zhuǎn)矩為,2-

13、6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩 Tem 的大小與每極磁通和電樞電流的乘積成正比, 思考 當(dāng)電樞回路電流為零時，是否能確定Ea為零？ 當(dāng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零時，是否能斷定 Tem 為零？,機(jī)電能量的關(guān)系,三、機(jī)電能量的關(guān)系,2-6 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,EaIa： 通過電磁感應(yīng)輸送到電機(jī)的電功率 Tem：通過電樞轉(zhuǎn)軸輸送的機(jī)械功率,2-7直流電機(jī)的運(yùn)行原理,2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,一、描述運(yùn)行規(guī)律的一般數(shù)學(xué)表達(dá),1. 電動勢平衡方程式(以電樞回路為主),電動運(yùn)行狀態(tài) 發(fā)電運(yùn)行狀態(tài),電 動 運(yùn) 行,思考,一臺直流電機(jī)，勵磁磁場恒定，電樞電阻 Ra=1，當(dāng)作為電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，外加 Ua=200V直流

14、電壓，電樞電流為10A；當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，外力拖動其穩(wěn)定運(yùn)行于同一轉(zhuǎn)速，發(fā)電輸出電流為 20A。 估算其輸出的發(fā)電電壓 UF =？,轉(zhuǎn)矩平衡方程式,2. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式,電動運(yùn)行狀態(tài) 發(fā)電運(yùn)行狀態(tài),2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,電 動 運(yùn) 行,能量平衡方程式,2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,3. 能量平衡方程式(以電動機(jī)為例 ),電功率,機(jī)械功率,轉(zhuǎn)速特性,2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,二、直流電動機(jī)的工作特性,電機(jī)為使用者提供的典型運(yùn)行規(guī)律 P4345 定義：在U = UN，If = IfN，電樞回路無外串電阻時，電動機(jī)的 n，Tem， = f ( P2 或 Ia )關(guān)系。,轉(zhuǎn)速特性 (以并勵電動

15、機(jī)為例 ) n= f ( Ia ),轉(zhuǎn)速特性的特殊工作點(diǎn),2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,n0：電機(jī)在電樞電流為0時的轉(zhuǎn)速，稱為電機(jī)在該工作條件下的理想空載轉(zhuǎn)速。,當(dāng) n = nN Ia = IN時：電機(jī)工作在額定工作點(diǎn)。,轉(zhuǎn)矩特性,2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理, 思考 電動機(jī)處于穩(wěn)定空載運(yùn)行時，大致在該特性的哪個位置點(diǎn)？,轉(zhuǎn)矩特性 (以并勵電動機(jī)為例 ) Tem= f ( Ia ),效率特性,效率特性 (以并勵電動機(jī)為例 ) = f ( Ia ),2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,思考題,2-7 直流電機(jī)的運(yùn)行原理,（并勵）直流電動機(jī)工作特性,第八章 動力學(xué)基礎(chǔ),第八章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ),運(yùn)動方

16、程式 負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,8-1 運(yùn)動方程式,8-1 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式,一、電力拖動系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),電網(wǎng)電源,受控電源,電動機(jī),機(jī)械負(fù)載,二、運(yùn)動方程式,直線運(yùn)動： 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：,；J = GD2/4g,運(yùn)動方程式,電動機(jī)運(yùn)動方程式：,8-1 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式,運(yùn)動方程與運(yùn)動狀態(tài),T = TZ 時，dn/dt = 0，穩(wěn)定運(yùn)動，無加速度，穩(wěn)態(tài) T TZ 時，dn/dt 0，加速運(yùn)動，正加速度，動態(tài) T TZ 時，dn/dt 0，減速運(yùn)動，負(fù)加速度，動態(tài),二維坐標(biāo)系的建立,8-4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,確立描述轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速函數(shù)的二維坐標(biāo)系：主體物自身轉(zhuǎn)矩（力矩）與其旋轉(zhuǎn)速度的特性關(guān)系。,

17、n,負(fù)載特性,8-4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,電動機(jī)負(fù)載：通過電動機(jī)的轉(zhuǎn)子主軸向電動機(jī)施加阻力轉(zhuǎn)矩作用的物理主體稱為電動機(jī)的負(fù)載 負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性：指從電動機(jī)一側(cè)觀察到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系（負(fù)載自身機(jī)械特性關(guān)于縱軸的投影）,一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,特點(diǎn)： 指負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小恒定，與轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)； 代表： 位能負(fù)載，反作用負(fù)載等； 描述： Tz = 常數(shù),反作用負(fù)載,位能負(fù)載,負(fù)載特性,8-4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,二、恒功率負(fù)載特性,特點(diǎn)： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低；反之，轉(zhuǎn)速越高； 代表： 機(jī)床負(fù)載等； 描述： Tz = K/n,恒功率負(fù)載,通風(fēng)機(jī)負(fù)載,三、通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性,特點(diǎn)： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速

18、的平方成正比； 代表： 風(fēng)扇負(fù)載等； 描述： Tz = Kn2,思考題,8-4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性, 思考 用直流發(fā)電機(jī)作電動機(jī)（他勵）的負(fù)載： 該負(fù)載特性具有什么特征？試畫出特性示意圖； 若要求在同樣轉(zhuǎn)速下的負(fù)載強(qiáng)度增加1倍（忽略速度受負(fù)載強(qiáng)度變化的影響），該如何調(diào)整發(fā)電機(jī)回路的參數(shù)？負(fù)載特性如何變化？試畫出特性示意圖。,F,n,+ U _,+ Ea _,n,Kd,RF,Kf,+ Uf _,Rf,D,A1,n,第九章 直流電動機(jī)的電力拖動,他勵電動機(jī)的機(jī)械特性 他勵電動機(jī)的啟動分析和應(yīng)用 他勵電動機(jī)的的制動分析和應(yīng)用,8-1 機(jī)械特性,9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,一、電動機(jī)機(jī)械特性

19、的定義和數(shù)學(xué)描述,；R = R + Ra,電動機(jī)機(jī)械特性： n = f (T)； T = Td+ To(電動運(yùn)行) 一般情況下可忽略空載損耗轉(zhuǎn)矩 To， T Td,機(jī)械特性,由于 CT = 9.55Ce,特殊工作點(diǎn)： 理想工作點(diǎn)，（0， no） 實(shí)際工作點(diǎn)，（Io，no） 額定工作點(diǎn)，（IN，nN）,9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,顯然，機(jī)械特性是描述電動機(jī)在一定工作條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)能力(轉(zhuǎn)速指標(biāo))與負(fù)載強(qiáng)度的關(guān)系,負(fù)斜率變化趨勢,磁場恒定的條件下,Tem可由Ia替代,人為機(jī)械特性,電樞串聯(lián)電阻的機(jī)械特性： U = UN， = N，R = R +Ra,固有機(jī)械特性 在 U = UN， = N，

20、R = 0的條件下,二、固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性,9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,人為機(jī)械特性 人為改變電機(jī)外部工作條件：,習(xí)題解答,改變電樞電源的機(jī)械特性： = N，R = Ra ,改變U的大小,9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,n,Ia,o,理想空載點(diǎn),U=U1,U=U2,U=U3,n,Ia,o,理想空載點(diǎn),=1, = 2, = 3,改變勵磁強(qiáng)度的機(jī)械特性： U = UN，R = Ra ,改變的大小,理想空載點(diǎn),理想空載點(diǎn),穩(wěn)定運(yùn)行自學(xué),9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,三、電力拖動穩(wěn)定運(yùn)行的條件,電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，即穩(wěn)態(tài)： dn/dt = 0 或 T = Tz,電動機(jī)從一個穩(wěn)定工作點(diǎn)

21、過渡到另一個穩(wěn)定工作點(diǎn)的過程稱為暫態(tài)： dn/dt 0 或 T Tz,閱讀P25-27頁，判斷下述電動機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時能否工作在穩(wěn)定狀態(tài)，標(biāo)明可以穩(wěn)定運(yùn)行的工作點(diǎn)。其中綠色曲線為電動機(jī)機(jī)械特性，蘭色曲線為負(fù)載特性。,圖例,9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,穩(wěn)定運(yùn)行條件,9-1 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性,穩(wěn)定運(yùn)行的充要條件,第一負(fù)載點(diǎn) (Tz1，n1),第二負(fù)載點(diǎn) (Tz2，n2),必要條件： 當(dāng) Tz1突變?yōu)?Tz2 (Tz2 Tz1) dn/dt 0 n E I T 直到 T = Tz2 dn/dt = 0 n = n2,當(dāng)負(fù)載變化后,機(jī)械特性與負(fù)載特性仍有交點(diǎn),穩(wěn)定運(yùn)行條件,9-1 他勵直流

22、電動機(jī)的機(jī)械特性,充分條件：當(dāng) U1突變?yōu)?U2 (U2 U1) I T T Tz dn/dt 0 直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n2,當(dāng) U2又變回到 U1 (U2 U1) I T T Tz dn/dt 0 直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n1,分析前提： 電樞的電氣慣性 大大小于機(jī)械慣性,電動機(jī)機(jī)械特性具有： 交點(diǎn)以上同一速度有TTz,9-2 啟動問題,一、他勵直流電動機(jī)的安全起動要求,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,問題的存在 在電樞回路中：,忽略 L，起動時，Ea = 0:,結(jié)果 ia 往往過大,超越電氣和機(jī)械強(qiáng)度的極限,改善方案：降壓啟動 電阻分壓分級

23、起動 可變電源降壓起動,直流電動機(jī)1.5KW，220V，8.7A，0.8，1450rpm,275A 8.7A,起動方法,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,負(fù)載點(diǎn) (Tz，nz),電樞電阻分級起動： 第一級 s1，s2，s3 開路 第二級 s1 閉合，s2，s3 開路 第三級 s1，s2 閉合，s3 開路 第四級 s1，s2，s3 閉合,轉(zhuǎn)折點(diǎn) (T2，0）,轉(zhuǎn)折點(diǎn) (T1，n1）,案例, 案例 已知：U = 200v，Ce = 0.2v/rpm，Ra = 1 要求：電動機(jī)從 n=0 開始起動，每增加300rpm切換一次起動電阻，盡可能使每次切換后的最大加速電流為10A，直到完全除掉外串電阻，使電動

24、機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于空載點(diǎn)（Io = 1A）。 設(shè)計各級分級電阻； 畫出起動過程的機(jī)械特性 n = f(Ia)(并標(biāo)注各轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo))； 畫出電動機(jī)電樞回路原理圖，說明分級控制步驟。,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,案例解析1,在約定工作條件下 電動機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速：,實(shí)際空載轉(zhuǎn)速：,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,參考解答：,(1A，995rpm),(0A，1000rpm),案例解析2,設(shè)第一級總電阻為 R1 (含Ra)，切換后分別為 R2，R3，R4 對應(yīng)外串電阻為R1，R2，R3，R4,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,此后電機(jī)加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到300rpm時：,一般認(rèn)為：動態(tài)過程中，電樞電流的響應(yīng)遠(yuǎn)快于轉(zhuǎn)速

25、的響應(yīng) 電機(jī)通電后，第一級總電阻為 R1,案例解析4,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,切換電阻由R1R2，速度不變，電流增加再次達(dá)10A：,此后電機(jī)加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 600 rpm 時：,案例解析5,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,切換電阻由R2R3，速度不變，電流增加再次達(dá)10A：,此后電機(jī)加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 900 rpm 時：,案例解析6,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,切換電阻由R3R4，速度不變，電流增加再次達(dá)10A：,此后速度已沒有300 rpm的增加余地，為保證切除最后一級外串電阻時電流能達(dá)到10A，切換點(diǎn)的坐標(biāo)如何確定？,案例解析7,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,切出最后一級電阻時，速

26、度應(yīng)等于自然特性在 Ia=10A 點(diǎn)：,切換點(diǎn)電流 I4：,最后，電機(jī)進(jìn)入自然特性直至穩(wěn)定于（1A, 995 rpm）,(1A，995rpm),案例解析3,n 900 600 300,Iz 10A Ia,o,（7, 300）,（5.7, 600）,（2.5,900）,（1 ,995）,（5 ,950）,9-2 他勵直流電動機(jī)的起動,9-3 制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,一、電機(jī)制動狀態(tài)的定義,當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩 T 與轉(zhuǎn)速 n 方向相反時，電機(jī)處于制動狀態(tài),提示： 制動過程不一定是減速過程 制動過程是外部機(jī)械能進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程,二、電機(jī)制動狀態(tài)的分類,能耗制動,回饋制動,反接制動,電樞反

27、接 制動,轉(zhuǎn)速反接 制動,能耗制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,能耗制動,應(yīng)用：減速，剎車或抑制速度 案例：當(dāng) K左端，電動運(yùn)行，T與 n 同向,當(dāng) K右端，U = 0 n，Ea大小、方向不變 T與 n 反向，處于制動運(yùn)行，,能耗制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,由于機(jī)械能最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β室?Ia2(Ra+Rz) 方式消耗掉，所以稱之為能 耗 制 動,機(jī)械特性方程,提示： 特性為斜率等于 （Ra+Rz）/Ce 的斜線 最大制動轉(zhuǎn)矩 T1可調(diào)節(jié),o Iz1 Iz2 Ia,案例二,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,案例分析,如圖：電動機(jī)在兩種不同強(qiáng)度的反作用負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行，若配以相同能耗制動電阻R

28、z，能否判斷兩者停車的快慢？,負(fù)載1,負(fù)載2,反接制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,反接制動,應(yīng)用：吊車重物下放等 案例： 電動運(yùn)行，R= 0，重物向上提升； 制動運(yùn)行， R 增大，使 T Tz，重物下放。,Ra,制動機(jī)械特性,n,_ +,轉(zhuǎn)速反向的反接制動,Ia,反接制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,提示： 由于速度n反向,使T與n方向相反,稱為轉(zhuǎn)速反向的反接制動; 由于Ea極性改變,電樞同時吸收外部輸入的機(jī)械功率和電源輸入的電功率,Ra,Ra+R,o Iz Ia,n no,下放工作點(diǎn),能耗制動案例分析,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,案例分析,假定，直流電動機(jī)驅(qū)動電梯穩(wěn)速上升時為正運(yùn)轉(zhuǎn)，

29、穩(wěn)速下降時（采用反接制動）為負(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。,試?yán)L出電梯下降時反接制動機(jī)械特性示意圖； 如需減慢下降速度，應(yīng)如何調(diào)整制動參數(shù)？ 能否利用能耗制動實(shí)現(xiàn)停車？,反接制動案例,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,案例分析,已知起重機(jī)直流電動機(jī)工作條件：Ce = 0.5v/rpm U = 200v，以 n=360rpm 的速度穩(wěn)定提升貨物，其等效位能負(fù)載為 Iz = 50A。 當(dāng)需要以同樣速率下放同樣的貨物時，需配置的轉(zhuǎn)速反接制動電阻 R=？ 當(dāng)貨物下放到位時需穩(wěn)定停車，試設(shè)計電氣停車方案。,反接制動案例分析1,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,Ra,Ra+R,o Iz Ia,n no,下放工作點(diǎn),堵轉(zhuǎn)點(diǎn),反接制動案例

30、分析2,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,電動提升時,制動下放時,制動停車時,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,電樞反接的反接制動,案例： 電動運(yùn)行，開關(guān) K 擲左，R= 0; 制動運(yùn)行，R 增大，開關(guān) K 擲左，電動機(jī)產(chǎn)生反向電流，制動并反轉(zhuǎn)。,Ia, +,應(yīng)用：正反雙向運(yùn)轉(zhuǎn)拖動系統(tǒng),Ia,電樞反接機(jī)械特性,提示： 由于電樞電源反接導(dǎo)致電流Ia反向,使T與n方向相反,稱為電樞反接的反接制動; 由于U 極性突然改變,電樞回路出現(xiàn)兩個電動勢源電勢疊加，必須加入較大制動電阻限制制動電流.,n no -no,Ra,T1 o Iz Ia,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,回饋制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,制

31、動機(jī)械特性,制動電流,應(yīng)用設(shè)計：,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,一個電動機(jī)控制系統(tǒng)，恒定磁通，通過改變電樞電源極性實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反方向。采用2套三相全控橋電路向電樞供電： 1. 設(shè)計合理的電樞供電電路； 討論可控電源的控制方式； 分析電機(jī)從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的 電路工作過程。,回饋制動,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,回饋制動,電動,制動,電動,電機(jī)控制問題： 能否穩(wěn)定下坡行駛？,負(fù)載分析,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,負(fù)載分析： 如何判斷水平前行和下坡時負(fù)載機(jī)械特性？,條件約定： 路面摩擦阻力為理想反作用負(fù)載（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載） 由車體質(zhì)量決定的位能負(fù)載大于摩擦阻力的作用,回饋制動機(jī)械特性,9-3 他勵直流電動

32、機(jī)的制動,當(dāng)水平電動前行時： 反作用負(fù)載與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩平衡,當(dāng)下坡前行時： 合成負(fù)載（位能、反作用負(fù)載）,回饋制動機(jī)械特性,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,制動機(jī)械特性,制動電流,回饋制動機(jī)械特性,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,Ia,Ia,提示： 由于電樞反電動勢超過電樞電源大小，導(dǎo)致電流Ia反向,使T與n方向相反,并出現(xiàn)電能回饋電源現(xiàn)象，稱為回饋制動; 在電動機(jī)工作條件不變的情況下，回饋時的運(yùn)行速度高于理想空載轉(zhuǎn)速no.,思考,9-3 他勵直流電動機(jī)的制動,思考題,若要求下坡時的行進(jìn)速度保持與水平行進(jìn)的速度不變，如何考慮制動控制策略？假定使用三相橋式相控變流電路為電樞供電，試?yán)脵C(jī)械特性示意圖進(jìn)行

33、說明。,第三章 變壓器,第三章 變壓器,電磁結(jié)構(gòu)、工作原理 空載運(yùn)行 基本方程式,電機(jī)與變壓器,電磁能,電磁能,2-1 結(jié)構(gòu)與原理,鐵心與繞組 鐵心：由具有高磁導(dǎo)率材料構(gòu)成的閉合磁路 繞組：交流電能（或信號）由一次（初級）繞組輸入，由二次（次級）繞組輸出。,3-1 結(jié)構(gòu)與原理,一、電氣結(jié)構(gòu)與工作原理,u1,u2 ZF, 思考 復(fù)阻抗 ZF= a + jb ，其中參量a、b各有什么物理含義？,結(jié)構(gòu)與原理,3-1 結(jié)構(gòu)與原理,理想變壓器： 一次繞組： 二次繞組：,二、變壓器的分類 P53,電力變壓器 特種變壓器, 思考 假設(shè)變壓器一、二次繞組顯純感性，忽略所有非線性因素，標(biāo)注電路在穩(wěn)態(tài)工作二次繞組

34、的輸出 i2、u2 的瞬時極性。,思考題,+ u1 ,u2 R,3-1 結(jié)構(gòu)與原理,i1,i2,控制變壓器,習(xí)題解答,3-1 結(jié)構(gòu)與原理,u10，i10及電路的純感性特征； 確立電路工作時段 t1 t2； Di1 /dt 0，d /dt 0及的方向?yàn)轫槙r針； 二次繞組感生電流產(chǎn)生的磁通方向阻礙的變化； 判斷出 i2， u2 的方向。,2-2空載運(yùn)行,e1,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,一、空載運(yùn)行的物理分析,其中存在少量只與一次繞組交鏈的，經(jīng)過非磁性物質(zhì)（空氣或絕緣油）的漏磁通 1,N1 N2,空載運(yùn)行,當(dāng)一次繞組施加電壓u1,；i0 一次繞組空載電流 ；e1 一次繞組漏磁通對應(yīng)的電動勢 ；r

35、1 一次繞組電阻,變壓器總磁通量： = m + 1,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,感應(yīng)電動勢和主磁通 近似假定： m = msint 則：,；Im 勵磁電流 ；I 磁化（勵磁）電流 ；IFe 鐵耗電流,感應(yīng)電動勢和主磁通,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,空載電流分析 實(shí)際空載時，銅耗 Pcu1相對很小，若忽略則有：,一般由于 I IFe， I 是 Im 的主要分量,推導(dǎo)見 P57,如何轉(zhuǎn)換為相量圖？,漏電抗的引入,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,如何將電磁效應(yīng)表達(dá)為由電氣參數(shù)組成的方程式？,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,漏磁通與漏電抗,漏磁通與漏電抗,；定義 x1為一次繞組的漏電抗，以表征漏磁通對

36、一次繞組的電磁效應(yīng)。,電勢平衡式、相量圖,二、空載運(yùn)行的電勢平衡式、相量圖和等效電路,P65,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,在假定漏電抗為 x1 的前提下，推算與二次繞組非耦合的等效阻抗,其中，將 Z1= r1+jx1 認(rèn)定為考慮一次繞組的電阻r1一次繞組漏阻抗,等效電路,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,進(jìn)一步定義 對應(yīng)的阻抗 Zm 為耦合于二次繞組的勵磁電流和磁通 由 （鐵耗分量）和 （勵磁分量）組成,定義： 一次繞組的感應(yīng)電動勢,；其中復(fù)阻抗 Zm = rm + jxm,重新表達(dá)電勢平衡關(guān)系：,相量圖及等效電路,3-2 單相變壓器的空載運(yùn)行,相量圖 （忽略銅耗） 等效電路,思考題,3-2 單

37、相變壓器的空載運(yùn)行, 思考 ,1. 當(dāng)不忽略一次繞組的電阻r1時，P58(2-16)式是否適用？,2. 利用等效電路模型說明變壓器空載運(yùn)行時電源的功率分配情況.,2-3 基本方程式,3-3 單相變壓器的基本方程式,一、負(fù)載后的電磁變化,物理分析,3-3 單相變壓器的基本方程式,I1 增量與輸出電流I2的關(guān)系：,；磁通勢變化總量為 0 ；總磁勢不變 ；一、二次繞組磁通勢變化量相量和為 0 ；一、二次繞組電流增量的關(guān)系,基本方程式,二、負(fù)載時的基本方程式,3-3 單相變壓器的基本方程式,磁動勢平衡方程,電動勢平衡方程,rm xm,r1 x1,r2 x2,rm xm,ZF,一次回路 二次回路,3-4

38、 等效電路,3-4 單相變壓器的等效電路及相量圖,一、目的,等效電路：便于工程計算的無電磁隔離的單純電路,二、繞組歸算,歸算原則：歸算前的磁勢平衡關(guān)系和能量平衡關(guān)系保持不變,歸算方法：將二次（或一次）繞組的匝數(shù)換算成一次（或二次）繞組的匝數(shù),歸算結(jié)果：將一個匝數(shù)與一次繞組相等，電磁效應(yīng)與二次繞組相同的并聯(lián)繞組去代替實(shí)際的二次繞組 N 2 = N1,歸算電動勢與電壓 由（3-15）式知，,繞組歸算,3-4 單相變壓器的等效電路及相量圖,歸算電流 保持二次繞組折算前后磁動勢不變：,歸算阻抗 保持二次繞組折算前后有功功率、無功功率不變：,等效電路,三、等效電路,3-4 單相變壓器的等效電路,由于感生

39、電動勢折算后相等，從電氣效應(yīng)的角度看，可將磁路屏蔽掉，直接連接一、二次繞組。,簡化等效電路,三、簡化等效電路,3-4 單相變壓器的等效電路,P66, 思考 ,1. 一臺單相變壓器分兩組輸入端，額定電壓分別為380/220伏，額定頻率為50Hz，試問： 1)如誤將220伏端接在380伏電源上，會有什么情況發(fā)生？ 2)如果電源電壓正常，電源頻率提高20%，xm，I0，PFe將如何變化？ 3)如果將變壓器接在直流電源上，會有什么情況發(fā)生？,思考,3-4 單相變壓器的等效電路,在變換功率一定的前提下： 1)變壓器的勵磁電抗xm宜大還是宜??？ 2)若變壓器用空氣心而不是鐵心，xm如何變化？若增大一次繞組

40、匝數(shù)， xm如何變化？,第四章 三相異步電動機(jī)的基本原理,結(jié)構(gòu)和工作原理 基本物理量,4-1 三相異步電動機(jī)原理,4-1 三相異步電動機(jī)工作原理,一、旋轉(zhuǎn)磁場,直流電動機(jī)：靜止磁場 + 外部輸入電流 異步電動機(jī)：旋轉(zhuǎn)磁場 + 內(nèi)部感生電流,三相定子繞組,互差120o空間分布,A B C,A,B,C,三相電源,互差120o正弦勵磁電流,iA,iC,iB,iA,iB,iC,4-1 三相異步電動機(jī)工作原理,單極旋轉(zhuǎn)磁場,iA,iB,iC,360o,4-1 三相異步電動機(jī)工作原理,顯然，由于三相交流相電流所在的三相繞組的對稱分布規(guī)律，產(chǎn)生的合成磁通（或磁勢）為旋轉(zhuǎn)的。,4-1 三相異步電動機(jī)工作原理,

41、那么，旋轉(zhuǎn)磁場的 速度 能否確定？,當(dāng)繞組產(chǎn)生的極對數(shù)大于1時 P = 2,多極繞組旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)的定子磁場,顯然：旋轉(zhuǎn)磁場的速率與勵磁電流頻率有關(guān)。,4-1 三相異步電動機(jī)工作原理,S,S,N,N, t = 0o, t = 120o,電磁感應(yīng)現(xiàn)象,二、電磁感應(yīng)現(xiàn)象,4-1 三相異步電動機(jī)工作原理,顯然，P = 2 時勵磁電流變化一個周期，磁場旋轉(zhuǎn) 0.5 周。,靜止的轉(zhuǎn)子繞組被旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割 （右手定則 斷定感生電流方向）； 拇指導(dǎo)體運(yùn)動方向 四指感生電流方向 掌心朝向磁場 N 極,S N,S N,稱之為同步轉(zhuǎn)速,感生電流與磁場作用產(chǎn)生電磁力（左手定則斷定電磁力方向）。 拇指導(dǎo)體受力方

42、向 四指導(dǎo)體電流方向 掌心朝向磁場N極,no與n的大小關(guān)系如何?,轉(zhuǎn)差率,4-1三相異步電動機(jī)工作原理,三、轉(zhuǎn)差率概念,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（即電動機(jī)轉(zhuǎn)速）n 與同步磁場轉(zhuǎn)速 no 的比率關(guān)系,S 稱為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率,在電動運(yùn)行時，由于n no ，所以 0 s 1,四、結(jié)構(gòu) P98,轉(zhuǎn)子繞線式：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高；易于控制。應(yīng)用面窄 轉(zhuǎn)子鼠籠式: 制造成本低，壽命長，易維護(hù)；控制復(fù)雜。應(yīng)用廣泛,9-2 銘牌數(shù)據(jù),4-2 三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),額定功率：標(biāo)準(zhǔn)工況下輸出的機(jī)械功率 額定電壓：定子繞組的標(biāo)準(zhǔn)線電壓 額定電流：定子繞組的標(biāo)準(zhǔn)線電流 額定頻率：定子繞組的勵磁電源標(biāo)準(zhǔn)頻率 額定轉(zhuǎn)速：標(biāo)準(zhǔn)工況

43、下的轉(zhuǎn)速,問題討論, 思考 從異步電動機(jī)的運(yùn)行原理看，電動運(yùn)行時是否一定存在 n no ?電動時是否可能有n = no ？ 如何使異步電動機(jī)正反運(yùn)轉(zhuǎn)？試設(shè)計一簡單電路實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向的控制。 列舉異步電動機(jī)與變壓器、直流電動機(jī)在運(yùn)行原理方面的異同之處；,4-2 三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),第五章 三相異步電動機(jī)的基本工作原理,旋轉(zhuǎn)磁動勢 等效電路 基本方程式,5-1 電磁過程,5-1 三相異步電動機(jī)運(yùn)行時的電磁過程,一、異步電動機(jī)負(fù)載運(yùn)行的物理狀況,空載時：,由于空載時 n0 n，,負(fù)載時：,負(fù)載后，電機(jī)出現(xiàn)兩個相對獨(dú)立的勵磁磁通勢F1、F2，且均為運(yùn)動的。,F2的方向,5-1 三相異步電動機(jī)運(yùn)行時的電磁過程,F2與 F1如何相互作用？,F2的旋轉(zhuǎn)方向,1,2,轉(zhuǎn)子相對運(yùn)動方向,F2的方向,5-1 三相異步電動機(jī)運(yùn)行時的電磁過程,2,轉(zhuǎn)子磁場 2 也旋轉(zhuǎn)120o 但轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流（電勢）的角速度小于120o, 思考 如上例中定子電流頻率50Hz，則轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的頻率是多少？電機(jī)轉(zhuǎn)速是多少？,假定當(dāng)定子磁場 1 旋轉(zhuǎn)120o時，轉(zhuǎn)子空間位置旋轉(zhuǎn)90o：,答案,5-1 三相異步電動機(jī)運(yùn)行時的電磁過程,轉(zhuǎn)子電流頻率： =（30o/120o）*50Hz=12.5Hz 電機(jī)轉(zhuǎn)