电机及驱动技术

电机驱动及控制课程要求一、课程的目的•1、握直流电机以及交流三相电机的工作原理、特性以及电机的选择应考虑的因素。•2、了解电机调速的基本知识。•本课程的主要内容包括：–直流电机•直流电机的原理与结构。•直流电机的机械特性。•直流电机的换向。•他励直流电机的制动与调速。–交流异步电机•三相异步电动机的基本工作原理。•异步电机的机械特性。•异步电机的启动、制动与调速。–电机的选择•电机的发热与冷却。•电机的容量选择•电机种类、类型、电压、转速选择。二、参考书1、电机驱动技术王淑芳编科学出版社2、电机与电力拖动朱耀忠主编北京航空航天大学出版社3、电机及拖动许晓峰主编高等教育出版社本课程的考核形式及记分•考查•随堂测验•总成绩=0.6*考查成绩+0.4*平时成绩•平时成绩=0.4*课堂作业+0.3*考勤+0.3*实验；同时参考网络学堂使用情况答疑时间、地点•时间：每周日上午10：00--11：00•地点：实验楼203网络学堂网址：用户名：学号密码：初始密码123456进入后点击“我的课程”→“电机驱动及控制”第一章预备知识•1.1有关磁场的几个物理量•1.1.1磁感应强度（磁通密度）B•用来描述磁场强弱及方向的物理量，单位为T（特斯拉）。•1.1.2磁通量Φ•简称磁通，指穿过某一截面S的磁感应强度B的通量。常用穿过截面S的磁感线的数量表示。•对垂直于截面的均匀磁场有：Φ=B*S或B=Φ/SΦ的单位为Wb（韦伯）。1T=1Wb/m2SdSB•1.1.3磁场强度H是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的物理量，方向与B相同，大小：B=μ*H或H=B/μμ：导磁率。反映导磁介质导磁性能的物理量。μ大表示导磁性能好。单位H/m真空中的导磁率μ0=4π×10-7H/m其他材料导磁率为μ0的倍数：μ=μrμ0μr=μ/μ0为相对导磁率。非铁磁材料的相对导磁率μr=1，为常数铁磁材料的相对导磁率μr=2,000—6,000，为非常数。H的单位为A/m（安培/米）•1.2常用基本定律•1.2.1电磁感应定律一、切割电动势由导体或导线切割磁感应线而感应的电动势。B、l、v三者相互垂直时有：e=Blve—感应电动势，方向可由右手定则确定B—磁感应强度l—导体的有效长度v—导体相对于磁场的运动速度返回•1.2.2电磁力定律载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，当磁感线和导体方向互相垂直时，载流导体所受电磁力为：f—载流导体所受的电磁力B—载流导体所在处的磁感应强度l—载流导体在磁场中的有效长度I—载流导体中流过的电流电磁力的方向可由左手电动机定则确定BlIf•二、变压器电动势与线圈交链的磁通发生变化时，线圈中将感应出电动势，方向可由楞次定律确定。楞次定律：闭合导体回路中的感应电流，其流向总是企图使感应电流自己激发的穿过回路面积的磁通量，能够抵消或补偿引起感应电流的磁通量的增加或减少。或者说：回路中感应电流的流向，总是使感应电流激发的穿过该回路的磁通量，反抗回路中原磁通量的变化。N：线圈匝数dtdNe第二章直流电机的电力拖动主要内容：直流电动机的结构，特性，启动，制动，调速第一节直流电机的结构与工作原理2.1结构直流电动机工作具有可逆性，即可作为电动机使用，也可作为发电机使用，两者结构上相同。直流电机的结构简单的说可以有如下几个部分组成：主磁极，励磁绕组换向磁极及绕组电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承其他还包括机壳、风扇等。1、励磁绕组的作用是在主磁极上产生磁通（主磁通）。该磁通是使电机工作的前提。2、电枢绕组是转子的一部分，有了主磁通之后，若在电枢上加入电压，形成电枢电流，这时电机转子就会在主磁通与电枢磁场的作用下产生旋转运动。外力使转子转动，则会在电枢上感应出电压，这时的电机就成为发电机。3、换向器（整流子）的作用是将外加的直流电转换为电动机电枢所需的交流电，或是将发电机电枢绕组中的交流电变为直流电输出。4、电刷：外部给电枢施加的直流电压或电枢产生的电压，通过整流子与电刷的接触进行传输。5、换向极：用来改善换向特性，减少换向火花。•思考题1、直流电动机和直流发电机在结构上是否相同？2、在什么条件下直流电动机可以作为直流发电机使用？3、直流电动机电枢中的电流是直流的还是交流的？为什么？2.2直流电动机的铭牌数据国家标注规定直流电动机的额定数据有：1、额定容量（功率）Pn(kW)2、额定电压Un(V)3、额定电流In(A)4、额定转速nN(r/min)5、励磁方式和额定励磁电流IfN(A)NNNNIUPηN—直流电动机的额定效率；为直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率的比。电动机轴上输出的额定转矩T2Nmin)/()(9550min)/()(55.9602)(2rnkWPrnWPnPPmNTNNNNNNNNN直流电动机型号Z2-92励磁方式并励额定功率30kW励磁电压220V额定电压220V工作方式连续额定电流160.5A绝缘等级B级额定转速750r/min效率85%标准编号重量685kg产品编号出厂日期X年x月xxxx电机厂2.3直流电动机的励磁方式根据励磁方式的不同，直流电动机分为如下几种方式：a、他励直流电机b、并励直流电机c、串励直流电机d、复励直流电机2.4直流电动机工作原理NφφSiabcdFFii+AB-n电动机模型注意：当电动机在电枢电流的作用下旋转时，其电枢线圈会切割磁力线这一运动会在电枢中产生感生电动势，该电动势产生的电流方向与外加电源的方向相反，对外加电流有抵消作用，而且这一感生电动势与转速有关，与转速成正比。2.5直流电动机的基本方程查看•Ia——电枢电流•Ea——电枢中感生电动势•U——供电电压•Uf——励磁电压•If——励磁电流•Ф——磁通量•Tem——电磁转矩•n——转速•T2——电机轴输出转矩•T0——电机轴空载转矩矩•基本方程)111(..............................)81........(..............................)101....(2)61.........(..............................02LemaTemfffaaabaaaeaTTTTICTRIURIEUrIEUnCE电压平衡方程转矩平衡方程Ce—电动式常数CT—转矩常数，取决于电机的结构Ra—电枢内电阻，包括电刷接触电阻ra—电枢绕组电阻apNCapNCTe260eTCC55.9p（—极对数）a（—绕组并联支路对数）与电机结构有关bCuaemabaaaaabaaaappPPIUrIIEIUrIEUI122)2(P1—电网输入功率Pem—电磁功率pCua—电枢铜损耗pb—电刷接触损耗0202PPPTTTememP2—电机轴输出功率（轴功率）∴P1=Pem+PCua+Pb=P2+P0+PCua+PbP0包含铁损、机械损耗、其他损耗故：P1=P2+Σp效率可以表达为：)131.........(..........1212pPpPP2.6他励直流电动机的机械特性2.6.1机械特性方程式机械特性—在电枢电压，励磁电流，电枢总电阻均为常数的条件下，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。即：n=f(Tem)对电枢回路有：)52.(....................)(aadaaIRREUnCEea)62.......(..........2emTeeTemeTCCRCUnCTRnCU)(adaRRR0naTemICT)72(....................0emTnn2TeCCRn0—理想空载转速—机械特性的斜率TN—额定转矩nN—额定转速T0—实际空载转矩n0’—实际空载转速emTnnn0)82.......(..........2emNTeaNeNTCCRCUn也可以%表示Δn：%100000nnnnnn2.6.2他励直流电动机的固有机械特性所有参数均为额定值时的机械特性，即：U=UN,Φ=ΦN,Rad=0。固有机械特性的特点：•1、电磁转矩Tem越大，转速越低。•2、当Tem=0时，为理想空载转速。此时：Ia=0,Ea=UN。•3、斜率β小，特性线较平，称为硬特性；β大，称为软特性。•4、T=TN时，n=nN，转速差ΔnN=n0-nN=βTN，称为额定转速差。一般ΔnN=0.05n0•5、电机起动时n=0，此时电枢电流称为起动电流，转矩成为起动转矩。此时的起动电流和起动转矩分别为：NeNCUnn0ststNtstaNaTICTIRUI若Δn=n0-n=0.05n0，则：staNNeNNNeaemIRUICUICRTn05.005.005.0因此，启动时有：NstNstTTII20;202.6.3他励直流电动机的人为机械特性通过改变U、Φ、Rad三个参数实现对机械特性的调整。一、电枢中串入电阻时的人为机械特性U=UN,Φ=ΦN,R=Ra+Rad)122(........................................02nnTCCRRCUnemNTeadaNeNn0不变β变化二、改变电枢电压的人为机械特性Φ、R=Ra不变，而改变U)132(........................................02nnTCCRCUnemNTeaNen0变化β不变由于n0随着U的减小而减小，而β不变，形成一组平行直线。UNU1U2U3三、减弱励磁磁通时的人为特性R=Ra、U=UN不变，而改变Φ改变Φ意味着减小Φ（正常工作时磁路基本饱和）。机械特性方程：转速方程n=0时，)142(........................................02nnTCCRCUnemTeaeNaNaRUI)152....(....................aeaeNICRCUnn0、β均发生变化aNkRUI图中，堵转电流与磁通Φ的大小无关，为：而堵转转矩：当转矩不大时Φ的减小可以导致转速提高；而当转矩较大时，Φ的减小会导致转速降低（此时处于过载状态）。aNkRUIKTkICTΦ的减小导致转速提高Φ的减小导致转速降低T2T12.6.4电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统的稳定运行指的是电动机带动负载在恒定的转速下运行。实际上，在工作中由于负载的变化或电网电压的波动都会导致系统的运行偏离额定工作点，这就要求系统有能力恢复稳定状态。特性线下降特性线上升电力拖动系统稳定运行的条件为：（1）电机的机械特性与负载转矩特性必须有交点，即Tem=TL。（2）在交点附近有：也可以说：在交点的转速以上存在TemTL，在交点的转速以下存在TemTL。对于有下降趋势机械特性的电机都可以有稳定态，另外此规律对交流电机同样适用。dndTdndTLem2.6.5他励直流电机的起动一、电机的起动电机起动时应首先加上励磁电压使电机主磁极上建立起稳定的磁通，之后才能给电枢通电。给电枢通电时由于n=0,没有感生电动势，所以此时电枢电流会很大（10-20倍IN），同时Tst=CtΦNIst也会很大。①一方面Ist大可能引起整流子的火花或环火②另一方面过大的Tst会造成冲击，易损坏转动机构。③过大的Ist对电网也会有很大冲击。再者④过大的Ist对电机本身也很不利。可能烧坏电枢。aNastRUII一般要求Ist=（1.5～2）IN对电机起动的要求：①有足够大的起动转矩。②起动电流在限制范围内。③起动设备简单可靠。二、直接起动三、电枢回路串电阻起动在这种起动方式中电压U=UN不变。在电枢回路中串接电阻，以达到限制电流的目的。串接的