电机拖动与控制要点

张勇主编电机拖动与控制青岛港湾职业技术学院面向21世纪高职高专系列教材第0章电机概述电机的定义电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为电动机；将机械能转换为电能的电机称为发电机。工作原理电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。构造的一般原则用适当的导磁和导电材料构成能互相进行电磁感应的电路和磁路，以产生电磁功率和电磁转矩，达到能量转换的目的。电机分类：变压器直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压变压器、降压变压器动力电机微特电机感应电机同步电机感应电动机感应发电机交流电机同步电动机同步发电机同步补偿机直流电动机直流发电机旋转电机静止电机特种变压器：自耦、三绕组、互感器我们周围的电机举例：我们周围的电机举例：本章内容：直流电机的基本工作原理直流电机的结构及铭牌直流电机的电枢绕组直流电机的磁场电枢绕组的感应电动势与电磁转矩直流电机中的换向直流电动机的分类第一章直流电机基本理论及结构第一章直流电机基本理论及结构直流电机优缺点：优点：起动性能和调速性能好，过载能力大。缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差。直流电机发展形势：随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继续发挥作用。1.1直流电机的基本工作原理补充：分析电机常用的基本电磁定律(1)电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。•力的方向用左手定则确定：若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=B·L·IF：力，NB：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mI：导体中的电流，A若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=B·L·VE：感应电势，VB：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，mV：导体的运动速度，m/s•感应电动势的方向用右手定则确定：1.1直流电机的基本工作原理(2)电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。1.1直流电机的基本工作原理(3)电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。•磁场的方向用右手螺旋定则确定：1.1直流电机的基本工作原理1.1.1直流电动机的基本工作原理直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过，电流方向a到b到c到d到a。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。如右图。a)图1-1直流电动机的工作原理1.1.1直流电动机的基本工作原理当电枢旋转到右图所示位置时原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。b)图1-1直流电动机的工作原理1.1.1直流电动机的基本工作原理电机的各组成部件1.1直流电机的基本工作原理1.1.2直流发电机的基本工作原理右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。图1-2直流发电机的工作原理图1.1.2直流发电机的基本工作原理直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。当原动机驱动电机转子逆时针旋转时，线圈abcd将产生感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为正，电刷B极性为负。图1-2直流发电机的工作原理图当原动机驱动电机转子逆时针旋转180度后，如右图。导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下。1.1.2直流发电机的基本工作原理图1-2直流发电机的工作原理图1.1.2直流发电机的基本工作原理♣电机可逆原理：从上述基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，将机械能从电机轴上输入，而电刷上不加直流电压，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机；如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。这种同一台电机，既能作发电机又能作电动机运行的原理，在电机学理论中称为电机的可逆原理。1.2直流电机的结构及铭牌1.2.1结构直流电机结构：主要由定子、转子（电枢）两大部分组成。定子的作用是产生磁场；转子的作用是产生电磁转矩和感应电动势。1.2.1结构图1-4直流电机横剖面示意图1.定子直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。(1)主磁极：主要作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。(2)换向极：主要作用是改善换向，安装在两相邻主磁极之间，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成。(3)机座：机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。机座的两端装有端盖。(4)端盖：端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。1.2.1结构1.2.1结构(5)电刷装置：电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。图1-7换向极1.2.1结构1.2.1结构2.转子转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。(1)电枢铁心：电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽硅钢片叠压夹紧而成。(2)电枢绕组：电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。(3)换向器：在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。1.2.1结构1.2.1结构1.2.1结构图1-9直流电机转子结构1.转轴2.轴承3.换向器4.电枢铁心5.电枢绕组6.风扇7.轴承1.2.1结构电机的铭牌上标明了电机的型号及额定数据，供用户选择和使用时参考。额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。1.2.2电机的铭牌1.铭牌数据根据国家标准，直流电机的额定数据有：⒈额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以W为量纲单位。若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。★对于直流发电机，PN是指发电机带额定负载时，电刷输出的功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UNIN★对于直流电动机，PN是指电动机带额定负载时，转轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN(ηN额定效率）1.2.2电机的铭牌⒉额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。⒊额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。⒋额定转速nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。⒌额定励磁电流If指电机在额定状态时的励磁电流值。1.2.2电机的铭牌额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速Nn额定转速1.2.2电机的铭牌fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。●电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，其大小等于输出的额定机械功率除以转子额定角速度，即TN=PN/ΩN=PN/(2πnN/60)=9.55PN/nN※实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行；而电机的负载超过额定容量，称为过载运行。长期的欠载或过载都不好。1.2.2电机的铭牌例题1-1：一台直流电动机其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V，额定效率ηN=90%，额定转速nN=1500r/min，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少？1.2.2电机的铭牌解：额定输入功率P1=PN/ηN=160/0.9=177.8kW额定电流IN=PN/UNηN=160*103/220*0.9=808.1A额定转矩TN=9.55PN/nN=9.55*160*103/1500=1018.7N•m2.国产直流电机产品的型号：电机产品的型号一般用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再从该字的拼音中得到，例如，ZA—112/2—1其中，Z—直流电动机；A—设计系列号；112—中心高112mm2—极数；1—1号铁心•Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机及调压发电机。•Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列；ZF是直流发电机系列。•ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。•ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。•ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。1.2.2电机的铭牌1.3直流电机的电枢绕组1.3.1电枢绕组的常用术语•元件（线圈）：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。一个元件由两条元件边和端接线组成，元件边放在槽内，能切割磁力线而产生感应电动势，叫“有效边”，端接线放在槽外，不切割磁力线，仅作为连接线用。每个元件的一个元件边放在某一个槽的上层，另一个元件边则放在另一槽的下层。•元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。每一个元件的两个端点分别接在不同的换向片上，每个换向片接两个不同的线圈端头。•实槽：电机电枢上实际开出的槽叫实槽。实槽数用Q表示。•虚槽：即单元槽(每层元件边的数量等于虚槽数)，每个虚槽的上、下层各有一个元件边。虚槽数用Qμ表示。设槽内每层有μ个虚槽，若实槽数为Q，虚槽数为Qμ，则Qμ=μQ。•极轴线：磁极的中心线。•几何中性线：是指主磁极N极和S极的机械分界