绪论

绪论一、什么是机电在现代，电能是一种广泛应用的能源。电能与其他能源相比，有突出的优点。首先电能的生产与转换比较经济，目前我国的公共电网就是由众多的火力发电厂与水力发电站并网运行组成的；其次电能传输与分配比较容易。尤为突出的是，它可以远距离输送，可把某地生产的电能输送到几千公里之外的地区去；再者电能的使用与控制比较方便，且易于实现自动化。因此，在现代社会中，电能的应用已遍及各行各业中。在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，都必须通过能够进行能量(或信号)传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。通常所说的电机，是指那些利用电磁感应原理设计制造而成的、用于实现能量(或信号)传递与变换的电磁机械的统称。按电机的功能来分类，电机可分为：(1)发电机——把机械能转变成电能；(2)电动机——把电能转变成机械能；(3)变压器、变频机、变流机、移相器等，是分别用于改变电压、频率、电流及相位的，即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能；(4)控制电机——应用于各类自动控制系统中的控制元件。值得指出的是，从基本工作原理来看，发电机与电动机只是电机的两种不同的运行方式，从能量转换的观点来看，二者是可逆的。上述的各种电机中，有些是静止的，如变压器；有些是旋转的，如各种类型的发电机与电动机。按电流的类型及工作原理的某些差异，旋转电机又可分为直流电机、交流异步电机、交流同步电机及各种具有专门用途的控制电机等。二、电机以及电力拖动的发展概况始于19世纪60～70年代的第二次工业技术革命，是以电力的广泛应用为显著特点的。从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上，一系列电气发明相继出现。1866年，德国工程师西门子制成发电机；1870年比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始成为取代蒸汽来拖动机器的新能源。随后，各种用电设备相继出现。1882年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第一个火力发电站，把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时，电机刚刚在工业上初步应用，各种电机初步定型，电机设计理论和电机设计计算初步建立。随着社会生产的发展和科技的进步，对电机也提出了更高的要求，如：性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻体积小等，而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电机的理论基础上，又派生出多种精度高、响应快的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。电机制造也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向高效节能方向发展。各种响应快速、起停快速的特种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控制论结合起来，发展成了一门新的学科。在我国，电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从1917年至今已有80多年的历史，经过改革开放20多年的发展，特别是近10年的发展，有了长足的进步，令世人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体系，电机产品的品种、规格、性能和产量满足了我国国民经济发展的需要。而且一些产品已经达到或接近世界先进水平。近来世界上电机行业专家纷纷预测，中国将会成为世界电动机的生产制造基地。近年来我国已生产了不少大型直流电动机、异步电动机和同步电动机；在中小型电机和控制电机方面，亦自行设计和生产了不少新系列电机；对电机的新理论、新结构、新工艺、新材料、新运行方式和调试方法，进行了许多研究和试验工作，取得不少成果。与电机发展过程一样，电力拖动技术也有个不断发展的过程。电动机拖动生产机械的运转称为电力拖动(或称为电气传动)。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成。它们之间的关系如图0.1所示。图0.1电力拖动系统的构成电力拖动代替蒸汽或水力拖动之初，电力拖动的方式是成组拖动，就是由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到各个生产机械的能量传递以及各个生产机械之间的能量分配完全用机械的方法，靠“天轴”以及机械传动系统来实现，车间里有大量的“天轴”、长皮带和皮带轮等。这种传动方式效率低下，生产率低下，灰尘大，劳动条件和卫生条件差，且容易出事故。另外，电动机发生故障，则成组拖动的所有生产机械都将停车，生产将可能停滞。显然这是一种落后的电力拖动方式。20世纪20年代以来，生产机械上广泛采用一种“单电机拖动系统”，即一台生产机械用一台单独的电动机拖动。简化了机械结构，且易于实现生产设备运转的全部自动化。但是，由于是一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械，需要负责能量传递的机械传动机构。所以，从20世纪30年代起，广泛采用了“多电动机拖动系统”，即每个工作机构由单独的电动机拖动，因而生产机械的机械结构可以大大简化，提高了机械机构的可靠性。随着生产的发展和科技水平的提高，对拖动系统提出了更高的要求，如：要求提高加工精度与工作速度，要求快速起动、制动及反转，实现在大范围内调速以及整个生产过程自动化等。这些，都必须要有自动控制设备，以组成自动化的电力拖动系统。最早的电力拖动控制系统是继电器-接触器自动控制系统，属于有触点断续控制系统。接着，出现了发电机-电动机组，使得直流电动机得到了广泛的应用。并且在这个基础上，发展成为采用电力电子器件组成的自动化直流电力拖动系统，并且正向大容量方向发展；自动化元件已有成套标准控制单元，控制装置集成化、小型化、微型化，设备可靠性高，维护简便，许多设备都可做到自动运行，不需要监视和维护。但是，由于交流电动机较之直流电动机具有：结构简单、价格便宜、维护方便、惯性小等一系列优点，而且单机容量可以做得很大，电压等级可以做得很高，可以实现高速拖动等，所以，人们一直在致力研究性能更高的交流调速系统。目前，随着电力电子器件的发展，交流调速系统已经得到广泛应用，性能指标进一步提高，容量进一步增大，控制系统集成化程度进一步提高。交流电力拖动系统取代直流电力拖动系统已经是无可争议的事实了。我国的电力拖动系统取得的发展是有目共睹的，但是，与国外比较，还是有很大差距。主要体现在：技术水平相对较低、拖动运行效率不高、成套技术不成熟等。目前，正在奋起直追，狠抓基础，开展一些关键技术的研究，以期尽快缩短和国外的差距，力争达到拖动系统的综合技术经济指标最佳。三、电机及电力拖动系统的发展前景电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。同时，随着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，是我国电工电器行业(电机)发展的重点产品。稀土永磁电机，无轴承电机也是电机技术发展的新动向。与此相适应，电机拖动也有了新的发展，对拖动系统又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速启动、制动和逆转，实现很宽范围内的调速及整个生产过程的自动化等，这就需要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些高要求的拖动系统随着自动控制理论的不断发展，半导体器件和电力电子技术的采用，以及数控技术和计算机技术的发展与采用，正在不断地完善和提高。综上所述，电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电气自动化的基础。四、本课程的性质、任务、内容与特点《电机及拖动》是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门专业基础课。它的主要任务是使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构与工作原理，电力拖动系统的运行性能、分析计算，电机容量选择及试验方法等，为学习《工厂电气控制设备》、《自动控制原理》、《信号与系统》等课程准备必要的基础知识。《电机及拖动》是分析和解决电机与电力拖动系统的基本问题，主要包括直流电机及拖动、变压器、异步电机及拖动、同步电动机、控制电机和电动机容量的选择等内容。课程学完后学生应达到下列要求：掌握常用的交直流电机及变压器的基本原理(电磁关系、能量关系)；掌握电动机机械特性以及各种运行状态的基本原理；掌握电力拖动系统中电动机的调速方法、调速原理和技术经济指标；掌握电机与电力拖动系统的基本实验方法与技能，并具有熟练的运算能力；掌握电力拖动系统中电动机容量的选择；掌握控制电机的工作原理、特性及用途。本课程的特点是理论性强、实践性也强。分析电机与电力拖动的工作原理要用电学、磁学和动力学的基础理论，既要有时间概念，又要有空间概念，所以理论性较强；而用理论分析各种电机和电力拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构、采用工程观点和工程分析方法，除要掌握基本理论以外，还应注意培养实验操作技能和计算能力，所以实践性也较强。因此，学习本门课程应该特别注意理论联系实际。五、本书常用的电磁定律与公式1)全电流定律凡是电流均会在其周围产生磁场，这就是电流的磁效应，即所谓“电生磁”。例如电流通过一根直的导体，在导体周围产生的磁场用磁力线描述时，磁力线是以导体为轴线的同心圆，磁力线的方向可根据电流的方向由右手螺旋定则确定，如图0.2所示。图0.2电流方向与磁力线方向的关系如果是电流通过导体绕成的线圈，产生的磁场的磁力线方向仍可用右手螺旋定则确定，这时，使弯曲的四指方向与电流方向一致，则大拇指的方向即为线圈内磁力线的方向，如图0.2所示。(1)磁感应强度B。磁场中任意一点的磁感应强度B的方向，即为过该点磁力线的切线方向，磁感应强度B的大小为通过该点与B垂直的单位面积上的磁力线的数目。磁感应强度B的单位为T，工程上常沿用Gs为单位，其换算关系为1T＝104Gs(2)磁通量Φ。穿过某一截面S的磁感应强度B的通量，即穿过某截面S的磁力线的数目称为磁通量，简称磁通(Φ)，并有dSΦBS设磁场均匀，且磁场与截面垂直，上式可简化为Φ=BS磁通的单位为Wb。有时沿用Mx为单位，其换算关系为由上式可知，磁场均匀，且磁场与截面垂直时，磁感应强度的大小可以用下式表示81Wb10MxΦBS因此，磁感应强度又称为磁通密度。其单位与磁通和面积的单位相对应，即22WbMx1T1,1Gs1mcm(3)磁场强度H。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，其方向与B相同，其大小与B之间相差一个导磁介质的磁导率μ，即磁导率μ是反映导磁介质导磁性能的物理量，磁导率μ越大的介质，其导磁性能越好。磁导率的单位是H/m。真空中的磁导率，其他导磁介质的磁导率通常用μ0的倍数来表示，即式中——导磁介质的相对磁导率。铁磁性材料的相对磁导率2000～6000，但不是常数，非铁磁性材料的相对磁导率，且为常数。磁场强度的单位为A/m，工程上常沿用A/cm为单位。BHBH或0rr070410H/m1rr(4)全电流定律。磁场中沿任一闭合回路l对磁场强度H的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和。其数学表达式为这就是全电流定律，当导体电流的方向与积分路径的方向符合右手螺旋定则时为正，如图0.3中的I1和I3；反之则为负，如图0.3中的I2。dlHlI图0.3全电流定律图0.4磁路示意图2)磁路的欧姆定律磁力线流通的路径称为磁路。工程上将全电流定律用于磁路时，通常把磁力线分成若干段，使每一段的磁场强度H为常数，则线积分可用式来代替，全电流定律可以表示为dlHlkkHlkkHlI式中Hk——第k段的磁场强度；lk——第k段的磁路长度。对图0.4所示的磁路，，W为线圈匝数，I为线圈中的电流，则有将和代入上式即得1122kkHlHIHIIWI，1122HIHIWIBHΦBS1212mm1212ΦΦllΦRΦRWIFSS式中——分别为第1段、第2段磁路的磁阻；——分别为第1段、第2段磁路的磁压降；F=WI——磁路的磁动势。一般情况下，磁路分为n段时，则有