电机及驱动技术概要

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1、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

2、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 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

3、垂直于截面的均匀磁场有： =B*S 或B= /S 的单位为Wb（韦伯）。1T=1Wb/m2,1.1.3 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=*H 或 H=B/ ：导磁率。反映导磁介质导磁性能的物理量。 大表示导磁性能好。单位H/m 真空中的导磁率0=410-7 H/m 其他材料导磁率为0的倍数： = r 0 r= / 0 为相对导磁率。 非铁磁材料的相对导磁率r= 1，为常数 铁磁材料的相对导磁率r= 2,0006,000，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

4、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=Blv e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,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

5、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,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,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

6、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？

7、 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),N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T2N,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,注意

8、：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 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,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,p（极对数） a（绕组并联支路对数）,与电机结构有关,P1电网输入功率

9、 Pem电磁功率 pCua电枢铜损耗 pb电刷接触损耗,P2电机轴输出功率（轴功率）,P1=Pem+PCua+Pb=P2+P0+PCua+Pb P0包含铁损、机械损耗、其他损耗 故： P1=P2+p 效率可以表达为：,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：,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,也可以%表示n：,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

10、值时的机械特性，即：U=UN, = N, 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、斜率小，特性线较平，称为硬特性；大，称为软特性。 4、T=TN时，n=nN，转速差nN=n0-nN=TN，称为额定转速差。一般 nN=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：,若n=n0-n=0.05n0，则：,因此，启动时有：,2.6.3 他励直流电动机的人为机械特性 通过改变U、 、Rad三个参数实现对机械特性的调整。 一、电枢中串

11、入电阻时的人为机械特性 U=UN, = N, R=Ra+Rad,n0不变,变化,二、改变电枢电压的人为机械特性 、R=Ra不变，而改变U,n0变化,不变,由于n0随着U的减小而减小，而不变，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 改变意味着减小（正常工作时磁路基本饱和）。 机械特性方程： 转速方程 n=0时，,n0、均发生变化,图中，堵转电流与磁通的大小无关，为： 而堵转转矩： 当转矩不大时的减小可以导致转速提高；而当转矩较大时， 的减小会导致转速降低（此时处于过载状态）。,的减小导致转速提高,的减小导致转速降低,T2,T1,2.6.

12、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。 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。,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。

13、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=CtNIst也会很大。 一方面Ist大可能引起整流子的火花或环火 另一方面过大的Tst会造成冲击，易损坏转动机构。 过大的Ist对电网也会有很大冲击。再者 过大的Ist对电机本身也很不利。可能烧坏电枢。,一般要求Ist=（1.52）IN 对电机起动的要求： 有足够大的起动转矩。 起动电流在限制范围内。 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。串接的电阻Rst称为起动电阻。,Ist2=（1.11.2）IN

14、,Ist2=（1.82.5）IN,动画演示,起动时必须保证Tst2TL。Tst2（Ist2）小，则起动速度慢； Tst2（Ist2）大可以提高起动速度，但是会造成起动电阻级数增多。,四、降压起动 保持、R=Ra不变，起动时减小电枢电压U ，从而达到降低起动电流的目的。 实际应用中由于电压可以连续升高，起动可以更平稳。,思考题 1、人为机械特性有什么特点？ 2、直流电动机起动时应注意什么问题？ 3、如何才能使电动机具有稳定的工作状态？,2.7 他励直流电动机的制动,根据电机电磁转矩与转子转动方向的不同，可以将电机的工作状态分为： 1、电动运行状态：电磁转矩方向与转子转动方向相同 2、制动运行状态

15、：电磁转矩方向与转子转动方向相反 在机械制动的情况下，机械转矩同样与转子转动方向相反。,1、Ea的大小正比于转速,2、Ea的方向与U相反,Ea的大小是电机能量的表征。当转速为0时，电动机停止，此时Ea=0。由此制动的手段之一就是尽快使Ea=0。 为防止冲击过大，制动时的电流应2.5倍额定电流。 常见的电制动方法： 1、能耗制动 2、反接制动（到拉反接制动、电源反接） 3、回馈制动 2.7.1 能耗制动 能耗制动的基本原理就是尽快地消耗掉电动机工作时所存储的能量，从而达到制动的目的。,正常工作时KM1闭合,制动时KM2闭合,制动时KM1断开，而KM2闭合，此时U=0，仅有Ea作用于电枢电路，因而：,制动效果取决于制动时Tem的大小，Tem大，则制动效果好。,而Ia=Ea/R。可见小的R（=Ra+Rad），可以导致大的制动力，从而有较好的制动效果。但是大的电流会使转子电流过大，会使转子转矩和电流超出允许值。,2.7.2 反接制动 一、倒拉反接制动,1、Rad增加会导致n降低。,2、Rad大到一定程度会使n换向,3、n换向，Ea也换向,Rad小稳定转速低,Rad大则稳定转速高,穿过n=0点后电机转向发生改变,二、电源反接制动,正常工作时KM1闭合,制动时KM2闭合,Rad的作用： 避免过大的制动电流,电源反接制动开始时，n大小和方向不变，但是