电机复习(2015)剖析

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1、1,重庆大学自动化学院,电机学及拖动基础,2,直流电机复习,直流电机框架,3,4,一、直流电动机的复习思路,宏观问题： 电机的含义是什么？ 机械能和电能的直观表现变量是什么？ 具体问题（偏重理解） 如何实现机械能与电能的转换？ 如何获取稳定的电能和稳定的机械能？ 如何使用电机？,5,一、直流电动机的复习思路,细节问题（偏重专业技能）： 满足使用条件后，电动机为什么能够旋转而且实现转速的稳定？（物理状态分析） 转速稳定的条件是什么？（运动平衡方程式） 转速的稳定值与哪些因素有关?(能量平衡方程式) 转速的变化会影响哪些变量？电势的大小、电磁转矩的大小与哪些因素有关？（数学模型） 细节问题： 能量

2、是如何传递的？（等效电路、功率流程图） 机械能与电磁转矩的关系？,6,一、直流电动机的复习思路,细节问题（偏重专业技能）： 改变稳定状态转速的方法有哪些，其过程怎样？（机械特性） 负载的转速变化与负载转矩的关系？（负载特性） 具体的案例： 电动机的稳定分析 电动机的起动过程 电动机的制动过程 电动机的调速过程,7,一、直流电动机的复习思路,深化问题（偏重思考和应用技能）： 电动机的物理变化过程与机械特性的关系如何？ 电动机的电磁功率是机械功率，从哪些现象可以说明？ 电动机四象限运行的运动方式和能量变换方式?,8,一、直流电动机的基本内容,电机：实现机电能量转换的装置； 机械能的主要变量：转速；

3、 电能的主要变量：电流； 电机结构的基本功能：能够产生大小方向稳定的转矩。 因此,直流电机工作条件: 磁场：需要产生磁场 通电线圈：对通电线圈的要求,1）直流电机的磁场 励磁方式供给励磁绕组电流而产生励磁磁动势的方式 不管哪种励磁方式，直流电机的磁场是通过直流电产生的磁场，其大小和空间分布是固定不变的。 电枢反应：负载电流所产生的磁场对励磁磁场的影响。,9,/2,2）通电绕组：,10,对通电绕组的数量要求： 要求通电线圈的数量尽量多； 通电线圈之间采用串联方式连接； 通电线圈的连接通过换向片，所以换向片的数量与线圈的数量相同；通电线圈与换向片的连接方式不同，绕组可以分为叠绕组和波绕组； 电刷是

4、电机与电能的接口，处于电势为零的绕组上。,11,对通电绕组通电的要求： 要求转矩的大小方向不变，要求绕组中的电流方向与线圈位置有关 因此电枢线圈中电流为交流，直流电动机电枢线圈产生的电势为交流，其方向与电流方向相反。 通电线圈：处于相同极性磁极下的导体所受电磁力的方向保持不变，亦即相同极性磁极下导体中电流方向不变；-所以线圈处于不同磁极下电流方向需要相应变化,12,13,（产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）,14,直流电动机运行方式,外施电压、电流是直流电，电枢线圈内电流是交流电； 线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的； 电动势与电流反向为电动运行方式；同

5、向则为发电机运行方式。,15,直流电机工作原理的特点,不管是直流电动机还是直流发电机，都需要一个空间分布不变的磁场； 电枢绕组中必须有多个线圈，线圈之间通过串联形成一个无头无尾的闭合回路； 电机结构中必须有换向器和电刷，电刷放置在电势最小的线圈位置； 通过电刷，电枢绕组形成两条并联的支路，而且线圈内流过的电流为交流；,16,额定功率(PN，kW )额定条件下电机所能提供的功率 电动机指轴上输出的机械功率 发电机指电刷间输出的额定电功率 额定电压(UN，V)在额定工况下，电机出线端的平均电压 发电机是指输出额定电压； 电动机是指输入额定电压。 效率=输出功率/输入功率,3）直流电机的额定值,17

6、,二、直流电机的基本数学模型,以上公式就回答了有电流就一定会有转矩，有转速就一定会有电势 剩下的问题就是：转矩与转速的关系（运动方程式、机械特性），电流与电势的关系（能量平衡方程式）。,18,1）直流电机的基本方程式（稳态、他励）,1. 电动势平衡方程式,2. 转矩平衡方程式,直流拖动与应用,19,GD2飞轮惯量（Nm2），GD2=4gJ,机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上，使转速不能突变,20,直流电动机的功率平衡方程式 Pe为转换成机械功率的电磁功率（机械能） pCua=Ia2Ra为电枢回路上的铜耗，也称可变损耗 pc为电刷接触损耗,3. 功率平衡方程式,第六节 直流电机的运行原理,21,p

7、Fe为电机铁耗 pmech为机械损耗 pFe+ pmech为空载损耗，也称不变损耗 P2输出机械功率,22,2）直流电机的功率流程图,23,直流拖动与应用,1.恒转矩负载特性负载转矩Tz 与转速n 大小无关的特性 反抗性（反作用）恒转矩负载特性的特点转矩Tz 总与运动方向相反，位于一三象限（金属压延机构、机床平移机构等） 位能性恒转矩负载特性的特点转矩Tz具有固定的方向，由拖动某些具有位能的部件造成，位于一四象限,三、负载特性,24,通风机转矩负载特性转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比,2、通风机负载特性,25,恒功率负载转矩特性负载转矩基本上与转速成反比，功率基本不变(如车床等),

8、3、恒功率负载特性,26,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件： 必要条件机械特性和负载转矩特性有交点 T=Tz 充分条件在交点对应的转速之上TTz 记忆方式：在交点之上要降下来，必须负载转矩大；在交点之下，要升上去，必须电磁转矩大。,四、稳定性判据,复习,五、电机的运行状态 改变电枢电压的运行变化过程 改变电枢电阻的运行变化过程 改变励磁磁场的运行变化过程 改变负载转矩的运行变化过程 能耗制动的运行变化过程 转速反向的反接制动过程 电压反接的反接制动过程 运行状态的分析方法：物理量的变化、机械特性线的表示、能量的变化。,27,28,分析,1）物理过程分析,无论起动、制动、调速都可以分析其物理过

9、程， 明确直接的变量关系,29,R电枢回路总电阻 Ce电动是常数 CT转矩常数,2）直流电动机的机械特性分析,机械特性的定义电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(T),30,机械特性的特点 机械特性是一条向下倾斜的直线 斜率越大，速度降落越大，机械特性越软 几个关键点 理想空载点(0，n0) 实际空载点(T0 ， n0) 额定工作点(TN，nN ) 起动点(Tst，0),机械特性小结,电枢串联电阻时的人为机械特性（典型特点）,31,32,33,34,35,能耗制动的机械特性,36,转速反向的反接制动的机械特性,37,电枢反接的反接制动的机械特性,38,回馈制动的机械特性,机械特性汇总,电

10、枢串电阻的机械特性线（所有可能）； 降压时的机械特性线（所有可能）； 电阻大或小时的区别，位能性负载或反抗性负载的区别 降压程度的不同。,39,分析,3）能量分析 第一象限：电动运行状态，从电网得到电能，在电阻上消耗一部分电能后转换为机械能； 第二象限：A负载的机械能转化为电能消耗在电枢回路的电阻上； B从电网得到电能，负载的机械能转换为电能，都消耗在电枢回路的电阻上； C负载的机械能转换为电能，除了一部分消耗在电枢电阻上，剩下的回馈到电网。,40,分析,3）能量分析 第三象限：电动运行状态，从电网得到电能，在电阻上消耗一部分电能后转换为机械能； 第四象限：负载的机械能转化为电能消耗在电枢回路

11、的电阻上； 从电网得到电能，负载的机械能转换为电能，都消耗在电枢回路的电阻上； 负载的机械能转换为电能，除了一部分消耗在电枢电阻上，剩下的回馈到电网。,41,分析,细节 电枢回路的电流是交流电； 电机运行的效率最高是不变损耗=可变损耗 电枢电流的大小取决于负载转矩； 负载转矩的种类有：恒转矩负载、恒功率负载、通风型负载； 电机能量变换的基本流程； 不同负载转矩下，要求不同的转速时电压或电枢电阻的计算。,42,43,测试题： 1、直流电动机电枢绕组中流过的电流是直流还是交流（ ）。 2、直流电动机电枢绕组的作用是（ ）。 3、直流电机电枢反应的结果是（ ）和（ ） 。 4、一台他励式直流电动机拖

12、动位能性负载运行，如果只增大电枢电阻，当电动机达到新的稳定运行状态时，电动机的电磁转矩、电枢电流和转速变不变化？其变化过程如何？,44,5、改变直流电动机旋转方向的方法为（ ）。 6、直流电动机的制动方式有（ ）。 7、直流电机的功率变化流程及含义。 8、直流电机电枢串电阻的变化过程，并画出其机械特性。 9、电机处于电动状态或发电状态的判据是什么？ 10、直流拖动系统稳定的必要条件和充分条件，判断以下系统是否稳定：,45,46,11、一台他励直流电动机的额定数据为：e220，Ie=100A，e19 Kw，e =1000转分，a0.2，电动机拖动额定恒转矩负载（位能性负载）运行。试求： 输入功率

13、、电磁功率和空载损耗功率。 电动机的直接起动转矩和起动电流。 若采用降压调速，求使电动机以600转分的转速运行时的电枢电压。 （4）设电动机电枢最大允许电流为200A，若要实现从额定转速运行切换到以-600转分运行，有几种方法可以实现，并计算各种方法时电枢回路需要串入多大电阻？,47,宏观问题： 什么是变压器？ 变压器变压的大小与哪些因素有关？ 具体问题： 变压器的磁场如何产生，有什么特点？ 为什么变压器的磁场大小是不变的？ 如何将变压器的原副边回路等效成一个电路？ 细节问题： 变压器原副边电势的相位关系如何分析？,变压器,48,深化问题： 为什么三相变压器的磁场不是旋转磁场？ 变压器的等效电

14、路的基本原则？,变压器,49,1.变压器的特点 1）利用电磁感应定律工作，实现变压，变压前后电压之间没有直接电的联系。 2）由于其各部分在工作中静止不动，故称为器 3）将某一等级的交流电压变成同一频率的另一个电压 4）变压器不仅可以变压，而且可以变流、变负载、变相位。,50,变压的关系：与绕组的匝数成正比，原副边电压成正比； 变流的关系：与绕组的匝数成反比，但原副边电流之间是正比关系 变负载：与匝数的平方成正比。 变压器效率最高的：铜耗=铁耗 变压器电流归算的原则：二次侧磁动势不变； 变压器绕组归算的原则；磁动势平衡关系不变； 阻抗的归算：电阻铜耗及漏感中无功功率不变。,51,联结法三相变压器

15、绕组的联结方式，星形和三角形联结 高压绕组首端由A、B、C表示，末端由X、Y、Z表示； 低压绕组首端由a、b、c表示，末端由x、y、z表示。,2.三相变压器的电路系统联结组,1）联结法,52,联结组三相变压器一、二次绕组线电压的相位关系的不同组合 三相变压器的相位： 与 之间顺时钟所转过的角度。,2）联结组,第六节 三相变压器,53,3）同名端： 单相变压器原副边的电势不是同相就是反相。 同名端一、二次绕组被同一交变的主磁通交链，在任一瞬间，一次绕组一端点电位为正，二次绕组也有一端点电位为正。这两个端点为“同名端”，在旁边用“”表示,54,a,b,c,n,N,a,b,c,n,N,交流异步电动机

16、,宏观问题 什么是异步电动机？ 为什么需要旋转磁场？ 旋转磁场的含义是什么？ 具体问题 旋转磁场产生的条件是什么？ 旋转磁场的特征有哪些？如何分析？ 旋转磁场的这些特征与哪些因素有关？ 旋转磁场的这些特征会产生怎样的结果？,55,交流异步电动机,细节问题 交流异步机如何使用？交流异步电动机的转速稳定的过程？ 交流异步机的旋转磁场大小在运行中如何变化？ 交流异步电动机转子变量频率变化的原因和产生的结果？ 交流异步机的转子电流与定子电流的关系如何分析？ 交流异步机如何等效为一个电路？ 交流异步电动机功率的变化过程？电磁功率是如何传递的？,56,交流异步电动机,细节问题 交流异步电动机的电磁转矩与电磁功率的关系？ 交流异步机的电磁转矩与哪些参数