许晓峰版电机拖动电子教案(全)

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1、,电机与拖动电子教案,绪论,第一章 直流电机,第二章 直流电动机的电力拖动,第三章 变压器,第四章 三相异步电动机,第五章 三相异步电动机的电力拖动,第六章 同步电机,第七章 驱动和控制微电机,第八章 电力拖动系统中电动机的选择,电机与拖动电子教案,绪 论,电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、 电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分， 有变压器和旋转电机。,0.1 电机及电力拖动系统概述,两种方法归纳如下：,电机,变压器,直流电机,直流发电机,直流电动机,交流电机,控制电机,同步电机,同步发电机,同步电动机,异步电机,异步发电机,

2、异步电动机,绪 论,电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括： 电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。,它们之间的关系如下,电动机,绪 论,本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和 农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。,0.2 本课程的性质、任务和内容,本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。,本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和控制微电机

3、、电动机的选择八个部分。,绪 论,电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专 业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力 学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问 题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌 握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。,0.3 本课程的特点及学习方法,为了学好本门课程，必须做到以下几点：,1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；,2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；,3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；,4、理论联系实际，重

4、视科学实验和工程实践；,5、充分预习和复习。,1.2 直流电机电枢绕组简介,1.3 直流电机的电枢反应,本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电 机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向 及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流 电动机的工作特性。,1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,1.5 直流电机的换向,1.6 直流发电机,1.7 直流电动机,1.1 直流电机的基本工作原理与结构,思考题与习题,基本要求：1.掌握直流电机的基本工作原理； 2.了解直流电机的基本结构和各部件的主要作用； 3.明确直流电机的铭牌中主要额定数据及其含义以及在使用电机

5、时应当注意的事项； 4.理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法； 4.能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图。了解各绕组的主要特点； 5.了解电枢反应对电机的影响； 6.掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式； 7.理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质； 8.了解直流电机的换向过程和改善换向的方法； 9.了解直流电机的各种励磁方式； 10.掌握电磁功率的关系式，并理解直流电机中机电能量是可以彼此互相转换的； 11.了解电机的可逆原理。了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态； 12.掌握根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式； 13.掌握自励直流发电机的自励建压过程

6、和条件； 14.掌握直流发电机的运行特性； 15.掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系。,1.1.1 直流电机的工作原理,1.1 直流电机的基本工作原理和结构,一、直流发电机工作原理,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。,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同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电

7、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。,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,与电刷A接触的导体总是位于N极下，与电刷B接触的导体总是位于S极下,电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,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。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。,二、直流电动机工作原理,把电刷A、B接到

8、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。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,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。,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。,与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,当电枢旋转到右图所示位置时,直流电动机的工作原理示意图:,1.1

9、 直流电机的基本工作原理和结构,1.1.2 直流电机的主要结构,1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列,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。,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。,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,1.2.1 直流枢绕组基本知识,1.2 直流电机的电枢绕组简介,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单

10、匝和多匝两种。,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。,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片

11、之间的距离。,1.2.2. 单叠绕组,单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1,即：,单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。,单叠绕组的展开图,根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:,单叠绕组的的特点：,1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。,2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。,3）电枢电流等于各支路电流之和。,. 单波绕组,单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。,

12、两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。,单波绕组的并联支路图:,单波绕组的特点,1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；,2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；,3）电刷数等于磁极数；,4）电枢电动势等于支路感应电动势；,5）电枢电流等于两条支路电流之和。,1.3.1直流电机的空载磁场,1.3 直流电机的电枢反应,直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。,右图为一台

13、四极直流电机空载时的磁场示意图。,当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流 ，每极的励磁磁动势为：,直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。,空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。,磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。,空载时的气隙磁通密度为一平顶

14、波，如下图(b) 所示。,空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c) 所示。,为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。,为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中 A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。,1.3.2 直流电机负载时的负载磁场,直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。,右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。,假设励磁电流为零，只有

15、电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。,如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。,由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。,1.3.3 直流电机的电枢反应,当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。,1、当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情

16、况，如图（a）所示。,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：,2)、对主磁场起去磁作用,1)、使气隙磁场发生畸变,空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载时不同。,磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。,2、当电刷不在几何中性线上时,1.4.1 直流电机的电枢电动势,1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。,性质: 发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).,