顾绳谷电机及拖动基础第四版课件完整版

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1、绪论 电机、电力拖动的基本概况关于能量关于能量关于电机关于电机关于本课程关于本课程绪论一、一、关关 于于 能能 量量1. 能量的运动方式能量的运动方式风风能能变换变换一种形式另一种形式2. 能量的基本存在形式能量的基本存在形式机机械械能能电电能能热热能能核核能能磁磁能能光光能能关于能量化化学学能能二、二、关关 于于 电电 机机一种能量一种能量变换变换变换变换 装置装置集集电能电能电能电能、磁能磁能磁能磁能 和和机械能机械能机械能机械能 为一体为一体一种典型的一种典型的机电一体化机电一体化机电一体化机电一体化 设备设备可控性可控性可控性可控性 越来越强越来越强关于电机电机的应用分类电动方式电动方

2、式 消耗电能消耗电能 发电方式发电方式 产生电能产生电能二、二、关关 于于 电电 机机关于本课程(一)三、三、关关 于于 本本 课课 程程1.专业目的专业目的u研究电机，对其实施预想的控制（后续课程：运动控制系统）2.预备知识预备知识u电路原理（电动势，电势平衡，复阻抗，电路的相量分析）u电磁学（电磁效应）u运动力学（力矩，运动状态）3.学习内容学习内容u电动势，电势平衡，电磁转矩，相量图及其分析；u工作特性，机械特性，机械负载，功率损耗，有功功率，无功功率；u空载运行，负载运行，电机起动，电动运行，制动运行；三、三、关关 于于 本本 课课 程程4.学习方式学习方式u以物理 概念领先，数学描述

3、随后；u突出主要知识点，以点 带面；u注意知识的持续 性、关联 性；u摈弃“按例解题”学习模式，建立独立的、发散的 和思辩的 思维方式；5.教与学教与学u课堂教学：参与和互动；u成绩评价体系：课堂记录课堂记录实验记录实验记录作业记录作业记录理论考试理论考试四四部部分分60%左右左右40%左右左右关于本课程(二)第一章 磁路基本定律及物理概念基本定律及物理概念磁场与电流磁场与电流磁路与电路磁路与电路第一章 磁路1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律一、（电）磁场存在的基本要素一、（电）磁场存在的基本要素1.磁场源，励磁源，励磁电流磁场源，励磁源，励磁电流2.磁路，磁通路径磁路，磁通路径二、

4、（电）磁场的基本物理量二、（电）磁场的基本物理量1.磁通磁通 描述描述 通过一定横截面积的磁力线总数通过一定横截面积的磁力线总数 符号符号 类型类型 矢量矢量 量纲量纲 Wb ； 1 Wb = 108 lines 磁感应强度磁感应强度 ，磁通密度，磁通密度 描述描述 通过单位面积的磁力线数量通过单位面积的磁力线数量 符号符号 B ；B = / A(面积面积) 类型类型 矢量矢量 量纲量纲 Wb/m2面积A A磁力线单位面积1-1磁路的基本定律（一）3. 磁势（磁动势）磁势（磁动势） 描述描述 衡量磁场源的基本强度衡量磁场源的基本强度 符号符号 F F = i N 类型类型 矢量矢量 量纲量纲

5、Aturn(安匝安匝) 磁场强度磁场强度 描述描述 在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励磁磁势大小在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励磁磁势大小 符号符号 H B = H3. 类型类型 矢量矢量 量纲量纲 T（特斯拉）（特斯拉） 或或 A / m 或或 Aturn / m磁导率磁导率 描述描述 衡量指定物质导磁能力大小的物理量衡量指定物质导磁能力大小的物理量 符号符号 类型类型 标量标量 量纲量纲 H / m 在真空介质中在真空介质中 o= 4 10-7 H/m 1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律1-1磁路的基本定律（三）提示：磁势不仅与流过电流载体的安培强度有关，还与电流载体围绕磁

6、路的匝数有关提示：此量纲称为：亨每米1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律1-1磁路的基本定律（四）三、磁与电的联系三、磁与电的联系1.磁场与电流 安培环路定律安培环路定律 P 7 右手定则右手定则+_绕组 N 匝磁性铁心 横截面A铁心平均长度 lci磁势的大小：磁势的大小： F = i N = Hclc磁路的基本定律（六）1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律2.磁路与电路磁路与电路 磁路欧姆定律磁路欧姆定律 P 7 磁路与电路的区别磁路与电路的区别 P 9 +_VRIF+_Rm电路电路 磁路磁路思考（一）1-1 1-1 磁路的基本定律磁路的基本定律1.磁导率 （H/mH/m）的

7、量纲 H H是即电感量的量纲，解释 1H1H 的物理含义是什么? ?预测电磁元件的电感量受哪些参量的影响？2.在假定每种磁介质的 为常数的前提下，如何解释磁导率 （H/m）的物理意义？试写出可能的物理描述。 思考题 常用的铁磁材料及其特性常用的铁磁材料及其特性1-2 1-2 常用的铁磁材料及其特性常用的铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化一、铁磁物质的磁化1.很多铁磁材料在常态下不显磁性，只有通过外磁场的激励，才表现出很强的磁性。 磁畴未加激励状态未加激励状态激励磁化状态激励磁化状态2.一般用于电机的铁磁材料其FeFe=(2000 6000)0，因而采用铁磁材料构成磁路铁心，再由电场激励磁场成为

8、产生电机电磁场的必然途径。 、铁磁材料的磁化特性、铁磁材料的磁化特性1-2 1-2 常用的铁磁材料及其特性常用的铁磁材料及其特性二、铁磁材料的磁化特性二、铁磁材料的磁化特性1.磁化曲线 P10 铁磁材料的磁化特性具有非线性的特点，当磁化强度达到一铁磁材料的磁化特性具有非线性的特点，当磁化强度达到一定临界值，磁感应能力开始下降定临界值，磁感应能力开始下降2.磁滞回线 P10 当铁磁材料受到周期性的交变磁化时，磁化特性具有滞后回当铁磁材料受到周期性的交变磁化时，磁化特性具有滞后回环特点。环特点。三、铁磁材料的分类和损耗三、铁磁材料的分类和损耗1-2 1-2 常用的铁磁材料及其特性常用的铁磁材料及其

9、特性三、铁磁材料的分类和损耗三、铁磁材料的分类和损耗2.铁心损耗 P12 磁滞损耗：铁心的磁能热耗散磁滞损耗：铁心的磁能热耗散涡流损耗：铁心的电热损耗涡流损耗：铁心的电热损耗 1.软磁和硬磁材料的分类 P12 第二章第二章 直流电机直流电机原理与构造基本物理量与工作特性数学描述第二章 直流电机一、直流电动机的电磁力运动现象（左手定则）2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构2-1工作原理及结构1.恒定磁场，带电导体（相互垂直） f = Bil皮皮 萨萨电电磁磁力力定定律律ax 、by段虽然有电流，由于其平行于段虽然有电流，由于其平行于磁力线，无切割运动，故不会产生感磁力线，无切割运动，故不

10、会产生感应力而影响旋转运动应力而影响旋转运动N NS Slaxby通电后，导体ab段受到向左的电磁力作用，导体ab段受到向右的电磁力作用，整个导体框产生以虚线为轴心得逆时针旋转运动。换向器连续转动2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构由于通电导线的空间由于通电导线的空间位置不断变化，如何位置不断变化，如何保证旋转方向恒定不保证旋转方向恒定不变变？外电源固定极性外电源固定极性电流电流三维图示+_2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构外电源固定外电源固定极性电流极性电流换向片换向片一个电枢一个电枢绕组绕组电机旋转体电机旋转体电枢电枢换向电刷换向电刷电枢结构示意2-1工作原理及结构2-1

11、 2-1 工作原理及结构工作原理及结构直流电源导电体电磁场左手定则瞬间旋转运动换向器持续旋转运动输出转矩产生电磁转矩直流电动机的能量变换途径：2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构二、直流发电机的电磁感应现象（右手定则）1.恒定磁场，运动的导体（单方向运动）2.借助换向器，保证输出为直流电压直流电源导电体电磁场右手定则交变感应电势换向器直流感应电势输入转矩产生感应电势2-1工作原理及结构2-1+U_ +Ea _+_ +Ea _+_电动运行发电运行2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构直流电机电气原理图直流电机电气原理图2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构三、直流电机的基本结

12、构1.机械结构定子部分转子部分主磁极主磁极 换向极换向极 机座机座 电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器2.电气结构励磁回路电枢回路主磁极主磁极 换向极换向极 电刷装置电刷装置电枢绕组电枢绕组 换向器换向器三、直流电机结构2-1工作原理及结构电枢（绕组）电刷换向器电源接线端机械连结轴主磁极，励磁绕组2-1 2-1 工作原理及结构工作原理及结构NS1237846 52-3直流电机的绕组结构特征直流电机电枢绕组的基本结构特征2-3 2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组为产生足够的电磁力或发电电动势需要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联，形成绕组。需要将均匀分布的多个电枢

13、线圈相互并串联，形成绕组。+单绕组结构单绕组结构:优：增加线圈数量，在旋转一周优：增加线圈数量，在旋转一周过程中始终有一个绕组产生均衡过程中始终有一个绕组产生均衡的电磁力或发电电势。的电磁力或发电电势。劣：任何时刻只有一个绕组产生劣：任何时刻只有一个绕组产生电磁效应，结构利用率低，效能电磁效应，结构利用率低，效能差。差。多绕组结构多绕组结构NS14328567+该绕组结构工作时有几条电流支该绕组结构工作时有几条电流支路？图示状态的电流路径如何，路？图示状态的电流路径如何，以绕组端排序表示。以绕组端排序表示。多绕组结构多绕组结构:绕组绕组 1-2，3-4，5-6，7-8 共四组。共四组。利用换向

14、片将绕组端利用换向片将绕组端 1和和8，3和和2 ，4和和5，6和和7 永久短接。永久短接。优：通过绕组串并联，增加通电优：通过绕组串并联，增加通电线圈的数量（匝数），大大提高线圈的数量（匝数），大大提高了在旋转一周过程中产生的电磁了在旋转一周过程中产生的电磁力或发电电势。力或发电电势。2-3 2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组多对极励磁1237846 5+NNSS_极对数：P=22-3 2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组多对励磁极结构多对励磁极结构:2-4 2-4 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场+ + + + 并励方式并励方式他励方式他励方式串励方式串励方式2-4励磁方

15、式复励方式复励方式一、直流电机的基本励磁结构空载和负载励磁状态2-4 2-4 直流电机的励磁方式和磁场直流电机的励磁方式和磁场二、直流电机的空载励磁状态 P30直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态主磁通取决于励磁电流强度主磁通取决于励磁电流强度三、直流电机的负载励磁状态 P32直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作用不可忽略用不可忽略电枢反应：去磁作用电枢反应：去磁作用2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩在电机的物理量中：在电机的物理量中：感应电动势感应电动势 主要的电气特

16、征量主要的电气特征量电磁转矩电磁转矩 主要的机械特征量主要的机械特征量一、感应电动势 Ea1.量纲：伏特量纲：伏特2.无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。产生感应电动势。3.直流电机的感应电动势直流电机的感应电动势 ；Ce 电动势常数电动势常数 Ea = Ce n ； 合成磁通合成磁通 ；n 电机转速电机转速2-6感应电动势和电磁转矩ia , t0 2P=2的直流电动机感应电动势分析2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩元件的指定支路边电流变化波形NNS S14328567+_ _电枢空间位置

17、与电角度的关系由于磁极与换向电刷的配合由于磁极与换向电刷的配合, ,使电使电枢元件边的电流极性与磁极极性总枢元件边的电流极性与磁极极性总保持相对一致性。当电流相角度发保持相对一致性。当电流相角度发生半周变化即生半周变化即时，元件边切割的时，元件边切割的磁通也正好发生半周变化即磁通也正好发生半周变化即。电角度电角度 + -2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩P=1：设定电枢绕组每一边支路经过磁通变化半个周期时，需要的时间为t：P=2：导出导出P38 (2-18)P38 (2-18)式式电枢支路边电流的电角速度与电枢的机械转速n n的关系：n：转：转/分分（rpm）2-6 2-

18、6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩求t时间内最后感应电势平均值，最后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值。式2-21由电磁感应定律，匝数为 Ny 的元件的感应电势瞬时值表达结果：磁链磁链感应电动势4.推导线索推导线索电磁感应定律电磁感应定律单位绕组以速度单位绕组以速度n旋转时的平均感应电动势旋转时的平均感应电动势考虑总量考虑总量2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩电磁转矩二、电磁转矩 Tm2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩1.量纲：牛顿米量纲：牛顿米2.具有矢量特征（顺反两种方向）。具有矢量特征（顺反两种方向）。3.直流电机的电磁转矩直流电机的电

19、磁转矩 ； 合成磁通合成磁通Tm = CM Ia ；CM 转矩常数转矩常数 ；Ia 电机电枢电流电机电枢电流4.推导线索推导线索电磁力定律电磁力定律 单个元件所受电磁力单个元件所受电磁力 ；Ny 每个元件的匝数每个元件的匝数电磁转矩元件所受电磁转矩元件所受电磁转矩 2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩 ；Da 电枢转轴直径电枢转轴直径每极下的电磁转矩每极下的电磁转矩 由于每个磁极下的磁通为由于每个磁极下的磁通为 电磁转矩电枢（P对磁极）总电磁转矩为 2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩电磁转矩电磁转矩 Tem 的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成的大小与每

20、极磁通和电枢电流的乘积成正比正比 思考思考 1.当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？2.当机转速为零时，是否能断定 Tem 为零？机电能量的关系三、机电能量的关系2-6 2-6 感应电动势和电磁转矩感应电动势和电磁转矩 EaIa： 通过电磁感应输送到电机的电功率通过电磁感应输送到电机的电功率Tem ：通过电枢转轴输送的机械功率：通过电枢转轴输送的机械功率转矩常数CT电动势常数Ce见 P38392-7直流电机的运行原理2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理一、描述运行规律的一般数学表达1. 电动势平衡方程式电动势平衡方程式(以电枢回路为主以电枢回路为主)电动运行状态电动运行状

21、态发电运行状态发电运行状态+U_ +Ea _+Uf_LaRaia电动运行稳态时为零 Tem T2 Tl 思考思考 一台直流电机，励磁磁场恒定一台直流电机，励磁磁场恒定，电枢电阻，电枢电阻 Ra=1Ra=1 ，当，当作为电动机稳定运行时，外加作为电动机稳定运行时，外加 UaUa=200V=200V直流电压，电枢直流电压，电枢电流为电流为10A10A；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运行于同一转速，发电输出电流为行于同一转速，发电输出电流为 20A20A。 估算其输出的发电电压估算其输出的发电电压 UF =？转矩平衡方程式2. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式电

22、动运行状态电动运行状态发电运行状态发电运行状态2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理+U_+Uf_ia电动运行 Tem T2 Tl 稳态时为零能量平衡方程式能量平衡方程式2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理3. 能量平衡方程式能量平衡方程式(以电动机为例以电动机为例 )PCufPCuaPFePCPmecP1PemP2电功率机械功率转速特性2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理二、直流电动机的工作特性电机为使用者提供的典型运行规律电机为使用者提供的典型运行规律 P4345定义：在定义：在U = UN，If = IfN，电枢回路无外串电阻时，电动机的，电

23、枢回路无外串电阻时，电动机的 n，Tem， = f ( P2 或或 Ia )关系。关系。1.转速特性转速特性 (以并励电动机为例以并励电动机为例 ) n= f ( Ia )负斜率项n0nIaN Ia转速特性的特殊工作点转速特性的特殊工作点2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理n0nIN Ian0：电机在电枢电流为：电机在电枢电流为0时的转速，称为电机在该工作条时的转速，称为电机在该工作条件下的理想空载转速。件下的理想空载转速。当当 n = nN Ia = IN时：电机工作在额定工作点。时：电机工作在额定工作点。理想空载点理想空载点额定工作载点额定工作载点转矩特性2-7 2-7 直

24、流电机的运行原理直流电机的运行原理 思考 电动机处于稳定空载运行时，大致在该特性的哪个位置点？2.转矩特性转矩特性 (以并励电动机为例以并励电动机为例 ) Tem= f ( Ia )正斜率项Tem0TemIaN Ia效率特性3.效率特性效率特性 (以并励电动机为例以并励电动机为例 ) = f ( Ia )所有的损耗和2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理思考题2-7 2-7 直流电机的运行原理直流电机的运行原理（并励）直流电动机工作特性（并励）直流电动机工作特性n,Tem0nTemIaN Ia第八章 动力学基础第八章 电力拖动系统的动力学基础运动方程式运动方程式负载转矩特性负载转

25、矩特性8-1 运动方程式8-1 8-1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、电力拖动系统的一般结构电网电源电网电源受控电源受控电源电动机电动机机械负载机械负载二、运动方程式直线运动：直线运动：旋转运动：旋转运动：；J = GD2/4g运动方程式1.电动机运动方程式：电动机运动方程式：8-1 8-1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式2.运动方程与运动状态运动方程与运动状态uT = TZ 时，时，dn/dt = 0，稳定运动，稳定运动，无加速度，稳态无加速度，稳态uT TZ 时，时，dn/dt 0，加速运动，正，加速运动，正加速度，动态加速度，动态uT TZ 时，时

26、，dn/dt Tz1)dn/dt U1)I T T Tz dn/dt 0 直到直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n2nTz Tem o第一工作点(T Tz z，n n1 1) )第二工作点( (T Tz z，n n2 2) )当当 U2又变回到又变回到 U1 (U2 U1)I T T Tz dn/dt 0 直到直到 T = Tz dn/dt = 0 n = n1分析前提：电枢的电气惯性大大小于机械惯性电动机机械特性具有：电动机机械特性具有：交点以上同一速度有交点以上同一速度有TTz9-2 启动问题一、他励直流电动机的安全起动要求一、他励直流电动机的安全起动要求9-2 9-2 他励

27、直流电动机的起动他励直流电动机的起动1.问题的存在问题的存在 在电枢回路中：在电枢回路中：忽略忽略 L，起动时，起动时，Ea = 0:结果结果 ia 往往过大往往过大超越电气和机械强度的极限超越电气和机械强度的极限2.改善方案：改善方案：降降压启动压启动 电阻分压分级起动电阻分压分级起动 可变电源降压起动可变电源降压起动直流电动机直流电动机1.5KW1.5KW，220V220V，8.7A8.7A，0.80.8，1450rpm1450rpm275A 8.7A275A 8.7A起动方法9-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动Ra+U_ +Ea _+Uf_R 1 R 2 R 3 Ra

28、s1 s2 s3 i anIz I1 I2 Iao负载点负载点(Tz，nz)电枢电阻分级起动：第一级第一级 s1，s2，s3 开路开路第二级第二级 s1 闭合，闭合，s2，s3 开路开路第三级第三级 s1，s2 闭合，闭合，s3 开路开路第四级第四级 s1，s2，s3 闭合闭合转折点转折点(T2，0）转折点转折点(T1，n1）案例 案例案例 已知：U = 200v，Ce = 0.2v/rpm，Ra = 1要求：电动机从 n=0 开始起动，每增加300rpm切换一次起动电阻，尽可能使每次切换后的最大加速电流为10A，直到完全除掉外串电阻，使电动机稳定运行于空载点（Io = 1A）。u设计各级分级

29、电阻；u画出起动过程的机械特性 n = f(Ia)(并标注各转折点坐标)；u画出电动机电枢回路原理图，说明分级控制步骤。9-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动n900600300Iz 10A Iao案例解析1在约定工作条件下在约定工作条件下电动机理想空载转速：电动机理想空载转速：实际空载转速：实际空载转速：9-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动参考解答：参考解答：(1A，995rpm)(0A，1000rpm)R1=20n900600300Iz 10A Iao案例解析2设第一级总电阻为设第一级总电阻为 R1 (含含Ra)，切换后分别为，切换后分别为 R2，R3

30、，R4对应外串外串电阻阻为R1，R2，R3，R49-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动此后电机加速，当转速达此后电机加速，当转速达到到300rpm时：时：（7, 300）一般认为：动态过程中，一般认为：动态过程中，电枢电流的响应远快于转电枢电流的响应远快于转速的响应速的响应电机通电后，第一级总电电机通电后，第一级总电阻为阻为 R1 R2=14n900600300Iz 10A Iao（7, 300）案例解析49-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动切换电阻由切换电阻由R1R2，速度不变，电流增加再次达，速度不变，电流增加再次达10A：（5.7, 600）此后电机

31、加速，当转速此后电机加速，当转速达到达到 600 rpm 时：时：R3=8（7, 300）（5.7, 600）n900600300Iz 10A Iao案例解析59-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动切换电阻由切换电阻由R2R3，速度不变，电流增加再次达，速度不变，电流增加再次达10A：此后电机加速，当转速此后电机加速，当转速达到达到 900 rpm 时：时：（2.5, 900）案例解析69-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动切换电阻由切换电阻由R3R4，速度不变，电流增加再次达，速度不变，电流增加再次达10A：此后速度已没有此后速度已没有300 rpm的的增

32、加余地，为保证切除最后增加余地，为保证切除最后一级外串电阻时电流能达到一级外串电阻时电流能达到10A，切换点的坐标如何切换点的坐标如何确定？确定？（7, 300）（5.7, 600）n900600300Iz 10A Iao（2.5, 900）R4=2（2.5, 900）n1000900Iz 10A Iao案例解析79-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动切出最后一级电阻时，速度应等于自然特性在切出最后一级电阻时，速度应等于自然特性在 Ia=10A 点：点：切换点电流切换点电流 I4：（5, 950）最后，电机进入自然特性直至稳定于（最后，电机进入自然特性直至稳定于（1A, 99

33、5 rpm）(1A，995rpm)案例解析3n900600300Iz 10A Iao（7, 300）（5.7, 600）（2.5,900）（1 ,995）（5 ,950）9-2 9-2 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动Ra+U_ +Ea _Ras1 s2 s3 S4i a6 6 6 1 9-3 制动9-3 9-3 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动一、电机制动状态的定义当电磁转矩 T T 与转速 n n 方向相反时，电机处于制动状态提示：制动过程不一定是减速过程制动过程是外部机械能进入电机转变为电能的过程 二、电机制动状态的分类能耗制动回馈制动反接制动电枢反接制动转速反接制动nT

34、能耗制动9-3 9-3 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动1.能耗制动能耗制动u应用：减速，刹车或抑制速度应用：减速，刹车或抑制速度u案例：当案例：当 K左端，电动运行，左端，电动运行，T与与 n 同向同向当当 K右端，右端，U = 0 n，Ea大小、方向不变大小、方向不变 T与与 n 反向，处于制动运行，反向，处于制动运行，+U_ +Ea _+Uf_RzRanK能耗制动9-3 9-3 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动由于机械能最终转变为电功率以由于机械能最终转变为电功率以 Ia2(Ra+Rz) 方式消耗掉，所以方式消耗掉，所以称之为称之为能能 耗耗 制制 动动u 机械特性方程机

35、械特性方程提示：提示：特性为斜率等于特性为斜率等于 （Ra+RzRa+Rz）/ /CeCe 的斜线的斜线最大制动转矩最大制动转矩 T T1 1可调节可调节Ra+RzT1 o Iz Ia Ranno o Iz1 Iz2 Ia 案例二9-3 9-3 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动RaRa+Rznno案例分析案例分析如图：电动机在两种不同强度的反作用负载下稳定运行，若配以相同能耗制动电阻Rz，能否判断两者停车的快慢？负载负载1负载负载2反接制动9-3 9-3 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动2.反接制动反接制动u应用：吊车重物下放等应用：吊车重物下放等u案例：案例：电动运行，电动运

36、行，R R = 0= 0，重物向上提升；，重物向上提升；制动运行，制动运行， R R 增大，使增大，使 T T 0，i10及电路的纯感性特征；及电路的纯感性特征；u确立电路工作时段确立电路工作时段 t1 t2；uDi1 /dt 0，d /dt 0及及 的方向为顺时针；的方向为顺时针；u二次绕组感生电流产生的磁通方向阻碍二次绕组感生电流产生的磁通方向阻碍 的变化；的变化；u判断出判断出 i2， u2 的方向。的方向。e12-2空载运行3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行一、空载运行的物理分析 1 其中存在少量只与一次绕组交链的，经过非磁性物质（空气或其中存在少量只与一次绕组交

37、链的，经过非磁性物质（空气或绝缘油）的漏磁通绝缘油）的漏磁通 1 me1e2 u2i0u1N1 N2空载运行当一次绕组施加电压当一次绕组施加电压u1；i0 一次绕组空载电流一次绕组空载电流；e1 一次绕组漏磁通对应的电动势一次绕组漏磁通对应的电动势；r1 一次绕组电阻一次绕组电阻变压器总磁通量：变压器总磁通量： = m + 1 3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行1.1.感应电动势和主磁通感应电动势和主磁通近似假定：近似假定： m = msin t 则：则： ；Im 励磁电流励磁电流；I I 磁化（励磁）电流磁化（励磁）电流；I IFeFe 铁耗电流铁耗电流感应电动势和主磁

38、通3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行2.2.空载电流分析空载电流分析实际空载时，铜耗实际空载时，铜耗 P Pcu1cu1相对很小，若忽略则有：相对很小，若忽略则有：一般由于一般由于 I IFe， I 是是 Im 的主要分量的主要分量推导见推导见 P57P57如何转换为如何转换为相量图？相量图？ me1e2 u2i0u1N1 N2漏电抗的引入3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行1e1如何将电磁效应表达为由如何将电磁效应表达为由电气参数电气参数组成的方程式？组成的方程式？3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行漏磁通与漏电抗3.漏磁通与漏电

39、抗漏磁通与漏电抗；定义；定义 x1为一次绕组的漏电抗，以为一次绕组的漏电抗，以表征漏磁通对一次绕组的电磁效应。表征漏磁通对一次绕组的电磁效应。电势平衡式、相量图二、空载运行的电势平衡式、相量图和等效电路二、空载运行的电势平衡式、相量图和等效电路P653-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行1.在假定漏电抗为在假定漏电抗为 x1 的前提下，推算与二次绕组非耦合的的前提下，推算与二次绕组非耦合的等效阻抗等效阻抗其中，将其中，将 Z1= r1+jx1 认定为认定为考虑一次绕组的电阻考虑一次绕组的电阻r1一次绕一次绕组漏阻抗组漏阻抗等效电路3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器

40、的空载运行2.进一步定义进一步定义 对应的阻抗对应的阻抗 Zm 为耦合于二次绕组的励磁电流和磁通为耦合于二次绕组的励磁电流和磁通 由由 （铁耗分量）和（铁耗分量）和 （励磁分量）组成（励磁分量）组成定义：定义：一次绕组的感应电动势一次绕组的感应电动势；其中复阻抗；其中复阻抗 Zm = rm + jxm3.重新表达电势平衡关系：重新表达电势平衡关系：相量图及等效电路3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行相量图相量图 （忽略铜耗）（忽略铜耗） 等效电路等效电路r1 x1rm xm思考题3-2 3-2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行 思考思考 1. 1. 当不忽略一次绕组

41、的电阻当不忽略一次绕组的电阻r r1 1时，时，P58P58(2-16)(2-16)式是否适用？式是否适用？2. 2. 利用等效电路模型说明变压利用等效电路模型说明变压器空载运行时电源的功率分配情器空载运行时电源的功率分配情况况. .r1 x1rm xm2-3 基本方程式3-3 3-3 单相变压器的基本方程式单相变压器的基本方程式一、负载后的电磁变化e1 1 me1e2 u2i1u1N1 N22ZFi2物理分析3-3 3-3 单相变压器的基本方程式单相变压器的基本方程式 I1 增量与输出电流增量与输出电流I2的关系：的关系：；磁通势变化总量为；磁通势变化总量为 0 0；总磁势不变；总磁势不变；

42、一、二次绕组磁通势变；一、二次绕组磁通势变化量相量和为化量相量和为 0 0；一、二次绕组电流增量；一、二次绕组电流增量的关系的关系基本方程式二、负载时的基本方程式二、负载时的基本方程式3-3 3-3 单相变压器的基本方程式单相变压器的基本方程式磁动势平衡方程磁动势平衡方程电动势平衡方程电动势平衡方程rm xmr1 x1r2 x2rm xmZF一次回路一次回路 二次回路二次回路3-4 等效电路3-4 3-4 单相变压器的等效电路及相量图单相变压器的等效电路及相量图一、目的等效电路等效电路：便于工程计算的无电磁隔离的单纯电路：便于工程计算的无电磁隔离的单纯电路二、绕组归算归算原则归算原则：归算前的

43、磁势平衡关系和能量平衡关系保持不变：归算前的磁势平衡关系和能量平衡关系保持不变归算方法归算方法：将二次（或一次）绕组的匝数换算成一次（或二次）：将二次（或一次）绕组的匝数换算成一次（或二次）绕组的匝数绕组的匝数归算结果归算结果：将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组：将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组相同的并联绕组去代替实际的二次绕组相同的并联绕组去代替实际的二次绕组 N N 2 2 = N = N1 11.归算电动势与电压归算电动势与电压 由（由（3-15）式知，）式知，绕组归算3-4 3-4 单相变压器的等效电路及相量图单相变压器的等效电路及相量图2.2.归算电流归算电流

44、保持二次绕组折算前后磁动势不变：保持二次绕组折算前后磁动势不变：3.3.归算阻抗归算阻抗 保持二次绕组折算前后有功功率、无功功率不变：保持二次绕组折算前后有功功率、无功功率不变：等效电路三、等效电路三、等效电路3-4 3-4 单相变压器的等效电路单相变压器的等效电路由于感生电动势折算后相等，从电气效应的角度看，可将磁由于感生电动势折算后相等，从电气效应的角度看，可将磁路屏蔽掉，直接连接一、二次绕组。路屏蔽掉，直接连接一、二次绕组。rm xmr1 x1x2 r2ZF简化等效电路三、简化等效电路3-4 3-4 单相变压器的等效电路单相变压器的等效电路P66 思考思考 1. 一台单相变压器分两组输入

45、端，额定电压分别为一台单相变压器分两组输入端，额定电压分别为380/220伏，额定频率为伏，额定频率为50Hz，试问：，试问：1)如误将如误将220伏端接在伏端接在380伏电源上，会有什么情况发生？伏电源上，会有什么情况发生？2)如果电源电压正常，电源频率提高如果电源电压正常，电源频率提高20%，xm，I0，PFe将将如何变化？如何变化？3)如果将变压器接在直流电源上，会有什么情况发生？如果将变压器接在直流电源上，会有什么情况发生？思考3-4 3-4 单相变压器的等效电路单相变压器的等效电路2.在变换功率一定的前提下：在变换功率一定的前提下：1)变压器的励磁电抗变压器的励磁电抗xm宜大还是宜小

46、？宜大还是宜小？2)若变压器用空气心而不是铁心，若变压器用空气心而不是铁心，xm如何变化？若增大一如何变化？若增大一次绕组匝数，次绕组匝数， xm如何变化？如何变化？第四章 三相异步电动机的基本原理结构和工作原理结构和工作原理基本物理量基本物理量4-1 三相异步电动机原理4-1 4-1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理一、旋转磁场一、旋转磁场直流电动机：静止磁场直流电动机：静止磁场 + + 外部输入电流外部输入电流异步电动机：旋转磁场异步电动机：旋转磁场 + + 内部感生电流内部感生电流电磁转矩电磁转矩1.1.三相定子绕组三相定子绕组互差互差120120o o空间分布空间分布A B

47、 CABCAXCZBY三相电源互差互差120o正弦励磁电流正弦励磁电流iAiCiBi0 tiAiBiC4-1 4-1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理i0 t单极旋转磁场AXCZBYiAiBiC360o t = 0120o t =120o240o t = 240o 4-1 4-1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理显然，由于三相交流相电流所在的三相绕组的对显然，由于三相交流相电流所在的三相绕组的对称分布规律，产生的合成磁通（或磁势）为称分布规律，产生的合成磁通（或磁势）为旋转旋转的。的。4-1 4-1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理那么，旋转磁场的那么，旋转

48、磁场的 速度速度 能否确定？能否确定？当绕组产生的极对数大于当绕组产生的极对数大于1 1时时P = 2P = 2AXCZBYABYCZX多极绕组旋转磁场2.旋转的定子磁场旋转的定子磁场显然：旋转磁场的速率与励磁电流频率有关。显然：旋转磁场的速率与励磁电流频率有关。4-1 4-1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理AXCZBYAXBYCZSSNNSSNN60o t = 0o t = 120o电磁感应现象 二、电磁感应现象二、电磁感应现象4-1 4-1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理显然，显然，P = 2 P = 2 时励磁电流变化一个周期，磁场旋转时励磁电流变化一个周期，

49、磁场旋转 0.5 0.5 周。周。1.静止的转子绕组被旋转磁场的磁力线切静止的转子绕组被旋转磁场的磁力线切割割 （右手定则右手定则 断定感生电流方向）；断定感生电流方向）；u拇指拇指导体运动方向导体运动方向u四指四指感生电流方向感生电流方向u掌心掌心朝向磁场朝向磁场 N 极极S NS Nnon称之为同步转速2.感生电流与磁场作用产生电磁力（感生电流与磁场作用产生电磁力（左手左手定则定则断定电磁力方向）。断定电磁力方向）。u拇指拇指导体受力方向导体受力方向u四指四指导体电流方向导体电流方向u掌心掌心朝向磁场朝向磁场N极极n no o与与n n的大小关系的大小关系如何如何? ?转差率4-14-1三

50、相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理三、转差率概念1.1.转子转速（即电动机转速）转子转速（即电动机转速）n n 与同步磁场转速与同步磁场转速 n no o 的比率关系的比率关系 S S 称为异步电动机的转差率称为异步电动机的转差率2.2.在电动运行时，由于在电动运行时，由于n nn no o ，所以，所以 0 s 10 s 1四、结构 P98转子绕线式：转子绕线式：结构较复杂，成本较高；易于控制。应用面窄结构较复杂，成本较高；易于控制。应用面窄转子鼠笼式转子鼠笼式: : 制造成本低，寿命长，易维护；控制复杂。应制造成本低，寿命长，易维护；控制复杂。应用广泛用广泛9-2 铭牌数据4-2

51、4-2 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据额定功率：额定功率：标准工况下输出的机械功率标准工况下输出的机械功率额定电压：额定电压：定子绕组的标准线电压定子绕组的标准线电压额定电流：额定电流：定子绕组的标准线电流定子绕组的标准线电流额定频率：额定频率：定子绕组的励磁电源标准频率定子绕组的励磁电源标准频率额定转速：额定转速：标准工况下的转速标准工况下的转速问题讨论 思考思考 1.从异步电动机的运行原理看，电动运行时是否一定存在 n nn no o ?电动时是否可能有n = nn = no o ？2.如何使异步电动机正反运转？试设计一简单电路实现对转向的控制。列举异步电动机与变压器、直

52、流电动机在运行原理方面的异同之处；4-2 4-2 三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌数据第五章 三相异步电动机的基本工作原理旋转磁动势旋转磁动势等效电路等效电路基本方程式基本方程式5-1 电磁过程5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程一、异步电动机负载运行的物理状况一、异步电动机负载运行的物理状况空载时空载时：由于空载时由于空载时 n0 n，负载时负载时：AXCZBYnon负载后，电机出现负载后，电机出现两个相对独立的励两个相对独立的励磁磁通势磁磁通势F F1 1、F F2 2，且均为运动的。且均为运动的。i0 tiaibicAXCZBYF2的方

53、向5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程nonF2与与 F1如何相互作用？如何相互作用？1.F2的旋转方向的旋转方向ayzbxc 1 2转子电流相位转子电流相位转子相对运转子相对运动方向动方向i0 tiaibicF2的方向5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程AXCZBYayzbxc no 2u 转子磁场转子磁场 2 2 也旋转也旋转120120o ou 但转子感应电流（电势）的角速度小于但转子感应电流（电势）的角速度小于120o 思考思考如上例中定子电流频率50Hz，则转子感应电流的频率是多少？电机转速是多少？假定当

54、定子磁场假定当定子磁场 1 1 旋转旋转120120o o时，转子空间位置旋转时，转子空间位置旋转9090o o：答案5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程转子电流频率：=（30o/120o）*50Hz=12.5Hz电机转速：=（90o/120o）*3000rpm=2250rpm或=(50Hz-12.5Hz)*60=2250rpmno=60f1/PF2的大小2.2.F F2 2的转速大小的转速大小u当定子旋转磁场以当定子旋转磁场以（n n0 0 - n- n）的速率相对于转子（绕组）运的速率相对于转子（绕组）运动时，转子感生电流及电势的频率为：动时，转子感

55、生电流及电势的频率为：5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程u由由 P94P94式（式（4-24-2）知，三相以）知，三相以 f f2 2 为频率的转子电流将产生为频率的转子电流将产生相对于相对于转子绕组的旋转磁场，其速度为转子绕组的旋转磁场，其速度为 ：显然：显然：F F1 1、F F2 2都以（都以（n n0 0-n-n）的速率相对于转子旋转，）的速率相对于转子旋转，则则F F2 2的绝对速度也是的绝对速度也是 n n0 0 思考思考P = 1的三相异步电动机，定子电流频率的三相异步电动机，定子电流频率50Hz，当由于负载增，当由于负载增大使转子速度由

56、大使转子速度由2800 rpm降到降到2200rpm后，转子磁势后，转子磁势 F2 的速的速度为多少？度为多少？F1,F2,Fm 5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程3.F1、 F2、 Fm的平衡关系的平衡关系由于矢量由于矢量F1、 F2相对静止，相对静止，可作：可作： F1+ F2 = Fm Bm Fm为定子和转子的合成磁势为定子和转子的合成磁势 noAXCZBYBmFmF2F1BmF2nou由于铁耗存在，由于铁耗存在，Bm滞后滞后Fm一定相角一定相角FeFeu由于转子相电流滞后转子相电势，由于转子相电流滞后转子相电势，F F2 2也滞也滞后转子相电势

57、一定相角后转子相电势一定相角2 2电磁关系5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程4.电磁关系电磁关系基本方程式5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程5.基本方程式基本方程式磁动势平衡方程磁动势平衡方程电动势平衡方程转子漏抗x2的定义5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程定子漏电势定子漏电势转子漏电势转子漏电势转子漏电抗转子漏电抗转子漏电势转子漏电势代表什么物理状态？代表什么物理状态？电气模型5-1 5-1 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程异步电动机等效电

58、路模型异步电动机等效电路模型r1 x1sx2 r2f1f2等效电路5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图一、等效电路的建立一、等效电路的建立1.问题的提出问题的提出由基本方程式：由基本方程式：u各感应电动势和电流的求解复杂；各感应电动势和电流的求解复杂；u联解含不同频率联解含不同频率 f f1 1，f f2 2 的相量方程（组）无物理意义。的相量方程（组）无物理意义。2.仿照变压器等效电路处理方式，对异步电机进行等效归算，仿照变压器等效电路处理方式，对异步电机进行等效归算，达到定子、转子绕组频率相同并相互联接达到定子、转子绕组频率相同并相互联接2.如何

59、保持归算后如何保持归算后 F2 的转速、幅值、空间相位角不变？的转速、幅值、空间相位角不变？ 当令当令 f f2 2 = f = f1 1时，需时，需 s = 1s = 1，即转子处于绝对静止状态，即转子处于绝对静止状态，频率归算就是用静止的转子电路（频率归算就是用静止的转子电路（n = 0n = 0）替代实际的转）替代实际的转子电路子电路2. 可见：可见：F2的速度大小与的速度大小与 n无关，所以，其速度仍为无关，所以，其速度仍为 no 频率归算5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图二、频率归算（定子频率不变，转子频率由二、频率归算（定子频率不变，转

60、子频率由 f2 归算成归算成 f1，使电路，使电路模型中只存在一种频率）模型中只存在一种频率）1.前提：前提：u保持转子电路对定子电路的电磁效应不变，即保持转子电路对定子电路的电磁效应不变，即 F F2 2 不变；不变；u等效转子电路的自身电磁性能不变。等效转子电路的自身电磁性能不变。转子电流归算5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图r1 x1sx2 r2f1f2实际转子电流相量F F2 2 的幅值、空间相位角由转子电流相量决定的幅值、空间相位角由转子电流相量决定5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图实际转子回

61、路的感应电动势、电抗静止转子回路的感应电动势、电抗其中：其中：相位角不变有效值不变频率归算5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图当转子电阻由当转子电阻由 r r2 2 变为变为 r r2 2/s /s 后，后，完成转子电量的频率归算：完成转子电量的频率归算：r1 x1x2 r2/sf1f1转子速度恒为零转子速度恒为零等值变换r1 x1x2 r2f1f1转子速度恒为零转子速度恒为零该项是否为常量？该项是否为常量？5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图绕组归算二、绕组归算（将具有二、绕组归算（将具有 f1 频率的转

62、子绕组的相数、匝数、绕组因频率的转子绕组的相数、匝数、绕组因数变换为与定子绕组相同）数变换为与定子绕组相同）P140前提：保证归算后转子磁通势、视在功率、铜耗及漏磁能不变前提：保证归算后转子磁通势、视在功率、铜耗及漏磁能不变归算：令归算：令m2= m1，kw2 = kw1，N2 = N15-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图rm xmr1 x1x2 r2异步电动机归算后的等效电路图异步电动机归算后的等效电路图转差功率分析（1）5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图三、关于转差功率三、关于转差功率当异步电动机工作在如下状态时：当异步电动机工作在如下状态时：转差功率分析（2）5-2 5-2 三相异步电动机的等效电路及相量图三相异步电动机的等效电路及相量图