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电机与拖动课综合教学课件.ppt

电机与拖动课综合教学课件

艾尔小茜茜
2018-04-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电机与拖动课综合教学课件ppt》,可适用于人文社科领域

电机与拖动一、电机概述电机:与电能有关的能量转换的机器比如:电能生产、传输、分配和使用(主要是动力用电)重要性:电气化的心脏分类:普通电机与特种电机()普通电机(按能量转换分)机械能mdashmdash电能(发电机)(产生电能)直流交流水力、火力、原子能、潮汐、地热、风力电能rarr机械能(电动机用于动力机械)的总电量被电动机消耗电能之间的转换:改变交流电压mdash变压器改变电流mdash变流机(直流rarr交流)改变频率mdash变频机改变相数mdash劈相机或单三相变压器()特种电机特种电机(主要完成信号传递和转换用于数字计算是自控系统中的一个重要元件)比如:潜艇导航多台自动火炮多台导弹控制多台雷达多台飞机的无人驾驶多台。电机的分类发电机直流电机电动机电动机旋转电机异步电机普通电机发电机变压器交流电机电机电动机同步电机通用式发电机特种电机控制式二、电力拖动概述拖动mdashmdash原动机为了完成一定任务而使生产机械运动。电力拖动mdashmdash电动机作为拖动的动力源或以电动机为动力拖动生产机械运动的拖动方式。电力拖动系统mdashmdash以电机为核心而向两边扩展形成:机电一体化控制与被控制对象结合(专业方向)电力拖动系统电力拖动类型成组拖动一台电动机拖动几个工作机构。条件:电机容量大(但容量得不到充分利用)。缺点:不安全、效率低。图:成组拖动单电机拖动系统:一台电动机拖动一个工作机构。图:单机拖动优点:电机容量利用充分且控制方便用于各种机床多电机拖动系统mdash一个生产机械有多个工作机构每个工作机构用一台电机拖动。比如:龙门铣床图:多电机拖动自动化电力拖动系统mdash多学科综合应用比如:自动恒定功率、自动调节转矩hellip电力拖动的优点①电力拖动效率高因为电动机效率高且与生产机械联接方便。②电机种类多具有各种运行特性可满足不同生产机械的要求。③检测方便易于组成完善的反馈控制系统以实现最佳控制。④可以实现远距离控制和测量便于集中管理实现生产过程自动化。三、基本定律()全电流定律(电生磁)比如空间有n=根导体其中电流、、方向如图所示它们所产生的磁场强度H沿任何闭合路径的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和。用途:电机和变压器的磁路计算()电磁感应定律(磁生电)①变压器电势(感应电势)大小(变化引起)方向楞次定则:线圈中感应电动势倾向于阻止线圈中磁链的变化②速率电势大小:B磁通密度导体有效长度V导体切割磁力线速度方向:右手定则()电磁力定律(载流导体在磁场中受力)大小:B-磁通密度-导体的有效长度-通电电流强度方向:左手定则()可逆原理电能机械能电功率(机械功率)()磁路的欧姆定律mdashmdash磁动势相当于Emdashmdash磁通相当于Imdashmdash磁阻()相当于磁路的欧姆定律四、课程的性质和任务性质:技术基础课承上启下任务:①掌握各种电机的基本结构、工作原理、基本特性及应用。②掌握电力拖动系统的组成、特性及分析计算。③通过试验验证电机的各种性能。第一章直流电机基础sect概述直流电机:一种转换与直流电能有关的机器直流电能rarr机械能(直流电动机)机械能rarr直流电能(直流发电机)可逆性:同一直流电机即可用作电动机也可用作发电机优点:范围广①调速性能好方便平滑②起动性能好起动力矩大缺点:结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠mdash环火问题。电力机车用途:①电动机主要用于广泛调速的地方地铁电力机车牵引电机电车卷扬机快速可逆电机拖动系统轧钢机②发电机可作独立直流电源也可组成发电机mdashmdash电动机拖动系统(FD)比如冶金、化工、采矿中使用。优点:发电机提供的直流电质量好可靠(比整流)。将来会被可控硅整流取代但直流电动机目前还在继续使用。sect直流电机的工作原理一、直流发电机的原理原理:导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势大小:方向:右手定则下面以二极环形绕组(原理结构)为例:图:二极环形绕组(原理结构)定子:两个主磁极(永久磁铁)在空间固定mdashmdash产生恒定磁场转子:环形铁心上绕有个线圈(闭合绕组在原动机拖动下旋转)N极下:、、、、切割磁力线感应电势方向S极下:、、、、切割磁力线感应电势方向、处于几何中性线处不感应电势特点:①同一极下的导体是在变化的但同一极下导体电势方向是一致的。②对于某一元件而言其元件电势是交变的。(元件依次切割不同极性的磁力线)。③转子绕组闭合回路中=(对称)无环流。引出直流电的办法:、导体处加固定电刷并把电刷接触处的导线剥开从而形成了两个并联支路且同一支路内电势方向一致mdashmdash直流电势电刷存在的问题及改进方法问题:①寿命不长(经不起长期磨损)②安放电刷有困难改进办法:用换向器代替电刷与导体直接摩擦换向器由相互绝缘铜片组成装在电枢端部与电枢一起旋转。特点:①电刷位置mdashmdash应与中性线处导体相连从而保证支路内电势不互相抵消以获取刷间最大电势。②换向片数K=S(元件数)③环形绕组并联之路数a=极数p=电刷数amdashmdash并联支路对数(两条支路时a=)pmdashmdash极对数(两个极时p=)二、直流电动机工作原理结构:同直流发电机特点:在电刷间加直流电源(电刷极性不变)图:直流电动机原理通过换向器的作用将电流直流电转换为元件中的交流电但在同一极下导体的电流方向一致根据左手定则确定导体受力方向。注意:转子旋转后元件中的电流方向在改变。换向器的作用:元件中的交流电电刷间的直流电。sect直流电机的基本结构、分类及额定值一、主要结构部件、定子部分①主磁极mdashmdash产生主磁场铁心:-mm厚硅钢片冲迭而成。励磁绕组:由绝缘导线绕成通以直流电产生主极磁场。②换向极(附加极)mdashmdash改善换向减小电刷下的火花。铁心:整块矩形铸钢(形状不复杂易于加工)线圈:绝缘导线绕成与电枢绕组串联③机座(磁轭)由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢作用:提供磁路支撑防护作用④电刷装置和其它电刷装置的作用:引出(引进)电流组成:电刷mdashmdash石墨制品耐磨导电刷握mdashmdash刷盒放电刷用弹簧压紧电刷在空间固定刷架mdashmdash安放刷盒用本身固定在机座或端盖上注意,刷盒与刷架之间要绝缘其它:端盖、轴承(支持、防护)、转子部分mdashmdash电枢(感应电势通过电流)①电枢铁心mdashmdashmm厚低硅钢片外圆冲上齿、槽装迭而成目的在于减少铁心在磁场中旋转时被反复磁化而产生过多铁耗齿、槽mdashmdash安放电枢绕组通风孔mdashmdash散热内圆mdashmdash轴孔②电枢绕组mdashmdash绝缘导线型绕加工而成嵌放在铁心槽中导线截面:矩形(大电机)圆形(小电机)槽内有绝缘(对地)槽楔封口固定绕组元件的两头与换向片相联图:电枢绕组③换向器(由许多彼此绝缘的换向片构成)侧视图(沿径向剖开)沿圆周方向剖开作用:基体mdashmdash与电刷接触竖板(升高片)mdashmdash连接电枢绕组元件燕尾mdashmdash夹紧、固定二、分类(按励磁方式分)他励自励他励式:独立直流电源单独供给励磁绕组励磁励磁绕组与电枢绕组不连接-励磁电流-电枢电流-负载电流图:并励图:串励一部分与电枢绕组串联复励:励磁绕组分两部份另一部分与电枢绕组并联短分接法(先并后串)长分接法(先串后并)差复励:串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相反积复励:串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相同由于联接方式不一样将直接影响电机的特性。无论是发电机还是电动机都可采用上述联接方式三、额定值、额定功率(容量)mdashmdash指输出功率单位:瓦(千瓦)发电机=(输出电功率)电动机(轴上输出机械功率)=式中:-电动机的额定电压-电动机的额定电流-电动机的额定效率、额定电压mdashmdash允许加在电机两端的电压限定值小型发电机小型电动机大型电机VVVVVVV、额定电流mdashmdash电机额定输出功率时的电流值发电机过载满载电动机欠载、额定转速mdashmdash额定负载时电机的限定转速、额定励磁电流、额定效率sect直流电机的空载磁场空载磁场:直流电通入励磁绕组产生的磁场特点:负载电流=不考虑电枢通过电流产生磁场的影响(只有主磁极产生的磁场)一、直流电机空载时的磁通分布、直流电机空载时的磁通分布(以四极电机为例)主磁通(每极)mdashmdash经过气隙进入电枢的磁通磁通路径路径:N极出发rarrN极下的气隙rarrN极下的电枢齿槽rarr电枢铁心rarrS极下的电枢齿槽rarrS极下气隙rarrS极下铁心rarr磁轭rarr回到N极下的铁心主磁通又称有效磁通mdashmdash能感应电势的磁通或能产生力矩的磁通漏磁通mdashmdash未进入电枢铁心的磁通特点mdashmdash不感应电势也不产生力矩无效的缺点mdashmdash不可避免它增加了铁心和磁轭的饱和程度总磁通:、产生主磁通的磁动势产生每极主磁通所需要的磁势(激磁安匝)基本定律:全电流定律(分段计算法)注意:这里把ldquo场rdquo的问题简化为ldquo路rdquo来计算W―总激磁匝数―表示两个极mdashmdash磁路某段的场强mdashmdash个磁极上的激磁绕组匝数mdashmdash该段磁路的平均长度mdashmdash激磁电流利用磁回路的基尔霍夫第二定律可得:总磁势:气隙长度()电枢齿长()电枢轭一段长()主极铁心长()定子磁轭一段长()计算总磁势的基本方法设计一台电机首先要确定:每极磁通量(已知)rarr(S为不同段的磁路截面积)rarr每段磁场强度H气隙(mdash气隙磁导)铁磁材料只有通过查该材料的磁化曲线求H图:磁化曲线rarr计算分段磁势rarr总磁势(一对极的总安匝)rarr决定I决定导线截面、主磁通磁势产生的气隙磁密的分布曲线()气隙磁密mdashmdash电枢表面的磁通密度(它与电机的感应电势力矩大小和形状有关)特点:与气隙大小有关且分布不均匀()气隙特点:①极中心处气隙最小②极尖(极掌)处气隙最大比如:城市电车用直流电机ZQ即=mm=mm结果:在气隙中的磁密形成帽形图:帽形磁密帽形磁密的证明:一个极的磁势令(不变)mdashmdash为帽形mdashmdash极距代表电枢表面的圆周一个极所占的范围mdashmdash电枢外径pmdashmdash极对数mdashmdash气隙磁密的最大值千瓦以下电机=~高斯大容量电机=~高斯计算中常用mdashmdash气隙平均磁密mdashmdash电枢轴向有效长度、电机的磁化曲线()定义:代表每极主磁通与励磁电流的关系曲线()形状及解释调R保持n不变测hellip由此可求得磁化曲线:主要特点:很小时(铁心磁路不饱和)为直线关系原因:小rarr小铁心不饱和磁势主要消耗在气隙上即因不变不变(不变)为直线关系()增大后铁心磁路饱和曲线向右弯曲越大曲线越趋于水平原因:由于rarrrarr铁心饱和铁心上磁压降所占成分大而铁心中常数所以出现非线性即rarr(rarr铁心rarrrarr不多)()气隙线:磁化曲线在线性部份的延长线(它反映主磁通通过气隙所需磁动势)()磁路饱和程度mdashmdash额定电压下的激磁电流mdashmdash额定电压下气隙磁势所需激磁电流大mdashmdash饱和好则铁心体积相对小但发热严重相同容量比小mdashmdash不饱和则铁心体积相对大性能好sectmdash直流电机的电枢绕组(以单迭绕组为例)一由环型绕组过渡到鼓型绕组〔极电机为例〕环型绕组的缺点()制造困难修理不便。()内腔导体不感应电势导体没有充分利用。、、不感应电势、过渡到鼓型绕组环型鼓型作法:把内腔层导体拉出来原则:两边电势相加最大位置:两边相距约一个极距端部:一般为对称结构电刷:仍然要与中轴导体相连为此实际位置在极轴处。二:几个基本关系元件:绕组的基本单元(头尾分别接在两个换向片上)元件边(有效边)mdashmdash放在电枢槽内部分前段接mdashmdash靠换向器的一边后端接mdashmdash无换向器的一边()元件数S=换向片数K()总导体数=StimestimesWcWc=一个元件的匝数()若一个槽内只放上下一个元件边则槽数Ze=元件数S=换向片数K若C个槽(虚槽)合编成一个槽(实)Z虚槽数Ze=CZ如图:Ze=Z三、单迭绕组的组成节距-绕组连接的规律()第一节距y(后距):表示元件两有效边之间的距离(元件宽度用虚槽数来表示)=整距长距短距()合成节距Ymdashmdash紧相串联的元件对应边的距离单迭绕组y=()第二节距y(前距)接在同一换向片的两元件边的距离单迭绕组y=yy单迭绕组的展开图(某一瞬间)例:Z=K=S=p=作一单迭绕组展开图计算节距:y=zpplusmnepsilon=plusmnepsilon=(整距)epsilon=∵单迭y=y=yy==作图步骤:均匀分布全部边(槽)并编号按极数等分元件边(槽)按y画出后端接(结构对称)按y画出前端接(结构对称)画出换相片(对应编号)画出电刷位置(极轴线上)标明电刷极性(按发电机)第二章直流发电机sect直流发电机的感应电势和电磁转矩一、感应电势公式感应电势:=电刷间的电枢电势=一个并联支路内导体数times一根导体感应的平均电势=电机总导体数S元件数一个元件的匝数一个并联支路内串联导体数amdashmdash并联支路对数平均电势:mdashmdash转分代入上式:电势常数与结构有关单位:mdashmdash韦伯mdashmdash转分mdashmdash伏结论:当电机每极磁通保持不变时电枢电势与转速成正比。说明)该公式是在空载时推导出来的负载后有所变化。故公式中的应该用负载时的气隙磁场关系求得。)该公式是电刷处于几何中性线导出若电刷偏离则将有所变化。)此公式对发电机而言是向外供电的正电势对于电动机而言属于反电势。)若要改变的方向可改变电枢旋转方向或改变磁场方向得到。二、电磁转矩公式电磁转矩mdashmdash导体中电流与磁场作用产生电动机mdashmdash拖动负载的转矩(M与n方向一致)发电机mdashmdash反转矩(与原动机转向相反)是能量交换的关健。电磁功率:电磁转矩:结论:当磁通不变时电磁转矩与电枢电流成正比。sect直流电机的磁场和电枢反应一、空载时:只存在主极磁势在气隙中产生的帽形磁密。负载后:出现了电枢磁势mdashmdash电枢绕组通过电枢直流电流产生。电枢反应:电枢磁势对气隙磁场分布的影响。二、电枢磁势电枢磁势在气隙中的分布假设⑴忽略铁心磁位降(电枢磁势主要降在两个气隙中)⑵导体在电枢表面均匀分布(忽略齿槽影响)分析方法:磁路的安培环路定律特点:①极轴处:电枢磁势=(包围电流小)②中轴处:电枢磁势=最大③从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的(三角波形)分析方法:磁路的安培环路定律特点:①极轴处:电枢磁势=(包围电流小)②中轴处:电枢磁势=最大③从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的(三角波形)、电枢磁势(幅值)公式导体中(支路中)的电流一个极下的导体数=电枢线负载Amdashmdash电枢圆周单位长度的电流数(安厘米)A与关系:、电枢磁势对气隙磁场的影响空载时:只有直流励磁磁势产生的气隙磁密mdashmdash帽形负载后:出现了电枢磁势(三角波)由产生的气隙磁密其特点:在极弧范围内直线分布主极之间下凹成马鞍形(主极之间磁阻大)合成气隙磁密:结论:电枢反应使合成气隙磁密分布畸变且总的磁密减小注意:①两个气隙之间磁阻大尽管大但更小故下凹成马鞍形。②极弧内气隙均匀线性变化rarr也线性变化。③合成后对一个极而言因反向对称与相加后应当使合成气隙磁密与保持数量不变但前极端是去磁该去多少正比去掉后极端为加磁因饱和影响该加的加不上去故一个极下总磁密有所减少。④显然波形发生畸变。三、直轴和交轴电枢反应研究对象:电枢反应的交轴分量和直轴分量对主极磁势的影响a)交轴电枢反应mdashmdash电刷位于几何中性线处只存在=对主极磁场的影响:①使主极磁场发生畸变②对主极磁场有去磁作用(总的磁密减少)b)直轴电枢反应mdashmdash电刷不在几何中性线(以发电机为例)顺转向偏离几何中性线beta角(相当于电枢表面移动了b厘米)作用:a、的轴线与主极磁场轴线重合且方向相反所以对于发电机若顺转向移动电刷则起去磁作用发电机端电压下降。b、起交轴电枢反应作用同上。若电刷逆转向移动:则与主极磁场轴线重合且方向相同起加磁作用端电压上升。办法:若端压上升则顺转向移动电刷若端电压下降则逆转向移动电刷。准确位置:正反转时两端电压维持不变图:直轴电枢反应电刷不在几何中性线四、解决办法(主要指对交轴磁势的解决办法)①适当改变主极的励磁电流以补偿电枢反应的去磁作用②在主极极面上加装ldquo补偿绕组rdquomdashmdash抵消电枢磁势(自动化)结构上:补偿绕组装在主极极面上其电流方向在空间与电枢电流的反向与反向电路上:补偿绕组与电枢绕组串联适当设计补偿绕组匝数使=sect直流电机换向的一般概念换向:电枢绕组的每一个元件依次从一条支路经过电刷进入另一条支路此时元件中的电流要随着改变方向这一现象和过程称为换向。比如:元件ldquordquo在上一支路电流是从①流向②进入下一支路后电流从②流入①二、换向不良的后果由于元件中电抗电势的作用使换向遇到阻力特别是超前换向和延迟换向将在电刷下产生火花(电磁能量释放)使电机运行带来不利影响。三、换向极的作用换向极产生附加电势去抵消换向元件中的电抗电势从而使换向元件中合成电势为从而改善电机的换向。①极性正确②与电枢串联③低饱和状态图:换向极的作用sect直流发电机的基本平衡关系一、电压平衡关系(以并励直流发电机为例)mdashmdash电枢回路总电阻(含电枢电阻电刷和换向器之间的接触电阻)mdashmdash励磁回路总电阻注意:是发电机二、功率平衡关系电磁功率输出功率励磁回路铜耗电枢回路内阻损耗输入功率:mdashmdash机械损耗(摩擦风阻)mdashmdash铁耗(电枢硅钢片反复磁化引起)mdashmdash附加损耗(电枢齿槽使磁场脉振引起损耗电枢反应使磁场畸变使铁耗增加电枢拉紧轴杆在磁场中旋转时的铁耗换向损耗等组成。约占额定功率~)三、转矩平衡关系转向:由原动机产生的输入转矩决定:mdashmdash转子机械角速度方向一致(发电机时)由左手定则决定发电机时M正好与反向属于制动转矩。空载转矩:平衡关系:四效率关系总损耗:sectmdash直流发电机的运行特性一.他励直流发电机的特性空载特性:当时的关系曲线(即磁化曲线)注意:无论是并励还是串励发电机的都要改为他励来测取否则无法实现空载。测取的步骤:、调节原动机(实验室一般采用并励直流电动机作为原动机拖动直流发电机)的转速使并保持不变。、调节励磁回路外加电阻RP使由零逐渐单方向增加。直至为止。然后逐渐单方向减少到零并测取每一点的所对应的曲线说明:()由于剩磁所在当=时()由于磁滞的作用使磁化曲线上升支和下降支不一致取其平均值代表()代表了直流电机最基本的磁化曲线作为设计电机时的依据。、外特性:当为常数时的关系曲线现象:原因:电路上磁路上:当不变时电枢反应为去磁作用使曲线分析:()电压变化率实质:空载满载时电压变化一般允许()当负载电阻=时出现短路电流因为很小Isk=(~)Ie(危险)办法:加装保护装置。、效率特性当当当迅速上升所对应效率为(~)二、并励直流发电机的自励过程及特性、并励直流发电机电压建立的物理过程并励:励磁绕组两端与电枢绕组两端并联励磁电流取自发电机本身不需要其他直流电源供电。mdashmdash励磁绕组电阻mdashmdash励磁回路电阻两个关系:磁路上Es=Uo=电路上过程:主磁极有剩磁(剩)电枢旋转感应剩供给起始励磁电流产生磁场加强剩磁到达空载特性曲线与场阻线OP的交点P才能实现稳定场阻线OP:不变直线关系说明:OP:是以励磁回路电阻的大小为斜率的直线即OP的斜率与Rf成正比所以(临界场阻)此时OP与相切、建立电压的条件()主磁极要有剩磁()初始励磁电流产生磁场必须加强剩磁()与要有交点(励磁回路断开时即无交点电压不能建立)、不能建立电压的原因和解决办法()=无剩磁(电机多年不用造成)mdashmdash加直流重新充磁加强励磁时mdashmdash联接错误出现刹磁办法:、改变电枢与励磁绕组的相对联接比如将励磁绕组的两个头调换。、改变原动机的转向(本质是使Es调头)注意:、两种方法不能同时使用()、加强励磁后无变化mdashmdash励磁回磁断开造成解决办法是停机查线()、稳定点电压太低、并励直流发电机的外特性条件:n=ne常数研究U=f(I)关系:特点:解释()引起U原因ⅰ电枢回路电阻压降ⅱ电枢反应去磁作用(这两个原因他励机也存在))ⅲ()稳态短路电流不大但要注意两点即突然短路过程中仍然出现危险:ⅰ稳态短路过程中电流要经过电流=致使电机出现环火不允许。(有电感不能马上为)ⅱ考虑过渡过程:U=瞬间磁场不等于即Es较大Ik=(mdash)Ie也危险。()引起外特性ldquo拐弯rdquo的原因两种趋势三、串励直流发电机的外特性条件:研究:关系:分析方法:画出曲线()()将()()得U=f(I)引起U变化原因:上升因素:下降因素:电枢反应去磁主次关系:负载电流I小mdashmdash磁路不饱和上升因素占主要负载电流I大mdashmdash磁路饱和上升大于Es上升,U下降占主要结论:串励直流发电机的端电压随负载变化很大不适于恒压系统。(四)复励直流发电机的外特性复励外特性=串励和并励外特性的组合(视连接成分而定)积复励=并励串励①平复励mdashmdash在额定负载时串励补偿了因负载引起的电压降thereU=满载电压②过复励mdashmdash串场太强使U<满载电压③欠复励mdashmdash串场太弱使U>满载电压差复励=并励mdash串励即:串励起去磁作用使端电压随I增大而急剧下降(少用)。可用于直流电焊机第三章直流电动机同一台直流电机既可作发电机运行也可作电动机运行sectmdash电机的可逆原理图:电机可逆原理示意图发电机时减小M电动机时端电压输出正的电功率发电机状态M>M输出电功率无能量转换条件:进一步减小输入转矩M与n方向一致mdashmdash拖动电机电能机械能电动机状态Mu=输出机械功率物理过程:减小原动机的sectmdash直流电动机的平衡关系(以并励电动机为例)一.电路平衡关系二、功率平衡关系三.转矩平衡空载时:负载后:sectmdash直流电动机的运行特性一.并励直流电动机转速特性(速率特性)由转速公式:考虑到电枢反应的去磁作用结论:并励直流电动机的转速随负载()变化不大mdashmdash硬特性优点:适用于要求转速恒定的场合。缺点:不能过载。注意:并励直流电动机的励磁回路不能断开①轻载时:②重载时:.机械特性公式推导:是一条略为下降的直线自然机械特性:电枢回路无附加电阻Rt即Rt=时的机械特性考虑到电枢反应的去磁当Is较大时相对较小曲线略微上翘人为机械特性:电枢回路串入附加电阻Rt设:特点:串入附加电阻相当于从公式可见:越大直线下降越厉害用途:用于调速二.串励直流电动机的运行特性、转速特性注意:)串励直流电动机不能空载否则ldquo飞速rdquo)串励电动机的串励绕组不能过多ldquo旁路rdquo因为过多旁路会使更厉害图:接旁路电阻示意图4.串励直流电动机的优点:⑴起动转矩越大过载能力越强⑵具有恒功特性轻载和重载时输出功率基本相等。解释:轻载时:n高M低  n高*M低             重载时:M高n低  M高*n低=优点:1)充分利用电动机和电源(全部贡献)   2)牛马特性-软特性适用于ldquo牵引rdquo比如上坡时:要求M大n自动降下来列车能上去如ldquo牛rdquo慢行比如下坡时:要求M小n自动升起来列车如ldquo马rdquo飞奔三.复励电动机的运行特性.转速特性积复励磁场=并励磁场串励磁场特性:介于并、串励特性之间。①串励为主并励为辅优点:具有串励机的牛马特性且在空载时不会ldquo飞速rdquo②并励为主、串励为辅优点:具有硬特性且过载能力强差复励=并励磁场-串励磁场特点:2.转矩特性   设计中对积复励考虑之前:积复励的>串励其M>串励<并励   M<并励之后:积复励的>并励 其 M>并励     <串励   M<串励一般:串励只占第四章 直流电动机的电力拖动基础sectmdash电力拖动系统的运动方程式一.电力拖动mdashmdash用各种电动机作为原动机的拖动系统关键:掌握电动机的特性和被拖动的负载的特性。二.直线运动系统与旋转运动系统  1.直线运动系统(例如直线电机拖动的系统)2.旋转运动系统sect4mdash2工作机构及传动机构参数的折算一.实际拖动系统与等效拖动系统1.实际拖动系统特点:转轴有多根(多级传动)各轴上有本身的转动惯量及转速从而要列出每根轴的运动方程及相互联系的运动方程联立求解才能了解负载的运动状况mdashmdash太复杂。2.等效系统 以电动机轴为研究对象把实际拖动系统等效为单轴运动系统 等效原则:系统传送的功率及储存的动能不变 优点:仅研究一根轴的运动系统从而大大简化了计算. 办法:把传动机构和工作机构的参数折算到电动机轴上比如:工作机构的负载转矩直线运动时的   各轴的转动惯量....都要折算到电动机轴上进行计算二.工作机构转矩的折算 原则:mdashmdash系统传递的功率不变(把传动机构的损耗在效率中考虑)1.电动机带动负载时:电动状态          图:齿轮传动2.发电机制动状态时mdashmdash工作机构拖动电动机三.工作机构直线作用力的折算mdashmdash起重机、刨床2.发电机状态mdashmdash工作机构拖动电机(重物下落)说明:工作机构的下降功率不足以克服传动机构的功率损耗要下落必须电动机帮忙(反向转动)好处:比如电梯由于设计时有意使传动机构损耗大故提升效率<05这个代价才能保证突然断电时电梯无法下降(<0)以保证人的生命安全.四.传动机构和工作机构飞轮矩的折算五.工作机构直线运动质量的折算 以运动的质量折算到电动机轴上可用一个转动惯量为的转动体与之等效折算原则mdashmdash储存动能等效sect4mdash3 生产机械的负载特性  一.恒转矩负载特性  与负载转速无关1.反抗性负载:比如钢板碾压方向可变但不变。2.位能性负载(起重类)负载转矩由重力作用产生无论提升或下放重物重力作用方向始终不变:特点:数量、方向均不变特点:二.通风机负载:因旋转要克服周围介质阻力包括:通风机、水泵、油泵(按离心力原理设计)三.恒功率负载特性:比如车床粗加工时切削量大精加工时切削量小         第五章他励直流电动机拖动系统的静态特性sectmdash他励直流电动机的机械特性一.机械特性的一般表达式任何特性来源于基本关系:二.固有(自然)机械特性三.人为机械特性:人为改变电路的参数所得到的特性。1.电枢串电阻的人为特性结论:电枢回路串电阻后其机械特性变软转速差增大可用于调速。2.改变电枢电压时的人为特性3.弱磁时的人为特性四.机械特性的绘制因为是一条直线故确定直线上的两个点可确定㈠固有的绘制① 理想空载转速千瓦以上的电机其系数取     千瓦以下的电机其系数取② 额定转矩点:二人为机械特性的绘制代入相应的变化量即可求得相应的人为机械特性。比如:电枢回路串电阻Rt的人为特性的绘制。求求求已知:n一点(nMe)一点可画一直线。sect他励直流电动机的起动特性一、起动的基本知识特点:n=(合闸瞬间由于机械惯性电动机来不及转动)后果:①损坏电机:)电磁力可把绕组从槽中摔出来)大电流形成环火启动时引起爆炸损坏换向器。②冲击电流:)造成电网电压darr影响其他负载)如采用半导体电源由于其过载能力差损坏。要求:)起动电流Iq要小约为〔-〕Ie)动转矩要大满磁场下起动(缩短起动过程提高生产率)方法:(一)降压起动:)要用专用的可调电压的电源半导体可调电源。)经济性能高(起动中无附加损耗)。)可实现无级调压起动平稳。但价格贵(二)变阻起动(本质也是降压起动、操作过程:闭合C电动机开始转动Esuarr闭合C:rarr切除闭合C:rarr切除。(至此起动电阻全部切除起动完毕)优点:设备简单操作方便。缺点:起动过程中上要消耗能量。由于起动时间短消耗能量少故广泛应用。、起动的物理过程:起动中最大电流起动中最小电流(切换电流)以保证足够转矩。起动时:注意:操作过程中当Is下降不要太多就可切换以保证足够的力矩。、起动电阻的计算()图解解析法画起动特性图先画出固有机械特性。选择起动中最大电流和最小电流根据起动级数画人为机械特性:(试探法)一般变动。计算起动电阻:根据:()用解析法计算起动电阻:原理:(相当于电动机短路)步骤:①根据电动机的铭牌数据计算②根据电动机容量选定起动级数m和最大起动电流计算最大起动电阻R③由公式计算各段起动总电阻④计算各段起动电阻:sect他励直流电动机的制动特性一、制动的基本知识:制动阻止拖动系统的运动。制动方法:机械制动:比如采用箍瓦靠强大机械摩擦使其停下来或减速。电气制动:利用电动机产生反向转矩阻止拖动系统运动。电气制动的两个方面:①制动过程:拖动系统转速下降直到零的过程。②制动运行:负载拖动电机在某一转速下稳定运行。比如:列车在秦岭坡道()前电机属于电动机状态拖动列车前进。下坡道时如果不切断电源这时列车拖动电动机前进其转速必然大于n即电动机进入发电机状态Is反向产生电磁转矩M与n相反起到刹车作用从而使列车保持在一定转速时下坡避免了列车越来越快。二、能耗制动特性:、制动过程电机原来处于电动状态想马上停转可拉闸后在电枢两端接上制动电阻(励磁电流不变)让电枢储存动能发电从而产生反向制动力矩使电机迅速制停。电动机状态:关系:能耗制动状态:拉开K闭合K迅速制动。关系:n较高Es较大串R限流M=制动。、机械特性分析:原来(电动机时)现在U=即:①n=M=特性曲线通过点②M=oplusn=(象限)或M=n=oplus(象限)过点的、象限一条直线。斜率即该特性直线与时的人为机械特性直线平行制动电阻RZ的选取:RZ不能选得过小制动效果好但Irsquos超过允许值使电刷下火花增大。三、反接制动特性(制动力量更强)、转速反向(反转)的反接制动(位能性负载)()过程:电机处于电动机状态。把重物G向上提升此时K处于闭合状态RZ未接入。()机械特性分析电路关系:(电源U与电势Es串联)相当于电枢被反接故称反接制动因大变为负值即反转反接制动斜率beta很大陡峭()功率关系分析:功率关系:、电源反接的反接制动()过程:正常情况下ldquordquo闭合ldquordquo打开电机处于电动机状态M与n方向一致。反接制动时:ldquordquo打开ldquordquo闭合电源电压U反向加在电枢两端。电枢电势与电源电压串联(相加)经Rz形成回路这一瞬间Isuarr且反向(Phi未反向)反向即与n反向形成制动力矩使电动机尽快制停。()机械特性分析电动机状态(制动前):制动后:斜率很大与的人为特性平行四、回馈制动特性(再生制动)、回馈:把电能反送给电网。比如:位能性负载反向拖动电动机成为发电机状态比如:转向不变的位能性负载如机车下坡:、过程:机车下坡转向未变但由于势能变成动能使机车的速度越来越快nn使电动机进入正向发电状态EsUIs反向反送电能给电网(再生)由于Is反向(Phi的方向不变)故M反向成为制动转矩从而放慢了机车下坡的速度。、机械特性分析其他参数未变仅nn故在原特性基础上向第象限延伸。sect他励直流电动机的调速特性一、调速的基本知识:、为什么要调速?①不同的生产机械需要不同的转速②同一生产机械在不同的时间需要的转速也不同。、调速的类别:①机械调速(齿轮变速):不改变电动机转速仅通过齿轮变速适应机械需要②电气调速:改变电动机的参数来改变转速调速比较平滑③机械电气配合调速调速范围更大。、电气调速方法的基本途径电枢回路串电阻调速(下调)②降压调速(下调)③削弱磁场调速(上调)二、调速指标、技术指标调速范围D由生产机械提出要求比如:车床:D=~龙门刨床D=~使用机械调速还是使用电气调速应视具体情况而定若采用机械电气配合法调速则调速范围应当注意:若太低电机齿槽磁通脉动厉害电机受力不稳定因此受低速相对稳定性限制。相对稳定性(静差率)比如:降压调速时n变但△ne不变。低速时的。工作点Me点时△ne足够大转速相对降低太多故运行不稳定。在n点时:在点时:显然稳定性差一点。注意:区别于转速变化率:delta与电动机的机械特性硬度(斜率)有关但又有区别。有关:同样的n在Me相同时若特性硬一点即△ne小一点delta则小相对稳定性就好一点。区别:在降压调速时低速和高速的特性斜率相同(因为平行)但低速时delta的大小由生产机械的需要所决定比如:普通车床deltale高精度造纸机deltale(若delta大纸张积压大)范围D与delta的关系或(低速时允许转速降要由deltanmax来决定)推导:上式说明调速范围受低速时的静差率的限制。比如:降压调速时:n=rpmnmax=ne=rpm△ne=rpm=rpMnmin=△ne=rpm技术指标:但低速时稳定性相对差若要提高相对稳定性比如要求低速时delta=则这时即delta小rarrD小(为了提高相对稳定性D就得减少)。平滑性(有级无级调速的问题)调速的级数越多越平滑平滑系数:(即相邻两转速之比)该比值越小越平滑。比如:机床:=等。调速的容许输出包括调速时的功率转矩是否恒定与什么样负载配合最佳后面将专门讨论。、经济指标:①设备投资少②设备运行费用即调速设备的效率:式中:eta指调速设备的效率不是电机本身的效率P电动机的输出功率△P调速设备的损耗不是电动机的各种损耗。比如:同一台电动机输出P相同的情况下若采用电枢回路串电阻R调速。R上的损耗大△P大若采用磁场回路中并调速上的损耗小△P小。显然后者比前者调速设备的效率高。三、电气调速方法的分析、电枢回路串电阻调速显然物理过程:调速前后的关系调速前若电动机的电枢电流为Is调速后电动机的电枢电流仍保持为Is即Is不变原因:电动机所带负载不变即Phi不变则Is不变但转速降低了新转速此调速方法的优缺点优点:调速设备简单操作方便初投资小缺点:)技术指标差。delta大相对稳定性差为了减小deltaD则减小。)调速中大不经济。)属于有级调速平滑性差。)轻载时调速范围小效果不明显。经济性分析输入功率调速损耗调速设备效率:由上式可见调速中若n则eta比如:调速时使n且=,就意味转速下降到原来的一半,调速设备消耗的功率占总功率的一半即只有一半的输入功率变成电动机的输出效率太低。提高相对稳定性的措施:在电枢两端并联电阻RB图:在电枢两端并联电阻RB关系式:技术指标:特性硬度rarr稳定性技术指标经济指标:有损耗rarr经济指标。、降压调速()调速系统:小功率系统大功率系统直流电动机容量太大时小功率系统主要是通过晶闸管(SCR)触发角的控制来调节输出电压即直流电动机两端的电压大小。大功率系统则指直流电动机容量特别大时,晶闸管容量有限直接控制难以实现,因此用一台三相交流电动机JD拖动大容量的直流发电机ZF,通过SCR来控制它的励磁电流大小改变Phi从而改变直流电动机ZD两端的电压来实现降压控制。调速的物理过程:UdarrrarrIsdarrrarrMMzrarrndarrrarrEsdarrrarrIsuarrrarrM=Mz为止机械特性分析:由于发电机存在内阻Ro特点:略有增长,斜率略有增长,如ldquo虚线rdquo所示。转速计算:即转速与电压成正比优缺点优点:无级调速,平滑性好,调速范围D大缺点:但其投资大,损耗大,晶闸管会引起谐波公害。励磁调速(升速)①调速系统小功率系统大功率系统励磁回路串联可调电阻改变If改变ф通过晶闸管改变励磁绕组两端电压来改变ф②调速的物理过程:фdarrrarrEpsilonsdarrrarrⅠsuarrrarrMuuarrrarrMuMuzrarrnuarrrarrEpsilonsuarrrarrⅠsdarr直至Mu=Muz特点:(负载转矩不变)转速变化曲线磁通变化曲线电流变化曲线机械特性特点:转速关系:转速与磁通成反比优缺点优点:消耗功率小,设备容量小,投资少,控制方便,平滑性好缺点:磁场不能削弱过多要受限制。四、调速时的功率和转矩(如何充分、合理利用电机)电磁功率电磁转矩如果:调速时因此:调速前后能维持不变这是电机长期工作的利用限度。、恒转矩调速对于他励直流电动机因不变要实现恒转矩调速则必须要保证。比如降压调速时(保持不变)(不变)但功率要变:四、恒功率调速比如弱磁调速时,为了长期运转的需要,Is=Ie=不变,ф改变。属于恒功调速但、调速方式与负载类型配合⑴降压调速与负载配合①恒转矩负载配合选择电机:根据负载Mz要求的最大转速来决定,Me=Mz电机额定功率为。调速时,M=Mz=Me=常数电机不会过热,充分利用热容量。但:PM=Mn∕propn在功率未充分利用且散热条件恶化。结论:恒转矩调速用于恒转矩负载是合理的。与恒功率负载配合选择电机负载功率:关系:电机的一般D较大,小但为了安全运行。必须加大电机的功率即小负载配大电机,这样就不合理。此外在高速时大,Mmin小,IminIe,热容量利用不充分。恒转矩调速方式与恒功率负载配合会造成浪费,不合理。⑵弱磁调速与负载配合与恒功率负载配合负载功率恒定rarr电机功率=恒定值电机Pe=Pz(负载)不扩大功率,比较合理。特点:调速时电机的功率不变,电流不变。(长期运行需要)转矩与转速成反比转矩与成正比与恒转矩负载配合选电机:低速时结论:低速运行时电动机的功率只发挥了额定值的∕D,转矩却比实际需要值大功率利用不充分,浪费,不合理。sect串励直流电动机的电力拖动一、串励直流电动机的机械特性在磁场不饱和时为双曲线,磁场饱和时为下降直线。关系:(串场电阻)磁路不饱和时,为双曲线二、串励直流电动机的人为特性、降低电压时一组平行曲线UUe关系:即降压调速时转速与所降电压成正比。应用:比如城市电车,为了降速,但又不能改变直流电网电压,故有时就将电车上的两台串励直流电动机串联,而每台电机的电压降一半,转速也就近似降一半。削弱磁场时的人为特性(串励绕组两端并电阻分流)不并RB时If=Is并RB时磁场削弱。其机械特性由于фdarr使曲线上移。、增强磁场时的人为特性办法:在电枢两端并电阻机械特性:若nn则EsUsrarrIs反向mdashmdash发电制动能量消耗在中。三、串励直流电动机的制动、反接制动转速反向时的反接制动入ROmegararrIsdarrrarrMMzrarrndarrrarrn继续darr(重物太重物理过程:加)rarrEsdarrrarrIsuarrrarrMuarrhelliphellip当n=Mk(堵转转矩)Mz重物不再正向上升而是下落即电机反转rarrEs反向。(相当于UEs)rarrIsuarrrarrMuarrhelliphellipM=Mz为止稳定下落,此时n=n。反接制动:转速反向rarrEs反向(相当于电枢反接),产生制动转矩,阻止重物自由落体下落而使其在n低转速下匀速下落。电枢反接时的反接制动(适用于n不反向时的负载)分析:电枢反接rarrIs反向(If不反向)rarrM反向rarrM与n的方向相反rarr迅速制动当n=时不切断电源rarr电动机将会反转进入反向电动机状态。曲线比曲线陡因此与M曲线有交点。而EsrarrEs后其他参数未变故机械特性与曲线反向对称。能耗制动(利用电动机储存动能发电进行制动)能耗制动时:当电源切断后让励磁绕组、倒接即ldquordquo接电枢ldquordquo接Rz其作用是保持If不反向仅Is反向所以M反向与n反向迅速制动。问题:IsdarrrarrIfdarr()故制动转矩Mdarrdarr太快,制动力小。解决办法:能耗制动时把串励绕组打开另接一低压额定励磁电源保证不随ndarrrarrEsdarrrarrIsdarr而Ifdarr保证了足够制动力矩快速制停。第六章变压器sect概述一、变压器的用途.改变变流电压考虑绝缘发电机输出电压伏。远离城市需要升压传输。.改变相数:通过变压器的作用线把三相rarr六相rarr十二相或单相rarr三相(单三相变压器)比如:铁路沿线只有KV的单相交流电而场站的三相电动机需要三相交流电。因此通过单一三相变压器把单相变为三相满足要求。(也可采用劈相机).进行阻抗变换:比如收音机的最后一级往往要经过一台变压器接至喇叭。目的就是实现阻抗匹配使喇叭获得最大功率。.改变频率:相位及其他(自控系统用得较多)二、变压器的类别.按原、副边电压关系分类接电源接负载UU降压变压器UU升压变压器.按相数分类①单相变压器:输入单相输出也单相②三相变压器:输入三相输出也三相③三相mdash六相三相mdash十二相(整流).按绕组数目分单绕组变压双绕组变压三绕组变压器.按容量大小分小型变压器中型变压器大型变压器特大型变压器KVA以下~KVA~KVAKVA以上我国最大变压器容量为万千伏安(万伏超高压)sect变压器的结构、额定值、和标幺值一、变压器的结构.铁心:材料~毫米厚的硅钢片冲迭而成。功用:构成磁路(磁导率要高铁心损耗小)迭装方式:()对接式mdash工艺简单拆装方便存在问题是接缝之间容易片间错开扩大涡流。扩大涡流范围接缝处电阻大发热uarr()交迭式mdash避免了片间错开而且容易夹紧。但工艺复杂拆装困难。铁芯截面形状矩形截面工艺简单但空间利用不充分。(小型变压器线细绕组可绕成矩形空间利用也充分)梯形截面空间利用充分但硅钢片尺寸较多工艺复杂阶梯级数最多九级。.绕组(线圈)功用:构成变压器的电路材料:绝缘导体(铜或铝的绝缘导线)型式:铁心式(同心式)②铁壳式铁心式(同心式)②铁壳式铁心式:高低压绕组在铁心柱内外布置低压绕组在内层(绝缘考虑)。多用于电力系统铁壳式:结构坚固多用于弱电系统、其他:油箱(散热、绝缘)瓦斯继电器、测温器二、额定值.额定容量:厂方提供在额定工作条件下变压器输出能力的保证值。用Se表示单位KVA。比如:helliphellip(部分规定).额定电压Ue:绕组空载时额定分接头下端子间的电压保证值。Uemdash原边额定电压接入规定电源电压Uemdash原边电压为Ue时副边的空载电压三相变压器的额定电压指线电压单位:KVV额定电压的大小主要受铁心发热的限制不是怕绝缘击穿。因为BpropUPfepropBsup.额定电流Ie:主要受导线发热的限制Ie:原边额定电流Ie:副边额定电流三相变压器均指线电流单相变压器(忽略损耗)三相变压器三、标幺值(相对值)的概念标幺值=实际值基值优点:)标幺值概念明确说明问题清楚比如

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