電機及拖動基礎(chǔ)FundamentalsofElectricMachineryandElectricDrives111,緒論Introduce,上海工程技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院陳曉麗,主要內(nèi)容,直流電機原理電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)直流電動機的電力拖動變壓器三相異步電動機原理三相異步電動機的電力拖動同步電動機電力拖動系統(tǒng)中電動機的選擇,0.1電機的應(yīng)用和分類,另一類廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)中的控制電機，其主要任務(wù)是完成控制信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，而能量轉(zhuǎn)換是次要的，控制電機應(yīng)具有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等性能。,0.1.1電機的分類,由于電能易于轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和控制，現(xiàn)代能源的主要形式是電能，所以，與電能密切關(guān)聯(lián)的電機廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)各個部門和社會生活各個方面。,電機按不同的功能可分為：作為動力設(shè)備用的和作為控制元件用的兩大類，如電機分類圖所示,普通電機的主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換，主要問題是如何提高能量轉(zhuǎn)換的效率。,直流發(fā)電機直流直流電動機動力設(shè)備類異步電動機旋轉(zhuǎn)電機同步電動機電機交流同步電機同步發(fā)電機變壓器調(diào)相機控制電機電機分類圖,電機分類圖,0.1.2電機的應(yīng)用,控制系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換由各種控制電機完成。,電能生產(chǎn)由同步發(fā)電機生產(chǎn)；,高壓輸電由升壓變壓器將發(fā)電機發(fā)出的電壓升高到輸電電壓再輸送；,降壓用電由降壓變壓器將輸來的高壓電降為所需低電壓，供給用電設(shè)備；,生產(chǎn)機械的拖動由各種電動機實現(xiàn)；,0.2本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)和教學(xué)目的,電機與拖動基礎(chǔ)課程是以電力拖動系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的電機為重點，從使用的角度介紹交、直流電機、變壓器等的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要工作特性以及運行特性等。,0.2.1教材內(nèi)容,教材與參考書,教材：電機與拖動基礎(chǔ).林瑞光主編.浙江大學(xué)出版社，2006年3月參考書：1電機與拖動基礎(chǔ)（第3版）.李發(fā)海、王巖編著.清華大學(xué)出版社，2005年8月2電機及拖動基礎(chǔ)上、下冊（第3版）.顧繩谷主編.機械工業(yè)出版社，2004年4月3ElectricMachinery(SixthEdition).清華大學(xué)出版社，2003年7月,0.2.2課程性質(zhì),本課程屬專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)過程中要用到高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路等課程的知識。,0.2.2課程性質(zhì),本課程雖是基礎(chǔ)課，但又具有專業(yè)性質(zhì)，講授的內(nèi)容是電機方面非常具體、實際的問題。在實際運行著的電機中，電、磁、力、熱等物理定律同時起作用，互相制約，分析解決這種復(fù)雜問題時，往往需忽略一些次要因數(shù)，抓住主要矛盾加以解決，只要所得結(jié)果正確，引起的誤差在允許的范圍內(nèi)，這在工程上是允許的，這與以前所學(xué)課程中解決問題理想化、單一化有很大區(qū)別，學(xué)習(xí)時需有足夠的認(rèn)識。,0.2.3教學(xué)目的,為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識，提高分析問題、解決問題的能力，也為今后從事自動化工程技術(shù)工作和科學(xué)研究奠定初步基礎(chǔ)。,通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握常用交、直流電機及變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運行性能和實驗方法；掌握電動機的特性分析的方法。,0.2.4學(xué)習(xí)方法,1.注意共性問題電機種類繁多，各具特性，但就其內(nèi)部電磁關(guān)系耦合過程和機電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，仍有其內(nèi)在聯(lián)系。他們的基本工作原理都是建立在電磁感應(yīng)定律和電磁力定律基礎(chǔ)上的；他們的能量轉(zhuǎn)換都是以磁場為媒介，其電磁關(guān)系可抽象為電路參數(shù)，得出基本方程式和等值電路，這是共性方面。,0.2.4學(xué)習(xí)方法,2.注意課程主線在學(xué)習(xí)中應(yīng)將變壓器、交流電機、直流電機的相似性有機地統(tǒng)一起來，注意課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，形成學(xué)習(xí)本課程鮮明的主線，只要學(xué)好了變壓器，對交流機和直流機的內(nèi)容就比較容易掌握了。,0.2.4學(xué)習(xí)方法,3.注意理論聯(lián)系實際理論聯(lián)系實際，注重做好本課程開設(shè)的相關(guān)實驗，立足于學(xué)會使用各類電機，在實驗中學(xué)習(xí)解決實際問題的方法，注意培養(yǎng)解決工程實際問題的能力。,0.2.5課程有關(guān)事項及紀(jì)律要求,總評成績：作業(yè)10%，課堂20%，考試70%。,不遲到，上課認(rèn)真聽講，做好重點內(nèi)容的筆記。課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)，及時掌握每次課的要點。按時完成作業(yè)，不抄作業(yè)，每章結(jié)束后交一次作業(yè)。課上不做與課程無關(guān)的事，不懂可及時舉手提問。有疑難，應(yīng)及時答疑。,答疑時間：每周二下午2：00-5：00地點：辦公樓1115，電話實驗前做好預(yù)習(xí)報告，實驗時注意安全，實驗后完成實驗報告。,0.3本課程中常用的基本電磁定律,注：課后要自己復(fù)習(xí)上述定律。,學(xué)習(xí)本課程中常要用到的基本電磁定律有：,全電流定律、,磁路歐姆定律、,電磁力定律、,電磁感應(yīng)定律、,基爾霍夫電流定律和電壓定律等。,0.3.1電路定律,1.電路歐姆定律流過電阻R(resistance)的電流I(current)大小與電阻兩端的電壓U(voltage)成正比，與電阻R的大小成反比，即有（1）,2.基爾霍夫定律,基爾霍夫第一定律電路中任意節(jié)點的電流的代數(shù)和等于零，即有（2）基爾霍夫第二定律對電路中任一回路，電壓降的代數(shù)和等于電動勢(emf)的代數(shù)和，即有(3),0.3.2電磁感應(yīng)定律,一匝數(shù)（turn）為N的線圈(winding)，在變化的磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e(induceelectromotiveforce)的大小與線圈匝數(shù)N和線圈所交鏈的磁通（themagnticflux）對時間的變化率dF/dt成正比，當(dāng)感應(yīng)電動勢正方向與產(chǎn)生他的磁通正方向符合右手螺旋定則時，則有（4）,0.3.3全電流定律,磁場中沿任一閉合回路的磁場強度H(themagneticfieldintensity)的線積分等于該閉合回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)和，即有（5）,0.3.4電磁力定律,載流導(dǎo)體在磁場中受到力的作用，當(dāng)磁場與導(dǎo)體相互垂直作用時，作用在載流導(dǎo)體的電磁力為（6）,0.3.5磁路定律,1.磁路基爾霍夫第一定律在磁路(magneticcircuit)中根據(jù)磁通的連續(xù)性可得：穿入任一閉合面的磁通必等于穿出該閉合面的磁通，即磁路中通過任何閉合面上的磁通的代數(shù)和等于零，則有（7）上式中一般將穿出閉合面的磁通取正號，穿入閉合面的磁通取負(fù)號。,2.磁路基爾霍夫第二定律,根據(jù)麥克斯韋方程（式（5）可得出：在閉合的磁路中，各段磁壓降的代數(shù)和等于閉合磁路中磁動勢(mmf)的代數(shù)和，即有（8）上式中，H磁場強度，A/m；L各段磁路的長度，m；N線積分線路所包圍的導(dǎo)體數(shù)；I每根導(dǎo)體所流過的電流，A。,3.磁路歐姆定律,在無分支的磁路中，磁通F與磁動勢F大小成正比，與磁路中的總磁阻Rm(totalreluctance)的大小成反比，即有（9）上式中，Rm磁路的總磁阻，1/H。,電機主要組成系統(tǒng),電機主要由兩大系統(tǒng)組成：電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)。鐵磁材料是組成磁路的主要部分。,所謂鐵磁材料是指導(dǎo)磁性能好的材料，如：鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。,0.4電機中鐵磁材料的特點,鐵磁材料的磁導(dǎo)率Fe要比非鐵磁材料磁導(dǎo)率大得多（Fe），非鐵磁材料磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率0（0=410-7H/m）。,電機中常用的鐵磁材料的磁導(dǎo)率Fe=（20006000）0。,鐵磁材料能在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，這種現(xiàn)象稱磁化，磁化是鐵磁材料的特性之一。,0.4.1磁化曲線magnetizationcurve,在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場強度H之間呈線性關(guān)系，即B=0H。,對于鐵磁材料，磁導(dǎo)率Fe除了比0大得多以外，還與磁場強度以及物質(zhì)磁狀態(tài)的歷史有關(guān)，所以鐵磁材料的磁導(dǎo)率Fe不是常數(shù)。,在工程計算時，事先將各種鐵磁材料用試驗的方法，測得它們在不同磁場強度H下對應(yīng)的磁通密度B，繪制成B-H曲線，這條B-H曲線，就稱為磁化曲線。將未經(jīng)磁化的鐵磁材料進行磁化，磁場強度H由零增大時，磁通密度B隨之增大，所得的B=（H）曲線稱為起始磁化曲線。,分析磁化曲線,從圖中可見，曲線分四段,在oa段：當(dāng)H增大B增大，但B增大速度較慢；,在bc段：B隨H增大的速度又較慢；,在cd段：為磁飽和區(qū)（又呈直線段）。其中，a點稱為跗點；拐彎點b稱為膝點；c點為飽和點。,過了飽和點c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近0。,在ab段：當(dāng)H增大B增大，B增大速度快；,鐵磁材料具有的特點,鐵磁材料具有如下特點：它的磁化曲線具有飽和性，磁導(dǎo)率Fe不是常數(shù)，且隨B的變化而變化。,0.4.2磁滯回線hysteresisloop,鐵磁材料被反復(fù)磁化時，B-H曲線不是單值的，是一條磁滯回線。,分析：同一個H值下，有兩個B值與之對應(yīng)。當(dāng)H=0時，B0，B=Br，Br稱為剩磁；當(dāng)B=0時，H0，H=Hc，Hc稱為矯頑力。,不同的鐵磁物質(zhì)其磁滯回線寬窄是不同的，當(dāng)鐵磁材料的磁滯回線較窄時，可用它的平均磁化曲線，即基本磁化曲線進行計算（如圖中的曲線3所示）。,說明1,說明2,根據(jù)磁滯回線形狀的不同，鐵磁材料可分為硬磁材料和軟磁材料。硬磁材料的磁滯回線胖寬，剩磁、矯頑力大，如鎢鋼、鈷鋼等；軟磁材料的磁滯回線瘦窄，剩磁、矯頑力小，如硅鋼片、鑄鋼等。,由于電機鐵芯采用軟磁材料制成，其磁滯回線瘦窄，在進行磁路計算時，為了簡化計算，不考慮磁滯現(xiàn)象，而用基本磁化曲線來表示B與H之間的關(guān)系，故通常所講的鐵磁材料的磁化曲線是指基本磁化曲線。,0.4.3交流磁路中的鐵心損耗,交流磁路中存在鐵芯損耗，鐵芯損耗又分為磁滯損耗和渦流損耗。,1.磁滯損耗hysteresisloss,鐵磁材料在交變的磁場中反復(fù)磁化，磁疇間相互摩擦，產(chǎn)生損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。磁滯損耗與交變磁場的頻率f、鐵芯的體積V、磁滯回線的面積成正比。磁滯損耗功率可用下式表示：,式中kh磁滯損耗系數(shù)，它的大小取決于材料性質(zhì)；對一般電工鋼片n=1.62.3；f磁通交變頻率；Bm磁通密度的最大值。,2.渦流損耗eddy-currentloss,鐵芯是有阻值的，當(dāng)磁通交變時，鐵芯中就會感應(yīng)交變的電勢，在導(dǎo)電的鐵