電機驅動及控制 課程要求 一 課程的目的1 握直流電機以及交流三相電機的工作原理 特性以及電機的選擇應考慮的因素 2 了解電機調(diào)速的基本知識 本課程的主要內(nèi)容包括 直流電機直流電機的原理與結構 直流電機的機械特性 直流電機的換向 他勵直流電機的制動與調(diào)速 交流異步電機三相異步電動機的基本工作原理 異步電機的機械特性 異步電機的啟動 制動與調(diào)速 電機的選擇電機的發(fā)熱與冷卻 電機的容量選擇電機種類 類型 電壓 轉速選擇 二 參考書1 電機驅動技術王淑芳編科學出版社2 電機與電力拖動朱耀忠主編北京航空航天大學出版社3 電機及拖動許曉峰主編高等教育出版社 本課程的考核形式及記分 考查隨堂測驗總成績 0 6 考查成績 0 4 平時成績平時成績 0 4 課堂作業(yè) 0 3 考勤 0 3 實驗 同時參考網(wǎng)絡學堂使用情況 答疑時間 地點 時間 每周日上午10 00 11 00地點 實驗樓203 網(wǎng)絡學堂網(wǎng)址 用戶名 學號密碼 初始密碼123456進入后點擊 我的課程 電機驅動及控制 第一章預備知識 1 1有關磁場的幾個物理量1 1 1磁感應強度 磁通密度 B用來描述磁場強弱及方向的物理量 單位為T 特斯拉 1 1 2磁通量 簡稱磁通 指穿過某一截面S的磁感應強度B的通量 常用穿過截面S的磁感線的數(shù)量表示 對垂直于截面的均勻磁場有 B S或B S 的單位為Wb 韋伯 1T 1Wb m2 1 1 3磁場強度H是為建立電流與由其產(chǎn)生的磁場之間的數(shù)量關系而引入的物理量 方向與B相同 大小 B H或H B 導磁率 反映導磁介質(zhì)導磁性能的物理量 大表示導磁性能好 單位H m真空中的導磁率 0 4 10 7H m其他材料導磁率為 0的倍數(shù) r 0 r 0為相對導磁率 非鐵磁材料的相對導磁率 r 1 為常數(shù)鐵磁材料的相對導磁率 r 2 000 6 000 為非常數(shù) H的單位為A m 安培 米 1 2常用基本定律1 2 1電磁感應定律一 切割電動勢由導體或導線切割磁感應線而感應的電動勢 B l v三者相互垂直時有 e Blve 感應電動勢 方向可由右手定則確定B 磁感應強度l 導體的有效長度v 導體相對于磁場的運動速度 返回 1 2 2電磁力定律載流導體在磁場中會受到電磁力的作用 當磁感線和導體方向互相垂直時 載流導體所受電磁力為 f 載流導體所受的電磁力B 載流導體所在處的磁感應強度l 載流導體在磁場中的有效長度I 載流導體中流過的電流電磁力的方向可由左手電動機定則確定 二 變壓器電動勢與線圈交鏈的磁通發(fā)生變化時 線圈中將感應出電動勢 方向可由楞次定律確定 楞次定律 閉合導體回路中的感應電流 其流向總是企圖使感應電流自己激發(fā)的穿過回路面積的磁通量 能夠抵消或補償引起感應電流的磁通量的增加或減少 或者說 回路中感應電流的流向 總是使感應電流激發(fā)的穿過該回路的磁通量 反抗回路中原磁通量的變化 N 線圈匝數(shù) 第二章直流電機的電力拖動 主要內(nèi)容 直流電動機的結構 特性 啟動 制動 調(diào)速第一節(jié)直流電機的結構與工作原理2 1結構直流電動機工作具有可逆性 即可作為電動機使用 也可作為發(fā)電機使用 兩者結構上相同 直流電機的結構簡單的說可以有如下幾個部分組成 主磁極 勵磁繞組 換向磁極及繞組 電刷裝置 機座 端蓋 電樞鐵心 電樞繞組 換向器 轉軸 軸承 其他還包括機殼 風扇等 1 勵磁繞組的作用是在主磁極上產(chǎn)生磁通 主磁通 該磁通是使電機工作的前提 2 電樞繞組是轉子的一部分 有了主磁通之后 若在電樞上加入電壓 形成電樞電流 這時電機轉子就會在主磁通與電樞磁場的作用下產(chǎn)生旋轉運動 外力使轉子轉動 則會在電樞上感應出電壓 這時的電機就成為發(fā)電機 3 換向器 整流子 的作用是將外加的直流電轉換為電動機電樞所需的交流電 或是將發(fā)電機電樞繞組中的交流電變?yōu)橹绷麟娸敵?4 電刷 外部給電樞施加的直流電壓或電樞產(chǎn)生的電壓 通過整流子與電刷的接觸進行傳輸 5 換向極 用來改善換向特性 減少換向火花 思考題1 直流電動機和直流發(fā)電機在結構上是否相同 2 在什么條件下直流電動機可以作為直流發(fā)電機使用 3 直流電動機電樞中的電流是直流的還是交流的 為什么 2 2直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)國家標注規(guī)定直流電動機的額定數(shù)據(jù)有 1 額定容量 功率 Pn kW 2 額定電壓Un V 3 額定電流In A 4 額定轉速nN r min 5 勵磁方式和額定勵磁電流IfN A N 直流電動機的額定效率 為直流電動機額定運行時輸出機械功率與電源輸入電功率的比 電動機軸上輸出的額定轉矩T2N 2 3直流電動機的勵磁方式根據(jù)勵磁方式的不同 直流電動機分為如下幾種方式 a 他勵直流電機b 并勵直流電機c 串勵直流電機d 復勵直流電機 2 4直流電動機工作原理 注意 當電動機在電樞電流的作用下旋轉時 其電樞線圈會切割磁力線這一運動會在電樞中產(chǎn)生感生電動勢 該電動勢產(chǎn)生的電流方向與外加電源的方向相反 對外加電流有抵消作用 而且這一感生電動勢與轉速有關 與轉速成正比 2 5直流電動機的基本方程 查看 Ia 電樞電流Ea 電樞中感生電動勢U 供電電壓Uf 勵磁電壓If 勵磁電流 磁通量Tem 電磁轉矩n 轉速T2 電機軸輸出轉矩T0 電機軸空載轉矩矩 基本方程 電壓平衡方程 轉矩平衡方程 Ce 電動式常數(shù)CT 轉矩常數(shù) 取決于電機的結構Ra 電樞內(nèi)電阻 包括電刷接觸電阻ra 電樞繞組電阻 p 極對數(shù) a 繞組并聯(lián)支路對數(shù) 與電機結構有關 P1 電網(wǎng)輸入功率Pem 電磁功率pCua 電樞銅損耗pb 電刷接觸損耗 P2 電機軸輸出功率 軸功率 P1 Pem PCua Pb P2 P0 PCua PbP0包含鐵損 機械損耗 其他損耗故 P1 P2 p效率可以表達為 2 6他勵直流電動機的機械特性2 6 1機械特性方程式機械特性 在電樞電壓 勵磁電流 電樞總電阻均為常數(shù)的條件下 電動機的轉速n與電磁轉矩Tem之間的關系 即 n f Tem 對電樞回路有 n0 理想空載轉速 機械特性的斜率 TN 額定轉矩nN 額定轉速T0 實際空載轉矩n0 實際空載轉速 也可以 表示 n 2 6 2他勵直流電動機的固有機械特性所有參數(shù)均為額定值時的機械特性 即 U UN N Rad 0 固有機械特性的特點 1 電磁轉矩Tem越大 轉速越低 2 當Tem 0時 為理想空載轉速 此時 Ia 0 Ea UN 3 斜率 小 特性線較平 稱為硬特性 大 稱為軟特性 4 T TN時 n nN 轉速差 nN n0 nN TN 稱為額定轉速差 一般 nN 0 05n05 電機起動時n 0 此時電樞電流稱為起動電流 轉矩成為起動轉矩 此時的起動電流和起動轉矩分別為 若 n n0 n 0 05n0 則 因此 啟動時有 2 6 3他勵直流電動機的人為機械特性通過改變U Rad三個參數(shù)實現(xiàn)對機械特性的調(diào)整 一 電樞中串入電阻時的人為機械特性U UN N R Ra Rad n0不變 變化 二 改變電樞電壓的人為機械特性 R Ra不變 而改變U n0變化 不變 由于n0隨著U的減小而減小 而 不變 形成一組平行直線 UN U1 U2 U3 三 減弱勵磁磁通時的人為特性R Ra U UN不變 而改變 改變 意味著減小 正常工作時磁路基本飽和 機械特性方程 轉速方程n 0時 n0 均發(fā)生變化 圖中 堵轉電流與磁通 的大小無關 為 而堵轉轉矩 當轉矩不大時 的減小可以導致轉速提高 而當轉矩較大時 的減小會導致轉速降低 此時處于過載狀態(tài) 的減小導致轉速提高 的減小導致轉速降低 T2 T1 2 6 4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行指的是電動機帶動負載在恒定的轉速下運行 實際上 在工作中由于負載的變化或電網(wǎng)電壓的波動都會導致系統(tǒng)的運行偏離額定工作點 這就要求系統(tǒng)有能力恢復穩(wěn)定狀態(tài) 特性線下降 特性線上升 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件為 1 電機的機械特性與負載轉矩特性必須有交點 即Tem TL 2 在交點附近有 也可以說 在交點的轉速以上存在TemTL 對于有下降趨勢機械特性的電機都可以有穩(wěn)定態(tài) 另外此規(guī)律對交流電機同樣適用 2 6 5他勵直流電機的起動一 電機的起動電機起動時應首先加上勵磁電壓使電機主磁極上建立起穩(wěn)定的磁通 之后才能給電樞通電 給電樞通電時由于n 0 沒有感生電動勢 所以此時電樞電流會很大 10 20倍IN 同時Tst Ct NIst也會很大 一方面Ist大可能引起整流子的火花或環(huán)火 另一方面過大的Tst會造成沖擊 易損壞轉動機構 過大的Ist對電網(wǎng)也會有很大沖擊 再者 過大的Ist對電機本身也很不利 可能燒壞電樞 一般要求Ist 1 5 2 IN對電機起動的要求 有足夠大的起動轉矩 起動電流在限制范圍內(nèi) 起動設備簡單可靠 二 直接起動 三 電樞回路串電阻起動在這種起動方式中電壓U UN不變 在電樞回路中串接電阻 以達到限制電流的目的 串接的電阻Rst稱為起動電阻 Ist2 1 1 1 2 IN Ist2 1 8 2 5 IN 動畫演示 起動時必須保證Tst2 TL Tst2 Ist2 小 則起動速度慢 Tst2 Ist2 大可以提高起動速度 但是會造成起動電阻級數(shù)增多 四 降壓起動保持 R Ra不變 起動時減小電樞電壓U 從而達到降低起動電流的目的 實際應用中由于電壓可以連續(xù)升高 起動可以更平穩(wěn) 思考題1 人為機械特性有什么特點 2 直流電動機起動時應注意什么問題 3 如何才能使電動機具有穩(wěn)定的工作狀態(tài) 2 7他勵直流電動機的制動 根據(jù)電機電磁轉矩與轉子轉動方向的不同 可以將電機的工作狀態(tài)分為 1 電動運行狀態(tài) 電磁轉矩方向與轉子轉動方向相同2 制動運行狀態(tài) 電磁轉矩方向與轉子轉動方向相反在機械制動的情況下 機械轉矩同樣與轉子轉動方向相反 1 Ea的大小正比于轉速 2 Ea的方向與U相反 Ea的大小是電機能量的表征 當轉速為0時 電動機停止 此時Ea 0 由此制動的手段之一就是盡快使Ea 0 為防止沖擊過大 制動時的電流應 2 5倍額定電流 常見的電制動方法 1 能耗制動2 反接制動 到拉反接制動 電源反接 3 回饋制動2 7 1能耗制動能耗制動的基本原理就是盡快地消耗掉電動機工作時所存儲的能量 從而達到制動的目的 正常工作時KM1閉合 制動時KM2閉合 制動時KM1斷開 而KM2閉合 此時U 0 僅有Ea作用于電樞電路 因而 制動效果取決于制動時Tem的大小 Tem大 則制動效果好 而Ia Ea R 可見小的R Ra Rad 可以導致大的制動力 從而有較好的制動效果 但是大的電流會使轉子電流過大 會使轉子轉矩和電流超出允許值 2 7 2反接制動一 倒拉反接制動 1 Rad增加會導致n降低 2 Rad大到一定程度會使n換向 3 n換向 Ea也換向 Rad小穩(wěn)定轉速低 Rad大則穩(wěn)定轉速高 穿過n 0點后電機轉向發(fā)生改變 二 電源反接制動 正常工作時KM1閉合 制動時KM2閉合 Rad的作用 避免過大的制動電流 電源反接制動開始時 n大小和方向不變 但是電源反向 電樞電壓 U Ea 設n方向為正向 與原方向相反 形成與原方向相反的Tem 此時電機的特性方程 對位能負載必須在此點進行機械制動 否則電機反轉 2 7 3回饋制動電動機工作時的理想空載轉速為n0 由于各種損耗的存在 在電機正常電力驅動的情況下 不可能達到轉速n0 但在某些特殊情況下 電動機的轉速可能達到n0以上 舉例1 起重機放下重物 舉例2 電動自行車下坡 上述兩種情況都由于重力的作用使得電機的轉速超過了n0 轉速的提高導致Ea增加 使得Ea U 進而使Ia換向 Tem換向 使電動機處于發(fā)電狀態(tài) 同時提供負載阻止速度的增加 2 7 4各種制動方法比較一 能耗制動1 制動減速平穩(wěn)可靠2 電路簡單3 制動轉矩隨n的降低而降低二 回饋制動1 無需電路改接 自動轉換到制動狀態(tài)2 發(fā)出的電可以回饋給電網(wǎng)三 反接制動1 制動時從電網(wǎng)吸收能量2 n 0時必須切斷電源 否則反向加速 思考題 1 能耗制動時電樞中的電流由誰提供 2 能耗制動電路中的電阻的作用是什么 3 電源反接制動應注意什么問題 4 何種制動方法可以使電動機向電網(wǎng)回饋電量 2 8他勵直流電機的調(diào)速 電力拖動系統(tǒng)的常用調(diào)速方法 1 機械調(diào)速 2 電氣調(diào)速 3 機電混合調(diào)速2 8 1調(diào)速指標一 調(diào)速范圍 在額定負載下可能運行的最高轉速與最低轉速之比 以D表示 軋鋼機D 3 10 龍門刨D 10 40 造紙機D 1 20 車床D 20 120D的范圍不能太大 原因是受nmax和nmin的限制 nmax受到換向條件及機械強度的限制 nmin最低穩(wěn)定轉速的限制 二 調(diào)速平滑性指的是相鄰兩級轉速之比 以K表示K越接近1則平滑性越好 K 1時為無級調(diào)速三 調(diào)速的相對穩(wěn)定性 靜差率 指的是在同一條機械特性線上 額定負載時的轉速降與理想空載轉速n0之比 越小特性線越平穩(wěn) 特性越硬 但硬度相同 靜差率可能不同 不同機械設備調(diào)速時對靜差率的要求 普通車床 30 即可龍門刨 10 高精度造紙機 0 1 小的 可以提高電機的工作穩(wěn)定性 擴大調(diào)速范圍 靜差率 與調(diào)速范圍D是相互制約的 二者的關系為 用小數(shù)表示的靜差率 nN 低速特性額定負載下的轉速降 四 調(diào)速的經(jīng)濟性設備的初投資 運行效率及維修費用 五 適應負載的特點調(diào)速過程中所能輸出的功率和轉矩 調(diào)速方法適應負載的要求 2 8 2調(diào)速方法一 電樞串電阻調(diào)速 Ia與轉速無關而與負載轉矩成正比 所以當負載恒定時Ia也恒定 由于UN未變 所以電網(wǎng)輸入給電機的功率不變 由于Rs存在會消耗功率 故串電阻調(diào)速時 Rs越大 調(diào)速越低則電機效率越低 Rs上消耗功率增加 可以看出UN N恒定時Rs越大n越低 特點 設備簡單 初投資少 有級調(diào)速 平滑性差 低速時轉速的相對穩(wěn)定性差 低速時效率低 電能損耗大 適合于對調(diào)速性能要求不高的設備上 二 弱磁通調(diào)速 由于磁通發(fā)生了變化 在相同的負載轉矩下 電樞電流與原磁通情況下的電樞電流不同 而弱磁通下的轉速為 安全問題 無論何種調(diào)速方式 都不允許切斷勵磁繞組的電源 因為在勵磁磁通很弱的情況下可能造成飛車 發(fā)生事故 特點 設備簡單 效率高 但特性變軟 常用在要求調(diào)速在額定轉速之上的場合 三 改變電樞電壓調(diào)速保證 為恒定值 電樞不串電阻 僅改變電樞電壓 所以得到一組平行特性線 降低電樞電壓得到的平行線 所以電機特性比較硬 電源采用他勵直流發(fā)電機或晶閘管整流器供電 能提供連續(xù)可調(diào)的電壓 從而實現(xiàn)無級調(diào)速 特點 調(diào)速平滑性好 可以達到無級調(diào)速 機械特性硬度不變 低速時能量損耗少 效率高 四 調(diào)速方法與負載類型的配合 1 電機的允許輸出電機的允許輸出指的是 在不同轉速下 電機長期工作所能輸出的最大轉矩和功率 此功率取決于電動機的發(fā)熱 即取決于Ia 不同轉速下只要Ia不超過In即可 另外 在不同轉速下 若能保證Ia In 則電動機被充分利用 2 調(diào)速方法 電樞串電阻和降低電樞電壓調(diào)速在這兩種調(diào)速方法中 勵磁磁通 N恒定 若不同轉速時Ia In 則輸出轉矩 可見這里T為常數(shù) 而功率則不為常數(shù) 即隨著轉速的提高電機功率提高 弱磁通調(diào)速弱磁通調(diào)速時通過改變勵磁磁通來調(diào)速 而 只能變小 故調(diào)速時從nN向上調(diào) 可見 Tem與n成反比 而 故 弱磁通調(diào)速時 弱磁通調(diào)速只能使轉速從nN提高 而其他兩種方式只適合于減速 所以有 n nN時 采用弱磁通調(diào)速為恒功率調(diào)速 n nN時 采用電樞串電阻或降低電樞電壓調(diào)速 為恒轉矩調(diào)速 恒功率調(diào)速區(qū) 恒轉矩調(diào)速區(qū) 3 調(diào)速方法的選擇電動機銘牌上所標明的輸矩和功率 并不表示其實際輸出 而表示電機的使用限度 電機的實際輸出取決于負載的大小 負載有三種 恒定負載 恒轉矩負載 風機型負載 電動機拖動恒轉矩負載應采用恒轉矩調(diào)速方法 并應使TN TL 額定轉速nN等于生產(chǎn)機械所要求的最高轉速nmax在電機工作于不同轉速時 電樞電流和電磁轉矩均為額定值 使電機得到充分利用 若采用恒功率調(diào)速方法 為保證電動機能在各種轉速下能正常連續(xù)工作 必須使電機的最低轉矩等于負載