电机与拖动.ppt
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1、电机与拖动,关于本课程,课程性质:技术基础课(专业基础课) 教 材:电机拖动基础 宋银宾主编 实验教材电机实验与检测 李宗昉主编 任课教师:李宗昉 教学时间:516=80-10(实验)=70学时 成绩评定:期末考试70% 中期考试10% 其他 20% (含实验、出勤、课堂听课、纪律),学习电机与拖动的目的: 学习电机与拖动:不仅实际工作需要,而且对后续课程是一个基础。 对于电车专业:电机与拖动牵引电机 电子专业:电机与拖动微特电机(自控技术),序 言,一、电机概述,1.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) 2.重要性:电气化的心脏 3.分类:普通
2、电机与特种电机,(1)普通电机(按能量转换分),机械能电能(发电机)(产生电能) 直流 交流 水力、火力、原子能、潮汐、地热、风力 电能机械能(电动机,用于动力机械) 65%的总电量被电动机消耗 电能之间的转换: 改变交流电压变压器 改变电流变流机(直流交流) 改变频率变频机 改变相数劈相机或单-三相变压器,(2)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 90多台 ;自动火炮 60多台 ;导弹控制50多台 ;雷达20多台 ;飞机的无人驾驶30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
3、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,拖动原动机为了完成一定任务而使生产机械运动。 电力拖动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,1.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,2.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,3.多电机拖动系统一个生产机
4、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,4.自动化电力拖动系统多学科综合应用 比如:自动恒定功率、自动调节转矩,电力拖动的优点,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。 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。 检测方便,易于组成完善的反馈控制系统以实现最佳控制。 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,(1)全电流定律(电生磁) 比如, 空间有n=3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
5、变压器的磁路计算,(2)电磁感应定律(磁生电) 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,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,(3)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,(4)可逆原理 电能 机械能 电功率 (机械功率) (5)磁路的欧姆定律 磁动势 相当于E 磁通 相当于I 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:掌握各种电机的基本结构、工作原理、基本特性及
6、应用。 掌握电力拖动系统的组成、特性及分析计算。 通过试验验证电机的各种性能。,第一章 直流电机基础,1-1 概述,直流电机:一种转换与直流电能有关的机器 直流电能机械能 (直流电动机) 机械能直流电能 (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 调速性能好 方 便 平 滑 起动性能好,起动力矩大 缺 点:结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠环火问题。,电力机车 用 途: 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 发电机 可作独立直流电源,也可组成发电机电动机拖动系统(F-D),比如冶
7、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。,1-2 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) 在空间固定产生恒定磁场 转 子:环形铁心上绕有12个线圈(闭合绕组在原动机拖动下旋转) N 极下:2、3、4、5、6 切割磁力线感应电势方向 S 极下:8、9、10、11、12 切割磁力线感应电势方向 1、7 处于几何中性线处不感应电势,特 点: 同
8、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。 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)。 转子绕组闭合回路中 =0(对称),无环流。,引出直流电的办法:,1、7 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直流电势,电刷存在的问题及改进方法,问题: 寿命不长(经不起长期磨损) 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:电刷位置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。 换向片数 K = S
9、(元件数) 环形绕组并联之路数 2a = 极数 2p = 电刷数 a并联支路对数(两条支路时 a=1) p极对数 (两个极时 p=1),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。,1-3 直流电机的基本结构、分类及额定值,一、主要结构部件 1、定子部分 主磁极产生主磁场 铁心:0.51.0mm厚硅钢片冲迭而成。 励磁绕组:由绝
10、缘导线绕成,通以直流电产生主极磁场。,换向极(附加极)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 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 电刷装置和其它 电刷装置的作用:引出(引进)电流 组成:电刷石墨制品,耐磨,导电 刷握刷盒,放电刷,用弹簧压紧电刷,在空间固定 刷架安放刷盒用,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),2、转子部分电枢(感应电势,通过电流) 电枢铁心0.5mm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
11、而产生过多铁耗 齿 、槽安放电枢绕组 通 风 孔散热 内 圆轴孔,电枢绕组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,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:基体与电刷接触 竖板(升高片)连接电枢绕组元件 燕尾夹紧、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
12、,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 1、额定功率(容量) 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 2、额定电压 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 115V 230V 460V 110V 220V 440V 1000V,3、额定电流 电
13、机额定输出功率时的电流值 发电机 过载 满载 电动机 欠载 4、额定转速 额定负载时电机的限定转速 5、额定励磁电流 6、额定效率,1-4 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 = 0 ,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,1、直流电机空载时的磁通分布(以四极电机为例) 主磁通 (每极)经过气隙进入电枢的磁通,磁通路径,路径:N 极出发N 极下的气隙N 极下的电枢齿槽电枢铁心S 极下的电枢齿槽S 极下气隙S 极下铁心磁轭回到N 极下的铁心 主磁通又称有效磁通能感应电势的磁通或能产生力矩的磁通 漏磁通 未进
14、入电枢铁心的磁通 特点不感应电势也不产生力矩,无效的 缺点不可避免它增加了铁心和磁轭的饱和程度,总磁通:,2、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“场”的问题简化为“路”来计算 W 总激磁匝数 2表示两个极 磁路某段的场强 1个磁极上的激磁绕组匝数 该段磁路的平均长度 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 (2) 电枢齿长 (2) 电枢轭一段长 (1) 主极铁心长 (2) 定子磁轭一段长 (1),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) (S为不同段的磁路截面积)每
15、段磁场强度H 气隙 ( 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,计算分段磁势 总磁势 (一对极的总安匝) 决定 I-决定导线截面 3、主磁通磁势产生的气隙磁密的分布曲线 (1)气隙磁密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 (2)气隙特点:极中心处气隙最小 极尖(极掌)处气隙最大,比如:城市电车用直流电机ZQ-800 9/4.5 ,即 =4.5mm =9mm 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) 为帽形 极距,代表电枢表面的圆周一个极所占的范围 电枢外径,
16、 p 极对数 气隙磁密的最大值 10千瓦以下电机 =4000 6500高斯 大容量电机 =10000 10500高斯,计算中常用 气隙平均磁密 , 电枢轴向有效长度,4、电机的磁化曲线 (1)定义:代表每极主磁通 与励磁电流 的关系曲线 (2) 形状及解释 调R,保持n 不变,测,.,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 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 (2) 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 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
17、,即 ( 铁心 不多),(3)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) (4)磁路饱和程度 额定电压下的激磁电流 额定电压下气隙磁势所需激磁电流 大饱和好,则铁心体 积相对小,但发热严重 相同容量比 小不饱和,则铁心体 积相对大,性能好,15 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4极电机为例 1 环型绕组的缺点 (1)制造困难,修理不便。 (2)内腔导体不感应电势,导体没有充分利用。,1、5、9不感应电势,2、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
18、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)放在电枢槽内部分 前段接靠换向器的一边 后端接无换向器的一边,(1)元件数S=换向片数K (2)总导体数=S2Wc Wc= 一个元件的匝数 (3)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=3Z,三 、单迭绕组的组成 1 节 距绕组连接的规律 (1)第一节距y1(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),=0 整距 长距 短距,(2)合成节距Y紧相串联
19、的元件对应边的距离 单迭绕组 y=1 (3)第二节距y2(前距),接在同一换向片的两元件边的距离 单迭绕组,y2=y1-y,2单迭绕组的展开图(某一瞬间) 例:Z=K=S=16 2p=4 作一单迭绕组展开图 计算节距:y1=z/2p=16/44 (整距)=0 单迭 y=1 y2=y1-y=4-1=3 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y1画出后端接(结构对称) 按y2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,2-1 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
20、的电枢电势 = 一个并联支路内导体数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 ;a并联支路对数 平均电势: 转/分,代入上式: -电势常数,与结构有关 单位: 韦伯; 转/分 ; 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1)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。 2)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。 3)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。 4)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。,
21、二、电磁转矩公式 电磁转矩导体中电流与磁场作用产生 电动机拖动负载的转矩(M与n方向一致) 发电机反转矩(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。,2-2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 1.电枢磁势 在气隙中的分布 假设 忽略铁心磁位降(电枢磁势主要降在两个气隙中),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: 极轴处:电枢磁势=0(包
22、围电流小) 中轴处:电枢磁势=最大 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: 极轴处:电枢磁势=0(包围电流小) 中轴处:电枢磁势=最大 从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的(三角波形),2、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A电枢圆周单位长度的电流数(安/厘米),A与 关系:,3、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 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
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