电机与拖动基础现用

1、电机与拖动基础2022/7/26电机与拖动基础1电机与拖动课程前言一、本课程性质及其特点： 1、本课程属于技术基础课2、基本概念多 3、电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）4、该课程以大学物理和电路理论为基础2022/7/26电机与拖动基础2二、参考书：1、王毓东编电机学上、下，浙江大学出版社2、顾绳谷编电机及拖动基础，机械工业出版社3、唐介编电机与拖动，高等教育出版社4、许建国编电机与拖动基础，高等教育出版社2022/7/26电机与拖动基础3三、本课程学习内容：变压器、直流机、异步机、同步机掌握内容：1）工作原理2）电磁力分析3）特性及应用2022/7/26电机与拖动基础4四、电机的

2、作用与功能：电机是实现机械能与电能相互转换的电磁机器电动机：电能机械能发电机：机械能电能变压器：U1交流电能变成U2交流电能2022/7/26电机与拖动基础5五、电机的分类：1、按电能形式分直流电机（发电机、电动机）交流电机（异步机、同步机）（发电机、电动机）2022/7/26电机与拖动基础62、按能量转换形式分发电机（直流电机、交流电机） （异步机、同步机）电动机（直流电机、交流电机） （异步机、同步机）2022/7/26电机与拖动基础7六、电机的作用：1、进行能量转化、传输和分配电能一简单供电系统图2022/7/26电机与拖动基础82、驱动生产机械 磁悬浮列车 大型车床2022/7/26电

3、机与拖动基础93、控制各种自动设备盲人引路车爬行机器人2022/7/26电机与拖动基础10七、电机的发展状况大型和超小型方向发展同步发电机定子各种微电机2022/7/26电机与拖动基础11电力拖动系统动力学 1.1电力拖动系统的运动方程式 电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成。电力拖动系统组成 机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系，生产机械的负载转矩特性表明负载的性能，要研究整个电力拖动系统，必须研究电动机和负载之间的运动规律电力拖动系统的运动方程式。1.单轴电力拖动系统 电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连，工作机构是电动机的负载。 单轴电力拖

4、动系统 T 为电动机的电磁转矩(Nm)， TL 为电动机的负载转矩(Nm)，J 为电动机轴上的总转动惯量(kgm2)， 为电动机的角速度(rad/s),D 为系统转动部分的回转直径(m), m 为系统转动部分的质量(kg), 是具有加速度量纲的系数，单位为 mmins 。 动转矩系统处于加速； 恒速或静止，稳定运转状态；系统减速 为系统转动部分的回转半径(m), g=9.81m/s2 为重力加速度, G 为系统转动部分的重力(N), GD2 为转动部分的飞轮矩(Nm2), 实际的电力拖动系统，大多数是电动机通过传动机构与工作机构相连的多轴电力拖动系统。 研究多轴电力拖动系统时，需要对每根轴分别

5、写出运动方程式并联立求解，最后得出电力拖动系统的运动规律，显然比较麻烦。 等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率及储存动能保持不变，即等效单轴系统应与实际的多轴系统具有相等的机械功率和动能。实用工程计算：采用筒化多轴电力拖动系统的分析计算，将负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上，变多轴系统为等效的单轴系统。 多轴电力拖动系统的简化1.2多轴电力拖动系统的简化计算1.2.1工作机构为转动情况时，转矩与飞轮矩的折算1.转矩的折算多轴电力拖动系统中:工作机构折算前的机械功率=工作机构折算后的机械功率f为工作机构转轴的角速度；Tf为工作机构的实际负载转矩； 为电动机轴的角速度；TF为工作机构负载转矩折

6、算到电动机轴上的折算值； 为传动机构总的速比，写成一般形式为 等于各级速比乘积；考虑传动机构的传动效率： 式中为传动机构总效率，等于各级传动效率乘积， ；传动机构转矩损耗：由于负载是由电动机拖动的，电磁转矩为拖动性转矩，T是由电动机负担。 2飞轮矩的折算飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小；工作机构转轴的飞轮矩为 ，动能为: 折合到电动机轴上的飞轮矩为 ，折算后其动能为:折算的原则是折算前后该轴的动能不变，即化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式:旋转物体的动能为:传动机构中还有转速为 nb 的轴，其轴上各部分的总飞轮矩实际值为 ,动能是:折合到电动机轴上以后的飞轮矩为 ，其动能为:根据折算前后该

7、轴动能不变的原则有:飞轮矩折算时，其折算值为实际值除以速比的平方，(注意不同转速的轴其速比也不一样。)写成一般形式为:一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分(20-30%)；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。 从上面分析的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴上的总飞轮矩为:一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴

8、上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分 (20-30%)；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。 例题11 (Pg4)已知飞轮矩 GDa2=14.5 Nm，GDb2=18.8 Nm，GDf2=120 Nm，传动效率1 =0.91, 2 =0.93, 转矩Tf =85 Nm，转速n =2450rmin，nb =810rmin， nf=150rmin，忽略电动机空载转矩，求：(1)折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2； (2)折算到电动机轴上的负载转矩TF。解: (1)系统总飞轮矩: (2)负载转矩 :1.2.2工作机构为平移运动时，转矩与飞轮矩的折算 有些生产机械，如

9、桥式起重机的起重小车、龙门刨床等，它们的工作机构作平移运动。 刨床电力拖动系统：电动机经多级齿轮变速后，用齿轮、齿条把旋转运动变成工作台的平移运动。切削时工件与工作台一起以速度V移刨床电力拖动示意图 动，刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为F，电动机的转速为n，传动机构效率为。把这种多轴系统等效成单轴系统，须将切削力及平移运动部件的质量折算到电动机轴上的等效转矩 TF 及等效飞轮矩 GDF2。1.转矩的折算 工作机构为平移运动时，切削功率为:根据功率平衡关系则有: 电动机轴上的等效转矩:传动机构的转矩损耗:2.飞轮矩的折算折算的原则：折算前后储存的动能相等。 平移运动部件的动能:折算到电动机轴

10、上的转动惯量中储存的动能:根据折算前后动能不变的原则有: 例题: 已知切削力F=10000N，工作台与工件运动速度v=0.7m/s，(Pg12) 传动机构总效率 =0.81，电动机转速n =1450rmin，电动机的飞轮矩 GDD2 =100N m2，求：(l)切削时折算到电动机轴上的负载转矩；(2)估算系统的总飞轮矩；(3)不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以dn/dt =500 r/mins, 恒加速度运行，计算此时系统的动转矩绝对值。解：(1）切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削功率为:折算后的负载转矩:(2)估算系统总的飞轮矩:(3)不切削时，工作台与工件反向加速，系统动转矩绝

11、对值: 1.2.3工作机构做提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算工作机构运动为升降的电力拖动系统 电动机通过传动机构（减速箱, 速比为j ）拖动一个卷筒，半径为R，转速为nf；缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重力为G=mg，；重物提升时传动机构效率为，卷筒重物提升或下放的速度都为v。 桥式起重机的提升机构、电梯、矿井卷扬机等，它们的工作机构都是作升降运动。升降运动属于直线运动并与重力有关。 1.负载转矩折算(1）提升重物时负载转矩的折算:传动机构损耗的转矩:由摩擦产生，总是起阻碍运动的作用。提升重物时由电动机负担，下放重物时，卷筒上的负载转矩成为拖动转矩，由负载承担。(2)下放重物时负载转矩

12、的折算2. 飞轮矩的计算与平移运动相同。例题(Pg8): 已知减速箱的速比j=34，提升重物时效率=0.83，卷筒直径d=0.22m，空钩重量G0=470N，所吊重物重G=8820N，电动机的飞轮矩GDD2=10Nm2，当提升速度为v=0.4m/s，求：(1)电动机的转速(2)忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩；(3)以v=0.4m/s下放该重物时，电动机的负载转矩。 解: (l)电动机转速的计算 卷筒的转速:电动机的转速:(3)以v=0.4m/s下放该重物时电动机负载转矩的计算传动机构损耗转矩:电动机的负载转矩为:(2)提升时电动机负载转矩的计算提升重物时负载实际转矩为:电动机的负载转矩为

13、:例题 (Pg9): 某起重机的电力拖动系统：电动机Pn=20kw，nN=950r/min，传动机构的速比j1=3，j2=3.5，j3=4，各级齿轮传递效率都是 = 0.95，各转轴上的飞轮矩: GDa2= 123Nm2，GDb2= 49Nm，GDc2= 40Nm，Dd2=465Nm，卷筒直径d =0.6m， 吊钩重G0 =1962N， 被吊重物G =49050N。 忽略电动机空载转矩，忽略钢丝绳重量，忽略滑轮传递的损耗，求：解：(1) 以速度v=0.3m/s 提升重物时负载（吊钩及重物）转矩: 卷筒转速: 电动机输出转矩: 电动机转速: (1)以速度v=0.3m/s 提升重物时，负载（重物及

14、吊钩）转矩、卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速；(2)负载及系统的飞轮矩（折算到电动机轴上）；(3)以加速度a=0.1m/s2提升重物时，电动机输出的转矩。 (2)负载及系统的飞轮矩的计算 吊钩及重物飞轮矩:系统总的飞轮矩:(3)以加速度a=0.1m/s2提升重物时电动机输出转矩的计算 电动机转速与重物提升速度的关系: 电动机加速度与重物提升速度的关系:电动机输出转矩:1.3负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件 电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为机械特性。 电动机的电磁转矩为驱动转矩，其正方向与电机的旋转方向一致； 生产机械工作机构的负载转矩的正方向与电机的旋转方向相反。 生产机械工

15、作机构的负载转矩与转速之间的关系，称之为负载的转矩特性。 1.3.1负载的转矩特性1.恒转矩负载的转矩特性(1)反抗性恒转矩负载 特点：工作机构的负载转矩与转速的方向始终相反，转矩特性位于I, III 象限内,转矩的绝对值大小恒定不变，是阻碍运动的制动性转矩。 皮带运输机、轧钢机等由摩擦力产生负载转矩的工作机构属于这类型。 考虑传动机构损耗转矩 后，折算到电动机轴上负载转矩特性，即 关系曲线。 实际特性 折算后特性 反抗性恒转矩负载的转矩特性 I象限: III象限: 阻碍运动的制动性转矩 (2)位能性恒转矩负载 特点:工作机构的负载转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，转矩特性位于I, IV象

16、限内；起重机提升下放重物就属于这个类型。 我们分析的电力拖动系统都简化为单轴系统，只要知道电动机轴上的转矩与转速 关系曲线。实际特性 折算后特性 位能性恒转矩负载的转矩特性 提升重物时： 阻碍运动的制动性转矩 ,下放重物时： 帮助运动的拖动性转矩 2.泵类负载的转矩特性 水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即泵类负载的转矩特性 3.恒功率负载的转矩特性 工作机构负载转矩与转速之积为常数，即 电力牵引系统：汽车爬坡，低速大转矩；高速公路运行，高速小转矩。车床加工另件：粗加工时，较大进刀量和较低转速；精加工时，较小进刀量和较高转速。 恒功率负载的转矩特性 以上所述恒转矩负

17、载、泵类负载及恒功率负载都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载型式，实际的负载可能是以某种典型为主或某几种典型的结合。 例如通风机，主要是泵类负载特性，但是轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。 又如起重机在提升和下放重物时，一般主要是位能性恒转矩负载。 我们分析电力拖动系统时；负载转矩特性作为已知量对待。1.3.2电力拖动系统稳定运行的条件 电力拖动系统是由电动机与负载两部分组成的，把电动机的机械特性与负载的转矩特性结合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。 电力拖动系统的平衡状态 左图：1.电动机的机械特性 2.负载的转矩特性电力拖动系统的平衡工作点(稳定

18、运行的必要条件)图中两条曲线的交点A满足此条件，称为平衡工作点。 实际运行的电力拖动系统，经常会出现一些干扰：电源电压波动; 负载转矩波动;当负载电流较大时，电枢反应使得他励直流电动机的机械特性上翘。关键是：l突然出现了干扰，系统是否能够稳定运行？l干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？这就是我们要讨论的电力拖动系统稳定运行的充分条件。 举例：他励直流电动机拖动一泵类负载运行不变； 此刻，系统将改变原来的平衡状态，引起过渡过程：电磁过渡过程 机械过渡过程相比较而言：机械惯性远远大于电磁惯性，电磁过渡过程很快就结束；而转速变化较慢，必须考虑机械过渡过程。电力拖动系统的稳定运行 电力

19、拖动系统的稳定运行 分析步骤： 忽略电磁过渡过程，曲线1 直接替代曲线1；但此刻，转速 不能突变,负载转矩 不能突变；电动机运行点从A变到B，电磁转矩变小为 ； ,系统开始减速的机械过渡过程。 (2)在减速的机械过渡过程中： 对电动机来讲， ,电动机运行点沿曲线1下降； 对泵类负载来讲， 电力拖动系统的稳定运行 直到曲线1与曲线2交于A点为止， , 电动机的运行点经历了 的过程，系统减速过渡过程结束，到达新的平衡点。 可见，虽然出现了电压干扰，但系统是能够稳定运行；那么，电压干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？(3) 电压干扰消失后，忽略电磁过渡过程，曲线1 直接恢复为曲线1；

20、但此刻，转速 不能突变， 负载转矩 不能突变；电动机运行点从A变到C，电磁转矩加大为 ； 电力拖动系统的稳定运行 ,系统开始升速的机械过渡过程 (4)在升速的机械过渡过程中： 电动机 ,电动机运行点沿曲线1上升；同时，泵类负载 ； 直到曲线1与曲线2交于A点为止 , 电动机的运行点经历了的过程，系统回到原工作点上稳定运行。那么，是否所有的电动机机械特性与负载转矩特性上的交点都能稳定运行？举例：当负载电流较大时，电枢反应可以使得他励直流电动机的机械特性上翘。左图：1与1 为他励直流电动机的机械特性 2 为恒转矩负载的转矩特性电力拖动系统的不稳定运行 分析步骤：(1) 忽略电磁过渡过程，曲线1 直

21、接替代曲线1；但此刻，转速 不能突变， 负载转矩 不能突变；电动机运行点从A变到B, ，电磁转矩增大为 ； 系统开始升速的机械过渡过程。电力拖动系统的不稳定运行 (2)在升速的机械过渡过程中：负载转矩始终为 ，电动机运行点沿曲线1， 转速上升得越来越快。直到系统转速过高，毁坏电动机为止。该系统不能在原来交点A的附近继续稳定运行，属不稳定运行稳定运行的充分必要条件是: (1) , (2)在 处 在交点所对应的转速之上区域，应保证 ，使得当系统高于交点处的速度时，系统作减速运行； 在交点所对应的转速之下区域，应保证 ，使得当系统低于交点处的速度时，系统作升速运行。电力拖动系统必须在电动机的机械特性

22、与负载转矩特性的交点上；两条曲线在交点处必须配合得好，才能保证系统稳定运行：判别下列系统能否稳定运行 第一章 磁路（绪论）本章学习：磁路的基本概念和基本定律铁磁材料的磁性能磁 路本章要求：掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点掌握描述磁路的基本物理量掌握研究磁路的几个基本定律熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线第一节 磁路的基本概念和基本定律一、磁路的基本概念磁路：磁通经过的路径。基本物理量：1、磁感应强度B（磁密）单位：Wb/m2;或T2、磁通 单位：WB3、磁场强度H单位：A/m4、磁动势F=NI 单位：A 5、磁压降V=Hl 单位：A 线圈中有电流I，线圈周围就会

23、产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积IN，该乘积就叫磁动势F。变压器磁路5、磁导率表示物质导磁能力强弱的物理量=B/H单位：亨/米空气磁导率0=410-7H/m铁磁材料磁导率 06、磁阻Rm磁阻Rm=L/ ( S)L:磁路长度； ：磁导率；S：磁路截面积单位：1/亨二 . 磁路的基本定律1、安培环路定律（全电流定律）磁场强度H沿任意闭合回路l的线积分，等于该闭合回路所包围的全电流，即2、磁路欧姆定律磁路中的磁通与磁势成正比，与磁阻成反比，即磁通 =F/Rm3、磁路的基尔霍夫第一定律 任何磁路中，流进节点的磁通代数和为零4、磁路的基尔霍夫第二定律 在闭合磁回路中，磁路各段磁压降代数和

24、等于作用于该磁路上的磁动势之和。三 . 基本电磁定律1、电磁感应定律1）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e 。大小：电势e=Blv。B: 磁密； l：导体长度； v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上e和U正方向相同时，e= -U。2）变压器电势：线圈中的磁通变化时，线圈中会感应电势e：电势e正方向：e 的正方向与正方向符合右手螺旋关系2、电磁力定律一个通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。电磁力f=Bli电磁力方向：左手定则判断第二节 铁 磁 材 料 的 磁 性 能一、高导磁性数据终端设备1、含

25、义：在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大加强。2、高导磁性原因 二、铁磁材料的磁化过程和磁化曲线铁磁材料的磁化过程可分为四阶段：可逆磁化阶段、不可逆磁化阶段、可逆与不可逆磁化阶段、趋近饱和阶段磁场强度H与铁磁材料中B的关系曲线 B=f(H)三、铁磁材料的磁滞和剩磁现象铁磁材料中磁场B的变化落后于外磁场H的变化称为磁滞现象，从而在铁磁材料中产生了剩磁。饱和磁滞回线与换向磁化曲线上的各有关磁学量 四、铁磁材料的磁损耗当铁磁材料处于变化磁场中，会产生涡流损耗和磁滞损耗。1、涡流损耗pFe=C FeD2f2B2 C Fe ：系数 D：厚度 f: 频率 B：磁密2、磁滞损耗小磁铁来回翻转

26、，摩擦耗能。 ph=k hfB2海南风光第15讲直流电动机 第9章 直流电动机 9.1 概述9.2 工作原理9.3 电枢电动势及电压平衡关系9.4 电磁转矩9.5 机械特性9.6 直流电动机的调速9.7 直流电动机的使用和额定值9.1 概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自

27、行车、电动玩具9.2 工作原理 一、 工作原理 U+NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷换向片IIFFU+NS电刷换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。直流发电机用右手定则判感应电动势Ea的方向U+NSEEIa电枢绕组电阻Ra感应电动势输出电压二、 直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子励磁式直流电动机结构1. 转子（又

28、称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2. 定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U9.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动

29、起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。一、 电枢中的感应电动势FFU+NS电刷换向片IIEE根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：KE：与电机结构有关的常数n：电动机转速 ：磁通单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+NS电刷换向片IIEE二、 电枢绕组中电压的平衡关系因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 ， 可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变

30、 可调速。9.4 电磁转矩KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关） ：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流一、电磁转矩单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。二、 转矩平衡关系电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL： 负载转矩T0 ：空载转矩 转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。例：设外加电枢电压 U 一定，T=T

31、L+ T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入TL nEIa T 最后达到新的平衡点。 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。9.5 机械特性一、 他励电动机的机械特性即：其中，M他励UfIfIaUn0： 理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械特性。根据 n-T 公式画出特性曲线n0nNTNTn n其中，串励的特点：励磁线圈的电流和

32、电枢线圈的电流相同。二、 串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即 =K Ia ,则据此公式做出 T-n 曲线nTM串励UIa(1) T=0时，在理想情况下，n。但实际上负 载转矩不会为 0，不会工作在 T=0 的状态， 但空载时 T 很小，n 很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。串励特性：(2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。nT(2) 恒功率负载（P 一定时，T 和 n 成反比）， 要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要 选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机 械等。9.6 直流电动

33、机的调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上 （调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：由该式可知，n 和 有关，在 U 一定的情况下，改变 可改变 n 。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变 的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理其中，M他励UfIfIaU其中： =K If Rf If n ，但在额定情况下， 已接 近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加 磁

34、通的办法一般不用。 Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方 法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法 减小磁通，n只能上调。其中，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：（ 减小）TLRf增加Tn其中，调速过程: U一定,则Rf E IaT nIa E暂时T TL其中，最后达到新的平衡T =TL（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调， 受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多）， 调节控制方便。3.减小 调速的特点：二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1

35、.特性曲线nn0n0n0电压降低T其中，2.改变电枢电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超 过UN，而 n U，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V整流调压220VUf=110V固定U=0110V可调改变电枢电压调速方案举例：例：已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求：（1）TL=0.5TN 时, n=? （2） =0.8 N 时, n=? 解：（1） TL=0.5TN 时（2） =0.8 N 时这种调速方法耗能较大，只用于

36、小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速在电枢中串入电阻，使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同力矩下，nnn0RaRa + RT其中，9.7 直流电动机的使用和额定值限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。一、使用1.启动启动时,n= 0 Ea=0，若加入额定电压，则Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。直

37、流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开， 则 E ，Ia ，T 和 ，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。 E Ia T T0 n飞车措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。M他励UfIfIaU2.反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1）改变励磁电流的方向。（2）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：（1）反

38、接制动3.制动制动的所采用的方法： 反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+R运行制动电阻 R 的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。（2）能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时， 在重力的作用下 nn0（ n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。(3) 发电回馈制动直流电机有四个出线端，电枢

39、绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。4.连接（1）绕组的阻值范围 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。 他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。自学（2）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组他励绕组并励绕组串励绕组换向极绕组补偿绕组启动绕组始端绕组名称末端二、额定值1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。2. 额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V） 3. 额定电流IN ： 额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电

40、流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN （ ：效率）注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过 1.2nN 。4.额定转速nN ：在PN，UN，IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。直流电机的电枢电动势和电磁转矩Armature electromotive force and electromagnetic torque 电枢电动势armature electromotive force产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中 感应的电动势简称为电枢电动势.大小:性质:发电机:

41、电源电势(与电枢电流同方向); 电动机:反电势(与电枢电流反方向).产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩.大小:性质:发电机:制动(与转速方向相反); 电动机:驱动(与转速方向相同).电磁转矩electromagnetic torque他励直流电动机的机械特性定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢 回路电阻为恒值条件下，电机的转速与 电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：一、机械特性的表达式他励直流电动机的机械特性机械特性的曲线：TemTNT0通常称 大的机械特性为软特性， 小 的机械特性为硬特性。他励直流电动机的

42、机械特性二、固有机械特性和人为机械特性1、固有机械特性当 时的机械特性称为固有机械特性：2、人为机械特性当改变 或 或 得到的机械特性称为人为机械特性他励直流电动机的机械特性1）电枢串电阻时的人为特性 保持 不变，只在电枢回路中串入电阻 的人为特性：特点：（1）n0不变，变大； （2）RS越大，特性越软。Tem他励直流电动机的机械特性2）降低电枢电压时的人为特性 保持 不变，只改变电枢电压 的人为特性：特点：（1）n0 随 U 变化； （2）U 不同，曲线是一组 平行线。Tem他励直流电动机的机械特性3）减弱励磁磁通时的人为特性 保持 不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：特点：（1）弱磁

43、，n0 增大； （2）弱磁，增大TK1TK2TemTK他励直流电动机的机械特性三、机械特性的求取求两点：1）理想空载点： 2）额定运行点：1、固有机械特性（已知： ）他励直流电动机的机械特性步骤：1）估算2）计算3）计算理想空载点：4）计算额定工作点：他励直流电动机的机械特性2、人为机械特性的求取在固有机械特性方程 的基础上，根据人为特性所对应的参数 或 或 变化，重新计算 和 ，然后得（ ）、（ ）。Tem IT1 I1T2 I2TL ILnn0abcdn1n2n3efghnN他励直流电动机三级电阻起动的机械特性分级起动电阻的计算 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3

44、，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得： 在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，各级起动总电阻为:各级串联电阻的计算公式为：计算各级起动电阻的步骤：（1）估算或查出电枢电阻Ra;（2）根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流I1；（3）选取起动级数m；（4）计算起动电流比：m取整数（5）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选T1或m值并重新计算，直到满足该条件为止。（6）计算各级起动电阻。他励直流电动机的调速Speed-regulation of separately excited motor他励直流电动机的调速电力拖动系统的调速: 1)机械调速; 2)电气调速他励电动机的转速公式：

45、电气调速方法：1）调压调速； 2）电枢回路串电阻调速； 3）调磁调速。他励直流电动机的调速调速指标：1、调速范围D：2、静差率（相对稳定性）%：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。他励直流电动机的调速D与%相互制约： 越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的指标的前提下，要扩大D，须减少n，即提高机械特性的硬度。他励直流电动机的调速3、调速的平滑性： 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ： 越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有

46、级调速。4、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。他励直流电动机的调速1、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1n2Ra+RS2CRS1RS2tt=0n1nNIaNianian他励直流电动机的调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。缺点： 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2； 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平

47、滑性差；他励直流电动机的调速2、降低电压调速TemTLAABC 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。他励直流电动机的调速优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。 4）电能损耗较小。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。他励直流电动机的调速3、减弱磁通调速ABTemTLACtt=0n他励直流电动机的调速优点： 由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁

48、升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。他励直流电动机的调速调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否

49、总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。他励直流电动机的调速 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。 电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为： 他励直流电动机的调速 电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。 弱磁调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：

50、他励直流电动机的调速上述容许输出转矩和功率与转速的关系为：恒功率调速恒转矩调速 以 为界，分两个区域： 为恒转矩调速区； 为恒功率调速区他励直流电动机的调速1、恒转矩负载配恒转矩调速 和 均为常数, 和 均与转速 成正比，只要选择电动机的 与 相等，在任何转速下均有：电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。这是一种理想的配合，转速是从额定转速向下调，所以额定转速为系统的最高转速。他励直流电动机的调速2、恒功率负载配恒功率调速 和 均为常数， 和 均与 成反比，只要选择 与 相等，在任何转速下均有：电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。这是一种理想的配合，转速是从额定转速向上调，所以额定转速为

51、系统的最低转速。他励直流电动机的调速3、恒转矩负载配恒功率调速负载转矩电动机容许输出转矩只有在最高转速时才有：电机得到了充分利用。在低于最高转速时：电机未被充分利用。他励直流电动机的调速可以证明： 在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）只是电动机额定功率的 （D为调速范围）。显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。他励直流电动机的调速4、恒功率负载配恒转矩调速负载转矩电动机容许输出转矩只有在最低转速时才有：电机得到了充分利用。在高于最低转速时：电机未被充分利用。他励直流电动机的调速可以证明： 这种配合，电动机的实际输出功率（恒定的负载功率）只是电动机额定功率的 （D为调速范围）。显然，这

52、种配合将造成电动机容量的浪费。他励直流电动机的调速5、风机型负载与两种调速方式的配合由于负载转矩随转速的升高而增大，为了使电动机在最高转速时（所需的转矩最大）能满足负载的需要，应使只有在最高转速时，电动机才被充分利用。恒转矩调速方式所造成的电动机容量浪费比恒功率调速方式小一些。他励直流电动机的调速根据以上五种情况分析可得：1）电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载 。2）弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载 。3）对于泵与风机类负载，三种调速方式都不十分合适，但采用电枢串电阻和降压调速比弱磁调速合适一些。 他励直流电动机的制动一、能耗制动TemBRB制动IaB +

53、 U -电动IanTemM+ Ea IfTLTemnn0RaA0CBRa+RB他励直流电动机的制动二、反接制动1、电压反接制动IfTemBRB制动IaB + U -电动IanTemM+ Ea SnTemTLn0RaA0-TLEBRa+RBCD-n0他励直流电动机的制动二、反接制动2、倒拉反转反接制动 + U Ia+ Ea - + U Ia Ea +RBTemnTLaTemnTLbnTemTLn0A0TBTKCDB他励直流电动机的制动三、回馈制动回馈制动状态下稳定运行有以下两种情况：1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限；2、当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速，进入第二象限。回馈制动状

54、态下瞬态过程有以下两种情况：1、降压调速过程中；2、弱磁状态下增磁调速过程中。他励直流电动机的制动三、回馈制动TemTLnn01AnAU10U2n02nCBCU21直流发电机与直流电动机的区别能量关系:机械能转变成电能电能转变成机械能电枢电势:电源电势反电势电磁转矩:制动驱动电势平衡方程:直流发电机与直流电动机的区别转矩平衡方程：功率平衡方程：特性：空载特性：外特性：调整特性：转速特性：转矩特性：效率特性：单相变压器的空载运行Empty Running of Single Transformer单相变压器的空载运行一、电磁现象单相变压器的空载运行各量的电磁关系：单相变压器的空载运行主、漏磁通的

55、区别：1）性质上： 与 成非线性关系， 与 成线性关系；2）数量上： 占99%以上， 仅占1%以下；3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。单相变压器的空载运行二、空载电流：1）作用和组成一方面：用来励磁，建立磁场-无功分量二方面：供变压器空载损耗-有功分量2）性质和大小性质：主要是感性无功性质-也称励磁电流；大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示。单相变压器的空载运行3)空载电流波形磁路饱和时， 正弦， 尖顶， 正弦， 平顶。单相变压器的空载运行三、感应电动势单相变压器的空载运行为一次侧漏抗，反映漏磁通的作用。对一切电抗返回12页单相

56、变压器的空载运行四、空载损耗经验公式： 空载损耗约占额定容量的（0.21）%，随容量的增大而减小。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。包括：铜损耗 铁损耗。单相变压器的空载运行五、电磁关系：1、电势方程：忽略漏阻抗压降后有效值：故：可知：影响主磁通大小的因素是电源电压、电源频率和一次侧线圈的匝数，与铁芯的材质和几何尺寸无关。单相变压器的空载运行2、变比定义：变比为一、二次线圈主电势之比。或对三相变压器，变比指一、二次侧相电势之比Y，D接线D，Y接线单相变压器的空载运行3、等效电路连接第8页令：其中：-励磁阻抗-励磁电阻，对应铁损耗的等

57、效电阻；-励磁电抗，对应主磁通的电抗。一次侧的电势方程为：单相变压器的空载运行等效电路为： 由于主磁通路径铁心为非线性磁路，故励磁阻抗、励磁电阻和励电抗均不为常数，大小随磁路的饱和而减小。单相变压器的空载运行4、相量图空载时的基本方程为单相变压器的空载运行小结:（1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.（2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。（3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。（4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通

58、的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。变压器参数测定一、空载实验目的： 通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变压器的变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。接线图：axAXWAVV变压器参数测定一、空载实验要求及分析 ：1）低压侧加电压，高压侧开路；2）忽略 和 ，则：变压器参数测定一、空载实验3）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；4）若要得到高压侧参数 ，须折算；5）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；6）由于空载时功率因数很低，为减小误差，应采用低功率因数表测量空载功率。变压器参数测定二、短路实验目

59、的： 通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。接线图：WAVaxAX变压器参数测定二、短路实验1）高压侧加电压，低压侧短路；2）忽略 和铁损 ，则：对T型等效电路：要求及分析 ：变压器参数测定二、短路实验3）温度折算；4）若要得到高压侧参数 ，须折算；5）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；三、短路电压（阻抗电压）：短路实验时使短路电流为额定电流时一次所加的电压称为短路电压。记作：变压器参数测定三、短路电压 短路电压为额定电流在阻抗上的压降，故也称阻抗电压。短路电压通常以百分值表示，即：短路电压（阻抗电压）：无功分量（电抗电压）：有功分量

60、（电阻电压）：变压器参数测定三、短路电压 短路电压是变压器的重要参数，它的大小直接反映了短路阻抗的大小，而短路阻抗直接影响变压器的运行性能。 从正常运行角度，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希望它大些。标么值per-unit value定义:基准值的选取：以各自量的额定值为基准值实际值基准值实际值基准值Z，r，xZN单相值单相额定值P，Q，SSN三相值三相额定值相值额定相值一次侧量一次侧量额定值线值额定线值二次侧量二次侧量额定值标么值per-unit value优点：1）额定值的标么值为1。2）折算前、后标么值相等（不需折算）。3）线值标么值和相值标么值相等。4