电气传动技术简介-课件

1、目 录第一节：直流电动机及其调速简介第二节：交流异步电动机及其调速简介第三节：同步电动机及其调速简介第一节 直流电动机简介与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，具有电刷和换向器，必须经常检查维修，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、电动自行车、电动玩具1. 概述2. 工作原理 U+NS电刷换向片 直流电源电刷换向器线

2、圈II第一节 直流电动机简介电刷和电源固定联接，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。3.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

3、结构4.直流电机的分类 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U5.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

4、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 可调速。6. 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）

5、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=TL+ 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

6、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。7. 机械特性 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，8. 直流电动机的调速 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20

7、0 （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，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

8、不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.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：(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

9、，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UfIfIaU第二节三相异步电动机简介一、三相异步电动机的结构 定子 转子 气隙。(一)定子：定子铁芯、定子绕组和机座。1、定子铁芯：主磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片迭压而成。2、定子绕组：交流绕组，定子电路由许多线圈按一定规律连接而成。3

10、、机座：固定和支撑定子铁芯。第二节三相异步电动机简介(二)转子：转子铁芯、转子绕组和转轴1、转子铁芯：主磁路的一部分 由0.5mm厚的硅钢片迭压而成。2、转子绕组：分为鼠笼式和绕线式。1)鼠笼式：一般采用铸铝转子或铜条转子。2)绕线式：是对称三相绕组，接成星形，并接到 转轴上三个集电环上，再通过电刷与外电路接通。第二节三相异步电动机简介(三)气隙： 中小型电机一般为0.22mm， 它与电机性能关系极大。1、气隙大磁阻大产生同样大小磁场 需要较大的励磁电流使电机的功率因 数降低。2、气隙小装配困难和运转不安全。 气隙大小，设计、制造应综合考虑。第二节三相异步电动机简介二、工作原理 （1）对称定子

11、绕组外加对称三相交流电压，定子绕组内有对称三相交流电流，它们联合产生旋转磁场。 （2）转子导条切割定子旋转磁场将感应电势，从而在闭合的导条中产生电流，则转子导条将受到电磁力的作用，并且形成电磁转矩，使转子顺旋转磁场的方向旋转,若转子轴上有负载，电动机将输出机械功率。第二节三相异步电动机简介三、电机端子接线盒接线第二节三相异步电动机简介四、电机电磁理论简析1.空载时的电磁关系第二节三相异步电动机简介2.负载运行时的电磁物理过程第二节三相异步电动机简介五、三相异步电动机数学模型及计算1.等效电路等效电路的分析：（1）空载运行：（2）短路运行：第二节三相异步电动机简介2. 功率方程、电磁功率和转换功

12、率从能量守恒来看电功率电磁功率 机械功率总机械功率第二节三相异步电动机简介从与电机等效电路的对应关系来看第二节三相异步电动机简介 电磁功率： 转换功率： 转换功率不等于电磁功率，电磁功率中，（1-s）部分转换为 机械功率为 转换功率，则s部分变为转子铜损， 因此又称 为转差功率。第二节三相异步电动机简介3.转矩方程 电磁转矩第二节三相异步电动机简介六、电机的特性曲线1. 机械特性 0第二节三相异步电动机简介2. 电流、功率因数、电磁转矩、效率特性曲线第二节三相异步电动机简介七、三相异步电动机的启动1.启动性能指标起动电流倍数： 越小越好起动转矩倍数： 越大越好起动时间 ： 越短越好起动设备：简

13、单、经济、可靠第二节三相异步电动机简介2. 笼型感应电动机的直接启动启动特点：启动电流大 =57 启动转矩并不大 =12原因分析：（1）启动电流大：启动时，n=0， s=1，转子切割定子旋转磁场的速度最大，转子感应电势最大，其感生电流也最大，据磁动势平衡关系，定子电流也最大。或根据简化等效电路： 仅受定、转子漏阻抗的限制而正常运行时，（ S很小） 故启动电流比正常电流大得多。第二节三相异步电动机简介原因分析：（2）启动转矩并不大： 因起动转矩与转子侧起动电流的有功分量成正比，而起动时，转子侧的频率较大(工频50赫兹)，转子漏电抗远大于转子电阻，使转子的内功率因数角接近90度，即内功率因数很低，

14、故起动电流大，而起动电流的有功分量并不大；另外，由于起动电流大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使感应电势减小，相应的主磁通也减小。 所以，尽管起动电流大，但起动转矩并不大。第二节三相异步电动机简介3. 起动电流大的危害（1）电网电压降低，影响同网的其它电机正常运行； （2）电磁力的危害：定子绕组端部变形，鼠笼条断裂；（3）电动机绕组过热，引起绝缘老化。4. 降压启动限制启动电流 （1） 星三角起动：起动时将定子绕组接成星形连接，当转速接近于稳 定时，再改接成三角形连接。适用于正常运行时定子绕组采用三角形连接的电动机。（2）低压软启动器启动：采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之

15、间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压 逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数 时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命。第二节三相异步电动机简介三种起动过程的电流比较一级降压起动 软起动器 直接起动 异步电动机的起动过程与电流冲击第二节三相异步电动机简介5. 绕线型三相异步电动机的启动1、起动方法： 转子回路串联电阻2、优点： 可以减少起动电流，同时提高功率因数， 从而增大起动转矩。

16、3、方法： 转子回路串起动变阻器，串入多大的起动电阻第二节 三相异步电动机的调速1. 概 述20世纪60年代以前的电气传动 80%交流不调速传动 18%直流可调速传动 2%交流可调速传动第二节 三相异步电动机的调速直流电机的不足 具有电刷和换向器，必须经常检查维修。 换向火花使其应用环境受到限制。 换向能力限制电机的容量和速度（极限容量 转速约为 ）。第二节 三相异步电动机的调速 直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，出现了采用电力电子变换器的交流拖动系统，大规模集成电路和计算机控制的应用，使高性能的交流调速系统得到发展，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打

17、破。 交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。第二节 三相异步电动机的调速2. 异步电动机调速系统A.异步电动机的转速公式（1）改变极对数（2）改变电源频率（3）改变电动机的转差率 这第（3）条它包含了多种性能差别很大的调速方法。第二节 三相异步电动机的调速B.按电动机的实际调速方法分类 调压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线电机串级调速或双馈电机调速 变极对数调速 变压变频调速第二节 三相异步电动机的调速3.异步电动机变压调速 变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比 因此，改变定子外加

18、电压就可以改变电动机的电磁力矩，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。第二节 三相异步电动机的调速利用晶闸管交流调压器变压调速TVC双向晶闸管交流调压器 通常叫定子调压用于天车。M3TVC利用晶闸管交流调压器变压调速 第二节 三相异步电动机的调速控制方式：相位控制 周期控制第二节 三相异步电动机的调速4.异步电动机变频变压调速 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广。 概 述第二节 三相异步电动机的调速 变频调速的原理第二节

19、三相异步电动机的调速 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。变压变频调速的基本控制方式第二节 三相异步电动机的调速对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。 变压变频调速的基本控制方式第二节 三相异步电动机的调速定子每相电动势 变压变频调速的基本控制方式式中：Eg 气隙磁通在

20、定子每相中感应电动势的有 效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； f1N1kN1m每极气隙磁通量，单位为Wb。 第二节 三相异步电动机的调速 由上式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 变压变频调速的基本控制方式第二节 三相异步电动机的调速 变压变频调速的基本控制方式A. 基频以下调速 由式 可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 常值即采用恒值电动势频率比的控制方式。 第二节 三相异步电动机的调速 但是，在低频时 U

21、s 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 变压变频调速的基本控制方式A. 基频以下调速 第二节 三相异步电动机的调速 变压变频调速的基本控制方式OUsf 1恒压频比控制特性a 无补偿 b 带定子压降补偿 UsNf 1N第二节 三相异步电动机的调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升

22、速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。 变压变频调速的基本控制方式B. 基频以上调速 第二节 三相异步电动机的调速 B. 基频以上调速 f1N 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速mUsf1O第二节 三相异步电动机的调速 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。 B. 基频以上调速 第三节 同步电动机简介一、同步电机的基本类型按磁极

23、形状分隐极式：转子圆柱形，气隙均匀凸极式：转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀发电机按原动机不同分汽轮发电机：高速，转子隐极式, 细长形水轮发电机：低速，转子凸极式, 短粗形按冷却介质和 冷却方式分空冷外冷：空气自然循环或风扇吹风强迫冷却水冷内冷：需进水管、出水管等氢冷外冷或内冷：需密封系统，防爆防漏第三节 同步电动机简介二、同步电机的基本结构1、定子：包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。1)、定子铁心：由0.5mm厚的硅钢片叠成，沿轴向分成好几叠，每叠36cm，叠与叠之间留有宽0.81cm的通风沟。2)、定子绕组：由许多线圈按一定规律连接而成。大容量电机由于尺寸大，制成半匝式（线棒），每个线棒

24、由若干铜线并在一起，分成一排或两排，两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。第三节 同步电动机简介二、同步电机的基本结构2、转子：包括转子铁心、励磁绕组、护环、风扇等。2)、励磁绕组：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大齿两侧的转子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。3)、护环：为使励磁绕组可靠地固定在转子上，绕组端部还要套上用高强度非磁性钢锻成的护环。1)、转子铁心：一般用整块的导磁性好的高强度合金钢锻成，转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组，不铣槽的约1/3部分形成大齿，即磁极。第三节 同步电动机简介三、同步电动机的结构原理图 定子上装有三相对

25、称绕组互差120电角度。转子上安放直流励磁绕组。CBSN设转子逆时针旋转紫色为流入红色为流出nsA+ -集电环电刷第三节 同步电动机简介四、同步电动机变频调速原理 定子：定子上装有三相对称绕组互差120电角度，通对称三相交流电后产生旋转磁场。 转子：转子上安放直流励磁绕组，通直流电后形成直流磁极。 转子转速同步60 f1pn = n0 = V1V2W2W1U1U2NS定子+UfIf转子励磁绕组第三节 同步电动机调速简介同步电动机变频调速简介 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。交-直-交（间接）变压变频器 变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz整