电机及拖动基础课件

电机及拖动基础课件第一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一一、关于能量1.能量的运动方式风能变换一种形式另一种形式2.能量的基本存在形式机械能电能热能核能磁能光能关于能量化学能第二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一二、关于电机一种能量变换

装置集电能、磁能

和机械能

为一体一种典型的机电一体化

设备可控性

越来越强关于电机第三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电机的应用分类电动方式消耗电能

发电方式产生电能二、关于电机第四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一关于本课程(一)三、关于本课程专业目的研究电机，对其实施预想的控制（后续课程：运动控制系统）预备知识电路原理（电动势，电势平衡，复阻抗，电路的相量分析）电磁学（电磁效应）运动力学（力矩，运动状态）学习内容电动势，电势平衡，电磁转矩，相量图及其分析；工作特性，机械特性，机械负载，功率损耗，有功功率，无功功率；空载运行，负载运行，电机起动，电动运行，制动运行；第五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一三、关于本课程学习方式以物理概念领先，数学描述随后；突出主要知识点，以点带面；注意知识的持续性、关联性；摈弃“按例解题”学习模式，建立独立的、发散的和思辩的思维方式；教与学课堂教学：参与和互动；成绩评价体系：课堂记录实验记录作业记录理论考试四部分60%左右40%左右关于本课程(二)第六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第一章磁路

基本定律及物理概念

磁场与电流

磁路与电路第一章磁路第七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一1-1磁路的基本定律一、（电）磁场存在的基本要素磁场源，励磁源，励磁电流磁路，磁通路径二、（电）磁场的基本物理量磁通

描述通过一定横截面积的磁力线总数

符号

类型

矢量量纲

Wb

；1Wb=108lines

磁感应强度，磁通密度

描述通过单位面积的磁力线数量

符号B；B=/A(面积)

类型矢量

量纲

Wb/m2面积A磁力线单位面积1-1磁路的基本定律（一）Ф第八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一

磁势（磁动势）描述衡量磁场源的基本强度符号FF=iN

类型

矢量量纲A·turn(安匝)

磁场强度描述在单位长度的磁力线上磁场源所分配的励磁磁势大小符号HB=

μ

H

类型

矢量

量纲

T（特斯拉）或A

/m或A·turn/m磁导率描述衡量指定物质导磁能力大小的物理量符号

μ

类型

标量量纲H/m在真空介质中μo=4π

10-7H/m1-1磁路的基本定律1-1磁路的基本定律（三）提示：磁势不仅与流过电流载体的安培强度有关，还与电流载体围绕磁路的匝数有关提示：此量纲称为：亨每米第九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一1-1磁路的基本定律（四）1-1磁路的基本定律三、磁与电的联系磁场与电流

安培环路定律P7

右手定则+_绕组N匝磁性铁心横截面A铁心平均长度lci磁势的大小：

F=iN=Hclc第十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一磁路的基本定律（六）1-1磁路的基本定律磁路与电路

磁路欧姆定律P7

磁路与电路的区别P9

+_VRIF+_Rm电路

磁路第十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一思考（一）1-1磁路的基本定律磁导率（H/m）的量纲H是即电感量的量纲，解释1H

的物理含义是什么?预测电磁元件的电感量受哪些参量的影响？在假定每种磁介质的为常数的前提下，如何解释磁导率（H/m）的物理意义？试写出可能的物理描述。—思考题

—第十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一常用的铁磁材料及其特性1-2常用的铁磁材料及其特性一、铁磁物质的磁化很多铁磁材料在常态下不显磁性，只有通过外磁场的激励，才表现出很强的磁性。

磁畴未加激励状态激励磁化状态一般用于电机的铁磁材料其μFe=(2000—6000)μ0，因而采用铁磁材料构成磁路——铁心，再由电场激励磁场成为产生电机电磁场的必然途径。

第十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一、铁磁材料的磁化特性1-2常用的铁磁材料及其特性二、铁磁材料的磁化特性磁化曲线P10

铁磁材料的磁化特性具有非线性的特点，当磁化强度达到一定临界值，磁感应能力开始下降磁滞回线P10

当铁磁材料受到周期性的交变磁化时，磁化特性具有滞后回环特点。第十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一三、铁磁材料的分类和损耗1-2常用的铁磁材料及其特性三、铁磁材料的分类和损耗铁心损耗P12

磁滞损耗：铁心的磁能热耗散涡流损耗：铁心的电热损耗软磁和硬磁材料的分类P12

第十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第二章直流电机

原理与构造

基本物理量与工作特性

数学描述第二章直流电机第十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一一、直流电动机的电磁力运动现象（左手定则）2-1工作原理及结构2-1工作原理及结构恒定磁场，带电导体（相互垂直）

f=Bil皮——

萨电磁力定律ax、by段虽然有电流，由于其平行于磁力线，无切割运动，故不会产生感应力而影响旋转运动NSlaxby通电后，导体ab段受到向左的电磁力作用，导体ab段受到向右的电磁力作用，整个导体框产生以虚线为轴心得逆时针旋转运动。第十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一换向器——连续转动2-1工作原理及结构由于通电导线的空间位置不断变化，如何保证旋转方向恒定不变？外电源固定极性电流第十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一三维图示+_2-1工作原理及结构外电源固定极性电流换向片一个电枢绕组电机旋转体电枢换向电刷电枢结构示意第十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-1工作原理及结构2-1工作原理及结构直流电源导电体电磁场左手定则瞬间旋转运动换向器持续旋转运动输出转矩产生电磁转矩直流电动机的能量变换途径：第二十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-1工作原理及结构二、直流发电机的电磁感应现象（右手定则）恒定磁场，运动的导体（单方向运动）借助换向器，保证输出为直流电压直流电源导电体电磁场右手定则交变感应电势换向器直流感应电势输入转矩产生感应电势2-1工作原理及结构第二十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-1+U_+Ea_+_+Ea_+_电动运行发电运行2-1工作原理及结构直流电机电气原理图第二十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-1工作原理及结构三、直流电机的基本结构机械结构定子部分转子部分主磁极换向极机座电刷装置电枢铁心电枢绕组换向器电气结构励磁回路电枢回路主磁极换向极电刷装置电枢绕组换向器三、直流电机结构第二十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-1工作原理及结构电枢（绕组）电刷换向器电源接线端机械连结轴主磁极，励磁绕组2-1工作原理及结构第二十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一NS123784652-3直流电机的绕组结构特征直流电机电枢绕组的基本结构特征2-3直流电机的绕组为产生足够的电磁力或发电电动势需要将均匀分布的多个电枢线圈相互并串联，形成绕组。+−单绕组结构:优：增加线圈数量，在旋转一周过程中始终有一个绕组产生均衡的电磁力或发电电势。劣：任何时刻只有一个绕组产生电磁效应，结构利用率低，效能差。第二十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一多绕组结构NS14328567+−该绕组结构工作时有几条电流支路？图示状态的电流路径如何，以绕组端排序表示。多绕组结构:绕组1-2，3-4，5-6，7-8共四组。利用换向片将绕组端1和8，3和2，4和5，6和7永久短接。优：通过绕组串并联，增加通电线圈的数量（匝数），大大提高了在旋转一周过程中产生的电磁力或发电电势。2-3直流电机的绕组第二十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一多对极励磁12378465++NNSS__极对数：P=22-3直流电机的绕组多对励磁极结构:第二十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-4直流电机的励磁方式和磁场++++并励方式他励方式串励方式2-4励磁方式复励方式一、直流电机的基本励磁结构第二十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一空载和负载励磁状态2-4直流电机的励磁方式和磁场二、直流电机的空载励磁状态P30直流电机的空载状态定义：无负载的运行状态主磁通取决于励磁电流强度三、直流电机的负载励磁状态P32直流电机的负载达到一定强度后，其电枢电流的励磁作用不可忽略电枢反应：去磁作用第二十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-6感应电动势和电磁转矩在电机的物理量中：感应电动势

主要的电气特征量电磁转矩

主要的机械特征量一、感应电动势Ea量纲：伏特无论导体是否带电，只要按一定方向切割磁力线，导体都将产生感应电动势。直流电机的感应电动势

；Ce电动势常数

Ea=Ce

n

；

合成磁通

；n电机转速2-6感应电动势和电磁转矩第三十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一ia,Фt0π2πP=2的直流电动机感应电动势分析2-6感应电动势和电磁转矩元件的指定支路边电流变化波形NNSS14328567++__电枢空间位置与电角度的关系由于磁极与换向电刷的配合,使电枢元件边的电流极性与磁极极性总保持相对一致性。当电流相角度发生半周变化即π时，元件边切割的磁通也正好发生半周变化即π。电角度+Ф-Ф第三十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-6感应电动势和电磁转矩P=1：设定电枢绕组每一边支路经过磁通变化半个周期π时，需要的时间为Δt：P=2：导出P38(2-18)式电枢支路边电流的电角速度ω与电枢的机械转速n的关系：n：转/分（rpm）第三十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-6感应电动势和电磁转矩求Δt时间内最后感应电势平均值，最后考虑电枢绕组总有效元件电势总量值。式2-21由电磁感应定律，匝数为Ny的元件的感应电势瞬时值表达结果：磁链第三十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一感应电动势推导线索电磁感应定律单位绕组以速度n旋转时的平均感应电动势考虑总量2-6感应电动势和电磁转矩第三十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电磁转矩二、电磁转矩Tm2-6感应电动势和电磁转矩量纲：牛顿米具有矢量特征（顺反两种方向）。直流电机的电磁转矩

；合成磁通Tm=CM

Ia

；CM

转矩常数

；Ia电机电枢电流推导线索电磁力定律

——单个元件所受电磁力

；Ny每个元件的匝数第三十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电磁转矩元件所受电磁转矩2-6感应电动势和电磁转矩

；Da电枢转轴直径每极下的电磁转矩由于每个磁极下的磁通为第三十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电磁转矩电枢（P对磁极）总电磁转矩为2-6感应电动势和电磁转矩电磁转矩Tem

的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比—思考—当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？当机转速为零时，是否能断定Tem为零？第三十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一机电能量的关系三、机电能量的关系2-6感应电动势和电磁转矩EaIa：通过电磁感应输送到电机的电功率Tem：通过电枢转轴输送的机械功率转矩常数CT电动势常数Ce见P38~39第三十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-7直流电机的运行原理2-7直流电机的运行原理一、描述运行规律的一般数学表达1.电动势平衡方程式(以电枢回路为主)电动运行状态发电运行状态+U_+Ea_+Uf_LaRaia电动运行稳态时为零

Tem

T2

Tl

第三十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一

—思考—

一台直流电机，励磁磁场恒定，电枢电阻Ra=1，当作为电动机稳定运行时，外加Ua=200V直流电压，电枢电流为10A；当作为发电机运行时，外力拖动其稳定运行于同一转速，发电输出电流为20A。估算其输出的发电电压UF=？第四十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一转矩平衡方程式2.转矩平衡方程式电动运行状态发电运行状态2-7直流电机的运行原理+U_+Uf_ia电动运行

Tem

T2

Tl

稳态时为零第四十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一能量平衡方程式2-7直流电机的运行原理3.能量平衡方程式(以电动机为例)PCufPCuaPFePCPmecP1PemP2电功率机械功率第四十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一转速特性2-7直流电机的运行原理二、直流电动机的工作特性电机为使用者提供的典型运行规律P43~45定义：在U=UN，If=IfN，电枢回路无外串电阻时，电动机的n，Tem，=f(P2或Ia)关系。转速特性(以并励电动机为例)n=f(Ia

)负斜率项n0nIaNIa第四十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一转速特性的特殊工作点2-7直流电机的运行原理n0nINIan0：电机在电枢电流为0时的转速，称为电机在该工作条件下的理想空载转速。当n=nNIa=IN时：电机工作在额定工作点。理想空载点额定工作载点第四十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一转矩特性2-7直流电机的运行原理——思考——

电动机处于稳定空载运行时，大致在该特性的哪个位置点？转矩特性(以并励电动机为例)Tem=f(Ia

)正斜率项Tem0TemIaNIa第四十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一效率特性效率特性(以并励电动机为例)=f(Ia

)所有的损耗和2-7直流电机的运行原理第四十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一思考题2-7直流电机的运行原理（并励）直流电动机工作特性n,,Tem0nTemIaNIa第四十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第八章动力学基础第八章电力拖动系统的动力学基础

运动方程式

负载转矩特性

第四十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一8-1运动方程式8-1电力拖动系统的运动方程式一、电力拖动系统的一般结构电网电源受控电源电动机机械负载二、运动方程式直线运动：旋转运动：；J=GD2/4g第四十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一运动方程式电动机运动方程式：8-1电力拖动系统的运动方程式运动方程与运动状态T=TZ时，dn/dt=0，稳定运动，无加速度，稳态T>TZ

时，dn/dt>0，加速运动，正加速度，动态T<

TZ

时，dn/dt<0，减速运动，负加速度，动态n第五十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一二维坐标系的建立8-4生产机械的负载转矩特性确立描述转矩与转速函数的二维坐标系：主体物自身转矩（力矩）与其旋转速度的特性关系。n0Tem(Ia)-Tem(Ia)-nnmgⅠⅢⅡⅣ转速与转矩方向相同转速与转矩方向相同转速与转矩方向相反转速与转矩方向相同第五十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一负载特性8-4生产机械的负载转矩特性电动机负载：通过电动机的转子主轴向电动机施加阻力转矩作用的物理主体称为电动机的负载负载转矩特性：指从电动机一侧观察到的负载转矩与转速的函数关系（负载自身机械特性关于纵轴的投影）一、恒转矩负载特性特点：指负载转矩大小恒定，与转速的大小无关；代表：位能负载，反作用负载等；描述：Tz=常数nTzo反作用负载位能负载位能特性第五十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一负载特性8-4生产机械的负载转矩特性二、恒功率负载特性特点：负载转矩越大，转速越低；反之，转速越高；代表：机床负载等；描述：

Tz=K/nnTzo恒功率负载通风机负载三、通风机负载特性特点：负载转矩与转速的平方成正比；代表：风扇负载等；描述：

Tz=Kn2第五十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一思考题8-4生产机械的负载转矩特性——思考——

用直流发电机作电动机（他励）的负载：该负载特性具有什么特征？试画出特性示意图；若要求在同样转速下的负载强度增加1倍（忽略速度受负载强度变化的影响），该如何调整发电机回路的参数？负载特性如何变化？试画出特性示意图。Fn+U_+Ea_nKdRFKf+Uf_RfDA1n第五十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第九章直流电动机的电力拖动

他励电动机的机械特性

他励电动机的启动分析和应用

他励电动机的的制动分析和应用第五十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一8-1机械特性9-1他励直流电动机的机械特性一、电动机机械特性的定义和数学描述；R=R+Ra电动机机械特性：

n=f(T)；T=Td+To(电动运行)一般情况下可忽略空载损耗转矩To，TTd+U_+Ea_+Uf_RRfRa第五十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一机械特性由于CT=9.55Ce特殊工作点：理想工作点，（0，no）实际工作点，（Io，n’o）额定工作点，（IN，nN）9-1他励直流电动机的机械特性nI0INZIao理想空载点实际空载点额定负载点显然，机械特性是描述电动机在一定工作条件下稳态运转能力(转速指标)与负载强度的关系负斜率变化趋势磁场恒定的条件下,Tem可由Ia替代第五十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一人为机械特性电枢串联电阻的机械特性：

U=UN，=N，R

=R+Ra固有机械特性在U=UN，=N，R=0的条件下二、固有机械特性和人为机械特性9-1他励直流电动机的机械特性人为机械特性人为改变电机外部工作条件：nIao理想空载点R=RaR=Ra+R1R=Ra+R1+R2第五十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一习题解答改变电枢电源的机械特性：=N，R

=Ra,改变U的大小9-1他励直流电动机的机械特性nIao理想空载点U=U1U=U2U=U3nIao理想空载点=1

=

2

=

3改变励磁强度的机械特性：U=UN，R

=Ra,改变的大小理想空载点理想空载点第五十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一稳定运行自学9-1他励直流电动机的机械特性三、电力拖动稳定运行的条件电动机的稳定运行，即稳态：

dn/dt=0或T=Tz电动机从一个稳定工作点过渡到另一个稳定工作点的过程称为暂态：

dn/dt0或TTz阅读P25-27页，判断下述电动机带负载运行时能否工作在稳定状态，标明可以稳定运行的工作点。其中绿色曲线为电动机机械特性，兰色曲线为负载特性。第六十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一图例9-1他励直流电动机的机械特性不能稳定能稳定不能稳定能稳定能稳定nTemonTemonTemonTemo第六十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一稳定运行条件9-1他励直流电动机的机械特性稳定运行的充要条件nTz1Tz2Tzo第一负载点(Tz1，n1)第二负载点(Tz2，n2)必要条件：当Tz1突变为Tz2(Tz2>Tz1)dn/dt<0nEIT直到T=Tz2dn/dt=0n=n2当负载变化后,机械特性与负载特性仍有交点第六十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一稳定运行条件9-1他励直流电动机的机械特性充分条件：当U1突变为U2(U2>U1)I

TT>Tzdn/dt>0直到T=Tzdn/dt=0n=n2nTzTemo第一工作点(Tz，n1)第二工作点(Tz，n2)当U2又变回到U1(U2>U1)ITT<Tzdn/dt<0直到T=Tz

dn/dt=0n=n1分析前提：电枢的电气惯性大大小于机械惯性电动机机械特性具有：交点以上同一速度有T<Tz交点以下同一速度有T>Tz第六十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一9-2启动问题一、他励直流电动机的安全起动要求9-2他励直流电动机的起动问题的存在在电枢回路中：忽略L，起动时，Ea=0:结果ia

往往过大超越电气和机械强度的极限改善方案：降压启动电阻分压分级起动可变电源降压起动直流电动机1.5KW，220V，8.7A，0.8Ω，1450rpm275A>>8.7A第六十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一起动方法9-2他励直流电动机的起动Ra+U_+Ea_+Uf_R1R2

R3

Ras1

s2

s3

ianIzI1I2Iao负载点(Tz，nz)电枢电阻分级起动：第一级

s1，s2，s3开路第二级

s1闭合，s2，s3开路第三级

s1，s2闭合，s3开路第四级

s1，s2，s3闭合转折点(T2，0）转折点(T1，n1）第六十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一案例——案例

——已知：U=200v，Ce=0.2v/rpm，Ra=1要求：电动机从n=0开始起动，每增加300rpm切换一次起动电阻，尽可能使每次切换后的最大加速电流为10A，直到完全除掉外串电阻，使电动机稳定运行于空载点（Io=1A）。设计各级分级电阻；画出起动过程的机械特性n=f(Ia)(并标注各转折点坐标)；画出电动机电枢回路原理图，说明分级控制步骤。9-2他励直流电动机的起动第六十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一n900600300Iz10AIao案例解析1在约定工作条件下电动机理想空载转速：实际空载转速：9-2他励直流电动机的起动参考解答：(1A，995rpm)(0A，1000rpm)第六十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一R1=20Ωn900600300Iz10AIao案例解析2设第一级总电阻为R1(含Ra)，切换后分别为R2，R3，R4…对应外串电阻为RΩ1，RΩ2，RΩ3，RΩ4…9-2他励直流电动机的起动此后电机加速，当转速达到300rpm时：（7,300）一般认为：动态过程中，电枢电流的响应远快于转速的响应电机通电后，第一级总电阻为R1

第六十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一R2=14Ωn900600300Iz10AIao（7,300）案例解析49-2他励直流电动机的起动切换电阻由R1→R2，速度不变，电流增加再次达10A：（5.7,600）此后电机加速，当转速达到600rpm时：第六十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一R3=8Ω（7,300）（5.7,600）n900600300Iz10AIao案例解析59-2他励直流电动机的起动切换电阻由R2→R3，速度不变，电流增加再次达10A：此后电机加速，当转速达到900rpm时：（2.5,900）第七十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一案例解析69-2他励直流电动机的起动切换电阻由R3→R4，速度不变，电流增加再次达10A：此后速度已没有300rpm的增加余地，为保证切除最后一级外串电阻时电流能达到10A，切换点的坐标如何确定？（7,300）（5.7,600）n900600300Iz10AIao（2.5,900）第七十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一R4=2Ω（2.5,900）n1000900Iz10AIao案例解析79-2他励直流电动机的起动切出最后一级电阻时，速度应等于自然特性在Ia=10A点：切换点电流I4：（5,950）最后，电机进入自然特性直至稳定于（1A,995rpm）(1A，995rpm)第七十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一案例解析3n900600300Iz10AIao（7,300）（5.7,600）（2.5,900）（1,995）（5,950）9-2他励直流电动机的起动Ra+U_+Ea_Ras1

s2

s3S4ia6Ω

6Ω

6Ω

1Ω第七十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一9-3制动9-3他励直流电动机的制动一、电机制动状态的定义当电磁转矩T与转速n方向相反时，电机处于制动状态提示：制动过程不一定是减速过程制动过程是外部机械能进入电机转变为电能的过程

二、电机制动状态的分类能耗制动回馈制动反接制动电枢反接制动转速反接制动nT第七十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一能耗制动9-3他励直流电动机的制动能耗制动应用：减速，刹车或抑制速度案例：当K左端，电动运行，T与n同向当K右端，U=0n，Ea大小、方向不变T与n反向，处于制动运行，+U_+Ea_+Uf_RzRanK第七十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一能耗制动9-3他励直流电动机的制动由于机械能最终转变为电功率以Ia2(Ra+Rz)方式消耗掉，所以称之为能耗制动

机械特性方程提示：特性为斜率等于（Ra+Rz）/Ce的斜线最大制动转矩T1可调节Ra+RzT1oIzIaRanno第七十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一oIz1Iz2Ia案例二9-3他励直流电动机的制动RaRa+Rznno案例分析如图：电动机在两种不同强度的反作用负载下稳定运行，若配以相同能耗制动电阻Rz，能否判断两者停车的快慢？负载1负载2第七十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一反接制动9-3他励直流电动机的制动反接制动应用：吊车重物下放等案例：电动运行，R=0，重物向上提升；制动运行，R增大，使T<Tz，重物下放。+Uf_RRa+U_+Ea_Ra制动机械特性n_+转速反向的反接制动Ia第七十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一反接制动9-3他励直流电动机的制动提示：由于速度n反向,使T与n方向相反,称为转速反向的反接制动;由于Ea极性改变,电枢同时吸收外部输入的机械功率和电源输入的电功率RaRa+RoIzIanno下放工作点第七十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一能耗制动案例分析9-3他励直流电动机的制动案例分析假定，直流电动机驱动电梯稳速上升时为正运转，稳速下降时（采用反接制动）为负运转。试绘出电梯下降时反接制动机械特性示意图；如需减慢下降速度，应如何调整制动参数？能否利用能耗制动实现停车？第八十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一反接制动案例9-3他励直流电动机的制动案例分析已知起重机直流电动机工作条件：Ce=0.5v/rpmU=200v，以n=360rpm的速度稳定提升货物，其等效位能负载为Iz=50A。当需要以同样速率下放同样的货物时，需配置的转速反接制动电阻R=？当货物下放到位时需稳定停车，试设计电气停车方案。第八十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一反接制动案例分析19-3他励直流电动机的制动RaRa+RoIzIanno下放工作点堵转点第八十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一反接制动案例分析29-3他励直流电动机的制动电动提升时制动下放时制动停车时Ra=0.4ΩRz=7.2ΩRz=3.6Ω第八十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一9-3他励直流电动机的制动电枢反接的反接制动案例：

电动运行，开关K掷左，R=0;

制动运行，R增大，开关K掷左，电动机产生反向电流，制动并反转。Ia+R+U_+Ea_+Uf_RanK应用：正反双向运转拖动系统Ia第八十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电枢反接机械特性提示：由于电枢电源反接导致电流Ia反向,使T与n方向相反,称为电枢反接的反接制动;由于U极性突然改变,电枢回路出现两个电动势源电势叠加，必须加入较大制动电阻限制制动电流.n

no-noRaT1oIzIaRa+R9-3他励直流电动机的制动第八十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一回馈制动9-3他励直流电动机的制动制动机械特性制动电流第八十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一应用设计：9-3他励直流电动机的制动一个电动机控制系统，恒定磁通，通过改变电枢电源极性实现电机正反方向。采用2套三相全控桥电路向电枢供电：1.设计合理的电枢供电电路；讨论可控电源的控制方式；分析电机从正转到反转的电路工作过程。～第八十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一回馈制动9-3他励直流电动机的制动回馈制动电动制动电动电机控制问题：能否稳定下坡行驶？第八十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一负载分析9-3他励直流电动机的制动电动制动负载分析：如何判断水平前行和下坡时负载机械特性？条件约定：路面摩擦阻力为理想反作用负载（恒转矩负载）由车体质量决定的位能负载大于摩擦阻力的作用电机驱动力摩擦阻力重力第八十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一n

no

Iz1

IzoIz2Ia位能分量负载合成负载回馈制动机械特性9-3他励直流电动机的制动反作用负载当水平电动前行时：反作用负载与驱动转矩平衡当下坡前行时：合成负载（位能、反作用负载）第九十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一回馈制动机械特性9-3他励直流电动机的制动合成负载n

no

Iz1

IzoIz2Ia制动机械特性制动电流第九十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一回馈制动机械特性9-3他励直流电动机的制动Ia++U_+Ea_+Uf_RanIa提示：由于电枢反电动势超过电枢电源大小，导致电流Ia反向,使T与n方向相反,并出现电能回馈电源现象，称为回馈制动;在电动机工作条件不变的情况下，回馈时的运行速度高于理想空载转速no.第九十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一思考9-3他励直流电动机的制动电动制动电动——思考题——若要求下坡时的行进速度保持与水平行进的速度不变，如何考虑制动控制策略？假定使用三相桥式相控变流电路为电枢供电，试利用机械特性示意图进行说明。第九十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第三章变压器第三章变压器

电磁结构、工作原理

空载运行

基本方程式第九十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电机与变压器电机变压器电能机械能电能电能电磁能电磁能第九十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-1结构与原理铁心与绕组

铁心：由具有高磁导率材料构成的闭合磁路绕组：交流电能（或信号）由一次（初级）绕组输入，由二次（次级）绕组输出。3-1结构与原理一、电气结构与工作原理u1u2ZF——思考——复阻抗ZF=a+jb，其中参量a、b各有什么物理含义？第九十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一结构与原理3-1结构与原理理想变压器：一次绕组：二次绕组：二、变压器的分类P53电力变压器特种变压器第九十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一——思考——假设变压器一、二次绕组显纯感性，忽略所有非线性因素，标注电路在稳态工作二次绕组的输出i2、u2的瞬时极性。思考题+u1—u2R3-1结构与原理i1i2第九十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一控制变压器第九十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一习题解答3-1结构与原理u1,i10t1t2tu1>0，i1>0及电路的纯感性特征；确立电路工作时段t1~t2；Di1/dt>0，d/dt>0及的方向为顺时针；二次绕组感生电流产生的磁通方向阻碍的变化；判断出i2，

u2的方向。第一百页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-2空载运行eσ13-2单相变压器的空载运行一、空载运行的物理分析1σ

其中存在少量只与一次绕组交链的，经过非磁性物质（空气或绝缘油）的漏磁通1σme1e2u2i0u1N1

N2第一百零一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一空载运行当一次绕组施加电压u1；i0

一次绕组空载电流；e1σ

一次绕组漏磁通对应的电动势；r1

一次绕组电阻变压器总磁通量：=m+1σ

3-2单相变压器的空载运行第一百零二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一感应电动势和主磁通近似假定：

m=msint

则：

；Im

励磁电流；I

磁化（励磁）电流；IFe

铁耗电流感应电动势和主磁通3-2单相变压器的空载运行空载电流分析实际空载时，铜耗Pcu1相对很小，若忽略则有：一般由于I>>IFe，I

是Im的主要分量推导见P57如何转换为相量图？第一百零三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一me1e2u2i0u1N1

N2漏电抗的引入3-2单相变压器的空载运行1σeσ1如何将电磁效应表达为由电气参数组成的方程式？第一百零四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一3-2单相变压器的空载运行漏磁通与漏电抗漏磁通与漏电抗；定义x1为一次绕组的漏电抗，以表征漏磁通对一次绕组的电磁效应。第一百零五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电势平衡式、相量图二、空载运行的电势平衡式、相量图和等效电路P653-2单相变压器的空载运行在假定漏电抗为x1

的前提下，推算与二次绕组非耦合的等效阻抗其中，将Z1=r1+jx1

认定为考虑一次绕组的电阻r1一次绕组漏阻抗第一百零六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一等效电路3-2单相变压器的空载运行进一步定义对应的阻抗Zm

为耦合于二次绕组的励磁电流和磁通由（铁耗分量）和（励磁分量）组成定义：一次绕组的感应电动势；其中复阻抗Zm=rm+jxm重新表达电势平衡关系：第一百零七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一相量图及等效电路3-2单相变压器的空载运行相量图（忽略铜耗）等效电路r1x1rmxm第一百零八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一思考题3-2单相变压器的空载运行——思考——1.当不忽略一次绕组的电阻r1时，P58(2-16)式是否适用？2.利用等效电路模型说明变压器空载运行时电源的功率分配情况.r1x1rmxm第一百零九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一2-3基本方程式3-3单相变压器的基本方程式一、负载后的电磁变化eσ11σme1e2u2i1u1N1

N22σZFi2第一百一十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一物理分析3-3单相变压器的基本方程式I1增量与输出电流I2的关系：；磁通势变化总量为0；总磁势不变；一、二次绕组磁通势变化量相量和为0；一、二次绕组电流增量的关系第一百一十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一基本方程式二、负载时的基本方程式3-3单相变压器的基本方程式磁动势平衡方程电动势平衡方程rm

xmr1x1r2x2rm

xmZF一次回路

二次回路第一百一十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一3-4等效电路3-4单相变压器的等效电路及相量图一、目的等效电路：便于工程计算的无电磁隔离的单纯电路二、绕组归算归算原则：归算前的磁势平衡关系和能量平衡关系保持不变归算方法：将二次（或一次）绕组的匝数换算成一次（或二次）绕组的匝数归算结果：将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组相同的并联绕组去代替实际的二次绕组N2’=N1归算电动势与电压由（3-15）式知，第一百一十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一绕组归算3-4单相变压器的等效电路及相量图归算电流

保持二次绕组折算前后磁动势不变：归算阻抗

保持二次绕组折算前后有功功率、无功功率不变：第一百一十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一等效电路三、等效电路3-4单相变压器的等效电路由于感生电动势折算后相等，从电气效应的角度看，可将磁路屏蔽掉，直接连接一、二次绕组。rm

xmr1x1x’2r’2Z’F第一百一十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一简化等效电路三、简化等效电路3-4单相变压器的等效电路P66——思考——1.一台单相变压器分两组输入端，额定电压分别为380/220伏，额定频率为50Hz，试问：1)如误将220伏端接在380伏电源上，会有什么情况发生？2)如果电源电压正常，电源频率提高20%，xm，I0，PFe将如何变化？3)如果将变压器接在直流电源上，会有什么情况发生？第一百一十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一思考3-4单相变压器的等效电路在变换功率一定的前提下：1)变压器的励磁电抗xm宜大还是宜小？2)若变压器用空气心而不是铁心，xm如何变化？若增大一次绕组匝数５％，xm如何变化？第一百一十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第四章三相异步电动机的基本原理

结构和工作原理

基本物理量

第一百一十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一4-1三相异步电动机原理4-1三相异步电动机工作原理一、旋转磁场直流电动机：静止磁场+外部输入电流异步电动机：旋转磁场+内部感生电流电磁转矩三相定子绕组互差120o空间分布ABCABCAXCZBY第一百一十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一三相电源互差120o正弦励磁电流iAiCiBi0tiAiBiC4-1三相异步电动机工作原理第一百二十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一i0t单极旋转磁场AXCZBYiAiBiC360ot=0120ot=120o240ot=240o4-1三相异步电动机工作原理第一百二十一页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一显然，由于三相交流相电流所在的三相绕组的对称分布规律，产生的合成磁通（或磁势）为旋转的。4-1三相异步电动机工作原理那么，旋转磁场的速度能否确定？第一百二十二页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一当绕组产生的极对数大于1时P=2AXCZ’BYA’B’Y’C’ZX’多极绕组旋转磁场旋转的定子磁场显然：旋转磁场的速率与励磁电流频率有关。4-1三相异步电动机工作原理AXCZ’BYA’X’B’Y’C’ZSSNNSSNN60ot=0ot=120o第一百二十三页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一电磁感应现象

二、电磁感应现象4-1三相异步电动机工作原理显然，P=2时励磁电流变化一个周期，磁场旋转0.5周。静止的转子绕组被旋转磁场的磁力线切割（右手定则断定感生电流方向）；拇指——导体运动方向四指——感生电流方向掌心——朝向磁场N极SNSNnon称之为同步转速感生电流与磁场作用产生电磁力（左手定则断定电磁力方向）。拇指——导体受力方向四指——导体电流方向掌心——朝向磁场N极no与n的大小关系如何?第一百二十四页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一转差率4-1三相异步电动机工作原理三、转差率概念转子转速（即电动机转速）n与同步磁场转速no的比率关系

S称为异步电动机的转差率在电动运行时，由于n<no，所以0<s<1四、结构P98转子绕线式：结构较复杂，成本较高；易于控制。应用面窄转子鼠笼式:制造成本低，寿命长，易维护；控制复杂。应用广泛第一百二十五页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一9-2铭牌数据4-2三相异步电动机的铭牌数据额定功率：标准工况下输出的机械功率额定电压：定子绕组的标准线电压额定电流：定子绕组的标准线电流额定频率：定子绕组的励磁电源标准频率额定转速：标准工况下的转速第一百二十六页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一问题讨论——思考

——从异步电动机的运行原理看，电动运行时是否一定存在n<no

?电动时是否可能有n=no

？如何使异步电动机正反运转？试设计一简单电路实现对转向的控制。列举异步电动机与变压器、直流电动机在运行原理方面的异同之处；4-2三相异步电动机的铭牌数据第一百二十七页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一第五章三相异步电动机的基本工作原理

旋转磁动势

等效电路基本方程式

第一百二十八页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一5-1电磁过程5-1三相异步电动机运行时的电磁过程一、异步电动机负载运行的物理状况空载时：由于空载时n0

n，负载时：AXCZBYnon负载后，电机出现两个相对独立的励磁磁通势F1、F2，且均为运动的。第一百二十九页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一i0tiaibicAXCZBYF2的方向5-1三相异步电动机运行时的电磁过程nonF2与F1如何相互作用？F2的旋转方向ayzbxc12转子电流相位转子相对运动方向第一百三十页，共一百四十七页，编辑于2023年，星期一i0tiaibicF2的方向5-1三相异步电动机运行时的电磁过程AXCZBYayzbxcno2

转子磁场2

也旋转120o

但转子感应电流（电势）的角速度小于120o——

思考——如上例中定子电流频率50Hz