《东南大学电机学》课件

《东南大学电机学》课程介绍这门课程将全面介绍电机的基本原理和结构,包括直流电机、交流电机以及特殊电机的工作原理和应用。学生将掌握电机设计和驱动控制的核心知识,并学会运用这些知识解决实际工程问题。课程目标和学习要求课程目标通过本课程的学习,掌握电机的基本工作原理及其性能特征,并学会常用电机的选型和控制方法。学习要求学生需要具备电路理论、电磁学、自动控制等基础知识,并能积极参与课堂讨论、实验操作和课程设计等实践环节。教学方式采用理论讲授、实验演示、案例分析等多种教学方式,培养学生的理论思维和实践能力。考核方式考核包括平时成绩、实验报告和期末闭卷考试,以全面评估学生的学习效果。电机的基本结构和原理电机是一种将电能转换为机械能的设备。电机由绕组、电磁铁、转子和定子等基本部件组成。通过电磁感应原理,电流在绕组中产生磁场,与转子上的磁场相互作用,从而产生转矩,使转子旋转。电机有直流电机和交流电机之分,它们的工作原理虽然有所不同,但都是基于电磁感应原理。直流电机的工作原理电磁感应当直流电压施加到电机的线圈中时,会产生电磁感应,产生磁场。电磁力磁场与电流相互作用,产生电磁力,使电机转子产生转矩。力矩平衡当电磁力矩与负载力矩达到平衡时,电机转子以稳定的转速旋转。电刷换向电刷定期接触不同极性的换向器,确保电机转子能持续转动。直流电机的特性曲线电压电流转速功率转矩从上述特性曲线可以看出,电机在不同工作条件下,电压、电流、转速、功率和转矩之间存在着一定的数学关系,这些关系曲线就是电机的特性曲线。直流电机的速度控制1施加电压调速通过调整电机端子的供给电压大小来控制转速,这是最基本的调速方法。2调整磁场调速改变电机的励磁电流可以调整磁场强度,从而改变电机的转速。3添加外加负载调速在电机轴上添加外加负载可以降低电机转速,达到调速的目的。直流电机的转矩控制1转矩约束根据电机的机械特性和负载需求限制电机转矩2电路控制通过调整电源电压和电流来实现转矩控制3电磁场控制利用磁场的调节改变电机的输出转矩直流电机的转矩控制是通过调整电路参数和磁场大小来实现的。首先需要根据机械特性和负载要求确定合适的转矩范围。然后可以通过调整供电电压和电流的大小来直接控制转矩。此外,还可以利用电磁场的调节来间接改变输出转矩。这些方法可以协同配合,确保直流电机在各种工况下都能提供合适的输出转矩。交流电机的工作原理1旋转磁场通过多个线圈的交流电流产生2感应电压旋转磁场切割转子导体产生感应电压3产生转矩感应电压与磁场相互作用产生转矩4电机转动转矩驱动转子跟随旋转磁场转动交流电机通过交流电流产生旋转磁场,旋转磁场切割转子导体,产生感应电压。感应电压与磁场相互作用产生转矩,驱动转子跟随旋转磁场转动。这种原理使交流电机能够将电能转化为机械能,广泛应用于工业生产与日常生活。三相异步电机的结构和特点转子结构三相异步电机的转子可以是鼠笼式或绕组式,具有不同的电磁特性和性能。工作原理三相异步电机通过定子绕组产生的旋转磁场,在转子上感应出电流从而带动转子旋转。应用领域三相异步电机广泛应用于工业生产、家用电器、交通运输等领域,是最常见的电机类型之一。三相异步电机的转子类型1笼型转子由铸铝或压铸铝制成的笼型导体构成。结构简单、制造成本低、可靠性高。2绕线型转子转子绕组采用铜线缠绕在铁芯上。可实现更精细的速度控制。3双笼型转子在笼型转子的基础上加装了一个外层的二次笼型绕组。可提高起动转矩和转速调节范围。三相异步电机的转子电流和磁链10A转子电流三相异步电机的转子会产生大约10A的交流电流。2Wb转子磁链转子磁链的峰值约为2Wb，随转子速度的变化而变化。800Hz转子频率转子电流的频率约为800Hz，与转子速度和极对数有关。三相异步电机的转矩特性负载转矩随负载增加而增加的扭矩。提供功率输出并推动机械负载运转。最大转矩异步电机在定额运行区域内可提供的最大扭矩。可以满足大负载启动的需求。分岔转矩当电机转速接近同步转速时产生的第二个最大转矩点。可以提供高扭矩辅助电机加速。三相异步电机的转矩特性反映了电机在不同转速下能够提供的扭矩能力。了解这些特性对于合理选型和控制电机系统非常重要。三相异步电机的起动特性直接启动直接将三相异步电机连接到电源电压上进行启动,最简单直接但电流很大。星三角启动先以星形接法启动,然后切换到三角形接法以提高转速。可减小启动电流。电阻起动在转子回路中串联外部电阻,可进一步降低启动电流。但会降低启动扭矩。三相异步电机的正反转控制1正转控制通过改变三相绕组的供电顺序,可以实现三相异步电机的正向旋转。这种控制方式简单实用,广泛应用于各种场合。2反转控制通过交换任意两相的供电线,可以改变三相异步电机的旋转方向,实现反向运转。这种控制方式易操作,可靠性高。3正反转切换利用电子开关技术,可快速切换三相异步电机的旋转方向,满足正反转控制的需求。这种方式操作灵活,适用于复杂场合。三相异步电机的调速方法调频调速通过改变电源频率来调节三相异步电机的转速。这种方法简单易行,能广泛适用于多种场合。极数调速改变定子绕组的极对数可以改变电机的同步转速。这种方法适用于大功率电机,但调速范围相对较小。定子电压调速通过改变电机定子的供电电压来调节转速,适用于小功率电机。这种方法调速范围广,但效率较低。转子电阻调速增大转子电阻可降低电机转速,适用于小功率电机。这种方法调速范围大,但会产生较多热量损失。同步电机的工作原理1起同步旋转同步电机通过磁场与转子磁链的交互产生转矩,驱动转子顺时针旋转。2同步旋转转子以同步速度跟随磁场旋转,保持同步运转。3励磁系统励磁系统产生磁场,使转子磁链与主磁场相互作用,产生稳定的转矩。同步电机利用交流电源产生的旋转磁场与转子磁链的相互作用来驱动转子旋转。通过精心设计的励磁系统,可以产生稳定的同步转矩,使得转子以同步速度跟随磁场旋转。这种驱动方式确保了电机的高效、可靠和平稳运转。同步电机的转矩特性从图中可以看出,同步电机的转矩特性曲线表现为随着转速的增加,其输出转矩呈线性下降的趋势。这就意味着同步电机在低速运行时具有较大的转矩输出能力,而随着转速的提高,其转矩输出能力也随之下降。同步电机的励磁系统励磁系统作用同步电机的励磁系统为定子绕组提供直流励磁电流,产生转子上的磁场,与转子上的磁场形成电磁力矩,使电机转子旋转。转子结构同步电机的转子包含电磁铁极和绕组,通过电磁铁极产生磁场,与定子磁场相互作用产生电磁力矩。励磁方式同步电机的励磁系统可以采用电磁激励或永磁激励。电磁激励通过调节励磁电流来控制电机的功率因数和输出电压。同步发电机的工作特性功率因数同步发电机输出功率可以调整功率因数，从而提高输电系统的效率。并网运行同步发电机可以并入电网，构成分布式发电系统，提高系统的供电可靠性。转矩特性同步发电机具有稳定的转矩特性,可以提供大的过载能力和短路保护能力。励磁特性同步发电机的励磁系统可以独立调整,从而实现对发电机输出电压的有效调节。小型电机的种类和应用直流电机广泛应用于家用电器、电动工具、机器人等领域，便于控制和调速。步进电机适用于精密位置控制，常见于打印机、数控机床、机器人等。伺服电机精度高、响应快，应用于工业自动化、机器人关节驱动等领域。无刷直流电机结构简单、寿命长、效率高，广泛应用于家电、交通工具等。小型电机的调速方法电压调整通过控制直流电机供电电压的大小来实现对电机转速的调节。这种方法简单可靠、成本较低。频率调整利用变频器在交流供电中改变频率可有效控制异步电机的转速。这种方法能实现平滑调速,广泛应用于工业生产。脉冲控制通过给小型电机施加精确脉冲信号,可实现步进式旋转,从而精准控制电机转速和位置。这在数控机床和机器人中广泛应用。电机驱动系统的功率变换1电能输入从电源供应输入电能2电力变换利用功率电子变换电能形式3电机驱动向电机提供所需功率4机械功输出驱动负载产生机械功电机驱动系统的功率变换是一个多步骤的过程。首先从电源获取电能输入,通过功率电子变换技术将其转换为适合电机驱动的电能形式。这些电能会被输送到电机,最终转换为驱动负载所需的机械功输出。每个步骤都需要精心设计,以确保整个系统高效可靠地运行。电机驱动系统的控制策略开环控制无需反馈信号,由控制器直接输出指令,控制简单快速。但不能补偿外界干扰。闭环控制利用反馈信号调整控制输出,能自动补偿外界干扰,实现高精度控制。向量控制通过控制电机磁场和转矩,实现高动态响应和高精度控制。适用于高性能驱动。自适应控制能动态调整控制参数,适应系统参数变化,提高鲁棒性。适用于复杂系统。开环和闭环控制系统开环控制系统开环控制系统指在无反馈信号的情况下,控制器根据预设程序直接控制执行机构。这种系统结构简单,实现容易,但无法对外部干扰做出自动调整。闭环控制系统闭环控制系统通过检测系统的实际输出并与预设目标进行对比,形成反馈信号调节控制执行机构,从而实现自动调节。这种系统更加稳定和精确,但结构和成本相对较高。电机驱动系统的选型与设计1负载分析仔细分析电机驱动系统的负载特性,包括转矩曲线、功率需求、运行时间等,为选型提供依据。2控制策略确定电机驱动系统所需的控制功能,如速度、转矩等的闭环控制,以及相应的控制算法。3功率匹配根据负载分析和控制策略,选择合适的电机类型、额定功率和电压,确保系统性能和可靠性。电机驱动系统的能量优化提高能源效率选择高效的电机和变频器设备,优化电机与负载的匹配,提高能源转换效率。优化控制策略采用先进的矢量控制、无传感器控制等技术,实现电机运行的最佳能量利用。制动能量回收利用电机在制动过程中产生的动能,通过转换回馈到电网或储能装置,降低能耗。优化系统设计合理配置电机、变频器、电源等设备,充分挖掘系统整体的节能潜力。电机驱动系统的故障诊断诊断仪器利用专业的电机故障诊断仪器可以准确地检测出电机驱动系统中的故障,为后续维修和调整提供依据。温度异常检测通过监测电机的温度变化,可以及时发现绕组短路、轴承磨损等问题,预防电机过热烧毁。振动分析利用振动分析技术可以诊断出电机轴承、齿轮箱等机械部件的问题,为维护保养提供参考依据。绕组测试对电机绕组进行测试可以发现绝缘老化、短路等故障,为电机维修提供科学依据。电机驱动系统的安全与保护过载保护针对电机负载突然增大或短路等情况,系统应具备快速断电的过载保护功能。温度监控连续监测电机温度,在过热情况下及时启动降功率或停机,避免永久性损坏。位置限制设置位置传感器,以防止电机运行超出安全范围,保护电机及其他设备的安全。故障诊断实时检测电机运行状态,及时报警并诊断故障原因,确保系统可靠运行。电机驱动系统的未来发展趋势智能化未来电机驱动系统将更加智能化,能够自主诊断问题、优化控制策略,大大提高系统的效率和可靠性。绿