电机与拖动原理课件

电机与拖动原理欢迎来到电机与拖动原理课程！本课程将带领大家深入了解电机的基本概念、原理、结构、应用以及拖动系统的设计与应用，并介绍一些最新的技术和发展趋势。让我们一起开启探索电机世界的奇妙旅程！课程简介与目标课程简介本课程系统地介绍了电机与拖动系统的基础知识，涵盖了电机的基本概念、结构、工作原理、运行特性、控制方法，以及电机拖动系统的选择、设计、调试和维护等内容。旨在使学生掌握电机与拖动系统的基本原理和应用技术。课程目标通过本课程的学习，学生将能够：-理解电机与拖动系统的基本原理和工作机制。-掌握电机与拖动系统的设计与应用方法。-了解电机与拖动系统的新技术和发展趋势。-具备解决电机与拖动系统相关问题的基本能力。电机的基本概念定义电机是一种将电能转换为机械能的装置，通常由定子、转子和磁场等组成。它利用电磁感应原理，将电流产生的磁场转化为机械力，驱动转子旋转。功能电机广泛应用于各种工业设备、家用电器和交通工具中，例如：-工业生产：驱动机械设备-家用电器：提供动力-交通运输：驱动汽车、火车、飞机等分类电机根据其结构、工作原理和应用领域的不同，可以分为多种类型，例如：-异步电机、同步电机、直流电机等。电机的发展历史11821法拉第发现电磁旋转现象，为电机奠定了基础。21831法拉第发现了电磁感应现象，为电机的发展提供了理论依据。31831亨利发现了电磁感应现象，为电机的发展提供了理论依据。41873格拉姆发明了第一台实用直流电机，标志着电机时代的正式开始。51888特斯拉发明了交流感应电机，为电机发展开辟了新纪元。61900电机广泛应用于工业生产和日常生活，成为推动社会进步的重要动力。720世纪电机技术不断发展，出现了一些新型电机，如永磁电机、伺服电机等。821世纪电机技术朝着智能化、高效化、节能化方向发展。电机在现代生活中的应用工业生产电机是工业生产的重要动力源泉，广泛应用于各类机械设备、生产流水线、机床、泵、风机、压缩机等。交通运输电机驱动汽车、火车、飞机等交通工具，推动了交通运输行业的快速发展。家用电器电机为各种家用电器提供动力，例如：洗衣机、冰箱、空调、吸尘器、电风扇等，为人们生活带来便利。能源领域电机应用于风力发电、太阳能发电等可再生能源领域，推动了能源结构转型。磁路的基本定律安培环路定律安培环路定律指出，闭合回路上的磁场强度积分等于回路所包围电流的代数和，即：∮H·dl=I磁通连续定律磁通连续定律指出，通过任何闭合曲面的磁通量总和为零，即：∮B·dS=0磁路的计算方法磁阻法磁阻法是根据磁路中的磁阻来计算磁通量，其公式为：Φ=F/R磁势法磁势法是根据磁路中的磁势来计算磁通量，其公式为：Φ=F/R磁路网络法磁路网络法是将磁路看成一个电路网络，利用基尔霍夫定律来计算磁通量。变压器的原理与结构工作原理变压器是利用电磁感应原理，将交流电的电压或电流进行变换的静止电气设备，由铁芯、线圈和绝缘材料等组成。变压器通过在铁芯上绕制不同匝数的线圈，利用电磁感应现象来改变电压或电流的比例。结构变压器通常由铁芯、初级线圈、次级线圈和绝缘材料组成。铁芯可以是铁心式或环形铁芯，初级线圈和次级线圈绕在铁芯上。变压器的绝缘材料主要用于隔离线圈之间的电压，防止短路。应用变压器广泛应用于电力系统中，例如：-发电厂：升压变压器，将发电机产生的低压电升高到输电电压。-输电线路：降压变压器，将高压电降压到用户用电电压。-用户用电：变压器，将输电线路电压降压到用户用电电压。变压器的运行特性空载特性空载特性指的是变压器不带负载时的运行特性，主要表现为励磁电流和空载损耗。负载特性负载特性指的是变压器带负载时的运行特性，主要表现为电压降、电流变化、效率和功率因数等。短路特性短路特性指的是变压器发生短路时的运行特性，主要表现为短路电流和短路阻抗等。三相异步电动机的结构定子定子由定子铁芯和定子绕组组成，定子绕组通常采用三相绕组，其绕组形式和连接方式决定了电动机的类型。1转子转子由转子铁芯和转子绕组组成，转子绕组可以是鼠笼型绕组或绕线型绕组，根据转子绕组的不同，三相异步电机可以分为鼠笼型异步电机和绕线型异步电机。2气隙气隙是定子铁芯和转子铁芯之间的空隙，气隙的大小影响着电机的磁场强度、转矩和效率等。3轴承轴承用来支撑转子，减小转子旋转时的摩擦力，轴承的类型和性能影响着电机的运行寿命和效率。4机壳机壳用来保护电机内部部件，防止灰尘、水等进入，机壳的材质和结构影响着电机的防护等级和散热性能。5三相异步电动机的原理1旋转磁场三相异步电机定子绕组通入三相交流电，产生一个旋转磁场，其磁场方向随时间变化，并在空间中产生旋转运动。2感应电流旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中感应出电流，感应电流的方向满足楞次定律。3电磁力感应电流产生的磁场与定子产生的旋转磁场相互作用，产生电磁力，使转子转动。4转速转子的转速始终低于旋转磁场的转速，两者之间的差值称为滑差，滑差的大小决定了电机的转矩和效率。三相异步电动机的等效电路参数意义R1定子绕组电阻定子绕组的电阻值X1定子绕组电抗定子绕组的电抗值R2转子绕组电阻转子绕组的电阻值，会随着滑差变化X2转子绕组电抗转子绕组的电抗值，会随着滑差变化Xm励磁电抗反映定子绕组与转子绕组之间的磁耦合关系R0铁损电阻反映电机铁芯中的损耗三相异步电动机的起动1直接起动直接起动是最简单的起动方式，直接将电动机接入电源，但起动电流大，可能对电源和电机造成冲击。2降压起动降压起动是在起动过程中降低电压，减小起动电流，常用的降压方法有：-自耦变压器起动-星-三角起动-电阻起动3软起动软起动是采用特殊的电子装置，通过控制电压或电流，使电机逐渐起动，减小冲击电流。三相异步电动机的调速1变极调速通过改变定子绕组的连接方式，改变电动机的极数，从而改变电动机的同步转速。2变频调速通过改变电源频率，改变电动机的同步转速，实现无级调速。3转差率调速通过改变转子回路的电阻，改变电动机的滑差，从而改变电动机的转速。三相异步电动机的制动再生制动再生制动是利用电动机在减速过程中产生的能量来制动，可以将能量反馈到电源，提高效率。反接制动反接制动是将定子绕组的相序反转，使电动机反转，从而实现制动，但会产生较大的冲击。电阻制动电阻制动是在转子回路中串联电阻，增加转子回路的电阻，从而实现制动。摩擦制动摩擦制动是利用摩擦力来制动，例如刹车系统。三相异步电动机的保护单相异步电动机的结构定子定子由定子铁芯和定子绕组组成，定子绕组通常采用单相绕组，其绕组形式和连接方式决定了电动机的类型。1转子转子由转子铁芯和转子绕组组成，转子绕组通常是鼠笼型绕组。2启动绕组启动绕组是用来帮助电机起动的，它与主绕组串联，并通过电容进行相位补偿。3单相异步电动机的原理1单相绕组单相异步电动机定子绕组通入单相交流电，产生一个脉动磁场，该磁场在空间上呈交替变化，并不能直接产生旋转磁场。2启动绕组启动绕组通入电流后，与主绕组产生的磁场相互作用，形成一个旋转磁场，推动转子旋转。3旋转磁场启动绕组产生的旋转磁场推动转子旋转，并使转子绕组感应出电流，产生电磁力，继续维持转子旋转。4运行当电机达到一定转速后，启动绕组可以通过离心开关断开，电机继续依靠主绕组产生的磁场运行。单相异步电动机的起动电容起动电容起动是通过在启动绕组中串联电容来改善启动性能，使启动电流减小，启动转矩增大。电容运行电容运行是指在电机运行过程中，启动绕组一直与主绕组串联，并在启动绕组中串联电容。阴影极起动阴影极起动是利用定子铁芯上的一段导电的阴影极，与主绕组产生的磁场相互作用，形成一个旋转磁场。直流电机的结构定子定子由定子铁芯和励磁绕组组成，励磁绕组产生的磁场用来产生磁场，并决定直流电机的磁场强度。转子转子由转子铁芯和电枢绕组组成，电枢绕组是用来产生电磁力并驱动转子旋转的。换向器换向器是一个由多个铜片组成的圆柱体，用于改变电枢绕组中的电流方向，使直流电机能够连续旋转。电刷电刷是用来连接外部电源与换向器的，通过电刷将电流输入到电枢绕组，并从换向器中输出电流。直流电机的原理电磁感应当电枢绕组通电时，电枢绕组会产生磁场，该磁场与定子磁场相互作用，产生电磁力，推动转子旋转。换向器换向器通过改变电枢绕组中的电流方向，使直流电机能够连续旋转。当转子旋转时，换向器将电流方向切换，使电磁力始终朝一个方向作用，从而实现连续转动。直流电机的电枢反应1定义电枢反应是指电枢绕组中的电流产生的磁场对定子磁场的影响，它会导致电机磁场分布发生变化，从而影响电机的运行特性。2影响电枢反应会造成：-磁场畸变：电枢磁场与定子磁场叠加，会导致电机磁场分布不均匀。-换向不良：电枢磁场会影响换向器中的电流分布，导致换向不良，甚至产生火花。3解决方法为了减小电枢反应的影响，通常采用以下方法：-采用补偿绕组：在励磁绕组上增加补偿绕组，抵消电枢反应的影响。-采用磁场弱化：降低励磁电流，减弱定子磁场，从而减小电枢磁场的影响。直流电机的换向1定义换向是指在直流电机运行过程中，通过换向器和电刷将电枢绕组中的电流方向改变，使电机能够持续旋转。2过程换向过程是利用换向器和电刷的接触，在转子旋转过程中，及时改变电枢绕组中的电流方向，以维持转子磁场方向始终与定子磁场方向一致，从而产生稳定的电磁力，推动转子连续转动。3影响因素换向性能受到多种因素的影响，例如电刷的接触不良、换向器表面磨损、电枢反应等。直流电机的励磁方式1他励他励是指励磁绕组由独立的电源供电，励磁电流不受电枢电流的影响，这种方式磁场稳定，但结构复杂。2自励自励是指励磁绕组由电枢绕组的一部分电流供电，励磁电流受电枢电流的影响，这种方式结构简单，但磁场不稳定。3他励复合励磁他励复合励磁是指励磁绕组既由独立的电源供电，又由电枢绕组的一部分电流供电，这种方式结合了两种励磁方式的优点，磁场稳定且效率高。4他励串励他励串励是指励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢电流相同，这种方式结构简单，但磁场不稳定。5他励并励他励并励是指励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电流与电枢电流无关，这种方式结构简单，但磁场不稳定。直流电机的运行特性1空载特性空载特性是指直流电机不带负载时的运行特性，主要表现为励磁电流和空载转速。2负载特性负载特性是指直流电机带负载时的运行特性，主要表现为转速下降、电流增加、效率变化等。3机械特性机械特性是指直流电机负载变化时，转速与负载力矩之间的关系曲线，反映了直流电机在不同负载下的转速变化情况。直流电机的调速励磁调速励磁调速是通过改变励磁电流来改变电机磁场强度，从而改变电机的转速。电枢电压调速电枢电压调速是通过改变电枢绕组的电压来改变电机的转速。电阻调速电阻调速是在电枢回路中串联电阻，通过改变电阻值来改变电机的转速。脉冲宽度调速脉冲宽度调速是通过改变脉冲宽度来控制电机的电压，从而改变电机的转速。直流电机的制动再生制动再生制动是指利用电机在减速过程中产生的能量来制动，可以将能量反馈到电源，提高效率。反接制动反接制动是指将电枢绕组的极性反转，使电机反转，从而实现制动。电阻制动电阻制动是指在电枢回路中串联电阻，增加电枢回路的电阻，从而实现制动。动态制动动态制动是指在电枢回路中接入动态制动电阻，通过改变电阻值来控制制动电流，实现制动。特种电机的介绍1步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的电机，能够精确地控制转子的角度，广泛应用于数控机床、机器人等领域。2伺服电机伺服电机是一种能够根据控制信号精确控制转速、位置和角度的电机，通常与伺服驱动器配合使用，应用于高精度控制系统。3永磁电机永磁电机是一种利用永磁体产生磁场的电机，具有效率高、体积小、重量轻等优点，广泛应用于各种领域。4直线电机直线电机是一种将电能转换为直线运动的电机，能够直接进行线性运动，应用于高精度定位系统。5开关磁阻电机开关磁阻电机是一种结构简单、成本低廉、可靠性高的电机，能够实现高转矩输出，应用于各种领域。步进电机的原理与应用工作原理步进电机的工作原理是利用定子绕组中的电流产生磁场，吸引转子旋转，转子旋转的步长由电流脉冲的频率和相位决定。步进电机能够精确地控制转子的角度，因为它能够实现精确的步进运动，其转动角度可以根据脉冲信号的频率和相位精确控制。应用领域步进电机广泛应用于各种需要精确控制位置和角度的场合，例如：-数控机床：用于控制机床的运动。-自动化设备：用于控制机器人的手臂运动。-打印机：用于控制打印机的纸张移动。-仪器仪表：用于控制仪器的指针位置。伺服电机的原理与应用工作原理伺服电机是一种可以精确控制转速、位置和角度的电机，通常与伺服驱动器配合使用，由伺服电机、伺服驱动器和控制系统组成。伺服电机通过伺服驱动器的控制，可以根据控制信号精确地控制其转速、位置和角度。应用领域伺服电机广泛应用于各种高精度控制系统，例如：-工业机器人：用于控制机器人的手臂运动。-数控机床：用于控制机床的运动。-自动化生产线：用于控制生产线的运动。-航空航天：用于控制飞机的飞行姿态。电机控制系统的基本概念定义电机控制系统是利用电子技术和计算机技术，对电机进行控制，实现电机转速、转矩、位置和角度等参数的精确控制的系统。它通常由传感器、控制器、执行机构、电源等组成。1功能电机控制系统的功能是根据用户的需求，对电机进行控制，实现电机的各种控制目标，例如：-转速控制-转矩控制-位置控制-角度控制-效率优化-安全保护2电机控制系统的组成电机控制系统的分类分类特点应用领域开环控制控制信号直接作用于电机，不考虑电机运行时的实际情况。应用于对精度要求不高的场合，例如：家用电器、简单的工业设备。闭环控制通过反馈系统将电机运行时的实际情况反馈给控制器，根据反馈信号进行调整控制。应用于对精度要求高的场合，例如：数控机床、机器人、航空航天领域。电机拖动的基本概念定义电机拖动是指利用电机驱动工作机械，实现各种机械运动的系统，它通常由电机、传动机构、工作机械等组成。作用电机拖动的作用是将电能转换为机械能，驱动工作机械完成各种工作，例如：-工业生产：驱动生产设备-交通运输：驱动汽车、火车、飞机等-家用电器：提供动力应用电机拖动应用于各种领域，例如：-工业生产：矿山开采、石油化工、冶金、纺织、造纸等-交通运输：汽车、火车、飞机、船舶-家用电器：洗衣机、冰箱、空调、吸尘器等-其他领域：农业机械、建筑机械、医疗设备等电机拖动的分类1按电机类型分类根据电机类型，电机拖动可以分为异步电机拖动、同步电机拖动、直流电机拖动等。2按传动方式分类根据传动方式，电机拖动可以分为机械传动、液压传动、气动传动等。3按控制方式分类根据控制方式，电机拖动可以分为开环控制、闭环控制、智能控制等。4按应用领域分类根据应用领域，电机拖动可以分为工业电机拖动、家用电器电机拖动、交通运输电机拖动等。生产机械的运动规律匀速运动匀速运动是指物体在直线上以相同的速度运动，例如：输送带、卷绕机等。匀加速运动匀加速运动是指物体在直线上以恒定的加速度运动，例如：提升机、起重机等。变速运动变速运动是指物体在直线上以变化的速度运动，例如：机床、机器人等。往复运动往复运动是指物体在一条直线上做周期性的运动，例如：活塞式发动机、曲柄滑块机构等。电机拖动的起动过程加速阶段加速阶段是指电机从静止状态开始加速到额定转速的过程，电机需要克服工作机械的负载力矩和自身的惯性力矩。稳定阶段稳定阶段是指电机达到额定转速后，维持稳定运行的过程，电机需要克服工作机械的负载力矩。电机拖动的运行过程1负载变化电机拖动过程中，工作机械的负载力矩会发生变化，例如：物料的重量变化、加工工件的形状变化等。2转速控制为了适应负载力矩的变化，需要对电机进行转速控制，保证工作机械能够稳定运行。3效率优化在电机拖动过程中，需要考虑电机效率的优化，例如：选择合适的电机功率，减小机械损耗等。电机拖动的制动过程再生制动再生制动是指利用电机在减速过程中产生的能量来制动，可以将能量反馈到电源，提高效率。反接制动反接制动是指将电机绕组的相序反转，使电机反转，从而实现制动。电阻制动电阻制动是指在电机绕组中串联电阻，增加绕组的电阻，从而实现制动。摩擦制动摩擦制动是指利用摩擦力来制动，例如：刹车系统。电机拖动的动态性能起动时间起动时间是指电机从静止状态开始加速到额定转速所需的时间，它反映了电机起动速度的快慢。加速时间加速时间是指电机从静止状态开始加速到某一特定转速所需的时间，它反映了电机加速性能的快慢。制动时间制动时间是指电机从额定转速减速到静止状态所需的时间，它反映了电机制动性能的快慢。调节时间调节时间是指电机在负载变化后，转速恢复到稳定状态所需的时间，它反映了电机调节性能的快慢。电机拖动的节能措施提高电机效率选择高效率的电机，并定期维护电机，减少电机运行时的损耗。负载匹配选择合适的电机功率，避免电机长期处于过载或欠载状态，提高电机运行效率。采用变频调速变频调速可以根据负载的变化，自动调节电机转速，提高电机运行效率，降低能耗。采用节能控制技术采用智能控制技术，对电机进行优化控制，减少能源消耗，提高电机运行效率。电机拖动的故障诊断外观检查观察电机的外观，检查电机是否过热、有异响、有异味等，初步判断故障类型。参数测试使用仪器对电机进行参数测试，例如：电压、电流、频率、转速等，判断电机是否正常运行。振动分析使用振动分析仪对电机进行振动测试，判断电机是否存在机械故障，例如：轴承损坏、转子不平衡等。红外测温使用红外测温仪对电机进行测温，判断电机是否过热，及时采取措施防止电机烧毁。电机拖动系统的设计电机拖动系统的选择1确定负载参数首先要确定工作机械的负载参数，例如：负载力矩、转速、运行时间等。2选择电机类型根据负载参数和控制要求，选择合适的电机类型，例如：异步电机、同步电机、直流电机等。3选择控制系统根据控制要求，选择合适的控制系统，例如：开环控制、闭环控制、智能控制等。4选择传动机构根据负载参数和控制要求，选择合适的传动机构，例如：机械传动、液压传动、气动传动等。电机拖动系统的计算电机功率计算根据负载参数和电机效率，计算所需电机功率。传动比计算根据电机转速和工作机械所需转速，计算传动比。控制参数计算根据控制要求，计算控制系统的参数，例如：控制器的增益、反馈系数等。电机拖动系统的调试空载调试在空载状态下，对电机进行调试，检查电机运行是否正常，参数是否符合要求。负载调试在负载状态下，对电机进行调试，检查电机运行是否稳定，参数是否符合要求。安全测试进行安全测试，确保电机拖动系统安全可靠。电机拖动系统的维护1定期检查定期对电机拖动系统进行检查，例如：检查电机的外观、温度、声音、振动等，及时发现问题。2清洁保养定期对电机拖动系统进行清洁保养，例如：清洁电机表面、润滑轴承等，延长电机使用寿命。3故障排除如果电机拖动系统出现故障，及时进行故障排除，避免故障扩大，影响生产。电力电子技术在电机拖动中的应用1变频调速变频调速是利用电力电子技术，通过改变电机电源频率来控制电机转速，实现无级调速。2直流调速直流调速是利用电力电子技术，通过改变电机电枢电压来控制电机转速。3脉冲宽度调速脉冲宽度调速是利用电力电子技术，通过改变脉冲宽度来控制电机电压，实现无级调速。变频调速的原理与应用工作原理变频调速是利用电力电子技术，将工频电源变换为可调频率的电源，从而改变电机的同步转速，实现无级调速。变频器通常由整流、滤波、逆变等模块组成，通过控制逆变模块输出的频率，实现对电机转速的控制。应用领域变频调速技术广泛应用于各种需要无级调速的场合，例如：-工业生产：用于控制各种机械设备的转速。-交通运输：用于控制电气火车、地铁的运行速度。直流调速的原理与应用工作原理直流调速是利用电力电子技术，通过改变直流电机的电枢电压来控制电机转速，直流调速系统通常由整流器、控制器、电机等组成。通过控制整流器输出的直流电压，实现对电机转速的控制。应用领域直流调速技术主要应用于需要高精度控制的场合，例如：-电动机车：用于控制电动机车的运行速度。电机智能化控制技术1模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，它可以有效地处理非线性、不确定性、多输入多输出的控制问题。2神经网络控制神经网络控制是一种利用神经网络来模拟人脑的学习能力，实现对电机进行智能控制的控制方法。3专家系统控制专家系统控制是将专家的知识和经验融入到控制系统中，实现对电机进行智能控制的控制方法。模糊控制在电机拖动中的应用1转速控制模糊控制可以根据电机运行时的实际情况，自动调整控制参数，实现对电机转速的精确控制。2转矩控制模糊控制可以根据负载力矩的变化，自动调整控制参数，实现对电机转矩的精确控制。3位置控制模糊控制可以根据电机运行时的实际位置，自动调整控制参数，实现对电机位置的精确控制。神经网络在电机拖动中的应用转速控制神经网络可以根据电机运行时的实际情况，学习电机模型，实现对电机转速的精确控制。转矩控制神经网络可