电机及拖动基础

电机及拖动基础电机及拖动基础n 绪言绪言n第一章第一章 磁路磁路n第二章第二章 直流电机直流电机n第三章第三章 变压器变压器n第四章第四章 异步电机异步电机（一）（一）-三相异步电动机的基三相异步电动机的基本原理本原理n第五章第五章 异步电机异步电机（一）（一）-三相异步电动机的运三相异步电动机的运行原理及单相异步电动机行原理及单相异步电动机n第八章电力拖动系统的动力学基础第八章电力拖动系统的动力学基础n第十章第十章 三相异步电机三相异步电机的机械特性及各种运行状的机械特性及各种运行状态态n第十一章第十一章 三相异步电机三相异步电机的启动及启动设备的计的启动及启动设备的计算算n第十二章第十二章 三相异步电机三相异步电机的调速的调速n第十三章第十三章 多电动机拖动系统多电动机拖动系统n第十四章第十四章 电力拖动系统的电动机的选择电力拖动系统的电动机的选择第九章第九章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动绪绪 言言一、电机及电力拖动技术的发展概况 20世纪30年代：电动机-发电机组 20世纪40-50年代：串级及离子变频的交流调速系统。无换向器电动机。晶闸管及电子开关的出现为交流调速提供广阔前途 a。工业生产 b。电力工业 c。家电 d。控制系统n二、本课程性质及其特点：n1、基本概念多n2、电磁力关系复杂（电流、电压、磁场、力矩关系）n3、该课程以大学物理和电路理论为基础 三、本课程学习内容：掌握：变压器、直流电机、异步电机、1）工作原理2）电磁力分析 3）特性及应用了解单相电动机，同步机，控制电动机。四、电机的作用与功能：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U2交流电能第一章 磁路n第一节 磁路的基本定义n磁场是实现:电能机械能;机械能电能;电能电能.转换的耦合介质,所以其强度的大小和分布决定了电动机的性能,也代表了电动机的性能.由于铁磁材料和气隙的并存难用麦克斯韦尔方程求解.所以常把磁场问题简化为磁路问题处理.n一.磁场的几个常用量:1.磁感应强度B 电流 磁场:磁场的强弱及方向用磁感应强度B表示,它为矢量.磁场中各点的磁感应用闭合的磁感应矢量线表示,方向和电流满足右螺旋定理.B.的单位T(特拉斯),即 (韦伯/米平方)2.磁通 :磁感应强度B与垂直于磁场的面积 的乘积。叫磁通量，简称磁通 。一般情况定义为：由于 所以磁感应强度B也叫磁通磁密，简称磁密。的单位二 磁路的概念3.磁场强度H磁场强度H是计算磁场时的一个物理量。为矢量。称为导磁率。真空中的导磁率H的单位为将磁路和电路比较：磁路的路径可以是铁磁材料也可以是非铁磁材料 图1-1是在电机和变压器中常见的两种磁路形式主磁通漏磁通主磁通漏磁通a)变压器磁路b)两极直流电机三 磁路的基本定律n1.安培环路定律：延任何闭环回线 ，磁场强度 的线积分值 等于该闭环回线 所包围的总电流 （代数和）对于图12 有图12 安培环路定律如延任何闭环回线 ，磁场强度 处处相等（均匀磁场），且闭环回线所包围的总电流由通有电流 的 匝提供，则本定理可以写成2。磁路的欧姆定律图1-3是等截面无分支铁心磁路图1-3无分支铁心磁路图1-3无分支铁心磁路，铁心上有N匝励磁线圈，通有i；铁心截面为A ；磁路长度为 ，为材料的导磁率。不计漏磁通，认为磁密均匀且垂直于各截面，则磁通量 将：安匝数，称为磁动势（简称磁势）单位A磁导例题1-1n有一闭合铁心磁路，磁路平均长度 ，铁心的导磁率 （注意它仅仅是一点，就是导磁率使得磁路不是线性的），套在铁心上的励磁绕组500匝。求铁心产生1（T）的磁通密度，需要多少磁动势和励磁电流n解：n用安培环路定律n 磁场强度：n 磁动势：n 励磁电流：3。磁路的基尔霍夫定律（1）磁路的基尔霍夫第一定律NA图14 磁路的基尔霍夫第一定律当铁心带有分支而不是简单回路，如图在铁心柱上加有磁势时，磁通的路径图中虚线所示。在闭合面中A中，串入和流出的总磁通等于零。（2）磁路的基尔霍夫第二定律图1-5磁路的基尔霍夫第二定律磁路和电路的类比和区别：n1）电路中有电流就有功率损耗 ；直流磁路中有磁通但铁心中没有损耗n2）电路中的电流全部在导线中流通；磁路中磁通没有绝磁体，磁通在除铁心中在周围空气中也有漏磁通。n3）电路中的电阻在一定的温度下不变；磁路中导磁率 却不是常值，随铁心的饱和程度变化n4）线性电路中满足叠加原理；而铁心中不能用叠加原理第二节 常用的铁磁材料及其特性n铁磁物质：铁，镍，钴等激起它们的合金。放入磁场中，磁场将明显增强，这种现象叫磁化。关键是磁畴。见图1-6n图1-6na)为磁化;b)磁化由于铁磁材料产生的磁场比非铁磁材料强的多,所以其导磁率 大得多.电动机中常用的铁磁材料的导磁率一.铁磁物质的磁化 二.磁化曲线和磁滞回线 n 非铁磁材料中,磁密B 和磁场强度H 之间为线性关系.铁磁材料磁密 B和磁场强度H之间为非线性关系.见图1-7见图1-7 铁磁材料的起始磁化曲线和 曲线B0Habcd各种电机和变压器的主磁路中,为获得较大的磁通量,又不过分增加磁势,一般是选择在b点(也叫膝点)1.磁化曲线n将铁磁材料进行周期性磁化,和 之间的变化关系叫磁滞回线,见图1-8 2.磁滞回线 n图1-8铁磁材料磁滞回线 BHfOcabde磁滞:这种 落后于 的现象叫-磁滞回线:呈现磁滞现象的回线叫-剩余磁通密度(剩磁)矫顽力n对于同一的铁磁材料选则不同的磁场强度进行反复磁化时,可得到不同的磁滞回线,见图1-9,将各个定点连接起来,所得的曲线叫基本磁化曲线3.基本磁化曲线 n图1-8铁磁材料磁滞回线 BHO三.铁磁材料n1.软磁材料 回线窄,剩磁和矫顽小的材料.电工硅钢片,铸铁,铸钢等n2.硬磁材料 回线宽,剩磁和矫顽大的材料.铝,镍,钴等.做永久磁铁n图1-11硬磁材料 BHOBn图1-11软磁材料HO四.铁心损耗1。磁滞损耗：铁心材料在交变的磁化，磁畴反复摩擦消耗能量变成热量，造成的损耗叫-2。涡流损耗：铁心导电，交变得磁密将产生感应电动势引起环流，在铁心中引起涡流损耗。如图1-12频率 f 铁心面积V 磁滞回线面积磁滞回线常数 ，材料决定。电工用钢片n=1.62.3,为使回线面积小所以采用片叠成图1-12硅钢片中的涡流3。铁心损耗n磁滞损耗与涡流损耗之和叫铁心损耗一般电工钢片,正常的工作点的磁通密度 铁心损耗可以近似写成:铁心损耗系数 铁心重量第三节 直流磁路的计算n1,给定磁通量 求 励磁磁动势(叫正问题)n2励磁磁动势 求 磁通量(叫反问题)试探法，（不讲）对于正问题，步骤如下：1）将磁路材料按性质和不同的截面尺寸分段2）计算各段有效面积 和平均长度 3）计算各段的平均磁通密度4）根据 求出对应的磁场强度 对于铁磁材料，可以从磁化曲线上查出，空气可以直接用 算出5）计算各段磁路的此压降 最后求出产生给定磁通量时所需的磁动势一，简单串联磁路n不计漏磁影响，一个磁路无分支。各处材料不同，磁通密度不同。但磁通量是相同的。如图1-13图1-13简单串联磁路a)串联磁路123456b)模拟电路图例1-2 铁心材料由铸钢和空气构成，铁心截面 ，磁路平均长度 ，气隙长度 ，求，该磁通量为:时所需的磁动势。考虑气隙边缘效应，计算时，气隙有效面积长和宽各增加一个 值。解 铁心内的磁通密度：n由图1-10中的铸钢磁化曲线查得，与 对应的空气气隙内的磁通密度气隙磁场强度：气隙磁压降：励磁磁动势：铁心段的磁压降：简单并联磁路指考虑漏磁影响。或磁路有两个支路以上。电机和变压器的磁路属于这一类。例1-3。如图1-14简单并联磁路。铁心采用DR530硅钢片，铁心柱和铁轭的桔面积为：，磁路段平均长度 ，气隙长度 励磁线圈匝数 。不计漏磁通，求在气隙中产生 的磁通密度时，所需的励磁电流i二，简单并联磁路如图1-14简单并联磁路解:由于磁路是并联对称,只需计算其中一个磁回路即可根据磁路基尔霍夫第一定律.得根据磁路基尔霍夫第二定律.得由图1-14知,中间铁心段的磁路长度均为:左右两端铁心段的磁路长度均为:(1)气隙磁压降(2)中间铁心段的磁压降由图1-10中DR530的磁化曲线查得，与 对应的 则中间铁心段的磁压降(3)左右两端铁心段的磁压降的磁通密度为:(4)总的磁动势和励磁电流为第四节 交流磁路的特点铁心线圈中通以直流电流来励磁:分析简单.励磁电流恒定.线圈中无感应电动势,电流大小取决于线圈电阻本身.功率损耗只有铁心线圈中通以交流电流来励磁:分析复杂.励磁电流交变.线圈中有感应电动势,电流,电压及功率损耗分析和直流有所不同.但瞬时和直流磁路是一样的,可以遵循基本磁化曲线.磁通量和磁密用交流的瞬时值表示,磁动势和磁场强度用有效值表示.由图1-10中DR530的磁化曲线查得，则左右两边铁心段的磁压降交变的磁通除了会在铁心中引起损耗之外,还有两个效应:1)磁通量虽时间变化,在线圈中感应电动势,2)磁饱和现象会导致电流,磁通量和电动势波形的畸变小结1）复习了磁路的有关常用量：2）磁化的过程和基本磁化曲线3）欧姆，基尔霍夫1，2定律：4）电路和磁路的类比5）电机磁路的计算正问题