电机与拖动教案（定稿）_电机与拖动基础教案
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电机概述
电机的定义
电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为电动机。将机械能转换为电能的电机称为发电机；将机械能转换为电能的电机称为发电机。
工作原理
电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。
构造的一般原则
用适当的导磁和导电材料构成能互相进行电磁感应的电路和磁路，以产生电磁功率和电磁转矩，达到能量转换的目的。
电机分类
旋转电机：动力电机：交流电机
感应电机：感应发电机
感应电动机
同步电机：同步电动机
同步发电机
同步补偿机
直流电机
直流发电机
直流电动机
微特电机：伺服电动机、步进电动机、测速发电机
变压器：电力变压器
升压变压器、降压变压器
特种变压器
自耦、三绕组、互感器
第一章 直流电机
直流电机优缺点：
优点：启动性能和调速性能好，过载能力大。
缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差
直流电机发展形势
随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继续发挥作用
一、直流电机的工作原理
直流发电机的工作原理：简单分析
一台电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是外界的条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作
为直流电源，可输送电能，电动机将机械能变换成电能而成为发电机；如在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入，电机即可拖动生产机械，将电能变换成机械能而成为电动机。一台电机，即可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这是直流电机的可逆原理
二、直流电机的结构
由两个主要部分组成：静止部分（称为定子），主要用来产生磁场
转动部分（称为转子）是机电能量转换的枢纽
在定转子之间，有一定的气隙称为气隙
三、直流电机的铭牌：额定值
四、直流电机的磁场
1、直流电机的空载磁场
2、直流电机负载时的磁场及电枢反应
3、直流电机的换向
五、直流电机的感应电势和电磁转矩
1、感应电势 Ea=Ce Φn 电机的电枢电动势Ea与每级磁通Φ成正比，与电枢转速n成正比
2、电磁转矩 T=CTΦIa
电磁转矩与每级磁通和电枢电流的乘积成正比
六、直流电机的工作特性
1、电压平衡方程式
2、转矩平衡方程式
3、功率平衡方程式
第二章、直流电动机的电力拖动
一、电力拖动系统的运动方程 T-TL=GD2/375 dn/dt 可确定系统的状态
方程式中各量正负号确定的规则
二、生产机械的负载转矩特性 恒转矩负载特性 ：TL的大小不变 恒功率负载特性： TL与转速n成反比
风机泵类负载特性： TL与转速的平方成正比
三、他励直流电动机的机械特性
1、机械特性的一般表达式
2、固有机械特性
条件：当U=UN，Φ=ΦN, R=0时的机械特性
特点：硬特性
3、人为机械特性
电枢串电阻的人为特性
特点：1）n0不变
2）β变大，稳定性能变差 降低电压的人为特性
特点：1）n0与电源电压成正比
2）β不变 弱磁的人为特性
特点：1）n0变大
2）β变大
四、他励直流电动机的启动
电动机的启动要求：启动转矩足够大
启动电流不可太大
他励直流电动机的启动主要是设法减小启动电流
电动机的启动方式分为直接启动、降压启动、电枢回路串电阻启动 直流电动机一般不能直接启动
他励直流电动机的启动方法有电枢串电阻启动和降低电压启动
五、他励直流电动机的调速
1、调速的基本概念
2、调速指标
3、他励直流电动机的调速方法
1）电枢串电阻调速
特点：向下调速，有级调速，稳定性能变差，损耗大
2）降低电枢电压调速
特点：向下调速、无级调速，稳定性能不变，效率高
3）弱磁调速
特点：向上调速，有级调速，稳定性能变差，损耗大，受换向限制
六、他励直流电动机的制动
制动的特征是电磁转矩T与转速n的方向相反 制动的作用：
1、减速
2、匀速下放重物
他励直流电动机的制动方法有：能耗制动、反接制动、回馈制动
第三章 变压器
一、变压器的构造
变压器是一种利用电磁感应工作的静止的装置，其主要功能是将交变电压变为同一频率的另一种或几种交流电压。
1、铁芯：提供磁路
1）铁芯结构：分为心式结构和壳式结构两种
2）叠片形式：硅钢片裁成条状，采用交错叠片的方式叠装而成，接缝互相错开，为了减小气隙和磁阻
2、绕组：建立磁场
按高低压绕组在铁芯上放置方式的不同，绕组有同心式和交叠式
按电压高低分为一次绕组，二次绕组
3、附件
油箱：散热，绝缘，保护铁芯和绕组不受外力和潮气侵蚀 油枕：储油，减少油箱内油和空气的接触 气体继电器：瓦斯保护 绝缘套管：引出线 分接开关：调整变压比
二、变压器的基本工作原理
1、相关名称：
一次绕组，匝数N1：二次绕组，匝数N22、工作条件： 一次侧要加交变电压
3、磁场分布：
主磁通：大部分经过磁阻很小的铁芯闭合，与一次，二次绕组同时交链
漏磁通
很少一部分磁通经过磁阻很大的油或空气闭合4、工作原理：
一次绕组通电，产生变化磁通，交链到二次侧，在二次侧感应出电势
4、特点：
A、变压器只能传递交流电能，而不能产生电能； B、它只能改变交流电压或电流的大小，不改变频率； C、而在传递过程中几乎不改变电压和电流大小的乘积（功率）
三、变压器的铭牌数据
四、变压器的运行原理
1、变压器的空载运行
空载运行时的物理情况
（1）二次侧空载，所以I2=0，U2=E2
（2）一次侧电流I0叫空载电流（或励磁电流）
（3）输出功率P2=0，所以输入功率P1几乎为0，P1=U1*I0,所以I0很小
空载运行时的电磁关系和平衡方程 磁场由励磁电流I0建立 经推导得 E1=4.44N1fΦm
E2=4.44N2fΦm 所以E1/E2=N1/N2=K（匝数比）
因为空载电流很小，所以I0Z1比E1小的多，数值上近似为 U1=E1 二次：U2=E2 所以
U1/U2=E1/E2=N1/N2=K
2、变压器的负载运行 一次侧：
U1=-E1+I1Z1 二次侧：
U2=E2+I2Z2
负载上的电压： U2=ILZL
3、变压器参数的测定（1）空载试验
试验目的： 测定空载电流I0，空载损耗（铁损）P0，计算励磁阻抗，变压比K 试验方法： 将低压侧绕组接额定电源，高压侧开路 计算变压器参数：
（2）短路试验
试验目的：测定短路阻抗ZK，铜损 试验方法： 计算变压器参数
五、变压器的运行特性
1、电压变化率
电压变化率： 反映二次侧端电压随负载变化的程度 电压变化率与三个因素有关： 变压器负载电流大小
负载的性质
变压器的阻抗参数
2、变压器的外特性
变压器的外特性：当一次侧端电压与功率因素均为常数，变压器二次侧绕组的端电压随负载电流的变化关系，即U2=f(I2)
3、变压器的效率和效率特性
变压器的效率：输出功率与输入功率之比的百分数
效率特性： 效率开始时随负载的增加而增加，在PCU=PFE时，效率最大，当负载过大时，效率开始下降六、三相变压器
1、三相变压器的磁路
三相变压器组
三相变压器组可以看成是由三个相同的单项变压器组成的磁路系统：若外加电压时三相对称的，则三相磁通一定是对称的电路系统：高低压绕组分离，高低压绕组按要求连接（如△/△, Y/y连接）
三相心式变压器 结构：
优点：用材量少，重量轻，价格便宜
缺点：任何一相发生故障时，整个变压器都要拆换，备用容量是三相变压器的三倍，因此适用于中、小容量的电力系统
2、变压器的联结组
绕组的标记和极性：
三相变压器的连接组：
时钟法
3、变压器的并联运行（1）为什么要并联运行？
检修时备用，增加供电的可靠性
负载变化时刻调整台数
并联可满足大容量变压器的需求（2）并联的基本要求是什么？
空载时每一台变压器二次电流都为0，与单独空载运行一样，个变压器间无环流
负载运行时各变压器分担的负载电流应与它们的容量成正比
各变压器电流同相位，保证承担电流最大
（4）并联条件的技术条件有哪些？
各变压器的电压比相等（防止形成环流）
各变压器的联结组别应相同
（防止相位不同形成环流）
各变压器的短路阻抗角相等
（保证承担电流最大）
短路电压相等（保证负载电流应与容量成正比）
七、特殊变压器
1、自耦变压器
基本关系：电压关系 U1/U2=K
电流关系 I1=I2/K
自耦变压器的功率
S2=U2I2=U1I1 特点：
一、二次共用一个绕组一、二次绕组既有磁耦合，又有电联系
二次功率部分通过磁耦合关系得到，一部分直接从电源得到
2、仪用互感器
电流互感器：
使用场合：测量大电流
基本结构：利用变压器原理，一次侧与被测电路串联，二次侧接安培表，相当于二次侧短路 注意几点：A为了降低被测电流，一次侧的匝数N1少，二次侧的匝数N2多
B二次侧电流决定于一次侧电流，因此可以短路，但绝不能开路。否则二次侧会产生很高的电压带来危险
C 二次侧绕组的一端和铁芯必须牢固接地，以免当互感器绝缘损坏时一次高压进入二次侧发生危险
电压互感器
使用场合：测量高电压
基本结构：利用变压器原理，一次侧与被测电路并联，二次侧接伏特表，相当于二次侧断路 注意事项：A 为了降低被测电压，一次侧的匝数N1多，二次侧的匝数N2少（相当于降压变压器）
B 二次侧绝不能短路
C二次侧绕组的一端和铁芯必须牢固接地，以保证安全
第四章 异步电动机一、三相异步电动机的工作原理
1、旋转磁场的产生
产生的条件：一是空间对称的三相定子绕组，二是通入三相对称电流
2、旋转磁场的转向
3、旋转磁场的转速
4、工作原理
异步电动机是通过载流的转子绕组在磁场中受力而使电动机旋转的，而转子绕组中的电流由电磁感应产生，并非外部输入，故异步电动机又叫感应电动机
5、转差率
转差率S是异步电动机运行时的一个基本变量，负载变化时，S随之改变。空载时，S《0.005，满载时，S《0.06 二、三相异步电动机的基本结构
1、三相异步电动机的结构
（1）定子
定子铁芯：嵌放绕组，提供磁路
定子绕组：产生旋转磁场
（2）转子
转子铁芯：嵌放绕组，提供磁路
转子绕组：感应出电势、电流
（笼型和绕线型）（3）机壳气隙等 三、三相异步电动机的铭牌数据
1、额定容量 PN(单位：千瓦)：指转轴上输出的机械功率
2、额定电压UN（单位：V）：加在定子绕组上的线电压
3、额定电流IN
（单位：A）：输入定子绕组的线电流
4、接线方式：定子绕组有Y和△两种接法四、三相异步电动机的定子绕组
1、定子绕组的基本知识2、3、定子绕组的磁势和电势 单相绕组的磁势
空间上：呈矩形波分布
时间上：矩形波的幅值随时间做正弦规律变化
其轴线在空间上保持固定位置的磁势----------脉振磁势 三相交流绕组的磁势 空间上：呈正弦波分布 性质：旋转磁势
绕组的电势
定子绕组电动势
E1=4.44N1F1Φm 转子绕组电动势
E2=4.44N2F2Φm
转子绕组电动势与切割速度，即相对转速成正比（频率与转差率正比）这一点与直流电动机不同 五、三相异步电动机的运行分析
（一）关系情况
1、空载
n≈n1, s很小，I2、E2s很小，定子I0产生磁势，称励磁电流或空载电流
2、负载
N
2、E2s较大，有P2输出
3、启动时
（n≈0）s最大，I2、E2s很大
所以负载通过转速变化影响电磁平衡关系
（二）电压平衡关系
1、方程
定子电压平衡方程式： U1=-E1+I0Z1≈-E1 代数式：U1=E1=4.44F1NIΦm 转子电压平衡方程式 F2=sf1 E2s=SE202、磁势 F1+F2=F0 说明：三相异步电动机带负载时定子绕组的磁势和转子磁势的合成等于励磁磁势
六、异步电动机的功率和转矩
1、功率平衡关系
2、转矩平衡关系（与直流电动机相同）
七、异步电动机参数的测定
第五章、三相异步电动机的电力拖动 作为机电设备和电器元件的使用者，内部原理你可以简单了解但其外特性你必须掌握，否则你将无法正确选择和使用这些设备和元件，三相电动机的机械特性和直流电机的定义是一致的，但是其特性方程和特性曲线有着较大的差别一、三相异步电动机的机械特性
（一）机械特性方程
1）物理表达式：T=CTΦmI2COSΦ2
(T是电磁作用的结果)2）参数表达式： 3）、工程表达式：
U1-----------外施电源电压 F1-----------电源频率
R1,X1-------电机定子绕组参数
（二）固有机械特性曲线
1、形状（根据工程表达式来说明）
AB段（S较大）：为双曲线，T与S成反比 BO段（S很小）：为执行，T与S成正比
2、启动点A，n=0.s=1 启动转矩倍数KT=TS/TN
一般取0.8～1.83、临界点B，s=sm，T=TM 过载能力λT=Tm/TN4、同步点C，n=n1，s=0，T=0
（三）人为机械特性
1、降低定子电压的人为机械特性
2、转子回路串接对称电阻时的人为机械特性 二、三相异步电动机的启动 启动电流大而启动转矩小，是普通三相异步电动机固有机械特性的一对矛盾 对鼠笼异步电动机而言，主要是用降低定子端电压的方法来限制启动电流；而对绕线式异步电动机而言，主要使用转子回路串电阻启动，既可以限制启动电流，又可以增大启动转矩 笼型异步电动机：
1、电网容量允许，应尽量采用全压启动，使启动转矩不受损失而能满载启动
2、电网容量不够大时，应采用减压启动，以减小启动电流。
方法有定子回路串电阻或电抗、采用自藕变压器、星-三角换接等减压启动
但减压启动后，启动转矩与电压平方成比例下降，一般适用于轻载启动 绕线式异步电动机：有转子串电阻和串频敏变阻器两种方法启动
启动时，启动电阻最大，限制了启动电流并增大了启动转矩，改善了启动性能三、三相异步电动机的调速
异步电动机有三种基本调速方法：
1、变电源频率f1调速
2、变定子磁极对数p调速
3、变转差率s调速 其中：变频调速是电力电子变流技术在电力拖动系统中的应用，代表现代交流调速技术的发展方向，可实现无级调速，适用于恒转矩和恒功率负载
变级调速是通过改变定子绕组接线方式来改变电机级数，从而实现电机转速的变化。变级调速属于有级调速
变转差率调速包括绕线式异步电动机的转子串电阻调速、串级调速和定子减压调速 四、三相异步电动机的制动
异步电动机的制动和他励直流电动机十分相似，在学习中应加以对照 异步电动机有三种制动方式：能耗制动、反接制动和回馈制动
