顾绳谷电机及其拖动基础讲义
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合肥工业大学顾绳谷《电机及其拖动基础》第九章ppt讲义
机电系
电枢反应对机 械特性的影响
2
二、固有机械特性与人为机械特性
当他励电动机电压及磁通均为额定值时， 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时 的机械特性称为固有机械特性。 的机械特性称为固有机械特性。 UN Ra n= − T 2 CeΦ N CeCTΦ N （一）电枢串联电阻时的人为机械特性
CT = 9.55Ce
n = n0 − βT
理想空载转速
U n0 = CeΦ
R T 2 0 CeCTΦ
他励直流电动 机的机械特性
电动机实际空载转速
′ n0 = n0 −
电动机带负载后的转速降
R ∆n = T = βT 2 CeCTΦ
n0 − nN ∆nN % = ×100% nN
当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 产生去磁作用。磁通降低， 产生去磁作用。磁通降低，转速就要回 机械特性在负载大时呈上翘现象。 升，机械特性在负载大时呈上翘现象。
nst ——过渡过程开始时转速的起始值 过渡过程开始时转速的起始值
nz ——机械特性上负载转矩 Tz（或负载电流 I z ）对应的转速， 对应的转速， 机械特性上负载转矩
即过渡过程结束时电动机的稳定转速。 即过渡过程结束时电动机的稳定转速。 当起动转速为零时 n = nz (1 − e − t / TtM )
U = Ea + I a R = CeΦn + I a R
GD 2 dn T = Tz + = CTΦI a 375 dt
他励直流电动机 串固定电阻全压 起动
R = R a + RΩ
U − Ia R n= CeΦ
机电系
15
电枢反应对机 械特性的影响
2
二、固有机械特性与人为机械特性
当他励电动机电压及磁通均为额定值时， 当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时 的机械特性称为固有机械特性。 的机械特性称为固有机械特性。 UN Ra n= − T 2 CeΦ N CeCTΦ N （一）电枢串联电阻时的人为机械特性
CT = 9.55Ce
n = n0 − βT
理想空载转速
U n0 = CeΦ
R T 2 0 CeCTΦ
他励直流电动 机的机械特性
电动机实际空载转速
′ n0 = n0 −
电动机带负载后的转速降
R ∆n = T = βT 2 CeCTΦ
n0 − nN ∆nN % = ×100% nN
当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 当电枢电流较大时，由于饱和的影响， 产生去磁作用。磁通降低， 产生去磁作用。磁通降低，转速就要回 机械特性在负载大时呈上翘现象。 升，机械特性在负载大时呈上翘现象。
nst ——过渡过程开始时转速的起始值 过渡过程开始时转速的起始值
nz ——机械特性上负载转矩 Tz（或负载电流 I z ）对应的转速， 对应的转速， 机械特性上负载转矩
即过渡过程结束时电动机的稳定转速。 即过渡过程结束时电动机的稳定转速。 当起动转速为零时 n = nz (1 − e − t / TtM )
U = Ea + I a R = CeΦn + I a R
GD 2 dn T = Tz + = CTΦI a 375 dt
他励直流电动机 串固定电阻全压 起动
R = R a + RΩ
U − Ia R n= CeΦ
机电系
15
《电机及拖动基础》(顾绳谷第4版)
《电机及拖动基础》教学大纲课程编号：161012 开课学期：4适用专业：自动化编写教师：陶曾杰学时：72 学分：4审核：杨斌文第一部分说明一、课程性质、作用本课程是自动化专业的一门专业基础课,为该专业的必修课。
它一方面研究电机与电力拖动系统的基本理论问题，另一方面又研究其学科实验与生产实际的内容。
本课程的作用是为培养自动化专业的人才打下必要的专业基础。
二、课程的任务与基本要求本课程的任务应使学生掌握常用交、直流电机、控制电机及变压器的基本结构与原理以及电力拖动的运行特性、分析计算、电机选择和实验方法，为学习《自动控制原理》、《电力电子技术》、《现代控制理论》、《运动控制系统》、《计算机控制系统》等课程准备必要的基础知识。
本课程的基本要求1、掌握常用交直流电机及变压器的基本理论(电磁关系能量转换关系等)。
2、掌握电动机的起动情况与分析电动机机械特性及各种运转状态(电动、回馈制动、反接制动,能耗制动)的基本理论。
3、掌握电力拖动系统中改变电动机参数调速的方法、基本原理和技术、经济指标。
4、理解电力拖动过渡过程的基本特性及主要分析方法。
5、掌握控制电机的工作原理、特性及用途6、掌握选择电动机的原理和方法。
7、掌握电机与电力拖动系统的基本实验方法与技能,并具备较强的应用能力。
8、了解电机及拖动今后的发展方向。
三、教学方法建议理论课教学要采用启发式，要同本地的生产实际相结合，要同自己的有关科研工作相结合，要与当前科技发展情况相结合。
讲授时要做到层次清楚，重点突出，语言精炼。
课堂上要开展问答式、讨论式互动形式。
实践教学要精讲多练。
每个实验只讲基本原理与注意事项，由学生自己动手完成实验接线、实验操作、实验测试与结果分析。
要强调通过作业巩固理论知识与通过实验掌握实际知识。
要培养学生的自学能力，给学生安排一定的自学内容，并通过考试加以检验。
四、本课程与其他课程的关系本课程的先修课程是《大学物理》、《电路理论》。
本课程内容中涉及到的课程有《电气控制技术》、《电力电子技术》、《自动控制原理》。
《电机及其拖动基础》顾绳谷-第14章
对于直流电动机，过载能力受换向所允许的最大电流值的限 1.5 ~ 2 制。Z型直流电动机，在额定磁通下，可选为 KT 对于专为起重机、轧钢机、冶金辅助机械等设计的ZZ型和ZZY型电 2.5 ~ 3 动机，以及同步电动机， KT 对于笼型异步电动机，有时还须进行起动能力的校验。
第一节 电动机的发热和冷却及电动机工作制的分类 一、电动机的发热过程
在计算出负载功率 PZ 后，选择额定功率 PN
PN ≥ PZ
P PN
m 40 C
m 0
(k 1) k
在周围环境温度不同时，电动机功率可粗略地相应增减。环境温度 低于30℃时，一般电动机功率也只增加8％。
环境温度 电动机功率增减 的百分数 30℃ ＋8％ 35℃ ＋5％ 40℃ 0 45℃ －5％ 50℃ －12.5％ 55℃ －25％
17
1 2 1 2 h a t 0 . 89 18 m 144.2m 11 3 a3 1 1 2 1 减速阶段罐笼行经高度 h3 a3t3 1 16 2 m 128m 2 2 稳定速度罐笼行经高度
有起、制动，停歇时 间的变化负载电流图
用直线段代替曲线 变化负载电流图
（四）等效法在非恒值变化 负载下的应用 如果非恒值变化负载如左 图的电流图所示
I dx
机电系
t
0
i2 dt dt
t
0
t
0
i2 dt
14
t
另一种较简便的方法是把变化曲线分成许多直线段，求出 各段的等效值，然后求出等效电流值。
7、导轮直径
d 2 5m
2 2 GD 584000 N m 8、导轮飞轮惯量 2
合肥工业大学顾绳谷《电机及其拖动基础》第五章ppt讲义
f2 = 60 = 60 ns = sf1
f2为转差频率，转子电流形成的转子磁 为转差频率，转子电流形成的转子磁 动势F 的旋转方向与F 的旋转方向相同， 动势 2的旋转方向与 1的旋转方向相同， 它相对于转子的转速为∆n， 它相对于转子的转速为 ，而相对于定 子的转速为∆n+n=ns 子的转速为
机电系 3
（二）磁动势平衡 转子磁动势F 与定子磁动势F 相对静止，得到合成磁动势F 转子磁动势 2与定子磁动势 1相对静止，得到合成磁动势 1+F2
& 负载时 F1 + F2 = Fm → Bm (Φ m )
& 空载时 F10 = Fm 0 → Bm 0 (Φ m 0 )
电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小， 电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不 多和电源电压相平衡。所以， 多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为
X2 X s = arctg 2 R2 / s R2
R2 上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的 在附加电阻 上产生的功耗， s 机械功率
（二）绕组归算 由转子磁动势不变
0.9 m1 N1kW 1 & m N k & ′ I 2 = 0.9 2 2 W 2 I 2 2 p 2 p
′ I2 =
1 I2 ki
励磁支路的电动势方程式
& & E1 = − I m Z m
机电系 13
几种异步电动机的典型运行情况 1、空载运行 、
s≈0
1− s ′ R2 → ∞ s
2、额度负载下运行 s N ≈ 0.05 、 转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。 转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。 3、起动时的情况 、
f2为转差频率，转子电流形成的转子磁 为转差频率，转子电流形成的转子磁 动势F 的旋转方向与F 的旋转方向相同， 动势 2的旋转方向与 1的旋转方向相同， 它相对于转子的转速为∆n， 它相对于转子的转速为 ，而相对于定 子的转速为∆n+n=ns 子的转速为
机电系 3
（二）磁动势平衡 转子磁动势F 与定子磁动势F 相对静止，得到合成磁动势F 转子磁动势 2与定子磁动势 1相对静止，得到合成磁动势 1+F2
& 负载时 F1 + F2 = Fm → Bm (Φ m )
& 空载时 F10 = Fm 0 → Bm 0 (Φ m 0 )
电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小， 电动机从空载到负载，定子绕组的感应电动势的变化很小，差不 多和电源电压相平衡。所以， 多和电源电压相平衡。所以，可以近似认为
X2 X s = arctg 2 R2 / s R2
R2 上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的 在附加电阻 上产生的功耗， s 机械功率
（二）绕组归算 由转子磁动势不变
0.9 m1 N1kW 1 & m N k & ′ I 2 = 0.9 2 2 W 2 I 2 2 p 2 p
′ I2 =
1 I2 ki
励磁支路的电动势方程式
& & E1 = − I m Z m
机电系 13
几种异步电动机的典型运行情况 1、空载运行 、
s≈0
1− s ′ R2 → ∞ s
2、额度负载下运行 s N ≈ 0.05 、 转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。 转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。 3、起动时的情况 、
电机及拖动基础9
Ia = Isc ( e 1
电磁时间常数
t
Tta
பைடு நூலகம்
)
T ta
L a = R a
§9－3 他励直流电动机的制动
电动机制动运行状态时电动机的转矩与转速方向相 反，电动机吸收机械能并转化为电能。 自由停车：断开电动机的电源，拖动系统自己停车。 但生产中常需要加快电动机的停车过程，提高生产 效率。故必须对电动机采取一定的制动措施。 他励直流电动机的制动措施主要有三种： 1、能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。 2、反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。 3、回馈制动：将由机械能转化的电能回馈给电网。
GD2 dn T = Tz + 375 dt
GD2 (Ra + Rz ) dn Tz (Ra + Rz ) n= 2 375CeCT Φ dt CeCT Φ2
Tz (Ra + Rz ) T = Tz时，n = nz , 则nz = CeCT Φ2
GD2 (Ra + Rz ) 令 TtM = ： 375CeCT Φ2
为了限制起动电流，常采用降低电枢电压起动： 1）、对于电源可调的：起动时降低电源电压，随 着转速升高，电源电压也升高。保证电流在允 许范围内。 2）、电枢串电阻起动。起动时在电枢中串接电阻， 随转速的升高，分级切除电阻，保证电流在允 许范围内。
电枢串电阻分级起动过程：
n
3
h 起动时，串接所有外
2 1
TN = CT ΦN I N = 9.55CeΦN I N
四、电力拖动稳定运行的条件
n
A
1、必要条件：电动机的 机械特性与负载转矩特性 有交点 2、充分条件：干扰消除 后，拖动系统必须有能力 使转速恢复到原来的稳定 点 在交点所对应的转速之 上保证T<Tz,,在交点所对 应的转速之下保证T>Tz
电机及拖动基础(第四版)顾绳谷-最经典课件
电磁转矩也可以表示为 Te Gaf I f Ia 其中Gaf=CT Kf
31
第六节 直流电机的运行原理
一、直流电机的基本方程式
（一）电动势平衡方程式 若电机稳态运行，对于电动机
U a Gaf I f Ra Ia Ea Ra Ia
U f Rf I f
若电机稳态运行，对于发电机
P2 P1
100%
1
pFe
pmec
pCuf U (Ia
I
2 a
Ra
If )
2IaΔUc
34
（二）串励直流电动机的工作特性
电动势平衡方程式 U Ce n Ia (Ra Rfc )
电动势公式 Ea Ce n CaIan
转矩平衡方程式 Te T2 T0
Ea U IaRa 2ΔUc (750 2145 0.0161 2)V 713V
n n Ea 200 713 1 r / min 221r / min
Ea
717 0.9
37
三、直流发电机的工作特性
（一）空载运行 1 空载特性 当他励直流发电机被原动机拖 动，n=nN 时，励磁绕组端加上 励磁电压Uf ,调节励磁电流If0 , 得出空载特性曲线U0=f(I0)。
26
4个元件所产生的电枢磁动势波形
电枢反应后磁动势波形
1、有负载时气隙磁场发生了畸变 2、电枢反应呈现去磁作用
27
第五节 感应电动势和电磁转矩的计算
一、感应电动势的计算
直流电机无论作电动机运行，还是发 电机运行，电枢内部都感应产生电动势。
t
五异步电机电机及拖动基础版张晓江顾蝇谷主编教辅PPT课件
第五章 异步电机（二） ——三相异步电动机运行原理及
单相异步电动机 第一节 三相异步电动机运行时
的电磁过程
• 一、异步电动机负载时的物理情况
• 1、电磁变化过程
1
对称 三相 电源
三相 绕组
对称 三相 电流
转子 旋转
同步 旋转 磁动 势F1
电磁 转矩
旋转 气隙 主磁
场Bm
切割 定子 定子 电动 绕组 势
切割 转子 转子 电动 绕组 势
安培定 律
转子 对称 电流
2
• 2、空载运行
• ①定义：轴上没有任何负载 • ②物理状态：n≈ns, İ2≈0
• 3、负载运行
• ①物理状态：n↓<ns, I2增大。
• 负载→ n↓→Δn↑→Ė2s↑→İ2↑>0→F2
• ②气隙磁场：F2将影响气隙磁场
• 11.18 09 13 06:00
旋转时异步电 动机的电路
16
第二节 三相异步电动机的等效电路 及相量图
• 转子静止电动势与定子电动势的关系
E 2
j4.44 f1N2kW 2 m
j4.44 f1N1kW1 m
N2kW 2 N1kW 1
N2kW 2 N1kW 1
E1
5
• 2、F2转速的大小
n
p对极
ns-n
f2
ns “–”
f2
pns n
60
pns 60
ns n ns
sf1
• f2称为转差频率。
• 频率为f2的转子电流对称→转子磁动势F2旋转且与
F1方向相同，相对于转子的转速为Δn →相对于定 子的转速为Δn+n=ns • 结论： F2与F1在空间保持相对静止，无相对运动
单相异步电动机 第一节 三相异步电动机运行时
的电磁过程
• 一、异步电动机负载时的物理情况
• 1、电磁变化过程
1
对称 三相 电源
三相 绕组
对称 三相 电流
转子 旋转
同步 旋转 磁动 势F1
电磁 转矩
旋转 气隙 主磁
场Bm
切割 定子 定子 电动 绕组 势
切割 转子 转子 电动 绕组 势
安培定 律
转子 对称 电流
2
• 2、空载运行
• ①定义：轴上没有任何负载 • ②物理状态：n≈ns, İ2≈0
• 3、负载运行
• ①物理状态：n↓<ns, I2增大。
• 负载→ n↓→Δn↑→Ė2s↑→İ2↑>0→F2
• ②气隙磁场：F2将影响气隙磁场
• 11.18 09 13 06:00
旋转时异步电 动机的电路
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第二节 三相异步电动机的等效电路 及相量图
• 转子静止电动势与定子电动势的关系
E 2
j4.44 f1N2kW 2 m
j4.44 f1N1kW1 m
N2kW 2 N1kW 1
N2kW 2 N1kW 1
E1
5
• 2、F2转速的大小
n
p对极
ns-n
f2
ns “–”
f2
pns n
60
pns 60
ns n ns
sf1
• f2称为转差频率。
• 频率为f2的转子电流对称→转子磁动势F2旋转且与
F1方向相同，相对于转子的转速为Δn →相对于定 子的转速为Δn+n=ns • 结论： F2与F1在空间保持相对静止，无相对运动
顾绳谷电机及拖动基础第四版课件完整
对交流电机的各个组成部分进行了详细的描述，如定子、转子等 。
交流电机的控制
讨论了交流电机的启动、调速和制动的方法和控制策略。
同步电机
同步电机的基本原理
解释了同步电机的工作原理，包括磁场、电流和电压的同步关系 。
同步电机的结构
对同步电机的各个组成部分进行了详细的描述，如定子、转子、励 磁系统等。
同步电机的应用
介绍了同步电机在电力系统、工业驱动和风力发电等领域的应用。
异步电机
异步电机的基本原理
解释了异步电机的工作原理，包括磁场、电流和转矩的变 化。
异步电机的结构
对异步电机的各个组成部分进行了详细的描述，如定子、 转子、绕组等。
异步电机的控制
讨论了异步电机的启动、调速和制动的方法和控制策略。
03
电力拖动基础
测速发电机广泛应用于各种工业自动化 设备、发动机控制系统等领域，是实现 高精度转速测量和控制的关键设备之一
。
自整角机
自整角机是一种将输入的电信号转换为机械旋转角度的装置，常用于角度位置的测量和控制 。
自整角机通常采用三相交流电机作为驱动元件，通过控制电机的相位和电压来调节电机的旋 转角度，并将旋转角度转换为电信号输出。
交流电动机的启动
通过使用启动设备和控制技术来实现流电动机 的启动。
交流电动机的调速
通过改变电源频率、改变转差率或改变磁极对数 来实现交流电动机的调速。
交流电动机的制动
通过使用制动设备和控制技术来实现交流电动机 的制动。
电力拖动系统的稳定性
01
电力拖动系统的稳定性概念
指系统在受到扰动后，能够恢复到原来的平衡状态或达到新的平衡状态
控制电机在工业自动化、机器人、数 控机床等领域应用广泛，是实现高精 度、高效率、高可靠性运动控制的关 键设备之一。
交流电机的控制
讨论了交流电机的启动、调速和制动的方法和控制策略。
同步电机
同步电机的基本原理
解释了同步电机的工作原理，包括磁场、电流和电压的同步关系 。
同步电机的结构
对同步电机的各个组成部分进行了详细的描述，如定子、转子、励 磁系统等。
同步电机的应用
介绍了同步电机在电力系统、工业驱动和风力发电等领域的应用。
异步电机
异步电机的基本原理
解释了异步电机的工作原理，包括磁场、电流和转矩的变 化。
异步电机的结构
对异步电机的各个组成部分进行了详细的描述，如定子、 转子、绕组等。
异步电机的控制
讨论了异步电机的启动、调速和制动的方法和控制策略。
03
电力拖动基础
测速发电机广泛应用于各种工业自动化 设备、发动机控制系统等领域，是实现 高精度转速测量和控制的关键设备之一
。
自整角机
自整角机是一种将输入的电信号转换为机械旋转角度的装置，常用于角度位置的测量和控制 。
自整角机通常采用三相交流电机作为驱动元件，通过控制电机的相位和电压来调节电机的旋 转角度，并将旋转角度转换为电信号输出。
交流电动机的启动
通过使用启动设备和控制技术来实现流电动机 的启动。
交流电动机的调速
通过改变电源频率、改变转差率或改变磁极对数 来实现交流电动机的调速。
交流电动机的制动
通过使用制动设备和控制技术来实现交流电动机 的制动。
电力拖动系统的稳定性
01
电力拖动系统的稳定性概念
指系统在受到扰动后，能够恢复到原来的平衡状态或达到新的平衡状态
控制电机在工业自动化、机器人、数 控机床等领域应用广泛，是实现高精 度、高效率、高可靠性运动控制的关 键设备之一。
电机及拖动基础-顾绳谷(第四版)课件
05 电机拖动系统的稳定性与 控制性能
电机拖动系统的稳定性分析
稳定性定义
电机拖动系统在受到扰动 后能够恢复到原始平衡状 态的能力。
稳定性判据
根据系统动态方程的极点 位置判断稳定性，极点位 于复平面的左半部分则系 统稳定。
稳定性分析方法
时域分析法、频域分析法、 根轨迹法等。
电机拖动系统的控制性能
04 交流电机及拖动系统
交流电机的原理与结构
交流电机的原理
交流电机是利用电磁感应原理，将交流电能转换为机械能的电机。根据工作原 理的不同，交流电机可分为异步电机和同步电机两大类。
交流电机的结构
交流电机的结构主要包括定子和转子两部分。定子主要由铁芯和绕组组成，用 于产生磁场；转子主要由铁芯和转子绕组组成，用于产生感应电动势和电流。
电机及拖动系统的故障诊断技术
观察法Leabharlann 01通过观察电机的外观、听电机的声音、摸电机的温度等方式，
初步判断电机是否存在故障。
仪表检测法
02
使用各种检测仪器和工具，如万用表、示波器等，对电机的电
气参数进行检测，以确定故障的具体原因。
故障树分析法
03
通过建立故障树模型，对可能引起故障的各种因素进行分析和
排查，定位故障原因。
交流电机的运行特性
交流电机的运行特性主要包括电磁转矩、转速、功率等。这些特性与电机的工作 电压、电流、频率等因素有关，可以通过实验和计算得到。
交流电机的电磁转矩是电机旋转的驱动力，其大小与电流、磁通量等因素有关。 转速与电机的工作电压、电流、磁通量等因素有关，可以通过调节这些参数来改 变转速。
交流电机的控制与调速
06 电机及拖动系统的维护与 故障诊断
合肥工业大学顾绳谷《电机及其拖动基础》第十一章ppt讲义模板
带感应圈的频 敏变阻器结构
第二节 改善起动性能的三相异步电动机
一、深槽异步电动机 转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率 f 2仅
为1～3Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条 电阻变为较小的直流电阻
双笼异步电动
二、双笼型异步电动机 机的机械特性
这种异步电动机的转子上有两套导条，如图 11-13a所示的上笼与下笼，两笼间由狭长的 缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜 或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较 大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小 的材料制成，故电阻较小。
令
TMA
GD2ns 375Tmax
t0
t dt TMA
0
2
sx sst
s sm
sm s
ds
t0
TMA 2
ss2t sx2 2sm
sm
ln
sst sx
空载起动时间
t0st
TMA 2
12
0.052 2sm
sm
ln
1 0.05
TMA
1 4sm
1.5sm
求 t0 最短时的 sm0 ，令 dt0 / dsm 0，得
一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动。如
果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动
机也可允许直接起动。
KI
I1st I1N
≤
1 4
3
电源总容量kV A 起动电动机容量kV A
如果不能满足要求，则必须采用减压起动的方法 。 （二）减压起动 1．电阻减压或电抗减压起动
在空载起动时 sm0st 0.407
[例11-4] 某机床的主拖动电 动机为双速电动机，其技术数 据见表。控制线路设计为：起 动分两级，第一级为自加速到 接近1500r/min，电动机定子绕 组接成三角形联结；第二级为 自1500r/min左右加速到近 3000r/min，定子绕组换接成双 星形（YY）联结。