电机及驱动技术讲解

电机驱动及控制
一、课程的目的
课程要求
• 1、握直流电机以及交流三相电机的工作原理、特性以及 电机的选择应考虑的因素。
• 2、了解电机调速的基本知识。
• 本课程的主要内容包括：
– 直流电机
• 直流电机的原理与结构。
• 直流电机的机械特性。
• 直流电机的换向。
• 他励直流电机的制动与调速。
– 交流异步电机 • 三相异步电动机的基本工作原理。 • 异步电机的机械特性。 • 异步电机的启动、制动与调速。
In (A)
4、额定转速
nN (r/min)
5、励磁方式和额定励磁电流 IfN (A)
PN U N I NN
ηN—直流电动机的额定效率；为直流电动机额定运行时 输出机械功率与电源输入电功率的比。
电动机轴上输出的额定转矩T2N
T2 N
(N
•
m)
PN N
PN
2nN
9.55 PN (W ) nN (r / min)
60
9550 PN (kW) nN (r / min)
型号 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 标准编号 产品编号
直流电动机
Z2-92
励磁方式
30kW
励磁电压
220V
工作方式
160.5A
绝缘等级
750r/min 效 率
重量
出厂日期
xxxx电机厂
并励 220V 连续 B级 85% 685kg X年x月
外力使转子转动，则会在电枢上感应出电压，这时的电机就 成为发电机。
3、换向器（整流子）的作用是将外加的直流电转换为电动 机电枢所需的交流电，或是将发电机电枢绕组中的交流电 变为直流电输出。
4、电刷：外部给电枢施加的直流电压或电枢产生的电压， 通过整流子与电刷的接触进行传输。
5、换向极：用来改善换向特性，减少换向火花。
Ce—电动式常数 CT—转矩常数，取决于电机的结构 Ra—电枢内电阻，包括电刷接触电阻 ra—电枢绕组电阻
电压平衡 方程
转矩平 衡方程
Ce
pN 60a
CT
pN
2a
p（—极对数）
与电机结构有关
a（—绕组并联支路对数）
CT 9.55Ce
UIa (Ea Iara 2Ub )Ia Ea Ia Ia2ra 2Ub Ia P1 Pem pCua pb
Ea Cen Tem CT Ia
U
Cen
R
Tem CT
(R Ra Rad )
U
R
n Ce CeCT 2 Tem.................(2 6)
n0
n n0 Tem.......... .......... (2 7)
n0—理想空载转速
R CeCT 2
—机械特性的斜率
2.3 直流电动机的励磁方式
根据励磁方式的不同，直流电动机分为如下几种方式： a、他励直流电机 b、并励直流电机 c、串励直流电机 d、复励直流电机
2.4 直流电动机工作原理
+
i A
F n
φ N
a
d
φ
B
S
b i
ic
F
电动机模型
-
查看
注意 ：当电动机在电枢电流的作用下旋转时，其电枢线圈会 切割磁力线这一运动会在电枢中产生感生电动势，该电动势 产生的电流方向与外加电源的方向相反，对外加电流有抵消 作用，而且这一感生电动势与转速有关，与转速成正比。
n0不变
β变化
二、改变电枢电压的人为机械特性
Φ、R=Ra不变，而改变U
n
U Ce N
Ra CeCT
N
2
Tem
n0 n.......................................(.2 13)
n0变化 β不变 由于n0随着U的减小而减小，而β不变，形成一组平行直线。
UN>U1>U2>U3
f BlI
f—载流导体所受的电磁力 B—载流导体所在处的磁感应强度 l—载流导体在磁场中的有效长度 I—载流导体中流过的电流 电磁力的方向可由左手电动机定则确定
•二、变压器电动势
与线圈交链的磁通发生变化时，线圈中将感应出电动势，方向 可由楞次定律确定。
楞次定律：闭合导体回路中的感应电流，其流向总是企图使感 应电流自己激发的穿过回路面积的磁通量，能够抵消或补偿引 起感应电流的磁通量的增加或减少。
• 5、电机起动时n=0，此时电枢电流称为起动电流，转矩成 为起动转矩。此时的起动电流和起动转矩分别为：
Ia
UN Ra
Ist
T Ct N Ist Tst
若Δn=n0-n=0.05n0，则：
n Tem
Ra Ce N
IN
0.05 U N Ce
IN
0.05 U N Ra
0.05I st
因此，启动时有：
P1—电网输入功率 Pem—电磁功率 pCua—电枢铜损耗 pb—电刷接触损耗
Tem T2 T0
Pem P2 P0
P2—电机轴输出功率（轴功率）
∴P1=Pem+PCua+Pb=P2+P0+PCua+Pb P0包含铁损、机械损耗、其他损耗 故： P1=P2+Σp 效率可以表达为：
P2 1 p .......... .........( 113)
• 思考题
1、直流电动机和直流发电机在结构上是否相 同？
2、在什么条件下直流电动机可以作为直流发 电机使用？
3、直流电动机电枢中的电流是直流的还是交 流的？为什么？
2.2 直流电动机的铭牌数据
国家标注规定直流电动机的额定数据有：
1、额定容量（功率） Pn (kW)
2、额定电压
Un (V)
3、额定电流
n UN Ra Ce Ce
Ia........................(2 15)
n=0时，
Ia
UN Ra
Ik
UN Ra
图中，堵转电流与磁通Φ的大小无关，为：
而堵转I k转矩UR：Na
Tk CT I K
当转矩不大时Φ的减小可以导致转速提高；而当转矩较大时， Φ的减小会导致转速降低（此时处于过载状态）。
N
2
Tem..........
.......( 2 8)
固有机械特性的特点： • 1、电磁转矩Tem越大，转速越低。
• 2、当Tem=0时， n
此时：Ia=0, Ea=UN。
n0
U为N 理想空载转速。 Ce N
• 3、斜率β小，特性线较平，称为硬特性；β大，称为软
特性。
• 4、T=TN时，n=nN，转速差ΔnN=n0-nN=βTN，称为额定转 速差。一般 ΔnN=0.05n0
I st 20 I N ;Tst 20TN
2.6.3 他励直流电动机的人为机械特性 通过改变U、 Φ、Rad三个参数实现对机械特性的调整。 一、电枢中串入电阻时的人a+Rad
n UN Ce N
Ra Rad CeCT N 2
Tem
n0 n.......................................(.2 12)
P1
P2 p
2.6 他励直流电动机的机械特性
2.6.1 机械特性方程式 机械特性—在电枢电压，励磁电流，电枢总电阻均为常数的 条件下，电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。 即：n = f (Tem)
对电枢回路有：
U Ea (Ra Rad )Ia.......... .......... .(2 5)
– 电机的选择 • 电机的发热与冷却。 • 电机的容量选择 • 电机种类、类型、电压、转速选择。
二、参考书
1、电机驱动技术 王淑芳编 科学出版社
2、电机与电力拖动 朱耀忠主编
北京航空航天大学出版社
3、电机及拖动
许晓峰主编
高等教育出版社
本课程的考核形式及记分
• 考查 • 随堂测验 • 总成绩=0.6*考查成绩+0.4*平时成绩 • 平时成绩=0.4*课堂作业+0.3*考勤+0.3*实验；
为T（特斯拉）。
• 1.1.2 磁通量Φ • 简称磁通，指穿过某一截面S的磁感应强度B的通量。
常用穿过截面S的磁感线的数量表示。
B • dS S
• 对垂直于截面的均匀磁场有：
Φ=B*S 或B= Φ/S Φ的单位为Wb（韦伯）。1T=1Wb/m2
• 1.1.3 磁场强度H
是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入的 物理量，方向与B相同，大小： B=μ*H 或 H=B/ μ μ ：导磁率。反映导磁介质导磁性能的物理量。 μ大表示导 磁性能好。单位H/m 真空中的导磁率μ0=4π×10-7 H/m 其他材料导磁率为μ0的倍数： μ= μr μ0 μr= μ/ μ0 为相对导磁率。 非铁磁材料的相对导磁率μr= 1，为常数 铁磁材料的相对导磁率μr= 2,000—6,000，为非常数。 H的单位为A/m（安培/米）
2.5 直流电动机的基本方程
• Ia——电枢电流 • Ea——电枢中感生电动势 • U——供电电压
• Uf——励磁电压 • If——励磁电流 • Ф——磁通量
• Tem——电磁转矩 • n——转速
• T2——电机轴输出转矩 • T0——电机轴空载转矩矩
• 基本方程
Ea Cen.......................................1( 6) U Ea Iara 2Ub Ea Ia Ra....(110) U f I f Rf Tem CT Ia......................................1( 8) Tem T2 T0 TL.............................(.111)