电机拖动第3章3
李发海电机与拖动基础第四版第三章.
2. 自励直流电机 （1）并励直流电机 励磁绕组与电枢绕组并联连接，如图3.12（b）。 （2）串励直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联，流过相同电流，如图3.1（c）。 （3）复励直流电机 励磁绕组分两部分，一部分与电枢回路串联，另一部分与电
枢回路并联。如图3.12 （d）。连接时，可先串后并，也可先并 后串。 不同励磁方式的直流电机有不同的特性。
示意图。若N为一个磁极上的励磁绕组匝数，励磁电流为I 时， 每极的励磁磁通势为：F = I N 。
图 3.8 四极直流电机 空载时的磁场示意图
图中主磁通的路径是： 从N极、经气隙、经电枢齿、经电枢轭、到另一部分电齿、再 到气隙、经S极、经定子轭、回到N极。称为 主磁路。
图中只与励磁绕组相链的磁通为漏磁通，其所经过的路径称 为漏磁路。
（3-12）
式中 ia = Ia/2a 为导体里流过的电流，Ia为总电流， a为支路
对数。
一根导所产生的转矩为
（3-13）
式中 D = 2 p τ/π 为电枢直径。
总电磁转矩为
（3-14）
将 Bav
li
代入式（3-14）得
（3-15）
式中
为转矩常数。若 Φ 的单位为Wb, 电流的单位
为A, 则转矩 T 的单位为 N·m
Z e 代表电机总虚槽数,用 u 每个实槽中的虚槽数，见图3.13 (c)。则总虚槽数为： 此时绕组的总导体数为： 直流电机最基本的形式有两种，即单叠绕组和单波绕组。
3.4.1 单叠绕组 1.节距 （见图3.14） （1）第一节距 y 1 ： 指同一元件两元件边的间距，用虚槽数
或换向片数表示。
式中 ε是使Y1凑成整数的一个分数。
第三章 直流电机原理
电机拖动系统电路图和流程图第三章优秀课件
V
VT 1
Id
VT 3
~
U d A （ ）
M
B （ ）
VT 2
Id
VT 4
图3-2 用晶闸管开关切换的可逆线路
VF
VR
~
M I d
Id
~
n
a)
0
Id
Id
n b)
图3-3 两组晶闸 管装置反并联 可逆线路
A BC
a bc
VF
VR
M a)
A BC
a bc
~
TM
U
* n
U
* i
ASR
Un
C
R
VD 1
AR
C
U
* i
R
-1
VD 2
U i
ACR
GTF
U
* c
L c1
GTR
ACR
U i
TG
TAF VF
Ld
M
Lc2 VR
TAR
图3-15 可控环流可逆调速系统原理图
电流反馈
U i
R0
R0
2
2
C oi
Ri
Ci
R2
电流给定
C
R0
R2
Ui
或
U
* i
VD
环境给定 RP 1
TG
图3-13 b)
~
~
U
* n
U
nAS
U
R
* i
U i
U ct
ACR
GTF
VF
Un
Ui
U dof
Rrec
TA E
Ra L
第3章 直流电机的电力拖动
TL t TL L
根据上式，折算后的负载转矩为：
(功率不变，单位:N.m/s)
TL
式中，j
n 为传动机构总的转速比； L 为工作机构输出轴的机械角速度； TL 为工作 nL
TL TL T L n t ( ) t ( ) t j L nL
（3-4）
机构的实际负载转矩； t 为传动机构的总效率。 （2）当生产机械驱动电动机时，传动机构的损耗是由生产机械承担的。于是有：
（3-9）
GD2 将 J 4 g 代入上式，则折算后的飞轮矩为：
2 2 G1 D12 G2 D2 GL DL GD GD n 2 n 2 n 2 （ ） （ ） （ ） n1 n2 nL 2 2 M
G D2 G D2 G D2 2 GD2 GDM 1 1 2 2 L L n 2 n 2 n 2 （ ）（ ） （ ） n1 n2 nL
特点：
1 TL k n
图3.9给出了恒功率负载的转矩特性。
如车床等生产机械，切削加工中， 粗加工时切削量大，阻转矩较大，电 机在低速状态下运行；精加工时，切 削量小，阻转矩小，电机在高速状态 下运行。即负载转矩与转速成反比关 系，功率基本保持不变。 如恒张力卷取机，随卷取直径增大， 力矩增大。为保持张力恒定，线速度 必须不变，相应转速降低，即负载功 率恒定。
60FL vLt FL vLt TL 9.55 2 n n 式中，t 为重物下放时传动机构的效率。
（3-7）
重物下放时传动机构的效率t 与同一重物提升时传动机构的效率 t 之间满足下列关 系式： 1 t 2 （3-8） t
证明：重物提升时，传动机构的损耗 pH
恒转矩负载
大多数生产机械可归纳为：
电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]
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电机学 Electric machinery
3.1 电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性
❖ 1.运动方程式
+
U
-
J
d
dt
Tem
TL
❖ 转动惯量：
J GD2 mD2 4g 4
M
Tem n
TL
图3.1.1 电动机与工作机构
Department of Electrical Engineering, HUT
电机学 Electric machinery
❖ 2.负载的转矩特性 ❖ a.恒转矩负载
n n
o
TL
o
TL
3.1.2 反抗性恒转矩负载特性
图3. 1. 3 位能性恒转矩负载特性
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0
T
图3. 2. 4
电动机不同电压机械特性
Department of Electrical Engineering, HUT
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❖ 减弱励磁磁通时的人为特性：
❖ 当 U UN R Ra 只减弱励磁磁通
n
UN Ce
Ra Ce
Ia
n
n02 2 n01 1 2 1 N
第3章 直流电动机的电力拖动基础
电机学 Electric machinery
❖ 电力拖动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生产机械， 产生运动，电力拖动也称为电力传动。直流电力拖动是由直 流电动机来实现的。
电源
控制设备
电动机
工作机构
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【电机与拖动】刘玫3
式中
jL —— 电动机轴与工作机械轴间的转速比 jL = /L = n / nL
如果要考虑传动机构的损耗，可以在折算公式中引入传动
效率c 。由于功率传送是有方向的，因此引入效率c 时必须 注意：要因功率传送方向的不同而不同。现分两种情况讨论：
1） 电动机工作在电动状态， 此时由电动机带动工作机
参考正方向恰好符中负载转矩TL前有一个负号的表达关系。
3. 运动方程的物理意义 式表明电力拖动系统的转速变化dn/dt（即加速度）由电
动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系决定。
1）当Te = TL 时， dn/dt = 0，表示电动机以恒定转速旋 转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或
折算后等效拖动系统的静态功率P’L 为
PL TL
现功率是由电动机传向负载，按功率平衡原则P’L=PL/c ，即
TL
FL v L
c
代入关系式 =2n/60 ，经整理，得到如下折算公式
FL vL TL 9.55 n c
2）电动机工作在发电制动状态，此时工作机构带动电动机， 使重物下放。根据功率平衡关系，有
1 1 1 1 2 2 2 GD GD GD 2 GD2 2 ... GDn 2 GDL 2 j1 j2 jn jL
2 2 e 2 1
在一般情况下，传动机构的转运惯量 J i (i 1,...,n)，在折算后 占整个系统的比重不大， 所以实际工作中往往用下面的近似公式
1. 运动方程式 电力拖动系统经过化简，都可转为如图a所示的电动机转轴与 生产机械的工作机构直接相连的单轴电力拖动系统，各物理量的 方向标示如图b。根据牛顿力学定律，该系统的运动方程为
电机与拖动基础第三章资料
第三章 变压器
二、额定值
额定容量 SN ( kVA )
额定电流 I1N / I2N ( A )
指铭牌规定的额定使用条件指在额定容量下，允许长期通过的额定 下所能输出的视在功率。 电流。在三相变压器中指的是线电流
额定电压U1N / U2N ( kV ) 指长期运行时所能承受的工作电压
U1N 是指一次侧所加的额定电压，U2是N 指一次侧加额定电压时二 NhomakorabeaΦ
i1
U1
i2
u1
只要(1)磁通有
u1
e1
e2 u2
Z
L
变化量;(2)一、二 次绕组的匝数不同，
u2 就能达到改变压的
U2
目的。
第三章 变压器
二、分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压
器、三绕组变压器和多绕组变压器。
按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。
PFe Bm2 f 1.3
空载损耗约占额定容量的0.2%~1%，而且随变压器容量的 增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优 质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。
第三章 变压器
3.2.3 空载时的电动势方程、等效电路和相量图
一、电动势平衡方程和变比 1、电动势平衡平衡方程 （1）一次侧电动势平衡方程
第三章 变压器
变压器是一种静止电器,它通过线圈间的电磁感应,将 一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等 级的交流电能.
3.1 变压器的基本工作原理和结构 3.2 单相变压器的空载运行 3.3 单相变压器的负载运行
第3章 直流电动机的电力拖动基础
15
3.4 直流电动机的机械特性 3.4.1 直流电动机机械特性的表达式
16
3.4 直流电动机的机械特性 3.4.2 固有机械特性
降低电枢电压后，理想空载转速 不变，因此降低电枢电压情况下
下降，特性曲线的斜率
的人为机械特性是一组平行线，
改变电枢电压可以调速。当负载 转矩不变时，电压越低，转速也 越低。
20
3.4 直流电动机的机械特性
3. 减弱磁通时的人为机械特性
减弱磁通时的人为机械特性方程式为：
减弱磁通时的人为机械特性的特点是：
起重机提升重物时，其钢绳受到重物的拉力，龙门刨床工
作台带动工件前进时，受到切削阻力，这两种力豆浆通过传动
机构在电动机轴上体现为制动转矩 。折算的方法与上述相 同，也是以传送功率不变为原则，并考虑到这两种工作状态时 传动损耗是由电动机承担的，所以，不难得出折算后的等效转 矩为
如果起重机放下重物，则传动耗由负载承担，这时等效 转矩为：
22
3.5 电力拖动系统的稳定运行条件
3.5.2 电力拖动系统的稳定运行条件 电力拖动系统的稳定运行的充分必要条件是： （1）必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须 有交点，即存在 ； 处，满足 。或
（2）充分条件：在交点
者说，在交点的转速以上存在
在 。
，而在交点的转速以下存
23
了拖动系统的运动状态。但是要对运动方程式求解，首先必须
知道电动机的机械特性
特性 。
电力拖动自动控制系统第二、三章
2.4.4 系统稳态参数计算 例题1-4
R1
L
Id Ud
+
RP1
U* n R0
R0
- + + Uc
M
n
-
Rbal
+
+
Un
-
RP2
TG
-
系统稳态参数计算
用线性集成电路运算放大器作为电压放大器 的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示， 主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知 数据如下： 电动机：额定数据为10kW，220V，55A， 1000r/min，电枢电阻 Ra = 0.5Ω 晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路， 整流变压器Y/Y联结，二次线电压 U2l = 230V， 电压放大系数 Ks = 44
Ce = 0.2V· min/r，
如何采用闭环系统满足此要求？
解 在上例中已经求得 Δnop = 275 r/min 但为了满足调速要求，须有 Δncl = 2.63 r/min 由式（1-38）可得
K nop ncl 1
≥
275 1 103 .6 2.63
代入已知参数，则得
K 103.6 Kp 46 ≥ K s / Ce 30 0.015/ 0.2
= 2 Cetg
根据测速发电机的额定数据，
Cetg 110 min/r 1900 = 0.0579V·
先试取 2 =0.2，再检验是否合适。 现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在 电动机最高转速1000r/min时，转速反馈电压为
Un 2Cetg 1000 0.2 0.05791000 V=11.58V
稳态时ΔUn很小， U*n只要略大于 Un 即可，现 有直流稳压电源为±15V，完全能够满足给定电 压的需要。因此，取=0.2是正确的。
第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统-PPT文档资料
第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内 容 提 要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0 Id Idm t
电动机加速 到了给定值 n*。
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流 闭环调节系统。稳态时
Id
U
* im
Idm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n < n 0。
3.1.2 稳态结构图与参数计算
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压， 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变 化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节 器退出饱和； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统课后参考答案第三四章
3-1 在恒流起动过程中，电枢电流能否达到最大值 I dm为什么答：不能达到最大值，因为在恒流升速阶段，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它正是一个线性渐增的斜坡扰动量，所以系统做不到无静差，而是I d 略低于I dm 。
3-2 由于机械原因，造成转轴堵死，分析双闭环直流调速系统的工作状态。
答：转轴堵死，则n=0,比较大,导致比较大,也比较大,然后输出电压较大，最终可能导致电机烧坏。
3-3 双闭环直流调速系统中，给定电压 Un*不变，增加转速负反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压 Un 和实际转速 n 是增加、减小还是不变答：反馈系数增加使得增大，减小，减小，减小，输出电压减小，转速n减小，然后会有所减小，但是由于α增大了，总体还是增大的。
3-4 双闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象答：（1）转速一直上升，ASR不会饱和，转速调节有静差。
（2）转速上升时，电流不能维持恒值，有静差。
3-5某双闭环调速系统，ASR、均采用 PI 调节器，ACR 调试中怎样才能做到Uim*=6V时，Idm=20A；如欲使 Un*=10V 时，n=1000rpm，应调什么参数答：前者应调节，后者应调节。
3-6 在转速、电流双闭环直流调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数改变转速调节器的放大倍数Kn行不行改变电力电子变换器的放大倍数 Ks 行不行改变转速反馈系数α行不行若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数答：转速n是由给定电压决定的，若要改变电动机转速，应调节给定电压。
改变Kn和Ks不行。
改变转速反馈系数α行。
若要改变电动机的堵转电流，应调节或者。
3-7 转速电流双闭环直流调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少为什么答：均为零。
因为双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，作用是使输入偏差电压在稳态时为零。
各变量之间关系如下：3-8 在双闭环系统中，若速度调节器改为比例调节器，或电流调节器改为比例调节器，对系统的稳态性能影响如何答：稳态运行时有静差，不能实现无静差。
机电传动控制第3、5、11章知识点
第三章直流电机的工作原理及其特性1．直流电机的基本结构直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势和载流导体在磁场中受力为基础来实现机电能量转换的。
为实现机电能量转换，直流电机的结构应包括定子与转子两大部分[都有铁心和线圈(绕组)]。
定子用于建立磁场，并作为机械支撑；转子(亦称电枢)用于产生感应电势、电流，实现机电能量转换。
直流电机之所以能够工作，在其结构上有一个很重要的部件，即换向器。
要很好地理解换向器的作用，从教材图3.5和图3.6分析可知：直流电机作发电机运行时，换向器的作用在于将电枢绕组内的交变电动势转换成电刷之间极性不变的直流电动势；作电动机运行时，换向器的作用是当线圈的有效边从N极(或S极)下转到S极(或N极)下时改变其中电流的方向，使N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个有效边上受到的电磁力的方向不变，而且产生同一方向的转矩。
2．直流电机的基本工作原理直流电机中能量转换的方向是可逆的。
同一台电机既可作发电机运行，将机械能转换为电能，也可作电动机运行，将电能转换为机械能(见图3.1)。
它们的电磁关系和能量的转换关系，可用下列三个基本方程式来描述。
(1) 转矩方程式T ＝K tΦI a(方向由左手定则确定)注意：电机等速运行时，转矩是平衡的。
在发电机中，电磁转矩T为阻转矩，方向与n相反，原动机的转矩T1＝T＋T0，T0为空载损耗转矩；在电动机中，电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相同，T＝T L＋T0，T L为负载转矩。
(2) 电势方程式 E ＝K eΦn(方向由右手定则确定)在发电机中，电动势E为输出电功率的电源电动势，在电势作用下产生电枢电流I a，E与I a方向相同；在电动机中，电动势E为反电势，它与外加电压产生的电流I a方向相反。
(3) 电压平衡方程式在发电机中(见教材图3.8)，E＝U＋I a R a ，即发电机的电势为负载电压(发电机端电压)和电枢电阻压降所平衡；在电动机中(见教材图3.15)，U＝E＋I a R a，即电动机的外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。
《电机与拖动》电机与电气控制技术 第3版答案
习题集第一章变压器1-1在分析变压器时，对于变压器的正弦量电压、电流、磁通、感应电动势的正方向是如何规定的？答：1〕电源电压。
U 正方向与其电流。
I 正方向采用关联方向，即两者正方向一致。
2〕绕组电流。
I 产生的磁通势所建立的磁通。
φ，这二者的正方向符合右手螺旋定那么。
3〕由交变磁通φ产生的感应电动势产，二者的正方向符合右手螺旋定那么，即它的正方向与产生该磁通的电流正方向一致。
1-2 变压器中的主磁通和漏磁通的性质和作用是什么？答：交变磁通绝大局部沿铁心闭合且与一、二次绕组同时交链，这局部磁通称为主磁通。
φ；另有很少的一局部磁通只与一次绕组交链，且主要经非磁性材料而闭合，称为一次绕组的漏磁通。
σφ1。
根据电磁感应定律，主磁通中在一、二次绕组中分别产生感应电动势•1E 和2•E ；漏磁通。
σφ1；只在一次绕组中产生感应电动势1σ•E ，称为漏磁感应电动势。
二次绕组电动势2•E 对负载而言即为电源电动势，其空载电压为20•U 。
1-3 变压器空载运行时，空载电流为何很小？答：变压器空载运行时，原边额定电压不仅降落在原边电阻r 1上，而且还有漏磁压降，还有主磁通产生的压降，由于-•1E 很大，或者说Z m =r m +jx m 很大，致使励磁电流很小。
1-4 一台单相变压器，额定电压为220V ／110V ，如果将二次侧误接在220V 电源上，对变压器有何影响？答副边励磁电流将非常非常大。
因为原边接额定电压时主磁通φm 为设计值，铁心磁路接近饱和，最大磁密B m 接近饱和值；这时副边电压为U 2≈E 2，即E 2=110V 。
不慎把到边接到220V 时，副边漏阻抗也很小，电压与电势近似相等，因此有E 2≈U 2＝220V ，与原边接220V 时相比，副边电势大小增大到原来的二倍。
我们知道，E 2＝4.44fw 2φm 因此φm 也增大到原来的二倍，磁密B m 也增大到原来的二倍。
正常运行时B m 已到了磁化曲线的拐弯点，B m 增加一倍，励磁磁动势将急剧增加，励磁电流由副边提供，励磁电流非常大，会数倍于额定电流。
《电机及拖动(第5版_许晓峰)PPT课件51486(按节编辑) 0绪论第一节 电机及电力拖动系统概述
驱动和控制微电机(微特电机）部分：包括驱动和控制微电机的工作原理、运行特性、 控制方式、误差分析以及应用情况。
《电机及拖动》电子教案
绪论 第1章 直流电机 第2章 直流电动机的电力拖动 第3章 变压器 第4章 三相异步电动机 第5章 三相异步电动机的电力拖动
第6章 同步电机及同步电动机的电力拖动
第7章 微控电机 第8章 电力拖动系统中电动机的选择
绪论
0.3
一般分析方法：
⑴ 首先讨论各种电机的基本运行原理与结构。 ⑵ 重点分析各种电机空载和负载时的电磁物理过程。 ⑶ 利用相关电磁定律及电机内部的电磁物理过程，找出电磁过程的数 学描述即基本方程式、等效电路和相量图。 ⑷ 利用数学模型及等效电路和相量图对各种电机的运行特性和性能指 标进行分析计算。 ⑸ 根据电动机的机械特性和负载的转矩特性讨论各种拖动系统的稳定 性及电机的各种运行状态，分析讨论各类电机拖动系统的起动、制动 和调速性能。 ⑹ 采用标么值来表示电机参数。 ⑺ 通过实验，学会电机参数的测定方法以及加深对各种电机运行性能 以及起动、制动和调速特性的理解。
绪论
0.1
三、电机及电力拖动系统的发展趋势
电机的发展趋势： 1）超大型化，单机容量越来越大，电压等级越来越高； 2）超小型化（或微型化），为适应设备小型化的要求，电机的体积越来越小，重量
越来越轻； 3）新原理、新工艺、新材料电机不断涌现，如直线电机、开关磁阻电机、无刷电机、
超声波电机等。
电力拖动系统发展趋势： 随着电力电子技术、控制理论和微处理器技术的发展，电力拖动系统的性能指标也
电力传动的优点：控制简单、调节性能好、损耗小、经济、能实现远距离控制和自动控 制，因此大多数生产机械均采用电力拖动。
电力拖动基础第三章
U 1 为外施电压，保持不变，故 E1 近似不变，所以Φ保持
不变。
S增大，负载大于额定负载，S↑→IL↑→ ILr1↑→E1↓→Φ↓ （2）I2与S的关系
I2
E2 r2 2 x 2 s
2
S较小时，r2’/S>>X2’, I2’∝S S较大 时，考虑X2’, I2’增大缓慢。
第三章
三相异步电动机的机械特性、起动和制动
3.1 三相异步电动机的机械特性 一、机械特性表达式
1.物理表达式 式中：
cos T CTm I 2 2
CT pm1 N1kw1 2
异步机的转矩系数:
:转子功率因数 cos 2
m :异步机每极磁通
I2
:转子电流
（1）每极磁通Φ与转差率s之间的关系
补充： 异步电动机固有机械特性的计算与绘制
已知：额定功率PN, 额定转速nN,额定电压UN，额定电流IN，过 载能力λT，额定效率ηN，额定功率因数cosψN等。
T Tmax s 2 sm sm s
（1）求Tmax Tmax= λT TN （2）求Sm 将额定点：s=sN,
PN TN 9550 ( N m ) PN ( kW ) nN
得异步电动机的机械特性参数表达式 2 r2 2 r2 U1 m1 pU1 m1 s s T 2 2 1 r2 2 r 2 2 2f1 r1 x1 x2 r1 x1 x2 s s
(3) 转子功率因数cosψ2与转差率S的关系
cos 2 r2 / s (r2 / s) x
2 2 2
程宪平 机电传动与控制(第三版)3第三章
27
三、性能指标
第3章 控制电机
3-5 直线电动机
直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的 伺服驱动部件，与普通直流电动机、异步电动机等 的工作原理相同； 在结构型式上一般把定子与转子作成初级与次级 长度不等的平面，把一方固定不动，而另一方在 电磁力的推动下作直线运动。 机械特性、调速特性等均与普通电动机相同。 在一些作直线运动的场所，采用直线电动机作驱动 部件，可简化机构、提高精度、减少振动和噪声， 加快过渡过程、改善散热条件， 但它有效率与功率因数较低等缺点。
机 电 传 动 控 制
—
直流伺服电动机 的原理图
SM
直流伺服电动机电枢控制时的机械特性
10
优缺点比较：
机 电 传 动 控 制
直流伺服电动机：转矩大，线性度好， 机械特性硬；效率高，功率大；结构复 杂，维护困难，有无线干扰。 交流伺服电动机：非线性特性曲线，影 响系统动态精度；体积大，效率低；结 构简单，运行可靠，维护方便。
18
机 电 传 动 控 制
第3章 控制电机
3-4 步进电动机 二、工作原理
机 电 传 动 控 制
三相单三拍运行方式 反应式步进电机工作原理图
19
第3章 控制电机
3-4 步进电动机 二、工作原理
三相单三拍 A→B→C 0° 30° 60°
机 电 传 动 控 制
0°
15°
三相单、双六拍 A→AB→B ↑ ↓ CA←C←BC 30° 思考：相数m为二相、 四相、五相、六相…
转换为角位移或直线运动的执行部件。
电机与拖动基础(第3版 - 教学大纲)
《电机与拖动基础》课程教学大纲一、课程名称1. 中文名称：电机与拖动基础2. 英文名称：Electrical Machine and Drive Foundation3. 课程号：二、学时总学时56 学时，其中：理论46 学时，实验10 学时三、考核方式考试四、适用专业自动化专业、电气工程及其自动化专业五、课程简介本课程主要介绍电磁感应基本原理、直流电机、异步电动机和同步电动机的基本结构和工作原理，各类电动机的工作特性、机械特性，以及电动机的四象限运行特性，电动机的起动、调速和制动的方法；变压器的基本结构和工作原理，变压器的空载运行、负载运行，变压器的等效电路和运行特性；电力拖动系统电动机的选择和特种电机等。
六、本门课程在教学计划中的地位、作用和任务本课程是自动化专业和电气工程及其自动化专业的专业必修课，只有在学好本课程的前提上才能修好以后的控制电机、电力拖动控制系统、运动控制系统和电力系统等专业课程。
本课程在理论学习与工程实践两方面并重。
七、课程内容、学生分配和教学要求1. 内容和学时分配：绪论（1学时）第一章电机的基本原理（3学时）第一节电磁感应原理第二节机电能量转换基本原理第三节电机的基本结构与工作原理第四节电机的能量损耗与发热第二章电力拖动系统的动力学基础（3学时）第一节电力拖动系统的运动方程第二节生产机械的负载转矩特性第三节电力拖动系统的稳态分析——稳定运行的条件第三章直流电机原理（5学时）第一节直流电机的基本原理和结构第二节直流电机的电枢绕组和磁场第三节电枢绕组的感应电动势和电磁转矩第四节直流电机的基本方程和工作特性第四章直流电机拖动基础（5学时）第一节他励直流电动机的机械特性第二节他励直流电动机的起动第三节他励直流电动机的调速第四节他励直流电动机的制动第五章变压器（6学时）第一节变压器的工作原理和结构第二节变压器的运行方式第三节变压器的等效电路第四节变压器的参数测定第五节变压器的运行特性第六节三相变压器第六章交流电机的旋转磁场理论（3学时）第一节电枢绕组的磁动势第二节旋转磁场的形成和特点第三节交流电机的主磁通和漏磁通第七章异步电机原理（5学时）第一节异步电机的结构和运行方式第二节异步电动机的电磁关系第三节异步电动机的功率与转矩第四节异步电动机的工作特性第八章同步电机原理（4学时）第一节同步电机的结构和运行方式第二节同步电动机的电压方程和相量图第三节同步电动机的功率方程和功角特性第四节同步电动机的功率因数调节第九章交流电机拖动基础（7学时）第一节异步电动机的机械特性第二节异步电动机的起动第三节异步电动机的调速第四节异步电动机的制动第五节同步电动机的电力拖动第十章电力拖动系统电动机的选择（2学时）第一节电动机的型号和铭牌参数第二节电动机的绝缘等级与工作制分类第三节不同工作制下电动机的功率选择第四节电动机额定数据的选择课程复习：本学期主要课堂内容（2学时）2. 要求：1）第1部分电机及拖动的基础理论：掌握电磁感应、机电能量转换基本原理，电机的基本结构与工作原理，了解电机的能量损耗与发热情况。
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nN n01
n01 nN
nN
而 又 ∴
D
n m in n 0 1 n N
n m ax n N
n m ax n m in
nN
n N (1 )
nN n N (1 )
nN n N (1 )
nN nN 1
大 小
差 恒转矩负载 少 大
小 较大
好 恒转矩负载 多 小
较小 小
好 恒功率负载 较少 小
例3-4(P54)
一台他励直流电动机的 额定功率 PN = 75 kW，额定电压 UN = 220 V 额定电流 IN = 385 A，额定转速 nN = 1 000 r/min 电枢回路总电阻 Ra = 0.018 24 Ω 求电动机在以下各种不同静差率要求、不同调速方式 时的调速范围： （1）静差率 δ ≤ 25%，电枢串电阻调速时的调速范围 （2）静差率 δ ≤ 25%，改变电枢电源电压调速时的调 速范围 （3）静差率 δ ≤ 40%，电枢串电阻调速时的调速范围
D n m ax n m in
TL TN
(3 1)
说明 电动机 nmax 受电动机的换向及机械强度限制 nmin 受转速相对稳定性（即静差率）要求的限制
1．调速范围
不同的生产机械对调速范围要求也不相同
例如： 龙门刨床：D = 10~40 ；车床：D = 20~120 轧钢机：D = 3~120 ；造纸机：D = 3~20 机床进给机构：D = 5~200
②恒功率调速方式 拖动恒功率负载——相匹配
电动机采用恒功率调速方式：弱磁调速 如果
拖动恒功率负载运行，并且电动机的 PM = PN 无论运行在什么转速下 Ia = IN，电动机得到了充分利用 恒功率调速方式拖动恒功率负载的配合是合适的 也称相匹配
那么
则
③恒转矩调速方式 拖动恒功率负载
n
C3 n
Tr T
1 n
T 9 .5 5
Pr
Tr n 9 .5 5
P C4
电动机的容许输出转矩与转速成反比 而容许输出功率为恒值——恒功率调速
他励直流电动机调速时 允许输出的转矩与功率图
基速以下
n nmax nN
恒转矩调速方式
Tr T
C3 n
电枢串电阻调速 改变电枢电源电 压调速
（1）定义
当电动机调速时 在不同的转速，电枢电流能否总保持为额定值 即电动机能否在不同转速下都得到充分利用 这个问题与调速方式和负载类型的配合有关 以电机在不同转速，都能得到充分利用为条件 他励直流电动机的调速可分为
恒转矩调速方式 恒功率调速方式
①恒转矩调速方式
n nmax
②恒功率调速方式
nN
nmin 弱磁调速时，磁通 Φ 是变化的 0 Tr , Pr 在不同转速下若保持电流 Ia = IN 不变，即电机得到充 分利用 容许输出转矩和功率别为：
Tr T C T I a C T I N
PM n
U
N
I N Ra 1 CE
C3 9 .5 5
如： 普通机床 δ ≤ 30%；起重类机械 δ ≤ 50% 精密机床 δ ≤ 1%～5%；精度高的造纸机 δ ≤ 0.1%
说明
希望电力拖动系统 调速范围 D 越大越好 静差率 δ 越小越好——相对稳定性越好 但 D 与 δ 的取值经常会出现矛盾 例如，对于改变电枢电源电压的调速方式而言
后者
（2）调速方式和负载类型 的匹配
负载类型是一定的，不能改变 电动机的调速方式可人为选择 在选择调速方式时，要与负载类型配合恰当
这样，所选电动机的体积较经济 在不同转速下，可较充分地利用 不致造成浪费 ——浪费是指电机的转矩和功率选的过大 或长时间运行而烧坏 ——指电机的转矩和功率选的较小
低速——相匹配
n nmax
？
负载 特性 恒功率
TL = TN → I a = I N 电动机利用充分
高速——不相匹配
电动机 机械 特性 恒转矩
恒功率负载→转速高则 TL 小 → T < TN TL Φ = ΦN nmin T = CTΦNIa → Ia < IN 电动机利用不充分 0 Tr = TN Tr = TN T 电动机容量会有所浪费 恒转矩调速与恒功率负载的配合图
例3-4(P54)
nN = nmax nN1 = nmin
n n0 1
△nN
△nN1 T
0
I N Ra nN
N N
2 TL = TN
解：（1）求 δ ≤ 25%，电枢串电阻调速的调速范围
对于一些经常轻载运行的生产机械
例如精密机床等 可用实际负载时的最高转速和最低转速之比 计算调速范围 D
2．静差率（转速变化率） ——转速相对稳定性 n
定义 指电动机在同一条机械特性上 额定负载时的转速降落 ΔnN 与该机械特性的理想空载转速 n0 之比 用 δ 表示静差率 0 表达式
nN n0
TL TN
n0
△n1
1 △n2
2 TL = TN T
(3 2 )
100%
n0 n N n0
TL TN
100%
式中， nN ——额定负载转矩 TL = TN 时的转速
图3.6 不同机械特性的静差率
n n0 nN = nmax △n1 1 △n2
1.固有
Pr = C4 Pr = C2n Tr ≈ T = C1 Pr , Tr
基速以上
恒功率调速方式
nmin 0
弱磁调速
上图说明：
图中， Tr = f（n）和 Pr = f（n）曲线表示
在保证电动机得到充分利用的条件下（即 Ia = IN） 允许输出的转矩和功率 并不代表电动机实际输出的转矩和功率
指在某种调速方法中 在保持电枢电流 Ia = IN 不变的前提下 若该电动机允许输出的电磁转矩也恒定不变 则称这种调速方式为恒转矩调速方式 此种调速方式的磁通 Φ 不随转速的改变而改变 显然 T = TL = CTΦIa = CTΦNIN = C 电枢串电阻调速 属于恒转矩调速方式 改变电枢电源电压调速
1
D
1
3．调速的平滑性
定义
指相邻两级转速的接近程度 用平滑系数 φ 表示
ni ni 1 (3 3)
表达式
说明
平滑系数 φ 越接近1，说明调速的平滑性越好 无级调速：调速连续，级数趋于无穷，平滑性最好 有级调速：调速不连续，级数有限，平滑性较差
4．恒转矩调速方式 和恒功率调速方式
Tr为电动机允许输出的转矩
只能按低速选配电动机
④恒功率调速方式 拖动恒转矩负载
同理 高速——相匹配 低速——不相匹配 不能按低速运行情况 选配合适的电动机 只能按高速运行情况 选配合适的电动机 但在低速时电动机容量 有所浪费
n nmax Tr
电动机 机械特性 恒功率 负载特性 恒转矩
TN T
特性越硬，δ 越小，相对稳定性越好 2)降电压，硬度相同 n1 n 3
1 n0 1 3
0
n0越小，δ 越大，相对稳定性越差
2．静差率（转速变化率） ——转速相对稳定性
静差率 δ 越小，转速的相对稳定性越好 负载波动时，转速变化也越小 生产机械调速时，为保持一定的稳定程度 要求静差率 δ 小于某一允许值 不同的生产机械，其允许的静差率是不同的
——不相匹配
①恒转矩调速方式 拖动恒转矩负载——相匹配
电动机采用恒转矩调速方式：串电阻，或降电压 如果
拖动恒转矩负载运行，并且电动机的 TN = TL 无论运行在什么转速下 Ia = IN，电动机得到了充分利用 恒转矩调速方式拖动恒转矩负载的配合是合适的 也称相匹配
那么
则
1
n1 n0 n2 n0 n3 n01 n0 n N n0 n 0 n m in n0 n 0 1 n m in n01
2.串电阻 2 3.降电压 3
n01
nN1 = nmin
1)串电阻，n0相同 n N 1 2
△n3 3 2
D 与 δ 的关系为：
D nN n N (1 ) nN nN 1 1
D
1
证明
D
nN n N (1 )
nN nN 1
1
n △nN n0 nN = nmax n01 1
1
nN1 = nmin 证明：设图中曲线2为对应 △nN 2 最低电枢电源电压的机械特性曲线 0 TL = TN T 则其静差率为
5．调速的经济性
调速的经济性主要是考虑
调速设备的初始投资
调速时电能的损耗
运行时的维修费用 ……
表3-1 直流电动机三种调速方法 的调速性能比较