1、电机与拖动基础(现用)6/28/20232 1、王毓东编电机学上、下，浙江大学出版社 2、顾绳谷编电机及拖动基础，机械工业出版社 3、唐介编电机与拖动，高等教育出版社 4、许建国编电机与拖动基础，高等教育出版社6/28/20233三、本课程学习内容：三、本课程学习内容：变压器、直流机、异步机、同步机变压器、直流机、异步机、同步机掌握内容：掌握内容：1 1）工作原理）工作原理2 2）电磁力分析）电磁力分析3 3）特性及应用）特性及应用6/28/202346/28/202356/28/202366/28/202376/28/202382、驱动生产机械、驱动生产机械 磁悬浮列车磁悬浮列车 大型车床大
2、型车床6/28/202396/28/2023106/28/202311电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学 1.1电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成。制设备和电源组成。电力拖动系统组成电力拖动系统组成 机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系，生产机械的负载转机械特性表明电动机内部转速和转矩之间的关系，生产机械的负载转矩特性表明负载的性能，要研究整个电力拖动系统，必须研究电动机和负载矩特性表明负载的性能，要研究整个电力拖动系统，必须研究电动机
3、和负载之间的运动规律之间的运动规律电力拖动系统的运动方程式。电力拖动系统的运动方程式。6/28/2023121.单轴电力拖动系统 电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连，工作机构是电动机的负载。dtdnGDdtdJLTT3752 602 ,42422ngGDDgGmJ 单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统 T 为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩(Nm)，TL 为电动机的负载转矩为电动机的负载转矩(Nm)，J 为电动机轴上的总转动惯量为电动机轴上的总转动惯量(kgm2)，为电动机的角速度为电动机的角速度(rad/s),D 为系统转动部分的回转直径为系统转动部分的回转直径(m),m 为系统转动部分的
4、质量为系统转动部分的质量(kg),6/28/202313)2/(604375 g是具有加速度量纲的系数，单位为是具有加速度量纲的系数，单位为 mmins。,0 ,0,0 ,0,0 ,0 dtdndtdndtdnLTT动转矩动转矩系统处于加速；系统处于加速；恒速或静止，稳定运转状态；恒速或静止，稳定运转状态；系统减速系统减速 为系统转动部分的回转半径为系统转动部分的回转半径(m),g=9.81m/s2 为重力加速度为重力加速度,G 为系统转动部分的重力为系统转动部分的重力(N),GD2 为转动部分的飞轮矩为转动部分的飞轮矩(Nm2),6/28/202314 实际的电力拖动系统，大多数是电动机通过
5、传动机构与工作机实际的电力拖动系统，大多数是电动机通过传动机构与工作机构相连的多轴电力拖动系统。构相连的多轴电力拖动系统。研究多轴电力拖动系统时，需要对每根轴分别写出运动方程式研究多轴电力拖动系统时，需要对每根轴分别写出运动方程式并联立求解，最后得出电力拖动系统的运动规律，显然比较麻烦。并联立求解，最后得出电力拖动系统的运动规律，显然比较麻烦。21 ,2 ,1jjfnnjfnbnjbnnj 6/28/202315 等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率等效是指拖动系统在折算前和折算后的功率及储存动能保持不变，即等效单轴系统应与实际及储存动能保持不变，即等效单轴系统应与实际的多轴系统具有相等的机
6、械功率和动能。的多轴系统具有相等的机械功率和动能。实用工程计算：采用筒化多轴电实用工程计算：采用筒化多轴电力拖动系统的分析计算，将负载力拖动系统的分析计算，将负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上，变多轴系统为等效的单轴轴上，变多轴系统为等效的单轴系统。系统。多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化6/28/2023161.2多轴电力拖动系统的简化计算多轴电力拖动系统的简化计算1.2.1工作机构为转动情况时，转矩与飞轮矩的折算工作机构为转动情况时，转矩与飞轮矩的折算1.转矩的折算转矩的折算多轴电力拖动系统中多轴电力拖动系统中:FTffTjfTnfnfTffTFT
7、工作机构折算前的机械功率工作机构折算前的机械功率=工作机构折算后的机械功率工作机构折算后的机械功率 f为工作机构转轴的角速度；为工作机构转轴的角速度；Tf为工作机构的实际负载转矩；为工作机构的实际负载转矩；为电动机轴的角速度；为电动机轴的角速度；TF为工作机构负载转矩折算到电为工作机构负载转矩折算到电动机轴上的折算值；动机轴上的折算值；为传动机构总的速比，写成一般形式为 等于各级速比乘积；,321jjjj fnnj 6/28/202317考虑传动机构的传动效率：考虑传动机构的传动效率：TjfTjfTFT 式 中式 中为 传 动 机 构 总 效 率，等 于 各 级 传 动 效 率 乘为 传 动
8、机 构 总 效 率，等 于 各 级 传 动 效 率 乘积，积，；传动机构转矩损耗：传动机构转矩损耗：321jfTjfTjfTFTT 由于负载是由电动机拖动的，电磁转矩为拖动性转矩，由于负载是由电动机拖动的，电磁转矩为拖动性转矩，T是由电动机负担。是由电动机负担。6/28/2023182飞轮矩的折算飞轮矩的折算飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小；飞轮矩用于表征运动物体机械惯性的大小；26024221221 ngGDJ 工作机构转轴的飞轮矩为工作机构转轴的飞轮矩为 ，动能为动能为:2fGD26024221221 fngfGDffJ 折合到电动机轴上的飞轮矩折合到电动机轴上的飞轮矩为为 ，折算后其
9、动能为，折算后其动能为:2FGD26024221221 ngFGDFJ 折算的原则是折算前后该轴的折算的原则是折算前后该轴的动能不变，即动能不变，即2602422126024221 ngFGDfngfGD 化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式化简后得到负载轴上飞轮矩的折算公式:222)(22jfGDfnnfGDFGD 旋转物体的动能为旋转物体的动能为:6/28/202319传动机构中还有转速为传动机构中还有转速为 nb 的的轴，其轴上各部分的总飞轮轴，其轴上各部分的总飞轮矩实际值为矩实际值为 ,动能是动能是:2bGD26024221 bngbGD 折合到电动机轴上以后的飞折合到电动机轴上以后的飞
10、轮矩为轮矩为 ，其动能为，其动能为:2BGD26024221 ngBGD 根据折算前后该轴动能不变的原则有根据折算前后该轴动能不变的原则有:2602422126024221 ngBGDbngbGD 2122)(22jbGDbnnbGDBGD 飞轮矩折算时，其折算值为实际值除以速比的平方，飞轮矩折算时，其折算值为实际值除以速比的平方，(注意不同转注意不同转速的轴其速比也不一样。速的轴其速比也不一样。)6/28/2023202)1(2)21(221222)(22)(222aGDjjfGDjbGDaGDfnnfGDbnnbGDaGDGD 写成一般形式为写成一般形式为:222)21(221222)(2
11、2)(22)(222jfGDjjcGDjbGDaGDfnnfGDcnncGDbnnbGDaGDGD 一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分分(20-30%)；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。从
12、上面分析的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴从上面分析的结果可以得到整个电力拖动系统折算到电动机轴上的总飞轮矩为上的总飞轮矩为:6/28/202321一般地说，一般地说，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，传动机构各轴以及工作机构转轴的转速要比电动机轴的转速低，飞轮矩的折算与转速比平方成反比；飞轮矩的折算与转速比平方成反比；尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值尽管可能有多根轴，但它们的飞轮矩折算到电动机轴上后数值不大，是系统总飞轮矩的次要部分不大，是系统总飞轮矩的次要部分(20-30%)；电动机转子本身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分电动机转子本
13、身的飞轮矩是系统总飞轮矩中的主要部分(70-80%)。6/28/202322例题例题11(Pg4)已知飞轮矩已知飞轮矩 GDa2=14.5 Nm，GDb2=18.8 Nm，GDf2=120 Nm，传动效率传动效率1=0.91,2=0.93,转矩转矩Tf=85 Nm，转速，转速n=2450rmin，nb=810rmin，nf=150rmin，忽略电动机空载转矩，忽略电动机空载转矩，求：求：(1)折算到电动机轴上的系统总飞轮矩折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2；(2)折算到电动机轴上的负载转矩折算到电动机轴上的负载转矩TF。6/28/202323解解:(1)系统总飞轮矩系统总飞轮矩:(2)负载转
14、矩负载转矩:221mN 15.693.091.0150245085ffFnnTT22222222222mN 005.175.14)172.11()1(mN 005.1745.0055.25.14 )1502450(120)8102450(8.185.14)()(affbbaGDnnGDnnGDGDGD6/28/2023241.2.21.2.2工作机构为平移运动时，转矩与飞轮矩的折算工作机构为平移运动时，转矩与飞轮矩的折算 有些生产机械，如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等，有些生产机械，如桥式起重机的起重小车、龙门刨床等，它们的工作机构作平移运动。它们的工作机构作平移运动。刨床电力拖动系统：刨床
15、电力拖动系统：电动机经多级齿轮变速电动机经多级齿轮变速后，用齿轮、齿条把旋后，用齿轮、齿条把旋转运动变成工作台的平转运动变成工作台的平移运动。切削时工件与移运动。切削时工件与工作台一起以速度工作台一起以速度V移移刨床电力拖动示意图刨床电力拖动示意图 动，刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为动，刨刀固定不动。作用在工件上的切削力为F，电动机，电动机的转速为的转速为n，传动机构效率为，传动机构效率为。6/28/202325把这种多轴系统等效成单轴系统，须将切削力及平移运动部把这种多轴系统等效成单轴系统，须将切削力及平移运动部件的质量折算到电动机轴上的等效转矩件的质量折算到电动机轴上的等效转矩 TF
16、 及等效飞轮矩及等效飞轮矩 GDF2。1.转矩的折算转矩的折算 工作机构为平移运动时，切削功率为工作机构为平移运动时，切削功率为:根据功率平衡关系则有根据功率平衡关系则有:FvP FvFT 电动机轴上的等效转矩电动机轴上的等效转矩:nFvnFvFvFT55.9602 传动机构的转矩损耗传动机构的转矩损耗:FTFTT mN r/min,m/s,N,FTnvF6/28/2023262.飞轮矩的折算飞轮矩的折算折算的原则：折算前后储存的动能相等。折算的原则：折算前后储存的动能相等。平移运动部件的动能平移运动部件的动能:折算到电动机轴上的转动惯量中储存的动能折算到电动机轴上的转动惯量中储存的动能:22
17、1221vgfGvfm 2)602(4221221ngFGDFJ 根据折算前后动能不变的原则有根据折算前后动能不变的原则有:2)602(4221221ngFGDvgfG 223652)602(242nvfGnvfGFGD 6/28/202327例题例题:已知切削力已知切削力F=10000N，工作台与工件运动速度，工作台与工件运动速度v=0.7m/s，(Pg12)传动机构总效率传动机构总效率=0.81，电动机转速，电动机转速n=1450rmin，电动机的飞轮矩电动机的飞轮矩 GDD2=100N m2，求：，求：(l)切削时折算到电动机轴上的负载转矩；切削时折算到电动机轴上的负载转矩；(2)估算系
18、统的总飞轮矩；估算系统的总飞轮矩；(3)不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以dn/dt=500 r/mins,恒加速度运行，计算此时系统的动转矩绝对值。恒加速度运行，计算此时系统的动转矩绝对值。6/28/202328解：解：(1）切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削）切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算切削功率为功率为:W70007.010000 FvP折算后的负载转矩折算后的负载转矩:m)(N 92.5681.01450700055.955.9 nFvFT(2)估算系统总的飞轮矩估算系统总的飞轮矩:)2m(N1201002.122.12 DGD
19、GD(3)不切削时，工作台与工件反向加速，系统动转矩绝对值不切削时，工作台与工件反向加速，系统动转矩绝对值:m)(N 1605003751203752 dtdnGDFTT6/28/2023291.2.31.2.3工作机构做提升和下放重物运动时，转矩与飞工作机构做提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算轮矩的折算工作机构运动为升工作机构运动为升降的电力拖动系统降的电力拖动系统 电动机通过传动机构（减速箱电动机通过传动机构（减速箱,速速比为比为j）拖动一个卷筒，半径为）拖动一个卷筒，半径为R，转速为转速为nf；缠在卷筒上的钢丝绳悬；缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重力为挂一重物，重力为G=mg，；重
20、物，；重物提升时传动机构效率为提升时传动机构效率为，卷筒，卷筒重物提升或下放的速度都为重物提升或下放的速度都为v。桥式起重机的提升机构、电梯、桥式起重机的提升机构、电梯、矿井卷扬机等，它们的工作机构都矿井卷扬机等，它们的工作机构都是作升降运动。升降运动属于直线是作升降运动。升降运动属于直线运动并与重力有关。运动并与重力有关。6/28/2023301.1.负载转矩折算负载转矩折算(1）提升重物时负载转矩的折算）提升重物时负载转矩的折算:jGRTjGRFT传动机构损耗的转矩传动机构损耗的转矩:jGRjGRT 由摩擦产生，总是起阻碍运动的作用。提升重物时由电动机负担，由摩擦产生，总是起阻碍运动的作用
21、。提升重物时由电动机负担，下放重物时，卷筒上的负载转矩成为拖动转矩，由负载承担。下放重物时，卷筒上的负载转矩成为拖动转矩，由负载承担。(2)下放重物时负载转矩的折算,)12()(jGRjGRjGRjGRjGRTjGRFT122.飞轮矩的计算与平移运动相同。飞轮矩的计算与平移运动相同。6/28/202331例题例题(Pg8):已知减速箱的速比已知减速箱的速比j=34，提升重物时效率，提升重物时效率=0.83，卷，卷筒直径筒直径d=0.22m，空钩重量，空钩重量G0=470N，所吊重物重，所吊重物重G=8820N，电，电动机的飞轮矩动机的飞轮矩GDD2=10Nm2，当提升速度为，当提升速度为v=0
22、.4m/s，求：，求：(1)电动机的转速电动机的转速(2)忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩；忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩；(3)以以v=0.4m/s下放该重物时，电动机的负载转矩。下放该重物时，电动机的负载转矩。解解:(l)电动机转速的计算电动机转速的计算 卷筒的转速卷筒的转速:r/min)(72.3422.04.06060260 dvrvfn电动机的转速电动机的转速:(r/min)5.11803472.34 jfnn6/28/202332(3)以以v=0.4m/s下放该重物时电动机负载转矩的计算下放该重物时电动机负载转矩的计算传动机构损耗转矩传动机构损耗转矩:m)(N 82.6349
23、.113111.40 jfTjfTT 电动机的负载转矩为电动机的负载转矩为:m)(N 47.2682.6349.1131 TjfTT(2)(2)提升时电动机负载转矩的计算提升时电动机负载转矩的计算提升重物时负载实际转矩为提升重物时负载实际转矩为:m)(N 9.1131)88201470(222.0)0(2 GGdfT电动机的负载转矩为电动机的负载转矩为:m)(N 11.4083.0349.1131 jfTFT6/28/202333例题例题(Pg9):某起重机的电力拖动系统：电动机某起重机的电力拖动系统：电动机Pn=20kw，nN=950r/min，传动机构的速比，传动机构的速比j1=3，j2=
24、3.5，j3=4，各级齿轮传递，各级齿轮传递效率都是效率都是 =0.95，各转轴上的飞轮矩，各转轴上的飞轮矩:GDa2=123Nm2，GDb2=49Nm，GDc2=40Nm，Dd2=465Nm，卷筒直径，卷筒直径d=0.6m，吊钩重吊钩重G0=1962N，被吊重物被吊重物G=49050N。忽略电动机空载转矩，忽略电动机空载转矩，忽略钢丝绳重量，忽忽略钢丝绳重量，忽略滑轮传递的损耗，略滑轮传递的损耗，求：求：6/28/202334解：解：(1)以速度以速度v=0.3m/s 提升重物时负载（吊钩及重物）转矩提升重物时负载（吊钩及重物）转矩:m)(N 8.765126.0)490501962(212
25、)0(21 dGGfT卷筒转速卷筒转速:(r/min)1.196.03.0260)2(60 dvfn电动机输出转矩电动机输出转矩:m)(N 5.212295.045.338.76512 jfTFTT电动机转速电动机转速:(r/min)2.80245.331.19 jfnn(1)以速度以速度v=0.3m/s 提升重物时，负载（重物及吊钩）转矩、卷筒提升重物时，负载（重物及吊钩）转矩、卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速；转速、电动机输出转矩及电动机转速；(2)负载及系统的飞轮矩（折算到电动机轴上）；负载及系统的飞轮矩（折算到电动机轴上）；(3)以加速度以加速度a=0.1m/s2提升重物时，电动机
26、输出的转矩。提升重物时，电动机输出的转矩。6/28/202335(2)负载及系统的飞轮矩的计算负载及系统的飞轮矩的计算 吊钩及重物飞轮矩吊钩及重物飞轮矩:)2m(N 6.222.80223.0)490501962(36522)0(3652 nvGGFGD)2m(N 7.1316.22)45.33(4652)5.33(402349123 22)321(22)21(221222 FGDjjjdGDjjcGDjbGDaGDGD系统总的飞轮矩系统总的飞轮矩:6/28/202336(3)以加速度以加速度a=0.1m/s2提升重物时电动机输出转矩的计算提升重物时电动机输出转矩的计算 电动机转速与重物提升速
27、度的关系电动机转速与重物提升速度的关系:321321260jjjdvjjjnnf电动机加速度与重物提升速度的关系电动机加速度与重物提升速度的关系:s)(r/min 4.2671.045.336.0120 120120)120(321321321ajjjddtdvjjjdjjjdvdtddtdnm)(N 4.3064.2673757.1315.2123752dtdnGDTTF电动机输出转矩电动机输出转矩:6/28/2023371.3负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件 电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为机械特性。电动机的电磁转矩与转速之间的关系称
28、为机械特性。电动机的电磁转矩为驱动转矩，其正方向与电机的旋电动机的电磁转矩为驱动转矩，其正方向与电机的旋转方向一致；转方向一致；生产机械工作机构的负载转矩的正方向与电机的旋转生产机械工作机构的负载转矩的正方向与电机的旋转方向相反。方向相反。生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系，称生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系，称之为负载的转矩特性。之为负载的转矩特性。6/28/2023381.3.1负载的转矩特性负载的转矩特性1.恒转矩负载的转矩特性恒转矩负载的转矩特性(1)反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 特点：工作机构的负载转矩与转速的方向始终特点：工作机构的负载转矩与转速的方向始终相反
29、，转矩特性位于相反，转矩特性位于I,III 象限内象限内,转矩的绝对值大小转矩的绝对值大小恒定不变，是阻碍运动的制动性转矩。恒定不变，是阻碍运动的制动性转矩。皮带运输机、轧钢机等由摩擦力产生负载转矩皮带运输机、轧钢机等由摩擦力产生负载转矩的工作机构属于这类型。的工作机构属于这类型。考虑传动机构损耗转矩考虑传动机构损耗转矩 后，折算到电动机轴上负载转后，折算到电动机轴上负载转矩特性，即矩特性，即 关系曲线。关系曲线。nFTT 6/28/202339实际特性实际特性 折算后特性折算后特性 反抗性恒转矩负载的转矩特性反抗性恒转矩负载的转矩特性 I象限:0 ,0 fTfnIII象限:0 ,0 fTfn
30、 jfTTjfTFT 阻碍运动的制动性转矩阻碍运动的制动性转矩 6/28/202340(2)位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 特点特点:工作机构的负载转矩绝对值大小是恒定的，而且工作机构的负载转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，转矩特性位于方向不变，转矩特性位于I,IV象限内；起重机提升下放重物象限内；起重机提升下放重物就属于这个类型。就属于这个类型。我们分析的电力拖动系统都简化为单轴系统，只要知道我们分析的电力拖动系统都简化为单轴系统，只要知道电动机轴上的转矩与转速电动机轴上的转矩与转速 关系曲线。关系曲线。nFT6/28/202341实际特性实际特性 折算后特性折算后特性 位能性恒转矩负
31、载的转矩特性位能性恒转矩负载的转矩特性 提升重物时：提升重物时：阻碍运动的制动性转矩阻碍运动的制动性转矩 ,下放重物时：下放重物时：帮助运动的拖动性转矩帮助运动的拖动性转矩 0 ,0 fTfnTjfTFT 0 ,0 fTfnTjfTFT 6/28/2023422.泵类负载的转矩特性泵类负载的转矩特性 水泵、油泵、通风机和水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即转速的平方成正比，即2nFT 泵类负载的转矩特性泵类负载的转矩特性 6/28/2023433.恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性 工作机构负载转矩与转速之积为常数，即工作机构负载转矩与
32、转速之积为常数，即 constant602 fnfTffTP 电力牵引系统：电力牵引系统：汽车爬坡，低速大转矩；高速公汽车爬坡，低速大转矩；高速公路运行，高速小转矩。路运行，高速小转矩。车床加工另件：车床加工另件：粗加工时，较大进刀量和较低转粗加工时，较大进刀量和较低转速；精加工时，较小进刀量和较速；精加工时，较小进刀量和较高转速。高转速。恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性 6/28/202344 以上所述恒转矩负载、泵类负载及恒功率负载都是从各以上所述恒转矩负载、泵类负载及恒功率负载都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载型式，实际的负载可能种实际负载中概括出来的典型的负载型式，实际的
33、负载可能是以某种典型为主或某几种典型的结合。是以某种典型为主或某几种典型的结合。例如通风机，主要是泵类负载特性，但是轴承摩擦又是例如通风机，主要是泵类负载特性，但是轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。又如起重机在提升和下放重物时，一般主要是位能性恒又如起重机在提升和下放重物时，一般主要是位能性恒转矩负载。转矩负载。我们分析电力拖动系统时；负载转矩特性作为已知量对我们分析电力拖动系统时；负载转矩特性作为已知量对待。待。6/28/2023451.3.2电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 电力拖动系统是
34、由电动机与负载两部分组成的，电力拖动系统是由电动机与负载两部分组成的，把电动机的机械特性与负载的转矩特性结合起来，把电动机的机械特性与负载的转矩特性结合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。电力拖动系统的平衡状态电力拖动系统的平衡状态 左图：左图：1.电动机的机械特性电动机的机械特性 2.负载的转矩特性负载的转矩特性电力拖动系统的平衡工作点电力拖动系统的平衡工作点(稳定运稳定运行的必要条件行的必要条件)0 ,dtdnLTT图中两条曲线的交点图中两条曲线的交点A A满足此条件，满足此条件，称为平衡工作点。称为平衡工作点。6/28/202346 实际运行
35、的电力拖动系统，经常会出现一些干扰：电源电实际运行的电力拖动系统，经常会出现一些干扰：电源电压波动压波动;负载转矩波动负载转矩波动;当负载电流较大时，电枢反应使得他励当负载电流较大时，电枢反应使得他励直流电动机的机械特性上翘。直流电动机的机械特性上翘。关键是：关键是：l 突然出现了干扰，系统是否能够稳定运行？突然出现了干扰，系统是否能够稳定运行？l 干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？这就是我们要讨论的电力拖动系统稳定运行的充分条件。这就是我们要讨论的电力拖动系统稳定运行的充分条件。6/28/202347举例：他励直流电动机拖
36、动一泵类负载运行举例：他励直流电动机拖动一泵类负载运行TCCRCUTnnNTeaNe20,0 nU不变；不变；此刻，系统将改变原来的平衡状此刻，系统将改变原来的平衡状态，引起过渡过程：态，引起过渡过程：电磁过渡过程电磁过渡过程 机械过渡过程机械过渡过程相比较而言：相比较而言：机械惯性远远大于电磁惯性，电磁过渡过程很快就结束；机械惯性远远大于电磁惯性，电磁过渡过程很快就结束；而转速变化较慢，必须考虑机械过渡过程。而转速变化较慢，必须考虑机械过渡过程。电力拖动系统的稳定运行电力拖动系统的稳定运行 6/28/202348电力拖动系统的稳定运行电力拖动系统的稳定运行 分析步骤：分析步骤：忽略电磁过渡过
37、程，曲线忽略电磁过渡过程，曲线1 直接替代曲线直接替代曲线1；但此刻，转；但此刻，转速速 不能突变不能突变,负载转矩负载转矩 不不能突变；电动机运行点从能突变；电动机运行点从A变到变到B，电磁转矩变小为，电磁转矩变小为 ；,系统开始减速的机械系统开始减速的机械过渡过程。过渡过程。(2)在减速的机械过渡过程中：在减速的机械过渡过程中：,0nUAnATBT0ABTT 对电动机来讲，对电动机来讲，,电动机运行点沿曲线电动机运行点沿曲线1下降；下降；对泵类负载来讲，对泵类负载来讲，TnLTn6/28/202349电力拖动系统的稳定运行电力拖动系统的稳定运行 dtdnTTTTLL ,直到曲线直到曲线1与
38、曲线与曲线2交于交于A点为止，点为止，0 ,dtdnTTL ,电动机的运行点经历电动机的运行点经历了了 的过程，系统减速过的过程，系统减速过渡过程结束，到达新的平衡点。渡过程结束，到达新的平衡点。ABA 可见，虽然出现了电压干扰，可见，虽然出现了电压干扰，但系统是能够稳定运行；那么，电但系统是能够稳定运行；那么，电压干扰消失后，系统是否能够回到压干扰消失后，系统是否能够回到原来工作点继续稳定运行？原来工作点继续稳定运行？(3)电压干扰消失后，忽略电磁过渡过程，曲线电压干扰消失后，忽略电磁过渡过程，曲线1 直接恢复为直接恢复为曲线曲线1；但此刻，转速；但此刻，转速 不能突变，不能突变，负载转矩负
39、载转矩 不能突变；不能突变；电动机运行点从电动机运行点从A变到变到C，电磁转矩加大为，电磁转矩加大为 ；AnATCT6/28/202350电力拖动系统的稳定运行电力拖动系统的稳定运行 0ACTT ,系统开始升速的机械过渡过程系统开始升速的机械过渡过程(4)在升速的机械过渡过程中：在升速的机械过渡过程中：电动机电动机 ,电动机运行点沿曲电动机运行点沿曲线线1上升；同时，泵类负载上升；同时，泵类负载 ；直到曲线直到曲线1与与曲线曲线2交于交于A点为止点为止,电动机的运行点经历了电动机的运行点经历了TnLTndtdnTTTTLL ,0 ,dtdnTTLACA的过程，系统回到原工作点上稳定运行。的过程
40、，系统回到原工作点上稳定运行。6/28/202351那么，是否所有的电动机机械特性与负载转矩特性上的交点那么，是否所有的电动机机械特性与负载转矩特性上的交点都能稳定运行？都能稳定运行？举例：当负载电流较大时，电枢反应可以使得他励直流电动举例：当负载电流较大时，电枢反应可以使得他励直流电动机的机械特性上翘。机的机械特性上翘。左图：左图：1与与1 为他励直流电动机的机械为他励直流电动机的机械特性特性 2 为恒转矩负载的转矩特性为恒转矩负载的转矩特性电力拖动系统的不稳定运行电力拖动系统的不稳定运行 6/28/202352分析步骤：分析步骤：(1)忽略电磁过渡过程，曲线忽略电磁过渡过程，曲线1 直接替
41、代曲线直接替代曲线1；但此；但此刻，转速刻，转速 不能突变，不能突变，负载转矩负载转矩 不能突变；电动机运行点不能突变；电动机运行点从从A变到变到B,，电磁转矩增大为，电磁转矩增大为 ；系统开始升速的机械过渡过程。系统开始升速的机械过渡过程。,0nUBTAnAT,0 ,0dtdnTTAB电力拖动系统的不稳定运行电力拖动系统的不稳定运行(2)在升速的机械过渡过程中：在升速的机械过渡过程中：负载转矩始终为负载转矩始终为 ，电动机运，电动机运行点沿曲线行点沿曲线1，AT TnndtdnTTAB)(转速上升得越来越快。直到系统转速过高，毁坏电动机为止。转速上升得越来越快。直到系统转速过高，毁坏电动机为
42、止。该系统不能在原来交点该系统不能在原来交点A的附近继续稳定运行，属不稳定运行的附近继续稳定运行，属不稳定运行6/28/202353稳定运行的充分必要条件是稳定运行的充分必要条件是:LTT LTT dndTdndTL(1),(2)在在 处处 在交点所对应的转速之上区域，应保证在交点所对应的转速之上区域，应保证 ，使得，使得当系统高于交点处的速度时，系统作减速运行；当系统高于交点处的速度时，系统作减速运行；在交点所对应的转速之下区域，应保证在交点所对应的转速之下区域，应保证 ，使得当，使得当系统低于交点处的速度时，系统作升速运行。系统低于交点处的速度时，系统作升速运行。LTT LTT 1.电力拖
43、动系统必须在电动机的机械特性与负载转矩特性电力拖动系统必须在电动机的机械特性与负载转矩特性的交点上；的交点上；2.两条曲线在交点处必须配合得好，才能保证系统稳定运两条曲线在交点处必须配合得好，才能保证系统稳定运行：行：6/28/202354判别下列系统能否稳定运行判别下列系统能否稳定运行 6/28/2023556/28/202356 本章要求：本章要求：掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点掌握磁路的基本概念及其电机磁路的特点 掌握描述磁路的基本物理量掌握描述磁路的基本物理量 掌握研究磁路的几个基本定律掌握研究磁路的几个基本定律 熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律熟练掌握电磁感应定律和电磁力定律
44、掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线掌握铁磁材料的性质及其磁化曲线6/28/2023576/28/2023586/28/2023596/28/2023606、磁阻、磁阻Rm6/28/2023616/28/2023626/28/2023636/28/202364 1、电磁感应定律、电磁感应定律 1）运动电势：导体在磁场中运动时，）运动电势：导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势导体中会感应出电势e。大小：电势。大小：电势e=Blv。B:磁密；磁密；l：导体长度；：导体长度；v：导体与磁场的相对速度。正方向：用右导体与磁场的相对速度。正方向：用右手定则判断手定则判断 电势电势e正方向表示电位升高的方向，
45、与正方向表示电位升高的方向，与U相反。如果同一元件上相反。如果同一元件上e和和U正方向相正方向相同时，同时，e=-U。6/28/2023656/28/2023666/28/2023676/28/2023686/28/2023696/28/2023706/28/2023716/28/2023726/28/2023736/28/202374海南风光第第15讲讲直流电动机 6/28/202375第第9章章 直流电动机直流电动机 9.1 概述概述9.2 工作原理工作原理9.3 电枢电动势及电压平衡关系电枢电动势及电压平衡关系9.4 电磁转矩电磁转矩9.5 机械特性机械特性9.6 直流电动机的调速直流电
46、动机的调速9.7 直流电动机的使用和额定值直流电动机的使用和额定值6/28/2023769.1 概述概述与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型
47、龙门刨床等调速范围大的大型设备。调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具6/28/2023779.2 工作原理工作原理 一、一、工作原理工作原理 U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II6/28/202378注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向
48、片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片II6/28/202379FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。6/28/202380直流发电机用右手定则判用右手定则判感应电动势感应电动势Ea的方向的方向U+NSEEIa电枢绕组电枢绕组电阻电阻RanKEE感应电动势感应电动势aaRIEU输出电压输出电压6/28/202
49、381二、二、直流电机的构成直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构6/28/2023821.转子（又称电枢）转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生
50、磁通，称为励磁。产生磁通，称为励磁。6/28/202383根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励U
