电机及其电气控制

福州大学电机及电气自动控制整合，包含电力拖动系统的组成、电力拖动系统的组成、异步电动机的T型等效电路（不同运行状态下等效电阻的特点）。

电机及其电气控制

• 电力拖动系统的组成
  • 电力拖动系统一般由四个子系统组成：电源、电动机、控制设备、传动机构。
  • 电源：电源是电动机和控制设备的能源，分为交流电源和直流电源。
  • 电动机：电动机是生产机械的原动机，其作用是将电能转换成机械能。电动机可分为交流电动机和直流电动机。
  • 控制设备：控制设备用来控制电动机的运转，由各种控制电动机的电器、自动化元件及工业控制计算机等组成。
  • 传动机构：传动机构是在电动机于生产机械的工作机构之间传递动力的装置，如减速箱、传动带、联轴器等。
• 电力拖动系统的运动方程式
• 电力拖动系统的三种运行状态
• 工作机构参量的折算（折算原则、折算公式、计算）
  • 处理方法：把工作机构及传动机构有关参量折算到电机轴 进行分析。只需求解电机轴的受力平衡式。
  • 折算原则：能量守恒原则
    • 保持两个系统传送的功率不变
    • 保持两个系统存储的动能不变
  • 需要折算的参量有：
    • 工作机构受到的阻转矩
    • 工作机构受到的直线作用力
    • 各轴的转动惯量
    • 直线运动物体的质量
• 生产机械的负载转矩特性（特点、常见负载属于哪种类型）
  • 一、恒转矩负载特性:Tz = k
    • 特点：Tz 的大小与n的大小无关
    • 反抗性：Tz 的方向与n的方向有关，摩擦力引起的。
      • 反抗性恒转矩负载特性应画在一三象限内
      • 这类负载有金属的压延机构,机床的平移机构等
    • 位能性：Tz 的方向与n的方向无关，重力引起的。
      • 位能性恒转矩负载特性应画在二四象限内
  • 二、通风机负载特性:Tz = kn2
    • 特点：Tz的大小与n的平方成正比
    • 主要有：风扇类、泵类负载
  • 三、恒功率负载特性：Tz = k/n
    • 特点：负载功率Pz基本不变
    • 例如：车床粗加工时，切削量大，阻转矩大，此时应开低速；精加工时，切削量小，阻转矩小，为提高效率，可以开高速，两种情况下，电机的输出功率基本保持不变。 汽车驾驶也是类似原理。
• 他励直流电动机的机械特性（常用公式、固有特性和人为特性的特点）
• 电力拖动系统稳定运行的条件（判据）
• 他励直流电动机的起动（为何不能直接起动、起动方法、起动电阻计算）
• 他励直流电动机起动的过渡过程（起动过去缓慢的原因及加快起动过程的方法）
• 他励直流电动机起动的电气自动控制（过程分析、器件功能）
• 他励直流电动机的制动（制动与电动的区分、类型、原理、计算）
• 他励直流电动机的调速（技术经济指标、调速方法、优缺点、计算）
• 异步电动机的转速、转向、转差率、转子频率（公式、计算）
• 异步电机的三种运行状态（速度范围、转差率范围、能量传递方向、判断依据）
• 异步电动机的T型等效电路（不同运行状态下等效电阻的特点）
• 异步电动机的功率方程式（重点：转子回路）
• 异步电动机的电磁转矩表达式
• 机械特性的物理表达式（表达式、转子电流及功率因数表达式、随速度变化特点）
• 机械特性的参数表达式（表达式、最大转矩坐标、最大转矩与电压及转子电阻关系、起动转矩与电压及转子电阻关系）
• 机械特性的实用表达式（表达式、最大转矩坐标的求解、计算）
• 异步电动机的制动（类型、特点）
• 三相异步电动机的直接起动（直接起动的特点、原因）
• 三相异步电动机的降压起动（方法；电压、电流、转矩下降倍数关系、计算）
• 转子串电阻起动的优点（为什么既能减小电流又能增大电阻）
• 异步电动机的调速方法
• 变极调速（原理、注意事项、联结法、调速性质）
• 变频调速（电压控制方法、适用场合）
• 能耗转差调速的方法、特点
• 基本知识
  • 实际的直流电机电枢绕组的导体数较多，电枢绕组感应电动势为多根导体感应电势之和，大小为：Ea = CeΦn ，其中Ce 是与电机结构有关的常数。感应电势的方向由磁场方向和电机转向决定，改变磁场方向或电机的转向可以改变感应电动势的方向。
  • 电枢绕组在磁场中受到电磁转矩 T = CTΦIa ，CT =9.55 Ce。电磁转矩的方向由磁场方向和电枢电流方向决定，改变磁场方向或电流方向可以改变电磁力的方向。
  • 根据励磁绕组和电枢绕组之间的连接，直流电机可分为：
    • 他励：励磁绕组和电枢绕组之间没有电的联系；
    • 并励：励磁绕组和电枢绕组相并联；
    • 串励：励磁绕组和电枢绕组相串联；
    • 复励：励磁绕组分为两部分，分别与电枢绕组串联和并联。
  • 直流电机的基本结构：
    • 定子和转子两个部分
      • 定子作用：产生主磁场和在机械上支撑电机。
      • 定子组成：主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等。
  • 直流电动机的主要结构
    • 1、主磁极
      • 主磁极包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，其主要任务是产生主磁场。磁极下面扩大的部分称为极掌，它的作用是使通过空气中的磁通分布最为合适，并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上。磁极是磁路的一部分，采用1.0-1.5毫米的钢片叠压制成。励磁绕组用绝缘铜线绕成。
    • 2、换向极
      • 换向极用来改善电枢电流的换向性能。它也是由铁心和绕组构成的，用螺杆固定在定子的两个主磁极的中间。
    • 3、机座
      • 机座一方面用来固定主磁极，换向极和端盖等，并作整个电机的支架用地脚螺钉将电机固定在基础上，另一方面也是电机磁路地一部分，故用铸钢或者是钢板压成。
    • 4、电枢铁心
      • 电枢铁心是主磁极地一部分，用硅钢片叠成，呈圆柱形，表面冲了槽，槽内嵌放电枢绕组。为了加强铁心的冷却，电枢铁心上有轴向通风孔。
    • 5、电枢绕组
      • 电枢绕组示直流电机产生感应电势及电磁转距以实现能量转换的关键部分。绕组一般由铜线绕成，包上绝缘后嵌入电枢铁心的槽中，为了防止离心力将绕组甩出槽外，用槽楔将绕组导体楔在槽内。
    • 6、电刷装置
      • 电刷装置包括电刷及电刷座，它们固定在定子上，其电刷与换向器保持滑动接触，以便将电枢绕组和外电流接通。
    • 7、换向器
      • 换向器的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换成电枢绕组的交流直流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转距。换向器由很多彼此绝缘的铜片组合而成，这些铜片称为换向片，每个换向片都和电枢绕组连接。如图示的是换向器的结构图。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
• 实题演练 1、生产机械的负载转矩特性可归纳为三种类型： 恒转矩负载特性、 负载特性和 负载特性，其中恒 转矩负载特性又可分为 位能性 恒转矩负载和 反抗性 恒转矩负载特性。 2、金属压延机构和机床平移机构属于 反抗性 负载，水泵和油 泵属于通风机负载，起重机构属于 位能性 负载， 车床的切削机构属于 恒功率 负载。（位能性，反抗性，恒功率，通风机） 3、位能性恒转矩负载的特点是：提升负载时， Tz （帮助， 阻碍）提升；下放负载时， Tz （帮助，阻碍）下放，而 Tz 的方向是 （固定，变化）的。