电力拖动系统动力学 (2).ppt
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1、电气与信息工程学院电气工程系电气与信息工程学院电气工程系绪言绪言n一、电机及电力拖动技术的发展概况一、电机及电力拖动技术的发展概况n(一)电机的发展概况(一)电机的发展概况 1 1、电能的应用非常广泛,其优点有:、电能的应用非常广泛,其优点有:生产和变换经济生产和变换经济 传输和分配比较容易传输和分配比较容易 使用和控制方便使用和控制方便 n2 2、电机在电能的应用与生产上起着关、电机在电能的应用与生产上起着关键作用:键作用:电力工业中:发电机与变压器电力工业中:发电机与变压器 工业企业:电动机作为原动机大量工业企业:电动机作为原动机大量使用使用 自动控制技术:控制电动机被广泛自动控制技术:控
2、制电动机被广泛使用使用n3 3、电机为一种机械装置、电机为一种机械装置,其通过电磁感其通过电磁感应应 作用实现作用实现机电机电能量转化。能量转化。n4 4、电机是随着生产发展而产生和发、电机是随着生产发展而产生和发展的展的,反过来也促进了社会生产力的反过来也促进了社会生产力的不断提高。不断提高。n5 5、我国的电机制造工业也取得很大、我国的电机制造工业也取得很大成绩。成绩。n6 6、电机在制造上向着、电机在制造上向着大型大型、巨型巨型发发展。中小型电机也在控制方面也大大展。中小型电机也在控制方面也大大提高了提高了控制技术控制技术。n(二)电力拖动的发展(二)电力拖动的发展 1 1、成组拖动用电
3、力拖、成组拖动用电力拖动代替蒸汽机拖动或水力拖动。动代替蒸汽机拖动或水力拖动。2 2、单电机拖动系统、单电机拖动系统 3 3、多电机拖动系统、多电机拖动系统 4 4、自动化电力拖动系统、自动化电力拖动系统n(三)自动化电力拖动系统的发展(三)自动化电力拖动系统的发展 1 1、继电器接触器型控制系统(有、继电器接触器型控制系统(有触点断续)触点断续)2 2、发电机电动机组、发电机电动机组 交磁电机放大系统、磁放大系统等交磁电机放大系统、磁放大系统等 晶闸管整流系统晶闸管整流系统n3 3、自动化直流拖动系统向集中化、自动化直流拖动系统向集中化、小型化、微型化控制发展。小型化、微型化控制发展。n4
4、4、交流电力拖动系统逐步取代、交流电力拖动系统逐步取代直流电力拖动系统直流电力拖动系统n5 5、自动化电力拖动迈向计算机、自动化电力拖动迈向计算机控制的生产过程自动化。控制的生产过程自动化。n6 6、自动化电力拖动系统成为低、自动化电力拖动系统成为低成本自动化系统的重要组成部分。成本自动化系统的重要组成部分。二、本课程的性质二、本课程的性质 电子信息类学科自动化专业电子信息类学科自动化专业和非电机学专业、电气工程等电和非电机学专业、电气工程等电气类专业及以电为主的机电一体气类专业及以电为主的机电一体化类专业的一门重要化类专业的一门重要技术基础课技术基础课 是电气控制与是电气控制与PLCPLC、
5、自动控自动控制原理、伺服系统、数控机床等制原理、伺服系统、数控机床等课程的基础。课程的基础。n1 1、本课程的任务本课程的任务:使学生掌握常用交直使学生掌握常用交直流电机、控制电机及变压器等的基本结流电机、控制电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法。性能、分析计算、电机选择与实验方法。为后续课程准备必要的基础知识。为后续课程准备必要的基础知识。n2 2、本课程的内容本课程的内容:主要研究电机与电力主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题,具有拖动系统的基本理论问题,具有“电机电机学学”和和“电力拖动基础电力拖
6、动基础”的基本内容。的基本内容。三、本课程的任务与内容三、本课程的任务与内容四、本课程的重点四、本课程的重点 对象:对象:各类电机基本原理、各类电机基本原理、基本结构、运行特性基本结构、运行特性 重点:重点:交流、直流电动机的机交流、直流电动机的机械特性、起动、制动、调速原理及械特性、起动、制动、调速原理及方法方法。五、学习方法五、学习方法 1.1.掌握分析问题的方法掌握分析问题的方法 2.2.理解公式所表达的物理意义理解公式所表达的物理意义 3.3.重点掌握原理重点掌握原理六、电机的作用六、电机的作用 能源系统的关键设备能源系统的关键设备 电能电能电机电机 发电发电输电输电用电用电 各领域中
7、有特殊要求的动力装置各领域中有特殊要求的动力装置葛洲坝水利枢纽工程葛洲坝水利枢纽工程三峡电站三峡电站三峡水力发电机组三峡水力发电机组n三峡电站的水轮发电机全球最大的水轮发电机三峡电站的水轮发电机全球最大的水轮发电机火力发电厂火力发电厂火力发电机组火力发电机组丹麦丹麦Vesta公司生产的风力发电机组公司生产的风力发电机组电能的传输、变换电能的传输、变换n电能的传输和变化离不开电机。要传电能的传输和变化离不开电机。要传输一定的电能,为了减小传输线上的输一定的电能,为了减小传输线上的损耗,希望电压越高越好,而用户用损耗,希望电压越高越好,而用户用电则为低压电。因此在电能的传输中电则为低压电。因此在电
8、能的传输中必须使用变压器。必须使用变压器。n电能的变换包括幅值、频率、相位以电能的变换包括幅值、频率、相位以及交直流形式上的变换及交直流形式上的变换。20kV/500kV(220kV)20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV 500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 110kV/35kV 35kV/10kV 35kV/10kV 10kV/380V 10kV/380V 为了把发电厂发出的电力输送到四为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户,需要将发电机输出的面八方的用户,需要将发电机输出的20kV20kV左右的电压升高。在我国,一般升左右的电压升
9、高。在我国,一般升高到高到220kV220kV或或500kV500kV。连接发电机与电网的升压变压器连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的封连接发电机的封闭母线闭母线 与电网相连的与电网相连的高压出线端高压出线端大型电力变压器(保定天威生产)大型电力变压器(保定天威生产)配电变压器配电变压器电路板上所使用的低压高频变压器电路板上所使用的低压高频变压器电能的利用n电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量电能的利用主要是指将电能转换为所需的能量形式,其中最为主要的就是将电能转换为机械形式,其中最为主要的就是将电能转换为机械能。要求在转换过程中能。要求在转换过程中(1)、转换效率高;)、转换效率高
10、;(2)、可靠性高。)、可靠性高。n往往在能量转换的同时也能对运动进行控制,往往在能量转换的同时也能对运动进行控制,这就引入了一个新的研究分支电力传动。这就引入了一个新的研究分支电力传动。n相对而言,电机这一概念往往是指电动机。相对而言,电机这一概念往往是指电动机。哈尔滨电机厂生产的哈尔滨电机厂生产的1MW电机电机手机震动电机手机震动电机电动自行车所用的无刷直流电机电动自行车所用的无刷直流电机电机图返回1.磁感应强度磁感应强度B B 表示磁场内某点磁场强弱和表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。方向的物理量。第一章磁路第一章磁路111 1 磁路的基本物理量磁路的基本物理量磁感应强度磁感应强度B
11、的方向的方向:与电流的方向之间符合与电流的方向之间符合右手螺右手螺旋旋定则。定则。磁感应强度磁感应强度B的大小的大小:磁感应强度磁感应强度B的单位的单位:特斯拉特斯拉(T),1 1T=1Wb/m2 均匀磁场均匀磁场:各点磁感应强度大小相各点磁感应强度大小相等,方向相同的磁场,也称等,方向相同的磁场,也称匀强磁匀强磁场场。2.磁通磁通穿过垂直于穿过垂直于穿过垂直于穿过垂直于B B方向的面积方向的面积方向的面积方向的面积S S中的磁力线总数。中的磁力线总数。中的磁力线总数。中的磁力线总数。说明说明说明说明:若不是均匀若不是均匀若不是均匀若不是均匀磁场,磁场,磁场,磁场,则取则取则取则取B B的平均
12、值。的平均值。的平均值。的平均值。在在均匀磁场中均匀磁场中 =B S 或或 B=/S磁感应强度磁感应强度B在数值上可以看成为与磁在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通场方向垂直的单位面积所通过的磁通,故故又称又称磁通密度磁通密度。单位单位单位单位:韦韦韦韦 伯伯伯伯(WbWb)1Wb=1V 1Wb=1Vs s 3.磁场强度磁场强度H H介质中某点的磁感应强度介质中某点的磁感应强度 B B 与介质与介质磁导率磁导率 之比。之比。磁场强度磁场强度H的单位的单位:安培安培/米(米(A/m)真空的磁导率为常数,用真空的磁导率为常数,用真空的磁导率为常数,用真空的磁导率为常数,用 0 0
13、表示,有:表示,有:表示,有:表示,有:4.磁导率磁导率 表示磁场媒质磁性的物理量,衡量物质的导磁能力表示磁场媒质磁性的物理量,衡量物质的导磁能力表示磁场媒质磁性的物理量,衡量物质的导磁能力表示磁场媒质磁性的物理量,衡量物质的导磁能力。相对磁导率相对磁导率相对磁导率相对磁导率 r r:任一种物质的磁导率任一种物质的磁导率任一种物质的磁导率任一种物质的磁导率 和真空的磁导率和真空的磁导率和真空的磁导率和真空的磁导率 0 0的比值的比值的比值的比值。单位:单位:单位:单位:亨亨亨亨/米(米(米(米(H/mH/m)任意选定一个闭合回线的围绕方向,凡是任意选定一个闭合回线的围绕方向,凡是电流方向与闭合
14、回线围绕方向之间符合右螺电流方向与闭合回线围绕方向之间符合右螺旋定则的电流作为正、反之为负。旋定则的电流作为正、反之为负。式中:式中:是磁场强度矢量沿任意闭合是磁场强度矢量沿任意闭合 线线(常取磁通作为闭合回线常取磁通作为闭合回线)的线积分;的线积分;I I 是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。是穿过闭合回线所围面积的电流的代数和。安培环路定律安培环路定律安培环路定律安培环路定律电流正负的规定电流正负的规定电流正负的规定电流正负的规定:安培环路定律(全电流定律)安培环路定律(全电流定律)安培环路定律(全电流定律)安培环路定律(全电流定律)I IHH线圈匝数与电流的乘积线圈匝数与电流的乘积NI
15、,称为称为磁通势磁通势,用字母用字母 F 表示,则有表示,则有 F=NI磁通由磁通势产生磁通由磁通势产生,磁通势的单位是安,磁通势的单位是安培培。S Sx x HHx xI IN N匝匝匝匝安培环路定律将安培环路定律将安培环路定律将安培环路定律将电流与磁场强度联系起来。电流与磁场强度联系起来。电流与磁场强度联系起来。电流与磁场强度联系起来。在在均匀磁场中均匀磁场中 Hl=IN 2、磁路的欧姆定律F磁路的磁通势,磁路的磁通势,FNi,即为作用在即为作用在铁心上的安匝数,单位为铁心上的安匝数,单位为A为磁路的磁阻,单位为为磁路的磁阻,单位为A/Wb 3、磁路的基尔霍夫定律、磁路的基尔霍夫定律 (1
16、)磁路的基尔霍夫第一定律)磁路的基尔霍夫第一定律 穿出或进入任何一闭合面的总穿出或进入任何一闭合面的总磁通恒等于零,即磁通恒等于零,即磁通连续性定律。磁通连续性定律。(2)磁路的基尔霍夫第二定律沿任何磁路的基尔霍夫第二定律沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。的代数和。物质的磁性物质的磁性(1 1)非磁性物质非磁性物质非磁性物质非磁性物质 非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章,几乎非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章,几乎非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章,几乎非磁性物质分子电流的磁场方向杂乱无章,几乎不受外磁场的影响而互相抵消,不具有磁化特性。
17、不受外磁场的影响而互相抵消,不具有磁化特性。不受外磁场的影响而互相抵消,不具有磁化特性。不受外磁场的影响而互相抵消,不具有磁化特性。非磁性材料的磁导率都是常数,有:非磁性材料的磁导率都是常数,有:非磁性材料的磁导率都是常数,有:非磁性材料的磁导率都是常数,有:所以磁通所以磁通 与产生此磁通的电流与产生此磁通的电流 I I 成正比,呈线性关系。成正比,呈线性关系。当磁场媒质是非磁性材料时,有:当磁场媒质是非磁性材料时,有:当磁场媒质是非磁性材料时,有:当磁场媒质是非磁性材料时,有:即即即即 B B与与与与 H H 成正比,呈线性关系。成正比,呈线性关系。成正比,呈线性关系。成正比,呈线性关系。由
18、于由于由于由于O OHHB B 0 0 ,r r 1 1B B=0 0 H H()(I I)(2 2)磁性物质磁性物质磁性物质磁性物质 磁性物质内部形成许多小区域,其分子间存在的一磁性物质内部形成许多小区域,其分子间存在的一磁性物质内部形成许多小区域,其分子间存在的一磁性物质内部形成许多小区域,其分子间存在的一种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐,种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐,种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐,种特殊的作用力使每一区域内的分子磁场排列整齐,显示磁性,称这些小区域为磁畴。显示磁性,称这些小区域为磁畴。显示磁性,称这些小区域为磁畴。显示磁性,称这
19、些小区域为磁畴。磁化磁化磁化磁化:在外磁场作用下,磁畴方向发生变化,使之:在外磁场作用下,磁畴方向发生变化,使之:在外磁场作用下,磁畴方向发生变化,使之:在外磁场作用下,磁畴方向发生变化,使之与外磁场方向趋于一致,物质整体显示出磁性来,与外磁场方向趋于一致,物质整体显示出磁性来,与外磁场方向趋于一致,物质整体显示出磁性来,与外磁场方向趋于一致,物质整体显示出磁性来,称为。即称为。即称为。即称为。即磁性物质能被磁化。磁性物质能被磁化。磁性物质能被磁化。磁性物质能被磁化。磁磁磁磁畴畴畴畴外外外外磁磁磁磁场场场场在没有外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排在没有外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排
20、在没有外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排在没有外磁场作用的普通磁性物质中,各个磁畴排列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性。列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性。列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性。列杂乱无章,磁场互相抵消,整体对外不显磁性。磁磁磁磁畴畴畴畴磁性材料的磁性能磁性材料的磁性能1.高导磁性高导磁性 磁性材料的磁导率通常都很高,即磁性材料的磁导率通常都很高,即磁性材料的磁导率通常都很高,即磁性材料的磁导率通常都很高,即 r r 1 1(如坡如坡如坡如坡莫合金,其莫合金,其莫合金,其莫合金,其 r r 可达可达可达可达 2 2 10105 5)。磁性材料磁性材料磁
21、性材料磁性材料能被强烈的磁化,能被强烈的磁化,能被强烈的磁化,能被强烈的磁化,有很高的导磁性能。有很高的导磁性能。有很高的导磁性能。有很高的导磁性能。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都中,如电机、变压器及
22、各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。放有铁心。放有铁心。放有铁心。磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备磁性物质的高导磁性被广泛地应用于电工设备中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都中,如电机、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁心。放有铁心。放有铁心。放有铁心。在这种在这种在这种在这种具有铁心的线圈中通入不太大具有铁心的线圈中通入不太大具有铁心的线圈中通入不太大具有铁心的线圈中通入不太大的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强
23、的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强的励磁电流,便可以产生较大的磁通和磁感应强度。度。度。度。2.磁饱和性磁饱和性B BJ J 磁场内磁性物质的磁化磁场磁场内磁性物质的磁化磁场磁场内磁性物质的磁化磁场磁场内磁性物质的磁化磁场 的磁感应强度曲线;的磁感应强度曲线;的磁感应强度曲线;的磁感应强度曲线;B B0 0 磁场内不存在磁性物质时的磁场内不存在磁性物质时的磁场内不存在磁性物质时的磁场内不存在磁性物质时的 磁感应强度直线;磁感应强度直线;磁感应强度直线;磁感应强度直线;B B B BJ J曲线和曲线和曲线和曲线和B B0 0直线的纵坐标相直线的纵
24、坐标相直线的纵坐标相直线的纵坐标相 加即磁场的加即磁场的加即磁场的加即磁场的 B B-HH 磁化曲线。磁化曲线。磁化曲线。磁化曲线。O OHHB BB B0 0B BJ JB B a a b b磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁性物质因磁化所产生的磁性物质因磁化所产生的磁性物质因磁化所产生的磁性物质因磁化所产生的磁化磁场磁化磁场磁化磁场磁化磁场不不不不会随着外会随着外会随着外会随着外磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程磁场的增强而无限的增强。当外磁场增大到一定程度时,磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转
25、向与外度时,磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外度时,磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外度时,磁性物质的全部磁畴的磁场方向都转向与外部磁场方向一致,磁化磁场的磁感应强度将趋向定部磁场方向一致,磁化磁场的磁感应强度将趋向定部磁场方向一致,磁化磁场的磁感应强度将趋向定部磁场方向一致,磁化磁场的磁感应强度将趋向定值。值。值。值。B B-HH 磁化曲线的特征:磁化曲线的特征:磁化曲线的特征:磁化曲线的特征:O Oa a段:段:段:段:B B 与与与与HH几乎成正比地增加;几乎成正比地增加;几乎成正比地增加;几乎成正比地增加;abab段:段:段:段:B B 的增加缓慢下来;的增加缓慢下来;的增加缓
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