电机与电气控制教案
电机与电气控制
第一讲 绪 论
0.1 电机及电力拖动系统概述
0.1.1 电机
电机是生产、传输、分配及应用电能的主要设备。电力拖动系统则是在现代化生产过程中，为了实现各种生产过程所必不可少的传动系统，是生产过程电气化、自动化的重要前提。
电机是利用电磁感应原理工作的机械，它应用广泛，种类繁多，性能各异，分类方法也很多。主要有如下两种常用的分类方法。 一种是按功能用途分，可分为发电机、电动机、变压器和控制电机四大类。发电机是将机械能转换为电能，电动机则是将电能转换为机械能，作为拖动各种生产机械的动力。变压器的的作用是将一种电压等级的电能转换为另一种电压等级的电能。控制电机主要用于信号的变换与传递。
另一种分类方法是按照电机的结构或转速分类，可分为变压器和旋转电机。变压器为静止不旋转电机。
根据电源电流的不同旋转电机又分为直流电机和交流电机两大类，交流电机又分为同步电机和异步电机两类。
综合以上两种分类方法，可归纳如下。
变压器
直流电机
电机 同步电机
交流电机
异步电机
控制电机
0.1.2 电力拖动
用电动机作为原动机来拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。电力拖动系统包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分，他们之间的关系如下所示。
控制设备→电动机→传动机构→生产机械
电动机把电能转换成机械能，通过传动机构把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后，再传给生产机械，驱动生产机械工作。生产机械是执行某一生产任务的机械设备，是电力拖动的对象。控制设备是由各种控制电机、电器、电子元件及控制计算机等组成，用以控制电动机的运动，从而对生产机械的运动实现自动控制。为了向电动机及电气控制设备供电，电源是不可缺少的部分。 异步发电机 异步电动机 同步发电机 同步电动机 直流发电机 直流电动机
由于电力拖动具有控制简单，调节性能好、损耗小、经济、能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械均采用电力拖动。
0.2电气控制
不同产品的生产工艺不同，需要生产机械具有不同的动作，这就要求对拖动机械设备的电动机进行控制。控制的方法很多，有电气控制、液压控制、气动控制和机械控制等，也可以多种控制方式配合使用，但以电气控制最为普遍。
0.3 本课程的性质、任务和内容
本课程是以工业自动化、电气自动化技术、供用电技术和机电一体化等专业的一门专业基础课。它是将“电机学”、“电力拖动”、“控制电机”和“工厂电气控制设备”等课程有机结合而成的一门课程，在整个专业的课程体系中起着重要的承上启下的作用。
本课程的任务是使学生掌握变压器、交直流电机及控制电机的基本结构和工作原理，以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法和电气控制技术。
第二讲 1.1 直流电机的结构与工作原理
1.1.1 直流电机的主要结构
直流电机可作为电动机的运行，也可作为发电机运行。电动机和发电机其结构基本相同，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子。
1.1.1.1 定子部分
定子主要由主磁极、机座、换向磁极、电刷装置和端盖组成。主磁极由铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成，主磁极铁心分成极身和极靴。
直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁效果较好的铸钢材料制成，能同时起到导磁和机械支撑作用。
换向极又叫附加极，其作用是改善直流电机的换向，一般电机的容量超过1kW时均应安装换向极。
电刷装置是直流电机的重要组成部分。通过该装置把电枢中的电流与外部静止电路相连或把外部电源与电枢相连，并把电枢中的交变电流变成电刷上的直流或把外部电路中的直流变成电枢中的电流。
1.1.1.2转子部分
直流电机的转子是电机的转动部分，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、电机转轴和轴承等部分组成。
电枢铁心是主磁路的一部分，同时对放置在其上的电枢绕组起支
撑作用。为减少当电机旋转时铁心中由于磁通方向发生变化引起磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片冲压成型，并在硅钢片的两侧涂绝缘漆。硅钢片上冲出转子槽用来放置绕组，冲制好的硅钢片叠装成电枢铁心。
电枢绕组是直流电机的重要组成部分。绕组由带绝缘的导体绕制而成，对于小型电机常采用铜导线绕制，对于大中型电机常采用成型线圈。在电机中每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律的连接起来形成电枢绕组。
换向器又叫整流子。对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。
1.1.2 直流电机的基本工作原理
直流电机分为直流电动机和直流发电机两大类。直流电机的工作原理可通过直流电机模型加以说明。
1.1.2.1 直流发电机的工作原理
磁极固定不动，称其为直流电机的定子。转子线圈与外电路的连接时通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。在定子与转子间由间隙存在，称其为空气隙。简称气隙。
导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。
实际直流发电机的电枢是根据实际应用情况需要有多个线圈，线圈分布于电枢铁心表面的不同位置上，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替放置多对。
1.1.2.2直流电动机的工作原理
把 电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。
根据毕-萨电磁力定律可知导体每边所受电磁力的大小为：
f=BxlI
式中，I为导体中流过的电流，单位为A；f为电磁力，单位为N。 导体受力方向由左手定则确定。
与直流发电机相同，实际直流发电机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。
1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列
铭牌数据主要包括：电机型号、电机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出场编号、出厂日期等。
国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分字符用大写的汉语拼音表示产品代号，第二个字符用阿拉伯数字表示设计序号，第三个字符是机座代号，用阿拉伯数字表示，第四个字符表示电枢铁心长度代号，用阿拉伯数字表示。现以Z2-92为例说明，型号的含义是：Z代表一般用途直流电机；下脚标 2代表第二次设计；9代表机座号；2代表电枢铁心长度序号。
第三讲 1.2 直流电机的.绕组简介
电枢绕组是直流电机的核心部分。电枢绕组放置在电机的转子上，当转子在电机磁场中转动时，不论是电动机还是发电机，绕组均产生感应电动势。当转子中有电流时将产生电枢磁通势，该磁通势与电机气隙磁场相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量的相互转换。
1.2.1电枢绕组基本知识
电枢绕组是由多个形状相同的绕组元件，按照一定的规律连接起来组成的。根据连接规律的不同，绕组可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混合绕组等几种形式。下面介绍绕组中常用的基本知识。
元件：构成绕组的线圈为绕组的元件，元件分为单匝和多匝两种。 元件的首末端：每一个元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换向片相连，其中一根叫首端，另一根叫末端。
极距：相邻主磁极间的距离称为极距。极距用τ表示，可用下式
πD 计算τ= 2p
式中，D为电枢铁心外直径；p为直流电机磁极对数。
叠绕组：是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组呈折叠式前进。
波绕组：是指相串联的两个元件像波浪式的前进。
1.2.2 单叠绕组
单叠绕组的特点是相邻元件相互叠压，合成节距与换向节距均为1，即：y=yk=1。
1.2.2.1 单叠绕组的节距计算
第一节距y1的计算
Z y1= ±ε 2p
式中，Z为电机电枢槽数：p为磁极对数；ε为使y1为整数而加的一个小数。当ε为负的小数时，线圈为短距线圈；当ε为正的小数时，线圈为长距线圈。长短距线圈的有效边的长度是一样的，但长距线圈连接部分比短距线圈要长，使用铜导线较多，因此通常使用短距线圈。
单叠绕组的合成节距和换向节距相同，即y=yk=±1，一般取y=yk=+1，此时的单叠绕组称为右行绕组，元件的连接顺序为从左向右进行。
第二节距y2的计算
单叠绕组的第二节距y2由第一节距与合成节距之差计算得到 y2=y1—y
1.2.2.2 单叠绕组的展开图
电机的绕组的展开图是把放在铁心槽里，构成绕组的所有元件均取出来，画在同一张图里，其作用是展示元件相互间的电气连接关系。除元件外，展开图中还包括主磁极、换向片及电刷以表示元件间、电
刷与主磁极间的相对位置关系。
1.2.2.3 单叠绕组的元件连接顺序及并联支路图
单叠绕组有以下特点。
①同一主磁极下的元件串连在一起组成一个支路，这样有几个主磁极就有几个支路。
②电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。
③电枢电流等于各并联支路电流之和。
单叠绕组为保证两电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小，电刷应放置在换向器表面主磁极的中心线位置上。电刷应放在中心线上，是指被电刷短路的元件，它的元件边位于几何中心线处。
1.2.3 单波绕组
1.2.3.1单波绕组的节距计算
单波绕组的第一节距y1的计算方法与单叠绕组的计算相同。 当沿圆周向一个方向绕了一周。经过p和串联的元件后（p为主磁极对数），其末尾所连的换向片必须落在与起始的换向片相邻的位置，这样才能使第一周元件继续往下连，此时换向总节距数位pyk，即pyk=K±1
式中，K为换向片数。
K±1
由上式可得换向节距为yk=
1.2.3.2 单波绕组的特点 p
①同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数a=1，与磁极对数p无关；
②当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大（即正、负电刷间电动势最大）。
③电刷杆数也应等于磁极数（常用全额电刷）；
④电枢电动势等于支路感应电动势；
⑤电枢电流等于两条支路电流之和。
单叠绕组适合用于低电压、大电流的直流电机。而单波绕组适用于较高电压、较小电枢电流的直流电机。
第四讲 1.3直流电机的电枢电动势和电磁转距
当直流电机作为电动机运行时，电磁转距为拖动转距，通过电机轴带动负载，电枢感应电动势为反向电动势与电枢所外加电压相平衡；其作为电动机运行时，电磁转距为阻转距，电枢感应电动势为正向电动势向外输出电压，供给直流负载。
1.3.1 直流电机的电枢电动势
电枢绕组中的感应电动势，简称为电枢电动势。电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每个支路里的感应电动势。
Ea= pN φn=Ceφn pN 式中，Cea为并联60a
支路对数；N为电枢导体总数。磁通φ的单位为Wb，转数n的单位为r/min，感应电动势Ea的单位为的单位为V。
公式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。当电机制造好以后，与电机有关的常数Ce不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。
1.3.2 直流电机的电磁转距
根据电磁力定律，当电枢绕组中有电枢电流流过时，在磁场内将受到电磁力的作用，该力乘以电机电枢铁心的半径即为电磁转距。
Tem= CtφIa
Ct =9.55 Ce
式中，Ct为转矩常数，仅与电机的结构有关；Ia为电枢电流，单位为A；φ为磁通，单位为Wb；Tem为电磁转矩，单位为N·m。
从公式可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。
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