電機與拖動第0章緒論

1、信息與工程學院電氣工程系信息與工程學院電氣工程系蔡春偉蔡春偉宋健宋健1 1號樓南號樓南317 317 電機與拖動一、電機的作用一、電機的作用 能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備能源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備 各領(lǐng)域中有特殊要求的動力裝置各領(lǐng)域中有特殊要求的動力裝置電能電能電機電機 發(fā)電機發(fā)電機-輸電輸電-用電用電1.1.發(fā)電環(huán)節(jié)發(fā)電環(huán)節(jié)各種電機各種電機 引進引進600MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 國產(chǎn)國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機國產(chǎn)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子汽輪發(fā)電機定子國產(chǎn)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心汽輪發(fā)電機定子鐵心現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機20kV/500kV(220kV) 20kV/500k

2、V(220kV) 為了把發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到四面八方為了把發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到四面八方的用戶，需要將發(fā)電機輸出的的用戶，需要將發(fā)電機輸出的 20 kV 左右的電左右的電壓升高。在我國，一般升高到壓升高。在我國，一般升高到220kV或或500kV。為了輸送一定大小的功率、采用高電壓。為了輸送一定大小的功率、采用高電壓。500kV(220kV)/110kV500kV(220kV)/110kV110kV/35kV110kV/35kV35kV/10kV35kV/10kV10kV/380V10kV/380V連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機的連接發(fā)電機的封閉母線封閉母

3、線 與電網(wǎng)相連與電網(wǎng)相連的高壓出線端的高壓出線端3.3.用電環(huán)節(jié)用電環(huán)節(jié)電動機電動機1 1）各行業(yè)廣泛使用電動機）各行業(yè)廣泛使用電動機2 2）在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用）在高新技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用 信息技術(shù)（雷達驅(qū)動）信息技術(shù)（雷達驅(qū)動） 航天航空航海（超聲波馬達，數(shù)碼航天航空航海（超聲波馬達，數(shù)碼相機調(diào)焦）相機調(diào)焦） 生物醫(yī)學工程（多種醫(yī)療設(shè)備生物醫(yī)學工程（多種醫(yī)療設(shè)備, ,人工心臟）人工心臟）二、電機發(fā)展歷程及當前狀況二、電機發(fā)展歷程及當前狀況 1837 1837年年 直流電機直流電機 18871887年年 異步電動機異步電動機 18891889年年 三相系統(tǒng)三相系統(tǒng)1.1.歷程歷程 至今保留在美

4、國麻省理工學院 的由愛迪生發(fā)明的一種直流電動機 2. 2.我國目前實際應(yīng)用情況我國目前實際應(yīng)用情況 汽發(fā)：消化引進，設(shè)計汽發(fā)：消化引進，設(shè)計600MW600MW 700MW700MW水發(fā)水發(fā), , 三峽電站三峽電站 500kV500kV輸電線路以及相應(yīng)的變壓器輸電線路以及相應(yīng)的變壓器 500kV500kV直流輸電，西電東送運行中直流輸電，西電東送運行中 400MW400MW燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組 引進建設(shè)引進建設(shè) 600MW600MW核電機組核電機組 各種電動汽車各種電動汽車3.3.當前研究、開發(fā)與創(chuàng)新當前研究、開發(fā)與創(chuàng)新國內(nèi)外與電機相關(guān)的研究領(lǐng)域國內(nèi)外與電機相關(guān)的研究領(lǐng)域

5、精確模型研究精確模型研究 新能源技術(shù)（風力發(fā)電，波浪發(fā)電，核電）新能源技術(shù)（風力發(fā)電，波浪發(fā)電，核電） 機電一體化機電一體化( (電機、電力電子與微電子結(jié)合電機、電力電子與微電子結(jié)合) ) 特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機）特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機） 精確模型研究 300MW 汽輪發(fā)電機fNfII，NUU 的電抗值 新能源技術(shù)新能源技術(shù)風力發(fā)電風力發(fā)電山東省風能資源總含量為6700萬千瓦，相當于368個三峽水電站（1820萬千瓦）的裝機容量 光伏發(fā)電光伏發(fā)電-微逆變器微逆變器波浪發(fā)電 波浪能電站外景波浪能電站外景 波浪能電站內(nèi)景波浪能電站內(nèi)景 新能源技術(shù)潮汐發(fā)電潮汐發(fā)電秦山核電站汽輪機廠房

6、秦山核電站汽輪機廠房核能電廠 機電一體化機電一體化 如果用正在發(fā)展的新型永磁無刷直流電動如果用正在發(fā)展的新型永磁無刷直流電動機代替普通電動機機代替普通電動機, ,效果如下：效果如下：電冰箱：電冰箱：10001000萬臺萬臺/ /年，電量少年，電量少15%15%洗衣機：洗衣機：11001100萬臺，噪音降低萬臺，噪音降低1010分貝，節(jié)分貝，節(jié) 省電能省電能50%50%，節(jié)水，節(jié)水20%20%http:/ 特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機）特殊新用途（電磁發(fā)射，納米電機） 電磁發(fā)射技術(shù)電磁發(fā)射技術(shù) （發(fā)射導彈）（發(fā)射導彈）超微電機與微型機器人技術(shù)超微電機與微型機器人技術(shù)人工心臟技術(shù)人工心臟技術(shù) 電

7、磁推進電磁推進電磁發(fā)射噸位最大全電推進戰(zhàn)艦通用電氣能源管理公司的電力轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)部已交付八臺推進電機 .每艘長為280米，排水量65000噸 微型機器人下面是幾個實例：下面是幾個實例： 航天超聲波電機航天超聲波電機 高速發(fā)電的發(fā)電機高速發(fā)電的發(fā)電機 人工肌肉直線電機人工肌肉直線電機 超導電機超導電機 電動機故障診斷電動機故障診斷 艦船驅(qū)動用電動機艦船驅(qū)動用電動機 智能型電力電子變壓器智能型電力電子變壓器采用電路和磁路理論的宏觀分析方法 采用電磁場理論的微觀分析方法 0.2 電機學與電力拖動技術(shù)的一般分析方法分析電機和拖動系統(tǒng)的一般步驟 各類電機的基本運行原理和結(jié)構(gòu) 根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體特點，分析各類電機

8、內(nèi)部的電磁關(guān)系 根據(jù)內(nèi)部的電磁關(guān)系，寫出電磁過程的數(shù)學描述即數(shù)學模型，包括：基本方程式、等效電路和相量圖 利用上述數(shù)學模型分析計算各類電機的運行特性和性能指標。運行特性主要是反映電動機機械量輸出之間關(guān)系的機械特性和發(fā)電機輸出電能質(zhì)量的的外特性；根據(jù)機械特性和負載的轉(zhuǎn)矩特性討論各類拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、起、制動特性、各種調(diào)速方案等0.3 課程的性質(zhì)與任務(wù)電機學+電力拖動基礎(chǔ)專業(yè)基礎(chǔ)課各種類型的電機基本運行原理、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電磁關(guān)系及其數(shù)學描述、機械特性及外特性的分析與計算 各類電機拖動不同負載的起、制動與調(diào)速性能等 課程任務(wù)課程性質(zhì)課程組成0.4 本課程的學習方法以物理概念為主、工程計算為輔 重點應(yīng)掌

9、握各類電動機的機械特性以及其與生產(chǎn)機械配合時的起、制動方法與調(diào)速方案.實驗和仿真并重理論聯(lián)系實際 0.5 以下課程的基礎(chǔ)電力電子技術(shù) 電力拖動自動控制系統(tǒng)主要內(nèi)容：直流電機主要內(nèi)容：直流電機 直流電機拖動直流電機拖動 變壓器變壓器 異步電機異步電機 三相異步電動機拖動三相異步電動機拖動 三相同步電機三相同步電機 微特電機微特電機 本學期第1章 電磁學的基本知識與基本定律第1章 預備知識-電磁學的基本知識與基本定律本章內(nèi)容:電磁學的基本知識與基本定律；常用磁性材料（鐵磁材料與永磁材料）及其特性。1.1 電路的基本定律 基爾霍夫電流定律(KCL)基爾霍夫電壓定律（KVL）1.2 磁場的基本知識磁通

10、密度磁通密度（簡稱磁密磁密）或磁感應(yīng)度)B 圖1.1 磁力線與電流之間的右螺旋關(guān)系磁通量磁通量SdSB(1-1)若對于均勻磁場，若若對于均勻磁場，若B與與S垂直，則垂直，則 BS磁場強度磁場強度H HB(1-2)磁勢：磁勢： NiF N磁鏈：磁鏈：反映了磁性材料的導磁能力反映了磁性材料的導磁能力1.3 基本電磁定律電生磁的基本定律電生磁的基本定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律 磁生電的基本定律磁生電的基本定律法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律 電磁力定律電磁力定律磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律NiHL 1.3.1 電生磁的基本定律電生磁的基本定律安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律 NiidkLlH(1-3)若

11、閉合磁力線上 處處相等,則上式變?yōu)? H圖1-2 安培環(huán)路定律H HL L1i2i3idl下頁下頁1.3.2 磁生電的基本定律磁生電的基本定律法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律0ddtA點為高位，點為高位，X點為低位點為低位 0ddtX點為高電位，點為高電位，A點為低電位點為低電位 而規(guī)定的而規(guī)定的 的正方向與實際方向相反。的正方向與實際方向相反。10e 根據(jù)楞次定律1e而規(guī)定的而規(guī)定的 的正方向與實際方向相同。的正方向與實際方向相同。1e10e ddeNdtdt (1-4)當磁通按正弦規(guī)律變化時，即當磁通按正弦規(guī)律變化時，即: sinmt 則上式變?yōu)閯t上式變?yōu)? )90sin(2)90si

12、n(2)(00tEtfNtem若取若取 0mm 為參考相量，則：為參考相量，則： mfNjE44. 4(1-5)變壓器電勢：變壓器電勢：Blve (1-6)圖1.4 感應(yīng)電勢與磁場、導體運動速度之間的右手定則速度電勢：emfBil(1-7)1.3.3 1.3.3 電磁力定律電磁力定律1.3.4磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律圖1-3 無分支鐵心磁路 A)無分支鐵心磁路A AN Ni i下頁下頁B) 模擬電路圖mRF F下頁下頁對于均勻磁路：對于均勻磁路：FNiHl式中，式中， SlRm定義為磁路的磁阻。定義為磁路的磁阻。mmR1又稱為磁導。又稱為磁導。 1.3.4 磁路的歐姆定律磁路的歐姆定律由于

13、式由于式(1-8)與電路的歐姆定律相似與電路的歐姆定律相似,故又稱為磁路的歐姆定律。故又稱為磁路的歐姆定律。(1-8)iL根據(jù)和式（1-8）得：NlSNNLm22上式給出了電感與結(jié)構(gòu)參數(shù)以及磁性材料之間的關(guān)系式。1.3.5 線圈電感線圈電感mmBllRS 1.4 1.4 常用磁性材料及其特性常用磁性材料及其特性1.4.1 鐵磁材料的磁化及磁滯回線鐵磁材料的磁化及磁滯回線圖1-6 磁疇(A)未磁化 (B)磁化下頁下頁外加磁場H 1.4.2 磁化曲線與飽和現(xiàn)象磁化曲線與飽和現(xiàn)象圖1.12 鐵磁材料與非鐵磁材料的磁化曲線1.4.3 軟磁材料與硬磁材料軟磁材料與硬磁材料圖1.13 鐵磁材料的磁滯回線B BH H圖1-7 鐵磁材料的起始磁化曲線a ab bc cd d)(HfB)(HfFeHB0下頁下頁 圖1-8 鐵磁材料的磁滯回線H HB Ba ab bc cd de ef fcHmBmBmHmHrB下頁下頁 圖圖1-111-11a a）軟磁材料的磁滯曲線）軟磁材料的磁滯曲線B B下頁下頁A)A)軟磁材料軟磁材料H H 圖圖b b）硬磁材料的磁滯曲線）硬磁材料的磁滯曲線下頁下頁B BH HB)B)硬磁材料硬磁材料 1.4.4 鐵磁材料中的鐵耗鐵磁材料中的鐵耗磁滯損耗磁滯損耗: VfBCHdBfKpmhhh2(1-9)222eempC f BV渦流損耗