電機及拖動 緒論

1、 課程名稱電機及拖動年級專業(yè)軌道交通機電授課教師授課時間學時3授課題目緒論第一節(jié)電機及電力拖動系統(tǒng)概述第二節(jié)電機及拖動課程的性質與任務第三節(jié)本課程的內容與任務第四節(jié)本課程的特點及學習方法第五節(jié)電機理論常用的物理概念與基本電磁定律教學目標知識目標：.了解電機及電力拖動基本概念.掌握本課程特點及學習方法.掌握常用物理概念與基本電磁定律技能目標：掌握電機拖動基礎知識，為職業(yè)素養(yǎng)打下基礎素質目標：.培養(yǎng)學生誠信、愛崗、敬業(yè)、友善的社會主義核心價值觀.培養(yǎng)學生工匠精神教學重點常用物理概念與基本電磁定律教學難點常用物理概念與基本電磁定律教學方法講授法、提問法、討論法教學準備教師：教案的撰寫；學生：教師提出

2、本節(jié)課的學習目標后，學生明確學習的要求及本節(jié)課的重點和難點。教學過程設計教學內容教師活動學生活動1、點名，查考勤；查考勤配合老2、介紹本節(jié)課的主要內容、重點內容及其難點內容。引言：人類社會的發(fā)展離不開能源。而能源則有多種形式，如熱能、光能、化學能、機械能、電能和原子能等。其中，電能是最重要的能源之一，和其他能源形式相比具有明顯的優(yōu)點。我們學習這個專業(yè)或是做任何事情都需要具備工匠精神，工匠精神就是要求企業(yè)如同一個工匠一樣，琢磨自己的產品，精益求精，經得起市場的考驗和推敲。工匠精神的核心是企業(yè)要追求科技創(chuàng)新，技術進步。如果說企業(yè)是國家的經濟命脈所在，那么一個以科技創(chuàng)新，技術進步為主體的企業(yè)，就是民

3、族振興的動力源泉，是國家財富增加的源泉所在。1電機及電力拖動簡介講授師聽講并思考1.什么是電機講授聽講并思考、在現(xiàn)代，電能是一種廣泛應用的能源。電能與其他能源相比，有突出的優(yōu)點。首先電能的生產與轉換比較經濟；其次電能傳輸與分配比較容易；再者電能的使用與控制比較方便，且易于實現(xiàn)自動化。因此，在現(xiàn)代社會中，電能的應用已遍及各行各業(yè)中。在電能的生產、轉換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進行能量(或信號)傳遞與變換的電磁機械裝置，這些電磁機械裝置被廣義地稱為電機。通常所說的電機，是指那些利用電磁感應原理設計制造而成的、用于實現(xiàn)能量(或信號)傳遞與變換的電磁機械的統(tǒng)稱。按電機的功能來分類，

4、電機可分為：(1)發(fā)電機把機械能轉變成電能；(2)電動機把電能轉變成機械能；(3)變壓器、變頻機、變流機、移相器等，是分別用于改變電壓、頻率、電流及相位的，即把一種類型的電能轉變成另一種類型的電能；(4)控制電機應用于各類自動控制系統(tǒng)中的控制元件。值得指出的是，從基本工作原理來看，發(fā)電機與電動機只是電機的兩種不同的運行方式，從能量轉換的觀點來看，二者是可逆的。上述的各種電機中，有些是靜止的，如變壓器；有些是旋轉的，如各種類型的發(fā)電機與電動機。按電流的類型及工作原理的某些差異，旋轉電機又可分為直流電機、交流異步電機、交流同步電機及各種具有專門用途的控制電機等。2.電機以及電力拖動的發(fā)展概況記錄始

5、于19世紀6070年代的第二次工業(yè)技術革命，是以電力的廣泛應用為顯著特點的。從此人類社會由蒸汽機時代步入了電氣化時代。在法拉第電磁感應定律基礎上，一系列電氣發(fā)明相繼出現(xiàn)。1866年，德國工程師西門子制成發(fā)電機；1870年比利時人格拉姆發(fā)明了電動機，電力開始成為取代蒸汽來拖動機器的新能源。隨后，各種用電設備相繼出現(xiàn)。1882年法國學者德普勒發(fā)明了遠距離送電的方法。同年，美國著名發(fā)明家愛迪生創(chuàng)建了美提問思考并國第一個火力發(fā)電站，把輸電線結成網(wǎng)絡。從此電力作為一種新能源而廣泛回答應用。那時，電機剛剛在工業(yè)上初步應用，各種電機初步定型，電機設計理論和電機設計計算初步建立。隨著社會生產的發(fā)展和科技的進步

6、，對電機也提出了更高的要求，如：性能良好、運行可靠、單位容量的重量輕體積小等，而且隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，在旋轉電機的理論基礎上，又派生出多種精度高、響應快的控制電機，成為電機學科的一個獨立分支。電機制造也向著大型、巨型發(fā)展。中小型電機正向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效節(jié)能方向發(fā)展。各種響應快速、起停快速的特種電機在各種復雜的計算機控制系統(tǒng)和無人工廠中實現(xiàn)了比人的手腳更復雜而精巧的運動。古老的電機學已經和電力電子學、計算機、控制論結合起來，發(fā)展成了一門新的學科。在我國，電機制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。我國的電機生產從1917年至今已有80多年的歷史，經過改革開放20多年的發(fā)展，特別是近10年

7、的發(fā)展，有了長足的進步，令世人矚目。目前已經形成比較完整的產業(yè)體系，電機產品的品種、規(guī)格、性能和產量滿足了我國國民經濟發(fā)展的需要。而且一些產品已經達到或接近世界先進水平。近來世界上電機行業(yè)專家紛紛預測，中國將會成為世界電動機的生產制造基地。近年來我國已生產了不少大型直流電動機、異步電動機和同步電動機；在中小型電機和控制電機方面，亦自行設計和生產了不少新系列電機；對電機的新理論、新結構、新工藝、新材料、新運行方式和調試方法，進行了許多研究和試驗工作，取得不少成果。與電機發(fā)展過程一樣，電力拖動技術也有個不斷發(fā)展的過程。電動機拖動生產機械的運轉稱為電力拖動（或稱為電氣傳動）。電力拖動系統(tǒng)一般由控制設

8、備、電動機、傳動機構、生產機械和電源五部分組成。它們之間的關系如圖講授聽講并0.1所示。思考、記錄控制設備，電動機行動機構一生產盟備電源圖0.1電力拖動系統(tǒng)的構成電力拖動代替蒸汽或水力拖動之初，電力拖動的方式是成組拖動，就是由一臺電動機拖動一組生產機械，從電動機到各個生產機械的能量傳遞以及各個生產機械之間的能量分配完全用機械的方法，靠天軸以及機械傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)，車間里有大量的天軸、長皮帶和皮帶輪等。這種傳動方式效率低下，生產率低下，灰塵大，勞動條件和衛(wèi)生條件差，且容易出事故。另外，電動機發(fā)生故障，則成組拖動的所有生產機械都將停車，生產將可能停滯。顯然這是一種落后的電力拖動方式。20世紀20年代

9、以來，生產機械上廣泛采用一種單電機拖動系統(tǒng)，即一臺生產機械用一臺單獨的電動機拖動。簡化了機械結構，且易于實現(xiàn)生產設備運轉的全部自動化。但是，由于是一臺電動機拖動具有多個工作機構的生產機械，需要負責能量傳遞的機械傳動機構。所以，從20世紀30年代起，廣泛采用了多電動機拖動系統(tǒng)，即每個工作機構由單獨的電動機拖動，因而生產機械的機械結構可以大大簡化，提高了機械機構的可靠性。隨著生產的發(fā)展和科技水平的提高，對拖動系統(tǒng)提出了更高的要求，如：要求提高加工精度與工作速度，要求快速起動、制動及反轉，實現(xiàn)在大范圍內調速以及整個生產過程自動化等。這些，都必須要有自動控制設備，以組成自動化的電力拖動系統(tǒng)。最早的電力

10、拖動控制系統(tǒng)是繼電器-接觸器自動控制系統(tǒng)，屬于有觸點斷續(xù)控制系統(tǒng)。接著，出現(xiàn)了發(fā)電機-電動機組，使得直流電動機得到了廣泛的應用。并且在這個基礎上，發(fā)展成為采用電力電子器件組成的自動化直流電力拖動系統(tǒng)，并且正向大容量方向發(fā)展；自動化元件已有成套標準控制單元，控制裝置集成化、小型化、微型化，設備可靠性高，維護簡便，許多設備都可做到自動運行，不需要監(jiān)視和維護。由于交流電動機較之直流電動機具有：結構簡單、價格便宜、維護方便、慣性小等一系列優(yōu)點，而且單機容量可以做得很大，電壓等級可以做得很高，可以實現(xiàn)高速拖動等，所以，人們一直在致力研究性能更高的交流調速系統(tǒng)。目前，隨著電力電子器件的發(fā)展，交流調速系統(tǒng)已

11、經得到廣泛應用，性能指標進一步提高，容量進一步增大，控制系統(tǒng)集成化程度進一步提高。交流電力拖動系統(tǒng)取代直流電力拖動系統(tǒng)已經是無可爭議的事實了。我國的電力拖動系統(tǒng)取得的發(fā)展是有目共睹的，但是，與國外比較，還是有很大差距。主要體現(xiàn)在：技術水平相對較低、拖動運行效率不高、成套技術不成熟等。目前，正在奮起直追，狠抓基礎，開展一些關鍵技術的研究，以期盡快縮短和國外的差距，力爭達到拖動系統(tǒng)的綜合技術經濟指標最佳。3.電機及電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展前景電氣化、信息化時代，在性能、可靠性及容量等方面，對電機提出了更高的要求。交流變頻調速系統(tǒng)及變頻電機、大功率無刷直流電機、永磁同步無刷電機等得到了很大發(fā)展。同時，隨著

12、新興行業(yè)的發(fā)展，微電機亦成為電機行業(yè)發(fā)展的亮點，是我國電工電器行業(yè)（電機）發(fā)展的重點產品。稀土永磁電機，無軸承電機也是電機技術發(fā)展的新動向。與此相適應，電機拖動也有了新的發(fā)展，對拖動系統(tǒng)又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速啟動、制動和逆轉，實現(xiàn)很寬范圍內的調速及整個生產過程的自動化等，這就需要有一整套自動控制設備組成自動化的電力拖動系統(tǒng)。而這些高要求的拖動系統(tǒng)隨著自動控制理論的不斷發(fā)展，半導體器件和電力電子技術的采用，以及數(shù)控技術計算機技術的發(fā)展與采用，正在不斷地完善和提高。綜上所述，電力拖動技術發(fā)展至今，它具有許多其他拖動方式無法比擬的優(yōu)點。它啟動、制動、反轉和調速的

13、控制簡單、方便、快速且效率高；電動機的類型多，且具有各種不同的運行特性來滿足各種類型生產機械的要講授聽講并思考、記錄求；整個系統(tǒng)各參數(shù)的檢測和信號的變換與傳送方便，易于實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動已成為國民經濟電氣自動化的基礎。2本課程的性質、任務、內容和特點電機及拖動是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。它的主要任務是使學生掌握常用的交直流電機、變壓器、控制電機等的基本結構與工作原理，電力拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，電機容量選擇及試驗方法等，為學習工廠電氣控制設備、自動控制原理、信號與系統(tǒng)等課程準備必要的基礎知識。電機及拖動是分析和解決電機與電力拖動系統(tǒng)的基本問題，主要包括直流電機及拖

14、動、變壓器、異步電機及拖動、同步電動機、控制電機和電動機容量的選擇等內容。課程學完后學生應達到下列要求：掌握常用的交直流電機及變壓器的基本原理（電磁關系、能量關系）；掌握電動機機械特性以及各種運行狀態(tài)的基本原理；掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機的調速方法、調速原理和技術經濟指標；掌握電機與電力拖動系統(tǒng)的基本實驗方法與技能，并具有熟練的運算能力；掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機容量的選擇；掌握控制電機的工作原理、特性及用途。本課程的特點是理論性強、實踐性也強。分析電機與電力拖動的工作原理要用電學、磁學和動力學的基礎理論，既要有時間概念，又要有空間概念，所以理論性較強；而用理論分析各種電機和電力拖動的實際問題時，

15、必須結合電機的具體結構、采用工程觀點和工程分析方法，除要掌握基本理論以外，還應注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算能力，所以實踐性也較強。因此，學習本門課程應該特別注意理論聯(lián)系實際。3本課程常用的電磁定律與公式一.電路定律.歐姆定律,UUI=RRUIRII-UZ.基爾霍夫第一定律（電流定律）ZI-0i-0fZI=0或.基爾霍夫第二定律（電壓定律）ZU-ZE講授講授聽講并思考、記錄聽講并思考、記錄Zu工e-ZU=2E或二.全電流定律(安培環(huán)路定律).電流磁效應凡是電流均會在其周圍產生磁場，叫電流的磁效應，即所謂“電生磁”。磁力線的方向可根據(jù)電流的方向有右手螺旋定則確定。.磁路的幾個基本物理量(1)磁感應強

16、度B8的方向B的大小：與磁場方向垂直的單位面積即穿過的磁力線的數(shù)目。單位1T=104Gs(2)磁感應通量穿過某一截面8的磁感應強度8的通量，即穿過某截面8的磁力線的數(shù)目，故稱為磁感應通量，簡稱磁通。0=JB.dsS0,B二一磁場均勻且與截面垂直時，0-BS。S稱為磁通密度。0的單位為Wb1Wb=108MxB的單位為T1T=1Wb/m21Gs=1Mx/cm2(3)磁場強度HH=B日或B二|iH日為導磁介質的磁導率，反映介質的導磁性能，口大則導磁性能好。目的單位H/m,真空的日0=4nx107H/m。一般，口=從尸0,日產20006000(鐵磁性材料)H的單位為A/m或A/cm3.全電流定律磁場中

17、沿任一閉回路的磁場強度H的線積分等于該閉回路回路所包圍的所有導體電流的代數(shù)和。JHdl=ZIl這就是全電流定律。當導體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關系時為正，反之為負。三.磁路及磁路定律磁路：磁通流通的路徑。講授聽講并思考、記錄鐵磁材料的磁化曲線(1)磁路的歐姆定律將全電流定律用于右圖所示的無分支磁路可得2Hl工I=Ni鐵磁材料的磁化曲線(1)磁路的歐姆定律將全電流定律用于右圖所示的無分支磁路可得2Hl工I=NiHl=0l=Ni講授Ni聽講并思考、記錄lRmpA磁路中的磁通0與作用在該磁路的上的磁動勢成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。磁阻mA磁導m(2)磁路的基爾霍夫第一

18、定律對任一封閉面而言，穿入的磁通必于穿出的磁通，這是磁通連續(xù)原理。對有分支的磁路在磁通匯合處的封閉面上磁通的代數(shù)和等于零，即0=0。圖中，01+02-03=0(3)磁路的基爾霍夫第二定律將全電流定律應用到任一閉合磁路上，有JHdI=EHl=ZNi=ZF=ZoRm磁壓降的代數(shù)和等于磁動勢的代數(shù)和。FF=NiNi=HlHl=0R。R圖例中12112211221m12m2磁路和電路的差別：(1)電路可以有電勢無電流，磁路中有磁動勢必然有磁通;(2)電路中有電流就有損耗(I2R)，恒定磁通下，磁路中無損耗;G導G絕X1020而NFe=（103104）N0，磁路中必須考慮漏磁通；（4）電阻率P在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構成的磁路中，N隨B變化，即Rm隨飽和度增加而增加。四.電磁感應定律d9d6eNdtdt負號解釋：.變壓器電動勢線圈與磁通