電機拖動概述

電機與拖動基礎(chǔ)及MATLAB仿真

陳亞愛周京華編著李正熙主審Page2本課程的章節(jié)和內(nèi)容緒論第1章變壓器第2章三相交流電動機第3章三相交流電動機的電力拖動第4章直流電機第5章直流電動機的電力拖動第6章驅(qū)動和控制微電機第7章電動機容量的選擇控制電機（自動化專業(yè)的必修課）Page3緒論Page4本章內(nèi)容①電機的分類和應(yīng)用②我國電機工業(yè)概況

③本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法

④電機中的鐵磁材料及其特性⑤常用的基本電磁定律⑥磁路計算仿真

Page5提問

電機是指電能與機械能或電能與電能互相轉(zhuǎn)換的裝置。普通電機的主要任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換。什么是電機？有什么作用？Page60.1電機的分類和應(yīng)用電機動力設(shè)備類

控制電機直流

直流發(fā)電機直流電動機

異步電動機同步電機同步發(fā)電機同步電動機調(diào)相機

交流旋轉(zhuǎn)電機變壓器

電機的分類Page7電能生產(chǎn)——由同步發(fā)電機產(chǎn)生；高壓輸電——由升壓變壓器將發(fā)電機發(fā)出的電壓升高到輸電電壓再輸送；降壓用電——由降壓變壓器將輸來的高壓電降為所需低電壓，供給用電設(shè)備；生產(chǎn)機械的拖動——由各種電動機或電力拖動系統(tǒng)實現(xiàn)；控制系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換——由各種控制電機完成。

600MW汽輪發(fā)電機連接發(fā)電機與電網(wǎng)的升壓變壓器連接發(fā)電機的封閉母線

與電網(wǎng)相連的高壓出線端10kV級SC(B)10型環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器S11系列50~2000KVA雙繞組無勵磁調(diào)壓電力變壓器0.1電機的分類和應(yīng)用電機的應(yīng)用降壓變壓器三相交流電動機各種控制電機Page80.2我國電機工業(yè)概況

在大型發(fā)電設(shè)備制造方面，已研制出600MW水氫氫冷汽輪發(fā)電機、300MW的雙水內(nèi)冷和全氫冷汽輪發(fā)電機、650MW的核電機組、700MW的水輪發(fā)電機，電力變壓器的最大容量已達(dá)到840MVA、電壓最高為750kV。

在大型交直流電機制造方面，已研制出2×5000kW的直流電動機、4700kW的直流發(fā)電機、42MW的同步電動機。在中、小、微型電機制造方面，已獨立自主開發(fā)研制成了100多個系列，上千品種。各種類型的電機基本上滿足了生產(chǎn)和生活的需要。

建國后經(jīng)過60多年的發(fā)展，已建立了全國性的研究實驗基地，培養(yǎng)了一大批從事研究、制造電機的專家和工程技術(shù)人員，有了統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和系列產(chǎn)品。

Page9本教材以電力拖動系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的電機和電力拖動為重點，從使用的角度介紹交、直流電機、變壓器、控制電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要工作特性、電力拖動系統(tǒng)的運行特性以及MATLAB仿真軟件在電機與拖動系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)等?！半姍C與拖動基礎(chǔ)以及MATLAB仿真”教材，把“電機學(xué)”和“電力拖動基礎(chǔ)”兩門課內(nèi)容整合為一，同時結(jié)合仿真技術(shù)，加入了MATLAB仿真技術(shù)在電機與電力拖動系統(tǒng)應(yīng)用的實例。0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法本教材內(nèi)容Page10本課程雖是基礎(chǔ)課，但又具有專業(yè)課程性質(zhì)，講授的內(nèi)容是電機方面非常具體、實際的問題。因此，該課程具有內(nèi)容涉及面廣，理論性強，實踐性強，綜合性強等特點。

“電機與拖動基礎(chǔ)”課程屬電氣工程及其自動化或電類專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)過程中需用到“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”、“電路”、“模擬電子技術(shù)”等課程的知識。課程性質(zhì)0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法Page11通過課程的學(xué)習(xí),掌握常用交、直流電機及變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運行性能仿真和實驗方法；了解交直流電力拖動的基礎(chǔ)知識，掌握異步電動機的特性分析、起制動方法和交流機基本的調(diào)速方法；掌握他勵直流電動機起制動及調(diào)速等各種運行狀態(tài)的靜動態(tài)特性和參數(shù)計算；熟悉常用控制電機的原理和特性，學(xué)會選擇電動機容量的方法，熟悉MATLAB仿真軟件在電機與拖動系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。教學(xué)任務(wù)0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法Page12如何學(xué)習(xí)？為后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識，提高分析問題、解決問題的能力，也為從事自動化及電氣工程技術(shù)工作和科學(xué)研究奠定初步基礎(chǔ)。0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法教學(xué)任務(wù)

積極思考，多做練習(xí)；

前后關(guān)聯(lián)，掌握體系；

聯(lián)系實際，創(chuàng)新設(shè)計。0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法總結(jié)Page13

在實際運行著的電機中，電、磁、力、熱等物理定律同時起作用，互相制約，分析解決這種復(fù)雜問題時，往往需忽略一些次要矛盾，抓住主要矛盾加以解決，只要所得結(jié)果正確，引起的誤差在允許的范圍內(nèi)，在工程上是允許的，這與以前所學(xué)課程中解決問題理想化、單一化有很大區(qū)別，學(xué)習(xí)時需有足夠的認(rèn)識。學(xué)習(xí)中要多思考、多聯(lián)系、多練習(xí)，逐步體會。本課程的動力用電機包括變壓器、交流異步電動機、同步電動機、直流電機等，種類繁多，各具特性，但就其內(nèi)部電磁關(guān)系耦合過程和機電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系來說，仍有其內(nèi)在聯(lián)系?；竟ぷ髟矶际墙⒃陔姶鸥袘?yīng)定律和電磁力定律基礎(chǔ)上的；能量轉(zhuǎn)換都是以磁場為媒介，其電磁關(guān)系可抽象為電路參數(shù)，得出基本方程式和等效電路，這是共性方面。理論聯(lián)系實際，注重做好本課程要求的仿真和開設(shè)的相關(guān)實驗，立足于學(xué)會使用各類電機。利用MATLAB仿真工具幫助理解課程所涉及的知識和電機的運行特性，在實驗中學(xué)習(xí)解決實際問題的方法，注意培養(yǎng)解決工程實際問題的能力。

學(xué)習(xí)中注重聯(lián)系實際和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在學(xué)習(xí)中應(yīng)將變壓器、交流電機、直流電機的相似性有機地統(tǒng)一起來，注意課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，形成學(xué)習(xí)本課程鮮明的主線，只要學(xué)好了變壓器，對交流電機和直流電機的內(nèi)容就比較容易掌握了。學(xué)習(xí)中注意前后關(guān)聯(lián)，掌握知識體系。

Page14自動控制原理現(xiàn)代控制理論自動化儀表及裝置現(xiàn)代電力電子技術(shù)機器人技術(shù)檢測技術(shù)系統(tǒng)仿真智能儀器先進(jìn)傳感變換技術(shù)電機及拖動基礎(chǔ)運動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中的各部分與

相應(yīng)的知識域?qū)?yīng)關(guān)系0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法變壓器電機磁場

耦合電流

全電流定律鐵心小電流大磁通鐵心增磁功能鐵心飽和鐵心氣隙制約制約電磁轉(zhuǎn)矩電磁力定律電磁感應(yīng)定律感應(yīng)電動勢能量轉(zhuǎn)換變壓器、發(fā)電機、電動機知識結(jié)構(gòu)電機中的知識結(jié)構(gòu)0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法Page15Page16教材與參考書參考書：1電機與拖動基礎(chǔ)（第3版）.李發(fā)海、王巖編著.清華大學(xué)出版社，2005年8月2電機及拖動基礎(chǔ)上、下冊（第3版）.顧繩谷主編.機械工業(yè)出版社，2004年4月3ElectricMachinery(SixthEdition).清華大學(xué)出版社，2003年7月教材：

電機與拖動基礎(chǔ)及MATLAB仿真.

陳亞愛周京華編著.李正熙主審機械工業(yè)出版社，2011年8月0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法Page17課程有關(guān)事項及紀(jì)律要求

不遲到，上課認(rèn)真聽講，做好重點內(nèi)容的筆記。課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)，及時掌握每次課的要點。按時完成作業(yè)，不抄作業(yè)，每兩周交一次作業(yè)。課上不做與課程無關(guān)的事，不懂可及時舉手提問，手機關(guān)上或置振動。有疑難，應(yīng)及時答疑。答疑時間：每周三下午16：00-17：00地點：電力電子與電氣傳動工程研究中心。電話：88802691轉(zhuǎn)203張虎老師：88802691轉(zhuǎn)204實驗前做好預(yù)習(xí)報告，實驗時注意安全，實驗后完成實驗報告?？傇u成績：平時40%（作業(yè)+考勤+實驗），考試60%。0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法Page18齊心協(xié)力共同進(jìn)步愿成為同學(xué)們的良師益友，一起努力，暢游電機與拖動的知識海洋！0.3本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法Page190.4電機中的鐵磁材料及其特性所謂鐵磁材料是指導(dǎo)磁性能好的材料，包括鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。鐵磁材料的磁導(dǎo)率mFe要比非鐵磁材料磁導(dǎo)率m大得多（mFe>>m），非鐵磁材料磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率m0（m0=4p×10-7H/m），電機中常用鐵磁材料的磁導(dǎo)率mFe=（2000~8000）m0。鐵磁材料Page200.4電機中的鐵磁材料及其特性未磁化前，磁疇隨機排列，鐵磁材料對外不呈磁性，磁化后，在外磁場的作用下，磁疇沿磁場方向排列整齊，鐵磁材料呈現(xiàn)較強的磁性，形成了一個附加磁場疊加在外磁場上，使合成磁場顯著增強。外磁場a)磁化前b）磁化后圖0-2磁疇示意圖鐵磁材料的磁化鐵磁材料能在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，該現(xiàn)象稱磁化，這是因為鐵磁材料內(nèi)部存在許多很小的被稱為磁疇的天然磁化區(qū)，每個磁疇可看做一微型磁鐵，其示意圖如圖0-2所示。Page210.4電機中的鐵磁材料及其特性在工程計算時，事先將各種鐵磁材料用試驗的方法，測得它們在不同磁場強度H下對應(yīng)的磁通密度B，繪制成B-H曲線，該B-H曲線稱為磁化曲線。將未經(jīng)磁化的鐵磁材料進(jìn)行磁化，磁場強度H由零增大時，磁通密度B隨之增大，所得B=?(H)曲線稱為起始磁化曲線，如圖0-3所示。磁化曲線在非鐵磁材料中，磁通密度B和磁場強度H之間呈線性關(guān)系，即B=m0H。圖0-3起始磁化曲線對于鐵磁材料，磁導(dǎo)率mFe值除了比m0大得多以外，還與磁場強度以及物質(zhì)磁狀態(tài)的歷史有關(guān)，故鐵磁材料的磁導(dǎo)率mFe不是常數(shù)。Page220.4電機中的鐵磁材料及其特性磁化曲線圖0-3起始磁化曲線磁化曲線分四段

其中，a點稱為跗點；拐彎點b稱為膝點；c點為飽和點。過了飽和點c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近μ0在0a段：當(dāng)H增大使得B增大，但B增大速度較慢；在ab段：

B隨H迅速增大（呈直線段）；在bc段：

B隨H增大的速度又較慢；在cd段：磁飽和區(qū)（又呈直線段）。BHabcd00.4電機中的鐵磁材料及其特性磁化曲線動畫Page23膝點飽和點Page240.4電機中的鐵磁材料及其特性鐵磁材料特點鐵磁材料具有如下特點：其磁化曲線具有飽和性，mFe不是常數(shù)，且隨H的變化而變化。圖0-3起始磁化曲線Page250.4電機中的鐵磁材料及其特性磁滯回線鐵磁材料被反復(fù)磁化時，B-H曲線不是單值，而是一條磁滯回線，如圖0-4所示。圖0-4磁滯回線同一個H值下，有兩個B值與之對應(yīng)。當(dāng)H=0時，B≠0，B=Br，Br稱為剩磁；當(dāng)B=0時，H≠0，H=Hc，Hc稱為矯頑力。剩磁的意義在于，當(dāng)沒有外部勵磁時，也能在磁路中產(chǎn)生磁通。HB1B2剩磁矯頑力Page260.4電機中的鐵磁材料及其特性基本磁化曲線不同的鐵磁物質(zhì)其磁滯回線寬窄是不同的，當(dāng)鐵磁材料的磁滯回線較窄時，可用其平均磁化曲線，即基本磁化曲線進(jìn)行計算（如圖0-4曲線3所示）根據(jù)磁滯回線形狀的不同，鐵磁材料可分為硬磁材料和軟磁材料。圖0-4磁滯回線圖0-4磁滯回線基本磁化曲線Page270.4電機中的鐵磁材料及其特性硬磁材料和軟磁材料硬磁材料的磁滯回線胖寬，剩磁、矯頑力大，如鎢鋼、鈷鋼、鎳鋁鈷合金、釹鐵硼等。一般用來制造永久磁鐵。軟磁材料的磁滯回線瘦窄，剩磁、矯頑力小，如硅鋼片、鑄鋼等。注：一般電機鐵心采用軟磁材料制成，其磁滯回線瘦窄，在進(jìn)行磁路計算時，為了簡化計算，不考慮磁滯現(xiàn)象，而用基本磁化曲線來表示B與H之間的關(guān)系，故通常所說的鐵磁材料的磁化曲線是指基本磁化曲線。

圖0-4磁滯回線磁滯回線胖寬磁滯回線瘦窄Page280.4電機中的鐵磁材料及其特性交流磁路中的鐵心損耗交流磁路中存在著鐵心損耗，鐵心損耗又分為磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗：指鐵磁材料在交變的磁場中反復(fù)磁化，磁疇間相互摩擦，產(chǎn)生的損耗。磁滯損耗與交變磁場的頻率f、鐵心的體積V、磁滯回線的面積成正比。磁滯損耗功率可用式（0-1）表示，即

式中，kh為磁滯損耗系數(shù)，其數(shù)值大小取決于材料性質(zhì)；f為磁通交變頻率；Bm為磁通密度的最大值，對一般電工鋼片n=1.6~2.3。（0-1）Page290.4電機中的鐵磁材料及其特性交流磁路中的鐵心損耗鐵心是導(dǎo)電的、有阻值的，當(dāng)磁通交變時，鐵心中會感應(yīng)交變電動勢，在導(dǎo)電的鐵心中就會產(chǎn)生環(huán)流，該電流在鐵心構(gòu)成的回路與磁通相環(huán)鏈，故稱渦流。渦流損耗：指渦流產(chǎn)生的損耗的損耗。渦流損耗功率可用式（0-2）表示，即（0-2）式中，kw為與材料有關(guān)的比例系數(shù)。

鐵心損耗指磁滯損耗和渦流損耗之合，即有（0-3）Page300.5常用的基本電磁定律學(xué)習(xí)本課過程中常要用到的基本電磁定律有：全電流定律、磁路歐姆定律、電磁力定律、電磁感應(yīng)定律、基爾霍夫電流定律和電壓定律等。Page31①電路歐姆定律

流過電阻R(resistance)的電流I(current)大小與電阻兩端的電壓U(voltage)成正比，與電阻R的大小成反比，即有0.5常用的基本電磁定律（1）電路定律（0-4）

Page32②基爾霍夫第一定律電路中任意節(jié)點的電流的代數(shù)和等于零，即有③基爾霍夫第二定律對電路中任一回路，電壓降的代數(shù)和等于電動勢(emf)的代數(shù)和，即有

0.5常用的基本電磁定律（1）電路定律（0-5）

（0-6）

Page33

一匝數(shù)為N的線圈，在變化的磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e

的大小與線圈匝數(shù)N和線圈所交鏈的磁通f對時間的變化率df/dt成正比，當(dāng)感應(yīng)電動勢正方向與產(chǎn)生它的磁通正方向符合右手螺旋定則時，則有0.5常用的基本電磁定律（2）電磁感應(yīng)定律（0-7）

Page34磁場中沿任一閉合回路的磁場強度的線積分等于該閉合回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)和，即有

0.5常用的基本電磁定律（3）全電流定律（4）電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場中受到力的作用，當(dāng)磁場與導(dǎo)體相互垂直作用時，作用在載流導(dǎo)體的電磁力為：（0-8）

（0-9）

Page35①磁路基爾霍夫第一定律

在磁路中根據(jù)磁通的連續(xù)性可得：穿入任一閉合面的磁通必等于穿出該閉合面的磁通，即磁路中通過任何閉合面上的磁通的代數(shù)和等于零，則有：

上式中一般將穿出閉合面的磁通取正號，穿入閉合面的磁通取負(fù)號。0.5常用的基本電磁定律（5）磁路定律（0-10）

Page36②磁路基爾霍夫第二定律根據(jù)麥克斯韋方程可得：在閉合的磁路中，各段磁壓降的代數(shù)和等于閉合磁路中磁動勢的代數(shù)和，即有

（0-11）上式中，H為磁場強度（A/m）；L為各段磁路的長度（m）；N為線積分線路所包圍的導(dǎo)體數(shù)；I為每根導(dǎo)體所流過的電流（A）。0.5常用的基本電磁定律（5）磁路定律Page37③磁路歐姆定律在無分支的磁路中，磁通F與磁動勢F大小成正比，與磁路中的總磁阻Rm的大小成反比，即有：上式中，Rm——磁路的總磁阻，1/H。

0.5常用的基本電磁定律（5）磁路定律（0-12）

Page380.5常用的基本電磁定律（6）磁路與電路的比較Page390.6磁路計算仿真MATLAB仿真軟件MATLAB仿真軟件憑借其強大的數(shù)值計算能力、優(yōu)越的數(shù)據(jù)圖形可視化技術(shù)和不斷豐富的Simulink動態(tài)仿真模型庫，已成為一個高效數(shù)值計算和可視化軟件的代表，被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，在高校和科研院所也已成為教學(xué)、學(xué)術(shù)活動、技術(shù)研發(fā)和工程設(shè)計的重要仿真軟件。本課程在介紹電機與拖動基本理論和知識的過程中，將加入MATLAB仿真技術(shù)在電機、電力拖動領(lǐng)域應(yīng)用的實例，便于學(xué)生更好地理解和掌握電機的相關(guān)知識。磁路計算是電機、變壓器分析和設(shè)計中的基本計算內(nèi)容，使用MATLAB軟件編制M文件的方法可以進(jìn)行磁路分析。具體仿真實例參見教材。Page400.6磁路計算仿真1．磁路計算仿真2．磁化曲線仿真

3．磁滯回線仿真Page41本章小結(jié)緒論中簡要介紹了電機的分類、應(yīng)用和我國電機工業(yè)的概況；為便于讀者對“電機與拖動基礎(chǔ)”課程的學(xué)習(xí)，介紹了本教材內(nèi)容、課程性質(zhì)、教學(xué)任務(wù)及學(xué)習(xí)方法。雖然每人都有適合自己的學(xué)習(xí)方法，但這里提到的三點建議，是針對學(xué)習(xí)本課程知識應(yīng)普遍注意的基本問題。鐵磁材料是組成磁路的主要部分，其特點是能在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，磁化曲線具有飽和性，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于非鐵磁材料磁導(dǎo)率，且不是常數(shù)，隨磁場強度的變化而變化。反復(fù)磁化過程中得到的磁滯回線表明，鐵磁材料具有剩磁和矯頑力，磁滯現(xiàn)象是其基本特性之一。緒論中列出的本課程常用的全電流定律、磁路歐姆定律、電磁力定律、