電機(jī)與拖動基礎(chǔ)課件

電機(jī)與拖動基礎(chǔ)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。拖動是指電機(jī)驅(qū)動負(fù)載進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動的過程。課程簡介電機(jī)運(yùn)行課程涵蓋電機(jī)運(yùn)行原理、類型、特性、應(yīng)用和控制等方面的知識。學(xué)習(xí)本課程，能夠?yàn)閷W(xué)生將來在自動化、電力電子等領(lǐng)域的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)踐操作課程注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)和案例分析，幫助學(xué)生加深對電機(jī)知識的理解。應(yīng)用廣泛電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域，掌握電機(jī)知識對現(xiàn)代科技的發(fā)展至關(guān)重要。電機(jī)分類直流電機(jī)直流電機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。交流電機(jī)交流電機(jī)是一種將交流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。特殊電機(jī)特殊電機(jī)包括步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，它們具有特殊的結(jié)構(gòu)和性能，適用于特定的應(yīng)用場景。直流電機(jī)原理1電磁感應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動或磁場相對導(dǎo)體運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。2電磁力通電導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，該力的大小和方向取決于電流、磁場強(qiáng)度和導(dǎo)體長度。3直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)通過電磁感應(yīng)原理和電磁力原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過控制電流來實(shí)現(xiàn)速度和扭矩的調(diào)節(jié)。直流電機(jī)的特性曲線直流電機(jī)的特性曲線反映了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)之間的關(guān)系，例如轉(zhuǎn)速、電流、電壓和扭矩等。直流電機(jī)特性曲線主要包括空載特性、負(fù)載特性和外特性，以及機(jī)械特性曲線。空載特性是指在電機(jī)負(fù)載為零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系曲線。負(fù)載特性是指在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，電機(jī)電流與電壓的關(guān)系曲線。外特性是指在電壓恒定不變的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載扭矩的關(guān)系曲線。機(jī)械特性曲線是指在電壓恒定不變的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載扭矩的關(guān)系曲線。直流電機(jī)的調(diào)速改變勵磁電流通過改變勵磁電流的大小，改變磁場強(qiáng)度，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變電樞電壓改變電樞電壓的大小，直接影響電樞電流的大小，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。串聯(lián)電阻調(diào)速在電樞回路中串聯(lián)電阻，改變電阻的大小，從而改變電樞電流的大小，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速。交流電機(jī)分類1同步電機(jī)同步電機(jī)是轉(zhuǎn)子速度與電源頻率同步旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。2異步電機(jī)異步電機(jī)是轉(zhuǎn)子速度與電源頻率不同步的電機(jī)。3感應(yīng)電機(jī)感應(yīng)電機(jī)是一種使用旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的異步電機(jī)。4直流電機(jī)直流電機(jī)是使用直流電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。異步電機(jī)原理1轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流2感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場與定子磁場相互作用3產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動異步電機(jī)的工作原理基于電磁感應(yīng)。定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與定子磁場相互作用，形成旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。異步電機(jī)的特性曲線異步電機(jī)的特性曲線描述了電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流之間的關(guān)系。它有助于理解異步電機(jī)的運(yùn)行特性，如啟動、過載和調(diào)速性能。特性曲線由電機(jī)參數(shù)決定，如定子繞組的電阻、電感和轉(zhuǎn)子繞組的阻抗。電機(jī)特性曲線包括轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線、電流-轉(zhuǎn)矩曲線和效率-轉(zhuǎn)速曲線。異步電機(jī)的調(diào)速1轉(zhuǎn)差率法改變轉(zhuǎn)差率，控制轉(zhuǎn)速2變頻調(diào)速改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速3轉(zhuǎn)子繞組調(diào)速改變轉(zhuǎn)子繞組的電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速4磁場控制改變定子磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速異步電機(jī)調(diào)速方法多種多樣，常見的有轉(zhuǎn)差率法、變頻調(diào)速、轉(zhuǎn)子繞組調(diào)速和磁場控制等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇合適的調(diào)速方法。同步電機(jī)原理轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子裝有電磁鐵或永磁體，產(chǎn)生磁場，與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。電磁感應(yīng)當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子以與定子旋轉(zhuǎn)磁場相同的速率旋轉(zhuǎn)，稱為同步轉(zhuǎn)速，其由電源頻率和電機(jī)極數(shù)決定。磁場方向定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場方向相同，相互吸引，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)的特性曲線轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性同步電機(jī)在額定電壓下運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，保持恒定。功率因數(shù)-負(fù)載特性同步電機(jī)功率因數(shù)可以通過勵磁電流來調(diào)節(jié)，在過勵磁狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)超前功率因數(shù)。效率-負(fù)載特性同步電機(jī)效率隨著負(fù)載的增加而先升高，后降低，在額定負(fù)載附近效率最高。啟動特性同步電機(jī)無法自行啟動，需要外部啟動裝置，通常采用異步電機(jī)進(jìn)行啟動。同步電機(jī)的調(diào)速1轉(zhuǎn)速控制改變勵磁電流2頻率控制改變電源頻率3電壓控制改變定子電壓4轉(zhuǎn)差控制改變轉(zhuǎn)差率同步電機(jī)調(diào)速方法包括轉(zhuǎn)速控制、頻率控制、電壓控制和轉(zhuǎn)差控制等。這些方法可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)對同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。電機(jī)的負(fù)載特性負(fù)載類型負(fù)載類型影響電機(jī)性能，例如：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和混合負(fù)載。負(fù)載特性曲線負(fù)載特性曲線描述電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化的關(guān)系，反映電機(jī)在不同負(fù)載下的運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)的熱特性電機(jī)發(fā)熱電機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生熱量，主要由銅損、鐵損和機(jī)械損耗引起。溫度升高電機(jī)溫度過高會導(dǎo)致絕緣老化，降低電機(jī)使用壽命，甚至造成電機(jī)燒毀。熱平衡電機(jī)運(yùn)行時(shí)，熱量不斷產(chǎn)生和散失，最終達(dá)到熱平衡狀態(tài)。散熱設(shè)計(jì)電機(jī)設(shè)計(jì)需要考慮散熱問題，采用合適的散熱方式，例如風(fēng)冷或水冷，保持電機(jī)正常工作溫度。電機(jī)的損耗與效率銅損鐵損機(jī)械損附加損電機(jī)效率是指輸出功率與輸入功率的比值。電機(jī)損耗主要包括銅損、鐵損、機(jī)械損和附加損。電機(jī)的啟動1啟動方式電機(jī)啟動的方式多種多樣，包括直接啟動、降壓啟動、軟啟動等。直接啟動：最簡單的啟動方式，但啟動電流較大。降壓啟動：降低啟動電壓以減小啟動電流，適用于較大功率電機(jī)。軟啟動：利用電子控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)平滑啟動，降低啟動沖擊。2啟動過程電機(jī)啟動時(shí)，電流逐漸增加，達(dá)到額定電流后，電機(jī)開始正常運(yùn)行。啟動時(shí)間取決于電機(jī)類型和負(fù)載大小。3啟動控制啟動控制主要由控制電路和啟動設(shè)備組成，控制電路由繼電器、接觸器等實(shí)現(xiàn)。啟動設(shè)備包括啟動按鈕、過載保護(hù)裝置等。電機(jī)的制動1電力制動利用電機(jī)反電動勢進(jìn)行制動2機(jī)械制動使用機(jī)械裝置進(jìn)行制動3再生制動將動能轉(zhuǎn)化為電能，并回饋到電源電力制動通過改變電機(jī)運(yùn)行方式，產(chǎn)生反電動勢，從而實(shí)現(xiàn)制動效果。機(jī)械制動則利用機(jī)械裝置，例如剎車裝置，來降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。再生制動則將電機(jī)運(yùn)行時(shí)的動能轉(zhuǎn)化為電能，并回饋到電源中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。電機(jī)的反接反接原理改變電機(jī)繞組中的電流方向，從而改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。應(yīng)用場景用于快速改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，例如在起重機(jī)、電梯等需要快速改變方向的設(shè)備中。操作方法斷開電源改變電機(jī)繞組的接線方式重新接通電源注意事項(xiàng)反接過程中應(yīng)注意安全，避免電機(jī)過載或損壞。電機(jī)的保護(hù)過載保護(hù)過載保護(hù)可以防止電機(jī)因過載而損壞。過載保護(hù)裝置通常使用熱繼電器或電子過載保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)。短路保護(hù)短路保護(hù)可以防止電機(jī)因短路而損壞。短路保護(hù)裝置通常使用熔斷器或斷路器來實(shí)現(xiàn)。過熱保護(hù)過熱保護(hù)可以防止電機(jī)因過熱而損壞。過熱保護(hù)裝置通常使用溫度傳感器或熱繼電器來實(shí)現(xiàn)。接地故障保護(hù)接地故障保護(hù)可以防止電機(jī)因接地故障而發(fā)生觸電事故。接地故障保護(hù)裝置通常使用接地故障繼電器或接地故障斷路器來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的運(yùn)行檢查11.運(yùn)行聲音檢查電機(jī)運(yùn)行時(shí)是否有異常聲音，如噪音、振動或摩擦聲。22.溫度測量電機(jī)溫度，確保溫度不超過允許范圍，避免過熱損壞。33.電流監(jiān)測電機(jī)電流，確保電流不超過額定值，防止過載運(yùn)行。44.速度檢查電機(jī)轉(zhuǎn)速是否正常，確保電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并滿足負(fù)載要求。電機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng)定期檢查定期檢查電機(jī)，檢查絕緣、軸承、冷卻系統(tǒng)是否正常。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，避免小問題演變成大故障。清潔保養(yǎng)保持電機(jī)清潔，定期清理灰塵和污垢，延長電機(jī)使用壽命。定期添加潤滑油，確保軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電力電子在電機(jī)驅(qū)動中的應(yīng)用效率提升電力電子器件可實(shí)現(xiàn)高效率的電機(jī)驅(qū)動，減少能量損耗。精確控制電力電子技術(shù)使電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的精確控制成為可能，滿足各種應(yīng)用需求。靈活操控電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動方式的多樣化，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。擴(kuò)展功能電力電子技術(shù)可為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)添加更多功能，例如再生制動、功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?。電機(jī)控制系統(tǒng)組成控制單元控制單元是電機(jī)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收控制指令，并根據(jù)指令生成控制信號，控制電機(jī)運(yùn)行?？刂茊卧ǔＳ晌⑻幚砥鳌⒋鎯ζ?、輸入輸出接口和控制算法等組成。驅(qū)動單元驅(qū)動單元是電機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)將控制信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動單元通常采用電力電子器件，如IGBT、MOSFET等，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流和電壓的精確控制。傳感器傳感器用于檢測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，例如轉(zhuǎn)速、電流、電壓、溫度等。傳感器將檢測到的信號反饋給控制單元，用于閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。通訊接口通訊接口用于連接電機(jī)控制系統(tǒng)與其他設(shè)備，例如上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等。通訊接口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制指令的傳遞，方便系統(tǒng)集成和遠(yuǎn)程控制。電機(jī)控制系統(tǒng)的分類11.按控制方式分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制和自適應(yīng)控制。22.按控制精度分類位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。33.按控制對象分類直流電機(jī)控制系統(tǒng)、交流電機(jī)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。44.按應(yīng)用領(lǐng)域分類工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和航空航天控制系統(tǒng)。直流電機(jī)控制系統(tǒng)1控制策略直流電機(jī)控制系統(tǒng)通常采用PWM控制，通過調(diào)整脈沖寬度來控制電機(jī)電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。2硬件組成直流電機(jī)控制系統(tǒng)一般包括控制器、電源模塊、驅(qū)動模塊和電機(jī)等，控制器負(fù)責(zé)接收指令并生成控制信號，電源模塊提供直流電源，驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)放大控制信號并驅(qū)動電機(jī)。3應(yīng)用場景直流電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，如機(jī)床、機(jī)器人手臂、電動汽車等。異步電機(jī)控制系統(tǒng)異步電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)自動化、機(jī)器人技術(shù)、車輛等各個領(lǐng)域。1速度控制根據(jù)需求調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速2轉(zhuǎn)矩控制控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩3位置控制精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子位置4電流控制確保電機(jī)電流在安全范圍內(nèi)異步電機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩、位置和電流的控制。同步電機(jī)控制系統(tǒng)1位置控制精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)子位置2速度控制穩(wěn)定控制電機(jī)轉(zhuǎn)速3轉(zhuǎn)矩控制精確控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩4能量效率優(yōu)化系統(tǒng)能量利用率同步電機(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)定子電流和磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)矩的精確控制。同步電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，并可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的控制效果。電機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要反映系統(tǒng)的工作效率和可靠性，常用的指標(biāo)包括以下幾個方面：90%效率反映系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，高效率意味著降低運(yùn)行成本1ms響應(yīng)速度指系統(tǒng)對控制指令的響應(yīng)速度，快速響應(yīng)有利于提高系統(tǒng)控制精度1%誤差反映系統(tǒng)實(shí)際輸出與設(shè)定值之間的偏差，低誤差意味著控制精度高10年可靠性反映系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，高可靠性意味著減少維護(hù)成本電機(jī)控制系統(tǒng)的選型負(fù)載類型考慮負(fù)載的類型，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械、線性運(yùn)動設(shè)備、泵、風(fēng)機(jī)等。性能要求評估對電機(jī)控制系統(tǒng)性能的要