電機與電力拖動課件-第1章

第1章電機基礎(chǔ)知識1.1電機的發(fā)展歷史及其應(yīng)用1.2學(xué)習(xí)電機課程應(yīng)具備的理論知識1.3課程特點及學(xué)習(xí)方法

內(nèi)容導(dǎo)學(xué)

圖1-1所示的設(shè)備均是電機家族中的重要成員,它們都是通過電磁感應(yīng)原理來工作的,在電力系統(tǒng)中起著重要作用。圖1-1電機實物

知識目標

?了解電機的發(fā)展歷史及其應(yīng)用;

?掌握電機的基本類型和基本電磁定律;

?了解“電機與電力拖動”課程的學(xué)習(xí)方法。

能力目標

?能辨識常見電機的類型;

?能指出各種電機在系統(tǒng)中的作用;

?能應(yīng)用基本電磁定律分析電機的一些問題。

1.1電機的發(fā)展歷史及其應(yīng)用

1.電機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

1831年法拉第提出了電磁感應(yīng)定律,為電機的誕生奠定了理論基礎(chǔ);1888年,美國的特斯拉發(fā)明了兩相交流異步電動機;1889年,俄國電工學(xué)家多里沃多勃羅沃爾斯基提出三相制,并設(shè)計和制造了第一臺三相變壓器和三相鼠籠式異步電動機。20世紀下半葉,信息技術(shù)的發(fā)展激發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命,自動化、智能化時代隨之到來,電機驅(qū)動系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善。

2.電機的分類

電機在電力系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,其種類繁多。根據(jù)電機的用途和結(jié)構(gòu)特點,可分為以下類型:

另外,自動控制和測量系統(tǒng)中應(yīng)用的電機統(tǒng)稱為控制電機,它們是上述電機的特殊形式。

3.電機的應(yīng)用

電機是電能之間或者和其他形式的能量進行轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置,用來實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、傳輸、分配和控制。

1.2學(xué)習(xí)電機課程應(yīng)具備的理論知識

一、磁場及導(dǎo)磁材料1.磁場電機中的磁場多是由電流產(chǎn)生的。磁場常用磁感應(yīng)強度B(或稱磁通密度)及磁通量Ф等參數(shù)表示。

1)磁場方向的判斷方法

磁場的分布和形成磁場的電流及周圍介質(zhì)有關(guān)。一段載流直導(dǎo)線和載流線圈在空氣介質(zhì)中的磁場分布如圖1-2所示。磁場的方向可以用右手定則判斷。

(1)判斷直導(dǎo)線磁場方向:右手握住直導(dǎo)線,大拇指指向電流方向,其余4個手指所握的方向為磁場的方向。

(2)判斷線圈磁場方向:右手握住線圈,4個手指的握向為電流的方向,拇指的指向為穿過線圈的磁場的方向。圖1-2載流導(dǎo)體在空氣介質(zhì)中的磁場分布

2)安培全電流定律

磁場強度矢量在磁場中沿任一閉合路徑的線積分,等于經(jīng)過該閉合路徑的所有電流的代數(shù)和,這就是安培全電流定律(也稱安培環(huán)路定律),其公式如下:

3)磁路的歐姆定律

根據(jù)安培全電流定律,一個N匝的電機線圈流過電流I時,有

式中,F為磁動勢,單位為安匝,F=NI;磁路分成k段。

磁通和磁動勢的關(guān)系為

其中,Rm為磁路的磁阻,即

式中,l為磁路的長度;μ為磁路的磁導(dǎo)率;s為磁路截面積。

2.導(dǎo)磁材料

電機的工作原理基于電磁感應(yīng),因此在電機里既有磁路,又有電路。磁路要采用導(dǎo)磁性能好的鐵磁材料。這些鐵磁材料的特點如下:

1)高導(dǎo)磁性

鐵磁材料指的是鐵、鈷、鎳以及它們的合金。它們的磁導(dǎo)率μFe比真空的大幾千倍(真空的磁導(dǎo)率μ0=4π×10–7H/m)。在同樣大小的勵磁電流作用下,鐵心線圈產(chǎn)生的磁通比空心線圈的磁通大很多。鐵磁材料之所以有高導(dǎo)磁性能,是由于鐵磁材料內(nèi)部存在著很多很小的強烈磁化的自發(fā)磁化區(qū)域,相當于一塊塊小磁鐵,稱為磁疇。

2)磁飽和現(xiàn)象及剩磁

鐵磁材料的磁化曲線如圖1-3所示。在外磁場的不斷強化作用下,順著外磁場方向排列的磁疇不斷增加,合成磁場增強,如圖1-3曲線bc段所示,磁場增強較快。當磁場增強到一定的程度后,磁疇都與外磁場的方向一致,這時所產(chǎn)生的磁場達到最強,合成磁場的增強程度減慢,這就是磁路的磁飽和現(xiàn)象,如圖1-3曲線cd段所示。圖1-3鐵磁材料的磁化曲線

3)磁滯損耗和渦流損耗

磁疇排列緊密,磁化過程中會產(chǎn)生摩擦。在交變磁場的作用下,磁疇不斷翻轉(zhuǎn),磁疇之間不停地互相摩擦產(chǎn)生的能量消耗稱為磁滯損耗。

在交變磁通的作用下,鐵磁材料內(nèi)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電流,在鐵心內(nèi)部圍繞磁通呈旋渦狀分布(稱為渦流),將導(dǎo)致鐵心中的電阻產(chǎn)生渦流損耗。

磁滯損耗與渦流損耗合在一起,總稱為鐵損耗,其大小和磁場強度等因素有關(guān)。

二、基本電磁定律

1.電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)定律是變壓器和發(fā)電機的工作原理。

1)感應(yīng)電動勢

由物理知識可知,穿過一個N匝線圈的磁通隨時間

發(fā)生變化時,線圈內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,如圖1-4所示。

當感應(yīng)電動勢的正方向與磁通的正方向符合右手螺旋關(guān)系(即右手的大拇指指向磁通的正方向,其余4個手指指向電動勢的正方向)時,感應(yīng)電動勢計算式為圖1-4線圈感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生

(1)自感電動勢。

線圈中電流隨時間變化而在線圈內(nèi)感應(yīng)的電動勢稱為自感電動勢。其計算式為

其中,ψ=Li,則自感電動勢為

式中,L為自感系數(shù),單位為H。

(2)互感電動勢。

圖1-5所示為兩個耦合線圈中自感及互感電動勢的產(chǎn)生,當線圈1內(nèi)有電流i1流過時,它產(chǎn)生的磁通也穿過線圈2。如果i1隨時間交變,就會產(chǎn)生交變磁通,線圈2中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種由另外一個耦合線圈引起的電動勢稱為互感電動勢,用eM表示,有

式中,M為兩線圈的互感系數(shù),簡稱互感,單位為H。圖1-5自感及互感電動勢的產(chǎn)生

2)切割電動勢

切割電動勢是發(fā)電機的工作原理。由物理知識可知,導(dǎo)體在磁場中運動時,切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其感應(yīng)電動勢e=Blv,其中,l為導(dǎo)體的有效長度;B為磁感應(yīng)強度,v為導(dǎo)體相對切割速度。用右手定則可判定切割電動勢的方向,如圖1-6所示。圖1-6切割電動勢的方向

2.電磁力定律

電磁力定律是電動機的工作原理。載流導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用,由于這種力是磁場和電流相互作用產(chǎn)生的,因此稱為電磁力。磁場與載流導(dǎo)體互相垂直時,導(dǎo)體的電磁力計算式為f=Bli,其中,l為導(dǎo)體的有效長度,B為磁感應(yīng)強度,i為導(dǎo)體中的電流。電磁力的方向可用左手定則來確定,如圖1-7所示。圖1-7電磁力的方向

1.3課程特點及學(xué)習(xí)方法

“電機與電力拖動”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課,主要介紹各種電機的結(jié)構(gòu)、原理和電力拖動,為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定必要的基礎(chǔ)。該課程具有較強的理論性和實踐性。電機是一個電、磁、機械綜合體,學(xué)習(xí)該課程應(yīng)具備電路、磁路的基本知識及機械結(jié)構(gòu)的基本識圖能力。

學(xué)習(xí)中首先要抓住普遍規(guī)律,無論是電機還是變壓器,都是在講完結(jié)構(gòu)和工作原理之后再討論基本電磁關(guān)系,分析出基本方程及對應(yīng)的等效電路和相量圖,然后再研究其運行特性和工作特性;其次還應(yīng)注意分辨各種電機的不同點,用比較的方法進行總結(jié),以實現(xiàn)對所學(xué)知識的融會貫通;另外,通過對比中華人民共和國成立前電機發(fā)展舉步維艱和成立后電機蓬勃發(fā)展,來培養(yǎng)自己對科學(xué)的興趣,激發(fā)創(chuàng)新意識和民族自豪感,樹立為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興而奮斗的遠大志向。

小結(jié)

電機經(jīng)歷了從直