第1章電 力 拖 動(dòng) 基 礎(chǔ)

1、電 力 拖 動(dòng) 基 礎(chǔ)電力拖動(dòng)：用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的拖動(dòng)。學(xué)習(xí)目的：運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)控制的直接基礎(chǔ)學(xué)習(xí)內(nèi)容：交直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理、起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)運(yùn)行控制方法。 §1 直流電動(dòng)機(jī)原理電動(dòng)機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化和電氣化設(shè)備中最基本也是最重要的部件之一，不難列出許多電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用例子：洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、抽油煙機(jī)、錄像機(jī)、VCD、隨身聽、計(jì)算機(jī)硬件中的軟驅(qū)、硬盤、散熱風(fēng)扇、各種金屬加工機(jī)床的拖動(dòng)等等。電動(dòng)機(jī)根據(jù)它使用的電源可分為交流和直流兩大類。其中直流電動(dòng)機(jī)由于其在控制性能方面的優(yōu)勢，在20世紀(jì)70年代以前一直在控制要求較高的電力拖動(dòng)領(lǐng)域占踞主導(dǎo)地位，近年來雖然這種情況因交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的巨大進(jìn)步已

2、有很大改變，但直流電動(dòng)機(jī)在近代工業(yè)中的地位仍然十分重要。例如在一輛豪華轎車中就使用了多達(dá)80多臺的直流電動(dòng)機(jī)作各種輔助自動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)。因此，學(xué)習(xí)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，掌握對它的控制方法，仍然是十分必要的。 §11 直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理、 結(jié)構(gòu)和額定數(shù)據(jù)一、基本原理兩個(gè)重要公式：法拉第電磁感應(yīng)定律發(fā)電機(jī)原理：e =Blv有效長度為l的導(dǎo)體以線速度v在磁通密度為B的磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e ，若B、l、v在空間相互垂直，則e的大小等于三者的乘積，方向由右手定則確定。B為媒介，機(jī)電轉(zhuǎn)換 數(shù)學(xué)描述。安培力定律 電動(dòng)機(jī)原理：FBli有效長度為l并載有電流i的導(dǎo)體在磁通密度為B

3、的磁場中時(shí)，導(dǎo)體上將受到電磁力F的作用 ，若B、l在空間相互垂直，則F的大小等于三者的乘積，方向由左手定則確定。B為媒介，電機(jī)轉(zhuǎn)換 數(shù)學(xué)描述。直流電動(dòng)機(jī)的物理模型 特點(diǎn)：每個(gè)磁極下的線圈元件邊中電流方向固定不變。特點(diǎn)：電樞旋轉(zhuǎn)方向不變時(shí)，電刷上的電壓極性恒定。·同一直流電機(jī)即可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，關(guān)鍵在輸入功率的性質(zhì)；·發(fā)電機(jī)原理和電動(dòng)機(jī)原理總是同時(shí)出現(xiàn)的。 ··發(fā)電：輸出電功率同時(shí)導(dǎo)體元件中產(chǎn)生電流依電動(dòng)機(jī)原理產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩； 平衡原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 ··電動(dòng)：軸上輸出機(jī)械功率同時(shí)導(dǎo)體元件在主極下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反電

4、動(dòng)勢。 平衡外加電源電壓，限制導(dǎo)體元件電流和電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。二、基本結(jié)構(gòu)1、 主磁極 2、電樞繞組 3、電樞鐵心 4、換向器 5、換向極 6、電刷裝置 7、機(jī)座三、直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)·額定電壓：額定工況下加在電樞繞組上的工作電壓。（V、kV）·額定電流：額定工況下長期運(yùn)行的最大電樞電流。（A）·額定功率：額定工況下電機(jī)軸上允許長期輸出的最大機(jī)械功率。（W、kW） ：額定工況下直流電動(dòng)機(jī)的工作效率。·額定轉(zhuǎn)速：額定工況下電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度。（r/min）··額定轉(zhuǎn)矩：額定工況下電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩。（N&

5、#183;m） ；的單位為kW。§12 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征與工作特性物理概念和定律的復(fù)習(xí)：1、 磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁通密度）B Wb/m2：單位截面積上的磁通，描述磁場強(qiáng)弱及方向。B與產(chǎn)生它的電流(勵(lì)磁電流)之間的關(guān)系用畢奧(Biot)薩伐(Savart)拉普拉斯(Laplace)定律描述：設(shè)在載流導(dǎo)線上沿電流方向取線元d，其中通過電流強(qiáng)度為I。電流元Id在真空中給定點(diǎn)P所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB的大小和I、d及線元到P點(diǎn)的矢徑r間的夾角（d,r）的正弦成正比，和由線元到P點(diǎn)的距離的平方成反比：。方向垂直于由線元和矢徑所決定的平面，指向由右手螺旋法則確定。磁感應(yīng)強(qiáng)度服從疊加原理：某一給定的電

6、流分布在空間某點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度等于組成這電流分布的各電流元分別地在這同一點(diǎn)上所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。磁力線方向與電流方向滿足右手螺旋關(guān)系。2、 磁感應(yīng)通量（磁通）Wb：穿過某截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量在均勻磁場中，如果截面S與B垂直，則3、 磁場強(qiáng)度H 安培/米：計(jì)算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場用輔助物理量：導(dǎo)磁物質(zhì)磁導(dǎo)率?？諝獾拇艑?dǎo)率為。鐵磁材料的（幾千幾萬倍）。4、 安培環(huán)路定律：磁場強(qiáng)度矢量H沿任何閉合路徑的線積分等于該回路所環(huán)鏈的所有電流的代數(shù)和：設(shè)各段磁路中磁通均勻分布，l為磁路平均長度，則上式簡化為：其中稱為該段磁路的磁壓；FNI稱為磁通勢（磁勢）。N為線圈匝數(shù)5、 磁路歐姆定律： 或

7、其中定義磁阻為： 一、 主磁極與主極磁場主磁極：套裝有勵(lì)磁繞組的電磁鐵。磁路的等效簡化： 設(shè)1個(gè)主極的勵(lì)磁磁通勢、主磁通量分別為，；為主磁極磁感應(yīng)線所經(jīng)路徑上的總磁阻。則有：·具有一定飽和特性·包含氣隙的整個(gè)磁路由兩個(gè)基本公式：F=Bli、e=Blv為知道F、e的大小，必須知道電樞鐵心表面B的大小，因?yàn)楫a(chǎn)生電磁力矩的載流導(dǎo)體都分布于此。在磁極下： 鐵心磁阻在極靴外，并在兩極分界處降為0。幾何中性線：與主磁極軸線正交的電樞徑向軸線；磁場中性線、物理中性線：電樞表面B0處的電樞徑向軸線。僅存在主磁通時(shí)二者重合。取磁力線穿出電樞表面的B為正。相鄰兩主磁極軸線間的距離稱為極距。二、

8、 電樞繞組（l）：保證在同一主磁極下電流方向不變。由于磁力線具有垂直出入介質(zhì)表面的性質(zhì)，兩個(gè)基本公式F=Bli、e=Blv的正交條件成立。當(dāng)繞組元件中I=常數(shù)時(shí)，元件邊受電磁力F的大小決定于元件邊所在空間位置上B的大小。當(dāng)電樞作勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)(t)的變化規(guī)律與B(x)的空間分布規(guī)律一致，但因電刷和換向片的作用，F(xiàn)的方向不變：存在問題：·轉(zhuǎn)矩小、波動(dòng)大、有零轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。對策：增加繞組元件數(shù)、合理聯(lián)接，增大轉(zhuǎn)矩、減小脈動(dòng)。例：1對磁極、6繞組元件模型：電樞以線速度Va運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞組元件和電刷A的換接順序?yàn)?23456···，換接后仍保持使同一磁極下的電流方向不變。

9、特點(diǎn)：1、元件頭尾相接，自成閉合回路。2、加上電刷后，變成兩條并聯(lián)支路。，a為并聯(lián)支路對數(shù)3、同支路繞組元件上層邊均在同主磁極下4、電刷位于主磁極軸線通過的換向片上5、并聯(lián)支路對稱，電樞旋轉(zhuǎn)不改變特點(diǎn)3。6、電磁轉(zhuǎn)矩等于各繞組元件建立的T之和：幅值增加，脈動(dòng)減小，零轉(zhuǎn)矩消除。7、進(jìn)一步增加繞組元件數(shù)，、脈動(dòng)。實(shí)際電樞的常用繞組結(jié)構(gòu)：疊繞(a=p)、波繞(a=1)：閱讀。三、 電樞反應(yīng)（B，l） 電樞電流產(chǎn)生磁場的影響電樞反應(yīng)磁勢Fa的性質(zhì)：空間靜止；與F0正交。合成磁通使主磁極軸線扭曲；b,d附近B增加，a,c附近B減小。飽和特性使增加值小于減小值，導(dǎo)致每極總磁通量隨電樞電流增加而下降。電樞反

10、應(yīng)具有去磁作用。可能影響運(yùn)行的穩(wěn)定。四、 換向：兩點(diǎn)結(jié)論·換向器是電機(jī)中最薄弱的環(huán)節(jié)，限制DCM的容量、轉(zhuǎn)速、過載能力、最大Ia·改善換向：增設(shè)換向極，利用Ia勵(lì)磁產(chǎn)生磁通抵銷電樞反應(yīng)磁通。五、 勵(lì)磁方式§1-3 電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電動(dòng)勢一、 電磁轉(zhuǎn)矩 B(x)是x的函數(shù)某一根導(dǎo)體的T(x) dx弧長內(nèi)導(dǎo)體所建立的dT分析：1、 1根導(dǎo)體：2、 dx弧長中的導(dǎo)體數(shù)（假設(shè)導(dǎo)體在電樞表面均分，總數(shù)N）：3、 dx區(qū)間內(nèi)導(dǎo)體所建立的轉(zhuǎn)矩：4、 一個(gè)主極下導(dǎo)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：其中磁通5、 重要結(jié)論：其中轉(zhuǎn)矩系數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)特點(diǎn)：·增加電機(jī)磁極對數(shù)p或總導(dǎo)體數(shù)N可增大電磁轉(zhuǎn)

11、矩。·對他勵(lì)DCM，不考慮電樞反應(yīng)影響時(shí)、勵(lì)磁電流恒定時(shí)，有優(yōu)點(diǎn)：直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接受電樞電流控制。二、 電樞電動(dòng)勢電角度和機(jī)械角度：機(jī)械角度：電樞旋轉(zhuǎn)一周，機(jī)械角度變化360度或2弧度。機(jī)械角速度弧度/秒=電角度：電樞旋轉(zhuǎn)經(jīng)過2個(gè)極距，電角度變化360度或2弧度。電角速度Ea為支路各串聯(lián)繞組元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢之和。·任一元件轉(zhuǎn)過，各元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值不同，但轉(zhuǎn)過一極距時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值相等。·由電磁感應(yīng)定律：；為每個(gè)繞組元件的匝數(shù)。·一元件轉(zhuǎn)過一極距后感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值（數(shù)值）： 轉(zhuǎn)過一極距：電角度,即·電樞繞組總元件數(shù)為S，每支路串聯(lián)

12、元件數(shù)為·電樞表面總導(dǎo)體數(shù)：·電樞電動(dòng)勢重要結(jié)論：（電勢系數(shù)、電勢常數(shù)）特點(diǎn)：·對他勵(lì)，磁通不變時(shí)，·方程代表電動(dòng)機(jī)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。·§14 電動(dòng)勢平衡方程與功率平衡方程·他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理電路(穩(wěn)態(tài))Ra為電動(dòng)機(jī)電樞繞組和換向器總電阻各電量假定正向按電動(dòng)機(jī)慣例：與電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)際方向一致重要結(jié)論：·穩(wěn)態(tài)電動(dòng)勢平衡方程： 忽略勵(lì)磁功率時(shí)，輸入功率銅耗電磁功率：重要關(guān)系式：空載損耗：軸承摩擦、冷卻風(fēng)扇風(fēng)阻、鐵心渦流損耗·軸上輸出功率 功率平衡方程（忽略勵(lì)磁損耗）：即軸上輸出轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩通常將空載轉(zhuǎn)矩作為一種負(fù)載