第一章-自動控制理論

電機及拖動基礎共98學時，其中實驗16學時選用教材：劉振興編電機與拖動

（華中科技大學大學出版社）第0章緒論本章主要介紹電機的簡單分類、電力拖動系統(tǒng)的組成、主要內容、課程的性質與特點，回顧與總結本課程必須的基本電磁量、定理、定律、鐵磁材料的特性。一方面便于讀者對課程有一個簡單了解，同時為后續(xù)章節(jié)提供基礎。0.1電機及電力拖動系統(tǒng)概述

電機：是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。電機動力類控制電機電動機發(fā)電機異步電機同步電機電動機發(fā)電機電動機發(fā)電機自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件、檢測元件變壓器直流電機交流電機電機拖動系統(tǒng)是用電動機來拖動機械運行的系統(tǒng)。包括：電動機、傳動機構、生產負載、控制設備和電源五個部分。電動機傳動機構生產負載控制系統(tǒng)電源電力拖動系統(tǒng)電源提供電動機和控制系統(tǒng)所需的電能電動機完成電能向機械能的轉換傳動機構用于傳遞動力，并實現(xiàn)運轉方式和運轉速度的轉換自動控制裝置則控制電動機拖動負載按照設定的工作方式運行電機拖動具有良好的起、制動性能，平滑調速。世界電力拖動研究的中心。逐漸取代直流拖動交流電機拖動直流電機拖動0.2

本課程的性質、任務與內容

性質：十分重要的專業(yè)基礎課。任務：掌握常用交、直流電機及變壓器等的基本結構與工作原理以及電力拖動系統(tǒng)的運行性能，分析計算，電機選擇與實驗方法，為學習后續(xù)課程準備必要的基礎知識。內容：本課程的教學目的是，通過課程的學習,使學生掌握常用交、直流電機及變壓器的基本結構、工作原理、運行性能和實驗方法；了解交直流電力拖動的基礎知識，掌握他勵直流電動機啟動、制動及調速等各種運行狀態(tài)的靜動態(tài)特性和參數(shù)計算；掌握異步電動機特性分析、啟動、制動方法和交流電動機常用調速方法；同步電動機的簡單原理

。電機與拖動是一門理論性很強的專業(yè)基礎課，同時又具有專業(yè)課的性質，涉及的基礎理論和實際知識面廣，是電磁學、動力學、熱力學等學科知識的綜合。用理論分析電機及拖動的實際問題時，必須結合電機的具體結構，采用工程觀點和分析方法。掌握基本理論的同時，還要注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算方法。本課程的特點及學習方法為了學好本門課程，必須做到以下幾點：1、抓主要矛盾，有條件地略去一些次要因素；2、抓住重點，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、要有良好的學習方法，運用對比或比較的方法，分析電機的共性和特點，加深對原理和性能的理解；4、理論聯(lián)系實際，重視科學實驗和工程實踐；5、充分預習和復習。參考書2、應崇實編《電機及拖動基礎》機械工業(yè)出版社1、李發(fā)海、王巖編《電機與拖動基礎》清華大學出版社3、顧繩谷編《電機及拖動基礎》機械工業(yè)出版社4、宋銀賓編《電機拖動基礎》冶金工業(yè)出版社第一章磁路1-1磁路的基本定律1-2常用的鐵磁材料及其特性1-3磁路的計算一、重點:1、磁路的基本定律;2、鐵磁材料的特性及基本磁化曲線;3、鐵心損耗.※重點與難點二、難點:

1、磁滯回線；2、鐵心損耗；3、磁路的計算。1-1磁路的基本定律

一、磁路的概念:

磁路：磁通所通過的路徑.見圖１－１。

主磁通：由于鐵心的導磁性能比空氣要好得多，所以絕大部分磁通將在鐵心內通過,這部分磁通稱為主磁通。

漏磁通：圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周圍的空間，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱為漏磁通。

主磁路：主磁通所通過的路徑。

漏磁路：漏磁通所通過的路徑。勵磁線圈：用以激勵磁路中磁通的載流線圈。

勵磁電流：勵磁線圈中的電流。直流:直流磁路例如:直流電機交流:交流磁路例如:變壓器

二、磁路的基本定律1．安培環(huán)路定律

定律內容:沿任何一條閉合回線，磁場強度的線積分值恰好等于該閉合回線所包圍的總電流值（代數(shù)和）。

公式:

附圖1-2,有:

2．磁路的歐姆定律

附圖1-3a

定律內容:作用在磁路上的磁動勢等于磁路內的磁通量乘以磁阻。

公式:

式中：

相應的模擬電路圖1-3b.

點擊書本進入例題1-1例題

[例1—1]

有一閉合鐵心磁路，鐵心的截面積，磁路的平均長度L=0.3m，鐵心的磁導率，套裝在鐵心上的勵磁繞組為500匝。試求在鐵心中產生1T的磁通密度時，所需的勵磁磁動勢和勵磁電流。？？？

解用安培環(huán)路定律來求解。磁場強度

磁動勢

勵磁電流

返回

定律內容:穿出(或進入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說,進入任一閉合面的磁通量恒等于穿出該閉合面的磁通量),這就是磁通連續(xù)性定律。

公式:

又稱磁路的并聯(lián)定律。

3．磁路的基爾霍夫第一定律

附圖1-4

4．磁路的基爾霍夫第二定律

定律背景:磁路計算時，總是把整個磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內磁通密度處處相等，從而磁場強度亦處處相等。

定律內容:沿任何閉合磁路的總磁動勢恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。

公式:

又稱磁路的串聯(lián)定律。

附圖1-5返回1-2常用的鐵磁材料及其特性一、鐵磁物質的磁化

鐵磁物質包括鐵鎳鈷以及它們的合金。

鐵磁材料在外磁場中呈現(xiàn)很強的磁性，此現(xiàn)象稱為鐵磁物質的磁化。

磁疇示意圖1-6。

二、磁化曲線和磁滯回線

1．起始磁化曲線

定義:將一塊尚未磁化的鐵磁材料進行磁化，當磁場強度H由零逐漸增大時，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f(H)就稱為起始磁化曲線.

曲線附圖1-7.

分析:起始磁化曲線基本上可分為四段,如下

鐵磁材料磁化曲線見示意圖1-7.應用:

設計電機和變壓器時，為使主磁路內得到較大的磁通量而又不過分增大勵磁磁動勢，通常把鐵心內的工作磁通密度選擇在膝點附近。

2．磁滯回線

示意圖:圖1-8。

剩磁:去掉外磁場之后，鐵磁材料內仍然保留的磁通密度。

矯頑力:要使B值從減小到零，必須加上相應的反向外磁場，此反向磁場強度Hc稱為矯頑力。

磁滯:鐵磁材料所具有的這種磁通密度B的變化滯后于磁場強度H變化的現(xiàn)象。

磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個特性。

3．基本磁化曲線

定義:對同一鐵磁材料，選擇不同的磁場強度進行反復磁化，可得一系列大小不同的磁滯回線,再將各磁滯回線的頂點聯(lián)接起來，所得的曲線。

附示意圖1-9。

三、鐵磁材料

1．軟磁材料

定義:

磁滯回線窄、剩磁和矯頑力都很小的材料。

附圖1-11a

常用軟磁材料:鑄鐵、鑄鋼和硅鋼片等。

軟磁材料的磁導率較高,故用以制造電機和變壓器的鐵心。

2．硬磁(永磁)材料

定義:磁滯回線寬、剩磁和矯頑力都很大的鐵磁材料稱為硬磁材料，又稱為永磁材料。

附圖1-11b

磁性能指標剩磁矯頑力最大磁能積種類示意圖

四、鐵心損耗

1．磁滯損耗

定義:

鐵磁材料置于交變磁場中時，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。

公式:

應用:由于硅鋼片磁滯回線的面積較小，故電機和變壓器的鐵心常用硅鋼片疊成。

2．渦流損耗

渦流:當通過鐵心的磁通隨時間變化時,根據(jù)電磁感應定律,鐵心中將產生感應電動勢,并引起環(huán)流,環(huán)流在鐵心內部圍繞磁通作旋渦狀流動稱為渦流。示意圖1-12。

定義:渦流在鐵心中引起的損耗。

公式:

應用:為減小渦流損耗，電機和變壓器的鐵心都用含硅量較高的薄硅鋼片疊成。3．鐵心損耗

定義:

鐵心中磁滯損耗和渦流損耗之和。

表達式:鐵心損耗與頻率的1.3次方,磁通密度的平方和鐵心重量成正比。返回一、直流磁路的計算導言:

磁路計算時，通常是先給定磁通量，然后計算所需要的勵磁磁動勢。對于少數(shù)給定勵磁磁動勢求磁通量的逆問題，由于磁路的非線性，需要進行試探和多次迭代，才能得到解答。

1-3磁路的計算

1．簡單串聯(lián)磁路

定義:不計漏磁影響，僅有一個磁回路的無分支磁路.

附圖1-13.

點擊書本進入例題1-2例題[例1—2]

若在例l—l的磁路中，開一個長度

的氣隙，問鐵心中激勵1T的磁通密度時，所需的勵磁磁動勢為多少?已知鐵心截面積，?？紤]到氣隙磁場的邊緣效應，在計算氣隙的有效面積時，通常在長、寬方向務增加δ值。解用磁路的基爾霍夫第二定律來求解。鐵心內的磁場強度:氣隙磁場強度:鐵心磁位降:氣隙磁位降:勵磁磁動勢:返回2．簡單并聯(lián)磁路

定義:指考慮漏磁影響，或磁回路有兩個以上分支的磁路。

點擊書本進入例題1-３例題

[例1—3]

圖1—14a所示并聯(lián)磁路，鐵心所用材料為DR530硅鋼片，鐵心柱和鐵軛的截面積均為，磁路段的平均長度，氣隙長度勵磁線圈匝數(shù)匝。不計漏磁通，試求在氣隙內產生=1．211T的磁通密度時，所需的勵磁電流i。

解：畫出圖l—14b所示模擬電路圖。由于兩條并聯(lián)磁路是對稱的，故只需計算其中一個磁回路即可。根據(jù)磁路基爾霍夫第一定律，得

根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律，

由圖1—14a可知、中間鐵心段的磁路長度左、右兩邊鐵心段的磁路長度均為

(2)中間鐵心段的磁位降磁通密度為(1)氣隙磁位降中間鐵心段的磁位降為左、右兩邊鐵心段的磁位降為（3）左、右兩邊鐵心的磁位降,磁通密度為

(4)總磁動勢和勵磁電流返回二、直流電機的空載磁路和磁化曲線

1.空載磁路及其計算

定義:直流電機的空載磁場是指勵磁繞組內通有直流勵磁電流時由勵磁磁動勢單獨激勵的磁場。

2.直流電機的磁化曲線

曲線示意圖1-16。

電機的磁化曲線體現(xiàn)了電機磁路的非線性，這種非線性使電機運行特性的數(shù)學表達復雜化。工程分析中，常用線性分析加上適當修正的辦法來考慮非線性的影響。

三、交流磁路的特點

1.交流磁路中，激磁電流是交流，因此磁路中的磁動勢及其所激勵的磁通均隨時間而交變，但每一瞬時仍和直流磁路一樣，遵循磁路的基本定律；

2.就瞬時值而言，通常情況下，可以使用相同的基本磁化曲線；

3.磁通量和磁通密度均用交流的幅值表示，磁動勢和磁場強度則用有效值表示。

交變磁通的效應:

(1)磁通量隨時間交變，必然會在激磁線圈內產生感應電動勢；

(2)磁通量隨時間交變，必然會在鐵心中產生鐵心損耗。

(3)磁飽和現(xiàn)象會導致電流、磁通和電動勢波形的畸變。

小提示:本章內容已結束,及時復習可以鞏固學習效果。返回主磁通漏磁通圖1-1變壓器的磁路返回漏磁通漏磁通漏磁通圖1-2安培環(huán)路定律HL返回圖1-3無分支鐵心磁路A)無分支鐵心磁路AN

i返回B)模擬電路圖F返回圖1-4磁路的基爾霍夫第一定律ANi返回圖1-5磁路的基爾霍夫第二定律i返回

圖1-6磁疇(A)未磁化

(B)磁化返回外加磁場H

BH圖1-7鐵磁材料的起始磁化曲線abcd返回

圖1-8鐵磁材料的磁滯回線HBabcdef返回

圖1-9基本磁化曲線基本磁化曲線HB返回