第一章-自動(dòng)控制理論

電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)共98學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)選用教材：劉振興編電機(jī)與拖動(dòng)

（華中科技大學(xué)大學(xué)出版社）第0章緒論本章主要介紹電機(jī)的簡(jiǎn)單分類(lèi)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成、主要內(nèi)容、課程的性質(zhì)與特點(diǎn)，回顧與總結(jié)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(duì)課程有一個(gè)簡(jiǎn)單了解，同時(shí)為后續(xù)章節(jié)提供基礎(chǔ)。0.1電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述

電機(jī)：是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。電機(jī)動(dòng)力類(lèi)控制電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)異步電機(jī)同步電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件、檢測(cè)元件變壓器直流電機(jī)交流電機(jī)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)是用電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)行的系統(tǒng)。包括：電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)負(fù)載、控制設(shè)備和電源五個(gè)部分。電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)負(fù)載控制系統(tǒng)電源電力拖動(dòng)系統(tǒng)電源提供電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)所需的電能電動(dòng)機(jī)完成電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于傳遞動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)方式和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)換自動(dòng)控制裝置則控制電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載按照設(shè)定的工作方式運(yùn)行電機(jī)拖動(dòng)具有良好的起、制動(dòng)性能，平滑調(diào)速。世界電力拖動(dòng)研究的中心。逐漸取代直流拖動(dòng)交流電機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)拖動(dòng)0.2

本課程的性質(zhì)、任務(wù)與內(nèi)容

性質(zhì)：十分重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。任務(wù)：掌握常用交、直流電機(jī)及變壓器等的基本結(jié)構(gòu)與工作原理以及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，分析計(jì)算，電機(jī)選擇與實(shí)驗(yàn)方法，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識(shí)。內(nèi)容：本課程的教學(xué)目的是，通過(guò)課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握常用交、直流電機(jī)及變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行性能和實(shí)驗(yàn)方法；了解交直流電力拖動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速等各種運(yùn)行狀態(tài)的靜動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)計(jì)算；掌握異步電動(dòng)機(jī)特性分析、啟動(dòng)、制動(dòng)方法和交流電動(dòng)機(jī)常用調(diào)速方法；同步電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單原理

。電機(jī)與拖動(dòng)是一門(mén)理論性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)又具有專(zhuān)業(yè)課的性質(zhì)，涉及的基礎(chǔ)理論和實(shí)際知識(shí)面廣，是電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科知識(shí)的綜合。用理論分析電機(jī)及拖動(dòng)的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點(diǎn)和分析方法。掌握基本理論的同時(shí)，還要注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作技能和計(jì)算方法。本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法為了學(xué)好本門(mén)課程，必須做到以下幾點(diǎn)：1、抓主要矛盾，有條件地略去一些次要因素；2、抓住重點(diǎn)，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、要有良好的學(xué)習(xí)方法，運(yùn)用對(duì)比或比較的方法，分析電機(jī)的共性和特點(diǎn)，加深對(duì)原理和性能的理解；4、理論聯(lián)系實(shí)際，重視科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐；5、充分預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。參考書(shū)2、應(yīng)崇實(shí)編《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社1、李發(fā)海、王巖編《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社3、顧繩谷編《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社4、宋銀賓編《電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)》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(jì)算一、重點(diǎn):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(diǎn)與難點(diǎn)二、難點(diǎn):

1、磁滯回線；2、鐵心損耗；3、磁路的計(jì)算。1-1磁路的基本定律

一、磁路的概念:

磁路：磁通所通過(guò)的路徑.見(jiàn)圖１－１。

主磁通：由于鐵心的導(dǎo)磁性能比空氣要好得多，所以絕大部分磁通將在鐵心內(nèi)通過(guò),這部分磁通稱(chēng)為主磁通。

漏磁通：圍繞載流線圈、部分鐵心和鐵心周?chē)目臻g，還存在少量分散的磁通，這部分磁通稱(chēng)為漏磁通。

主磁路：主磁通所通過(guò)的路徑。

漏磁路：漏磁通所通過(guò)的路徑。勵(lì)磁線圈：用以激勵(lì)磁路中磁通的載流線圈。

勵(lì)磁電流：勵(lì)磁線圈中的電流。直流:直流磁路例如:直流電機(jī)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(nèi)容:沿任何一條閉合回線，磁場(chǎng)強(qiáng)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(nèi)容:作用在磁路上的磁動(dòng)勢(shì)等于磁路內(nèi)的磁通量乘以磁阻。

公式:

式中：

相應(yīng)的模擬電路圖1-3b.

點(diǎn)擊書(shū)本進(jìn)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(zhǎng)度L=0.3m，鐵心的磁導(dǎo)率，套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組為500匝。試求在鐵心中產(chǎn)生1T的磁通密度時(shí)，所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁電流。？？？

解用安培環(huán)路定律來(lái)求解。磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁動(dòng)勢(shì)

勵(lì)磁電流

返回

定律內(nèi)容:穿出(或進(jìn)入)任一閉和面的總磁通量恒等于零(或者說(shuō),進(jìn)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(chēng)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(jì)算時(shí)，總是把整個(gè)磁路分成若干段，每段為同一材料、相同截面積，且段內(nèi)磁通密度處處相等，從而磁場(chǎng)強(qiáng)度亦處處相等。

定律內(nèi)容:沿任何閉合磁路的總磁動(dòng)勢(shì)恒等于各段磁路磁位降的代數(shù)和。

公式:

又稱(chēng)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(zhì)的磁化

鐵磁物質(zhì)包括鐵鎳鈷以及它們的合金。

鐵磁材料在外磁場(chǎng)中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，此現(xiàn)象稱(chēng)為鐵磁物質(zhì)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(jìn)行磁化，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由零逐漸增大時(shí)，磁通密度B將隨之增大，曲線B=f(H)就稱(chēng)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(jiàn)示意圖1-7.應(yīng)用:

設(shè)計(jì)電機(jī)和變壓器時(shí)，為使主磁路內(nèi)得到較大的磁通量而又不過(guò)分增大勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，通常把鐵心內(nèi)的工作磁通密度選擇在膝點(diǎn)附近。

2．磁滯回線

示意圖:圖1-8。

剩磁:去掉外磁場(chǎng)之后，鐵磁材料內(nèi)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(yīng)的反向外磁場(chǎng)，此反向磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc稱(chēng)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(chǎng)強(qiáng)度H變化的現(xiàn)象。

磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個(gè)特性。

3．基本磁化曲線

定義:對(duì)同一鐵磁材料，選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行反復(fù)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(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，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(dǎo)率較高,故用以制造電機(jī)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(chēng)為硬磁材料，又稱(chēng)為永磁材料。

附圖1-11b

磁性能指標(biāo)剩磁矯頑力最大磁能積種類(lèi)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(chǎng)中時(shí)，磁疇相互間不停地摩擦、消耗能量、造成損耗，這種損耗稱(chēng)為磁滯損耗。

公式:

應(yīng)用:由于硅鋼片磁滯回線的面積較小，故電機(jī)和變壓器的鐵心常用硅鋼片疊成。

2．渦流損耗

渦流:當(dāng)通過(guò)鐵心的磁通隨時(shí)間變化時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,鐵心中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),并引起環(huán)流,環(huán)流在鐵心內(nèi)部圍繞磁通作旋渦狀流動(dòng)稱(chēng)為渦流。示意圖1-12。

定義:渦流在鐵心中引起的損耗。

公式:

應(yīng)用:為減小渦流損耗，電機(jī)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(dá)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(jì)算導(dǎo)言:

磁路計(jì)算時(shí)，通常是先給定磁通量，然后計(jì)算所需要的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。對(duì)于少數(shù)給定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)求磁通量的逆問(wèn)題，由于磁路的非線性，需要進(jìn)行試探和多次迭代，才能得到解答。

1-3磁路的計(jì)算

1．簡(jiǎn)單串聯(lián)磁路

定義:不計(jì)漏磁影響，僅有一個(gè)磁回路的無(wú)分支磁路.

附圖1-13.

點(diǎn)擊書(shū)本進(jìn)入例題1-2例題[例1—2]

若在例l—l的磁路中，開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)度

的氣隙，問(wèn)鐵心中激勵(lì)1T的磁通密度時(shí)，所需的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為多少?已知鐵心截面積，?？紤]到氣隙磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，在計(jì)算氣隙的有效面積時(shí)，通常在長(zhǎng)、寬方向務(wù)增加δ值。解用磁路的基爾霍夫第二定律來(lái)求解。鐵心內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度:氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度:鐵心磁位降:氣隙磁位降:勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì):返回2．簡(jiǎn)單并聯(lián)磁路

定義:指考慮漏磁影響，或磁回路有兩個(gè)以上分支的磁路。

點(diǎn)擊書(shū)本進(jìn)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(zhǎng)度，氣隙長(zhǎng)度勵(lì)磁線圈匝數(shù)匝。不計(jì)漏磁通，試求在氣隙內(nèi)產(chǎn)生=1．211T的磁通密度時(shí)，所需的勵(lì)磁電流i。

解：畫(huà)出圖l—14b所示模擬電路圖。由于兩條并聯(lián)磁路是對(duì)稱(chēng)的，故只需計(jì)算其中一個(gè)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(zhǎng)度左、右兩邊鐵心段的磁路長(zhǎng)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(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁電流返回二、直流電機(jī)的空載磁路和磁化曲線

1.空載磁路及其計(jì)算

定義:直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)是指勵(lì)磁繞組內(nèi)通有直流勵(lì)磁電流時(shí)由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)激勵(lì)的磁場(chǎng)。

2.直流電機(jī)的磁化曲線

曲線示意圖1-16。

電機(jī)的磁化曲線體現(xiàn)了電機(jī)磁路的非線性，這種非線性使電機(jī)運(yùn)行特性的數(shù)學(xué)表達(dá)復(fù)雜化。工程分析中，常用線性分析加上適當(dāng)修正的辦法來(lái)考慮非線性的影響。

三、交流磁路的特點(diǎn)

1.交流磁路中，激磁電流是交流，因此磁路中的磁動(dòng)勢(shì)及其所激勵(lì)的磁通均隨時(shí)間而交變，但每一瞬時(shí)仍和直流磁路一樣，遵循磁路的基本定律；

2.就瞬時(shí)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(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)強(qiáng)度則用有效值表示。

交變磁通的效應(yīng):

(1)磁通量隨時(shí)間交變，必然會(huì)在激磁線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

(2)磁通量隨時(shí)間交變，必然會(huì)在鐵心中產(chǎn)生鐵心損耗。

(3)磁飽和現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電流、磁通和電動(dòng)勢(shì)波形的畸變。

小提示:本章內(nèi)容已結(jié)束,及時(shí)復(fù)習(xí)可以鞏固學(xué)習(xí)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(wú)分支鐵心磁路A)無(wú)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(chǎng)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