控制電機(jī)(緒論)

控制電機(jī)范偉1《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論第一章導(dǎo)論1.1概述1.2電機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1.3電機(jī)中的基本電磁定律1.4鐵磁材料特性1.5磁路基本定律及計(jì)算方法2《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.1概述

一、電機(jī)的定義電機(jī)是基于電磁感應(yīng)定律、電磁力定律（能進(jìn)行電磁感應(yīng)），由電路和磁路所構(gòu)成，能進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)變換的電磁機(jī)械裝置。3《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論二、電機(jī)的主要類(lèi)型

據(jù)速度、電流分4《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論據(jù)能量轉(zhuǎn)換分發(fā)電機(jī)——將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率電動(dòng)機(jī)——將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率變壓（流、頻、相位）器——將電功率轉(zhuǎn)換為另一種形式的電功率控制電機(jī)——電氣機(jī)械系統(tǒng)中調(diào)節(jié)、放大和控制作用5《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論實(shí)物圖水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)輸使用中的變壓器水輪發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)6《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論三、電機(jī)中所用材料電電路導(dǎo)電材料及絕緣材料

導(dǎo)電材料：紫銅、鋁線(xiàn)絕緣材料：聚脂漆、云母片按耐熱能力高低分六個(gè)等級(jí)A—105oE—120o

B—130oF—155oH—180oC180o

7《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2、磁磁路導(dǎo)磁材料硅鋼片、鑄鋼等導(dǎo)磁材料：鐵磁材料3、力結(jié)構(gòu)材料鑄鋼、鑄鐵、鋼板等8《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論四、電機(jī)作用和地位電能生產(chǎn)——由同步發(fā)電機(jī)生產(chǎn)；高壓輸電——由升壓變壓器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升高到輸電電壓再輸送；降壓用電——由降壓變壓器將輸來(lái)的高壓電降為所需低電壓，供給用電設(shè)備；生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)——由各種電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)；控制系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換——由各種控制電機(jī)完成。9《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論控制電機(jī)的用途和類(lèi)別

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，控制電機(jī)已是構(gòu)成開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步聯(lián)結(jié)和機(jī)電模擬解算裝置等系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，廣泛應(yīng)用于各個(gè)部門(mén)，如化工、煉油、鋼鐵、造船、原子能反應(yīng)堆、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化儀表和儀器、電影、電視、電子計(jì)算機(jī)外設(shè)等民用設(shè)備，或雷達(dá)天線(xiàn)自動(dòng)定位、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、導(dǎo)航儀、激光和紅外線(xiàn)技術(shù)、導(dǎo)彈和火箭的制導(dǎo)、自動(dòng)火炮射擊控制、艦艇駕駛盤(pán)和方向盤(pán)的控制等軍事設(shè)備。10《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論這些系統(tǒng)能處理包括直線(xiàn)位移、角位移、速度、加速度、溫度、濕度、流量、壓力、液面高低、比重、濃度、硬度等多種物理量?，F(xiàn)以自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要分支——按預(yù)定要求控制物體位置的伺服系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明一下控制電機(jī)的種類(lèi)和用途。圖9-1為兩種伺服系統(tǒng)的示意方框圖。其中圖9-1（a）為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床常用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置給出位移指令脈沖，驅(qū)動(dòng)電路將脈沖放大，去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按命令脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)工作臺(tái)按要求進(jìn)行位移。11《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖9-1（b）為高檔數(shù)控機(jī)床使用的全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)控裝置給出加工所要求的位移指令值，在機(jī)床工作臺(tái)上裝有直線(xiàn)位置傳感器進(jìn)行實(shí)際位置檢測(cè)，在伺服電動(dòng)機(jī)軸上還裝有速度傳感器完成實(shí)際速度檢測(cè)。該系統(tǒng)的位置比較電路要進(jìn)行位置指令值和實(shí)際位置反饋值之間的偏差運(yùn)算，根據(jù)偏差情況計(jì)算出所需速度，所需速度還要和實(shí)際速度檢測(cè)值進(jìn)行比較，用一系列綜合運(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)地通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器去推動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精確移動(dòng)。12《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖9-1兩種伺服系統(tǒng)示意方框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)；

(b)全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)13《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.2電機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1．電機(jī)的發(fā)展初期F＝Bli——1821年Faraday電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)——1831年Faraday直流發(fā)電機(jī)——1831年P(guān)ixii1876年單相交流電的應(yīng)用——遠(yuǎn)距離傳輸1885年交流電動(dòng)機(jī)1889年三相制——三相交流電的應(yīng)用三相電機(jī)14《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2．電機(jī)的近代發(fā)展及趨勢(shì)單機(jī)容量不斷增加如汽輪發(fā)電機(jī)：中小型電機(jī)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷改進(jìn)新的設(shè)計(jì)方法（CAD）、工藝、材料、測(cè)試手段應(yīng)用范圍擴(kuò)大19005MVA1956水內(nèi)冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空氣冷卻100MVA目前>1000MVA氫氣冷卻150MVA15《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.3電機(jī)中磁路基本定律1.全電流定律—安培環(huán)路定律LH式中，若電流的正方向與閉合回線(xiàn)L的環(huán)行方向符合右手螺旋關(guān)系時(shí)，i取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào)。16《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2.電磁感應(yīng)定律閉合回路中的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化，該線(xiàn)圈中必然有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，稱(chēng)這種現(xiàn)象為電磁感應(yīng)。線(xiàn)圈中的感應(yīng)電勢(shì)將傾向于阻止線(xiàn)圈中磁鏈的變化。17《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖1-2電磁感應(yīng)定律18《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論磁通變化原因在變壓器和電機(jī)的繞組中，磁通的變化可以是磁通隨時(shí)間脈動(dòng)或磁通不變，而線(xiàn)圈在轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)特種電機(jī)還可以是磁通隨時(shí)間脈動(dòng)，而線(xiàn)圈也在轉(zhuǎn)動(dòng)19《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論變壓器電動(dòng)勢(shì)

磁通本身就是由交流電流所產(chǎn)生，也就是說(shuō)磁通本身隨時(shí)間在變化著，這樣產(chǎn)生的電勢(shì)稱(chēng)為變壓器電勢(shì)。（線(xiàn)圈與磁場(chǎng)相對(duì)靜止）磁通本身不隨時(shí)間變化，但由于線(xiàn)圈與磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起線(xiàn)圈中磁鏈的變化，這樣產(chǎn)生的電勢(shì)稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)或速度電勢(shì)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)20《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論變壓器電勢(shì)若線(xiàn)圈不動(dòng)，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通隨時(shí)間變化，則線(xiàn)圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)——變壓器電勢(shì)21《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電動(dòng)勢(shì)和磁通相位關(guān)系22《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論若磁場(chǎng)恒定，構(gòu)成線(xiàn)圈的導(dǎo)體切割磁力線(xiàn)，使線(xiàn)圈交鏈的磁鏈隨時(shí)間變化，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)——運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向_右手定則23《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到力的作用——電磁力。左手定則24《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電磁轉(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，作用在轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體上的電磁力將使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)力矩(等于力乘轉(zhuǎn)子半徑)——電磁轉(zhuǎn)矩。25《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論最大轉(zhuǎn)矩線(xiàn)圈兩側(cè)邊處磁場(chǎng)大小恒相等、極性恒相反線(xiàn)圈總個(gè)數(shù)M，轉(zhuǎn)子直徑D，B大小處處相等。電機(jī)最大可能電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩26《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要物理量。

電動(dòng)機(jī)：電磁轉(zhuǎn)矩——驅(qū)動(dòng)性質(zhì)電能——機(jī)械能發(fā)電機(jī)：電磁轉(zhuǎn)矩——制動(dòng)性質(zhì)機(jī)械能——電能P：電磁功率（輸入、輸出）Ω：電機(jī)氣隙磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度功率關(guān)系求得電磁轉(zhuǎn)矩27《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.4鐵磁材料特性一、磁導(dǎo)率μ=B/HB：磁通密度H：磁場(chǎng)強(qiáng)度電機(jī)主要由兩大系統(tǒng)組成：電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)。鐵磁材料是組成磁路的主要部分。所謂鐵磁材料是指導(dǎo)磁性能好的材料，如：鐵、鎳、鈷等以及它們的合金。1、定義28《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論在同樣大小的電流作用下，鐵芯線(xiàn)圈的磁通比空心線(xiàn)圈的磁通大得多非鐵磁材料磁導(dǎo)率接近真空磁導(dǎo)率μ0μ0=4π×10-7H/m鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe要比非鐵磁材料磁導(dǎo)率μ0大得多（μFe>>μ）鐵磁物質(zhì):鐵、鎳、鋁及其合金電機(jī)中常用的鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe=(2000~6000)μ029《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論考慮：為什么鐵磁材料具有很高的導(dǎo)磁性能在鐵磁物質(zhì)未放入磁場(chǎng)之前，磁疇雜亂無(wú)章排列，其磁效應(yīng)互相抵消，對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。將鐵磁物放入磁場(chǎng)。在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇的軸線(xiàn)趨于一致。形成一個(gè)附加磁場(chǎng)，疊加在外磁場(chǎng)上，使合成磁場(chǎng)大為增強(qiáng)。鐵磁材料的磁導(dǎo)率要比非鐵磁材料大得多。鐵磁材料的磁導(dǎo)率μFe不是常數(shù)。圖1.5鐵磁材料中的磁疇30《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2、磁化曲線(xiàn)磁化曲線(xiàn)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，得到曲線(xiàn)B=f(H)。31《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論分析磁化曲線(xiàn)，分四段在oa段：當(dāng)H增大→B增大，但B增大速度較慢在ab段：當(dāng)H增大→B增大，B增大速度快；在bc段：B隨H增大的速度又較慢；在cd段：為磁飽和區(qū)（又呈直線(xiàn)段）。其中拐彎點(diǎn)b稱(chēng)為膝點(diǎn)；c點(diǎn)為飽和點(diǎn)。過(guò)了飽和點(diǎn)c，鐵磁材料的磁導(dǎo)率趨近μ0。32《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※鐵磁材料具有的特點(diǎn)它的磁化曲線(xiàn)具有飽和性，磁導(dǎo)率μFe不是常數(shù)，且隨B的變化而變化。變化總體非線(xiàn)性存在飽和特性B33《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論BH圖1-6鐵磁材料的磁化曲線(xiàn)（p16）abc34《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論△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。35《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論二、磁滯與磁滯損耗

1、磁滯回線(xiàn)

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)度稱(chēng)為矯頑力。磁滯現(xiàn)象：B的變化總是滯后H的變化磁滯回線(xiàn)：磁場(chǎng)強(qiáng)度H緩慢地循環(huán)變化，B－H曲線(xiàn)封閉曲線(xiàn)磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個(gè)特性。36《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖1-7鐵磁材料的磁滯回線(xiàn)HBabcdef37《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論基本磁化曲線(xiàn)：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(xiàn),再將各磁滯回線(xiàn)的頂點(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，所得的曲線(xiàn)。HB38《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論2、鐵磁材料HC—矯頑力Br—剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵磁材料：軟磁材料--磁滯回線(xiàn)窄，HC及Br小硬磁材料--磁滯回線(xiàn)寬，HC及Br大HC及Br大，難退磁---永磁材料BrHCBm39《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論軟磁材料的磁滯曲線(xiàn)HBBH硬磁材料的磁滯曲線(xiàn)40《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論3、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。41《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論全電流定律電源供給線(xiàn)圈的瞬時(shí)功率電磁感應(yīng)定律42《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需要的瞬時(shí)功率pKh——不同材料計(jì)算系數(shù)α——試驗(yàn)確定的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式43《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論

4、渦流損耗鐵芯是有阻值的，當(dāng)磁通交變時(shí)，鐵芯中就會(huì)感應(yīng)交變的電勢(shì)，在導(dǎo)電的鐵芯中就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，這種電流在鐵芯構(gòu)成的回路與磁通相環(huán)鏈，故稱(chēng)渦流。渦流產(chǎn)生的損耗稱(chēng)為渦流損耗。kw——與材料有關(guān)的比例系數(shù)pW=K2f2d2Bm2V/12V：鋼片的體積：硅鋼片的電阻率d：硅鋼片厚度pWf2、d2、Bm2、1/、V加入硅硅鋼片增大44《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖1-10硅鋼片中的渦流 B45《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論△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。46《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論5、鐵心損耗鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗之合稱(chēng)為鐵芯損耗對(duì)于一般的電工鋼片，在正常的工作磁通密度范圍內(nèi)47《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論48《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論※注意在恒定磁場(chǎng)中的靜止導(dǎo)磁體內(nèi)是不會(huì)引起能量損耗的。鐵芯損耗均轉(zhuǎn)化為熱能使鐵芯溫度升高，為防止電機(jī)過(guò)熱，采用硅鋼片以減小鐵芯損耗，采取散熱降溫措施。49《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論1.5磁路基本定律和磁路的計(jì)算電電路導(dǎo)電材料（及絕緣材料）紫銅、鋁線(xiàn)（絕緣:按耐熱能力高低分A、E、B、F、H、C六個(gè)等級(jí)）磁磁路導(dǎo)磁材料硅鋼片、鑄鋼等力結(jié)構(gòu)材料鑄鋼、鑄鐵、鋼板等50《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論磁路磁通所通過(guò)的路徑。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(xiàn)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。51《電機(jī)學(xué)》第一章導(dǎo)論圖