西南交大電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)教案-電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制

電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

劉黎liuli_link@163.com西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院？？？學(xué)什么？為什么學(xué)？怎么學(xué)？怎么考核？總評成績：平時(shí)10%，實(shí)驗(yàn)10%，考試80%。電機(jī)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁裝置用作能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)稱為動(dòng)力電機(jī)用做信號(hào)轉(zhuǎn)換的電機(jī)稱為控制電機(jī)什么是電機(jī)？什么是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)？以電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備為控制對象，以控制器為核心，基于控制理論，實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。典型電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制器單片機(jī)、數(shù)字模擬器件、控制電器功率放大變流裝置執(zhí)行電動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)械反饋檢測器件反饋控制理論微機(jī)原理電路、電子學(xué)功率電子技術(shù)檢測技術(shù)電力拖動(dòng)基礎(chǔ)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)C語言計(jì)算機(jī)控制技術(shù)單片機(jī)原理與控制技術(shù)自動(dòng)化電氣非電氣過程自動(dòng)化單機(jī)自動(dòng)化開環(huán)自動(dòng)控制閉環(huán)自動(dòng)控制現(xiàn)代電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成課程目的了解電機(jī)的功能和分類；掌握機(jī)電能量轉(zhuǎn)換基本理論；掌握交、直流電動(dòng)機(jī)的基本原理、基本特性及作為被控對象時(shí)的動(dòng)、靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立；掌握交、直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)；了解控制電機(jī)的功能、分類及應(yīng)用背景。西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5課程內(nèi)容機(jī)電能量轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)直流電機(jī)與直流調(diào)速控制系統(tǒng)交流電機(jī)與交流調(diào)速控制系統(tǒng)控制電機(jī)（測速電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)先修課程高等數(shù)學(xué)大學(xué)物理電路分析參考書目電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，楊耕等編著．清華大學(xué)出版社（教材）A.E.Fitzgerald等著.劉新正等譯.電機(jī)學(xué).

電子工業(yè)出版社，2004控制電機(jī)及其應(yīng)用，巫付專等，電子工業(yè)出版社，2008年第一章概述重點(diǎn)與難點(diǎn)：了解電機(jī)分類、基本原理；機(jī)電能量轉(zhuǎn)換常用的基本定律；電機(jī)磁材料與磁路；熟悉電機(jī)系統(tǒng)基本分析方法。第一節(jié)電機(jī)概況什么是電機(jī)？電機(jī)的基本工作原理？－應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械電機(jī)的分類發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能電動(dòng)機(jī)：把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能變壓器：改變電壓等級(jí)控制電機(jī)：用于信號(hào)的變換與傳遞特種電機(jī)電機(jī)的用途電力工業(yè)（發(fā)電機(jī)、變壓器）－電能的生產(chǎn)、傳輸、分配機(jī)械、冶金、化學(xué)工業(yè)（電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)）運(yùn)輸行業(yè)（牽引）控制系統(tǒng)（控制電機(jī)）第二節(jié)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換相關(guān)基本定律全電流定律（安培環(huán)路定律）電磁感應(yīng)定律電磁力定律電路定律牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律與磁場、磁路相關(guān)與等值電路相關(guān)與動(dòng)力學(xué)問題相關(guān)1、全電流定律（安培環(huán)路定律）在磁場中沿任意閉合回路磁場強(qiáng)度的線積分等于穿過該回路所有電流的代數(shù)和，即：式中，電流方向與閉合回路環(huán)繞方向符合右手螺旋關(guān)系時(shí)為正，反之為負(fù)。安培環(huán)路定律HL思考對于僅存在載流導(dǎo)體的情況：1、全電流定律（安培環(huán)路定律）（續(xù)）例：按圖中順時(shí)針l1、l2取回路有：按圖中順時(shí)針l1、l3取回路有：1i1N2i2N1l1F2F3F2l3l2、電磁感應(yīng)定律當(dāng)與線圈交鏈的磁鏈Ψ隨時(shí)間變化時(shí)，線圈中將感應(yīng)電動(dòng)勢e，e的大小等于線圈所交鏈的磁鏈對時(shí)間的變化率，e的方向符合楞次定律，數(shù)學(xué)描述為：（式中N為線圈匝數(shù)）(1)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢:(2)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢：當(dāng)磁場均勻、導(dǎo)線為直線、且運(yùn)動(dòng)方向與磁場和導(dǎo)體三者相互垂直。則：導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生電動(dòng)勢：2、電磁感應(yīng)定律（續(xù)）（方向用右手定則確定）3、電磁力定律（方向用左手定則確定）載流導(dǎo)體在磁場中受力，大小為：當(dāng)磁場均勻、導(dǎo)體為直線且導(dǎo)體方向與磁場相互垂直。則：注：旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上電磁力電磁轉(zhuǎn)矩Tem4、電路定律

基爾霍夫第二定律（電壓定理）KVL:

基爾霍夫第一定律（電流定理）KCL:

歐姆定律5、牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律對平動(dòng)剛體對旋轉(zhuǎn)剛體第三節(jié)電機(jī)中所用的材料與磁路電機(jī)電路部分磁路部分結(jié)構(gòu)部分－結(jié)構(gòu)材料－導(dǎo)電材料、絕緣材料導(dǎo)磁材料－一、電機(jī)中所用的材料

導(dǎo)電材料：作為電機(jī)中的電路，常采用導(dǎo)電性能好的材料，如紫銅或鋁絕緣材料：作為帶電體之間和鐵心間的電氣隔離。要求材料介電強(qiáng)度高而且耐熱強(qiáng)度好。導(dǎo)磁材料：作為電機(jī)中的磁路，常用硅鋼片、鋼板和鑄鋼結(jié)構(gòu)材料：使各部分構(gòu)成整體、支撐和連接其他機(jī)械。要求機(jī)械強(qiáng)度好、加工方便。常用鑄鐵、鑄鋼、鋁合金及工程材料二、基本磁路物理量磁場強(qiáng)度H(A/m)磁感應(yīng)密度(磁密)B(T)磁動(dòng)勢(磁勢)F(A)：勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的安匝數(shù)F=Ni磁通量(磁通)Φ(Wb)：穿過曲面S的磁通是磁感應(yīng)密度B的法線分量的面積分磁場強(qiáng)度H與磁感應(yīng)密度B的關(guān)系由材料特性決定

B＝μH

μ稱為材料的磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率：材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率的比值基本磁路物理量（續(xù)）電機(jī)中使用的鐵磁材料的典型相對磁導(dǎo)率范圍：2000－80000三.磁性材料的特性按相對磁導(dǎo)率，將材料分為非磁性物質(zhì)：μr約為1磁性（鐵磁）物質(zhì)：μr遠(yuǎn)大于1鐵磁物質(zhì)包括鐵、鎳、鈷等和他們的合金鐵磁物質(zhì)在外磁場中呈現(xiàn)磁性大幅度增強(qiáng)的現(xiàn)象非磁性物質(zhì)

非磁性物質(zhì)分子電流的磁場方向雜亂無章，幾乎不受外磁場的影響而互相抵消，不具有磁化特性。非磁性材料的磁導(dǎo)率都是常數(shù)，有：此時(shí)B與H呈線性關(guān)系。OHB

0

r

1B=

0H(

)(I)磁性物質(zhì)磁性物質(zhì)特點(diǎn)：磁疇。在外磁場作用下，磁疇方向發(fā)生變化，使之與外磁場方向趨于一致，整體顯示出磁性來，稱為磁化。即磁性物質(zhì)能被磁化。磁疇外磁場在無外磁場作用時(shí)，各個(gè)磁疇排列雜亂無章，磁場互相抵消，整體對外不顯磁性。磁疇磁性材料的磁性能高導(dǎo)磁性

r1

磁飽和性當(dāng)外磁場增大到一定程度時(shí)，磁性物質(zhì)的全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨向某一定值。OHBB0BJB?a?b磁化曲線思考磁滯現(xiàn)象磁滯回線：磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線形成一條的回形閉合曲線。磁滯現(xiàn)象：磁性材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc注：磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。鐵磁材料分類軟磁材料磁滯回線窄，剩磁Br和矯頑力Hc小鑄鐵、鋼、硅鋼片等軟磁材料的磁導(dǎo)率較高硬磁（永磁）材料磁滯回線寬、Br和Hc都大的鐵磁材料永磁材料的性能用剩磁Br、矯頑力Hc和最大磁能積（BH）max三項(xiàng)指標(biāo)表征四.磁路

1.磁路的概念：磁通所通過的閉合路徑。是以高導(dǎo)磁性材料構(gòu)成的使磁通被限制在結(jié)構(gòu)所確定的路徑之中的一種結(jié)構(gòu)(和電流在電路中被導(dǎo)體所限制是極為相似)。+–NIfNSS直流電機(jī)的磁路變壓器的磁路+–

1

磁路歐姆定理對于等截面、磁密分布均勻、材料一致的簡單磁路假設(shè)磁通為Φ，磁動(dòng)勢為F=Ni，磁路截面積為A，磁路平均長度為l+–

磁位降磁阻磁路與電路的比較磁路磁通勢F磁通

磁阻電路電動(dòng)勢E電流密度J電阻磁感應(yīng)強(qiáng)度B電流I

NI+_EIR第四節(jié)電機(jī)的能量變換效率與損耗一.電機(jī)的損耗銅耗pCu：導(dǎo)體中流過電流產(chǎn)生的損耗；鐵耗pFe：鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗；機(jī)械損耗pmec：機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦和風(fēng)阻；附加損耗pad：其他原因引起的損耗。電機(jī)中的損耗→熱能→電機(jī)的溫度升高鐵心損耗（1）磁滯損耗鐵磁材料在交流磁場中反復(fù)磁化，磁疇相互摩擦產(chǎn)生的損耗。－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）渦流損耗交變磁場在鐵心中產(chǎn)生感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢產(chǎn)生渦流渦流產(chǎn)生損耗－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）鐵心損耗二、電機(jī)的發(fā)熱電機(jī)中的重要參數(shù)：溫升電機(jī)溫升＝電機(jī)溫度-環(huán)境溫度（國家規(guī)定環(huán)境計(jì)算溫度為40℃）絕緣材料按耐熱能力可以分為A(105℃)、E(120℃)、B(130℃)、F(155℃)、H(180℃)、C(>180℃)級(jí)思考電機(jī)中哪種材料耐熱性最差？三、電機(jī)的冷卻電機(jī)的冷卻決定了電機(jī)的散熱能力和電機(jī)的溫升，從而直接影響電機(jī)的壽命和額定容量。冷卻介質(zhì)：電機(jī)中能直接或間接帶走電機(jī)所產(chǎn)生的熱量的物質(zhì)。常用空氣、氫氣、水和油冷卻方