控制電機(緒論)

控制電機范偉1《電機學》第一章導論第一章導論1.1概述1.2電機發(fā)展簡史1.3電機中的基本電磁定律1.4鐵磁材料特性1.5磁路基本定律及計算方法2《電機學》第一章導論1.1概述

一、電機的定義電機是基于電磁感應定律、電磁力定律（能進行電磁感應），由電路和磁路所構成，能進行機電能量轉(zhuǎn)換或信號變換的電磁機械裝置。3《電機學》第一章導論二、電機的主要類型

據(jù)速度、電流分4《電機學》第一章導論據(jù)能量轉(zhuǎn)換分發(fā)電機——將機械功率轉(zhuǎn)換為電功率電動機——將電功率轉(zhuǎn)換為機械功率變壓（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——電氣機械系統(tǒng)中調(diào)節(jié)、放大和控制作用5《電機學》第一章導論實物圖水輪發(fā)電機運輸使用中的變壓器水輪發(fā)電機電動機6《電機學》第一章導論三、電機中所用材料電電路導電材料及絕緣材料

導電材料：紫銅、鋁線絕緣材料：聚脂漆、云母片按耐熱能力高低分六個等級A—105oE—120o

B—130oF—155oH—180oC180o

7《電機學》第一章導論2、磁磁路導磁材料硅鋼片、鑄鋼等導磁材料：鐵磁材料3、力結構材料鑄鋼、鑄鐵、鋼板等8《電機學》第一章導論四、電機作用和地位電能生產(chǎn)——由同步發(fā)電機生產(chǎn)；高壓輸電——由升壓變壓器將發(fā)電機發(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的高壓電降為所需低電壓，供給用電設備；生產(chǎn)機械的拖動——由各種電動機實現(xiàn)；控制系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換——由各種控制電機完成。9《電機學》第一章導論控制電機的用途和類別

在科學技術高速發(fā)展的今天，控制電機已是構成開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步聯(lián)結和機電模擬解算裝置等系統(tǒng)的基礎元件，廣泛應用于各個部門，如化工、煉油、鋼鐵、造船、原子能反應堆、數(shù)控機床、自動化儀表和儀器、電影、電視、電子計算機外設等民用設備，或雷達天線自動定位、飛機自動駕駛儀、導航儀、激光和紅外線技術、導彈和火箭的制導、自動火炮射擊控制、艦艇駕駛盤和方向盤的控制等軍事設備。10《電機學》第一章導論這些系統(tǒng)能處理包括直線位移、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)以自動控制系統(tǒng)的一個重要分支——按預定要求控制物體位置的伺服系統(tǒng)為例來說明一下控制電機的種類和用途。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)濟型數(shù)控機床常用的步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)，計算機數(shù)控裝置給出位移指令脈沖，驅(qū)動電路將脈沖放大，去驅(qū)動步進電動機按命令脈沖轉(zhuǎn)動，并帶動工作臺按要求進行位移。11《電機學》第一章導論圖9-1（b）為高檔數(shù)控機床使用的全閉環(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，在機床工作臺上裝有直線位置傳感器進行實際位置檢測，在伺服電動機軸上還裝有速度傳感器完成實際速度檢測。該系統(tǒng)的位置比較電路要進行位置指令值和實際位置反饋值之間的偏差運算，根據(jù)偏差情況計算出所需速度，所需速度還要和實際速度檢測值進行比較，用一系列綜合運算結果實時地通過伺服驅(qū)動器去推動伺服電動機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工作臺的精確移動。12《電機學》第一章導論圖9-1兩種伺服系統(tǒng)示意方框圖步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)；

(b)全閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)13《電機學》第一章導論1.2電機發(fā)展簡史1．電機的發(fā)展初期F＝Bli——1821年Faraday電磁感應定律的發(fā)現(xiàn)——1831年Faraday直流發(fā)電機——1831年Pixii1876年單相交流電的應用——遠距離傳輸1885年交流電動機1889年三相制——三相交流電的應用三相電機14《電機學》第一章導論2．電機的近代發(fā)展及趨勢單機容量不斷增加如汽輪發(fā)電機：中小型電機技術與經(jīng)濟指標不斷改進新的設計方法（CAD）、工藝、材料、測試手段應用范圍擴大19005MVA1956水內(nèi)冷208MVA192025MVA1960320MVA1937空氣冷卻100MVA目前>1000MVA氫氣冷卻150MVA15《電機學》第一章導論1.3電機中磁路基本定律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L的環(huán)行方向符合右手螺旋關系時，i取正號，否則取負號。16《電機學》第一章導論2.電磁感應定律閉合回路中的磁通量隨時間發(fā)生變化，該線圈中必然有感應電勢產(chǎn)生，稱這種現(xiàn)象為電磁感應。線圈中的感應電勢將傾向于阻止線圈中磁鏈的變化。17《電機學》第一章導論圖1-2電磁感應定律18《電機學》第一章導論磁通變化原因在變壓器和電機的繞組中，磁通的變化可以是磁通隨時間脈動或磁通不變，而線圈在轉(zhuǎn)動。對特種電機還可以是磁通隨時間脈動，而線圈也在轉(zhuǎn)動19《電機學》第一章導論變壓器電動勢

磁通本身就是由交流電流所產(chǎn)生，也就是說磁通本身隨時間在變化著，這樣產(chǎn)生的電勢稱為變壓器電勢。（線圈與磁場相對靜止）磁通本身不隨時間變化，但由于線圈與磁場間有相對運動而引起線圈中磁鏈的變化，這樣產(chǎn)生的電勢稱為運動電勢或速度電勢運動電動勢20《電機學》第一章導論變壓器電勢若線圈不動，穿過線圈的磁通隨時間變化，則線圈中感應的電動勢——變壓器電勢21《電機學》第一章導論電動勢和磁通相位關系22《電機學》第一章導論若磁場恒定，構成線圈的導體切割磁力線，使線圈交鏈的磁鏈隨時間變化，導體中的感應電動勢——運動電動勢。運動電動勢感應電動勢的方向_右手定則23《電機學》第一章導論電磁力定律載流導體在磁場中要受到力的作用——電磁力。左手定則24《電機學》第一章導論電磁轉(zhuǎn)矩在旋轉(zhuǎn)電機中，作用在轉(zhuǎn)子載流導體上的電磁力將使轉(zhuǎn)子受到一個力矩(等于力乘轉(zhuǎn)子半徑)——電磁轉(zhuǎn)矩。25《電機學》第一章導論最大轉(zhuǎn)矩線圈兩側(cè)邊處磁場大小恒相等、極性恒相反線圈總個數(shù)M，轉(zhuǎn)子直徑D，B大小處處相等。電機最大可能電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩26《電機學》第一章導論電磁轉(zhuǎn)矩是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的重要物理量。

電動機：電磁轉(zhuǎn)矩——驅(qū)動性質(zhì)電能——機械能發(fā)電機：電磁轉(zhuǎn)矩——制動性質(zhì)機械能——電能P：電磁功率（輸入、輸出）Ω：電機氣隙磁場旋轉(zhuǎn)角速度功率關系求得電磁轉(zhuǎn)矩27《電機學》第一章導論1.4鐵磁材料特性一、磁導率μ=B/HB：磁通密度H：磁場強度電機主要由兩大系統(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《電機學》第一章導論在同樣大小的電流作用下，鐵芯線圈的磁通比空心線圈的磁通大得多非鐵磁材料磁導率接近真空磁導率μ0μ0=4π×10-7H/m鐵磁材料的磁導率μFe要比非鐵磁材料磁導率μ0大得多（μFe>>μ）鐵磁物質(zhì):鐵、鎳、鋁及其合金電機中常用的鐵磁材料的磁導率μFe=(2000~6000)μ029《電機學》第一章導論考慮：為什么鐵磁材料具有很高的導磁性能在鐵磁物質(zhì)未放入磁場之前，磁疇雜亂無章排列，其磁效應互相抵消，對外不呈現(xiàn)磁性。將鐵磁物放入磁場。在外磁場的作用下，磁疇的軸線趨于一致。形成一個附加磁場，疊加在外磁場上，使合成磁場大為增強。鐵磁材料的磁導率要比非鐵磁材料大得多。鐵磁材料的磁導率μFe不是常數(shù)。圖1.5鐵磁材料中的磁疇30《電機學》第一章導論2、磁化曲線磁化曲線定義: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，得到曲線B=f(H)。31《電機學》第一章導論分析磁化曲線，分四段在oa段：當H增大→B增大，但B增大速度較慢在ab段：當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)（又呈直線段）。其中拐彎點b稱為膝點；c點為飽和點。過了飽和點c，鐵磁材料的磁導率趨近μ0。32《電機學》第一章導論※鐵磁材料具有的特點它的磁化曲線具有飽和性，磁導率μFe不是常數(shù)，且隨B的變化而變化。變化總體非線性存在飽和特性B33《電機學》第一章導論BH圖1-6鐵磁材料的磁化曲線（p16）abc34《電機學》第一章導論△應用設計電機和變壓器時，為使主磁路內(nèi)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(nèi)的工作磁通密度選擇在膝點附近。35《電機學》第一章導論二、磁滯與磁滯損耗

1、磁滯回線

剩磁:去掉外磁場之后，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，必須加上相應的反向外磁場，此反向磁場強度稱為矯頑力。磁滯現(xiàn)象：B的變化總是滯后H的變化磁滯回線：磁場強度H緩慢地循環(huán)變化，B－H曲線封閉曲線磁滯現(xiàn)象是鐵磁材料的另一個特性。36《電機學》第一章導論圖1-7鐵磁材料的磁滯回線HBabcdef37《電機學》第一章導論基本磁化曲線：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。HB38《電機學》第一章導論2、鐵磁材料HC—矯頑力Br—剩余磁感應強度鐵磁材料：軟磁材料--磁滯回線窄，HC及Br小硬磁材料--磁滯回線寬，HC及Br大HC及Br大，難退磁---永磁材料BrHCBm39《電機學》第一章導論軟磁材料的磁滯曲線HBBH硬磁材料的磁滯曲線40《電機學》第一章導論3、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。41《電機學》第一章導論全電流定律電源供給線圈的瞬時功率電磁感應定律42《電機學》第一章導論建立交變磁通、克服磁疇回轉(zhuǎn)所需要的瞬時功率pKh——不同材料計算系數(shù)α——試驗確定的指數(shù)經(jīng)驗公式43《電機學》第一章導論

4、渦流損耗鐵芯是有阻值的，當磁通交變時，鐵芯中就會感應交變的電勢，在導電的鐵芯中就會產(chǎn)生環(huán)流，這種電流在鐵芯構成的回路與磁通相環(huán)鏈，故稱渦流。渦流產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。kw——與材料有關的比例系數(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《電機學》第一章導論圖1-10硅鋼片中的渦流 B45《電機學》第一章導論△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。46《電機學》第一章導論5、鐵心損耗鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗之合稱為鐵芯損耗對于一般的電工鋼片，在正常的工作磁通密度范圍內(nèi)47《電機學》第一章導論48《電機學》第一章導論※注意在恒定磁場中的靜止導磁體內(nèi)是不會引起能量損耗的。鐵芯損耗均轉(zhuǎn)化為熱能使鐵芯溫度升高，為防止電機過熱，采用硅鋼片以減小鐵芯損耗，采取散熱降溫措施。49《電機學》第一章導論1.5磁路基本定律和磁路的計算電電路導電材料（及絕緣材料）紫銅、鋁線（絕緣:按耐熱能力高低分A、E、B、F、H、C六個等級）磁磁路導磁材料硅鋼片、鑄鋼等力結構材料鑄鋼、鑄鐵、鋼板等50《電機學》第一章導論磁路磁通所通過的路徑。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(nèi)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。51《電機學》第一章導論圖