第1章電力拖動基礎

1、電 力 拖 動 基 礎電力拖動：用電動機作為動力的拖動。學習目的：運動控制、自動控制的直接基礎學習內容：交直流電動機的運行原理、起動、調速、制動運行控制方法。 §1 直流電動機原理電動機是工業(yè)自動化和電氣化設備中最基本也是最重要的部件之一，不難列出許多電動機的應用例子：洗衣機、洗碗機、抽油煙機、錄像機、VCD、隨身聽、計算機硬件中的軟驅、硬盤、散熱風扇、各種金屬加工機床的拖動等等。電動機根據(jù)它使用的電源可分為交流和直流兩大類。其中直流電動機由于其在控制性能方面的優(yōu)勢，在20世紀70年代以前一直在控制要求較高的電力拖動領域占踞主導地位，近年來雖然這種情況因交流電動機控制技術的巨大進步已

2、有很大改變，但直流電動機在近代工業(yè)中的地位仍然十分重要。例如在一輛豪華轎車中就使用了多達80多臺的直流電動機作各種輔助自動控制的驅動。因此，學習直流電動機的工作原理，掌握對它的控制方法，仍然是十分必要的。 §11 直流電動機的基本工作原理、 結構和額定數(shù)據(jù)一、基本原理兩個重要公式：法拉第電磁感應定律發(fā)電機原理：e =Blv有效長度為l的導體以線速度v在磁通密度為B的磁場中運動時，導體內將產生感應電動勢e ，若B、l、v在空間相互垂直，則e的大小等于三者的乘積，方向由右手定則確定。B為媒介，機電轉換 數(shù)學描述。安培力定律 電動機原理：FBli有效長度為l并載有電流i的導體在磁通密度為B

3、的磁場中時，導體上將受到電磁力F的作用 ，若B、l在空間相互垂直，則F的大小等于三者的乘積，方向由左手定則確定。B為媒介，電機轉換 數(shù)學描述。直流電動機的物理模型 特點：每個磁極下的線圈元件邊中電流方向固定不變。特點：電樞旋轉方向不變時，電刷上的電壓極性恒定。·同一直流電機即可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，關鍵在輸入功率的性質；·發(fā)電機原理和電動機原理總是同時出現(xiàn)的。 ··發(fā)電：輸出電功率同時導體元件中產生電流依電動機原理產生反轉矩； 平衡原動機拖動轉矩，使發(fā)電機轉速穩(wěn)定。 ··電動：軸上輸出機械功率同時導體元件在主極下運動產生反電

4、動勢。 平衡外加電源電壓，限制導體元件電流和電動機電磁轉矩，平衡負載轉矩，使電動機轉速穩(wěn)定。二、基本結構1、 主磁極 2、電樞繞組 3、電樞鐵心 4、換向器 5、換向極 6、電刷裝置 7、機座三、直流電動機的額定參數(shù)·額定電壓：額定工況下加在電樞繞組上的工作電壓。（V、kV）·額定電流：額定工況下長期運行的最大電樞電流。（A）·額定功率：額定工況下電機軸上允許長期輸出的最大機械功率。（W、kW） ：額定工況下直流電動機的工作效率。·額定轉速：額定工況下電動機的運行速度。（r/min）··額定轉矩：額定工況下電動機軸上的輸出轉矩。（N&

5、#183;m） ；的單位為kW。§12 直流電動機的結構特征與工作特性物理概念和定律的復習：1、 磁感應強度（磁通密度）B Wb/m2：單位截面積上的磁通，描述磁場強弱及方向。B與產生它的電流(勵磁電流)之間的關系用畢奧(Biot)薩伐(Savart)拉普拉斯(Laplace)定律描述：設在載流導線上沿電流方向取線元d，其中通過電流強度為I。電流元Id在真空中給定點P所產生的磁感應強度dB的大小和I、d及線元到P點的矢徑r間的夾角（d,r）的正弦成正比，和由線元到P點的距離的平方成反比：。方向垂直于由線元和矢徑所決定的平面，指向由右手螺旋法則確定。磁感應強度服從疊加原理：某一給定的電

6、流分布在空間某點所產生的磁感應強度等于組成這電流分布的各電流元分別地在這同一點上所產生的磁感應強度的矢量和。磁力線方向與電流方向滿足右手螺旋關系。2、 磁感應通量（磁通）Wb：穿過某截面S的磁感應強度B的通量在均勻磁場中，如果截面S與B垂直，則3、 磁場強度H 安培/米：計算導磁物質中的磁場用輔助物理量：導磁物質磁導率?？諝獾拇艑蕿椤ｈF磁材料的（幾千幾萬倍）。4、 安培環(huán)路定律：磁場強度矢量H沿任何閉合路徑的線積分等于該回路所環(huán)鏈的所有電流的代數(shù)和：設各段磁路中磁通均勻分布，l為磁路平均長度，則上式簡化為：其中稱為該段磁路的磁壓；FNI稱為磁通勢（磁勢）。N為線圈匝數(shù)5、 磁路歐姆定律： 或

7、其中定義磁阻為： 一、 主磁極與主極磁場主磁極：套裝有勵磁繞組的電磁鐵。磁路的等效簡化： 設1個主極的勵磁磁通勢、主磁通量分別為，；為主磁極磁感應線所經路徑上的總磁阻。則有：·具有一定飽和特性·包含氣隙的整個磁路由兩個基本公式：F=Bli、e=Blv為知道F、e的大小，必須知道電樞鐵心表面B的大小，因為產生電磁力矩的載流導體都分布于此。在磁極下： 鐵心磁阻在極靴外，并在兩極分界處降為0。幾何中性線：與主磁極軸線正交的電樞徑向軸線；磁場中性線、物理中性線：電樞表面B0處的電樞徑向軸線。僅存在主磁通時二者重合。取磁力線穿出電樞表面的B為正。相鄰兩主磁極軸線間的距離稱為極距。二、

8、 電樞繞組（l）：保證在同一主磁極下電流方向不變。由于磁力線具有垂直出入介質表面的性質，兩個基本公式F=Bli、e=Blv的正交條件成立。當繞組元件中I=常數(shù)時，元件邊受電磁力F的大小決定于元件邊所在空間位置上B的大小。當電樞作勻速旋轉時，F(xiàn)(t)的變化規(guī)律與B(x)的空間分布規(guī)律一致，但因電刷和換向片的作用，F(xiàn)的方向不變：存在問題：·轉矩小、波動大、有零轉矩點。對策：增加繞組元件數(shù)、合理聯(lián)接，增大轉矩、減小脈動。例：1對磁極、6繞組元件模型：電樞以線速度Va運動時，繞組元件和電刷A的換接順序為123456···，換接后仍保持使同一磁極下的電流方向不變。

9、特點：1、元件頭尾相接，自成閉合回路。2、加上電刷后，變成兩條并聯(lián)支路。，a為并聯(lián)支路對數(shù)3、同支路繞組元件上層邊均在同主磁極下4、電刷位于主磁極軸線通過的換向片上5、并聯(lián)支路對稱，電樞旋轉不改變特點3。6、電磁轉矩等于各繞組元件建立的T之和：幅值增加，脈動減小，零轉矩消除。7、進一步增加繞組元件數(shù)，、脈動。實際電樞的常用繞組結構：疊繞(a=p)、波繞(a=1)：閱讀。三、 電樞反應（B，l） 電樞電流產生磁場的影響電樞反應磁勢Fa的性質：空間靜止；與F0正交。合成磁通使主磁極軸線扭曲；b,d附近B增加，a,c附近B減小。飽和特性使增加值小于減小值，導致每極總磁通量隨電樞電流增加而下降。電樞反

10、應具有去磁作用?？赡苡绊戇\行的穩(wěn)定。四、 換向：兩點結論·換向器是電機中最薄弱的環(huán)節(jié)，限制DCM的容量、轉速、過載能力、最大Ia·改善換向：增設換向極，利用Ia勵磁產生磁通抵銷電樞反應磁通。五、 勵磁方式§1-3 電磁轉矩與電樞電動勢一、 電磁轉矩 B(x)是x的函數(shù)某一根導體的T(x) dx弧長內導體所建立的dT分析：1、 1根導體：2、 dx弧長中的導體數(shù)（假設導體在電樞表面均分，總數(shù)N）：3、 dx區(qū)間內導體所建立的轉矩：4、 一個主極下導體產生的轉矩：其中磁通5、 重要結論：其中轉矩系數(shù)、轉矩常數(shù)特點：·增加電機磁極對數(shù)p或總導體數(shù)N可增大電磁轉

11、矩。·對他勵DCM，不考慮電樞反應影響時、勵磁電流恒定時，有優(yōu)點：直流電動機的轉矩直接受電樞電流控制。二、 電樞電動勢電角度和機械角度：機械角度：電樞旋轉一周，機械角度變化360度或2弧度。機械角速度弧度/秒=電角度：電樞旋轉經過2個極距，電角度變化360度或2弧度。電角速度Ea為支路各串聯(lián)繞組元件內感應電動勢之和。·任一元件轉過，各元件內感應電動勢瞬時值不同，但轉過一極距時感應電動勢的平均值相等。·由電磁感應定律：；為每個繞組元件的匝數(shù)。·一元件轉過一極距后感應電動勢的平均值（數(shù)值）： 轉過一極距：電角度,即·電樞繞組總元件數(shù)為S，每支路串聯(lián)

12、元件數(shù)為·電樞表面總導體數(shù)：·電樞電動勢重要結論：（電勢系數(shù)、電勢常數(shù)）特點：·對他勵，磁通不變時，·方程代表電動機機電能量的轉換關系。·§14 電動勢平衡方程與功率平衡方程·他勵直流電動機的原理電路(穩(wěn)態(tài))Ra為電動機電樞繞組和換向器總電阻各電量假定正向按電動機慣例：與電動機正常運行狀態(tài)下的實際方向一致重要結論：·穩(wěn)態(tài)電動勢平衡方程： 忽略勵磁功率時，輸入功率銅耗電磁功率：重要關系式：空載損耗：軸承摩擦、冷卻風扇風阻、鐵心渦流損耗·軸上輸出功率 功率平衡方程（忽略勵磁損耗）：即軸上輸出轉矩電磁轉矩空載轉矩通常將空載轉矩作為一種負載