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電機(jī)與電氣控制教案
電機(jī)與電氣控制
第一講 緒 論
0.1 電機(jī)及電力拖動系統(tǒng)概述
0.1.1 電機(jī)
電機(jī)是生產(chǎn)、傳輸、分配及應(yīng)用電能的主要設(shè)備。電力拖動系統(tǒng)則是在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)過程所必不可少的傳動系統(tǒng)，是生產(chǎn)過程電氣化、自動化的重要前提。
電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理工作的機(jī)械，它應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類方法也很多。主要有如下兩種常用的分類方法。 一種是按功能用途分，可分為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器和控制電機(jī)四大類。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，電動機(jī)則是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，作為拖動各種生產(chǎn)機(jī)械的動力。變壓器的的作用是將一種電壓等級的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓等級的電能。控制電機(jī)主要用于信號的變換與傳遞。
另一種分類方法是按照電機(jī)的結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速分類，可分為變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。變壓器為靜止不旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
根據(jù)電源電流的不同旋轉(zhuǎn)電機(jī)又分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類，交流電機(jī)又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩類。
綜合以上兩種分類方法，可歸納如下。
變壓器
直流電機(jī)
電機(jī) 同步電機(jī)
交流電機(jī)
異步電機(jī)
控制電機(jī)
0.1.2 電力拖動
用電動機(jī)作為原動機(jī)來拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行的系統(tǒng)，稱為電力拖動系統(tǒng)。按照電動機(jī)的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)兩大類。電力拖動系統(tǒng)包括：電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械、控制設(shè)備和電源五個(gè)部分，他們之間的關(guān)系如下所示。
控制設(shè)備→電動機(jī)→傳動機(jī)構(gòu)→生產(chǎn)機(jī)械
電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過傳動機(jī)構(gòu)把電動機(jī)的運(yùn)動經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動方式后，再傳給生產(chǎn)機(jī)械，驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械工作。生產(chǎn)機(jī)械是執(zhí)行某一生產(chǎn)任務(wù)的機(jī)械設(shè)備，是電力拖動的對象�？刂圃O(shè)備是由各種控制電機(jī)、電器、電子元件及控制計(jì)算機(jī)等組成，用以控制電動機(jī)的運(yùn)動，從而對生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動控制。為了向電動機(jī)及電氣控制設(shè)備供電，電源是不可缺少的部分。 異步發(fā)電機(jī) 異步電動機(jī) 同步發(fā)電機(jī) 同步電動機(jī) 直流發(fā)電機(jī) 直流電動機(jī)
由于電力拖動具有控制簡單，調(diào)節(jié)性能好、損耗小、經(jīng)濟(jì)、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動控制等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械均采用電力拖動。
0.2電氣控制
不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝不同，需要生產(chǎn)機(jī)械具有不同的動作，這就要求對拖動機(jī)械設(shè)備的電動機(jī)進(jìn)行控制�？刂频姆椒ê芏�，有電氣控制、液壓控制、氣動控制和機(jī)械控制等，也可以多種控制方式配合使用，但以電氣控制最為普遍。
0.3 本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容
本課程是以工業(yè)自動化、電氣自動化技術(shù)、供用電技術(shù)和機(jī)電一體化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它是將“電機(jī)學(xué)”、“電力拖動”、“控制電機(jī)”和“工廠電氣控制設(shè)備”等課程有機(jī)結(jié)合而成的一門課程，在整個(gè)專業(yè)的課程體系中起著重要的承上啟下的作用。
本課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握變壓器、交直流電機(jī)及控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算、電機(jī)選擇及試驗(yàn)方法和電氣控制技術(shù)。
第二講 1.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1.1 直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)
直流電機(jī)可作為電動機(jī)的運(yùn)行，也可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。電動機(jī)和發(fā)電機(jī)其結(jié)構(gòu)基本相同，即都有可旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分�？尚D(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子，靜止部分稱為定子。
1.1.1.1 定子部分
定子主要由主磁極、機(jī)座、換向磁極、電刷裝置和端蓋組成。主磁極由鐵心和放置在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成，主磁極鐵心分成極身和極靴。
直流電機(jī)的機(jī)座有兩種形式，一種為整體機(jī)座，另一種為疊片機(jī)座。整體機(jī)座是用導(dǎo)磁效果較好的鑄鋼材料制成，能同時(shí)起到導(dǎo)磁和機(jī)械支撐作用。
換向極又叫附加極，其作用是改善直流電機(jī)的換向，一般電機(jī)的容量超過1kW時(shí)均應(yīng)安裝換向極。
電刷裝置是直流電機(jī)的重要組成部分。通過該裝置把電樞中的電流與外部靜止電路相連或把外部電源與電樞相連，并把電樞中的交變電流變成電刷上的直流或把外部電路中的直流變成電樞中的電流。
1.1.1.2轉(zhuǎn)子部分
直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分，由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸和軸承等部分組成。
電樞鐵心是主磁路的一部分，同時(shí)對放置在其上的電樞繞組起支
撐作用。為減少當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐵心中由于磁通方向發(fā)生變化引起磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的低硅硅鋼片或冷軋硅鋼片沖壓成型，并在硅鋼片的兩側(cè)涂絕緣漆。硅鋼片上沖出轉(zhuǎn)子槽用來放置繞組，沖制好的硅鋼片疊裝成電樞鐵心。
電樞繞組是直流電機(jī)的重要組成部分。繞組由帶絕緣的導(dǎo)體繞制而成，對于小型電機(jī)常采用銅導(dǎo)線繞制，對于大中型電機(jī)常采用成型線圈。在電機(jī)中每一個(gè)線圈稱為一個(gè)元件，多個(gè)元件有規(guī)律的連接起來形成電樞繞組。
換向器又叫整流子。對于發(fā)電機(jī)，換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱觿菹蛲獠枯敵鲋绷麟妷�；對于電動機(jī)，它是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
1.1.2 直流電機(jī)的基本工作原理
直流電機(jī)分為直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩大類。直流電機(jī)的工作原理可通過直流電機(jī)模型加以說明。
1.1.2.1 直流發(fā)電機(jī)的工作原理
磁極固定不動，稱其為直流電機(jī)的定子。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接時(shí)通過放置在換向片上固定不動的電刷進(jìn)行的。在定子與轉(zhuǎn)子間由間隙存在，稱其為空氣隙。簡稱氣隙。
導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則確定。
實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況需要有多個(gè)線圈，線圈分布于電樞鐵心表面的不同位置上，并按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替放置多對。
1.1.2.2直流電動機(jī)的工作原理
把 電刷A、B接到一直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負(fù)極，此時(shí)在電樞線圈中將有電流流過。
根據(jù)畢-薩電磁力定律可知導(dǎo)體每邊所受電磁力的大小為：
f=BxlI
式中，I為導(dǎo)體中流過的電流，單位為A；f為電磁力，單位為N。 導(dǎo)體受力方向由左手定則確定。
與直流發(fā)電機(jī)相同，實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞并非單一線圈，磁極也并非一對。
1.1.3 直流電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)及主要系列
銘牌數(shù)據(jù)主要包括：電機(jī)型號、電機(jī)額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵磁電流及勵磁方式等，此外還有電機(jī)的出廠數(shù)據(jù)，如出場編號、出廠日期等。
國產(chǎn)電機(jī)的型號一般采用大寫的漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，其格式為：第一部分字符用大寫的漢語拼音表示產(chǎn)品代號，第二個(gè)字符用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號，第三個(gè)字符是機(jī)座代號，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，第四個(gè)字符表示電樞鐵心長度代號，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示�，F(xiàn)以Z2-92為例說明，型號的含義是：Z代表一般用途直流電機(jī)；下腳標(biāo) 2代表第二次設(shè)計(jì)；9代表機(jī)座號；2代表電樞鐵心長度序號。
第三講 1.2 直流電機(jī)的繞組簡介
電樞繞組是直流電機(jī)的核心部分。電樞繞組放置在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，當(dāng)轉(zhuǎn)子在電機(jī)磁場中轉(zhuǎn)動時(shí)，不論是電動機(jī)還是發(fā)電機(jī)，繞組均產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子中有電流時(shí)將產(chǎn)生電樞磁通勢，該磁通勢與電機(jī)氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。
1.2.1電樞繞組基本知識
電樞繞組是由多個(gè)形狀相同的繞組元件，按照一定的規(guī)律連接起來組成的。根據(jù)連接規(guī)律的不同，繞組可分為單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組及混合繞組等幾種形式。下面介紹繞組中常用的基本知識。
元件：構(gòu)成繞組的線圈為繞組的元件，元件分為單匝和多匝兩種。 元件的首末端：每一個(gè)元件不管是單匝還是多匝，均引出兩根線與換向片相連，其中一根叫首端，另一根叫末端。
極距：相鄰主磁極間的距離稱為極距。極距用τ表示，可用下式
πD 計(jì)算τ= 2p
式中，D為電樞鐵心外直徑；p為直流電機(jī)磁極對數(shù)。
疊繞組：是指相串聯(lián)的后一個(gè)元件端接部分緊疊在前一個(gè)元件端接部分的上面，整個(gè)繞組呈折疊式前進(jìn)。
波繞組：是指相串聯(lián)的兩個(gè)元件像波浪式的前進(jìn)。
1.2.2 單疊繞組
單疊繞組的特點(diǎn)是相鄰元件相互疊壓，合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即：y=yk=1。
1.2.2.1 單疊繞組的節(jié)距計(jì)算
第一節(jié)距y1的計(jì)算
Z y1= ±ε 2p
式中，Z為電機(jī)電樞槽數(shù)：p為磁極對數(shù)；ε為使y1為整數(shù)而加的一個(gè)小數(shù)。當(dāng)ε為負(fù)的小數(shù)時(shí)，線圈為短距線圈；當(dāng)ε為正的小數(shù)時(shí)，線圈為長距線圈。長短距線圈的有效邊的長度是一樣的，但長距線圈連接部分比短距線圈要長，使用銅導(dǎo)線較多，因此通常使用短距線圈。
單疊繞組的合成節(jié)距和換向節(jié)距相同，即y=yk=±1，一般取y=yk=+1，此時(shí)的單疊繞組稱為右行繞組，元件的連接順序?yàn)閺淖笙蛴疫M(jìn)行。
第二節(jié)距y2的計(jì)算
單疊繞組的第二節(jié)距y2由第一節(jié)距與合成節(jié)距之差計(jì)算得到 y2=y1—y
1.2.2.2 單疊繞組的展開圖
電機(jī)的繞組的展開圖是把放在鐵心槽里，構(gòu)成繞組的所有元件均取出來，畫在同一張圖里，其作用是展示元件相互間的電氣連接關(guān)系。除元件外，展開圖中還包括主磁極、換向片及電刷以表示元件間、電
刷與主磁極間的相對位置關(guān)系。
1.2.2.3 單疊繞組的元件連接順序及并聯(lián)支路圖
單疊繞組有以下特點(diǎn)。
①同一主磁極下的元件串連在一起組成一個(gè)支路，這樣有幾個(gè)主磁極就有幾個(gè)支路。
②電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使支路感應(yīng)電動勢最大，電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢。
③電樞電流等于各并聯(lián)支路電流之和。
單疊繞組為保證兩電刷間感應(yīng)電動勢為最大，被電刷所短路的元件里感應(yīng)電動勢最小，電刷應(yīng)放置在換向器表面主磁極的中心線位置上。電刷應(yīng)放在中心線上，是指被電刷短路的元件，它的元件邊位于幾何中心線處。
1.2.3 單波繞組
1.2.3.1單波繞組的節(jié)距計(jì)算
單波繞組的第一節(jié)距y1的計(jì)算方法與單疊繞組的計(jì)算相同。 當(dāng)沿圓周向一個(gè)方向繞了一周。經(jīng)過p和串聯(lián)的元件后（p為主磁極對數(shù)），其末尾所連的換向片必須落在與起始的換向片相鄰的位置，這樣才能使第一周元件繼續(xù)往下連，此時(shí)換向總節(jié)距數(shù)位pyk，即pyk=K±1
式中，K為換向片數(shù)。
K±1
由上式可得換向節(jié)距為yk=
1.2.3.2 單波繞組的特點(diǎn) p
①同極性下各元件串聯(lián)起來組成一個(gè)支路，支路對數(shù)a=1，與磁極對數(shù)p無關(guān)；
②當(dāng)元件的幾何形狀對稱時(shí)，電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線，支路電動勢最大（即正、負(fù)電刷間電動勢最大）。
③電刷桿數(shù)也應(yīng)等于磁極數(shù)（常用全額電刷）；
④電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢；
⑤電樞電流等于兩條支路電流之和。
單疊繞組適合用于低電壓、大電流的直流電機(jī)。而單波繞組適用于較高電壓、較小電樞電流的直流電機(jī)。
第四講 1.3直流電機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)距
當(dāng)直流電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)距為拖動轉(zhuǎn)距，通過電機(jī)軸帶動負(fù)載，電樞感應(yīng)電動勢為反向電動勢與電樞所外加電壓相平衡；其作為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)距為阻轉(zhuǎn)距，電樞感應(yīng)電動勢為正向電動勢向外輸出電壓，供給直流負(fù)載。
1.3.1 直流電機(jī)的電樞電動勢
電樞繞組中的感應(yīng)電動勢，簡稱為電樞電動勢。電樞電動勢是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是每個(gè)支路里的感應(yīng)電動勢。
Ea= pN φn=Ceφn pN 式中，Cea為并聯(lián)60a
支路對數(shù)；N為電樞導(dǎo)體總數(shù)。磁通φ的單位為Wb，轉(zhuǎn)數(shù)n的單位為r/min，感應(yīng)電動勢Ea的單位為的單位為V。
公式表明直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)電機(jī)制造好以后，與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)Ce不再變化，因此電樞電動勢僅與氣隙磁通和轉(zhuǎn)速有關(guān)，改變轉(zhuǎn)速和磁通均可改變電樞電動勢的大小。
1.3.2 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距
根據(jù)電磁力定律，當(dāng)電樞繞組中有電樞電流流過時(shí)，在磁場內(nèi)將受到電磁力的作用，該力乘以電機(jī)電樞鐵心的半徑即為電磁轉(zhuǎn)距。
Tem= CtφIa
Ct =9.55 Ce
式中，Ct為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)；Ia為電樞電流，單位為A；φ為磁通，單位為Wb；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。
從公式可看出，制造好的直流電機(jī)其電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流和氣隙磁通成正比。
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