自动控制元件学习包

《自动控制元件》学习包第一章磁路基本知识磁场的基本物理量及磁性材料的基本特性，直流磁路的概念及磁路计算定律，并对简单磁路的计算进行了分析。磁路定律是与安培环路定律相对应。第二章直流磁系统及其应用极化继电器在工作时，其工作气隙内存在两个相互独立的磁通，一个是永久磁铁产生的磁通，成为极化磁通。另一个磁通是由工作线圈生成的，成为工作磁通。工作磁通的大小和方向是由通入线圈的电流大小及极性所决定的，极化继电器的衔铁偏转方向随线圈上所加信号电压极性的改变而改变。极化继电器的电磁系统一般有串联磁路、差动磁路、和桥式磁路；其触点系统一般可作为两种形式，即硬舌片和软舌片。利用等效磁路中的节点分析法，对典型的差动式和桥式极化磁路系统的气隙工作点进行分析计算。接触器是一种用于远距离频繁地接通和断开交直流主电路或大容量控制电路的电磁控制装置；接触器的基本工作原理与前面提及的电磁继电器相似，但具体结构不同。接触器控制的容量较大，一般是几百安培，由此达到1kA以上。接触器主要用于一次回路，继电器用于二次回路的小电流，实现各种控制功能。在继电器的触点容量满足不了要求时，可用接触器代替。当接触器的辅助触点不够用时可加一继电器做辅助触点来实现各种控制。第三章直流测速发电机1.概述1-1结构：微型发电机用途：测速元件（提供表征转速的电压信号，不提供电力）1-2基本静态关系式afafafaUEIR（3-1）10emTTT（3-2）afeeECnKn（3-3）emmaftafTCIKI（3-4）若发电机空载（实际应用近似空载），afI=emT0则10TT0afafUEeKn（3-5）若被测量为角速度602n，则0afUeKn='260eeKK（3-6）其中'eK=260eK=9.55eK上两式说明：空载时，输出电压afU与转速n（或角速度）成正比1-3技术要求○1线性○2灵敏度○3纹波小○4转动惯量小，（干扰小，失真小）2直流测速发电机的应用一、作为反馈元件图3-1恒速控制系统原理图将转速测出，其输出电压mU反馈到放大器输入端，与给定电压比较。二、作为转速阻尼元件使系统机械惯性引起的震荡受到阻尼，改变系统的动态性能。第四章直流伺服电动机直流伺服电动机优缺点——控制性能好，成本高用途——主要用作执行元件（重在动作，追求控制性能，而不在做功。与一般动力电机不同，一般动力电机追求：功率输出值，经济性和可靠性。）符号——§4-1基本原理一、直流电机基本原理1．单线圈在磁场中的电动原理1）发电机（1）线圈上下两边是有效边，每个有效边与一个换向片连接（2）以右手定则，当一个有效边在一个磁极下转动时，感应电势的正方向始终指向电刷A。Blve（3）导体位于极中心时感应最强，位于水平位置时感应最弱，故AB电刷输出脉动直流。2）电动机（1）同样结构，将直流高压端接A（2）依左手定则，任一通电导体在一个极下时，所受到的磁力矩都是逆时针方向的。2．环形绕组在磁场中的电机原理1）以电刷A和B为端点，形成并联的两个支路2）磁力线N—气隙—环铁—气隙—S不进入环内，故只环外导体是有效的3）发电机原理A．任何导体在一个极下转动时的感应电势的正方向指向AB．上下两支路并联供电C．与电刷接触的换向片所连接的线圈处于无感应状态，可实现平稳换支路。图4-1环形绕组4）电动机原理A．电枢通电后任何导体受电磁力矩的方向都是一致的B．上下两支路并联工作，所产生的力矩相加C．与电刷接触的换向片所连接的线圈处于无电磁力矩状态，可实现平稳换支路。二、直流电机结构定子（励磁），转子（电枢），轴，壳体三、励磁方式1．他励2．自励1）并励2）串励3）复励一个并励线圈和一个串励线圈共同励磁四、电机的名牌数据①额定容量（W）②额定电压(V)③额定电流(A)④额定转速(r/min)⑤励磁方式和额定电流。选择电机时特别重要五、电枢绕组1．单线圈转子和环形都不实用2.根据所有的边都有效的原则3.根据使用条件不同，采用不同的绕制方法六、直流电机的磁场（一）磁场的建立*磁场的来源：定子（磁极），转子的电枢绕组*磁力线的表现：不分叉，不合并，不交叉1．磁极单独产生的磁场，如图4-2（a）2．电枢单独产生的磁场，如图4-2（b）3．磁极和电枢共同产生的合成磁场，如图4-2（c）要点：1）合成的结果造成磁场扭斜2）相对原来（只有磁极磁场时）的物理中性面，合成磁场的物理中性面逆旋转方向移动。图4-2直流电机的磁场（二）电枢反应对原磁极磁场的影响1．磁场分布发生扭斜：中性面逆旋转方向移动,物理中性面与几何中性面不再重合。2．电枢反应去磁(影响不大).3．产生换向火花.1)其原因有二(1)换向元件电流变化引起的感生电势diedt方向保持换向前方向(2)换向的导体切割合成磁场的磁力线产生aaeBv其方向与e相同2)减小和消除火花的方法（1）移动电刷法:电刷逆旋转方向移动,直至火花最小为止（此时电刷基本在物理中性面上）。（2）在几何中性面设置附加的换向磁极，他的激磁绕组与电枢绕组串联，而换向磁极的磁场方向与电枢磁场的方向相反，使之抵消e与ae。（3）选择适当的电刷可减小火花。七、电枢电势与电磁转矩1．电枢电势磁极的状态不变，电枢转动时切割磁力线产生感应电势○1一根平均有效导体的电势ave=avBv其中vB=/平均磁通密度——导体有效长度=/2Dp极距，p——极对数/60vnDn——转速（rpm）ave=2/60pn○2设总导体数为N，支路对数为a。则每一支路有效导体数为N/2a。总电势为avE=aveN/2a。=/60npNa○3令eC=/60pN为电机电势常数，则aE=eCn若恒定不变，可进一步简化，aE=eKn其中aE称为电势系数。今后两种表示式同时使用。2．电磁转矩1）一根导体平均电磁力avf=avaBi2）一根导体平均电磁力矩/2/2avavaavaaTfDBiD3）总电磁转矩emavTNTN/2avaaBiD，令2aaIaiemT=N（/）/2aaiD=N（/）/4aaIDa令/maaCNDI为电机转矩常数，则电枢总转矩为emmaTCI若恒定不变，可进一步简化，emtaTKI其中tK为转矩系数。今后两种表示式同时使用。八、直流电机的基本关系式1．电压平衡方程○1发电机静态：电枢电势作为电路的电源稳定状态下，参数不变原动机aaaEUIR图4-3发电机电路○2发电机动态aaaeuiR+/aaLdidt○3电动机静态aaaUEIR○4电动机动态/aaaaaueiRLdidt图4-4电动机电路图2．力矩平衡方程○1发电机静态T=emT+0T○2发电机动态1/EMOTTTJddt○3电动机静态20emTTT=cT○4电动机动态/emcTTJddt§4-2直流力矩电动机工作原理：与普通直流伺服相同特点：低速、大转矩；可工作在堵转状态。原因：结构——外径大，扁平：为嵌入更多的导体和磁极。第五章旋转变压器§5-1变压器工作原理分析交流电机的理论基础一、变压器结构及种类1．结构：变压器是一种静止的电器，由铁心和绕在铁心上的两个或两个以上的绕组构成，电负载aEaUaUaE机械负载并通地交变磁场联系着，用以把某一等级的电压和电流信号变换成另一种等级的电压和电流信号，有时也用于阻抗匹配。绕组和铁心是变压器的最基本部件，称为电磁部分。铁心是变压器的磁场子部分，一般由具有一定规格的硅钢片叠制而成，以减少交变磁通引起的铁心损耗。变压器铁心本身由铁心术和铁轭两部分组成。衩绕组包围着的部分称为铁心，而铁轭则作为构成闭合磁路用。2．种类：电力变压器；调压器；量测变压器二、变压器的运行1．变压器惯例。在原边AX绕组中，首先规定U1正方向，当U1为正时，A的电位高于X的电位。第二步规定1I的方向，当1I和1U同时是正时，电流从高位点A流入变压器，这个惯例叫做“电动机惯例”。规定1E的正方向与1I相同。在副边绕组ax中，首先规定2E的正方向，第二步规定2I的方向，第三步规定2U的方向。因为在副边采用“发电机惯例”，即2U和2I和同时为正（或负）时，功率自变压器输出，这就要求电流自变压器流出，显然，2U的正方向是从a至x。2．变压器的空载运行空载：原边绕组上加有交流电压1U，副边开路。原边电流用0I表示，副边电流2I=0。原边建立起空载磁势0IW，在该磁势的作用下产生交变磁通，其中大部分交变磁通在铁心中通过，同时与原、副边绕组匝链，称为主磁通，，用表示，少量磁通仅与原绕组匝链而通过空气形成闭路，这部分磁通称为漏磁通，用1表示。主磁通在原、副边绕组中产生的感受应电动势为111222ddeWdtdtddeWdtdt（5-1）而漏磁通1只在原边绕组中产生感应电动势图5-2变压器的空载运行图5-1变压器惯例111deWdt设tΦmsin则)2sin(cos)sin(1111tWtWtΦdtdWemmm若令11mmEW为感应电动势最大值，则)2sin(11tEem（5-2）考虑到2f，于是其有效值为1114.442mmEEfW（5-3）式中f-----电源频率1W----原边绕组的匝数m----主磁通的最大值同理可得224.44mEfW（5-4）式中，W2——副边绕组的匝数。由于漏磁通所对应的磁势大部分消耗在空气磁阻上，则对应的漏电感相当于线性的，于是10101xIjLIjE（5-5）式中11102MWLI——漏磁通的电感系数。11xL——对应于漏磁通的原边绕组漏电抗，是一个常数。原边的电压平衡方程式：10111rIEEU（5-6）整理得10111011)(zIEjxrIEU（5-7）式中，111zrjx为原边绕组的漏阻抗。同理可得副边绕组电压平衡方程式mfWEUEU222022044.4（5-8）3.变压器的负载运行在负载运行时，原绕组的磁势将随负载电流的增大而自动地增加，以保证m不变。负载时，作用在主磁路上的磁势有两个，即原边绕组磁势I1W1和副边绕组磁势I2W2。铁心内主磁通是由上述两个磁势的合成磁势所产生。这样，将有磁势平衡方程102211WIWIWI式中11WI——负载情况下原边绕组产生的磁势22WI——负载情况下副边绕组产生的磁势10WI——空载时原边绕组产生的磁势。移项后，整理得)(21201IWWII或)1(201IkII（5-9）从上式可以看出，负载时，原边电流有两个分量：其中一个分量为0I，像空载一样，它用于产生主磁通；另一个分量21IkIf，用于产生抵消副边绕组磁势作用。根据基尔霍夫定律，负载时变压器原、副边绕组的电压平衡方程为22222211111111)(xIjrIEUzIEjxrIEU（5-10）式中12zz——原、副边绕组的漏阻抗；1,2rr——原、副边绕组的电阻1,2xx——原、副边绕组的漏电抗§5—2旋转变压器结构和分类一、旋转变压器的分类按输出电压与转子转角之间的函数关系来分，可分为以下四种：1．正余弦旋转变压器当它的原边绕组外施单相交流电压励磁时，其副两个绕组的输出电压分别与转子的转角呈正弦和余弦函关系。2．线性旋转变压器在一定工作转角范围内，输出电压与转子转角是线性函数关系的一种旋转变压器。3．比例式旋转变压器除了在结构上增加了一个带有调整和锁紧转子位置的装置之外，其它都与正余弦旋变压器相同。在系统中作为调整电压的比例元件，相当于可调变比的旋转变压器。4．特殊旋转变压器在一定转角范围内，输出电压与转角呈某一给定函数关系。二、旋转变压器的结构旋转变压器的结构和绕线式异步电机相似，由定子和转子两个部分组成，图5-3结构示意图图5-4电气原理图§5—3正余弦旋转