北航自动控制元件复习知识点(by 12171154 贾永泽)
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12171154 贾永泽
自动控制元件复习知识点
第一章 绪论
1、 自动控制元件分类: A. 执行元件:其功能是驱动控制对象,控制或改变被控量(输出量)。 B. 测量元件:其功能是将被测量检测出来并转换成另一种容易处理和使用的量(如电 压)。测量元件一般称为传感器,在过程控制中又称为变送器。
2、 电机:电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换的机械。 工作原理:电磁学基本定律 电动机:拖动生产机械,电能机械能 发电机:作为电源,机械能电能
第二章 直流电机(重点!)
1、 优点:A.输出转矩大 B.调速范围广,调速特性平滑,控制精度高 C.易于控制,可靠性 高
缺点:有换向器,费工费料,造价高,寿命短,换向条件使直流电机的容量受限。 2、 应用:
A. 高精度位置伺服系统 B. 大转矩设备:轧钢机、电气铁道牵引机、起重机械 C. 用蓄电池做电源的地方:汽车、拖拉机等 D. 家庭:电动缝纫机、电动自行车、电动玩具 3、 电磁力定律:F=IlB,左手定则。l 是每根有效导体的长度,取决于电动机的结构;I 为
极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离������������,D 直径,p 磁极对数
2������
10、 电机铭牌: 型号:Z2-41,Z 直流电动机,2 第二次统一设计,4 机座号,1 电枢铁心长度序号 额定电压:额定工作状态下的输入电压(电动机);额定工作状态下的输出电压(发电 机)。 额定电流:电动机长期连续运行时从电源输入的电流;发电机长期连续运行时供给负载 的电流。 额定转速:电动机额定运行时,转轴的转速 额定功率:电动机额定运行状态下,轴上输出的机械功率;发电机指供给负载的电功率。 额定激励电流:电动机额定运行下,通过励磁绕组的电流称为额定励磁电流。
D. 复励电动机:有并励和串励两个绕组,他们分别于电枢绕组串联和并联
既可用于轻载或空载,也可用于负载变化较大的场合,应用范围广
1 为他励,2 为并励,3 为串励
14、 直流电机控制 (1)起动:足够大的起动转矩和较小的起动电流,起动电流为额定电流的 1.5-2.5 倍, 分为直接启动和降压起动两种。直接起动起动电流过大,起动转矩更大,一般不允许。 降压启动:需要可调直流电源,先降压,载慢慢提高电压,达到额定值。目前一般采用 可控硅整流电源为起动或调速电源。电枢回路串电阻起动也是降压启动,但电源电压不 变,主机切除启动电阻。接通电枢电压前必须先接通励磁回路,并且励磁绕组必须可靠 连接,不允许磁场突然消失。 (2)制动:机械制动和电气制动 电气制动:使电动机电磁转矩与电机转向相反,励磁方向不变,改变电枢电流的方向 能耗制动(电枢绕组从电源切断)、反接制动(电枢电源反接,要在制动回路 中串入一个大的制动电阻限流)、回馈制动(电机的转速超过理想空载转速) (3)调速:机械调速和电气调速
=
������−������������������Φ������������ ������������Φ
=
������ ������������Φ
−
������������ ������������������������Φ2
������, ������ 在电源电压和主磁通不变时是个常熟,称为理想空载
第三章 交流电机
1、 交流电动机就是你直接使用交流电的电动机
2、 优点:五环向前和电刷,减少了对电机维护工作和降低了对工作环境的要求; 转矩、转速、功率不受电机换向条件的限制,高转速、大转矩、大容量电机; 结构简单、坚固耐用; 电源易得。
缺点:控制性能差,控制装置复杂,控制位置难 3、 构成:
定子:定子铁心、定子绕组、机座 转子:转子铁心、转子绕组(鼠笼式转子、绕线式转子)
×
100%,n=(1-s)n0,s=(1~9)%
6、 机械特性:
(1)
定子电路:������1
≈
������1
=
4.44������1������1������,ϕ
=
������1 4.44������1������1
定子感应电动势频率:f1≈������6���0���0,f1=电源频率 f
(2) 转子电路:
转子感应电动势频率:������2
=
������0−������ ������
60
=
������0−������ ������0
×
������0������ 60
=
������������1
������2 = 4.44������2������2������ = 4.44������1������2������ n=0(s=1)时,f2 最高,且 E2 最大:������20 = 4.44������1������2������,������2 = ������������20
������������
������������
������������
电压平衡方程式:������������
=
������������
������������������ ������������
+
������������ ������������
+
������������(动态),������������
5、 传感器:非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。
传感器基本特性:感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量 6、 静态响应特性:非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区
灵敏度:单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化
1
线性度:输出与输入之间数量关系的线性程度
2
12171154 贾永泽
每根导体中的电流,与电枢电流 Ia 成正比。 4、 电磁感应定律:e=vBl,右手定则。v 为导体运动的线速度,电枢电动势与每根导体中
的感应电动势成正比。 5、 直流电动机电磁转矩:T=CTΦIa,CT(N·m)电磁转矩系数;Φ(Wb)每极磁通;Ia(A)
电枢电流。 6、 电枢电动势:Ea=CeΦn,Ce 电枢电动势系数;n 电动机转速。Ea 与每极磁通Φ和转速 n 成
转矩平衡方程式:������������������ = ������0 + ������������ + ������ ������������������������(动态),������������������ = ������0 + ������������(静态)
加速:������������ > 0,减速:������������ < 0,匀速:������������ = 0
鼠笼式:结构简单、价格低廉、工作可靠,但不能认为改变电动机机械特性 绕线式:结构复杂、价格贵、维护工作量大,转子外加电阻课人为改变电动机 机械特性 4、 旋转磁场:定子三相绕组通入三相交流电(星形连接) 旋转方向取决于三相电流的相序,任意调换两个电源进线,旋转磁场反转。 旋转极对数 p:每相绕组有一个线圈:p=1;两个线圈:p=2;……旋转极对数与磁极对 数与三相绕组排列有关 旋转磁场转速:
=
������
−
������������ ������������ ������
=
������−������������������������,������
������������ ������
=
������������ ������������������
3
12171154 贾永泽
������
正比,方向与 Ia 相反,故称为反电势,总线制 Ia 的变化。 U= Ea+IaRa 7、 一匝线圈直流电动机(转矩小、波动大)环形绕组电动机(环形铁心内部无磁场,内 部导体不受电磁力,不产生电磁转矩,铜的利用率低;制造困难)鼓形绕组(实际常 用系统):同一绕组的两个有效边分别放在异性磁极的对应位置上,间距一个极距。 8、 发电机:电流方向与电势相同 9、 直流电机结构: 定子:主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖 转子:电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承 换向磁极:产生附加电场、改善换向性能。1kW 以下,不装或少装;1kW 以上,都装 电刷:起到整流或逆变器的作用 换向器作用:整流和换向。由许多换向片组成,换向片之间用云母绝缘。 元件:构成绕组的线圈,分单匝和多匝两种
5
12171154 贾永泽
5、 电动机转动原理:旋转磁场切割转子导体生成感应电动势 B20(Blv 右手定则),感应电 流旋转磁场 I2 生成电磁力 F(ilB 右手定则),进而产生电磁转矩 T,旋转。 转差率:转子转速 n,旋转磁场转速 n0,n<n0,异步电动机。
s
=
������0−������ ������0
������������Φ
转速 n0。
13、 工作模式:电枢绕组通过电刷外接直流电枢电源,产生电枢电流;励磁绕组通入直流励
磁电源,产生主磁场,两方面协调工作,使电枢获得电磁转矩动起来。
励磁绕组与电源的连接方式被称为励磁方式。按励磁方式分类:
A. 他励电动机:励磁绕组和电枢电阻分别由不同的直流电源供电
额定转矩:T���Βιβλιοθήκη Baidu��
=
9550
������������ ������������
11、电磁转矩:������������������ = ������������Φ������������,������������������ = ������������������������(Φ 为常值),������������转矩灵敏度 电枢反电势:������������ = ������������Φ������ = ������������������
定性差,调速范围窄,功率损耗大,不能连续调速
4
12171154 贾永泽 C. 改变励磁磁通调速:通过改变励磁电阻,改变励磁电流和励磁磁通实现调
速。Rf 增大,第一项理想空载转速上升,第二项斜率与磁通的平方成反比, 曲线斜率增大,曲线位于固有特性曲线上方上移且变陡。 可连续调节电阻,无级调速,但只能增加励磁电阻不能减小,磁场只能减 弱。励磁电流小、损耗小、经济、效率高,被称为弱磁调速。可与调压调 速配合使用,增大调速范围。
12171154 贾永泽
拟合表达
迟滞:传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(逆行程)变化期间其输 入输出的特性曲线不重合的现象。(产生原因:传感器敏感元件材料的物理性质和机械 零部件的缺陷)
重复性:传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的 程度。
漂移:输入量不变的情况下,传感器输出量随时间变化。(产生原因:传感器自身结构参 数,周围环境:如温漂)
=
������������ ������������
+
������������(静态)
国际单位制:������������ = ������������;n 的单位为 rad/s 时:������������ = ������������
12、机械特性:������������ =������������ ������������,������������
B. 并励电动机:励磁绕组和电枢电阻并联,由同一的直流电源供电
电源电流为电枢电流 Ia 和励磁电流 If 之和。励磁电流一般为电枢电流 5%,为了降低 损耗。励磁绕组一般导线细、匝数多、电阻大。适用于复杂变化大而转速要求基本
不变。
C. 串励电动机:励磁绕组和电枢电阻串联后接入直流电源
Ia 和 If 相同,电流一般比较大,励磁绕组导线粗、匝数少、电阻小。不允许轻载或 空载运行,启动转矩大、过载能力强
3、 电动机分类:直流电动机,交流电动机,无刷直流电动机,交流伺服电动机,步进电动 机,直线电动机……
4、 磁感应强度:(特斯拉),磁通量:Φ=(Wb 韦伯),为截面积; B=μH,μFe>>μ0,铁磁物质具有很强的导磁性; 基本磁化曲线:导磁性、饱和性、非线性、磁滞性; 磁滞损耗:铁磁材料中的磁分子在交变磁化过程中来回翻转时彼此摩擦,出现磁滞现象。 由此而产生的这部分能量损耗为磁滞损耗。 涡流损耗:当通过铁心的磁通发生交变时,铁心内将感应电动势和产生电流,这些电流 在铁心中围绕磁通呈旋涡状流动,简称涡流。涡流在铁心中引起的能量损耗。
������
=
������ ������������Φ
−
������������ ������������������������Φ2
������,T
不变,改变
U、Ra
和Φ进行调速
A. 调压调速:调速范围大,机械特性曲线硬度不变,多用于他励直流电动机
调速
B. 电枢回路串电阻调速:设备简单、操作方便;机械特性曲线变软,运行稳
自动控制元件复习知识点
第一章 绪论
1、 自动控制元件分类: A. 执行元件:其功能是驱动控制对象,控制或改变被控量(输出量)。 B. 测量元件:其功能是将被测量检测出来并转换成另一种容易处理和使用的量(如电 压)。测量元件一般称为传感器,在过程控制中又称为变送器。
2、 电机:电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换的机械。 工作原理:电磁学基本定律 电动机:拖动生产机械,电能机械能 发电机:作为电源,机械能电能
第二章 直流电机(重点!)
1、 优点:A.输出转矩大 B.调速范围广,调速特性平滑,控制精度高 C.易于控制,可靠性 高
缺点:有换向器,费工费料,造价高,寿命短,换向条件使直流电机的容量受限。 2、 应用:
A. 高精度位置伺服系统 B. 大转矩设备:轧钢机、电气铁道牵引机、起重机械 C. 用蓄电池做电源的地方:汽车、拖拉机等 D. 家庭:电动缝纫机、电动自行车、电动玩具 3、 电磁力定律:F=IlB,左手定则。l 是每根有效导体的长度,取决于电动机的结构;I 为
极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离������������,D 直径,p 磁极对数
2������
10、 电机铭牌: 型号:Z2-41,Z 直流电动机,2 第二次统一设计,4 机座号,1 电枢铁心长度序号 额定电压:额定工作状态下的输入电压(电动机);额定工作状态下的输出电压(发电 机)。 额定电流:电动机长期连续运行时从电源输入的电流;发电机长期连续运行时供给负载 的电流。 额定转速:电动机额定运行时,转轴的转速 额定功率:电动机额定运行状态下,轴上输出的机械功率;发电机指供给负载的电功率。 额定激励电流:电动机额定运行下,通过励磁绕组的电流称为额定励磁电流。
D. 复励电动机:有并励和串励两个绕组,他们分别于电枢绕组串联和并联
既可用于轻载或空载,也可用于负载变化较大的场合,应用范围广
1 为他励,2 为并励,3 为串励
14、 直流电机控制 (1)起动:足够大的起动转矩和较小的起动电流,起动电流为额定电流的 1.5-2.5 倍, 分为直接启动和降压起动两种。直接起动起动电流过大,起动转矩更大,一般不允许。 降压启动:需要可调直流电源,先降压,载慢慢提高电压,达到额定值。目前一般采用 可控硅整流电源为起动或调速电源。电枢回路串电阻起动也是降压启动,但电源电压不 变,主机切除启动电阻。接通电枢电压前必须先接通励磁回路,并且励磁绕组必须可靠 连接,不允许磁场突然消失。 (2)制动:机械制动和电气制动 电气制动:使电动机电磁转矩与电机转向相反,励磁方向不变,改变电枢电流的方向 能耗制动(电枢绕组从电源切断)、反接制动(电枢电源反接,要在制动回路 中串入一个大的制动电阻限流)、回馈制动(电机的转速超过理想空载转速) (3)调速:机械调速和电气调速
=
������−������������������Φ������������ ������������Φ
=
������ ������������Φ
−
������������ ������������������������Φ2
������, ������ 在电源电压和主磁通不变时是个常熟,称为理想空载
第三章 交流电机
1、 交流电动机就是你直接使用交流电的电动机
2、 优点:五环向前和电刷,减少了对电机维护工作和降低了对工作环境的要求; 转矩、转速、功率不受电机换向条件的限制,高转速、大转矩、大容量电机; 结构简单、坚固耐用; 电源易得。
缺点:控制性能差,控制装置复杂,控制位置难 3、 构成:
定子:定子铁心、定子绕组、机座 转子:转子铁心、转子绕组(鼠笼式转子、绕线式转子)
×
100%,n=(1-s)n0,s=(1~9)%
6、 机械特性:
(1)
定子电路:������1
≈
������1
=
4.44������1������1������,ϕ
=
������1 4.44������1������1
定子感应电动势频率:f1≈������6���0���0,f1=电源频率 f
(2) 转子电路:
转子感应电动势频率:������2
=
������0−������ ������
60
=
������0−������ ������0
×
������0������ 60
=
������������1
������2 = 4.44������2������2������ = 4.44������1������2������ n=0(s=1)时,f2 最高,且 E2 最大:������20 = 4.44������1������2������,������2 = ������������20
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������������
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电压平衡方程式:������������
=
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+
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+
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5、 传感器:非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。
传感器基本特性:感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量 6、 静态响应特性:非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区
灵敏度:单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化
1
线性度:输出与输入之间数量关系的线性程度
2
12171154 贾永泽
每根导体中的电流,与电枢电流 Ia 成正比。 4、 电磁感应定律:e=vBl,右手定则。v 为导体运动的线速度,电枢电动势与每根导体中
的感应电动势成正比。 5、 直流电动机电磁转矩:T=CTΦIa,CT(N·m)电磁转矩系数;Φ(Wb)每极磁通;Ia(A)
电枢电流。 6、 电枢电动势:Ea=CeΦn,Ce 电枢电动势系数;n 电动机转速。Ea 与每极磁通Φ和转速 n 成
转矩平衡方程式:������������������ = ������0 + ������������ + ������ ������������������������(动态),������������������ = ������0 + ������������(静态)
加速:������������ > 0,减速:������������ < 0,匀速:������������ = 0
鼠笼式:结构简单、价格低廉、工作可靠,但不能认为改变电动机机械特性 绕线式:结构复杂、价格贵、维护工作量大,转子外加电阻课人为改变电动机 机械特性 4、 旋转磁场:定子三相绕组通入三相交流电(星形连接) 旋转方向取决于三相电流的相序,任意调换两个电源进线,旋转磁场反转。 旋转极对数 p:每相绕组有一个线圈:p=1;两个线圈:p=2;……旋转极对数与磁极对 数与三相绕组排列有关 旋转磁场转速:
=
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������−������������������������,������
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3
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������
正比,方向与 Ia 相反,故称为反电势,总线制 Ia 的变化。 U= Ea+IaRa 7、 一匝线圈直流电动机(转矩小、波动大)环形绕组电动机(环形铁心内部无磁场,内 部导体不受电磁力,不产生电磁转矩,铜的利用率低;制造困难)鼓形绕组(实际常 用系统):同一绕组的两个有效边分别放在异性磁极的对应位置上,间距一个极距。 8、 发电机:电流方向与电势相同 9、 直流电机结构: 定子:主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖 转子:电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承 换向磁极:产生附加电场、改善换向性能。1kW 以下,不装或少装;1kW 以上,都装 电刷:起到整流或逆变器的作用 换向器作用:整流和换向。由许多换向片组成,换向片之间用云母绝缘。 元件:构成绕组的线圈,分单匝和多匝两种
5
12171154 贾永泽
5、 电动机转动原理:旋转磁场切割转子导体生成感应电动势 B20(Blv 右手定则),感应电 流旋转磁场 I2 生成电磁力 F(ilB 右手定则),进而产生电磁转矩 T,旋转。 转差率:转子转速 n,旋转磁场转速 n0,n<n0,异步电动机。
s
=
������0−������ ������0
������������Φ
转速 n0。
13、 工作模式:电枢绕组通过电刷外接直流电枢电源,产生电枢电流;励磁绕组通入直流励
磁电源,产生主磁场,两方面协调工作,使电枢获得电磁转矩动起来。
励磁绕组与电源的连接方式被称为励磁方式。按励磁方式分类:
A. 他励电动机:励磁绕组和电枢电阻分别由不同的直流电源供电
额定转矩:T���Βιβλιοθήκη Baidu��
=
9550
������������ ������������
11、电磁转矩:������������������ = ������������Φ������������,������������������ = ������������������������(Φ 为常值),������������转矩灵敏度 电枢反电势:������������ = ������������Φ������ = ������������������
定性差,调速范围窄,功率损耗大,不能连续调速
4
12171154 贾永泽 C. 改变励磁磁通调速:通过改变励磁电阻,改变励磁电流和励磁磁通实现调
速。Rf 增大,第一项理想空载转速上升,第二项斜率与磁通的平方成反比, 曲线斜率增大,曲线位于固有特性曲线上方上移且变陡。 可连续调节电阻,无级调速,但只能增加励磁电阻不能减小,磁场只能减 弱。励磁电流小、损耗小、经济、效率高,被称为弱磁调速。可与调压调 速配合使用,增大调速范围。
12171154 贾永泽
拟合表达
迟滞:传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(逆行程)变化期间其输 入输出的特性曲线不重合的现象。(产生原因:传感器敏感元件材料的物理性质和机械 零部件的缺陷)
重复性:传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的 程度。
漂移:输入量不变的情况下,传感器输出量随时间变化。(产生原因:传感器自身结构参 数,周围环境:如温漂)
=
������������ ������������
+
������������(静态)
国际单位制:������������ = ������������;n 的单位为 rad/s 时:������������ = ������������
12、机械特性:������������ =������������ ������������,������������
B. 并励电动机:励磁绕组和电枢电阻并联,由同一的直流电源供电
电源电流为电枢电流 Ia 和励磁电流 If 之和。励磁电流一般为电枢电流 5%,为了降低 损耗。励磁绕组一般导线细、匝数多、电阻大。适用于复杂变化大而转速要求基本
不变。
C. 串励电动机:励磁绕组和电枢电阻串联后接入直流电源
Ia 和 If 相同,电流一般比较大,励磁绕组导线粗、匝数少、电阻小。不允许轻载或 空载运行,启动转矩大、过载能力强
3、 电动机分类:直流电动机,交流电动机,无刷直流电动机,交流伺服电动机,步进电动 机,直线电动机……
4、 磁感应强度:(特斯拉),磁通量:Φ=(Wb 韦伯),为截面积; B=μH,μFe>>μ0,铁磁物质具有很强的导磁性; 基本磁化曲线:导磁性、饱和性、非线性、磁滞性; 磁滞损耗:铁磁材料中的磁分子在交变磁化过程中来回翻转时彼此摩擦,出现磁滞现象。 由此而产生的这部分能量损耗为磁滞损耗。 涡流损耗:当通过铁心的磁通发生交变时,铁心内将感应电动势和产生电流,这些电流 在铁心中围绕磁通呈旋涡状流动,简称涡流。涡流在铁心中引起的能量损耗。
������
=
������ ������������Φ
−
������������ ������������������������Φ2
������,T
不变,改变
U、Ra
和Φ进行调速
A. 调压调速:调速范围大,机械特性曲线硬度不变,多用于他励直流电动机
调速
B. 电枢回路串电阻调速:设备简单、操作方便;机械特性曲线变软,运行稳