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欢迎选修,机电传动与控制,它是你建筑机电专业大厦的基石,济南大学 机电传动控制课题组制作 2009,第一章 概 述,1.1 机电一体化技术产品的组成要素,传感器,执行机构,信息处理,机械本体,第一章 概 述,1.机电传动的目的和任务 机电传动(又称电力传动或电力拖动)就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称目的：将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。任务：从广义上讲，就是要使生产机械设备、生产线、车间、甚至整个工厂都实现自动化。从狭义上讲，则专指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产成本的降低，工人劳动条件的改善以及能量的合理利用。,第一章 概 述,1.3 机电传动及其控制系统的发展概况机电传动的发展：成组拖动 单电机拖动 多电机拖动控制系统的发展：接触器继电器控制:控制速度慢，控制精度差。电机放大机控制:实现连续控制。晶闸管、晶体管控制：控制特性好，反应快，寿命 长，可靠性高，维护容易，体积小，重量轻。计算机控制：把晶闸管技术与微电子技术，计算机 技术结合在一起，使晶体管和晶闸管控制具有 强大的生命力。,第一章 概 述,1.课程的性质的和任务 性质：是机械工程及自动化专业基础课程 任务：以伺服驱动系统为主导，以控制为线 索，系统介绍电动机基本原理、运行特性、控制方法、控制手段等知识。,第一章 概 述,1.5 课程的内容安排重 点 内 容 第二章 机电传动系统的动力学基础 第三章 直流电机的工作原理及特性 第五章 交流电机的工作原理及特性 第六章 控制电机 第十一章 直流传动控制系统 第十二章 交流传动控制系统,第二章,机电传动系统的动力学基础,本 章 重 点,掌握机电传动系统的运动方程式及多轴拖动系统中转矩的折算；学会分析机电传动系统的运行状态。,本章内容不仅适用于直流电机拖动，也适用于交流电机拖动，是电力拖动系统的基础。,2.1 机电传动系统的运动学方程,1、单轴机电传动系统的运动学方程,直线：,旋转：,其中：TM 电磁转矩 TL 负载转矩 J 转动惯量,J=m2,2.1 机电传动系统的运动学方程,系统满足运动方程式：,在实际工程中：常用飞轮转矩GD2代替J，用n代替,动态转矩,2）当TM TL 时，dn/dt 0，系统加速，当TMTL 时，dn/dt 0，系统减速。,讨论：1）当 TM=TL 时，加速度为零，电机转速为零或为常 数，运动状态为静态（或稳态）；,2.1 机电传动系统的运动学方程,Notice:对转矩的正方向作如下规定：以转速n为参考，电动机转矩TM 的方向：与转速n 的方向一致时，为正；与转速n 的方向相反时，为负。负载转矩TL 的方向：与转速n 的方向相反为正，与转速n的方向一致时，为负。,2.1 机电传动系统的运动学方程,例：起重机提升重物时的启动和动（即加速和减速上升）a）启动时:TM TL=Td b）制动时:-TM-TL=Td,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴拖动系统：,等效为单轴拖动系统：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1.负载转矩的折算,a)对于旋转运动：,折算原则：功率守恒,电动状态：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1.负载转矩的折算,a)对于旋转运动：,折算原则：功率守恒,制动状态：,b)对于直线运动：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,折算原则：功率守恒,2.转动惯量的折算 折算原则：动能守恒设传动系统有m个转动件和n个平动件组成，转动件的转动惯量和角速度分别为 Ji和i；平动件的质量和速度分别为mj和vj；系统总的动能为：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,折算到电机轴上时，系统总动能为：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,根据动能守恒：E2=E1故：,3.飞轮转矩的折算 依据转动惯量与飞轮转矩的关系，得到折算到电机轴上的总的飞轮转矩为：,2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,2.3 生产机械的机械特性,机械特性：力（力矩）与运动参数（包括位移、速度、加速度）之间的关系。生产机械的机械特性：n=f(T L)电机的机械特性：n=f(T M),2.3 生产机械的机械特性,几种典型机械特性：,恒转矩型机械特性 特点：TL=常数。例：提升机、皮带运输机等。包括反抗转矩和位能转矩,2.风机型机械特性 特点：TL=C n 2 例：鼓风机、水泵等。,2.3 生产机械的机械特性,3.直线型机械特性 特点：TL=C n 例如：他励直流发电机。,4.恒功率型机械特性 特点：TL=K/n 例如：车床加工 此外，还有其他形式的机械特性，如转矩随转角变化的，随机变化的；也可能是以上几种典型的综合。,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,由机电传动系统的运动方程式：知，系统的运动状态取决于电动机与生产机械双方为了使系统运行合理就要使电动机的机械持性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求是系统要能稳定运行。,动画,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,机电传动系统的稳定运行包含两重含义：1、系统应能以一定速度匀速运转；2、系统受某种外部干扰作用使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速 度。必要条件：生产机械的机械特性曲线与电动机的机械特 性曲线有交点,即TMTL。充分条件：扰动消除后仍能回到原来的平衡点。,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,结论：a点是稳定的平衡点,TM,讨论：a点：当TL突然增大到TL时，因速度不能突变，电机转矩仍为TM，此时，TMTL,n增大，TM减小，直到与TL相等，即在a点稳定运行。,TM,讨论：b点：当TL突然增大到TL时，因速度不能突变，电机转矩仍为TM，此时，TMTL n减小，TM减小，n进一步减小，直到停转；反之，过点。,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,结论：b点不是稳定的平衡点,TM,TM,2.4 机电传动系统稳定运行的条件,稳定运行的充要条件是：1）生产机械的机械特性曲线与电动机的机械特性曲线有交点；2）在平衡点对应的转速之上应保证TMTL。,第二章小结,1）掌握依据机电传动系统，写出其运动方程；2）对于多轴系统，要学会根据功率守恒和动能守恒，将负载转矩和转动惯量进行等效转换；3）掌握机械特性的概念，了解常见生产机械的几种机械特性；4）掌握机电传动系统稳定运行的条件；5）学会正确判定稳定平衡点。,作业,23272 211,第三章,直流电机的工作原理及特性,第三章 直流电机的工作原理及特性,本 章 重 点：掌握直流电机的工作原理；掌握直流电机的机械特性；掌握直流电机启动、调速、制动的 方法。,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机,交流电机,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,1.基本结构,定子：主磁极、换向极、机座、轴承、电刷转子：电枢铁心、电枢绕组、轴、换向器,3.1直流电机的基本结构和工作原理,2.工作原理,发电机：导体在磁场内作切割磁力线运动，导体中便感应出电动势。（电磁感应）电势方程式：,3.1直流电机的基本结构和工作原理,2.工作原理,电动机：通电导体在磁场中要受到电磁力（矩）的作用。因此只要电枢绕组里有电流（外电源提供或感应电流），在磁场中就会受到电磁力的作用。转矩方程式：,表1 电机在不同运行方式下，E和T的作用,3.1直流电机的基本结构和工作原理,3.1直流电机的基本结构和工作原理,直流发电机和直流电动机电磁转矩的作用不同：发电机的电磁转矩是阻转矩；电动机的电磁转矩是驱动转矩。直流发电机和直流电动机的电势作用也不同：直流发电机的电势是有益的；直流电动机的电势是反电势，他的方向总是与电源的电压方向相反。,3.2 直流发电机,他励：励磁电流由外电源供电，不受电枢端电压或电流的影响(图a).并励：励磁绕组与电枢绕组并联（图b）串励：励磁绕组与电枢绕组串联（图c）复励：一部分并联，一部分串联（图d）,励磁方式：是指励磁绕组如何供电，以产生励磁磁场。,自励发电机,一、他励发电机,1、原理：,空载时，即 Ia=0，有 U=E=Ken,他励发电机电枢回路中，电压与电流的关系如下：,一、他励发电机,2、机械特性：,外特性曲线：发电机端电压 U 与负载电流I 之间关系的曲线称为外特性曲线U f(I)。,空载特性曲线：当发电机空载时，即 Ia=0，有 U=E=Ken，当转速为常数时，而f(If)是一条磁化曲线，所以E=f(If)与磁化曲线相似。,二、并励发电机,1、原理：励磁绕组与电枢并联,2、思考：并励发电机的励磁电流从何而来？电压是如何建立起来的？,条件：1）磁极有剩磁；2）起始励磁电流所产生的磁场方向与剩磁磁场方向相同；3）Rf 不能过大。,措施：1）在直流电源上充磁；2）将励磁绕组两端接线对调；3）将Rf 减小。,二、并励发电机,三、复励发电机,原理：励磁绕组与电枢有一部分并联，一部分串联。,在并励发电机中，其端电压随着负载电流的增大而下降。但在复励发电机，当负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所以在复励发电机的正常运行范围内，其端电压变化不大，这是它的优点。,3.3直流电动机的机械特性,一、他励电动机的机械特性,电压平衡方程：,直流电动机机械特性的一般表达式,一、他励直流电动机的机械特性,讨论:1)理想空载转速 n0：当T=0 时,n0=U/(K e)；2)额定转速 nN:当T=TN时,nN=n0-n 3)机械特性硬度：令Ra/KeKt2,n=T，小速降就小，机械特性硬,大速降就大，机械特性软。,机械特性硬度：d T/d n=T/n100%1）绝对硬特性,如交流同 步电动机的机械特性,2）硬特性 10，如直流他励电动机的机械特性3）软特性 10，如直流串励电动机的机械特性,一、他励直流电动机的机械特性,1、固有机械特性：又称自然机械特性，是指在额定条件下的机械特性，对于他励电动机而言，就是在额定电压UN和额定磁通N下，电枢电路不外接任何电阻时的机械特性。,一般通过两点，理想空载点（0，n0）和额定转速点（TM,，nN），可得电动机的固有机械特性曲线。,一、他励直流电动机的机械特性,2、人为机械特性：是改变电压 U、磁通 或电枢电路外加电阻Rad时的机械特性。,一、他励直流电动机的机械特性,2、人为机械特性：,1）串接Rad时的人为特性。,特点：1）n0不变，2）变小，机械特性变 软，是一组射线。,一、他励直流电动机的机械特性,2）变U时的人为机械特性,特点：1）n0 与U成正比，n0 变小。2）不变，机械特性硬度 不变，是一组平行线。3）电枢电压只允许在额定 电压下调节。,一、他励直流电动机的机械特性,3）变时的人为机械特性,特点：1）n0与成反比，下降 n0变大；2）下降，变大，机械特性硬度变软；3）不能上升，只能弱磁调节。,一、他励直流电动机的机械特性,说明：（1）电枢绕组严重过流；,（2）飞车：当o时，电动机尚有剩磁，这时转速虽不趋于，但会升到机械强度所不允许的数值，通常称为“飞车”。,（3）启动转矩太小。,一、他励直流电动机的机械特性,3）变时的人为机械特性,因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。,一、他励直流电动机的机械特性,二、串励电动机的机械特性,机械特性曲线可分为两段：1）第一段，轻载时：,未饱和，双曲线形状，理想空载转速无穷大。,I,I I,特点：启动转矩较大,启动时,T=KtIa=KtCIa2,串励电动机绝不允许空载启动,以防止飞车。,反转时,不能用改变电源极性的方法，可改变电枢或励磁绕组的极性使其反转。,2）第二段重载时：电枢电流较大时，磁路趋于饱和，机械特性曲线近似一条直线。,I,I I,二、串励电动机的机械特性,三、复励电动机的机械特性,复励电动机有他励和串励两个励磁绕组。机械特性介于他励和串励电动机的机械特性之间。工业上常用的是积复励电动机，即他励绕组和串励绕组产生的磁通方向一致。,特点：串励绕组所占比重越大，特性越软；n0 一定。,3.4 直流他励电动机的启动特性,如果将直流他励电动机直接接入电网，启动电流为：,一、启动的要求：启动：转速从0达到负载所要求的转速的过程。,启动转矩越大越好，,启动电流越小越好。,它是额定电流的1020倍。,3.4 直流他励电动机的启动特性,直流电动机绝不允许直接启动！,直接启动的不良影响：1）换向困难，产生危险火花；2）过大的电动应力和启动转矩，易损坏传动部件；3）可能使电网上的保护装置动作，造成事故，或使电网电压下降，影响其他用电器。,由 可知,3.4 直流他励电动机的启动特性,二、启动方法1、降压启动：U=E+IaRa，启动时，U较小，随着转速的上升不断提高U，直到达到额定转速。如：直流发电机电动机组，晶闸管电动机组。2、串电阻启动：在电枢回路串接外加电阻启动。串接一段外加电阻启动；,3.4 直流他励电动机的启动特性,二、启动方法2、串电阻启动：在电枢回路串接外加电阻启动。串接多段外加电阻启动。,3.5 直流他励电动机的调速特性,速度调节：在一定的负载条件下，人为地改变电动机的机械特性，以得到所需要的稳定转速。速度变化：由于负载的变化而引起的电动机的速度的变化，是在同一条机械特性曲线上变化。,知：可以通过人为地改变U、R ad 和 三个参数来调节速度。,B,3.5 直流他励电动机的调速特性,调速指标：技术指标，经济指标技术指标调速范围：机械设备可能运行的最大转速nmax与最小转速nmin之比，D=nmax/nmin。静差率（相对稳定性）：就是指在负载转矩的变化下转速变化的程度，%=（n0-nN）/n0。显然机械特性越硬，转速变化越小，相对稳定性越好。平滑性：在一定的D内，调速的级数越多，则调速越平滑，平滑的程度用平滑系数来衡量=ni/ni-1（相邻两级转速之比）=1时，称为无级调速。,3.5 直流他励电动机的调速特性,调速指标：技术指标，经济指标经济指标：就是指调速设备的投资及运行费用，其中运行费用又取决于调速过程的功率损耗。,3.5.1 改变Rad时的调速特性,2、特点：1）机械特性软，电阻越大特性越软，相对稳定性越低；2）在空载或轻载时，调速范围D不大；3）有级调速；4）调速电阻消耗大量电能，经济指标较差；调速电阻不能用作启动电阻；5）调速设备简单。,此法只在起重机、卷扬机等低速运转时间短的传动系统中使用。,1、调速过程,3.5.2 改变 U时的调速特性,2、特点：机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较宽；2)转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；3)调速时，因电枢电流与电压U无关，故转矩TKtI a 不变,属恒转矩调速，适合于恒转矩型负载。,1、调速过程,4)可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备；5）需要可变电源，设备投资大。,3.5.3 改变时的调速特性,2、特点：1)调速特性较软，调速范围不大；2)可以平滑无级调速，但只能弱磁调速；3）在励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗少；,4)恒功率调速，调速时是维持U和Ia不变，即功率P不变；,1、调速过程,说明：基于弱磁调速范围不大，它住往是和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。,3.6 直流他励电动机的制动特性,电动状态：电动机电磁转矩的方向与转速的方向相同。制动状态：电动机电磁转矩的方向与转速的方向相反。,电动机有两种运转状态：,1）稳定制动，转速不变如：恒速下放重物。2）过渡制动，速度变化如：电机降速或停车。,3.6 直流他励电动机的制动特性,自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻力消耗机械能，使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。制动：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。,机械制动：抱闸电气制动：,反馈制动反接制动能耗制动,一、反馈制动,反馈制动：U=E+IaRa，当空载时，U=E=Ken0，若在外部条件下，使电动机的实际转速大于理想空载转速，即 n0 n，U E，则Ia 0，T 0将机械能变为电能，向电源馈送，故称反馈制动。,特点：1、n n0；2、机械特性硬度不变；3、回馈电能。,例2、电动机的电枢电压大幅度下降,例1：电车下坡,平路时：电动状态；下坡时：增加了动力矩TP，反馈制动。,一、反馈制动,T+TP TL,TP TL+T,T=TL,例3、卷扬机构匀速下放重物,1、提升重物，nA2、制动，停止提升；3、电机反转；4、回馈制动。,-U+,说明：重物下放过程中电动机的转速高于n0，如果重物较重，不太安全。,一、反馈制动,二、反接制动,1.电源反接制动：将变为，使变为制动力矩,2.倒拉反接制动：将n变为n，使变为制动力矩,反接制动：将他励电动机的电枢电压或电枢电势改变方向，使两者由方向相反变为相同，则电动机就运行于反接制动,1、电源反接制动,特点：1）制动转矩大；2）耗能；3）常用于迅速减速、快速停车和经常正反转的场合。如:牛头刨床。,二、反接制动,C,2、倒拉反接制动（n即E方向改变）,特点：可得到不同的下降速度；可以以较小的速度下放重物。对TL估计不准，本应下放可能上升；特性软，速度波动大；耗能。,二、反接制动,三、能耗制动,特点：1）对于反抗性负载，可以迅速停车，不会反向启动。2）对于位能性负载，下放速度较稳定。3）应用于要求迅速准确停车和重物恒速下放的场合。4）耗能。,3、能耗制动：在电动状态下，将电压U突然降为零，将电枢串接一个附加电阻R ad。,例3、卷扬机构匀速下放重物,1、提升重物，nA2、制动，停止提升；3、电机反转；4、回馈制动。,-U+,说明：重物下放过程中电动机的转速高于n0，如果重物较重，不太安全。,一、反馈制动,三种制动方式特点对比：,反馈制动:节能；下放速度高于理想空载转速。电源反接制动：制动转矩大，可快速制动；易反向启动。倒拉反接制动：可以不同的速度下放，对负载估计不足可使位能负载上升，速度稳定性差。能耗制动：速度稳定性好，可准确停车，耗能。,3.6 直流他励电动机的制动特性,本章小结,1、了解电动机的结构组成；2、掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电动机的机械特性；3、掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法，以及各种方法的优点和应用场所。,降压调速串电阻调速弱磁调速,降压启动串电阻启动,第四章,机电传动系统过渡过程分析,第四章 机电传动系统过渡过程分析,本章重点：过渡过程的概念 研究过渡过程的实际意义 产生过渡过程的原因 机电时间常数的概念 加快过渡过程的方法,第一节 研究机电传动系统过渡过程的意义,过渡过程：当系统中电动机的转矩TM或负载转矩TL发生变化时系统就要由一个稳定运转状态变化到另一个稳定运转状态，这个变化过程称为过渡过程。,目的和意义：为满足生产机械对过渡过程的各种要求，必须研究过渡过程的基本规律，研究系统各参量对时间的变化规律，如转速、转矩、电流等对时间的变化规律，才能正确地选择机电传动装置，为机电传动自动控制系统提供控制原则，设计出完善的启动、制动等自动控制线路，以求改善产品质量，提高生产率和减轻劳动强度。,第二节 机电传动系统过渡过程的分析,1)机械惯性：反映在J或GD2上，使转速n不能突变；,2)电磁惯性：反映在电枢回路电感和励磁绕组电感 上，电枢回路电流和励磁磁通不能突变。,3)热惯性：反映在温度上，使温度不能突变。,机电传动系统产生过渡过程的原因：,这三种惯性在系统中虽然是互相影响的，如电机运行发热时，电枢电阻和励磁绕组电阻都会变化从而会引起电流和磁通的变化。但是由于热惯性较大，温度变化较转速、电流等参量变化慢的多，一般不考虑。只考虑机械惯性和电磁惯性。在有些场合，电磁惯性也较小，所以过渡过程主要考虑机械惯性。,第二节 机电传动系统过渡过程的分析,动态特性：机电传动系统过渡过程中转矩、转速和电流与时间的关系。对于方程 已知 GD2一般不随n变化。代入运动方程式可得到转速、转矩、电流与时间的关系。,第二节 机电传动系统过渡过程的分析,例如：直流电动机拖动恒转矩负载,分别为过渡过程开始时刻 t=0 时的转速、转矩和电流。,机电时间常数,如启动过程：t=0时，于是可得：,第二节 机电传动系统过渡过程的分析,第三节 加快机电传动系统过渡过程的措施,由机电方程 两边积分，得过渡过程的时间表达式：由 n1=0 启动到 n2 的启动时间为：,4.3 加快机电传动系统过渡过程的措施,由n1降至n2=0的制动时间为：自由停车（当TM0）的时间：由方程:,第三节 加快机电传动系统过渡过程的措施,第三节 加快机电传动系统过渡过程的措施,缩短过渡过程应采取的措施:减少系统GD2或J 例如：龙门刨床的刨台采用两台电动机同轴运行。2.增加动态转矩Td 从电机方面考虑：使用大惯量直流电动机，Tmax/GD2较大。从控制系统方面考虑：在过渡过程中，尽可能在最大转矩下运行。Td越大，系统加速度越大，过渡过程时间就短。,充满系数：,第三节 加快机电传动系统过渡过程的措施,K越接近1越好。如：串多段电阻启动。,第四章 小 结,过渡过程的概念研究过渡过程的意义缩短过渡过程的措施,