机电传动控制1-4章

机电传动与控制

——它是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2013

主讲人:吴长忠

1.1机电传动的目的和任务传动：将其它形式的能量转换成机械能，以驱动生产机械的过程。

机电传动(电力传动、电力拖动)：指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。第一章概述机械自动化组成要素：机械检测信息处理驱动执行1.1机电传动的目的和任务

机电传动(电力传动、电力拖动)：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，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1.2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—继电器控制实现简单控制，速度慢，精度差电机放大机控制连续自动控制，速度、精度、可靠性提高晶闸管功率晶体管控制效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、体积小、重量轻计算机控制连续复杂控制，灵活性好、自动化程度高第一章概述第一章概述1.3课程的性质和任务性质：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。1.4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四章交流电动机的工作原理及特性第五章控制电动机第八章电力电子学基础第九章直流调速系统第十章交流自动调速控制系统第一章概述1.5教材及课程要求教材：《机电传动控制》冯清秀邓星钟华中科技大学要求：出勤作业答疑:时间：每周五7、8节15：30

地点：数控加工实验室（机械学院A110）考核:平时考核（20%）+闭卷考试（80%）联系方式:8973(6591一章概述

第二章机电传动系统动力学基础本章重点：掌握机电传动系统的运动方程式；多轴拖动系统中转矩、转动惯量的折算；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。第一节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——电机转矩

TL——负载转矩

J——转动惯量mFFLv运动方程式：工程中：用飞轮转矩GD2代替J，用转速n代替第一节机电传动系统的运动学方程2）TM>TL，dn/dt>0，系统加速；1）TM=TL，dn/dt=0

，电机转速为零或常数，运动状态为静态或稳态；第一节机电传动系统的运动学方程动态转矩：3）TM<TL，dn/dt<0，系统减速。讨论：动态转矩力矩的正方向的规定：以转速n的转动方向为参考，TM的方向与转速n的方向相同时，为正方向；TL的方向与转速n的方向相反为正方向。例：起重机提升重物时的启动和制动（即加速和减速上升）a）启动时TM-TL=Td

b）制动时-TM-TL=Td第一节机电传动系统的运动学方程第二节转矩、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：1.负载转矩的折算（根据静态时功率守恒原则）a)对于旋转运动：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算b)对于直线运动：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算如果是生产机械拖动电动机旋转（制动状态），则有：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算2.转动惯量的折算（依据动能守恒原则）设传动系统由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ωi；平动件的质量和速度分别为mj和vj；则系统总的动能为：折算到电机轴上时，系统总动能为：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算根据动能守恒：E2=E故：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算系统总的转动惯量为：3.飞轮转矩的折算（依据动能守恒原则）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：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算多轴拖动系统的运动方程式为：第二节转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算第三节生产机械的机械特性机械特性：同一转轴上转矩与转速之间的函数关系。生产机械的机械特性：

n=f(TL)电动机的机械特性：n

=f(TM)第三节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=Cn2

例：鼓风机、水泵等。第三节生产机械的机械特性3.直线型机械特性特点：TL=Cn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。第四节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。充分条件：扰动消除后仍能回到原来的平衡点。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，TM<TL’n减小，TM增大，直到与TL’相等，运行于a’点。当干扰撤销后，TM’>TL,n增大，TM’减小，直到与TL相等，即在a点稳定运行。第四节机电传动系统稳定运行的条件异步电动机的机械特性生产机械的机械特性交点b交点ab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，TM<TL’n减小，TM减小，n进一步减小，直到停转，反之，过Ｂ点，到当干扰撤销后，TM’<TL,n增大，TM’减小，直到与TL相等，即在a点稳定运行。简便判别法：在平衡点对应的转速之上应保证TM<TL;在平衡点对应的转速之下应保证TM>TL。第四节机电传动系统稳定运行的条件异步电动机的机械特性生产机械的机械特性交点b交点a第二章小结1）学会依据机电传动系统，写出其运动方程；2）对于多轴系统，要学会依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2－32－72－92－11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；掌握直流电动机的启动、调速、制动的方法。

第三章直流电机的工作原理及特性直流电力拖动系统启动转矩大，在较大的范围内能进行速度平滑调节，且控制简便。由于直流电机具有换向器和电刷，给运行带来了麻烦。交流电力拖动系统交流电传输方便，交流电机结构简单，价格便宜且能在高速度恶劣条件下工作。交流电力拖动系统的调速性能（如调速范围，调速精度，平滑性，过载能力等）指标都不及直流电力拖动系统。现在由于电力电子技术的发展，不仅解决了可控制直流电源问题，同时也为交流电力拖动系统提供了频率和电压可调的交流电源问题。为交流调速开辟了新的前景。直流电机交流电机第一节直流电机的基本结构和工作原理第一节直流电机的基本结构和工作原理基本结构

定子：主磁极、换向极、机座、电刷装置、端盖、轴承等。

转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴、风扇。轴承及端盖机座主磁极电枢绕组风扇换向器电枢铁芯换向极电刷装置轴第一节直流电机的基本结构和工作原理基本结构定子：主磁极、换向极、机座、电刷装置、端盖、轴承等。第一节直流电机的基本结构和工作原理基本结构转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴、风扇。2.工作原理（电磁互感原理）作为发电机运行时：导体在磁场内作切割磁力线运动，导体中便感应出电动势。第一节直流电机的基本结构和工作原理作为电动机运行时：带电导体在磁场中要受到电磁力（矩）的作用。第一节直流电机的基本结构和工作原理电机运行方式E与Ia的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发电机相同电源电动势阻转矩电动机相反反电动势驱动转矩表1电机在不同运行方式下，E和T的作用第二节直流发电机直流发电机按励磁方法分为：他励，自励包括并励、串励和复励，永磁发电机他励并励串励复励串励+并励第二节直流发电机他励并励串励复励等效电路图GGGG1.他励发电机第二节直流发电机1.他励发电机讨论：当发电机空载时，即I

a=0，有U=E=KeΦ

n空载特性曲线：在发电机空载及转速为常数的条件下，表示电动势E与励磁电流If之间的关系曲线E=f(If)。E正比于φ，而φ=

f(If)是一条磁化曲线，所以空载特性曲线与磁化曲线相似。是发电机基本运行特性之一。第二节直流发电机1.他励发电机外特性曲线：在发电机的转速n和励磁电流If为常数的条件下，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)。当他励发电机的负载电流增加时，电枢电压降IaRa增加，端电压U就下降。第二节直流发电机2.并励发电机第二节直流发电机并励发电机电压建立的条件条件不满足时采取的措施：1）在直流电源上充磁；2）将励磁绕组两端接线对调；3）将R‘f

减小。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）R‘f

不能过大第二节直流发电机2.并励发电机并励发电机的外特性在转速n及励磁电路的电阻为常数时，端电压与负载电流之间的关系曲线。3.复励发电机第二节直流发电机原理：励磁绕组与电枢有一部分并联，一部分串联。第三节直流电动机的机械特性

电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。

一、机械特性的一般形式

不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同。第三节直流电动机的机械特性电枢回路部分励磁回路部分——外加电枢电压（V）；

——感应电势（V）；——电枢电流（A）；——电枢回路内阻（Ω）第三节直流电动机的机械特性电枢回路部分励磁回路部分

即：

……转速特性

……机械特性∵

∴

第三节直流电动机的机械特性根据机械特性可知：2转速降落

理想空载点1理想空载转速：

T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。

3机械特性硬度：为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：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;第三节直流电动机的机械特性

即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。第三节直流电动机的机械特性二、固有机械特性

直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通N

)下和电枢电路内不外接任何电阻时的

n=f(T)

即:

是一条直线。

直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0)和(TN,nN)即可绘出固有的机械特性。

通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN

、额定电压UN

、额定电流IN和额定转速nN。

固有机械特性的计算步骤如下。

第三节直流电动机的机械特性(1)估算电枢电阻Ra

依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗

PN的50%～75%。式中：是额定运行条件下电动机的效率，且此时

故得第三节直流电动机的机械特性(2)求

额定运行条件下的反电势为：

故

(3)求理想空载转速:

得

(4)求额定转矩:

得

根据

两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线

三.人为机械特性：指供电电压U或磁通Φ

不是额定值、电枢电路接有外加电阻Rad时的机械特性。第三节直流电动机的机械特性1）电枢回路中串接附加电阻时的人为特性第三节直流电动机的机械特性特点：1）n0不变

2）变小，机械特性变软2）改变电枢电压U时的人为机械特性第三节直流电动机的机械特性特点：1）n0与U成正比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。3）改变磁通Φ时的人为机械特性第三节直流电动机的机械特性特点：1）n0与Φ成反比，Φ下降

n0变大

2）Φ下降，变小，机械特性硬度变软，

3）Φ不能上升，只能弱磁调节。3）改变磁通Φ时的人为机械特性第三节直流电动机的机械特性说明：（1）电枢绕组严重过流当磁通过分削弱后，如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载。（2）飞车：当Φ＝o时，从理论上说，电动机转速将趋于无穷大，实际上励磁电流为零时，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）改变磁通Φ时的人为机械特性第三节直流电动机的机械特性（3）启动转矩太小电动机难以启动。

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。2.串励电动机的机械特性分为两段：第一段：轻载时，Φ未饱和，双曲线形状，理想空载转速无穷大。第三节直流电动机的机械特性2.串励电动机的机械特性第二段：当负载较重，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。特点：软特性；启动时启动转矩大，T=KtΦ

Ia=KtCIa2注意：串励电动机绝不允许空载启动，以防止飞车

；不能用改变电源极性的方法，使其反转。可改变电枢或励磁绕组的极性使其反转。第三节直流电动机的机械特性3.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。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，他具有他励和串励电动机的特性，他的机械特性介于他励和串励电动机的机械特性之间。第三节直流电动机的机械特性特点：1）串励占比重越大，特性越软。2）n0一定。作业3－33－53－10第四节直流他励电动机的启动特性启动：转速从零达到所要求的转速的过程。电动机在未启动前，n=0,E=0,而Ra很小，将直流他励电动机直接接入电网施加额定电压时，启动电流为：它是额定电流的10～20倍，这样大的电流，会造成一些不良影响。第四节直流他励电动机的启动特性不良影响：1）在换向时产生危险火花，烧坏整流子；2）过大的电动应力损坏绕组；3）较大的启动转矩造成对传动部件的冲击，易损坏传动部件；4）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。因此，直流电动机绝不允许直接启动。怎么办？1）降压启动在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速n的升高，反电动势E增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压，电动机达到额定转速。如：直流发电机—电动机组、晶闸管—电动机组2）在电枢回路串接外加电阻启动此时的启动电流Ist＝UN/(Ra＋Rst)将受到启动电阻Rst的限制，随着电动机转速n的升高，反电势E增大，再逐步切除电阻一直到全部切除，电动机达到所要求的转速。第四节直流他励电动机的启动特性a.在电枢回路串接一段外加电阻启动2）在电枢回路串接外加电阻启动第四节直流他励电动机的启动特性b.在电枢回路串接多段外加电阻启动第四节直流他励电动机的启动特性第五节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电路参数，以改变电动机的稳定转速的过程。速度变化：由于负载的变化而引起的电动机的速度的变化。第五节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电路参数，以改变电动机的稳定转速的过程。速度变化：由于负载的变化而引起的电动机的速度的变化。根据直流电动机的机械特性方程式：知可以通过人为改变U、Rad和Φ

三个参数来调速。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。第五节直流他励电动机的调速特性3.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。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。第五节直流他励电动机的调速特性1.改变Rad时的调速特性特点：机械特性软；稳定度低；在空载或轻载时，调速范围小；实现无级调速困难；在调速电阻上消耗大量电能。应用：起重机、卷扬机等低速运转时间短的传动系统中使用。第五节直流他励电动机的调速特性2.改变U时的调速特性特点：1)当电压连续变化时，转速可以平滑无级调节；2)机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较宽；第五节直流他励电动机的调速特性3)是恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速；4)可以调节电枢电压启动电机，不用其他启动设备。3.改变Φ时的调速特性特点：1)平滑无级调速，只能弱磁调速；2)调速特性较软，调速范围不大

说明:因弱磁调速范围不大，它住往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。第五节直流他励电动机的调速特性3)调速时是维持电枢电压U和电枢电流Ia不变，即功率P不变，所以这种调速适合于恒功率调速。第六节直流他励电动机的制动特性制动：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。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。机械制动：抱闸；电气制动：制动分类：反馈制动、反接制动、能耗制动电动状态：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。

1）稳定制动转速不变

2）过渡制动速度变化电动机有两种运转状态：n0-n0T第六节直流他励电动机的制动特性1.反馈制动电动机正常接法，在外部条件下电动机的实际转速大于理想空载转速，此时电动机运转在反馈制动状态。将机械能变为电能，向电源馈送，故称反馈制动。第六节直流他励电动机的制动特性特点：1、n>n0；

2、机械特性硬度不变；

3、回馈电能例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。例2电动机电枢电压突然下降第六节直流他励电动机的制动特性例3卷扬机构匀速下放重物重物下放过程中电动机的转速高于n0，如果较重，不太安全。1.

电源反接制动：将Ｕ变为－Ｕ，使Ｔ变为制动力矩2.倒拉反接制动：将n变为－n，使Ｔ变为制动力矩反接制动：将他励电动机的电枢电压Ｕ或电枢电势Ｅ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．第六节直流他励电动机的制动特性2.反接制动1）电源反接制动（U反向）应用场合：迅速减速、停车和反向的场合；经常正反转的场合。如:牛头刨床。第六节直流他励电动机的制动特性特点：制动转矩大 不能自动停车，易反转 制动电流大2）倒拉反接制动（E方向改变）特点：适当选择电阻Rad的大小，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，小的转矩波动引起大的速度波动。第六节直流他励电动机的制动特性3.能耗制动特点：对于反抗性负载，可以迅速停车，不会有反向启动的危险。对于位能性负载，不会出现因对TL估计错误而使重物上升的情况，速度也较稳定。应用：要求迅速准确停车和重物恒速下放的场合。将电压U突然降为零，将电枢串接一个附加电阻Rad。第六节直流他励电动机的制动特性三种制动方式特点对比：1）对于位能性负载反馈制动:下放速度高于理想空载转速,不安全。电源反接制动：下放速度高于理想空载转速，不安全。倒拉反接制动：以较小的速度下放，对负载估计不足可能上升，速度稳定性差。能耗制动：可以以较小的速度下放，不会因对负载估计不足而上升，速度稳定性好。第六节直流他励电动机的制动特性2）对于反抗性负载：反馈制动:转速高于空载转速。电源反接制动：转速下降到零后，反向启动，最后以某一速度匀速运行。能耗制动：可以迅速停车，不会有反向启动的危险。

第六节直流他励电动机的制动特性电动机运行状态：在同一种接线方式下，电动机既可以工作在电动状态，也可以工作在制动状态。对于倒拉反接制动，正转时的倒拉反接出现在第4象限，反转时，出现在第二象限。第六节直流他励电动机的制动特性第三章小结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3）掌握直流电机的固有特性和人为特性4）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。作业3－133－183－21第四章机电传动系统过渡过程分析重点内容：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