机电传动课件

机电传动系统的运动学基础掌握机电传动系统的运动方程式；掌握多轴传动系统中转矩折算的基本原则和方法；了解几种典型生产机械的负载特性；了解机电传动系统稳定运行的条件，学会分析系统的稳定平衡点。本章目标:2.1单轴拖动系统的运动方程式

一、单轴拖动系统的组成

电动机M通过连接件直接与生产机械相连，由电动机M产生输出转矩TM，用来克服负载转矩TL

，带动生产机械以角速度ω（或速度n）进行运动。电动机电动机的驱动对象连接件系统结构图转距方向

二、运动方程式

运动方程式:TM、TL、

（或n)之间的函数关系。…运动方程式…………转矩平衡方程式TM─电动机的输出转矩（N.m）；TL─负载转矩（N.m）;J─转动惯量（kg.m2）;

─角速度（rad/s）；n─速度（r/min）；t─时间（s）;─动态转矩（N.m）。工程量纲表述：三、传动系统的状态即，ω为常数，传动系统以恒速运动。TM=TL→恒速运动→稳态。

即

加速运动。即

减速运动。TM

TL

→加速/减速→动态。四、转矩方向1)TM与n方向一致

TM取“+”号（拖动转矩TM）

TM与n方向相反

TM取“-”号（制动转矩TM）

拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。2)TL与n方向相反TL取“+”号（制动转矩TL）

TL与n方向一致TL取“-”号（拖动转矩TL）

设n的符号为顺时针正，当重物上升时：左：运动方程式：重物上升→TM为拖动转矩，TL为制动转矩。刹车时：右：运动方程式:刹车→TM为制动转矩，TL为拖动转矩。TM为正，TL为正。TM为负，TL为正。2．2多轴拖动系统的简化分析方法：多轴等效折算为单轴。

一、多轴拖动系统的组成

电动机通过减速机构（如减速齿轮箱、蜗轮蜗杆等）与生产机械相连：折算原则：静态时，系统总传输功率守恒。旋转运动直线运动

二、负载转矩的折算(旋转运动)

PM

－电机上的负载功率；PL’－负载功率；TL’－负载转矩ηc－传动效率；等效转矩：j—速比。输入：输出：

三、负载转矩的折算(直线运动)

传动效率

2.3转动惯量和飞轮转矩折算根据：动能守恒原则1)

旋转运动中间轴速比，输出轴速比J1中间轴转动惯量，JL输出轴转动惯量总转动惯量：总飞轮转矩：GD1中间轴飞轮转矩，GDL输出轴飞轮转矩简化计算：适当加大电机轴上的转动惯量、转矩，不计中间轴上的转动惯量和转矩。取1.1~1.252)

直线运动2.4生产机械的机械特性

2.4.1定义同一转轴上负载转矩和转速之间的函数关系。2.4.2分类

恒转矩型机械特性（TL为常数）

恒功率型机械特性（P为常数）

离心式通风机型机械特性

直线型机械特性(a)TL为反抗转矩（摩擦转矩）时，恒与运动方向相反，阻碍运动在运动方程中符号总是正的如：金属切削机床等（切削力）1)

恒转矩型机械特性（TL为常数）(b)TL为位能转矩时，作用方向恒定，与运动方向无关在运动方程中符号有时为正，有时为负如：卷扬机起吊重物等2)

恒功率型机械特性（P为常数）TL=C/n（C为常数）或P=TLn=C如：车床加工

粗加工（切削量大）——低速精加工（切削量小）——高速3)离心式通风型机械特性

离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩TL的大小与速度n的平方成正比，即：其中：C为常数。4)直线型机械特性

直线型机械特性的负载转矩TL的大小与速度n的大小成正比，即：其中：C为常数。

5)

其它机械特性如：带曲柄连杆机构的生产机械——TL随转角而变化；球磨机、碎石机等生产机械——TL随时间作无规律的随机变化；有的生产机械的负载是单一类型的，也有的是多种类型复合的。2.5机电系统稳定运行的条件

机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特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能稳定运行。

一、机电系统稳定运行的含义1.系统应能一定速度匀速运行；2.系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。

二、机电系统稳定运行的条件

从T—n坐标上来看，就是电动机的机械特性曲线n=f(TM)和生产机械的机械特性曲线n=f(TL)必须有交点，交点被称为平衡点。

2.充分条件系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力，即：当干扰使速度上升时，有TM<TL

；否则，当干扰使速度下降时，有TM>TL。这是稳定运行的充分条件。

符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。

1.必要条件电动机的输出转矩TM和负载转矩TL大小相等，方向相反。

分析举例a、b两点是否为稳定平衡点？

故a点为系统的稳定平衡点。

同理b点不是稳定平衡点。异步电动机的机械特性生产机械的机械特性交点a交点bln>na

，TM<TL，即n↑(干扰)→TM<TL→n↓n<na

，TM>TL，即n↓(干扰)→TM>TL→n↑n↓TM>TL

例如：异步电动机拖动直流他励发电机的工作状态。b点是稳定平衡点。（∵n>nb，TM<TL；

n<nb，TM>TL）nＴＯｂn=f(TM)n=f(TL)n0TM<TL

n↑

PLC（ProgrammableLogicController）控制电路的发展单片机系统PLCPLC实物

可编程控制器是以中央处理器为核心，综合计算机和自动控制等先进技术而发展起来的一种工业控制器。早期的可编程控制器是为代替继电器逻辑顺序控制（机械触点多，通用性差，功耗高）而设计的，因此被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。后因其功能已超出逻辑控制范围，故改称为PC（ProgrammableController）。为了避免与个人计算机（PersonalComputer，简称PC）混淆，仍沿用PLC作为可编程控制器的简称。

9可编程控制器及其应用9.1PLC的定义

1968年，美国通用汽车公司（GM）为适应汽车型号的不断翻新，提出了一种新型电子化的程控器来代替继电器控制的设想。

1969年，美国数字设备公司（DEC）率先研制出PDP-14可编程控制器，成功地用在GM公司的自动装配线上。

1987年，国际电工委员会（IEC）对它作了如下定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计。”9.2PLC的结构和工作原理9.2.1PLC的结构

主机（CPU和存储器）

输入/输出接口

I/O扩展接口

编程器

外部设备接口

电源图9.1PLC的硬件系统结构图

1.主机

1）中央处理器（CPU）：它是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态，作出逻辑判断和进行数据处理。

2）存储器：

◆系统程序存储器——主要存放系统管理和监控程序，以及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固化在存储器中，用户不能更改。◆用户程序及数据存储器——主要存放用户编制的应用程序，以及各种暂存数据和中间结果。

2.I/O接口它是CPU与I/O设备之间的联接部件。

输入接口接受输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。

输出接口将主机处理过的结果通过输出电路驱动输出设备（如：指示灯、电磁阀、接触器等）。

I/O接口电路一般采用光电耦合电路，减少电磁干扰，提高PLC可靠性。

PLC典型开关量输入接口连接及原理图PLC典型开关量输入接口二PLC典型继电器输出接口原理图3.I/O扩展接口它把扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（主机）联接在一起。4.编程器 它是PLC的重要外部设备，用于手持编程。用户可以用下列两种方式进行编程和监控。

◆

手持编程器

◆将PLC和计算机相联，用专用的工具软件 编程器分为简易型和智能型两类。前者只能联机编程；后者可联机编程，也可脱机编程。功能完整的编程器本身就是一个微机系统。5.外部设备接口它把外部设备（如：编程器、打印机、条码扫描仪等）与主机联接起来。

6.电源它是为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作而配备的直流开关稳压电源。

9.2.2PLC的工作原理

PLC运行时，CPU对存于用户存储器中的程序，按指令步顺序作周期性的循环扫描。

PLC的扫描过程（图9.2）：图9.2PLC的扫描工作过程

l

输入采样阶段

PLC以扫描方式顺序读入输入端子的通断状态（ON/OFF），并写入相应的输入状态寄存器中，即刷新输入，接着转入程序执行阶段。

l

程序执行阶段

PLC按先左后右，自上而下的顺序对每条指令进行扫描，并将相应的运算和处理结果写入输出状态寄存器中。

l

输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态转写入输出锁成器中，驱动相应的输出设备，产生PLC的实际输出。

经过这三个阶段，PLC完成一个扫描周期。

“顺序扫描、不断循环”

9.2.3PLC的主要技术性能11．I/O点数

这是一项重要技术指标。它是指PLC的外部输入和输出端子数。小型机有几十个点，而大型机超过千点。

2．用户程序存储容量

指PLC存储用户程序的多少。程序指令按“步”存储，一“步”占一个地址单元，一个地址单元占两个字节，如：一个内存容量为1000步的PLC，其内存为2k字节。

3．扫描速度

指扫描1000步用户程序所需的时间，单位为ms/千步，或us/步。

4.指令系统条数

衡量PLC软件功能的强弱。指令系统包括基本指令和高级指令。5.编程元件的种类和数量

衡量PLC硬件功能的强弱。

以FP1系列PLC为例，常见的编程元件有：

输入继电器（X）

输出继电器（Y）

辅助继电器（R）

定时器（T）

计数器（C）

通用“字”寄存器（WR）

9.2.4PLC的主要功能和特点

1.主要功能

l

开关逻辑控制（基本功能）

l

定时/计数控制

l

步进控制

l

数据处理

过程控制（PID控制:自动调节非电量参数（如：温度、压力、流量、速度等）。运动控制:

通过高速计数模块和位置控制模块进行单轴或多轴控制（如：数控机床、机器人）。通信联网监控数字量与模拟量的转换

2．主要特点

l

可靠性高，抗干扰能力强

l

功能完善，编程简单，组合灵活，扩展方便

l

体积小，重量轻，功耗低三菱PLC接线端子PLC实物SIEMENS西门子LOGO!简易小型PLC（无需计算机即可编程）编程入门：+24VX0BT1Y0COM～220VBT2X1Y1型号表示方法入出总点数M(基本单元)E(扩展单元)输出类型R－继电器输出T－晶体管输出S－晶闸管输出电源种类V－100/110V交流E－220/240V交流D－24V直流FX2N—1234－三菱PC基本单元外形§9.1三菱PLCFX2N--48MR主要技术指标输入、输出点总数：48功耗：25VA定时器：

256个计数器：256个辅助继电器：3072个（2572个有掉电保护）内存：2k~16k步运算速度：1.5~数百μs/步指令：20条输出形式：继电器输出输入设备输出设备9.2PLC内部等效电路1.

输入继电器（X）接收外部开关量/数字量信号，仅提供动合/动断触点，触点可无限次使用。2.

输出继电器（Y）主要用于将内部逻辑结果传递到外部负载，每一输出继电器仅有一常开触点连到输出端子供外部负载用，同时也有软触点可无限次使用。3.时间继电器（T）每个定时器的定时值为0.1～999s。4.计数继电器（C）对外部事情或内部的脉冲进行计数。5.辅助继电器（M）只能由程序指令控制，专供内部编程使用。一般作中间继电器使用，也可以作移位寄存器使用。6.特殊的辅助继电器（M）

FX系列的PLC中，地址编号M8000～M8255例：M8000：CPU运行； M8002：产生初始化脉冲； M8004：错误； M8012：100ms脉冲；M8014：分钟脉冲； M8013：秒脉冲；M8033：停止保持； M8034：输出全禁止。9.3PLC的编程语言概述

1.梯形图

梯形图是一种从继电接触器控制电路图演变而来的图形语言。

通常用、图形符号分别表示PLC编程元件的常开和常闭触点；用[]

（或）表示它们的线圈。编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数字加以区别。PLC的编程和指令系统9.3.1PLC的编程方法与一般规则继电器梯形图逻辑功能图功能流程图逻辑代数表达式指令语句表方法1.自上而下，从左到右；2.母线：假象能电流从左母线流向右母线；3.线圈右边必须连右母线，左边必须有触点；4.程序有结尾标志。一般原则

9.3.2PLC的编程原则和方法

1.编程原则

1）在编制程序时，编程元件的触点使用次数没有限制。

2）梯形图的每一梯级起始于左母线，终止于右母线。线圈直接与右母线联接。

3）尽量做到“左重右轻，上重下轻”

以符合“从左到右，自上而下”的顺序。

4）应避免同一继电器的线圈在程序中重复输出。

5）应避免将触点画在垂直线上。

6）外部输入设备常闭触点的处理（在外部接线时，应尽可能接成常开形式，则在梯形图中仍是常闭触点；而热继电器FR的触点只能接成常闭形式，不作为输入信号）。

鼠笼式电动机直接起动控制电路图见图9.3（a），则相应的梯形图如图9.4（a）所示。

X1

输入继电器的常闭触点（停止按钮SB1）；

X2

输入继电器的常开触点（起动按钮SB2）；

Y1

输出继电器的线圈和常开触点（接触器KM）。注：热继电器FR（常闭触点）起过载保护作用。图9.3（a）电动机直接起动控制PLC接线图图9.4鼠笼式电动机直接起动控制(a)梯形图；(b)指令语句表(a)梯形图(b)指令语句表例题解读电机正反转控制～不完善～

注意：

（1）梯形图中的继电器是一个存储单元，其逻辑状态为“1”

时，表示相应继电器的线圈接通，常开触点闭合，常闭触点断开。（2）每一逻辑行（或梯级）开始于左母线，接着是触点的串、并联，最后是线圈与右母线联接。

（3）流过每一梯级的是“概念电流”，只用来描述线圈接通。

（4）输入继电器不能由PLC内部继电器直接驱动，所以图中只有其触点，而没有相应的线圈；输出继电器的线圈接通只表示有信号输出，但不直接驱动输出设备。2．指令语句表（指令助记符）

指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言。它类似于计算机的汇编语言。但比汇编语言容易理解。鼠笼式电动机直接起动控制的指令语句表如图9.4（b）所示。LD起始指令（取指令）OR触点并联指令（“或”指令）ANI触点串联反指令（“与非”指令）OUT输出指令END程序结束指令LD：“取”指令,用于母线/分支电路的动合触点『常开』；LDI：“取反”指令，用于母线、分支电路开始的常闭触点。OUT：输出，驱动Y、M、T、C的线圈，注意：驱动T或C时，该指令后必须设常数K值。9.3.2PLC的指令系统输入、输出指令LDX400OUTY430LDIX401OUTM100OUTT450K19LDT450OUTY431

与指令AND：“与”，动合触点串联连接指令；ANI：“与非”，动断触点串联连接指令；地址码：X、Y、M、T、C或指令OR：“或”，用于动合触点的并联；ORI：”或非”，用于动断触点的并联；地址码：X、Y、M、T、C逻辑指令电路块连接指令块电路或指令

ORB：两个以上触点串联的支路与前面支路并联;电路块与指令

ANB：用于并联电路块与前面接点电路或并联电路块的串联；LDX400ANDX401LDX402ANDX403ORBOUTY431LDX401ANDX402ORX400LDX403ANBOUTY431RST：用于对计数器、移位寄存器的复位；复位输入端：K值置入计数器计数器触点复位计数输入端：每通断一次，计数值减1计数器触点：当计数值减为零时，计数器触点动作；触点动作后一直保持直到被复位指令复位注：当复位输入保持时，计数信号不起作用!计数器有掉电保护复位指令M8012——特殊辅助继电器(100ms脉冲)定时时间=100msX600老程序格式新程序格式

脉冲输出指令PLS：将脉宽较宽的输入信号变成脉宽等于PLC扫描周期的脉冲信号老程序格式新程序格式保持指令SET：置位保持指令RST：复位保持指令LDX001SETM202LDX002RSTM202使M202置位并保持使M202复位并保持主控母线指令（目标元素M100~M177）MC：主控开始，引出一条分支母线MCR：主控返回，使分支母线结束并回到原来的母线上

多个继电器同时受一个触点或一组触点控制，这种控制称为主控指令多，占用内存多输出继电器Y053、Y054、Y055受输入继电器X050、X051主控LDX050ANDX051MCN0M100LDX052OUTY053LDX053OUTY054LDX054OUTY055MCRN0LDX055OUTY050更好的办法：采用主控指令注意：MC、MCR必须成对出现。分支母线上每一逻辑行编程时，都要用LD或LDI指令开始。可嵌套使用主控母线指令，最多8次，依次编号N0、N1、……跳步指令CJ：条件跳转CJ＋P标号代表目的地址。程序A跳转条件成立？程序C程序BYN图堆栈指令MPS：进栈指令MRD：读栈指令MPP：出栈指令LDX500ANDX501MPSANDX502OUTY530MRDANDX503OUTY531MPPANDX504OUTY532LDX505OUTY533空操作指令NOP：不完成任何操作，只是占用一步的时间。程序结束指令END：用于结束程序，表示程序终了指令小结：LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI——对触点操作的指令ANB、ORB——触点块连接指令OUT、SET、RST、PLS——对线圈操作的指令CJP、EJP、MC、MCR、MPS、MRD、

MPP、NOP、END——其它指令四、常用编程技巧1.梯形图设计技巧指令的能实现性LDX400LDX401ANDX402ORBOUTY431LDX401ANDX402ORX400OUTY431触点串并联原则：“左重右轻，上重下轻”LDX400LDX401ORX402ANBOUTY431LDX401ORX402ANDX400OUTY431Y431双线圈输出，前一个无效2.定时器及计数器的应用FX2N的定时器、计数器编号：1)定时器用作时间继电器延时接通延时断开2)用定时器产生周期脉冲信号3)实现长延时的方法：将两个计数器串起来使用总延时＝(1分钟

32767)32767≈2042年M8014－分钟脉冲；C1、C2－16位计数器运行开关闭合延时10秒皮带输送机运转运送12个工件4)例子1：4)例子2：电动机正反转控制比较完善的正反转控制程序：停止→延时→反转大作业一：正反转控制程序设计1.开机后，或者停止了很长时间后，按下正转或反转按钮，立即正转或反转；（电动机早已停止，可以立即启动）2.正在正转，按停止按钮，停止正转，马上按反转按钮不会反转，自按动停止按钮后，延时一定时间才反转，反之亦然。（基本功能）3.正转时，按反转按钮，自动停止→延时→反转；反转时与之类似；（保护电动机，延时到电动机停止，再换向）4.正转时，按停止按钮后，立即按正转，不延时立即启动正转；反转与之类似；（按错了，不想换向，还是原来方向，方便操作）5.正转时，按反转按钮，接着按停止按钮（不想再转了），会停止；反转与之类似；（下班了，不想继续转了，方便操作）6.正转或反转时，按停止按钮，停止。（必须的）

3个按钮，2个输出。编编看能实现几项功能。4)例子2：电动机Y－△启动控制继电器控制原理图PLC接线图程序9.4PLC的应用▓9.4.1PLC控制系统的开发步骤9.4.1PLC控制系统的开发步骤1、常见的输入、输出类型 输入：

开关量：操作开关、行程开关、按扭、接近开关、继电器触点等；

模拟量：流量、温度、压力等传感器信号；

中断：限位开关、事故信号、停电信号、紧急停止等；

脉冲量：串行信号、各种脉冲源；数字量：计算机接口、键盘、其它数字设备。输出：开关量：电器元件线圈等；模拟量：各种传感器信号；数字量：数字显示器，计算机接口、打印机等。2、PLC的选择PLC规模估算：I/O点估算：留15%~20%裕量以备扩充。存储器估算：总点数（10~12）=指令语句数（小型机粗略估算）PLC选型：功能：逻辑控制-小型机。输入接口模块：输入信号电压、电流、速度等与输入接口模块的匹配。输出接口模块：模块的工作电压、电流、速度等应与所带负载匹配。

灯丝负载、电容性负载、电机负载、电感性负载等9.4.1PLC控制系统的开发步骤PLC的价格、可扩充性、软件开发难易、售后服务3、编制I/O分配对照表4、画出PLC与现场器件的连接线5、画出梯形图6、编写指令程序7、将程序输入PLC8、模拟调试与完善9、硬件系统的安装10、现场调试与安装11、正式投入使用12、保存程序PLC应用实例气动机械手视频9.4.2PLC实例开发(二):搬运机械手的控制1.按下启动按钮，机械手下降，触发下限开关，停止下降；2.夹紧工件，延迟3秒；3.机械手上升，触发上限开关，停止上升；4.机械手向右移动，触发右限开关，停止移动；5.机械手下降，触发下限开关，停止下降；6.机械手松开工件，停留2秒；7.机械手上升，触发上限开关，停止上升；8.机械手左移，回到原位。9.4.4搬运机械手的控制-工艺流程图夹紧后，延时3S再上升，保证可靠夹紧松开后，延时2S再上升，保证可靠松开1ST：下限2ST：上限3ST：右限4ST：左限工件夹紧——电磁阀驱动汽缸来实现2YA：

ON：夹紧

OFF：松开机械手移动：

1YA，控制下降

3YA，上升

4YA，右移

5YA，左移9.4.4搬运机械手的控制－动作顺序表步序输入条件下降1YA夹紧2YA上升3YA右移4YA左移5YA灯HL原点2ST.4ST——————————+下降1SB+——————————夹紧1ST——+————————上升KT1——++————右移2ST——+——+————下降3ST++————————松开1ST————————————上升KT2————+——————左移2ST————————+——原点2ST.4ST——————————+9.4.4搬运机械手的控制－地址表现场器件内部继电器地址说明输入1SB400启动按钮1ST401下限位开关2ST402上限位开关3ST403右限位开关4ST404左限位开关2SB406复位开关输出1YA431下降电磁阀2YA432夹紧电磁阀3YA433上升电磁阀4YA434右移电磁阀5YA435左移电磁阀HL430原位指示灯9.4.4搬运机械手的控制－实际连接图9.4.4搬运机械手的控制－梯形图新版PLC连接图移位编程方法演示步进(顺序)编程方法演示新版本梯形图顺序编程（步进编程、SFC）新型、通用顺序编程方法1转2分支（1）1转2分支（2）合并顺序编程例1-间断运行初始化运行运行定时停止停止定时返回顺序编程例2-电动机正反转控制初始化正转(未反转)正转(在反转)→2反转(未正转)反转(在正转)→3停止→1复位Y0、1停机延时返回→0在反转,复位Y1延时正转,置Y0返回→0停止?→1在正转,复位Y0延时反转,置Y1返回→0停止?→1顺序编程（新型步进编程法）模拟量输入、输出其它厂家PLC：OMRON/SEIMENSS7、LOGO!组态软件触摸屏软件9.5PLC的高级应用以太网PLC多站现场总线互联PLC设备单体电气连接计算机监控中控室中控室触摸屏课后作业一：P204(第四版)/216(第三版)图9.39输入到计算机，仿真运行，找出与课堂讲解的程序有何不同。用顺序编程方式实现星-三角启动控制。教科书例程课堂例程课后作业二－抢答系统的设计

抢答规则:1.要回答主持人的提问，必须抢先按下桌上的按钮；2.为了给儿童一些优待和教授组的限制，儿童组只要有一个按下就为抢答成功，而教授组必须两人同时按下才算抢答成功；

控制原则：1.抢答成功后相应的指示灯亮；2.主持人按下复位按钮PB4后，指示灯灭；3.如果竞赛者在主持人合上SW开关的10秒内抢答成功，电磁铁使彩球摇动，以示竞赛者得到一次幸运的机会。分析一下，上图中有几个输入、输出

输入信号：PB11X400PB12X401PB2X402PB31X403PB32X404PB4X405SWX406

输出信号：L1Y431L2Y433L3Y435

电磁铁Y437内容：1.画出PLC与现场的实际连接图；2.画出梯形图。半导体器件发展

电力电子学——晶闸管及其基本电路A.

电力电子学的任务利用电力半导体器件（如：晶闸管）和线路来实现电功率的变换和控制。晶闸管（SiliconControlledRectifier简称SCR，1957年）在弱电控制与强电输出之间起桥梁作用。B.

晶闸管(可控硅)的优缺点

l

优点：

1)

功率放大倍数可达几十万倍；

2)

控制灵敏，反应快；

3)

损耗小，效率高；

4)

体积小，重量轻；

5)

改善了工作条件，维护方便。

l

缺点：

1)

过载能力弱；

2)

抗干扰能力差；

3)

导致电网电压波形畸变；

4)

控制电路比较复杂。调光台灯单向双向10.1电力半导体器件10.1.1晶闸管（SCR）

——新型大功率半导体器件，也称可控硅。1.基本结构

1)

外形

前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散热效果好）。

2)

内部结构

——它是PNPN四层三端元件。

3)

符号（如图所示）2.工作原理

l

实验情况说明：可用灯泡

代替电阻RL。1)晶闸管承受正向电压，开关S（控制极）断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。

2)在控制极与阴极之间再加上正向电压（S接通），电灯发亮，晶闸管导通。

3)晶闸管承受反向电压，不论S是否接通，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。

4)晶闸管导通后（情况2），断开控制极电压（控制极失去作用），电灯仍发亮，晶闸管仍导通。

5)晶闸管导通后（情况2），如果控制极电压加反向电压，不论阳极电压是正或负，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。电路模拟

l

结论

1)晶闸管导通条件：阳极加正向电压，控制极也加正向电压。

2)控制极只需加正触发脉冲电压。

3)具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。

l

导通原因1)

等效为PNP型和NPN型两个晶体管的组合。

2)

阳极和控制极均加正向电压时，经放大，集电极电流为（基极电流），又经放大，集电极电流为（即基极电流），再次放大，循环往复，直至导通为止（“触发导通过程”——微秒级）。3)

晶闸管导通后，基极电流比（控制电流）大得多，故去掉，晶闸管仍导通。

4)

阳极加反向电压，无放大作用，晶闸管不导通；控制电压反向或未加入，不产生起始，晶闸管也不导通。3.伏安特性晶闸管的伏安特性——晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系。

1)截止状态（正向阻断状态）——阳极加正向电压，门极开路（＝0），电流很小，电阻很大，称为正向漏电流。

2)导通状态——正向阳极电压上升到某一定值，，晶闸管突然变为导通状态。这时阳极电压称为断态不重复峰值电压（）或正向转折电压（）。↑，↓，晶闸管容易导通。注：在晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。

3)维持电流（保证晶闸管导通的最小阳极电流）——当电流小于时，从导通状态转化正向阻断状态。

4)反向阻断状态——阳极加反向电压时，反向漏电流很小。当反向阳极电压增加到某一数值时，反向漏电流，这时对应的电压值称为(反向不重复峰值电压)或(反向转折电压，反向击穿电压)。注：晶闸管的反向伏安特性与

二极管反向特性类似。4.主要参数

RepetitivePeakOff-stateVoltage

1)

（断态重复峰值电压）——在控制极断路和晶闸管正向阻断时，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，它比小100V。BreakOverVoltage

“多少伏的晶闸管”

2)

（反向重复峰值电压）——在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，它比小100V。ReverseRepetitivePeakOff-stateVoltage

3)

（额定通态或正向平均电流，简称额定电流)—在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通时，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值。

On-StateCurrent

“多少安的晶闸管”

正弦半波电流的平均值正弦半波电流的有效值波形系数即

一般按选晶闸管（——实际电流有效值）

4)

（维持电流）——在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流。一般为几十mA~

一百多mA，其数值与温度成反比，如：

5.型号及其含义（国产晶闸管）

例如：

3CT50/500（为50A，为500V）；

KP5-7（K—晶闸管，P—普通型，额定电流5A，额定电压700V）。/可控整流元件

N型硅材料三个电极

6.判别SCR的好坏用万用表的欧姆档来判别管子的好坏。

表10.1用万用表测试晶闸管各管脚之间的电阻注意：当A—K间为高阻值，而K—G间逆向电阻大于顺向电阻时，管子良好。测试点表内电池极性测量范围测试结果A—K顺向或逆向R×1000高电阻（表针不动）A—G同上同上同上K—G顺向：G“+”,K“-”逆向：G-”,K“+”R×1R×110~10050~50010.1.2其它电力半导体器件双向晶闸管可关断晶闸管

功率晶体管功率MOS管(VMOS)

绝缘栅双极晶体管(IGBT)

整流二极管1.双向晶闸管（TRIAC）调光台灯l

特点

1)

三端子NPNPN元件；

2)

采用交流电源；

3)

相当于两只普通晶闸管反并联；

4)

双向控制，简化触发电路；

5)

成本低，可靠性好；

6)

主要应用于家用电器控制，调节交流电压。l

工作原理

1)

门极无信号时，、不导电。

2)

导通条件：①"+"，"-"，G"+"②"-"，"+"，G"-"2.可关断晶闸管（GTO）

l

特点1)

控制极控制元件的导通和关断，所需控制电流较大。

20mA(GTO)/30μA(SCR)2)动态特性较好，关断时间较短。

1μs(GTO)/(5~30)μs(SCR)3)

主要用于直流调压和直流开关电路。4)电路简单，工作频率高。

l

符号与晶闸管相似。3.功率晶体管（GTR）

（300A，100V或100A，300V）

达林顿晶体管（200A，500V）注：复合管，正向导通压降↑，功率损耗↑。l

特点可在高电压和强电流定额下使用；正向导通压降（0.3~0.8）V，功率损耗较晶闸管（≈1V）小；基极电流消失或反偏时，晶体管立即截止（不存在关断问题）；允许的电流变化率低；处于导通状态，基极电路功率损耗大；体积更小，价格更低（比晶闸管）。电路仿真N型VMOS(NMOS)P型PMOS(NMOS)封装耐压：常见10～200V；导通电阻：1mΩ～0.xΩVgs：2~15V电路仿真4.大功率二极管（整流二极管）l

特点可在高温下工作；（室温）

正向导通，压降（0.8~1）V；反向截止；额定值可达200A和400V，或更高。注：它相当于一只开关。绝缘栅双极晶体管－IGBT高压：200V～1000V大电流：数百安培10.2单相可控整流电路由晶闸管组成的可控整流电路类似于二极管整流电路。它可分为单相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。

10.2.1单相半波可控整流电路特点：①应用较少，电路简单，调整容易。②直流输出电压低，脉动大。目的：获得可调节的直流电压电阻性负载分析：1)

—控制角（晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲作用点之间的电角度），

—导通角（晶闸管在一周期时间内导通的电角度），，，。2)最大正向、反向电压为（电源变压器副边电压的最大值）。3)负载（输出直流）电压平均值、负载电流平均值分别为：4)，达到可控整流的目的。

电路模拟

2.

电感性负载如：各种电机的励磁线圈等。电路模拟-多次触发电路模拟-单次触发分析：电感阻碍电流变化（—自感电势或反电动势）。

大于电源负电压，晶闸管继续导通，也就是说，导通角。负载电感，负载负（反向）电压，满足不了负载的要求。3.

续流二极管的作用（大电感性负载）分析：1)

负载两端并联一只二极管。2)

电流电压过零变负时，续流二极管导通，晶闸管自行关断（无电流流回电源）。3)

负载两端电压为二极管管压降，接近于零（电感放出能量消耗在电阻上）。4)

波形与电阻性负载一样，波形与之很不相同。当时，电流脉动小，波形近似于一条平行于横轴的直线。流经VS的电流均值流经V的电流均值：Id为负载电流均值电路模拟10.2.2单相桥式可控整流电路（应用很广）它与不可控桥式整流电路的区别：二只晶闸管代替二只二极管。

1.

单相半控桥式整流电路

工作原理：l

输入电压正半周，触发VS1，VS2和V1反向截止，电流通路为：l

输入电压负半周，触发VS2，VS1和V2反向截止，电流通路为：电路仿真

1)

电阻性负载与半波整流相比较，和增加了一倍，分别为：

2)

电感性负载

l加续流二极管——不出现“失控”现象。

l不加续流二极管——不失控，VS2与V1交换位置。注意：电源电压为零（或θ=0或触发回路切断）时，V1

和V2形成续流（电流增大），VS1或VS2可靠关断。3)

只用一个晶闸管进行控制的整流电路四个整流二极管组成单相桥式全波电路——节省晶闸管元件。（a）电阻性负载——与半控桥一样（b）电感性负载——必须加续流二极管（c）优缺点：①控制线路简单，成本较低；②承受整流过的脉动电压，不承受反向电压；③整流元件较多，体积较大；④压降、损耗较大；⑤选用维持电流较大的晶闸管，以免失控。电路仿真

4)

反电势负载电路仿真分析：（a）导通条件：

l

电源电压大于反电势；

l

有触发脉冲。（b）比电阻性负载大，。（c）电流的幅值与平均值之比相当大，必须降低电流定额使用。（d）对大容量电动机或蓄电池负载，常串联电抗器L（用以平滑电流的脉动）。

2.

单相全控桥式整流电路1)

它与半控桥的区别：

l

四只全是晶闸管。

l

每半周期要求触发两只晶闸管。

l

电感性负载（无续流二极管）时，输出电压的瞬时值出现负值。

l

电阻性负载时，不比半控桥整流优越，一般采用半控桥线路。

l

主要用于正反向逆变电路中。注意：在全控桥中元件承受的最大正、反向电压仍是。2)

电感性负载时工作状况：

l

为正，瞬时，VS1、VS2导通。当＝0时，L上反电势作用，VS1、VS2继续导通，直至为负。

l

为负，即为正，对应瞬时，VS3、VS4导通，VS1、VS2关断。当＝0时，VS3、VS4继续导通到触发VS1、VS2时关断。注意：为了提高整流电压，可在负载两端并接续流二极管。解设则交流电压有效值考虑到达不到180º，200V应加大10%到220V。因此，可不用整流变压器，直接接到220V的交流电上。而交流电流有效值

例10.1一直流电源的调节范围：采用单相半控桥整流电路，试求最大交流电压和电流的有效值，并选择整流元件。

为保证晶闸管瞬时过电压时不损坏，则

故选用晶闸管3CT10/600和二极管2CZ10/300(考虑留有余量，采用10A定额)。SCR承受的电压和电流：10.3.1三相半波可控整流电路电阻性负载触发角导通角负载电压计算式：同二极管触发角——从自然换相点算起（图中1、2、3点）电路仿真Simulink仿真触发角导通角负载电压计算式：0～30°触发角导通角负载电压计算式：30～150°

电感性负载负载电压计算式：触发角导通角无续流二极管时：Simulink仿真→正负电压相等，Ud=0电感性负载

与电阻性负载计算方法相同。有续流二极管时：Simulink仿真10.3.2三相桥式全控整流电路负载电压计算式：10.4逆变器整流器：交流→直流逆变器：直流→交流变流器：直流←→交流有源逆变：直流电变换成电网电。 用途：直流电机可逆调速、异步电机串级调速。无源逆变：直流电变换成固定/可变频率交流电供给电机。 用途：交流电机的变频调速。有源逆变整流电路仿真有源逆变无源逆变，电压型无源逆变，电压型无源逆变，电流型UPS原理10.5

晶闸管的触发电路触发电路：向晶闸管供给触发脉冲的电路。(1)单结晶体管触发电路:电路简单、可靠性高，适用于中小容量的晶闸管电路；缺点是输出脉冲不够宽。(2)小容量晶闸管触发电路：主要用于触发大功率晶闸管，简单、可靠，触发功率大，可得到宽脉冲；缺点是需要单结晶体管触发小容量晶闸管，用的元件比较多。(3)晶体管触发电路：容易实现，输出功率比较大，应用很广，常用的有正弦波移相和锯齿波移相两种，已生产出单片集成晶闸管触发电路。电路仿真10.5

晶闸管的触发电路一、晶闸管对触发电路的要求(1)触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下；(2)触发脉冲的宽度必须在10μs以上，才能保证晶闸管可靠触发，如果负载是大电感，触发脉冲的宽度还应该增大；(3)不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V~0.20V，必要时可在控制极上加上一个1V~2V的负偏压（就是在控制极上加一个对阴极为负的电压）；10.5

晶闸管的触发电路一、晶闸管对触发电路的要求(4)触发脉冲的前沿要陡，否则将会因温度、电压等因素的变化而造成晶闸管的触发时间前后不一致。右图由于环境温度的改变，使得晶闸管所要求的触发电压从ug1提高到ug2，晶闸管的触发的时间从t1变成t2，触发时间延迟；(5)在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动(移相)，移相的范围要足够宽。上述五点的实质是要保证晶闸管的可靠触发！10.5

晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路—结构和特性单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，其中一个发射极和两个基极。其外形与普通三相管相似，但特性与晶体三极管不同。两个基极间加入一定电压Ubb，A点电压：10.5

晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路Ue<UA，rb1大阻值→截止，截止区。e=Up，导通开始，rb1↓↓→UA↓→Ie↑→rb1↓→UA↓↓负阻特性开始出现负阻特性的点P称为峰点，该点的电压和电流称为峰点电压和峰点电流。随着Ie的不断增加，当UA下降到某一点V时，rb1便不再有显著变化，UE也不再继续下降，而是随着Ie按线性关系增加.点V称为谷点，该点的电压和电流称为谷点电压和谷点电流，对应于由峰点P至谷点V时的负阻特性段称为负阻区，谷点以后的线段称为饱和区。原理比喻10.5

晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路—自振荡电路利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路。(1)合上开关S，通过电阻R向电容C充电，Ue逐渐升高。Ue较小时，发射极电流极小，e和b1处于截止状态；(2)当电容两端的电压Uc充电到单结晶体管的Up时，e和b1处于导通状态，电容C向R1迅速放电，形成一个尖峰脉冲u0；(3)当电容C的电压降到谷点电压时，经R供给的电流小于谷点电流，不能满足导通要求，e和b1间电阻迅速增大，晶体管恢复截止；(4)E又对电容C充电，重复上述动作，电容C上形成锯齿波电压，在R1上形成脉冲电压。R1电路仿真1电路仿真210.5

晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路—自振荡电路充电电阻R要满足的条件：(1)当发射极电压uc等于峰点电压Up时，为确保单结晶体管由截止转为导通，实际流过充电电阻R流入单结晶体管的电流I’P必须大于峰点电流IP:(2)当发射极电压uc等于谷点电压Uv时，为确保单结晶体管导通后能恢复截止，实际流过充电电阻R流入单结晶体管的电流I’v必须小于谷点电流Iv:充电电阻R的取值范围：10.5

晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路—触发电路晶闸管触发电路，必须使触发脉冲与主电路电压同步，要求在晶闸管承受正向电压的半周内，控制极获得第一个正向触发脉冲的时刻都相同，否则，由于每个正半周的控制角不同，输出电压就会忽大忽小的波动。电路仿真移相触发SCR控制专用集成电路过零触发SCR控制专用集成电路10.6

晶闸管的串并联和保护一、串并联应用

不是简单的串并联。需要均流、均压。二、过电流保护设置快速熔断器、装设过流继电器及快速开关、整流触发脉冲移项保护。二、过电压保护阻容保护装置、硒堆和压敏电阻等。醒竹11.1机电传动控制系统的组成和分类

直流传动控制系统最简单——继电器-接触器控制系统（断续控制系统）本章——自动调速系统（连续控制系统）11.1.1机电传动控制系统的组成

组成：由电机、电器、电子部件组合而成。注：输入量—控制量，输出量—被控制量。l

开环控制系统（单向控制）如图11.1所示的G-M系统。开环控制系统往往不能满足高要求的生产机械的需要。

1.

主要参数

1)

转速降(与无关)2)

调速范围（前提：生产机械对转速变化率的要求）

3)

静差度（或稳定度、转速变化率）n0-空载转速；nN-额定转速Rfa-励磁回路电阻Rda-电枢回路电阻K-机械相关常数TN-电磁转矩4)

关系：（）

①由电机铭牌而定，，D由生产机械要求而定。②一定，不同的静差度S就有不同的调速范围D，故在说明系统达到D时，同时说明所允许的最小静差度S。③一定，，机械特性硬度。(改变电枢电压调速)高速低速（S2-低速时静差度）2.提高机械特性硬度的方法——使电动机转速不变。

（负载↑，n↓）发电机电动机测速发电机电位器Simulink仿真

1)

在电动机轴上安装一台测速发电机BR，输出电势。

2)

偏差电压（给定电压）

负反馈控制

3)放大器作用:△U小变化→Ug大变化→维持n不变。l

闭环控制系统（正向控制和反向反馈控制）如上述自动调速系统。

1.方框图：2.常用系统：

电机放大器、磁放大器和晶闸管调速系统。Simulink仿真11.1.2自动控制系统的分类按反馈方式——转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈、电流正反馈控制系统；按复杂程度——单环、多环自动调节系统；按被调量与给定量的差别——有静差、无静差调节系统；按给定量变化规律——定值调节系统、程序控制系统、随动系统；按调节动作与时间的关系——断续、连续控制系统；按元件特性——线性、非线性控制系统。11.2调速方案的选择11.2.1机械与电气调速方法1.

电气调速的优缺点

1)

简化机械变速机构；

2)

提高传动效率，操作简单；

3)

无级调速；

4)

便于远距离控制和自动控制；

5)

应用广泛；

6)

电气系统复杂，投资大些。（缺点）2.

电气与机械配合调速

1)

电气方面——得到多种转速；

2)

机械方面——用机械变速机构的换挡进行变速。纯机械式纯电气式机械＋电气式11.2.2生产机械对自动调速系统技术指标的要求（调速方案的选择）

1.

静态技术指标

1)

静差度——生产机械运行时转速稳定的程度。

S

应小于一定数值。

l

机械特性越硬，，转速稳定性。

l

时，满足S

要求；其它转速时一定满足S

要求。

静差度调速范围调速的平滑性普通设备普通车床龙门刨床冷轧机热轧机造纸机S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%~0.5%S≤0.1%

2)

调速范围——生产机械所要求的转速调节的最大范围。

l

联合调速时，D（生产机械）＝De（电气）Dm（机械）。

3)

调速的平滑性——用两个相邻调速级的转速差来衡量。

l

D一定，稳定运行转速级数↑，调速的平滑性↑；级数→∞，称无级调速。

l

不同的生产机械，可采用有级或无级调速。车床龙门刨床钻床铣床轧钢机造纸机进给机械20～12020～402～1220～303～1510～205～30000

2.

动态技术指标由于电磁、机械惯性，调速过程经过一段过渡过程，即动态过程。

1)

最大超调量

l

一般为(10～35)%。

l

，不满足工艺要求；，过渡过程缓慢。超调量过渡时间★最大超调量★过渡时间★振荡次数SIMULINK仿真2)

过渡过程时间

T——从输入控制（或扰动）作用于系统开始到被调量进入稳定值区间时为止的一段时间。超调量过渡时间3)

振荡次数——在过渡过程时间T内，在其稳定值上下摆动次数（图中所示为1次）。

l

系统1：T较大

l

系统2：振荡次数较多

l

系统3：较理想如：龙门刨床——允许一次振荡；造纸机——不允许有振荡的过渡过程。系统超调量过渡过程时间T振荡次数性能10长无不好2大长多不好3小短中好11.2.3根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式

l

在调速过程中，电动机负载能力（即输出）在不同下是不同的。

l

为保证在D

内电动机得到最充分利用，则选择调速方案时，必须使电动机的负载能力与生产机械的负载性质相匹配。1.

生产机械的负载特性

1)

恒转矩型——=常数，如：起重机、机床进给运动。

2)

恒功率型——=常数，如：车床主轴运动。注：粗加工精加工2.

电动机的负载能力（调速时）

1)

直流电机

——调压调速（恒T型）、调磁调速（恒P型）

2)

交流电机

——变极调速、变频调速

l

变极（p）调速——双速异步电动机，定子绕组

Y改成YY（恒T型），改成YY（恒P

型）。

l

变频（f）调速——固有特性以上（恒P型，很少），以下（恒T型，常用）。直流电机调速变极调速变频调速西门子ATV38系列节能型变频调速器参数3.

配合性质电动机在调速过程中，输出的T

和P

能否达到最大，取决于生产机械和的大小及其变化规律。1)

生产机械＝常数，调速方式选用恒T

型，且电动机。2)

生产机械＝常数，调速方式选用恒P型，且电动机。

故电动机在D

内任何下运行，均保持，使电动机得到最充分利用。11.3

几种常见的直流传动控制系统（简介）晶闸管-电动机直流传动控制系统晶体管-电动机直流脉宽调速系统微型计算机控制的直流传动系统11.3.1晶闸管-电动机直流传动控制系统单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统三闭环直流调速系统可逆直流调速系统

1.

单闭环直流调速系统（n

单闭环调速系统——速度调节器ASR

）L+--+ugUf△UUkαKPIaUdM+--++-TGUTGKs放大器触发器晶闸管直流调速系统原理图电路仿真速度设定电位器测速发电机电动机晶闸管3.静特性分析

(1)各环节输入输出的关系

电动机电路

式中:

电枢回路的总电阻；

可控整流电源的等效内阻；

电动机的电枢电阻。

可控整流器

设可控整流器的放大倍数为Ks，则：放大器电路

设放大器的放大倍数为KP，则：

反馈电路

速度反馈信号电压与转速n成正比，设放大系数为

，则：Ke－电机结构常数；Φ－磁通；Ia－电枢电流；(2)静特性——从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；——闭环系统的放大倍数。如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时，则整流器的输出电压:

由此可得开环系统的机械特性方程:闭环系统的静特性开环系统的静特性(3)分析与结论

理想空载转速在给定电压一定时,

转速降

如果将系统闭环与开环的