机电传动控制课件-第1章

桂电信科院郭振军

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机电传动控制课程电类课程体系电路与磁路模拟电子技术数字电子技术微机原理计算机控制技术控制理论电力拖动继电器-接触器控制PLC可编程控制电力电子技术伺服系统步进电机控制数控技术晶闸管整流、逆变直流伺服、交流伺服弱电强电直流电机、交流电机拖动机电传动控制经典/现代控制理论教学内容教学内容第1章绪论第2章机电传动系统的静态与动态特性第3章直流电机的工作原理及特性第4章交流电动机的工作原理及特性第5章控制电机与特种电机第6章机电传动控制系统中电动机的选择第7章继电器-接触器控制系统第8章电动机的计算机控制技术（不讲）第9章电力电子技术（不讲）第10章直流调速控制系统第11章交流调速系统本课程集成了原来的电子学、电工学课程里的强电内容机电传动的定义是什么？机电传动的作用是什么？机电传动的发展过程及趋势是什么？什么是成组拖动、单电机拖动、多电机拖动？优缺点是什么？机电传动控制系统的发展过程与趋势是什么？第一章概述广义任务：使机械设备、生产线、车间、整个工厂实现自动化；狭义任务：电动机驱动生产机械，实现产品数量的增加、质量的提高、成本的降低、劳动条件的改善及能量的合理利用。机电传动定义和目的※定义：以电动机为原动机（动力源）驱动生产机械的系统的总称。※目的：将电能转换为机械能，实现生产机械的启动、停止及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。※机电传动控制技术涉及到社会生活的各个方面(工业、交通、信息、日常生活、军事等）；※机电传动控制技术是现代制造业的基础（各种制造装备都是以机电传动控制为基础）；※机电传动与控制技术的发展有力地推动社会的进步（提高产品质量、制造能力）；※信息社会更离不开机电传动与控制技术（信息设备产品、信息的应用等）。机电传动与控制的重要性机电传动与控制技术的发展※传动技术的发展（简化机械结构、直接驱动）※电动机的发展（交流、直线、高性能、大、小等）※调速技术的发展（交流、大范围、高精度）※控制理论与技术的发展（现代控制理论、非线性控制、模糊智能控制、神经网络）※制造自动化技术的发展（分布式控制、现场总线、FMS/CIMS）传动技术的发展※动力源：蒸汽机，内燃机，电动机※机电传动方式：√成组拖动：一台电机拖动多台设备，方式老，传动机构复杂，效率低。√单电机拖动：一台电机拖动一台设备，比成组方式进步。√多电机拖动：多台电机拖动一台设备，现代的传动方法。(二维、三维加工等)直流电机：采用直流电源，调速特性好，但换相电刷影响其容量、使用范围和寿命。交流电机：采用交流电源，克服了直流电机的缺点，现代交流调速技术的发展使其成为主流。步进电机：运动距离和输入脉冲成正比，控制方便，但功率和精度较差。问题：在矿井下施工，宜采用何种电动机？电动机的分类直流、交流电机比较※旋转电机：实现直线运动需要专门的机械传动装置，在高速、高精度应用中有一定缺陷（高速高精度、直接驱动）。※直线电机：电机的重要发展方向，可以实现高速、高精度加工，机械传动机构简单。（两个发展方向：一种是大推力，另外是高响应。）电动机的分类调速技术的发展※直流调速：有级调速（串电阻，继电器、接触器控制），无级调速（调压调速、调磁调速，发电机-电动机方式，晶闸管方式，PWM方式）※交流调速：有级调速（调压，变极），

无级调速（变频调速）继电器—接触器控制：20世纪初，借助于简单的接触器与继电器实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制。控制速度慢，控制精度差。电机放大机控制(电动机－－发电机)：30年代，控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出量与给定量的偏差对控制对象进行自动调整。快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，也提高生产效率；控制系统的发展及比较控制系统的发展及比较※晶闸管、晶体管控制：40年代~50年代，

晶闸管控制就取代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制。由于晶体管、晶闸管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点，它的出现为机电传动自动控制系统开辟了新纪元。※计算机数字控制（digitalcontrol）：70年代初，随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段——采样控制。※

CNC（ComputerNumericalControl）/FMS/CIMS：现代控制控制理论与技术的发展开环控制（步进电机、变频调速等）闭环控制：经典控制理论、现代控制理论、自适应控制、模糊控制、智能控制计算机控制技术和现场总线技术机电传动控制技术的发展

断续控制：（接触器—继电器控制）连续控制：（1）直流发电机-直流电动机调速控制；（2）交流电机调速控制。计算机控制：数字伺服控制：机电传动控制的学习方法学习方法1

首先，学习中应注意，在实际运行着的电机中，电、磁、力、热等物理定律同时起作用，互相制约，分析解决这种复杂问题时，往往需要忽略一些次要矛盾，抓住主要矛盾加以解决，只要所得结果正确，引起的误差在允许的范围内，这在工程上是允许的，这与以前所学课程中解决问题理想化、单一化有很大区别，学习时需有足够的认识。学习方法2

最后应注意，理论联系实际，注重做好本课程开设的相关实验，立足于学会使用各类电机，在实验中学习解决实际问题的方法，注意培养解决工程实际问题的能力。①．右手定则的内容是：伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指指向感应电流的方向。

②．右手螺旋定则：是知道电流方向判断磁场方向或是知道磁场方向判断感应电流方向。直导体时:大拇指指向电流方向，右手四指弯曲方向就是磁场方向。线圈磁场：右手四指弯曲方向沿着电流方向。大拇指指向就是磁场方向。

1.3基本知识复习③．左手定则：左手平展，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在一个平面内。把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心（手心对准N极，手背对准S极)(做题小窍门，在做题的时候，一般横切面都是Ｘ或点，只要记住，有差的话，左手手背在下面：是点的话，手心在下面，之后，手指再对其电流方向，拇指就是受力方向了，

总之：左手定则说的是磁场对电流作用力，或者是磁场对运动电荷的作用力。在这种现象里面，你就应该用左手定则，这是关键。判断好了，该用左手定则，就按照左手定则说的三个方向的关系来进行判定，问题不会太大。右手定则所应用的现象，就是导线在磁场里面，切割磁感线运动的时候，产生的感应电流的运动方向，这种现象中用右手定则。磁场方向，切割磁感线运动，电动势电动方向，就是感应电流的方式。这种题就用右手定则

磁感应强度（磁通密度）B描述磁场的强弱、方向和分布情况的物理量是磁感应强度，它与产生它的电流之间的关系用毕奥-萨伐尔定律描述，即载流导体在磁场中所受到的力F，与导体中的电流I，导体长度L的乘积的比值，叫做磁感应强度，用B表示，即另一种定义磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，B的方向用右手螺旋定则确定。单位是特斯拉(T)。基本概念磁通量（磁通）Φ

穿过某一截面S的磁感应强度B的通量，即穿过截面S的磁力线根数称为磁通量，简称磁通，均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。在均匀磁场中，如果截面S与B垂直，则上式变为磁场强度H

磁场中某点的磁感应强度B与磁性材料的导磁率μ的比值，叫做该点的磁场强度，用H表示，即磁导率μ

磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。真空的磁导率

非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。

相对磁导率μr：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质μr近似为1，铁磁物质的μr远大于1。对于铁磁材料，磁导率μ除了比真空磁导率大很多外，还与磁场强度以及物质磁状态的历史有关，所以铁磁材料的μ不是一个常数。（1）磁化曲线(magnetizationcurve)铁磁材料具有如下特点：它的磁化曲线具有饱和性，磁导率μFe

不是常数，且随H变化而变化。电机中铁磁材料的特点（2）磁滞回线(thehysteresisloop)

不同的铁磁物质其磁滞回线宽窄是不同的，当铁磁材料的磁滞回线较窄时，可用它的平均磁化曲线，即基本磁化曲线进行计算（如图3曲线3所示）。

电机中铁磁材料的特点

根据磁滞回线形状的不同，铁磁材料可分为硬磁材料(hardmagneticmaterial)和软磁材料(softmagneticmaterial)。硬磁材料的磁滞回线胖宽，剩磁、矫顽力大，如钨钢、钴钢、镍铝钴合金、钕铁硼等。一般用来制造永久磁铁。

软磁材料的磁滞回线瘦窄，剩磁、矫顽力小，如硅钢片、铸钢等。由于电机铁心采用软磁材料制成，其磁滞回线瘦窄，在进行磁路计算时，为了简化计算，不考虑磁滞现象，而用基本磁化曲线来表示B与H之间的关系，故通常所讲的铁磁材料的磁化曲线是指基本磁化曲线。（3）交流磁路中的铁心损耗(coreloss)交流磁路中存在着铁心损耗，铁心损耗又分为磁滞损耗(hysteresisloss)和涡流损耗(eddy-currentloss)。①磁滞损耗铁磁材料在交变的磁场中反复磁化，磁畴(domains)间相互摩擦，产生损耗，这种损耗称为磁滞损耗。磁滞损耗与交变磁场的频率f、铁心的体积V、磁滞回线的面积成正比。

磁滞损耗功率可用下式表示：式中，kh——磁滞损耗系数，它的大小取决于材料性质；对一般电工钢片n=1.6～2.3；f——磁通交变频率；Bm——磁通密度的最大值。②涡流损耗铁心是有阻值的，当磁通交变时，铁心中就会感应交变的电动势，在导电的铁心中就会产生环流，这种电流在铁心构成的回路与磁通相环链，称涡流，涡流产生的损耗称为涡流损耗。涡流损耗功率可用下式表示：式中kw——与材料有关的比例系数。③铁心损耗铁心中的磁滞损耗和涡流损耗之和称为铁心损耗即有：

磁场中沿任一闭合回路的磁场强度H(themagneticfieldintensity)的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和，即有其中

为该磁路所包围的全电流，因此，该定律也叫做全