电机传动控制

关于电机传动控制机电传动，又称电气传动、电力传动、电力拖动。机电传动控制：以电动机驱动的生产机械为研究对象，研究各类电动机及其控制方法。课程内容：拖动电机与控制电机接触器与开关式控制系统晶闸管与数字式控制系统

第1章概述第2页,共91页，2024年2月25日，星期天现代传动技术的三大形式：机械传动流体传动电气传动机械化——机械技术通过对原动力的传递与控制，获取所需的运动(位移、速度、加速度)和动力(力、力矩)，实现机械做功的技术。第3页,共91页，2024年2月25日，星期天机械传动的技术特征电能热能原动机机械能机械传动器调速与换向连锁与制动传递与变换机械能机械执行器齿轮齿条蜗轮涡杆丝杆螺母带轮链轮凸轮连杆支承导向电动机内燃机第4页,共91页，2024年2月25日，星期天液压传动的技术特征原动机机械能液压控制回路机械执行器控制阀门辅助元件液压泵电能热能液压能液压能机械能液压缸和马达调速与换向连锁与制动传递与变换电动机内燃机第5页,共91页，2024年2月25日，星期天电气传动的技术特征控制电机电子控制电路微型计算机单片机可编程序控制器接口模块电能算术与逻辑运算数模与模数转换控制信号电力驱动电路调速与换向连锁与制动机械执行器电能机械能继电器、接触器可控硅、晶闸管功放、变频模块步进电机变频电机直流伺服电机交流伺服电机第6页,共91页，2024年2月25日，星期天机电传动控制技术发展概况拖动方式：

成组拖动——单电机拖动——多电机拖动控制方式：

开关量——模拟量——数字量元件：接触器——电机放大机——晶闸管、功率率晶体管在机电一体化系统中的应用：

CNC、MC、ROBOT、FMS、CAD/CAM、CIMS第7页,共91页，2024年2月25日，星期天课程结构一、机电传动系统的动力学基础二、常用电机的工作原理及其特性：

1、拖动电机（直流电机、交流电机）

2、控制电机（控制信号的传递与转换）三、开关量（接触器）控制系统

1、继电器

2、可编程序控制器四、模拟量控制系统五、数字量（晶闸管）控制系统

1、电子电力技术与晶闸管电路

2、直流传动控制系统

3、交流传动控制系统

4、步进电机传动控制系统第8页,共91页，2024年2月25日，星期天第2章电机传动系统的动力学基础机电传动系统的运动方程TL为负载折算到电机输出轴上的负载转矩；TM为电机的输出转矩；J为整个传动装置折算到电机输出轴上的转动惯量；ω为电机的输出转速。TM使转速增加为正，称拖动转矩；使转速下降为负，称制动转矩；TL使转速增加为负，称拖动转矩；使转速下降为正，称制动转矩；第9页,共91页，2024年2月25日，星期天第10页,共91页，2024年2月25日，星期天旋转运动：转动惯量与飞轮第11页,共91页，2024年2月25日，星期天TM与转向相同为正；TL与转向相反为正。第12页,共91页，2024年2月25日，星期天飞轮转矩第13页,共91页，2024年2月25日，星期天多轴传动简化为单轴传动模型将驱动力、动态惯性力、负载折算到一根轴上驱动力矩、负载力矩的折算可按杠杆原理、虚位移原理、静态下的能量守恒原理等方法折算。动态惯性力的折算可按动能守恒原则折算。第14页,共91页，2024年2月25日，星期天负载转矩TL的折算在静态下；按功率守恒。考虑传动效率ηj为传动比第15页,共91页，2024年2月25日，星期天转动惯量Ｊ的折算按动能守恒折算Ji为传动装置中的各个旋转零件的转动惯量Mi为传动装置中的各个直线运动零件的质量可以折算到任意一个传动环节第16页,共91页，2024年2月25日，星期天机电传动系统的运动方程第17页,共91页，2024年2月25日，星期天传动比与执行机构的加速度第18页,共91页，2024年2月25日，星期天生产机械的机械特性负载转矩与转速之间的函数关系

1、恒转矩机械特性：负载转矩恒定。

反抗转矩（摩擦转矩）：由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸、扭转等产生，例如切削力，其方向与运动方向n相反；

位能转矩：由物体的重力、弹性体的压缩、拉伸、扭转等产生，例如吊重物，其方向与运动方向n无关。第19页,共91页，2024年2月25日，星期天生产机械的机械特性2、离心式通风机型机械特性：负载转矩与转速的平方成正比。3、直线型机械特性：负载转矩与转速成正比。4、恒功率机械特性：负载转矩与转速成反比。第20页,共91页，2024年2月25日，星期天机电传动系统稳定运行的条件1、电动机和生产机械特性曲线有交点（平衡点）；2、干扰负载的出现，必然造成平衡点的改变，但在干扰负载消失后，要求运行状态要返回原平衡点。第21页,共91页，2024年2月25日，星期天机电传动系统稳定运行判断干扰使转速上升，应有TM<TL；干扰使转速下降，应有TM>TL。平衡点画水平线第22页,共91页，2024年2月25日，星期天作业2.7、2.8、2.11第23页,共91页，2024年2月25日，星期天电机及拖动基础知识范畴第3章直流电动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

机电传动系统的过渡过程

第5章控制电机

交直流伺服控制电动机、力矩电动机微型同步电动机、测速发电机/自整角机步进电机、直线电动机

机电传动控制系统中电动机的选择第24页,共91页，2024年2月25日，星期天

直流电机既可用作电动机，也可用作发电机。直流电机的构造较复杂，价格也比交流电动机昂贵，维护维修也较困难。近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，交流电动机正逐步取代直流电动机。尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需灵活控制起动、制动的生产机械。直流发电机主要用于直流电源，随着晶闸管等整流设备的广泛应用，直流发电机已逐渐被取代，但从电源的质量与可靠性来看，直流发电机仍有其优点。第3章直流电机的工作原理及特性第25页,共91页，2024年2月25日，星期天直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本工作原理是建立在电磁感应和电磁力的基础上的。见直流电机的基本构成图。它主要定子上的主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等，以及转子上的电枢（电枢铁心+电枢绕组）、电刷及换向器(又称整流子或转换器)、风扇等构成。

主磁极用于产个主磁场。在永磁式直流电机中(一般为小功率的直流电机)，磁极采用永磁材料制成。充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流电机中，磁极由冲压的硅钢片迭加而成，外绕励磁线圈，由外加励磁电流才能产生磁场。电枢绕组是产生感应电势和电磁转矩的关键部件。电枢绕组在换向器的配合下获得或输出极性不变的直流电源。第26页,共91页，2024年2月25日，星期天直流电动机的基本构成第27页,共91页，2024年2月25日，星期天直流电动机的截面图1-主极；2-励磁绕组；3-附加极；4附加极绕组；5-极掌；6-极心；7-电枢；8-通份槽；

9-电枢绕组；10-空气隙；11-轭第28页,共91页，2024年2月25日，星期天电磁感应与电磁转矩电磁感应：导体在磁场中运动时，导体两端将会产生感应电势E。（方向由右手定则确定）电磁转矩：通以电流的导体在磁场中将会受到电磁力T的驱动。（方向由左手定则确定）第29页,共91页，2024年2月25日，星期天直流发电机直流发电机按励磁方式分为：他励、自励发电机，自励发电机分为并励、串励、复励发电机。他励发电机：改变励磁电流可获得所需电压。：空载特性磁化特性：外特性：励磁电流与转速不变，I与U的关系。：第30页,共91页，2024年2月25日，星期天并励发电机：1、磁极有剩磁；2、励磁方向与剩磁方向一致；3、磁化曲线与感应电势的电路特性有交点。电压的建立：外特性：励磁电流与转速不变，I与U的关系。：第31页,共91页，2024年2月25日，星期天复励发电机：并励发电机中，端电压随着负载电流的增加而下降。复励发电机中，串励绕组能自动增加磁通，一补偿电压的下降。所以，复励发电机在其正常的运行范围内，其端电压变化小。第32页,共91页，2024年2月25日，星期天直流电动机的机械特性他励电动机的机械特性他励电动机原理电路图：第33页,共91页，2024年2月25日，星期天由于U与Uf同属一个电源，且不考虑电源的内阻时，并励电动机与他励电动机的励磁电流（或磁通）与电枢电流无关，所以他们的机械特性是一样的。他励/并励电动机的机械特性：并励电动机原理电路图：第34页,共91页，2024年2月25日，星期天机械特性硬度β无穷大：绝对硬度，如交流同步电动机的机械特性：β>10：硬特性，如直流他励、交流异步电动机的机械特性：β<10：软特性，如直流串励、直流积复励电动机的机械特性：第35页,共91页，2024年2月25日，星期天电动机的固有机械特性已知：PN、UN、IN、Nn，即可求得他励电动机的机械特性。该特性为一条直线，过（0,no)和（TN，nN）两点。铜耗为总损耗的50%~75%第36页,共91页，2024年2月25日，星期天电动机的人为机械特性人为机械特性：供电电枢电压或磁通不是额定值、电枢电路内接外加电阻时的机械特性。电枢电路内接外加电阻外加电阻越大，特性越软。第37页,共91页，2024年2月25日，星期天电动机的人为机械特性改变电枢电压的人为机械特性电压降低，空载转速下降，转速差不变。第38页,共91页，2024年2月25日，星期天电动机的人为机械特性改变磁通的人为机械特性磁通降低，空载转速与转速差均增大，电磁转矩下降。第39页,共91页，2024年2月25日，星期天串励电动机的机械特性轻载时，磁通与电枢电压成正比。重载时，磁路饱和、磁为常数，转速随负载增加直线下降。软特性，启动转矩大，不容许空载。改变电源极性不能换向。换向需改变电枢或绕组接线极性。第40页,共91页，2024年2月25日，星期天复励电动机的机械特性他励绕组与串励绕组（约30%）极性一致，同时具有他励与串励电动机的性质，有确定的空载转速。第41页,共91页，2024年2月25日，星期天直流他励电动机的启动特性启动时，转速为0，反电动势E=0，电机上电瞬间，启动电流电流大：Ist=UN/Ra，启动动态转矩大，所以直流电机不允许直接启动，应采取措施限制启动电流，使其为额定电流的1.5~2倍。措施：1、降压启动；2、在电枢回路串接外加电阻启动。T1=(1.6~2)TNT2=(1.1~1.2)TN第42页,共91页，2024年2月25日，星期天直流他励电动机的调速特性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。措施：1、改变电枢回路外串电阻；2、改变电枢电压；3、改变主磁通。改变电枢回路外串电阻调速特性机械特性软，轻载荷下调速范围小。调速电阻损耗大。启动电阻不能当作调速电阻。第43页,共91页，2024年2月25日，星期天第44页,共91页，2024年2月25日，星期天直流他励电动机的调速特性改变电枢供电电压的调速特性改变主磁通的调速特性在额定转速以下平滑调节；机械特性硬度不变，调速稳定；调速过程中电动机输出转矩不变，适合恒转矩调速；调压过程可用于启动电机。在额定转速以上调节；机械特性较软，调速稳定；调速过程中电枢电压与电枢电流不变，适合恒功率调速；输出转矩随主磁通减少而下降。第45页,共91页，2024年2月25日，星期天直流他励电动机的制动特性电动机输出制动转矩（与旋转方向相反），使生产机械快速停车。三种制动方法：1、反馈制动：将机械能转化为电能发电:n>n02、反接制动：1）电源反接制动：改变电枢电压极性；

2）倒拉反接制动：改变感应电势的极性；3、能耗制动：将电枢电压突然降为0，并将电枢通过一附加电阻短接，以消耗机械能转换来的电能。两种形式：1、消耗位能，保持重物匀速运行；2、消耗动能，使生产机械停车。第46页,共91页，2024年2月25日，星期天电枢电压突降时的反馈制动转速大于空载转速时发电电枢电压极性突然反接须串接电阻限流输出转矩反向反接制动第47页,共91页，2024年2月25日，星期天串接附加电阻时的倒拉制动可调速，机械特性硬度小倒拉制动能耗制动反抗转矩位能转矩不反向匀速下降第48页,共91页，2024年2月25日，星期天小结2、直流发电机的工作原理与外特性1、电磁感应与电磁转矩3、直流电动机的工作原理与机械特性4、直流电动机的启动特性5、直流电动机的调速特性6、直流电动机的制动特性

习题：3.3、

3.4、3.9、3.10、3.13、3.15、3.18第49页,共91页，2024年2月25日，星期天第4章交流电动机的工作原理及特性交流电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、转子惯量小、运行可靠等优点。交流电动机有三相异步电机（感应电动机）和同步电机。三相异步电机按照转子的结构型式分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型异步电动机在工农业生产中得到了极其广泛的应用。绕线式异步电动机因其转子采用绕线方式，具有调速简单的优点，在吊车、卷扬机等中小设备中得到了广泛的应用。第50页,共91页，2024年2月25日，星期天异步电动机的结构及分类

三相异步电动机主要由定子、转子两大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙。定子是静止不动的部分，由定子铁心、定子绕组和机座组成。转子是旋转部分，由转子铁心、转子绕组和转轴组成。三相异步电动机的结构图1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-散热筋；

5-定子铁心；6-定子绕组；7-转轴；

8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座第51页,共91页，2024年2月25日，星期天笼型异步电动机的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁心槽里插入铜条。再将全部铜条焊接在两个端铜环上，如果将转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状象个笼子，如图所示，因此叫笼型转子。对于中小功率，多采用铝离心浇铸而成。绕线式异步电动机的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里，转子可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速，如图所示。

第52页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的结构图a）笼型绕组；b）转子外形第53页,共91页，2024年2月25日，星期天绕线式异步电动机定转子绕组及外加电阻的接线方式第54页,共91页，2024年2月25日，星期天异步电动机的工作原理

如图所示。当定子接三相电源后，电动机内便形成圆形旋转磁场。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁场有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时。电流方向同电动势方向。转子受力，产生转矩T，即为电磁转矩，方向与旋转磁场同方向，转子便在该方向上旋转起来。第55页,共91页，2024年2月25日，星期天旋转磁场的形成对调任意两根电源导线，磁场的旋转方向将改变。磁场旋转速度n=60f/p（p为磁极对数）：一对磁极：n=60f；两对磁极：n=30f；第56页,共91页，2024年2月25日，星期天异步电动机的铭牌数据

铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，可以帮助我们正确地选择、使用和维护它。图示是我国使用最多的Y系列三相感应电动机铭牌的—个实例。Y系列三相感应电动机铭牌

第57页,共91页，2024年2月25日，星期天异步电动机型号第58页,共91页，2024年2月25日，星期天额定功率PN

指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位为kW；额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压．单位为V；额定电流IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时的线电流，单位为A；额定频率fN我国规定工业用电的频率是50Hz，国外有些国家采用60Hz。额定转速nN指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电动机的转速，单位为r／min。可以根据额定转速与额定频率计算出电动机的极数P和额定转差率SN。

第59页,共91页，2024年2月25日，星期天噪声值(LW)指电动机在运行时的最大噪声。一般电动机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。工作制式指电动机允许工作的方式，共有S1～S10十种工作制。绝缘等级绝缘等级与电动机内部的绝缘材料有关。它与电动机允许工作的最高温度有关，共分A、E、D、F、H五种等级。连接方法有如图所示的Y/△两种方式。请注意有些电动机只能固定一种接法，有些电动机可以两种切换工作。但是要注意工作电压，防止错误接线烧坏电动机。高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用丫接线，只合三根引出线。对中、小容量低压异步电动机。第60页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的引出线

a)出线端的排列b)丫连接c)△连接第61页,共91页，2024年2月25日，星期天通常把定于三相绕组的六根出线头都引出来。根据需要可接成Y型或△型，如图所示Y/△降压起动、起动过程用丫连接(KM1闭合，KM2断开)，起动过程结束后切换为△连接(KM2闭合，KM1断开)。防护等级IP为防护代号，第一位数字(0～6)规定了电动机防护体的等级标准。第二位数字(0～8)规定了电动机防水的等级标淮。如IP00为无防护，数字越大，防护等级越高。其他对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、转子额定电动势及转子额定电流．有些还标明了电动机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。第62页,共91页，2024年2月25日，星期天Y/△降压起动的接线图

第63页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的定子电路分析电阻压降与漏磁阻抗较小，定子的反电势约等于供电电压R1、X1较小第64页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的转子电路分析速差越大，转子切割磁力线越快，转子感应电势越大，电流也越大。第65页,共91页，2024年2月25日，星期天转子电路的功率因数速差越大，转子切割磁力线越快，转子感应电势越大，电流也越大。速差很小时：速差很大时：为常数感抗的存在使电流滞后电压一个相位该相位的余弦值称为功率因数：速差很小时：速差很大时：第66页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的机械特性

在异步电动机中，电动机电磁转矩T与转差s的关系T＝f(s)通常叫做T-s曲线。为了符合习惯画法。可将T-s曲线转换成转速n与转矩T之间的关系曲线n＝f(T)，称为异步电动机的机械特性。分为固有机械特性和人为机械特性。第67页,共91页，2024年2月25日，星期天固有机械特性

异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有(自然)机械特性，如图所示。曲线1为电源正相序时的固有机械特性；曲线2为负相序时的曲线。电动机的固有机械特性第68页,共91页，2024年2月25日，星期天人为机械持性

异步电动机的机械特性除与电动机的参数有关外，还与外加定子电压Ul、定子电源频率f1、定子或者转子电路中串入的电阻或电抗等有关，将这些参数人为地加以改变而获得的机械特性称为异步电动机的人为机械特性。改变定子电源电压时的人为机械特性定子电路串电阻的人为机械特性最大转矩较降压大些转速升高，电阻压降下降第69页,共91页，2024年2月25日，星期天改变电源频率时人为机械特性转子电路外接电阻或电抗时的人为机械特性恒转矩调频调速第70页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的启动特性要求：小的启动电流和大的启动转矩平滑、安全、功耗小。方法：直接启动降压启动：串电阻/星三角/自耦变压器（绕线式：启动电阻/频敏电阻）第71页,共91页，2024年2月25日，星期天直接启动第72页,共91页，2024年2月25日，星期天电阻或电抗器降压启动定子串电阻：启动转矩小、能耗大Y-Δ降压启动Y接线下的启动电流和启动转矩是Δ接线下的1/3。4KW以上，380V额定电压，Δ接线的电动机在电源电压为380V时，采用Y-Δ降压启动第73页,共91页，2024年2月25日，星期天自耦变压器降压启动变压启动：电机Δ接线不变供电电压由变压器副边输出变压器的变压比可调80%、65%、50%第74页,共91页，2024年2月25日，星期天绕线式异步电动机的启动串启动电阻：电阻逐步减小、限流启动频敏电阻：三相电抗器转子电流频率越大、阻抗越大，电流越小。启动电流平滑调节，功率因数小，用于启动转矩不大的场合。第75页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的调速特性1、调压调速（定子串电阻、晶体管调压）调速范围不大。恒转矩负载下，调速范围不大离心机型负载下，调速范围稍大2、转子串电阻有级调速、特性软、低速下能耗大。3、改变极对数调速：多速电机4、变频调速第76页,共91页，2024年2月25日，星期天三相异步电动机的制动特性反馈制动

使电动机的转速大于同步转速，电动机处于发电状态，输出转矩为负。

1、位能转矩下，附加电阻越大，稳定转速越高

2、突然降低同步转速反接制动

1、电源反接+定子串接电阻限流

2、倒拉制动：转子串入电阻，使转矩小于负载能耗制动断开三相交流电源，改接直流电源（固定磁场），此时转子发电，并消耗在转子电路中。第77页,共91页，2024年2月25日，星期天单向异步电动机

单相异步电动机就是指用单相交流电源的异步电动机。单相异步电机的运行原理和三相异步电机基本相同，但有其自身的特点。单相异步电动机通常在定子上有两相绕组，转子是普通笼型的。根据定子两个绕组在定子上的分布以及供电情况的不同，可以产生不同的起动待性和运行待性。第78页,共91页，2024年2月25日，星期天相定子绕组通电时的机械特性

：

单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m及副绕组a，它们一般是在空间上相差90°电角度的两个分布绕组，通电时产生空间正弦分布的空间磁通势。首先分析只有一相绕组通电时的机械特性. 单相异步电机中，笼型转子在正转磁通势或反转磁通势分别作用下受的电磁转矩T+或T-，与笼型转子在三相异步电动机正向旋转磁通势(电源相序为正)或反向旋转磁通势(电源相序为负)分别作用下受的电磁转矩是完全一样的，T+＝f(s)与T-＝f(s)两条转矩特性如下图所示。第79页,共91页，2024年2月25日，星期天主绕组通电时的机械特性曲线

一相绕组产生交变脉动磁场：可分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁场A、B。转子启动后，如旋转方向与A相同、与B相反，即：与A的速差小于1，与B的速差大于1，也就是：A磁场使转子产生正的与转向相同的转矩，B磁场使转子产生负的与转向相反的转矩，转子于是加速旋转起来。启动转矩为零！第80页,共91页，2024