机电传动控制(第五版)课件及其复习.

第一章概述•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。总复习机电传动技术的发展•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，老方式，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。第二章机电传动系统的动力学基础snmNmNLmNMtdndGDTT}{}{375}{}{}{min/22☞D─单轴传动系统的惯性直径（m）;☞G─单轴传动系统的重力（Kg）。☞GD2─应视为一个整体物理量。☞运动方程式是研究机电传动系统最基本的方程式，由它可描述出系统运动的状态及特征。1机电传动系统的运动方程式2、传动系统的状态根据运动方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态：:)1LM时）稳态（TT0dddtJT即0ddtω，ω为常数，传动系统以恒速运动。TM=TL时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。时）：动态（LM)2TT时：LMTT0dddtJT即,0ddt传动系统加速运动。时：LMTT,0dddtJT即,0ddt传动系统减速运动。TMTL时传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为动态。dLMTTT☞处于动态时，系统中必然存在一个动态转矩：snmNmNdtdndGDT}{}{375}{}{min/22☞它使系统的运动状态发生变化。其转矩平衡方程为：TM=TL+Td上式表明，在任何情况下，电机所产生的转矩总是被轴上的负载转矩（静态转矩）与动态转矩之和所平衡。☞由于传动系统有多种运动状态，相应的运动方程式中的转速和转矩的方向就不同，因此需要约定方向的表达规则。3、TM、TL、n的参考方向因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以ω（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。☞当TM的实际作用方向与n的方向相同时（符号同），取与n相同的符号，TM为拖动转矩；1)TM的符号与性质☞当TM的实际作用方向与n的方向相反时，取与n相反的符号，TM为制动转矩。拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。☞当TL的实际作用方向与n的方向相同时（符号反），取与n相反的符号，TL为拖动转矩；2)TL的符号与性质☞当TL的实际作用方向与n的方向相反时，取与n相同的符号，TL为制动转矩。4机电传动系统的负载特性☞前面讨论的机电传动系统运动方程中，负载转矩TL可能是常数，也可能是转速的函数。☞我们把同一轴上负载转矩与转速之间的函数关系称为机电传动系统的负载特性。☞就是生产机械的负载特性，有时也称为生产机械的机械特性。——今后均指电机轴上的负载特性。☞不同类型的生产机械在运动中受阻的性质是不同的，其负载特性曲线的形状也有所不同，大致分为：☞恒转矩型负载特性、离心式通风机型负载特性、直线型负载特性、恒功率型负载特性。2.3.1恒转矩型负载特性☞这一类型负载特性的特点是：负载转矩为常数。如图所示。☞依据负载转矩与运动方向的关系，恒转矩型负载特性可分为反抗性转矩和位能性转矩两种。a．反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下：☞由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩。☞反抗性转矩的方向恒与运动方向相反，阻碍运动；☞反抗性转矩的大小恒常不变。☞根据转矩正方向的约定可知，反抗性转矩恒与转速n的方向相反时取正号，即：n为正方向时TL为正，特性在第一象限；n为负方向时TL为负，特性在第三象限。b．位能性转矩，其特点如下：☞位能性转矩的大小恒常不变；☞作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动。☞位能性转矩是由物体的重力或弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所引起的负载转矩；离心式通风机型负载特性☞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的大小与转速n的平方成正比，即：2LCnT其中：C为常数。特性曲线如图所示。直线型负载特性☞直线型负载的负载转矩TL的大小与转速n的大小成正比，即：CnTL其中：C为常数。特性曲线如图所示。恒功率型负载特性☞恒功率型负载的负载转矩TL的大小与转速n的大小成反比，即nCTL其中：C为常数。例如机床。☞实际应用中，负载可能是单一类型的，也可以是几种类型的复合。特性曲线如图所示。5机电传动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，为了使整个系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的负载特性尽量相匹配。☞特性配合好坏的基本要求是系统能稳定运行。1、机电系统稳定运行的含义包括：1)系统应能以一定速度匀速运行；2)系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩波动等）而使运行速度发生变化，应保证系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速度。2、机电系统稳定运行的条件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。☞从T—n坐标上看，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TMTL；当干扰使速度下降时，有TMTL。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。机电系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：①电动机的机械特性n=f（Tm）与负载特性n=f（TL）有交点；②dndTdndTLMa、b两点是否为稳定平衡点？a点：0LMTT当负载突然增加后0'LMTT0'L'MTT当负载波动消除后0L'MTT☞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b0LMTT分析举例☞若我们约定：Ia——电枢电流；Ra——电枢电阻；E——电枢电动势；U——电机端电压；Uf——励磁绕组端电压；Rf——励磁调节电阻；If——励磁绕组电流。☞由电磁学理论很容易推得：nnTKKRKUnteae02直流电机机械特性一般表达式第3章直流电机的工作原理及特性1、固有机械特性☞电机的机械特性有固有特性和人为特性之分。☞固有特性又称自然特性，是指在额定条件下的n=f(T)曲线。（1）估算电枢电阻Ra：NNNNNaIUIUPR)1)(75.050.0(～☞根据电机铭牌可以计算出关键点而绘出该电机在额定条件下的n=f(T)特性曲线。☞即根据电机铭牌计算出理想空载点和额定运行点的坐标，再据此近似地画出n=f(T)特性曲线。（2）求KeΦN：NaNNNenRIUK（3）求理想空载转速：NeNKUn0（4）求额定转矩：min/}{}{55.9}{rNWNNmNNnPPT重点☞根据（0,n0）和（Tn,nN）两点就可以作出他励电动机的机械特性曲线。☞正转时，在第一象限；反转时，在第三象限。☞人为机械特性是指公式中的供电电压U或磁通Φ不是额定值、电枢电路中接有外加电阻Rad时的机械特性。（三种）nnTKKRKUnteae022、人为机械特性（1）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性；（2）改变电枢电压U时的人为机械特性；（3）改变磁通Φ时的人为机械特性。3直流他励电动机的启动特性☞启动电动机就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的过程。☞对直流电动机而言，在未启动之前n=0、E=0，而Ra一般很小。☞所以，当电动机被直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：aNst/RUI☞这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（10～20）倍。☞过大的启动电流危害很大：（1）对电动机本身的影响：☞使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子（换向器）；☞过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏。（2）对机械系统的影响：☞启动转矩与启动电流成正比例；☞巨大的启动转矩在运动系统中产生很大的动态转矩；☞过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏。（3）对供电电网的影响：☞过大的启动电流可能会导致保护装置动作，导致切断电源，造成事故；☞或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。因此，直流电动机是不允许直接启动的若要启动，必须设法限制电枢电流！例如：普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.5～2倍。4直流他励电动机的调速特性☞调速（又称速度调节）与速度变化是两个完全不同的概念。☞电动机的调速是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。☞如图所示：人为地改变（或调节）电枢回路的电阻大小造成转速下降，故这种人为改变某些参数而造成速度的变化，称调速或速度调节。a改变电枢电路外串电阻Rad☞从特性方程可看出，在一定的负载转矩TL下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。☞在电阻分别为Ra、R1、R2、R3的情况下，可以分别得到稳定工作点A、C、D和E，对应的转速为nA、nB、nC、nD。（RaR1R2R3）☞电枢回路串接附加电阻人为机械特性方程为：nnTKKRRKUnNteaadNeN02Rad越大，电机特性越软。☞当U和Φ都是额定值时，二者的理想空载转速n0是相同的，而转速降Δn却变大了，即机械特性变软。nnTKKRRKUnNteaadNeN02☞Rad越大，机械特性越软。☞由不同的Rad可得一族由同一点(0,n0)发出的人为机械特性曲线。特点：b改变电机电枢供电电压U☞改变电枢供电电压U可得如图所示的一组人为机械特性曲线：☞从特性曲线可看出，在一定的负载转矩TL下，电枢外加不同电压可得到不同的转速。☞在电压分别为UN、U1、U2、U3的情况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和d，对应的转速为na、nb、nc、nd。（UNU1U2U3）☞当Φ=ΦN、Rad=0、改变电枢电压U时，理想空载转速n0将随电枢电压U的变化而变化，但转速降Δn却不变。☞所以，在不同的电枢电压U下，可得一组平行于固有机械特性曲线的人为机械特性曲线。☞由于电机绝缘材料耐压条件的限制，这种电压调速方法只能在额定电压值以下调节。☞是一种电机降速调速法。特点：nnTKKRRKUnNteaadNeN02例：将电机电枢供电电压由U1升到UN。☞电压为U1时，电机工作在U1特性的b点；此时，稳定转速为nb。☞当电压突然上升到UN时，由于机械系统的惯性作用，转速n不变，相应的反电动势也不变，仍分别为nb和Eb。☞但当不考虑电枢电路的电感时，电枢电流将由突然上升至；abNgREUIabLREUI1☞电机转矩也由突然升至；LtLIKTgtgIKT☞此时，电机的工作点虽然由b点过渡到g点，但由于有TgTL，所以，系统开始加速。☞反电动势E也会随着转速n的上升而增大，电枢电流则逐渐减少，电机转矩也相应地减少，电机的工作点沿UN由g点移动到a点，电机转矩又回到TL。改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：☞机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；☞在空载或轻载时，调速范围不大；☞实现无级调速困难；☞在调速电阻上消耗大量电能等。☞正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。☞当U=UN、Rad=0、而改变磁通Φ时，理想空载转速n0和转速降Δn都要随磁通Φ的变化而变化。☞由于磁通Φ只能在低于其额定值的范围内调节，而启动电流为常数，所以得到的人为机械特性曲线如右所示。是一种电机超速调速法。当磁通过分消弱后，如果负载转矩不变，电机电流将大大增加，从而产生过载现象。☞必须注意的是：当Φ=0时，电机转速将升到机械强度不允许的程度。因此，直流他励电机启动前必须先加励磁电流，且在运转中决不允许励磁电流为零。为此，直流他励电机在使用中，一般都设有“失磁”保护措施。c改变电机主磁通ΦnnTKKRRKUnNteaadNeN