机电传动控制教学课件

沈阳理工大学机械学院主讲：陈白宁机电传动控制1．1机电传动控制的目的与任务第一章概述一、机电系统的组成机电系统完成生产任务的基础驱动运动部件的原动机（这里指的是各种电动机）之总称控制电动机的系统驱动生产机械的电动机和控制电动机的一整套电气系统二、机电传动控制的任务将电能转换为机械能；实现生产机械的启动、停止以及速度的调节；完成各种生产工艺过程的要求；保证生产过程的正常进行。三、机电传动控制的目的从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂都实现自动化。从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加（效率）、质量的提高（精度）、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等。1.2机电传动控制的发展一、机电传动的发展成组拖动：一台电机拖动多台设备单电机拖动：一台电机拖动一台设备多电机拖动：多台电机拖动一台设备二．机电传动控制系统的发展1．继电器—接触器控制:开关量的逻辑控制2．电机放大机控制：模拟量的闭环连续控制3．大功率晶体管和晶闸管控制：特性好、反应快、高可靠、体积小、重量轻4．数字控制（NC）：晶闸管（电力电子技术）、微电子技术、计算机有机结合第二章机电传动系统的运动学基础单轴机电传动系统的运动方程式；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以及学会分析实际系统的稳定性。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电动机的驱动对象联轴器系统结构图转距方向二、运动方程式tJTTddL……运动方程式dLTTT……转矩平衡方程式srmNNmLNmtdndGDTTmin/23752三、传动系统的状态:.1L时）稳态（TT0dddtJT，ω为常数，传动系统以恒速运动。T=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（L.2TT时：LTT0dddtJT传动系统加速运动。时：LTT,0dddtJT传动系统减速运动。T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。四、T、TL、n的参考方向以ω（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。当T的方向与n同向时，符号与n相同；T为拖动转矩1.T的符号与性质当T的方向与n反向时，符号与n相反；T为制动转矩拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。2.TL的符号与性质当TL的方向与n同向时，符号与n相反；TL为拖动转矩当TL的方向与n反向时，符号与n相同；TL为制动转矩例：如图所示电动机拖动重物上升和下降。设重物上升时速度n的符号为正，下降时n的符号为负。2．2多轴拖动系统的简化一、多轴拖动系统的组成二、负载转矩的折算---按功率守恒的原则1.对旋转运动：jTTTc'LMcL'LL2．2多轴拖动系统的简化二、负载转矩的折算---按功率守恒的原则2.对直线运动（上升）：3.对直线运动（下降）：min/c/L55.9rsmNnvFTmin//L55.9rsmNcnvFT2．3生产机械的机械特性在同一轴上，负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。一、恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位能转矩两种。分别如图所示：1．反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下：恒与n反向。转矩大小恒定不变；2．位能转矩,其特点为：转矩大小恒定不变；方向不变二、离心式通风型机械特性2LCnT其中：C为常数。三、直线型机械特性CnTL其中：C为常数。恒功率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nCTL其中：C为常数四、恒功率型机械特性2.4机电系统稳定运行的条件一、机电系统稳定运行的含义1.系统应能以一定速度匀速运行；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n=f(T)和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TTL；当干扰使速度下降时，有TTL。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T和负载转矩TL大小相等，方向相反。分析举例1异步电动机的机械特性生产机械的机械特性交点a分析举例2，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。异步电动机的机械特性生产机械的机械特性TLTL’n2.3试列出以下几种情况下(见题图2.3)系统的运动方程式，并针对各系统说明：1）TM、TL的性质和符号并代入运动方程2）运动状态是加速、减速还是匀速？2.6如图2.3(a)所示，电动机轴上的转动惯量TM=2.5kg·m2，转速nM＝900r／min；中间传动轴的转动惯量J1=2kg·m2，转速n1＝300r／min；生产机械轴的转动惯量JL＝16kg·m2，转速nL=60r／min。试求折算到电动机轴上的等效转动惯量。2.7如图所示，电动机转速nM＝950r／min，齿轮减速箱的传动比j1=j2=4，卷简直径D=0.24m，滑轮的减速比j3=2，起重负荷力F=100N，电动机的飞轮转矩GDM2=1.05N·m2，齿轮、滑轮和卷筒总的传动效率为0.83。试求提升速度v和折算到电动机轴上的静态转矩TL以及折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GDZ22.10在题2.10图中，曲线1和2分别为电动机和负载的机械特性，试判定那些是系统的稳定平衡点？那些不是？第三章直流电机的工作原理及特性重点掌握：•了解直流电机的基本结构及工作原理；•掌握直流电动机的机械特性；•掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；•掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关的计算方法。3．1直流电机的基本结构和工作原理一、直流电机的基本结构直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。二、直流电机的基本工作原理1、作为发电机工作2、作为电动机工作电机运行方式E与I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T1=T+T0电动机相反反电动势驱动转矩T=TL+T0四、直流电动机的分类3．2他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程3．2他励直流电动机的机械特性一、机械特性方程aaRIEU、nKEennkTnTKRKUn002eae)(55.9atIKTe55.9KKt电压平衡方程机械特性方程机械特性的硬度（1）绝对硬特性（2）硬特性10（3）软特性10%100ΔΔddnTnT二、固有机械特性在额定条件（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:TKRKUn2NeaNeN)(55.9(1)估算电枢电阻Ra固有特性的计算方法：NeK(2)求还可以根据要求进一步求出以下变量(1)求理想空载转速:(2)求额定转矩:NNNNN55.9nPPT三、人为机械特性人为地改变U和Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。1.电枢回路中串接附加电阻时的人为特性NN,UU电压平衡方程式为：)(adaaNRRIEU人为机械特性方程式为：TKRRKUn2NeadaNeN)(55.92.改变电枢电压U时的人为特性0,adNRTKRKUn2NeaNe)(55.91）特性曲线平行，k不变；2）转速降落不变，硬度不变；3）由于U≤UN，所以n≤nN3．改变磁通时的人为特性0,adNRUU2）Φ≤ΦN，n≥nN1）随着Φ的减小，n0增加，k变大，特性变软；TKRKUn2eaeN)(55.9与例3.1：一台Z2系列他励直流电动机，PN=22KW,UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min，试计算：1.固有机械特性2.电枢回路串Rad=0.4Ω电阻的人为特性3.电源电压降为100V时的人为特性4.弱磁至Φ=0.8ΦN时的人为特性3．3直流他励电动机的启动特性一、启动特性在未启动之前n=0,E=0aNst/RUI这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（10～20）倍以上。直流电动机不允许直接启动NstIIstλst为过载能力系数，通常为1.5到2.5二、启动方法1.降压启动：2.电枢回路串电阻启动aNst/RUIast/RUI)/(aNststRRUI1)串一段电阻启动2)串多段电阻逐级切除的启动方法3．4直流他励电动机的调速特性一、速度调节和速度变化速度调节：在负载不变的条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。速度变化：在电动机参数不变的条件下，由于负载波动引起的速度的改变。二、调速方法从直流他励电动机机械特性方程式TKRRKUn2eadae)(55.9直流电动机调速的方法有以下三种：改变串入电枢回路的电阻Rad；改变电枢供电电压U改变主磁通1、改变电枢电路外串电阻调速adR特点：1）R增加，k增加，特性变软2）有级调速3）R越大，耗能越大TKRRKUnNNN2eadae)(55.92．改变电动机电枢供电电压U3）恒转矩调速1）可以实现无级调节2）特性曲线互相平行，机械特性硬度不变，调速范围较大；4）U≤UN，n≤nNTKRKUnNN2eae)(55.93．改变电动机主磁通1）可以实现无级调节2）随着Φ的减小，n0增加，k变大，特性变软；3）恒功率调速4）Φ≤ΦN，n≥nNTKRKUnN2eae)(55.93．5直流他励电动机的制动特性1．制动与启动启动：电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态；制动：电动机速度是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。2.制动与自然停车1）自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。2）制动：电动机脱离电网，外加阻力转矩使电动机迅速停车。3.电动机的两种工作状态1)电动状态：n与T同向2）制动状态：n与T反向4.电动机工作在制动状态下的两种情况1）使转速迅速减速到停止；2）限制位能负载的下降速度。一、反馈制动特点：1）在外部条件的作用下，nn0；2）n与T反向1．电车走下坡路时的反馈制动2．电枢电压突然下降时的反馈制动二、反接制动特点：1）U与E由相反变为相同；2）T与转速n的方向相反。改变U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动；改变E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。1．电源反接制动电动机的机械特性为：TKRRKUnN2eadae)(55.9U=-UN串Rad电阻2．倒拉反接制动TKRRKUnN2eadae)(55.9串Rad电阻电动机的机械特性为：三、能耗制动TKRRn2eada)(55.9U=0电动机的机械特性为：例3-2有一台他励电动机，PN＝5.6kW，UN＝220V，IN＝3lA，nN＝1000r／min，Ra＝0.4Ω，负载转矩TL＝49N·m，电动机的过载倍数λ＝2，试计算：(1)电动机拖动摩擦性负载，采用能耗制动过程停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少?若采用反接制动停车，电阻最小值是多少?(2)电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300r／min速度下放重物，采用倒拉反接制动，电枢回路应串多大电阻?若采用能耗制动，电枢回路应串多大电阻?(3)想使电机以n＝－1200r／min速度，在再生发电制动状态下，下放重物，电枢回路应串多大电阻?若电枢回路不串电阻，在再生发电制动状态下，下放重物的转速是多少?3.8一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL＝常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小?为什么?这时拖动系统中哪些量必然要发生变化?3.9一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩TL＝常数，