机电传动课件讲诉

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1、机 电 传 动 控 制 张 海 根 主 编 高等教育出版社 主 讲 : 安 万 德 绪 论 电机与拖动基础知识； 继电器-接触器控制、PLC控制； 步进电机控制； 交直流调速控制； 伺服驱动控制等。 机电传动控制是研究解决与生产机械的电器传动 控制有关的问题。 主要阐述机电传动控制原理和常用控制电路及其 控制电路的设计。 主要介绍: 机电传动系统组成： 电动机+电气控制电路+传动部件+工作机构 电机与拖动基础知识 生产机械： 由工作机构、传动机构、原动机及控制系统组成。 电动机 电力拖动：电动机+传动机构 电气自动控制部分包括： 使电动机起动、制动、反向、调速、快速定位等电 气控制部分和电气操

2、作部分。 机电传动控制的发展过程 1） 用手动电器来控制执行电器 适用于容量小，操作单一的场合 2） 用继电器接触器自动控制 由继电器、接触器、按钮、行程开关组成。 优点：结构简单、价格低廉、维护方便、抗干扰强， 可实现自动化，集中控制，远距离控制。 缺点：控制形式固定，通用性和灵活性差，由于触点 开关动作工作频率低，触电易损坏，可靠性差。 3） 顺序控制器 生产过程中由于大量存在一些开关量控制的程序控制 过程，而生产工艺及流程经常变化，因而继电接触器控制 电路不能满足需求，集成电路组成的顺序控制器应运而生 。特点：具有程序变成更容易、程序存储量大，通用性强 ，广泛用于各种机械设备及自动线上。

3、 4）PLC 20世纪60年代末，出现了具有运算功能和功率输出 能力的可编程控制器。PLC由大规模集成电路、电子开 关、功率输出器件等组成的专用微型电子计算机。 特点：可代替大量的继电器，功耗小，体积。 交直流调速控制 速度调节是影响电气控制技术发展的另外一个因素。 交流电动机结构简单、制造容易、造价低以及容易 维修等特点广泛应用。 交流电动机调速： 直流电动机调速： 直流电动机具有良好的起动、制动特性和调速性能， 能在很宽的范围内进行平滑调速，所以对调速性能要求较 高及速度需要精确控制的设备以往都采用直流拖动。 由于变频技术的出现和高压大功率管的问世，交流 电动机无极调速系统有了迅速发展，它

4、是利用改变交流 电的频率等来实现电动机转速的无极调速。 因无电刷与换向器，较直流电动机易于维护，且寿 命长由发展前途。 伺服驱动控制 驱动机械设备各坐标轴追随指令运动的传动装置称为 伺服系统。 包括机械传动部件和产生主动力矩以及控制其运动的 各种驱动装置。是一种精密的位置跟踪与定位系统。 伺服系统按调节原理可分开环和闭环。闭环系统又分 为直流和交流伺服系统。 开环系统一般利用步进电动机。 步进电机控制 步进电动机是一种将脉冲信号转换成直线或角位移的 执行元件。 系统简单、控制容易、维修方便、控制为全数字化。 第一章 机电传动断续控制 电动机带动生产机械运动的方式称为机电传动。 控制设备电动机传

5、动装置工作机构 电源 由各种 电器元件组成， 用以控制电动 机的运转。 电能转换 为机械能，用 以拖动工机构 完成生产机械 所规定的任务。 用来实现电 动机与工作机构 的运动连接，并 根据工作机构的 需要完成速度和 方向的变换。 电动机的自动控制方式 断续控制：控制系统处理的信号为断续变化的开关量。 如异步电动机的继电器接触器控制系统。 连续控制：控制系统处理的信号为连续变化的模拟量。 如直流电动机的调速系统。 数字控制：控制系统处理的信号为离散的数字量。 如机床的数控系统。 1.1 三相异步电动机 1.1.1 三相异步电动机的工作原理 图1-1 三相异步电动机的结构图 1-轴承盖；2-端盖；

6、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 1. 三相异步电动机的基本结构 定子是静止不动的部分定子是静止不动的部分 ，由定子铁心、定子绕组和，由定子铁心、定子绕组和 机座组成。定子绕组在槽中机座组成。定子绕组在槽中 放置着对称的三相绕组放置着对称的三相绕组 U1U2U1U2、V1V2V1V2、W1W2W1W2。 转子是旋转部分，由转子铁转子是旋转部分，由转子铁 心、转子绕组和转轴组成。心、转子绕组和转轴组成。 转子绕组有笼型和绕组型两转子绕组有笼型和绕组型两 种型式。种型式。 a）笼型绕组；b）转子外形 定子铁心 转子

7、铁心 定子绕组 转子绕组 图1-2 三相异步电动机的端面图 图1-3 笼型绕组结构图 笼型的转子绕组做成笼状。笼型的转子绕组做成笼状。 笼型转子铁心的槽中放入铜条笼型转子铁心的槽中放入铜条 ，其两端用环联接。或者在槽中浇，其两端用环联接。或者在槽中浇 铸铝液，铸成一笼型。铸铝液，铸成一笼型。 绕组型转子绕组同定子绕组绕组型转子绕组同定子绕组 一样也是三相，每相终端联在一一样也是三相，每相终端联在一 起，始端通过滑环、电刷与外部电源相联。起，始端通过滑环、电刷与外部电源相联。 2. 异步电动机的工作原理 笼型和绕组型只是在转子的结构上不同，工作原笼型和绕组型只是在转子的结构上不同，工作原 理是一

8、样。理是一样。 电动机定子三相绕组U1U2、V1V2、W1W2可以 联成星型也可以联成三角形。 （1）旋转磁场的产生 三角形联接（ ） 星型联接（ ） 假定将定子绕组联接成星型，并接在三相电源上， 绕组中便通入三相对称电流。 主磁场N-S顺时针旋转180度（旋转磁场n0在一对极p=1时） 三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在 空间不断地旋转，即形成旋转磁场。 如 （2）旋转磁场的旋转方向 旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势 和电流。 电动势的方向可由右手定则确定。 转子导体电流与旋转磁场相互作 用便产生电磁力 F 施加于导体上。电磁 力 F 的方向可由左手定则确定。 由电磁力

9、产生电磁转距，从而使电动机转子转动起来 。转子转动的方向与磁场旋转的方向相同。 而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关 。如果将联接三相电源的三相绕组的任意两相对调，就可 以改变转子的旋转方向。 三相交流电流最大值到达的顺序 （相序）决定电动机转向。 ABC 电流 ABC 定子绕组（顺时旋转） ABC 电流 ACB 定子绕组（逆时旋转） B 、C两相对调 （3） 旋转磁场的极对数与旋转速度 旋转磁场的极对数（ p ）： 每相绕组只有一个线圈时，绕组的 始端之间相差1200空间角，则产生的旋转 磁场具有一对极（p=1）。 每相绕组有两个线圈绕组，其始端 之间相差600空间角时，则产生的旋

10、转磁 场具有二对极（p=2）。（300空间角时 ，p=3。） 旋转磁场的转速n0称为同步转速，其大小为 电流频率 磁场的极对数 由工作原理可知，转子的转速 n 必然小于旋转磁 场的转速n0（即所谓异步）。二者相差的程度用转差 率 s 来表示。 一般异步电动机在额定负载时的转差率约为19%。 分别为定子相 电压、绕组电阻、漏磁感抗。 1.1.2 三相异步电动机特性分析 三相异步电动机的定子、转子绕之间电磁关系同变 压器类似，其每相电路图如 图所示。 转子的绕组电阻、漏磁感抗。 由此推导出异步电动机电磁转矩 式中： （N1、N2为定子和转子绕组的匝数） m1 为转子的质量；s 为转差率；f1 为电

11、源频率； 为转子转速 n=0 时，即 s=1 时，转子绕组 漏磁感抗。 当电动机结构参数固定，电源电压不变时，根据电 磁转矩 得到转矩和转差率的关系曲线 T= f ( s ) ，称为电 动机的机械特性。 T= f (s)曲线 与转矩最大值对应的转差率 sc 称为临界转差率。 令则 得到 1. 固有机械特性 异步电动机在额定的电压和 频率下，按规定的接线方式接线 ，定、转子电路外界电阻和电抗 为零时的转速 n 与电磁转矩T之 间的关系。 三相异步电动机固有机械特性 1）起动点A （ n = 0（s =1） 起动转矩T=T st 反映异步电动机直接起动时的 带负载能力。起动电流 I st =（47

12、）IN 2）额定工作点B（平稳运转时的工作点） nB = nN，TB = TN ，IB = IN 。 3）同步转速点H 负载、转子电流为零，是理想的空载点。 4）最大转矩点 P 该点处的转矩为最大，叫临界点，该处的转 差率叫临界转差率。 三相异步电动机固有机械特性 2. 人为机械特性 人为改变某些参数，即可得到不同的机械特性。改 变参数后得到的机械特性称为人为机械特性。 （1）降低电源电压时，人为机械特性 因为 所以 对应于不同电源电压的人为特性 通过同步转速点的一组曲线簇 若电压降低过多，使最大转矩小于负载转矩，则造 成电动机停止运转。 另外，因负载转矩没有变，电磁转矩也不变，降低 电压将电

13、动机转速降低，转差率增大使得电流因转子电 动势的增大而增大，从而引起定子电流的增大。 （2）转子电路串接对称电阻时，人为机械特性 随外串接电阻增大临界转差率 增大，但最大转矩和同步转速不变 。 随外串接电阻增大起动转矩 增大。 对应于不同转子电阻的人为特性 因此，可选择适当电阻接入转子电路，使最大转矩 发生在起动瞬间。以改善电动机的起动性能。 但，如果再增大电阻，起动转矩反而减小。这是因 为接入过大电阻将使转子电流下降过大所致。 （3）改变定子电源频率 对应于不同定子电源频 率的人为特性 改变定子电源频率 f1 时，同步 转速 将随频率的变化 而变化。即 还有 （4）改变极对数 一般异步电动机

14、的极对数是固定不变的。但多速异 步电动机的极对数是可变的，是用绕组的接法来改变。 如图所示。 两个绕组串联 p = 2 两个绕组并联 p = 1 将保持电源频率 f1 不变的情况下改变极对数 p，同 步转速 将随 p 的增大而减小 三角形接法，运行时1、 2、3接电源，4、5、6空着不 接，电动机低速运转。 星型接法，运行时1、2 、3联接在一起，4、5、6接 电源，电动机高速运转。 为了保证电动机旋转方向不变，从一种接法变为另 一种接法时，应改变电源的相序。 当电动机由三角形接法变为星型接法时，极对数减 少一半。 相电压为 可以得到 1. 1. 3 异步电动机的起动和制动 1. 异步电动机的

15、起动 笼型异步电动机： 绕线型异步电动机： 直接起动 降压起动 转子串电阻起动 电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程。 （1）直接起动 直接加额定电压起动，也叫全压起动。 因为启动电流大，所以只适用于“ 小容量”电动机。 所谓“小容量”电动机指 （2）降压起动 降压起动： 在定子电路中串联电阻或阻抗，用以降 低每相绕组上的电压的方法来限制起动电流 的起动方法。 设为全压起动电流与降压起动电流值 比，即 或 则 缺点： 机械特性变软消耗能量大，只适合轻载不适合经常 起动的电动机。 （3）绕线性电动机转子串电阻起动 绕线性电动机转子串电阻起动，即可 增大起动转矩，又可限制起动电流。 可实现大容

16、量电动机的重载起动。 开始起动时，n = 0 ，全部电阻接入 ，即起动电阻为 R10 。 随转速上升，转速沿曲线1变化，转矩 T 逐渐减少， 当减到 T2 时，接触器触点S1闭合，RS1被切除，电动机的 运行点由曲线 1 跳到曲线 2 。 最后起动电阻全部切除，电动机转子绕组直接短路 ，电动机运行点沿固有特性曲线4变化。 直到电磁转矩T与负载转矩 TL 相平衡，电动机稳定 运行。 由于异步电动机的转矩和电压的平方成正比，考虑 电压的允许降落，一般选最大起动转矩T1为 考虑起动时的带负载能力和快速性，选切换转矩T2 为 起动级数越多，起动越平稳，而且平均转矩越大。 一般选择3或4级。 2. 三相异步电动机的制动 异步电动机的制动方法有能耗、反接、回馈制动。 （1）能耗制动 除去交流电之后在定子绕组 中通入直流电，形成恒定磁场。 由于转子导体切割磁场，产 生与转向相反的制动力矩使转速 急剧下降。 对笼型异步电动机为了增大高速时的制动转距， 就需