机电传动控制(第四版)第1,第2章

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1、1机电传动控制邓星钟 主编 华中科技大学出版社2第1章 概述v 机电传动的目的和任务v 机电传动的发展概况;v 电气控制系统的发展概况;v “机电传动控制”课程的性质和任务.v 基础知识31.机电传动的目的和任务v机电传动（又称电力传动或电力拖动）是指以电动机为原动 机驱动生产机械的系统之总称，它的目的是将电能转变为机 械能，实现生产机械的启动、停止及速度调节，实现各种生 产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。v现代机电传动包括: v 1）拖动生产机械的电动机v 2）控制电动机的一整套控制系统 也就是说，它是由各种控制元件组成的自动控制系统紧密地联系在一起的。4对机电传动系统的要求：v调整

2、范围宽。v快速性。v准确性。v协调性。v效率高。52.机电传动发展的概况1) 成组拖动v 一台电动机-一根天轴-一组生产机械设备v 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动v 一台电动机-一台设备v 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了生 产工艺要求. 3) 多台电动机拖动v 一台专门的电动机-同一台设备的每一个运动部件v 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化.v举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,横梁, 夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的. 63.电气控制系统的发展概况1) 继电器-接触器控制系统v 能对控制对象实现起动,制动,有级

3、调速控制;v 结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差.2) 连续控制方式和自动控制系统v 20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大 器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电动 机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件-交流电 动机无级调速系统;v 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.7电气控制系统的发展概况3) 可编程序控制器(PLC)v 是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开 关量输入的工业控制专用计算机;v 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通信 功能.4) 计算机数字控制系统v 1952年美国出现第一台数控铣床,195

4、8年出现加工中 心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心,80年 代出现了柔性制造系统(FMS);v 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自 动化.84.“机电传动控制”课程的性质和任务1) 课程性质该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课,是机电 一体化人才所需电知识的驱体.它将电机,电器,继电器-接触 器控制,PLC,电力电子技术,自动调速系统有机地结合在一 起. 2) 课程内容全书13章,分为5个单元:v(1)机电传动系统的动力学基础和过渡过程;v(2)电机及继电器-接触器控制系统;v(3)可编程序控制器;v(4)电力电子技术的基本知识;v(5)自动调速系统.93)

5、课程学习任务v 掌握继电器-接触器控制系统的工作原理和元件选择,v 掌握PLC的编程方法与应用,v 掌握闭环控制系统的工作原理与性能及其应用场所.v 了解电力拖动的一般知识,v 了解最新电气控制技术在生产机械上的应用.105.基础知识电机的种类很多，按其功能用途来分，可以归纳 如下1.5.1 电机的主要类型 11v对电机的解释：电机不等于电动机 ，它包括变压器 和发电机。v电机是进行能量转换的一种机械，发电机将机械能 转换成电能，电动机将电能转换成机械能，变压器 则是把一种形式的电能转换成另一种形式的电能。 虽然是功能和结构不同，但其工作原理都是建立在 全电流定律、电磁感应定律和电磁力定律等基

6、本的 电磁定律基础上的。12v1.5.2 电机理论中常用的基本电磁定律全电流定律凡导体中有电流流过时，就会产生与该载流导体相交链的磁通，全电流定律就是揭露 电产生磁的本质，阐明电流与其电磁场的大 小及方向的关系。13电磁感应定律设有一匝数为N的线圈处在磁场中，它所交链的磁链为 ，则不论由于什么原因，当该线圈所交链的磁链 发生变化时，在线圈内就有一感应电动势产生，这种现象 称为电磁感应。这一感应电动势的大小，和该线圈所链的 磁链变化率成正比；感应电动势的方向，是该电动势企图 在线圈内产生电流（即感应电流），该感应电流所建立的 磁通用来阻止线圈中磁通的变化。如果感应电动势的正方 向与磁通的正方向符

7、合右手螺旋关系，则电磁感应定律可 用下式表示：式中负号代表愣次定律。14电磁力定律载流导体在磁场中将受到力的作用，这 种力是磁场与电流相互作用产生的，故称为 电磁力。若磁场与导体互相垂直，则作用在 导体上的电磁力为f=BIl电磁力的方向由左手定则确定。15v1.3.3 电机中铁磁材料的特性v电机材料的组成：v组成电路的导电材料v组成磁路的导磁材料v隔离用的绝缘材料v构成电机的结构材料其中导磁材料对电机的影响最大。各类电机都是以磁场作为媒介，通过电磁感应作用来实现能量转换的，所以在电机里必须由引导磁能的磁路，为了有一定的励 磁电流下产生较强的磁场，电机和变压器的磁路都是用导磁性能 良好的铁磁材料

8、组成。16v铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金（如硅钢 片），其电磁方面的特性简述如下：良好的导电性高的导磁性能与磁化曲线的非线性 磁滞现象和磁滞损耗 涡流损耗17 良好的导电性与铜、铝相比，其电阻率较大，但仍是一种较好导电性能的导电材料。 高的导磁性能与磁化曲线的非线性实验表明，所有非铁磁材料的导磁系数0都接近于空气的导磁系数，而铁磁材料的导磁系数Fe比0大几百到几千倍。如电机中常用的铁磁材料，其Fe约为0的6000倍，所以带铁芯的磁通比空芯线圈的磁通大得多。18v磁滞现象和磁滞损耗在测取铁磁材料的磁化曲线时，改变外施励磁磁动势的 大小及方向，使磁场强度在Hm 之间反复磁化，所得的B H关系曲线

9、称为铁磁材料的磁滞回线。同一铁磁材料在不同 的Hm值下有不同的磁滞回线。把不同Hm值的磁滞回线的顶点连接起来所得的曲线，称为基本磁化曲线。铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地往返倒转，磁畴之间不停地互相摩擦而消耗能量引起 损耗，这种损耗称为磁滞损耗。由于硅钢片的磁滞回线较窄，磁滞损耗较小，所以电机和变压器的铁芯都用硅钢片。19v涡流损耗当铁芯中的磁通发生交变时，据电磁感 应定律，在铁芯内也会产生感应电动势，并 产生感应电流。由于此电流在铁芯中的流动 呈旋涡状，故称为涡流。此涡流在铁芯电阻 上的损耗称为涡流损耗。 当铁芯中的磁通变化时，有磁滞损耗和 涡流损耗两种损耗，合称为铁芯

10、损耗。20阅读书目:v 1.齐占庆主编.机床电气控制技术(第三版).北京:机械 工业出版社.2004年6月.v 2.陈伯时主编.电力拖动自动控制系统(第三版).北京: 机械工业出版社.2003年8月.v 3.程宪平主编.机电传动与控制(第二版).武汉:华中科 技大学出版社.2003年9月.v 4.魏炳贵主编.电力拖动基础.北京:机械工业出版社 .2000年8月.21第2章 机电传动系统的动力学基础v 掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分 析机电传动系统的运动状态;v 了解多轴拖动系统中转矩,转动惯量和飞轮 转矩的折算方法;v 了解几种典型生产机械的机械特性;v 掌握机电传动系统稳定运行的条件

11、.222.1 机电传动系统的运动方程式1.单轴机电传动系统运动方程式:定义式定义式工程计算式工程计算式23在上述两个式子中:vTM-电动机转矩;vTL-负载转矩;vJ-转动惯量;vGD2-飞轮转矩,且 J=GD2/4g;vn-转速; v-角速度.讨论.在上式中:v1)当TM=TL时,n为常数 ,dn/dt=0,状态为恒速; 称之为稳态或静态.v2)当TMTL时,n为变数 ,dn/dt 0,状态为加速 或减速;称之为动态.242.系统动态转矩Td 讨论: 1)当Td=0时,系统为稳态; 2)当Td0时,系统为动态:(1) Td0,dn/dt=a 0, 系统加速;(2) Td0,dn/dt=a 0

12、, 系统减速. 因此,TM,TL有大小,有方 向.则工程计算式可写为则工程计算式可写为: :T TMM-T-TL L= T= Td d令系统动态转矩令系统动态转矩: :253.TM,TL的正方向及性质以转速n为参考量(先定下n的正方向);规定:v 与n方向相同的TM为 正,与n方向相反的TL为正;v 与n方向相反的TM为 负,与n方向相同的TL为负.举例例例1:1:列出下图系统的运动列出下图系统的运动 方程式方程式, ,并说明运动状态并说明运动状态. .nTMTLnTMTL解解:T:TMM与与n n反向为负反向为负,T,TL L与与n n 反向为正反向为正, ,运动方程如下式运动方程如下式;

13、; 状态为减速状态为减速. .26举例例2:提升重物过程如左图示 ,写出运动方程式. 解:(a)中,提升重物,TM为正 ,TL为正,运动方程式为:(b)(b)中中, ,仍为提升重物仍为提升重物 , ,但但T TMM为负为负,T,TL L为正为正, , 运动方程式为运动方程式为: :思考题思考题: :试分析图试分析图(a)(a)和图和图(b)(b)系统的运动状态系统的运动状态. .27思考题v图(a)中,要能提升重物, 必须有TMTL,系统加 速.图(b)中,电动机转矩为负, 也是制动转矩,系统减速提 升,直至停止.282.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算实际拖动系统一般是多轴传动系统,该系统

14、的运动方 程式,是将其转矩等折算到一根轴上,再按2.1的方法列出 运动方程式.折算时,可以折算到电动机轴上(高速轴),也可以折算 至低速轴上.旋转运动 直线运动29三轴旋转运动折算至电动机轴 上1.负载转矩的折算式中,速比- -传动效率传动效率; ;2.2.转动惯量的折算转动惯量的折算3.3.飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算式中式中, ,分别为电动机轴分别为电动机轴, ,中间传动中间传动 轴轴, ,生产机械轴上的飞轮转生产机械轴上的飞轮转 矩矩. .式中式中, ,30三轴直线运动折算到电动机轴上1.负载转矩的折算 提升时3.飞轮转矩的折算2. 2.转动惯量的折算转动惯量的折算要注意式上面几个式子要

15、注意式上面几个式子 中各个符号代表的物理意中各个符号代表的物理意 义义. .下降时下降时石家庄铁道学院计算举例:3132332.3 生产机械的机械特性1.恒转矩特性1)特点:负载转矩为常 数;2)分类:反抗转矩,位能转矩. 举例:设备的提升机构,提升机的行走机构 ,皮带运输机,机床进给运动.342.恒功率特性特点:负载转矩与转速成反比,功率基本不变.举例:球磨机,碎石机,机床的主运动.353.通风机特性特点:负载转矩与转速的平 方成正比.举例:水泵,通风机.风机,水泵电动机的 容量占工业用户总用电 量的70%.362.4机电传动系统稳定运行的条件1.机电传动系统稳定运行 的条件 1) 和 两条 特性曲线有交点,该交点称 之为系统的平衡点.2)当转速大于平衡点对 应的转速时,有:vTMTL; 当转速小于平衡点 对应的转速时, 有:vTM TL2.2.稳定工作点判别稳定工作点判别37稳定运行判别举例例1：试判别右图所示三相异步电动机特性曲线与恒转矩 负载特性曲线组成系统的稳 定平衡点.分析:由机电传动系统稳定 判据的两个条件,分别判别 图中a点和b点是否满足稳定运行的条件.38解: 1)有交点a和b;2)对于a点,当转速小 于a点对应的转速时,电动