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1、机机 电电 传传 动动 控控 制制第二章第二章机电传动系统的运动学基础机电传动系统的运动学基础2.3试列出以下几种情况下试列出以下几种情况下(见题图见题图2.3)系统的运动方程式，并针系统的运动方程式，并针对各系统说明：对各系统说明：1）TM、TL的性质和符号并代入运动方程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？运动状态是加速、减速还是匀速？符号符号 性质性质 状态状态T - 制动转矩制动转矩 TL + 制动转矩制动转矩 运动方程：运动方程：T - 制动转矩制动转矩TL + 制动转矩制动转矩 运动方程：运动方程：T - 制动转矩制动转矩TL + 制动转矩制动转矩 运动方程：
2、运动方程：系统运动状态为：减速状态系统运动状态为：减速状态系统运动状态为：减速状态系统运动状态为：减速状态系统运动状态为：减速状态系统运动状态为：减速状态2.6如图如图2.3(a)所示，电动机轴上的转动惯量所示，电动机轴上的转动惯量JM=2.5kgm2，转速，转速nM900rmin；中间传动轴的转动惯量；中间传动轴的转动惯量J1=2kgm2，转速，转速n1300rmin；生产机械轴的转动惯量；生产机械轴的转动惯量JL16kgm2，转速，转速nL=60rmin。试求折算到电动机轴上的等效转动惯量。试求折算到电动机轴上的等效转动惯量。解：电动机轴与中间轴速比解：电动机轴与中间轴速比j1：电动机轴与
3、卷筒轴速比电动机轴与卷筒轴速比jL：折算到电动机轴上的等效转动惯量折算到电动机轴上的等效转动惯量JZ：2.7如图所示，电动机转速如图所示，电动机转速nM950rmin，齿轮减速箱的传动，齿轮减速箱的传动比比j1=j2=4，卷筒直径，卷筒直径D=0.24m，滑轮的减速比滑轮的减速比j3=2，起重负荷力，起重负荷力F=100N，电动机的飞轮转矩，电动机的飞轮转矩GDM2=1.05Nm2，齿轮、滑轮和卷筒总，齿轮、滑轮和卷筒总的传动效率为的传动效率为0.83。试求提升速度。试求提升速度v和折算到电动机轴上的静态转矩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以及折算到电
4、动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GDZ2解：在电机轴速度：解：在电机轴速度：中间轴速度：中间轴速度：卷筒速度：卷筒速度：重物提升速度：重物提升速度：折算到电机轴上的静态转矩折算到电机轴上的静态转矩:折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GDZ22.10在题在题2.10图中，曲线图中，曲线1和和2分别为电动机和负载的机械特性，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？试判定那些是系统的稳定平衡点？那些不是？是平衡点是平衡点是平衡点是平衡点是平衡点是平衡点1.电动机和生产机械的机械特性曲线有交叉点；电动机和生产机械的机械特性曲线有交叉
5、点；2.当转速大于平衡点对应的转速时，当转速大于平衡点对应的转速时，TTL。 平衡点是稳定平衡点。平衡点是稳定平衡点。是平衡点是平衡点不是平衡点不是平衡点例例3.1：一台：一台Z2系列他励直流电动机，系列他励直流电动机，PN=22KW,UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min，试计算：，试计算：1.固有机械特性固有机械特性2.电枢回路串电枢回路串Rad=0.4电阻的人为特性电阻的人为特性3.电源电压降为电源电压降为100V时的人为特性时的人为特性4.弱磁至弱磁至=0.8N时的人为特性时的人为特性第三章第三章直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性解：（解：（1）固有特性
6、：）固有特性：（2）串入）串入Rad的人为的人为特性：特性：在直角坐标系标出理想空载点和额定工作点，连接直线，如图在直角坐标系标出理想空载点和额定工作点，连接直线，如图3.8中中1所示所示 其人为其人为特性曲线如图特性曲线如图2所示所示（3）降低电源电压的人为特性：）降低电源电压的人为特性： 其人为特性曲线如图其人为特性曲线如图3所示所示 （4）弱磁时的人为特性：）弱磁时的人为特性：其人为特性曲线如图其人为特性曲线如图4所示所示 例例3-2有一台他励电动机，有一台他励电动机，PN5.6kW，UN220V，IN3lA，nN1000rmin，Ra0.4，负载转矩，负载转矩TL49Nm，电动机的过载
7、倍数，电动机的过载倍数2，试计算：，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，电阻最小值若采用反接制动停车，电阻最小值是多少是多少?(2)电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以-300rmin速度下放重速度下放重物，采用倒拉反接制动，电枢回路应串多大电阻物，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，若采用能耗制动，电枢回路应串多大电阻电枢回路应串多大电阻?(3)想使电机以想使电机以n-1200rmi
8、n速度，在再生发电制动状态下，下速度，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电制动状态下，下放重物的转速是多少?解：（解：（1）设能耗制动电阻为）设能耗制动电阻为R1， 反接制动电阻为反接制动电阻为R2电动状态的稳态转速电动状态的稳态转速由于切换瞬间转速不变，而且最大制动电流为由于切换瞬间转速不变，而且最大制动电流为- IN， 所以所串电阻为所以所串电阻为又，制动瞬间的制动转矩由过载系数又，制动瞬间的制动转矩由过载系数限制为限制为:（2）倒拉反接制动和能耗制动时
9、）倒拉反接制动和能耗制动时n= - 300r/m，电枢回路应串入电阻，电枢回路应串入电阻R3 ,R4 . 倒拉反接制动：倒拉反接制动：能耗制动时：能耗制动时：（3）再生发电制动运行时）再生发电制动运行时n= - 1200r/m 的制动电阻的制动电阻R5 和不串电阻时的制动转速和不串电阻时的制动转速：不串电阻时的制动转速不串电阻时的制动转速：3.4 直流电动机一般为什么不允许直接启动？如直接启动直流电动机一般为什么不允许直接启动？如直接启动会发生什么问题？应采用什么方法启动比较好？会发生什么问题？应采用什么方法启动比较好？习题与思考习题与思考习题与思考习题与思考n 解：在电动机未启动之前n=0，
10、E=0，而Ra很小。所以将电动机直接接入电网并施加电压启动电流很大，一般达到额定电流的1020倍。这样大的启动电流使电动机在换向过程中产生危险地火花，烧坏整流子，同时过大的电枢电流产生过大的电动应力，还可能引起绕组的损坏，而且产生与启动电流成正比例的启动转矩，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。 限制直流电动机的启动电流，一般有两种方法： 习题与思考习题与思考习题与思考习题与思考一一. 是降压启动，是降压启动，即在启动的瞬间，降低供电电源电压，随着转速即在启动的瞬间，降低供电电源电压，随着转速n的升高，反电势的升高，反电势E增大，再逐步提高供电电压，最增大，再逐
11、步提高供电电压，最后达到额定电压后达到额定电压UN时，电动机达到所要求的转速。时，电动机达到所要求的转速。 二二. 是在电枢回路内串接外加电阻启动，是在电枢回路内串接外加电阻启动，此时启动电流此时启动电流Ist=Un/(Ra+Rst)将受到外加启动电将受到外加启动电阻阻Rst的限制，随着电动机转速的限制，随着电动机转速n的升高，反电势的升高，反电势E增大，再逐步切除外加电阻一直到全部切除，电动增大，再逐步切除外加电阻一直到全部切除，电动机达到所要求的转速。机达到所要求的转速。3.8一台他励直流电动机所拖动的负载转矩一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL常数，当电枢常数，当电枢电压或电枢附加电阻
12、改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流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的大小?为什么为什么?这时拖动系统中哪些量必然要发生变化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，如负载转矩如负载转矩TL常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大是大于、小于还是等于于、小于还是等于El?3.10 已知某他励直流电动机的铭牌
13、数据如下：已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：PN=7.5kW,UN=220V, n N=1500r/min, N=88.5%，试求该电机的额定电流和额定转矩。试求该电机的额定电流和额定转矩。解：电机的额定电流：解：电机的额定电流：电机的转矩：电机的转矩：n3.11一台他励直流电动机的名牌数据为：PN=5.5kW,UN=110V, IN=62A nN=1000r/min ，n试绘制出它的固有机械特性曲线：解：3.12一台他励直流电动机的技术数据如下：一台他励直流电动机的技术数据如下：PN6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242,试计算出此电动机的
14、如下试计算出此电动机的如下特性：特性：固有机械特性；固有机械特性；电枢附加电阻分别为电枢附加电阻分别为3和和5时的人为机械特性；时的人为机械特性；电枢电压为电枢电压为UN2时的人为机械特性；时的人为机械特性；磁通磁通0.8N时的人为机械特性。时的人为机械特性。并绘出上述特性的图形。并绘出上述特性的图形。3.19有一台他励电动机：有一台他励电动机：PN=10kW，UN=220V，IN=53.8A，nN=1500rmin，Ra=0.29，试计算：，试计算：(1)直接起动瞬间的堵转电流直接起动瞬间的堵转电流Iu；(2)若限制起动电流不超过若限制起动电流不超过2IN，采用电枢串电阻启动时，应串入，采用
15、电枢串电阻启动时，应串入启动电阻的最小值是多少启动电阻的最小值是多少?若用降压启动，最低电压应为多少若用降压启动，最低电压应为多少?3.20有一台他励直流电动机：有一台他励直流电动机：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000rmin，在额定负载下，求：，在额定负载下，求：(1)想降至想降至800rmin稳定运行，外串多大电阻稳定运行，外串多大电阻?采用降压方法，电采用降压方法，电源电压应降至多少伏源电压应降至多少伏?(2)想升速到想升速到1100rmin稳定运行，弱磁系数稳定运行，弱磁系数N为多少为多少?解：固有特性：解：固有特性：串电阻：串电阻：调电压：调电压：3.20有
16、一台他励直流电动机：有一台他励直流电动机：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000rmin，在额定负载下，求：，在额定负载下，求：(1)想降至想降至800rmin稳定运行，外串多大电阻稳定运行，外串多大电阻?采用降压方法，电采用降压方法，电源电压应降至多少伏源电压应降至多少伏?(2)想升速到想升速到1100rmin稳定运行，弱磁系数稳定运行，弱磁系数N为多少为多少?解：固有特性：解：固有特性：调电压：调电压：串电阻：串电阻：3.21 有一台他励直流电动机，有一台他励直流电动机，PN7.5kW，UN220V，IN=4l A，nN 1500rmin，Ra0.38，拖动恒转矩负载
17、，拖动恒转矩负载，且且TLTN，现将电源电压降到，现将电源电压降到U=150V，问：，问： (1)降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大? (2)稳定运行转速是多少稳定运行转速是多少?解：固有特性：解：固有特性：降压后瞬间电流和转矩：降压后瞬间电流和转矩：（2）稳定运转速度：稳定运转速度：3.22有一台他励直流电动机，有一台他励直流电动机，PN=21kW，UN220V，IN=115A，nN980rmin，Ra=0.1，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时从从N调到调到0.8N，问：，问：(1)调速瞬间电枢电流是多少调速瞬间电枢电流是多少?
18、(TLTN)(2)若若TLTN和和TL0.5TN，调速前后的稳态转速各是多少，调速前后的稳态转速各是多少?解：固有特性：解：固有特性：2.若若TL=TN，调速前转速为，调速前转速为:nN=980r/min调速后转速为调速后转速为:1.弱磁调速瞬间电流：弱磁调速瞬间电流：2.若若TL=0.5TN，调速前转速为，调速前转速为:2.若若TL=0.5TN，调速后转速为调速后转速为:3.23有一台他励直流电动机，有一台他励直流电动机，PN29kW，UN440V，IN76A，nN1000rmin，Ra0.377，负载转矩，负载转矩TL=0.8TN，最大制动电，最大制动电流为流为1.8IN。求当该电动机拖动
19、位能性负载时，用哪几种方法可使电。求当该电动机拖动位能性负载时，用哪几种方法可使电动机以动机以500rmin的转速下放负载，在每种方法中电枢回路应串电的转速下放负载，在每种方法中电枢回路应串电阻为多少欧阻为多少欧?并画出相应的机械特性，标出从稳态提升重物到以并画出相应的机械特性，标出从稳态提升重物到以500rmin转速下放重物的转换过程。转速下放重物的转换过程。解：固有特性：解：固有特性：负载转矩负载转矩TL=0.8TN=221.56时的速度时的速度n1为：为：1.采用能耗制动，电枢串电阻采用能耗制动，电枢串电阻R1，转速，转速n2=-500R/min转换时转换时n=n1的转矩的转矩T1为为转
20、换时的转矩转换时的转矩T1为小于最大允许转矩为小于最大允许转矩1.8TN，此方法允许实现转换。此方法允许实现转换。2.采用倒拉反接制动，电枢串电阻采用倒拉反接制动，电枢串电阻R2，转速，转速n2=-500R/min3.如果采用反接制动，稳定转速如果采用反接制动，稳定转速n3的绝对值大于的绝对值大于n0=1071r/min,本题要求稳定转速为本题要求稳定转速为-500r/min,所以不能所以不能采用反接控制方式实现。采用反接控制方式实现。3.24有一台有一台Z252型他励直流电动机，型他励直流电动机，PN4kW，UN220V，IN22.3A，nN1000rmin，Ra0.91，TLTN，为了使电
21、动机，为了使电动机停转，采用反接制动，如串入电枢回路的制动电阻为停转，采用反接制动，如串入电枢回路的制动电阻为9，求：，求：(1)制动开始时电动机所发出的电磁转矩；制动开始时电动机所发出的电磁转矩；(2)制动结束时电动机所发出的电磁转矩；制动结束时电动机所发出的电磁转矩；(3)如果是摩擦性负载，在制动到如果是摩擦性负载，在制动到n0时，不切断电源，电机能否时，不切断电源，电机能否反转反转?为什么为什么?解：计算固有特性：解：计算固有特性：固有特性：固有特性：1.制动开始时，制动开始时，电机的转矩电机的转矩T1为：为：2.制动结束时制动结束时n=0，电机的转矩，电机的转矩T2为：为：3.如果是摩
22、擦转矩，制动结束时如果是摩擦转矩，制动结束时n=0，电机的转矩，电机的转矩T2为为-42.4N*m,TN=38.2N*m|T2|TN如果不切断电源，电机会反转。如果不切断电源，电机会反转。例例5.1 5.1 有有一一生生产产机机械械要要求求调调速速范范围围D=5D=5，静静差差率率5 5，电电动动机机额额定定数数据据为为10KW10KW，220V220V，55A55A，1000r/min1000r/min，电电枢枢回回路路总总电电阻阻R=1R=1，KeKe =0.1925 =0.1925 V.r/minV.r/min，问问开开环环系系统统能能否否满满足要求？足要求？解：由式（解：由式（5.2）
23、，要满足），要满足D，s要求，在额定负载时允许的稳态速降为：要求，在额定负载时允许的稳态速降为：开环系统中，当电流连续时，有：开环系统中，当电流连续时，有：第第5章章直流传动控制系统直流传动控制系统开环系统中，速度降为：开环系统中，速度降为：开环系统中速度降大大的超过了允许的转速降落，为了改善调速系统，开环系统中速度降大大的超过了允许的转速降落，为了改善调速系统，要求采用闭环负反馈控制。要求采用闭环负反馈控制。55有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速n01=1480rmin，低速时的理想空载转速，低速时的理想空载转速n02=157rmin，额定，额定
24、负载时的转速降负载时的转速降nN10rmin。试画出该系统的静特性。试画出该系统的静特性(即电即电动机的机械特性动机的机械特性)，求出调速范围，求出调速范围D和静差度和静差度S解：解：调速范围调速范围D为：为：静差度静差度S为为：511某一有静差调速系统的速度调节范围为某一有静差调速系统的速度调节范围为75rmin1500rmin，要求静差度，要求静差度S2，该系统允许的静态速降是多少，该系统允许的静态速降是多少?如如果开环系统的静态速降是果开环系统的静态速降是100rmin，则闭环系统的开环放大，则闭环系统的开环放大倍数应有多大倍数应有多大?解：解：调速范围调速范围D为：为：允许的闭环静态速
25、降允许的闭环静态速降为：为：设开环放大倍数设开环放大倍数K，则，则：512某一直流调速系统调速范围某一直流调速系统调速范围D10，最高额定转速，最高额定转速nmax=1000rmin，开环系统的静态速降是，开环系统的静态速降是100rmin。试问该。试问该系统的静差度为多少系统的静差度为多少?若把该系统组成闭环系统，保持若把该系统组成闭环系统，保持n02不变不变的情况下，使新系统的静差度为的情况下，使新系统的静差度为5，试问闭环系统的开环放，试问闭环系统的开环放大倍数为多少大倍数为多少?解：静差度解：静差度S为：为：保持保持n02不变的情况下，使新系统的静差度不变的情况下，使新系统的静差度Sf=5，闭环系统的，闭环系统的开环放大倍数开环放大倍数K为：为：第六章第六章交流电动机的工作原理及特性交流电动机的工作原理及特性 第第8章章继电器继电器-接触器控制系统接触器控制系统第第9章章可编程序控制器（可编程序控制器（PLC)5.具有多种工作方式系统的顺序控制梯形图的设计方法具有多种工作方式系统的顺序控制梯形图的设计方法 10）机械手输出程序）机械手输出程序
