机电传动控制辅导复习要点.docx
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机电传动控制辅导复习要点
机电传动控制复习提纲
第二章机电传动系统的动力学基础
2.1知识要点
2.1.1基本内容
1．机电传动系统的运动方程式
机电传动系统是一个由电动机拖动，并通过传动机构带动生产机械运转的机电运动的动力学整体[如图2.1（a）所示]尽管电动机种类繁多、特性各异，生产机械的负载性质也可以各种各样，但从动力学的角度来分析时，则都应服从动力学的统一规律，即在同一传动轴上电动机转矩TM、负载转矩TL、转轴角速度ω三者之间符合下面的关系：
TM－TL＝J
（2.1）
或用转速n代替角速度ω，则为TM－TL＝
（2.2）
式（2.1）和式（2.2）称为机电传动系统的运动方程式。
机电传动系统的运动方程式是描述机电系统机械运动规律的最基本方程式，它决定着系统的运行状态，
当动态转矩Td＝TM－TL＝0时，加速度a＝
＝0，表示没有动态转矩，系统恒（匀）速运转，即系统处于稳态；当Td≠0时，a＝
≠0，表示系统处于动态，Td＞0时，a＝
为正，传动系统为加速运动；Td＜0时，a＝
为负，系统为减速运动。
因式（2.1）和式（2.2）中的TM、TL既有大小还有方向（正负），故确定传动系统的运行状态不仅取决于TM和TL的大小，还要取决于TM和TL的正负（方向）。
因此，列机电传动系统的运动方程式和电路平衡方程时，必须规定各电量的正方向，也必须规定各机械量的正方向。
对机电传动系统中各机械量的正方向约定[见图2.1（b）]如下：
在确定了转速n的正方向后，电动机转矩TM取与n相同的方向为正向，负载转矩TL取与n相反的方向为正向，因此，若TM与n符号相同，则表示TM与n的方向一致；若TL与n符号相同，则表示TL与n方向相反。
也可以由TM、TL的方向来确定TM、TL的正负。
根据上述约定，可以从转矩与转速的符号上判定TM和TL的性质：
若TM与n符号相同（同为正或同为负），则表示TM的作用方向与n相同，TM为拖动转矩；若TM与n符号相反，则表示TM的作用方向与n相反，TM为制动转矩。
而若TL与n符号相同，则表示TL的作用方向与n相反，TL为制动转矩；若TL与n符号相反，则表示TL的作用方向与n相同，TL为拖动转矩。
2．生产机械负载的类型
根据生产机械在运动中所受阻力的性质不同，可以将它们分成恒转矩型、通风机型、直线型和恒功率型等几种类型的负载（其机械特性见教材图2.4～图2.7）。
恒转矩型负载又有两种不同性质的负载转矩，即反抗转矩和位能转矩。
反抗转矩是由摩擦力、机床切削力等产生的负载转矩，其作用方向恒与运动方向相反，总是阻碍系统运动；位能转矩是由物体的重力或弹性体的弹性力产生的负载转矩，其作用方向固定不变，与运动的方向无关。
3．机电传动系统稳定运行的条件
在机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。
特性配合好的一个基本要求是系统要能稳定运行。
机电传动系统的稳定运行有两层含义：
一是系统应能以一定速度匀速运转，即电动机轴上的拖动转矩TM和折算到电动机轴上的负载转矩TL大小相等，方向相反，相互平衡，这是必要条件。
二是系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩波动等）而使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度，这是充分条件。
从机械特性[如图2.2所示，曲线1为异步电动机的机械特性n＝f（TM），直线2为恒转矩型生产机械的机械特性n＝f（TL）]上看，机电传动系统稳定运行的必要充分条件是：
①电动机和生产机械的机械特性曲线n＝f（TM）和n＝f（TL）有交点（如A、B两点，即拖动系统的平衡点）。
②当转速大于平衡点所对应的转速（即n＞n）时，必须有TM＜TL，即若干扰使转速上升，当干扰消除后应有TM－TL＜0，才能使系统减速而回到平衡点；而当转速小于平衡点所对应的转速（n＜n）时，必须有TM＞TL，即若干扰使转速下降，当干扰消除后应有TM－TL＞0，才能使系统加速而回到平衡点。
只有满足上述两个条件的平衡点，才是拖动系统的稳定平衡点，即只有这样的特性配合，系统在受到外界干扰后，才具有恢复到原平衡状态的能力而进入稳定运行。
显然，图2.2中只有A点才是稳定平衡点，而B点却不是稳定平衡点。
可见，不是随意选一台电动机就可以带动生产机械稳定运行的。
2.1.2基本要求
①掌握机电传动系统的运行方程式，并学会用它来分析与判别机电传动系统的运行状态；
②了解在多轴拖动系统中为了列出系统的运动方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法；
③了解几种典型生产机械的机械特性n＝f（TL）；
④掌握机电传动系统稳定运行的条件，并学会用它来分析与判别系统的稳定平衡点。
2.1.3重点与难点
1.重点
①运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态；
②运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点。
2．难点
①根据机电传动系统中TM、TL、n的方向确定TM、TL是拖动转矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、减速还是匀速；
②在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出TM、TL。
第三章直流电机的工作原理及其特性
3.1知识要点
3.1.1基本内容
1．直流电机的基本结构
直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势和载流导体在磁场中受力为基础来实现机电能量转换的。
为实现机电能量转换，直流电机的结构应包括定子与转子两大部分[都有铁心和线圈（绕组）]。
定子用于建立磁场，并作为机械支撑；转子（亦称电枢）用于产生感应电势、电流，实现机电能量转换。
直流电机之所以能够工作，在其结构上有一个很重要的部件，即换向器。
要很好地理解换向器的作用，从教材图3.5和图3.6分析可知：
直流电机作发电机运行时，换向器的作用在于将电枢绕组内的交变电动势转换成电刷之间极性不变的直流电动势；作电动机运行时，换向器的作用是当线圈的有效边从N极（或S极）下转到S极（或N极）下时改变其中电流的方向，使N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个有效边上受到的电磁力的方向不变，而且产生同一方向的转矩。
2．直流电机的基本工作原理
直流电机中能量转换的方向是可逆的。
同一台电机既可作发电机运行，将机械能转换为电能，也可作电动机运行，将电能转换为机械能（见图3.1）。
它们的电磁关系和能量的转换关系，可用下列三个基本方程式来描述。
（1）转矩方程式T＝KtΦIa（方向由左手定则确定）
注意：
电机等速运行时，转矩是平衡的。
在发电机中，电磁转矩T为阻转矩，方向与n相反，原动机的转矩T1＝T＋T0，T0为空载损耗转矩；
在电动机中，电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相同，T＝TL＋T0，TL为负载转矩。
（2）电势方程式E＝KeΦn（方向由右手定则确定）
在发电机中，电动势E为输出电功率的电源电动势，在电势作用下产生电枢电流Ia，E与Ia方向相同；
在电动机中，电动势E为反电势，它与外加电压产生的电流Ia方向相反。
（3）电压平衡方程式
在发电机中（见教材图3.8），E＝U＋IaRa，即发电机的电势为负载电压（发电机端电压）和电枢电阻压降所平衡；
在电动机中（见教材图3.15），U＝E＋IaRa，即电动机的外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。
注意：
电动机在运行时，它的转速、电动势、电枢电流、电磁转矩能自动调整，以适应负载的变化，保持新的转矩平衡。
3．直流电机的分类
直流电机按励磁方法的不同，分为他励、并励、串励和复励四类（见教材图3.7）。
在发电机中，用得较多的是他励发电机（见教材图3.8）和并励发电机（见教材图3.11），为使并励发电机能自励，要求有剩磁，且由剩磁感生的电流所产生的磁场方向应与剩磁磁场的方向相同，以及励磁电路的电阻不能太大。
发电机重要的运行特性是空载特性和外特性（如他励发电机的特性，见教材图3.9和图3.10）。
在电动机中，用得较多的是他励和并励电动机（见教材图3.15）。
4．直流他励电动机的机械特性，能够用公式说明，特性曲线能够绘制出（教材P24，固有特性曲线绘制方法要掌握）
电动机最重要的运行特性是机械特性。
他励直流电动机的机械特性表达式为
（3.1）
机械特性曲线见图3.2，机械特性的硬度
表示特性的平直程度。
电枢电路的附加电阻Rad＝0，电枢电压U＝UN，磁通Φ＝ΦN时的机械特性称为固有机械特性；
人为地改变U、Φ或增加Rad时所得到的机械特性称为人为机械特性（见教材图3.19、图3.20、图3.18）。
电动机的启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。
改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向（见教材图3.17）。
在通过计算绘制机械特性时要注意两点：
①KeΦN＝（UN－INRa）／nN对一台直流电动机而言是唯一的；
②额定转矩TN＝9.55PN／nN是电动机轴上的输出转矩，电磁转矩T＝KtΦIN≠IN。
5．直流电动机的启动
直流电动机启动的瞬间，由于n＝0，E＝0，因而启动电流Ist＝UN／Ra，很大，这对电网运行有害，且使电动机换向器火花大，所以，直流电动机不允许直接启动，启动时必须设法减少启动电流．由启动电流Ist＝U／（Ra＋Rat）可知，常用的启动方法有二：
①降压启动——这是用得最多的一种启动方法；
②电枢电路串接外加电阻启动——用此法时注意根据实际要求来设计启动电阻（见教材图3.24）。
注意：
启动转矩Tst是电磁转矩，只能用Tst＝KtΦIst来计算，且要注意Tst≠TNIst／IN。
6．直流他励电动机的调速
根据生产机械要求，人为地改变电动机的转速，称为调速。
直流电动机具有良好的调速性能。
由式（3.1）可知，他励直流电动机的调速方法有三：
（1）改变电枢外加电压U（见教材图3.28）
这种调速方法的主要特点是：
①可以在额定转速以下平滑无级调速；
②由于调压时机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围D＝nmax／nmin较大；
③可与电机启动时共用一套调压设备；
④为了充分利用电动机，希望在调速过程中维持电枢电流Ia不变，即电动机转矩T＝KtΦNIa不变，故调压调速适合于恒转矩调速。
这种调速方法用得最多。
（2）改变励磁磁通Φ（见教材图3.29）
这种调速方法的主要特点是：
①可以通过弱磁在额定转速以上平滑无级调速；
②调速范围不大，普通他励电动机的高转速不得超过额定转速的1.2倍；
③为了充分利用电动机，希望在调速过程中维持电枢电流Ia不变，即功率P＝UIa不变，所以这种调速适合于恒功率调速。
在这种情况下电动机的转矩T＝KtΦIa要随主磁通Φ的减小而减小。
基于弱磁调速范围不大，所以很少单独用它，有时为了扩大调速范围，就将它和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。
（3）在电枢电路中外串附加电阻Rad（见教材图3.27）
此法缺点多，现已很少采用。
7．直流电动机的制动，了解几种制动方法，可以与异步电机进行类比
电动机拖动生产机械，在生产过程中要求电动机能制动停车或减速等。
常用的制动方法有三：
（1）反馈制动
电动机在负载的拖动下使电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0（即n＞n0），E＞U，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成了发电机，把机械能转变成电能，向电源馈送，故称反馈制动，也称再生制动或发电制动。
常发生在电动机带动位能转矩型负载的情况，如电车下坡（见教材图3.31）、重物下放（见教材图3.33）时，它可以限制重物的下降速度；也可发生在降压调速（见教材图3.32）或增磁调速时变速的瞬间一段时间。
（2）反接制动
当他励电动机的电枢电压U或电枢电势E中的任一个在外部条件作用下改变了方向，即两者由方向相反变为方向一致时，电动机即运行于反接制动状态。
它有两种：
①电源反接制动（见教材图3.34）
把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动。
电枢电流反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成了发电机，把机械能转换成电能，将电能消耗在电枢回路的电阻中。
由于在反接制动期间，电枢电势E和电源电压U是串联相加的，Ia＝－（U－E）／Ra很大，因此，为了限制电枢电流Ia，电动机的电枢电路中必须串接阻值足够大的限流电阻Rad。
电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。
②倒拉反接制动（见教材图3.35）
把改变电枢电势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。
由于在电枢电路内串入适当的附加电阻Rad，就可使位能型负载（重物）由提升变为下放，电动机反向旋转（n＜0），电动势E变负，即E与U同向，电枢电流Ia＝（U＋E）／（Ra＋Rad）增大但不改变方向，所以电动机产生的电磁转矩T没有反向，T是反对重物下放的，故电动机起制动作用以限制重物的下放速度。
电动机变成了发电机，把机械能转换成电能消耗在电枢回路的电阻中。
倒拉反接制动用于重物下放时的限速，改变Rad的大小可以调节重物的下降速度。
（3）能耗制动（见教材图3.26）
把电动机电枢电路从电源脱开而串接一个附加电阻Rad，电枢电流Ia＝－E／（Ra＋Rad）在电动势E的作用下反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成了发电机，把机械能转换成电能消耗在电枢回路的电阻中。
如果电动机带动的是反抗性负载，就把传动系统储存的惯性动能消耗掉，使电动机迅速停车。
如果电动机带动的是位能负载，则在制动到n＝0时，重物还将拖着电动机反转，使电动机向下降的方向加速，即电动机倒拉使重物匀速下降。
能耗制动通常应用于拖动系统需要迅速而准确地停车及卷扬机重物的恒速下放。
改变制动电阻Rad的大小，可以调节停车的快慢（对反抗转矩负载）或重物下降的速度（对位能转矩负载）。
注意，为避免电枢电流过大，Rad的最小值应该使制动电流不超过电动机允许的最大电流。
电动机运行在制动状态下的主要特征是：
①电磁转矩与旋转方向相反，机械特性曲线在n-T平面的第二、四象限中。
②电机的作用是将运动部分储存的动能或位能转换成电能，电动机变成了发电机，电枢电流与电枢电势同向。
把电能反馈至电网或消耗在电枢回路内。
直流他励电动机从电动状态到各种制动状态的关系综合列于表3.1。
表中只给出相应于电动机正转时的情况，图中各物理量所标示的方向是各种运行状态时的实际方向。
各种制动方法具有各自的特点，注意根据生产实际要求来选取合适的制动方法。
3.1.2基本要求
①在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握直流电机的基本工作原理特别应掌握转矩方程式、电势方程式和电压平衡方程式；
②掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；
③掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所；
④学会用机械特性的四个象限来分析直流电动机的运行状态：
⑤学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据，确定电动机启动等运行特性。
3.1.3重点与难点
1．重点
①由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推导出来的，而机械特性又是分析启动、调速和制动特性的依据，所以机械特性是电动机内容的重中之重；
②他励直流电动机的启动特性；
③他励直流电动机的调压调速特性。
2．难点
本章较难理解的内容是电流、电势的换向过程和电动机的制动过程；电动机在各种运转状态下电磁转矩T、负载转矩TL，转速n、电枢电流Ia，和电势E等符号的确定。
第五章交流电动机的工作原理及其特性
5.1知识要点
5.1.1基本内容
1．三相电动机的基本工作原理，概念与基本计算，如转差率、同步转速、磁极对数等的计算
交流电动机主要有异步电动机和同步电动机，三相异步电动机又有鼠笼式和线绕式两种，由于鼠笼式异步电动机具有一系列的优点，所以，它在机电传动控制系统中使用得最为广泛。
旋转磁场是三相交流电动机赖以工作的基础，其同步转速为
异步电动机依据电磁感应和电磁力的原理使转子以低于n0的转速n旋转，其转差率，转差率何时等于1，何时为正，何时为负等等，要理解。
是异步电动机一个非常重要的参数。
同步电动机则依靠异性相吸的原理使转子严格地以同步转速n0旋转。
2．三相异步电动机定子电路与转子电路中的几个主要电量
异步电动机工作时，其定子每相绕组的感应电势为
E1=4.44f1N1Φ
而且，定子每相绕组上施加的电压U1≈E1，可见Φ∝U1。
当转子不动时，转子每相绕组的感应电势为
E1=4.44f1N1Φ=SE20
（因转子电势的频率f2=Sf1）
转子每相绕组的电流为
转子每相电路的功率因数为
cos
3．异步电动机的机械特性，理解各参数含义，根据铭牌参数，如电源频率、额定转矩、转子电阻、电抗、转子电动势等，能够计算同步转速、转子电流频率、转子启动电流和额定电流等参数。
异步电动机所产生的电磁转矩为
（5.1）
由式（5.1）可以作出异步电动机固有的机械特性n=f（T），此特性曲线上有四个重要特殊点：
①T=0，n=n0（S=0）为理想空载点；
②T=TN，n=nN（S=SN）为额定工作点；
③T=Tst，n=0（S=1）为启动工作点；
且一般
④T=Tmax，n=nm（S=Sm）为临界工作点。
（5.2）
（5.3）
且一般过载能力系数
根据式（5.1）还可以作出改变U、f以及在定子、转子电路串接电阻或电抗的人为机械特性。
异步电动机的铭牌数据和它的一些额定值，对使用者来说是相当重要的，必须给予重视。
4．异步电动机的启动，了解基本概念
异步电动机启动电流大，有对电网影响大等一系列缺点，因此，必须采取限制启动电流以改善启动性能的措施，这对延长电动机的使用寿命以及提高工作效率和可靠性都有重要的价值。
改善启动性能是从两方面来实现的：
一是从外部控制线路上想办法，对于鼠笼式电动机主要采取多种降压启动法（如定子串电阻或电抗、Y-△、自耦变压器、延边三角形等），对于线绕式电动机则主要在转子电路中串接电阻或频敏变阻器；
二是从电机内部想办法，即在制造上增加鼠笼式异步电动机转子导条电阻或改善转子槽形（如高转差率，双鼠笼和深槽式等）。
其最终效果都是为了减少启动电流而获得尽可能大的启动转矩。
直接启动只有在供电电网（或供电变压器）容量允许的前提下才能采用。
各种启动方法都有各自的优缺点，注意根据实际情况来选用不同的启动方法。
5．异步电动机的调速，概念
由
可知，异步电动机的调速方法有三：
①改变转差率调速，包括转子串电阻调速和改变电压调速。
这种调速方法设备简单，启动性能好，但随着S的增加，电机的特性变坏，效率降低。
②变极调速，就是改变定子绕组的连接方式，使每组定子绕组的一半绕组内的电流改变方向，这不仅使电机的极对数和转速大小发生变化，而且电流的相序和电机的转向也发生了改变，为保持电机原来的转向，必须在变极的同时改变三相绕组接线的相序。
若绕组由Y→YY，则属恒转矩调速；若由△→YY，则属恒功率调速。
③变频调速，能对异步电动机转速进行宽范围的连续调节，该方法控制功率小，调节方便，易于实现闭环控制，它是目前广泛采用的一种调速方式。
各种调速方法也都有各自的优缺点，亦应因地制宜。
6．异步电动机的制动，概念记牢
异步电动机的制动状态也有三种：
①反馈制动状态，其特点是n＞n0，S和T均为负值，机械特性曲线是第一象限中电动机状态下的机械特性曲线在第二象限的延伸。
②反接制动状态，其特点是n0与n反向，若是电源反接（对反抗转矩），则T与TL同向，机械特性由第一象限转为第二象限，使电机迅速停下（注意，n=0时要及时拉开电源，否则反转）；若是倒拉反接（对位能转矩），则T与TL仍然反向，机械特性由第一象限转为第四象限，电机反转使重物慢速下降。
③能耗制动状态，其特点是要在定子两相绕组上加直流电压，产生制动转矩，使电机停下，机械特性由第一象限转为第二象限。
实际应用时，应根据实际需要来选择适宜的制动方法。
7．单相异步电动机
单相异步电动机是一种采用单相电源供电的异步电动机，工作原理与三相异步电动机单相运行相同，主要运行特点是电动机没有启动转矩。
为使电机启动，通常用电容分相式启动和罩极式启动等方法，在原理上是将单相脉振磁场变为旋转磁场，具体方式是采用另设启动绕组或在极靴上加短路铜环。
它的突出优点是只需单相交流电源供电，因此，它广泛应用于家用电器、医疗器械和自动控制装置中。
8．同步电动机
同步电动机的最大特点是转速恒定，功率因数可调，可用以改善电网的功率因数。
一般的同步电动机启动困难，需采用异步启动法，但用于变频调速的同步电动机，由于频率可调，则很易实现低速启动。
5.1.2基本要求
①了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；
②掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用；
③学会用机械特性的四个象限来分析异步电动机的运行状态；
④掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；
⑤了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。
5.1.3重点与难点
1．重点
①掌握异步电动机的机械特性，该特性是基于异步电动机的工作原理而推导出来的，特别要掌握异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；
②对异步电动机铭牌数据、额定值的含义要非常熟悉；
③掌握异步电动机直接启动和Y-△降压启动的条件和优缺点，线绕式异步电动机转子串电阻的启动、调速和制动，以及各种启动方法的应用场合；
④掌握异步电动机变频调速和变极对数调速的特性与优缺点。
2．难点
本章在分析问题时较难理解的是定子旋转磁场与转子运动的相对性和电动机的制动过程。
5.4关于教学方面的建议
（1）交流电动机的结构和工作原理最好采用现场教学或采用录像片、多媒体教学；
（2）定子旋转磁场的产生主要讲清分析思路，不需讲得过细过全，产生的全过程可以让学生自学；特殊鼠笼式异步电动机只需提及它们的特点，也可让学生自学。
第八章继电器—接触器控制系统
8.1知识要点
8.1.1基本内容
1．控制电器
控制电器主要是指接触器和继电器，控制电器就其工作原理而言绝大多数都是电磁式的，其结构主要由铁心线圈和触头组成。
因此，电磁线圈的电流种类、电压高低就成为选择这些控制电器的重要依据之一；控制电器的触头是用来接通与断开电路的，因此，触头通、断开的能力或其额定电流也是选择这些控制电器的又一主要依据。
当然各类控制电器还有它自己的特点，如时间继电器就有各种型式，它们的结构特点，原理和用途各不一样，所以，熟悉各种控制电器的基本工作原理、技术数据和应用场所是至关重要的。
2．基本控制环节和基本控制方法
在了解电气控制电路安装接线图和原理图的区别基础上，重点熟悉绘制原理图的基本规则。
任何复杂的电气控制电路都是根据生产机械的实际需要和具体控制对象，选择几种基本的控制方法，由一些基本的控制环节按一定的程序相互连锁而构成。
因此，必须熟练掌握基本控制环节和基本控制方法（原则）。
（1）基本控制环节，能够设计基本控制电路，如正反转、点动、多地控制
基本控制环节主要有：
启动、正反转、点动、各种联锁及顺序（程序）运转等的控制，这是最基本的。
（2）基本
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