机电工程实践指导书.docx

1、机电工程实践指导书机电工程实践指导书济南大学机械工程学院机电系编2009.1机电工程实践任务书 2第一章 机电一体化系统4第一节 机电传动系统的运动方程式4第二节 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算5第二章 电动机的选择8第三章 接触器继电器控制16第四章 直流伺服电动机PWM脉冲宽度调制系统39第一节 SZXC稀土永磁直流伺服电动机39第二节 PWM直流调速系统39第三节 装置的组成42第五章 交流异步电动机矢量变换控制系统44第一节 矢量变换控制的基本原理44第二节 矢量变换控制的关系和电路46第六章 交流电动机变频调速系统52第一节 概 述52第二节 变频调速基本原理 53实践一 ACS60

2、1变频调速实践66实践二 交流电动机矢量控制实践68实践三 直流电动机PWM调压调速实践71实践四 基于FANUC数控系统的交流伺服控制实践72实践五 数控加工中心实践73实践六 基于PLC控制的气动物料搬运系统实践74实践七 转子平衡实践75实践八 油品润滑性能模拟评定摩擦磨损实践77实践九 负荷传感器的测量与应用实践78实践十 霍尔式传感器的直流激励特性实践79实践十一 应变片的温度效应及温度补偿实践82实践十二 微机控制气动弹琴实践84实践十三 电动机转速测试实践86实践十四 工业机器人实践88机电工程实践任务书一、 机电工程实践的目的和意义通过机电工程实践了解机电一体化技术在工程中的应

3、用；掌握机电传动控制系统的构成；学会正确选用电动机和设计简单控制系统；学会常用低压电器的使用方法；了解机电传动连续控制系统的组成及实现方法。培养综合运用机、电、气、液知识，理论联系实际，解决工程实际问题的能力。通过实践，提高动手能力和工程实践能力。二、 机电工程实践名称及内容名称：机电传动系统电机选型及其控制电路设计与实践内容：本着机电结合，机为基础，电为机用的思想，本实践的内容为传动电动机选型及其控制系统设计与实践，它包括机械传动计算、传动电机选择、简单电气控制电路设计、简单电气控制电路工程实践、连续伺服驱动控制、速度控制、位置控制等实验。三、 机电工程实践步骤1、 根据所给传动系统简图，进

4、行转动惯量、转矩的等效转换；2、 选用传动电动机；3、 设计传动系统断续控制（启动、停止、换向、保护）电路原理图，包括主回路和控制回路；4、 断续控制实验；5、 连续控制实验，包括交流伺服连续控制、交流变频控制、直流伺服连续控制和步进电动机开环控制等实验。四、 机电工程实践报告要求机电工程实践结束后，提交如下材料（一）报告1份， 报告包含如下内容：1、 传动系统等效简化计算过程；2、 传动电机、控制电器选择计算、选择理由说明；3、 手工绘制的传动系统断续控制主回路和控制回路电气原理图。（二）提交实验报告2份。五、 机电工程实践考核办法平时成绩占总成绩的10%，考核成绩占总成绩的90%，考核成绩

5、包括：1）设计计算、电机选型、简单控制电路设计，占考核成绩的60；2）实验占考核成绩的40，每个实验占20。六、 机电工程实践初始参数1 电动机；2 传动轴1；3 连轴器；4 传动轴2；5 传动轴3；6 滚子；7 重物图1 机械传动简图表1 设计原始参数表题号参数名称JM（kgm2）J1（kgm2）JL（kgm2）Z1Z2Z3Z4传动效率（Nm）D(m)m(kg)电机轴启动角加速度负载运行速度简图1参数值0.5151680242160.851005.063a20.5151680242160.850.210005.00.66b3121020100301800.851508.047a4121020

6、100301800.850.2515008.00.62b51.53152496402400.8520013.0128a61.53152496402400.850.320013.02b注：JM 电动机转子、连轴器、齿轮Z1和传动轴1的总转动惯量；J1 齿轮Z2、Z3和连接轴的总转动惯量；JL 齿轮Z4 、滚子、传动轴3 的总转动惯量（对于b图不包括物体m）负载运行速度对于a图是指滚子的转速，单位为r/min，对于b图是指重物上升或下降的速度，单位为m/s，运行速度可以在表中所给速度的-10% +10% 范围内变化。第一章 机电一体化系统“机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个

7、新概念。是各有关技术有机结合的一种新形式。可以说，机电一体化是机械技术、微电子技术相互融合的产物。它具有“技术”与“产品”两方面的内容，首先是机电一体化技术，主要包括技术原理使机电一体化产品(或系统)得以实现、使用和发展的技术，其次是机电一体化产品，主要是机械系统(或部件)与微电子系统(或部件)相互置换和有机结合、从而赋予新的功能和性能的新一代产品。图1-1 机电系统一般组成尽管机电一体化产品的结构、外观、功能各不相同，但就其内在实质可以抽象为图1-1所示系统。在这个系统中，机电传动控制是核心。从动力学的角度来分析时，则都应服从动力学的统一规律，所以本章首先分析机电传动系统的运动方程式，进而介

8、绍复杂传动系统等效简化的意义和方法。第一节 机电传动系统的运动方程式图1-2所示为一单轴机电传动系统，它是由电动机M产生转矩TM，用来克服负载转矩TL以带动生产机械运动，当这两个转矩平衡时，传动系统维持恒速转动，转速n或角速度不变，加速度dndt或角加速度ddt等图1-2 单轴机电传动系统于零，即TM=TL时，n=常数，dndt=0，或=常数，ddt=0，这种运动状态称为静态(相对静止状态)或稳态(稳定运转状态)。当TMTL时，速度就要变化，产生加速或减速，速度变化的大小与传动系统的转动惯量J有关，把上述的这些关系用方程式表示，即为 （1-1）这就是单轴机电传动系统的运动方程式。式中： TM

9、电动机产生的转矩； TL 单轴传动系统的负载转矩； J 单轴传动系统的转动惯量； 单轴传动系统的角速度； t 时间。第二节 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算上节所介绍的是单轴拖动系统的运动方程式，但实际的拖动系统一般常是多轴拖动系统，如图1-3所示。这是因为许多生产机械要求低速运转，而电动机一般具有较高的额定转速。这样，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，如减速齿轮箱或蜗轮蜗杆、皮带等减速装置。图1-3 多轴传动系统在这种情况下，为了列出这个系统的运动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量都折算到同一根轴上，一般折算到电动机轴上，即折算成图1-2所示的最简单的典型单轴系统

10、，折算时的基本原则是折算前的多轴系统同折算后的单轴系统在能量关系上或功率关系上保持不变。下面简单地介绍折算方法。1、 负载转矩的折算负载转矩是静态转矩，可根据静态时功率守恒原则进行折算。对于旋转运动如图1-3 (a) 所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率为式中PL和L生产机械的负载转矩和旋转角速度。设TL折算到电动机轴上的负载转矩为TL，则电动机轴上的负载功率为式中 M电动机转轴的角速度。考虑列传动机构在传递功率过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率C来表示，即于是可得折算到电动机轴上的负载转矩式中：C 电动机拖动生产机械运动时的传动效率；传动机构的速比。对于直线运动，如图1-3 (b)

11、所示的卷扬机构就是一例。若生产机械直线运动部件的负载力为F，运动速度为v，则所需的机械功率为它反映在电动机轴上的机械功率为式中 TL负载力F在电动机轴上产生的负载转矩。 如果是电动机拖动生产机械旋转或移动，则传动机构中的损耗应由电动机承担，根据功率平衡关系就有将 代入上式可得式中，nM 电动机轴的转速。2、 转动惯量的折算由于转动惯量与运动系统的动能有关，因此可根据动能守恒原则进行折算。设传动系统由m个转动件（包括电动机的转子）和n个平动件组成，转动件的转动惯量和角速度分别为 J i和i；平动件的质量和速度分别为m j 和v j；则系统总的动能为：折算到电机轴上时，系统总动能为：根据动能守恒

12、E2 = E故折算到电动机轴上总的转动惯量为：第二章 电动机的选择正确理解电动机铭牌上所列参数的含义，是正确选择和使用电动机的基础，现以Y132M4A型电动机为例，说明电动机铭牌上所列参数的含义。表2-1 三相异步电动机铭牌三相异步电动机 型号Y132M4A功率7.5 KW频率50 Hz 电压380伏电流15.41A接法转速1440 r/min温升工作方式连续绝缘等级E功率因数0.85效率88%1. 型号 型号说明，例如: Y 132 M 4 AY三相异步电动机；132机座号；M机座长度；4极数；A铁芯长度代号。 三相异步电动机常用系列有以下几种： （1）Y系列（IP44）封闭自扇冷式，能防止

13、灰尘、铁屑、杂物侵入电机内部，适用于灰尘多、土扬水溅的场合。 （2）YB系列 防爆型三相异步电动机，广泛用于有爆炸性气体混合物存在的场所。 （3）YD系列 变极多速三相异步电动机。 （4）YH系列 高转差率三相异步电动机。（5）YR系列防护绕线转子式三相电动机，封闭自扇冷式，具有高启动转矩，用于对启动转矩要求高启动转矩，用于对启动要求较高的生产机械。2. 接法这是指定子三相绕组的接法。一般鼠笼式电动机的接线盒中六根引出线，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中U1、U2是第一相绕组的两端，V1、V2是第二相绕组的两端，W1、W2是第三相绕组的两端。如果U1、V1、W1分别为三相绕组的始端

14、（头），则U2、V2、W2是相应的末端（尾）。这六个引出线端在接电源之前，相互之间必须正确连接。连接方法有星形（Y）连接和三角形（）连接两种。3. 电压铭牌所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。如果电动机所接入电源的线电压等于电动机的额定相电压（即每相绕组的额定电压），那么，它的绕组应接成三角形；如果电源的线电压是电动机额定相电压的倍，那么，它的绕组应接成星形。通常电动机的名牌上标有符号Y/和数字380/220，其中，Y/表示定子绕组的接法，380/220表示对应于不同接法应加的线电压值。例如，电源的线电压值为380V，现有两台电动机，其名牌数据如下，试选择定子绕组的连接

15、方式。（1） Y90S-4，功率1.1KW, 电压380/220V, 连接方式Y/, 电流2.7/4.67A, 转速1400r/min, 功率因数0.79. （2） Y112M-4，功率4.0KW, 电压660/380V, 连接方式Y/, 电流5.1/8.8A, 转速1440r/min, 功率因数0.82. 解 Y90S-4型电动机应接成星形(Y), Y112M-4型电动机应接成三角形()。一般规定，加在电动机上的电压不应高于或低于额定值的5%。当电压高于额定值时，磁通将增大。这样，不仅铁损增加，铁心发热，而且绕组也有过热现象。但通常碰见的是电压低于额定值。这时引起转速下降，电流增加。如果在满

16、载的情况下，电流的增加将超过额定值，使绕组过热。还必须注意，在低于额定电压下运行时，和电压平方成正比的最大转矩Tmax会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。4. 电流名牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者相对转速很小，所以转子电流接近于零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。5. 功率与效率名牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。所谓效率就是输出功率与输入功

17、率的比值。 如 以Y132M4A型电动机为例： 输入功率 =8.5 KW 输出功率 KW 效率 一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为7592。在额定功率的70100时效率最高。6. 功率因数因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个角，就是电动机的功率因数。三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.70.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.20.3。因此，必须正确选用电动机的容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载的时间。 7. 转速由于生产机械对转速得要求不同，需要生产不同磁极数的异步电动机，因此有不同的转速等级。最常用的是四个极的（=1500 r/min）和六个极的（

18、=1000 r/min），其它的还有是二个极的（=3000 r/min）和八个极的（=750 r/min）通常电机的转速不低于500 r/min。因为当功率一定时，电动机的转速越低，则其尺寸越大，价格越贵，而且效率也较低。因此就不如选用一台高速的，再另配一台减速机来的合算。8. 温升温升是指电动机在运行中定子绕组发热而升高的温度。电动机发热影响绝缘材料，而各种绝缘材料的耐热性不同，所以电机的容许温升与绝缘的等级有关。如果电动机用的是E级绝缘，定子的容许温度不能超过4075115摄氏度。表2 -2 绝缘等级及温升绝缘等级环境温度40度的容许温升A60度E75度B80度 表2-3 两极三相异步电动

19、机选型参数表 2poles=3000 r/min 电流转矩功率In(A)Is/InTn(Nm)Ts/TnTmax/TnJKWHPYUr/min%cos额定电流堵转电流/额定电流额定转矩堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩Kgm2千瓦马力型号转速效率功率因数转动惯量0.371/271M2A2840700.81.006.01.242.22.40.000330.553/471M2B284073.50.821.396.01.852.22.40.000410.75180M2A2820750.841.816.02.542.22.20.000901.11.580M2B2820770.862.526.03.7

20、32.22.20.001061.5290S2A2840780.853.447.05.042.22.20.001322.2390L2A2840820.864.747.07.402.22.20.0016834100L2A2870820.876.397.09.982.22.20.0040845.5112M2A290085.50.878.177.013.172.22.20.006915.57.5132S2A291085.50.8811.117.018.052.22.20.012997.510132S2A291086.20.8815.027.024.612.22.20.015341115160M2A29

21、2087.20.8821.787.035.982.22.20.041001520160M2B293088.20.8829.367.048.892.22.20.0551018.525160L2A2940890.8935.497.060.092.02.20.065492230180M2A2950890.8942.27.071.222.02.20.088053040200L2A2960900.8956.97.096.792.02.20.148213750200L2B296090.50.8969.797.0119.382.02.20.167224560225M2A297091.50.8983.967.

22、0144.702.02.20.29345表2-4 四极三相异步电动机选型参数表 4poles=1500r/min 电流转矩功率IN(A)Is/INTN(Nm)Ts/TNTmax/TNJKWHPYUr/min%cos额定电流堵转电流/额定电流额定转矩堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩Kgm2千瓦马力型号转速效率功率因数转动惯量0.251/371M4A1420640.680.874.51.682.22.40.000600.371/271M4B1410680.721.155.52.512.22.40.000770.553/480M4A1410730.761.515.53.732.22.20.001

23、540.75180M4B140074.50.762.015.55.122.22.20.001831.11.590S4A1400780.782.755.57.502.22.20.002721.52.290L4A1390790.793.656.010.312.22.20.003372.23100L4A1420810.825.036.014.802.22.20.0070234100L4B143082.50.816.826.520.032.22.20.0090145.5112M4A143084.50.828.776.526.532.22.20.012645.57.5132S4A143085.50.84

24、11.646.536.732.22.20.026897.510132M4A1440870.8515.416.549.74.2.22.20.035011115160M4A1460880.8422.616.571.952.22.20.065431520160L4A146088.50.8530.36.598.122.22.20.0934918.525180M4A1470910.8635.927.0120.192.02.20.160492230180L4A147091.50.8642.487.0142.932.02.20.180463040200L4A148092.20.8756.827.0193.5

25、82.02.20.281903750225S4A148091.80.8770.397.0238.751.92.20.506824560225M4A148092.30.8884.187.0290.371.92.20.58585表2-5 六极三相异步电动机选型参数表 6poles =1000 r/min 电流转矩功率In(A)Is/InTn(Nm)Ts/TnTmax/Tn JKWHPYUr/min%cos额定电流堵转电流/额定电流额定转矩堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩Kgm2千瓦马力型号转速效率功率因数转动惯量0.181/471M6A850490.620.94.02.021.71.80.0006