机电传动控制完整版.docx

1、机电传动控制完整版 机电传动控制教案学院、系： 机械电子工程学院机电系 任课教师： 任有志 授课专业： 机械设计制造及其自动化课程学分： 课程总学时： 60学时 课程周学时： 2006年2月20日机电传动控制教学进程周次课次章 节计划学时教学手段教学环境223344556677889910101111121213131414151516161212121212121212121212121212121.11.21.32.12.32.4 3.13.2 3.33.43.53.6 5.15.25.35.45.45.55.75.8 6.16.26.3 6.46.5 6.77.17.2 7.37.47.

2、5 7.6电动机原理习题讨论课8.1 8.1 8.2 实验课 继电器接触器控制实验习题讨论课：8.3 8.49.1 9.2 实验课：可编程序控制器认识实验9.3 9.3实验课：可编程序控制器编程练习10.1 10.210.310.5 10.6实验课：晶闸管特性及触发原理11.1 11.211.3 11.412.1 13.1 13.2 13.3 13.4 实验课题讨论课222222222222222222222222222222讲授讲授讲授讲授讲授讲授讲授讲授辅导讲授讲授讲授指导辅导讲授讲授指导讲授指导讲授讲授指导讲授讲授讲授讲授讲授讲授指导辅导多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室

3、多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室机电实验室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室多媒体教室机电实验室多媒体教室第 1 次课 2 学时上次课复习：本次课题（或教材章节题目）： 1.1目的和任务1.2发展概况1.3内容安排2.1运动方程式2.3生产机械的机械特性2.4 稳定条件教学要求： 了解机电传动的目的、任务和发展概况，掌握机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性和机电传动系统稳定运行的条件。重 点：机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性、机电传动系

4、统稳定运行的条件。难 点：机电传动系统的运动方程、机电传动系统稳定运行的条件。教学手段及教具： 多媒体教学讲授内容及时间分配：1.1、1.2、1.3 0.5学时2.1、2.3、2.4 1.5学时课后作业习题2.10、2.11参考资料第一章 概述1.1机电传动的目的和任务1.传动运动的传递（能量）传动的分类（按机械动能传递方法）（1）机械传动 a.齿轮 b.杠杆 如：自行车驱动力、链传动 c.皮带 d.机构等 刹车、连杆机构 传递力或力矩 （机械能）（2流体传动 a.液压与气动 （压力能） b.液力传动 （流体动能）（3）机电传动(电力拖动)（4）另外还有其它的传动方式。 注：有时，在一个生产机

5、械中由几种传动形式联合工作。2.机电传动（本课程研究的内容）以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统服务对象：各种生产机械电能 机械能电动机生产机械它是一种由电能转变成机械能的传动系统，所以有时也称为电力传动或电力拖动3. 机电传动控制目前：由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化程度和生产精度不断提高，所以要求机电传动系统不仅完成能量转换的工作还要对传动过程进行控制。本课程所研究的就是这二部分内容。传动及控制所以课程名称叫机电传动控制4. 机电传动控制的任务控制 电动机 驱动生产机械设备，实现具体的工作要求举例：天车的吊起、制动 机床切削过程电梯平稳升降及定位 轧机的换向等1.2机电传动发展概

6、况简单的可以分为： a.成组拖动（传动） b.单电机拖动 c.多电机拖动 三个阶段从控制系统的功率器件上分类： a.接触器和继电器时代 b.电机放大机及磁放大机时代 c.可控硅（晶闸管）另外，由于计算机技术的发展，又出现了 a.模拟控制 b.数字控制（数控机床）1.3 内容安排1.机械电子专业是一个以机为主机电结合的专业,课程设置（具了解）基本上是这样的 电路基础 电学基础 模拟电子 电子技术（弱电） 数字电子 计算机技术 机电传动控制 包括了所有应掌握的强电内容用以上四门课程取代了机械专业的电工学课程。2.本门课包括以下几个方面：（1）电机原理及特性: 交、直、特殊、 三七章（2）电器及控制

7、： 接触器，继电器;保护及控制器 八章（3）可编程序控制器： （PC）原理及应用 九章（4）可控硅原理及应用: 晶闸管 十章（5）调速系统: 交流、直流,电力拖动 十一、十二章（6）步进电机调速系统: 自动化 十三章3.课程特点 综合性比较强（面宽） 实践性比较强 与生产实践联系较强（教学实验）4.教学实验 计划开五个：5.学时安排： 由于作者建议用90学时讲授，实际他用大约70学时 我们目前安排了60个学时。 教学实验 建议开八个 实际开出了五个 我们目前条件可开六个 但学时数的关系开五个第二章 机电传动的动力学基础2.1运动方程式1.对于一个电动机输出轴上的运动情况有 Tm 电机的输出扭矩

8、TL 电机的负载扭矩 为角速度J 转动惯量n 为转速k 为常数2.意义：Tm与TL之差将产生加速度 当TmTL时，加速 当TmTL时，减速 当Tm=TL时，匀速（平衡）3.Tm与TL的正反。以转速的方向为准（n）Tm： 与n同向时为正（拖动）反之为负（制动）TL： 与n反向时为正（制动）反之为负（拖动）解释：提升重物升：Tm为正，TL正降：TL为负，Tm负（制动）第5页2个图2.3生产机械的机械特性机械特性： 生产机械转轴（电机轴）上的负载转矩和转速之间的函数关系。分为以下几种2.3.1 恒转矩机械特性特点： 负载转矩为常数，TLC 可分为: 反抗（摩擦） 与n同号（总制动） 位能 方向一定反

9、抗转矩 位能转矩 离心风机特性例切削力 吊重物2.3.2 离心风机特性特点：Tc=cn2与转速平方成正比2.3.3 直线型特性特点:TLcn 2.3.4 恒功率型特性特点:TLc/n直线型 恒功率型2.4 机电传动系统的稳定运行条件电动机的机械特性是Tm=f(n) 曲线及驱动扭矩和转速的函数关系生产机械的机械特性是TLf(n)曲线及负载扭矩和转速的函数关系当电动机作为生产机械的原动机（动力源）时，两个函数中的n为同一个参数。在运行中由运动方程式可知，要想稳定运行，速度应匀速不变及TLTm时及是稳定的一个条件,所以系统稳定运行的条件之一是1、电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点 此处：Tm=T

10、L（匀速）例： 曲线1和2，附合这个条件,有a、b交点 曲线1和3，不附合另外，应有抗干扰能力:当有外来干扰时会引起n变化当干扰消失后，n应恢复原状态所以另一个稳定条件是:2、当有外加干扰使n变化时，干扰消除后n应能自行恢复到原状态。这件条件的判断原则是: 当nTmTL由运动方程看 当干扰使n时,干扰消除后希望n这时如Tm-TL0则正加速例：a,b两点a点，当n时 TmTm当干扰消除后由于在n处Tm-TL0,所以n到n直到a点处平衡第 2 次课 2 学时上次课复习：机电传动系统的运动方程、各种生产机械的特性、机电传动系统稳定运行的条件。本次课题（或教材章节题目）： 3.1直流电机的结构和工作原

11、理3.2直流发电机3.3直流电动机的机械特性教学要求： 掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别时直流电动机的机械特性。重 点：直流电机的基本工作原理及特性。难 点：直流电机的基本工作原理及特性。教学手段及教具： 多媒体教学讲授内容及时间分配：3.1、3.21学时3.31学时课后作业习题3.3、3.4、3.5、3.6参考资料第三章直流电机的工作原理电机的分类： a发电机，电动机 b直流，交流、步进特点： 直流电动机： 可以实现无级调速（优点）,在传统的模拟控制系统中应用多 交流电动机： 简单、 便宜、但调速复杂 步进电动机： 用脉冲工作、易于数字控制 直流发电机： 一般用来为直流电动机配套；但可

12、控硅取代很多的发电机3.1直流电机的基本结构和原理3.1.1直流电机的结构主要部件： 励硅绕组（定子线圈）用来产生磁场 电枢绕组（转子线圈）通有工作电流 换向器 保持电枢绕组的电流方向不变 铁芯（定子、转子）导磁及支撑作用： 简述其它： 略3.1.2 直流电机的基本工作原理 以单个电枢绕组线圈为例说明一、发电机（根据右手定则） 励磁绕组通电产生一磁场 A点总与N极侧的一边相连 B点总与N极侧的一边相连 转子（电枢线圈）由原动机拖动， 以转速n转动 这时，N边切割磁力线产生电势 指向外 S边切割磁力线产生电势 指向内 AB两点就产生了电势EKen 当有负载RL时，就产生电流I 这时， EKen二

13、、电动机（根据左手定则） 在AB两点加电压，在电枢中产生电流I 则N边受力, S边反向受力，形成转矩 TKmIa 电枢转动后，切割磁力线产生反电势 EKen 当n到一定值后， Ia=（U-E）/Ra 满足T后稳定下来。 注: 在发电机中 EKen 是输出电势 当Ia0时， TKmIa（负载转矩）为原动机负载,既Ia为负载 在电动机中 TmKmIa 为输出动力 EmKen 为反电势 当Tm 大 n TM-TL=J(d/dt) EM (U-EM) Ia=(U-EM)/Ra TM TM 是负载3.2 直流发电机对于直流电机按其励磁方法分为以下几种情况: 他励：磁绕组有独立的电源与电枢无关 并励：励磁

14、绕组与电枢并联 串励：励磁绕组与电枢串联 复励：有串也有并励3.2.1他励发电机1.电原理图由于独立Uf, If所以负载电流I电枢电流Ia2. 空载特性当发电机空载（Ia=0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线当If小时直线（不饱和） If大时， 弯曲（开始饱和） If更大， 平直（饱和，不变）3. 外特性曲线当发电机转速（n）和励磁（）不变时，输出电压（U）与负载电流(I)之间的关系曲线注：当IaRaIaU=E-IaRa3.2.2并励发电机1.电原理图：由于If电原理图由电路原理公式，推导出说明：n0与输出转扭T无关所以称为理想空载转速; 而n反映负载对转速的影响,是负载引起的

15、转速误差机械特性:（If）励磁电流与电枢电压（U）不变时转速(n)与扭矩(T)的关系曲线由上式可知机械特性如图机械特性硬度:dT/dn对于电机按值分类如下:绝对硬度 =硬 10软 10三种在生产中都有应用机械特性分固有机械特性和人为机械特性固有：在额定条件下（n）与(T)的关系人为：人为改变参数时得到的机械特性, 如改变U，串联电阻R等（一）他励直流电动机的固机械特性 由（二）人为机械特性1. 电枢串电阻由：这时n0 不变，而n则增加，特性如图2.改变电压时（U）这时n0受电压变化而改变，而n则因与电压无关所以不变，特性如图3.改变磁通由于磁饱和和线圈的原因只能减小由当下降时n0上升,同时n也

16、增加当太小时反电势 E=Ken 当TL大时 Ia=(U-E)/Ra 烧坏当TL小时 E=Ken 因为所以n 飞车所以不能太多（并励比较人为特性降压时U）3.3.2串励电动机这时Ia=If从而有1. 当T因为If=Ia也小（TKmIa）2. 当T大时If=Ia；饱和，平坦3. 不能空载（飞车）特点：起动扭矩大用于吊车电车的驱动起动时特性软。3.3.3 复励有串，他(并)励两个绕组具有两者的优点，可根据要求来设计，串、并磁场强度来达到所需的值第 3 次课 2 学时上次课复习：直流电机的基本工作原理、直流他励电动机的固有机械特性和人为机械特性本次课题（或教材章节题目）： 3.4直流他励电动机的启动特

17、性3.5直流他励电动机的调速特性3.6直流他励电动机的制动特性教学要求： 掌握直流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性重 点： 直流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性难 点：直流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性教学手段及教具： 多媒体教学讲授内容及时间分配：3.4、3.5、1学时3.61学时课后作业习题3.10、3.16、3.17、3.18参考资料3.4 直流他励电动启动特性1. 电动机的启动就是使n从0nN的过程启动初期 n=0; E=Ken=0（反电动势）这时： Ia=(U-E)/RaU/Ra 一般Ra（电枢直流电阻）很小，以减小工作中的损耗和发热（Ia2Ra是发热量）所

18、以这时Ia将很大,达10-20IN结果可能会引起（1）换向器打火（2）产生很大的力矩，对负载产生冲击（3）电路的保护器无法设计2. 所以一般的直流电动机不允许直接启动在启动时设法限制电枢电流一般的有以下两 种方法（1）降压启动使U从小到大逐渐增加到U（2）电枢回路串联电阻启动注:对于降压启动需要电源电压可调。3. 电枢串联电阻启动（1）单段（串联一级电阻）当启动时KM断，这时从Tst开始按a变化当到TL时，KM合，由于n 不能突变，所以从A到B点产生冲击T比较大，这时，有较大的Ia和T（2）多段如图所示3.5直流他励电动机的调速特性电动机的调速是指电动机的外负载（T）不变的情况下，人为的改变电

19、动机的工作参数，使工作速度发生变化的情况。速度调节：因生产机械提出的变速要求：如汽车、车床速度变化：由于T的变化引起（系统的特性决定）例如：自行车调整变速器（变速比）如图所示:当TLTL时这时速度变化nn由于电动机有:当T不变时，影响的参数有 U, , Ra所以调速的方式可以有以下三种，变电压U;变磁通;变电阻R一、串联电阻调速在电枢回路中串联电阻Rd 改变其机械特性，引起调速由图可知：当R时n（TL不变）特点： 1、当R时机械特性变软 2、TL越小,n（速度变化）越小不同TL,调速范围不一样 3、电阻耗能大（发热） 由于Ia比较大，当R时I2R 4、不易实现无级调速(大功率变阻器) 5、调速

20、的设备比较简单（分级调节）一般不常用这种方式二、变电枢电压调速当U改变时，n0变当T不变时,UU nn特点：1、当U改变时，引起n0变化这时n不变所以不变，是一组平行线2、不同的TL时，调速范围一样（n）3、当n电源功率也 节能4、通过专门的电源，可实现无级调速5、启动不需其它的设备（用降既可实现6、电源设备，需要专门设计，现已配套用直流电动机的调速中，主要采用这种形式三、改变磁通调速由电机人为特性可知：可以改变励磁电流If由于磁路已饱和（额定处）If时不变,所以只能在n0,位于二四相限TM反方向 n=n0+n特点:转速较高. 举例说明:放下重物3.6.2反接制动一.电源反接制动原理:将电源反

21、接产生制动(短时)特点: 电流大应串限流电阻,(U+E)/Ra=Ia 时间长会引起反转 二.倒拉反接制动原理: 增大Ra,交点在四相限,反转时才输出足够的扭矩Tm与负载平衡(位能扭矩)特点: 调整Ra可改变制动的速度举例:提升重物3.6.3能耗制动原理: 枢断电后,串联电阻短路连接.n不为0时,产生Ia,及T=KeIa的制动转矩特点: 调整电阻大小可改变制动性能举例: 反抗转矩 不会反向启动 位能转矩 速度稳定 第 4 次课 2 学时上次课复习：流他励电动机的启动特性、调速特性和制动特性本次课题（或教材章节题目）：5.1异步电动机的结构和原理5.2异步电机的定子和转子5.3三相异步电机的转矩与

22、机械特性5.4三相异步电机的启动特性教学要求： 了解异步电动机的基本结构，掌握异步电动机的工作原理、机械特性、启动特性重 点：异步电动机的工作原理、机械特性、启动特性难 点：异步电动机的工作原理、机械特性、启动特性教学手段及教具： 多媒体教学讲授内容及时间分配：5.11.0学时 5.20.2学时5.30.5学时5.40.3学时 课后作业习题 5.1、 5.3、 5.6参考资料第五章 交流电动机的工作原理交流电机分：异步电动机: 三相 单相 同步电动机 : 异步电动机：结构简单、便宜,是应用最多的一种电动机同步电动机：特性绝对硬,可以作为发电机使用5.1三相异步电动机的结构和工作原理5.1.1三

23、相异步电动机的结构定子、中间装有定子绕组及定子、铁芯、外壳转子、有的装绕组（有的是笼式）其它参见书略5.1.2三相异步电动机的工作原理工作原理：基于定子线圈能够产生一个旋转磁场，假设有一个旋转磁场来分析如图中N、S的磁场以n0旋转转子则切割磁力线而产生电流（右手定电流I方向）电流在磁场中切割磁力线而产生力及力矩（左手定方向）它与n0方向相同,使转子转动起来在转子转动中，n比n0小原因：转子力矩TmKmIZ 其中为旋转磁场磁通转子电流IZ=eZ/RZ 其中RZ为转子电阻转子电势eZ=Ken 其中n= n0-n 转子线圈切割磁 力线的相对转速当n = n0时，eZ=0, IZ=0 ,Tm0 n0称

24、为理想空载转速（同步转速）实际由于Tm不等于0;所以n 由以上分析可知n= n0-n不等于0是保证交流电机运转的一个重要条件所以称为异步电动机以转差率来表示他的运行情况:S=(n0-n)/ n0对于一般的异步电机（笼型）转子电阻RZ很小所以只需不大的S就能产生大的IZ和Tm一般的在额定转速时S为0.0150.06比较小5.1.3三相异步电动机的旋转磁场以上是基于在电机中有一个旋转磁场为根据分析的，这一节我们分析旋转磁场的产生一、由于三相电源，所以定子中有三相绕组（120夹角）对于三相绕组中的电流也差120如图由图分析当电角度t0时的合成磁场方向为0iA=Isin(t): i=Isin(t+120): iC=Isin(t+240)当t0 iA=0; i=-A; iC=A 磁场位置0度当t60 iA=A; i=-A; iC=0 磁场位置转60度当t120 iA=A; i=0; iC=-A 磁场位置转转120度依此类推下去，可知当三相交流电在定子绕组中产生三相电流后，则三相绕组电流的合成磁场是旋转的。二、旋转磁场的方向对于ABC三绕组如果将任意两根对调，则经分析可知向反方向旋转（请同学自己分析）作业对