机电传动控制课件

机电传动控制,绪论,机电传动的特点及其应用 电能的广泛应用 动力源-电动机 控制系统 生产机械 课程特点:综合性、应用性、系统性,1.1机电传动的目的和任务,机电传动：是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。 目的：是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程正常进行。 任务：广义上指使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化；从狭义上专门指电动机驱动生产机械。,1.2机电传动及控制系统的发展概况,经历了成组拖动、单机拖动和多电机拖动三个阶段 成组拖动：一台电动机带动一根天轴，再由天轴通过带轮和传动带分别拖动各生产机械。特点：效率低，故障影响广。 单机拖动：一台电动机拖动一个机械。特点：如果动力部件较多时，机械传动机构复杂。 多电机拖动：一台生产机械的每一运动部件专门由一台电动机拖动。特点：简化生产机械的传动机构，控制灵活，容易实现自动化。,1.3课程的性质和任务,机电传动控制成为一门综合性课程 电控制分为强电控制、弱电控制二大类 机电传动控制属于强电控制系统 包括驱动电动机、控制电机电器、电力拖动、继电器-接触器控制、可编程序控制、电力电子技术、检测技术、直流伺服、交流伺服、步进电动机伺服等强电控制的内容。 突出应用性,第二章 机电传动的动力学基础,2.1机电传动的运动方程式（图） TM-TL=J d/dt 式中：TM电动机输出的转矩。 TL单轴传动的负载转矩 J 转动惯量 传动系统的角速度 意义：）当TM TL时； ）当TM TL时； ）当TMTL时； 考虑：方向性问题）拖动： TM 与n转动相同；）制动： TM 与n转动相反。,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 反抗转矩 位能转矩 离心式风机 例切削力 吊重物,.负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,此部分请自学。,2.3机电传动系统的负载特性,2.3.1恒转矩负载特性（图1-10，1-11） 负载特性:负载转矩为常数。可分为反抗性转矩和位能性转矩两种。 反抗性转矩：方向与运动方向相反； 例如：机床加工切削力所产生的负载转矩 位能性转矩：具有固定的方向。 例如：起重机提升重物和放下重物。,2.3.2离心式通风机负载特性（图1-13） 特点：负载是按离心力原理工作。负载转矩TL与n的二次方成正比。 2.3.3直线型负载转矩 特点：负载转矩TL随n增加成正比的增加。 2.3.3恒功率负载转矩特性 特点：负载转矩TL随n增加成反比的变化。 例如：机床加工,2.4机电传动系统稳定运行的的条件,含义:一是系统能以一定速度稳定运行;二是能经受干扰,上次课复习,生产机械运动方程 : TM-TL=J d/dt （注意各转矩方向与旋转方向的关系） 各种生产机械的特性: 1、恒转矩负载特性； 2、离心式通风机负载特性； 3、直线型负载转矩 4、恒功率负载转矩特性 稳定运行的的条件（TM与TL关系）,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 一、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,二、各部分的作用： 定子：在电机中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。 转子：随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换向器等）称为转子（或称为电枢）。气隙：定、转子之间有一空隙，称为气隙。,主磁极、换向极、电刷装置示意图,主磁极与换向极示意图,电刷装置图,转子作用（电枢） 转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。 电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。 电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,换向器 换向器由许多相互绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。 气隙 为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，它是主磁路的一部分。,换向片和换向器,3.1.2 直流电机的铭牌数据 1额定容量 （功率）（kW） 2额定电压 （V）； 3额定电流 （A）; 4额定转速 （rmin）； 5. 额定励磁电压 (V) 5励磁方式和额定励磁电流 （A）,注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。 所以，直流发电机的额定容量为： 而直流电动机的额定功率为：,3.1.3 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（右手螺旋） A点总与N极侧的一边相连 X点总与S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； X边切割磁力线产生电势， 指向内 AX两点就产生了电势EKen 当有负载RL时，就产生电流I,二、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 注意：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TL后稳定下来。,三、直流电机的励磁方式（图2-4） 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 永磁式:采用永久磁铁产生磁场,3.2 直流电动机的机械特性,3.2.1他励电动机的机械特性 机械特性是指电动机的电磁转矩与转速的关系，即n=f(T) T=TM+T0 T-电动机电磁转矩即机械特性转矩; TM_-输出转矩; T0空载转矩(工程计算时可忽略),1、电原理图(图2-5) 由电路原理公式，推导出 U=E+IaRa；而E=Ken；T=KtIa整理出: n=U/Ke-(Ra/(KeKt2)T n0 - n 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,是负载引起的转速误差 2、机械特性(图2-6) （If）励磁电流与电枢电压（U）不变时转速(n)与扭矩(T)的关系曲线如图,3、机械硬度 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,3.2.2它励直流电动机的固有机械特性,当U=UN；=N；电枢回路不串任何电阻时的机械特性为固有机械特性。 特点（图2-7） 由于Ra很小，斜率K也很小，特性较平属于硬特性； 当T=0时，n=n0=UN/Ken为理想空载转速；此时：Ia=0，E=UN 直流他励电动机的固有机械特性可以由电机铭牌数据绘制；,3.2.3它励直流电动机的人为机械特性,人为机械特性 是指供电电压U或磁通不是额定值，电枢电路接有外加电阻Rad时的机械特性. 电枢串电阻；（图2-9）,由公式可以推导出： n= n0 - n 与固有特性比较可以看出:二者的n0 是一样的,而转速降n却变大了,即特性变软； 2.改变电动机供电电压 n0U/Ke 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,特点是： 斜率不变，各条特性曲线互相平行； 理想空载转速n0与U成正比； 由于一般要求外加电压不超过额定电压，所以改变电压时曲线是下移的。 3.改变磁通 由于磁饱和和线圈的原因只能减小。 由公式n=U/Ke-(Ra/(KeKt2)T 上可以看出,减弱磁通时，理想空载转速n0将提高，又由于转速降n与2成反比，故机械特性随磁通减弱而变软。 如图2-11 特点： 当下降时n0上升,同时n也增加； 当太小时反电势 E=Ken 将减少很多，Ia=(U-E)/Ra 烧坏 当太小时 E=Ken 因为太小，所以n 机械强度不允许造成“飞车”。 例题：2-1,上次课复习,直流电机的组成 （定子、转子） 直流电机的基本工作原理 （发电、电动、可逆） 直流他励电动机的机械特性 n=U/Ke-(Ra/(KeKt2)T 硬度 dT/dn 直流他励电动机的固有机械特性 人为机械特性(Ra、U、）,3.3直流他励电动机的启动特性,3.3.1. 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） 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,3.3.2. 所以一般的直流电动机不允许直接启动,解决方法：在启动时设法限制电枢电流 （1）降压启动使U从小到大逐渐增加到UN 注:对于降压启动需要电源电压可调。 （2）电枢回路串联电阻启动,3.3.3. 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 分析,3.4直流他励电动机的调速特性,3.4.1电动机的调速 当负载转矩不变时，人为的改变电动机的工作参数，使电机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）如自行车调速器 调速与因T变化而引起转速变化的区别 （1）调速是人为的、可控的； （2）负载变化是外加的，不一定可控的； （3）调速前后工作点不在同一条机械特性上； （4）转速变化前后工作点在同一条机械特性上。,3.4.2调速的技术指标和经济指标 调速的技术指标 （1）调速范围 在额定负载转矩下电动机可能调到的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围： 即： nmax/ nmin 不同的生产机械对调速范围的要求不同 （）静差率 直流他励电动机电动机在某条机械特性上，由理想空载到额定负载运行的转速降n与理想空载转速n0之比，取其百分数，称之为静差率 即： n n0100% 一般为5%10% 静差率大小反映静态转速稳定的程度。 n越小越稳定。 不同的生产机械对此有不同的要求 生产机械对静差率的要求建制了最低转速nmin，从而限制了调速范围,（3）平滑性 如果不是无级调速，因此可调级数越多，则调速的平滑性越好。 （4）调速时的容许输出 容许输出是指保持额定电流情况下调速时，电动机允许输出的最大的转矩或最大功率与转速的关系 调速的经济指标 主要包括三个方面:初期投资；运行中的能耗；维护费用的高低。,3.4.3调速方式 由于电动机有: n=U/Ke-(Ra/(KeKt2)T 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Ra 时n（TL不变） 特点： 当Ra 时机械特性变软； TL越小,n（速度变化）越小； 电阻耗能大（发热） 不易实现无级调速(大功率变阻器)； 调速的设备比较简单（分级调节） 不太常用这种方式,二、变电枢电压调速 当U改变时，n0变 当T不变时,UU nn 特点： 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； 不同的TL时，调速范围一样（n） 当n电源功率也 节能 通过专门的电源，可实现无级调速 启动不需其它的设备（用降既可实现 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,所以只能在的范围内调节,即弱磁调速 特性如图： 当时,n0,n 特点： 只能弱磁调速（）可以无级变速,调速范围在额定n之上 ,引起机械特性变弱 调速范围不大,受电机的允许最高转速限制（机械，换向器等） 适用于恒功率调节：由于使EF,(U- EF)/Ra=Ia,T,n, EF , Ia,（U IaP不变）恒定,3.5直流他励电动机的制动特性,拖动(电动): 驱动负载运动(工作) 制动: 制止负载运动(减速) 自然停车: 断电后自然停止 制动的用途: 快速停车,与位能转矩平衡,精确定位. 分类: 反馈制动,反接制动,能耗制动.,3.6.1反馈制动,原理:当电动机在外部条件作用下，电动机实际转速大于其理想空载转速，电动机的电磁转矩与转速方向相反，且电动机向电源反馈电能。 从机械特性曲线上分析，电机工作在反馈制动状态时,nn0,位于二、四相限，TM反方向 n=n0+n Ia=(U-E)/Ra E=Ken UE Ia反向， （图2-25） TM因此与电动机状态时相反，当TM位能转矩相等时，电机以稳定的一个转速控制电车下坡。此时电机处在发电状态。即反馈制动。 特点:转速较高. nn0 , TM与n方向相反，且电动机向电源反馈电能。 举例说明:放下重物、电车下坡。,3.6.2反接制动,一.电源反接制动（图2-23） 原理:将电源反接产生制动(短时)； 分析：根据Ia=(U-E)/Ra ，此时U突然反向，则电流Ia反向，电磁转矩TM方向也相应与原来相反；而电机转速方向不可能瞬时改变，则机械特性曲线左移到第二象限。此时电磁转矩TM与负载转矩方向相同共同作用，使电机转速下降。即为反接制动。 特点: 电流大应串限电阻,(U+E)/Ra=Ia 注意：当转速下发到零时，制动结束。如果此时仍有电流存在，则进入反向启动状态。（请同学们自行分析）,二.电势反接制动 条件：只有负载为位能负载时才能产生电势反接制动。 分析（1）：提升重物时；正常工作状态。 （2）：使重物停止时；只需在电枢回路中串入电阻，稳定运行点进入第四象限,3.6.3能耗制动,原理: （图2-22）电枢断电后,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,上次课复习,一、启动特性； （1）不允许直接启动； （2）降压启动；（需要专用降压设备） （3）串接电枢电阻启动：单段；多段 二、调速特性； （1）串接电阻调速； （2）降压调速； （3）改变磁通调速； 注意：人为调速与转速变化的差别。 三、制动特性； （1）反馈制动； （2）反接制动； （3）能耗制动。,4.1 三相异步电动机的构造,4.2 三相异步电动机的转动原理,4.3 三相异步电动机的电路分析,4.4 三相异步电动机转矩与机械特性,4.5 三相异步电动机的起动,4.6 三相异步电动机的调速,4.7 三相异步电动机的制动,4.8 三相异步电动机铭牌数据,4.9 三相异步电动机的选择,4.11 单相异步电动机,4.10 同步电动机(自学),第四章 交流电动机,4.12 直线异步电动机(自学),异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、 机械特性、控制方法、正确使用,电动机的分类：,定子铁芯及定子绕组,定子,转子,转子铁芯及转子绕组,接线盒,机壳及底座,4.1 三相异步电动机的构造,定子铁芯与定子绕组,定子铁芯：,定子三相绕组：,匝数相同,空间排列互差1200,由内周有槽的硅钢片叠成。（作为导磁路经）,定子绕组,首端,末端,2.转子,转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。,(2) 绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,转子绕组：,鼠笼式转子,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,4.2 三相异步电动机的转动原理,转动原理：,一对磁极,形成旋转磁场,在空间旋转，,放入闭合线圈，由轴承架起,线圈导体切割磁力线，感生电动势 e (右手定则）,感生电动势 e 在线圈中驱动电流 i,电流 i 在磁场中受力 f产生转距，使线圈转动,转动的必要条件：,空间旋转磁场,可转动闭合线圈,定子三相对称绕组， (星形联接)加三相电压，通入三相交流电流。,1.旋转磁场的产生,4. 2. 1 旋转磁场,i 0: 首端流入，尾端流出。,规定,i 0: 尾端流入，首端流出。,()电流出,()电流入,t=0时刻：,iC为正，从C端流入，从Z端流出,iB为负，从Y端流入，从B端流出,iA0, iB0, iC0,iA0, iB0, iC=0,iA=0, iB0,三相电流产生旋转磁场,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,动画,结论： 分析可知，三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场， 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360,2.旋转磁场的旋转方向,从上图可以看出，从通入iA的绕组转向通入iB的绕组再转向通入iC的绕组,任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。,3.旋转磁场的极对数P,当定子每相一个绕组时：,产生一对磁极的旋转磁场,若定子每相绕组由两个线圈串联,形成两对磁极的旋转磁场。,绕组的分布如图：,iA=0, iB0,同理：若定子每相绕组由 n 个线圈串联,则: 形成 n 对磁极的旋转磁场。,P = 2,P = n,4.旋转磁场的转速,p=1时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一圈,电流每秒变化 f1周期, 工频： f1 =50HZ,同步转速：,p=2时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转半圈,同步转速：,p=n时:,电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转1/n圈,同步转速：,旋转磁场的转速称为同步转速，记为 n0,旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系,4. 2. 2 电动机的转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,结论： 转子的转动方向与磁场旋转的方向一致 转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速 n n0 ( 故称为异步电动机） （若n=n0则：转子导体不切割旋转磁场、无电流、无转距 n) 改变旋转磁场的转向就可改变电动机的转向,异步电动机运行中:,转子转速亦可由转差率求得,转差率s,例1：三相异步电动机，其额定转速 nN =975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。,解：,由nN=975 r/min可知：n0=1000 r/min , 即,p=3,额定转差率为,4. 2. 3 转差率,4.3 三相异步电动机的电路分析,三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。,定子相当于变压器一次，转子相当于变压器二次。,可画出等效电路（三相对称，化为一相计算）,定子绕组电阻 R1 ,漏感 L1 ，,主磁通在定子感生电势 e1,转子绕组电阻 R2 ,漏感 L2,主磁通在转子感生电势 e2 ,定子电路：,转子电路：,4. 3. 1 定子电路,旋转磁场在空间按正弦分布，切割定子和转子绕组，感生电动势 均为正弦量,相量式：,为每极磁通，也等于正弦磁通的最大值,N1为定子绕组的匝数, 旋转磁场的磁通,每极磁通,旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，, 定子感应电势的频率 f1,f 1= 电源频率 f,定子感应电势的频率,每切割过一对磁极，电动势变化一周，,每分钟割过 pn0 对磁极, 所以:,4. 3. 2 转子电路,相量式：,f2为转子电量的频率, 定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率 f 2,旋转磁场与转子导体间的相对速度为 n2 = n0n ，,每切割过一对磁极，电动势变化一周，,每分钟割过 p(n0-n) 对磁极, 所以:,转子感应电势频率,只有n=0时，f1 = f2 ，与变压器情况相同,1. 转子感应电势频率 f 2,2. 转子感应电动势E 2,E2= 4.44 f 2N2 = 4.44s f 1N2,当转速 n = 0(s=1)时， f 2= f1最高，则 E2 最大，记为E20,E20= 4.44 f 1N2,转子静止时 的感应电势,即E2= s E20,转子转动时 的感应电势,3. 转子感抗X 2,当转速 n = 0(s =1)时， f 2最高，则 X2 最大，记为X20,X20= 2 f1L2,即X2= sX20,4. 转子电流 I2,5. 转子电路的功率因数 cos2,由：,I2、cos2 随 S 变化曲线,结论：转子转动时，转 子电路中的各量均与转 差率 s有关，即与转速 n有关。,4.4 三相异步电动机转矩与机械特性,4. 4. 1 转矩公式,转子中载流导体在磁场中受力而产生电磁转矩。,常数，与电 机结构有关,旋转磁场 每极磁通,转子电流,转子电路的 功率因数,电磁转矩是由电磁功率转换而来，而电磁功率与功率因数成正比。,故：,电磁转矩公式：,将,代入上式,由：,整理，并将常数项合并为 K , 得：,由公式可知,电磁转矩公式,1. T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T ,2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。,3. R2 的大小对 T 有影响。绕线式异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。,根据转矩公式,得特性曲线：,4. 4. 2 机械特性曲线,电动机在额定负载时的转矩。,1、额定转矩TN与额定功率PN,三个重要转矩讨论,额定转矩,(N m),电动机的额定功率PN为电机轴输出的额定机械功率。,电动机的机械转距与机械功率的关系。,转动角速度,电动机的电磁转距T与输出机械转距T2的关系。,（T0为空载损耗转距）,如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为4.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为,2.最大转矩 Tmax,注意：转子轴上机械负载转矩T2 不能大于Tmax ，否则将造成堵转(停车)。,电机带动最大负载的能力。,临界转差率,代入转矩公式，可得:,过载系数(能力),电机严重过热而烧坏。,一般三相异步电动机的过载系数为,3. 起动转矩 Tst,电动机起动时(n=0或s=1)的转矩。,Tst体现了电动机有载起动的能力。,起动能力可用系数Kst描述,起动时s=1,若 Tst T2电机能起动，否则不能起动。,上节课复习,4.1 三相异步电动机的构造；定子；转子。 4.2 三相异步电动机的转动原理 （1）转动条件；（2）旋转磁场的产生； （3）转速； （4）转动原理：转差率S; 4.3 三相异步电动机的电路分析 （1）定子电路； （2）转子电路 4.4 三相异步电动机转矩与机械特性 （1）转矩公式: （2）机械特性曲线 （3）三个重要转矩：（一）额定转矩与额定功率； （二）最大转矩； （三）起运转矩。,讨论: U1 和 R2变化对机械特性的影响：,(1) U1对机械特性的影响,当U1变化时： Tm变化，Tst变化, Sm不变,当U1时：若负载 T2不变，,则：Sn,(2) R2变化对机械特性的影响,若 R2变化：Sm变化, Tm不变,当 R2时：Sm，Tst,负载T2一定时：,若 R2Sn,绕线式电机改变转子附加电阻R2 可实现调速。,对绕线式电机改变转子附加电阻 R2 , 可增大Tst，最大可使Tst =Tmax 。,4. 电动机的运行分析,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好，适于金属切削。,软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好，适于重载启动。,稳定工作区：,此过程中， n sE2 I2 I1 电源提供的功率自动增加。,T2,T2 T,T =T2,n (s),设负载转距为T2，转速为n，电机运行与a点（T=T2),若负载转距变化时,T,达到新的平衡，电机运行与b点,4.5 三相异步电动机的起动,4. 5. 1 起动性能,一般中小型鼠笼电动机的 IstIN= 5 7 (指线电流）,影响：,起动： n = 0，s =1, 接通电源。,起动时 ，n = 0，转子导体相对与旋转磁场的速度为n0,E2大,I2大,起动电流 I1大（记为Ist),1、起动电流,切割速度最大,一般电动机的 Tst TN= (1.02.2) 。,2、起动转矩,起动时 ，I2大，但cos2小,所以起动转矩并不大。,指电动机起动时定子的线电流，记为 Ist 。,4.5.2 起动方法,(1) 直接起动,(2) 降压起动：,星形-三角形(Y ) 换接降压起动,自耦降压起动,（适用于鼠笼式电动机）,(3) 转子串电阻起动,（适用于绕线式电动机）,二、三十千瓦以下的异步电动机可采用直接起动。,将异步电动机直接接到额定电压电源上启动。,起动时，将异步电动机接到低于额定电压电源上。,设：电机每相阻抗为|Z|,1. 降压起动,(1) Y 换接起动,降压起动时的电流 为直接起动时的,Y 起动器接线简图,静触点,Y 起动器接线简图,Y起动,Y 起动器接线简图, 工作,(a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,Y- 换接起动应注意的问题,(2) 自耦降压起动,L1,L3,L2,FU,Q,Q2下合： 接入自耦变 压器，降压 起动。,Q2上合： 切除自耦变 压器，全压 工作。,合刀闸开关Q,Q2,自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时 联成 Y形不能采用Y起动的鼠笼式异步电动机。,设自耦变压器的变比为 k,降压后起动转距Tst为,分析：,启动电流：,启动转距：,若降压启动,直接启动,折算到变压器原方,R,R,R,定子,转子,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。,起动电阻,2.绕线式电动机转子电路串电阻起动,若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。,常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,R2 Tst ,转子电路串电阻起动的特点,方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,电动机 正转,电动机 反转,三相异步电动机的正、反转,4.6.1 变频调速,变频调速方法:,f1f1N时，应采用恒转距调速：保持f1U1不变,f1f1N时，应采用恒功率调速：保持U1 U1N,频率调节范围：0.5几百赫兹,4.6 三相异步电动机的调速,(可实现无级调速),通过改变旋转磁场级对数 p 实现调速,P=2,4.6.2 变极调速 (有级调速),改变级对数的方法：改变绕组的接法,P=1,采用变极调速方法的电动机称作双速电机,变级后，n0增加一倍，转速约增加一倍,缺点:,绕线式电动机转子串联电阻,4.6.3 变转差率调速,优点:,调速平滑、设备简单投资少，,能耗较大。,上次课复习,U1和R2的变化对机械特性的影响 三相异步电机的起动（1）直接起动；（2）降压起动；（3）改变转子电阻起动 降压起动方法：（1）Y 起动器； (2) 自耦降压起动；（3）转子回路中串电阻起动。 转子回路中串电阻起动的特点：如果R2的选择得当，既可以降低起动电流又可以增加起动转矩。 改变电机转向 调速的方法：（1）变频调速；（2）变极调速；（3）改变转差率调速。,4.7 三相异步电动机的制动,4.7.1 能耗制动,电气制动:,电磁转距与转向相反,在断开三相电源的同时，给电动机其中两相 绕组通入直流电流。,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，旋转磁场反向。,4.7.2 反接制动,转子接近停止转动时，应迅速切断电源。,注意：,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。,4.7.3 发电反馈制动,电动机进入发电状态，将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,n n0,4.8 铭牌数据、技术数据及计算举例,1. 型号,例如： Y 132 M4,用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,教材表4.8.1中列出了各种电动机的系列代号。,异步电动机产品名称代号,2. 接法,接线盒,定子三相绕组的联接方法。通常,Y 联结, 联结,3. 电压,例如：380/220V、Y/ 是指线电压为 380V 时 采用 Y联结；线电压为 220V 时采用 联结。,说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低 于额定值的 5% 。因为在电动机满载或接近 满载情况下运行时，电压过高 或过低都会使 电动机的电流大于额定值, 从而使电动机过热。,电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V, 及6000V等多种。,4. 电流,例如： Y / 6.73 / 11.64 A 表示星形联结下电机的线电流为 6.73A；三角形联结下线电流为 11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。,5. 功率与效率,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机 械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。,注意：实用中应选 择容量合适的电机，防止出现 “大马拉 小车” 的现象。,6. 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 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。,7. 额定转速,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,如： n N =1440 转/分 sN = 0.04,8. 绝缘等级,指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)。,一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88， Ist / IN=4.0, Tst / TN=1.9，Tmax / TN=2.2 求： 1) 额定电流 IN ? 2) 额定转差率 sN ? 3) 额定转矩 TN 、最大转矩Tmax 、和起动转矩TN 。,例4.5.1:,1) 求 额定电流 IN,解:,输入电功率：,效率： N = P2NP1N,得：,由nN=1480r/min，可知 p=2 （四极电动机）,2）求额定转差率 sN,3）求额定转矩 TN 、最大转矩Tmax 、和起动转矩TN,例4.5.2:,在上例中 ：如果负载转矩为 510.2Nm,在U=UN时，Tst = 551.8Nm 510.2 N. m,不能起动,Ist =7IN=784.2=589.4 A,能起动,(1) 试问：,在U=UN时，电动机能否起动？,试问：,在U= 0.9UN 时，电动机能否起动？,(2)试问：,采用Y- 换接起动时，求起动电流和起动转矩,解：,解：,解：,在80%额定负载时,不能起动,在50%额定负载时,可以起动,(3)试问：,采用Y- 换接起动，当负载转矩为起动转矩的80%和50%时，电动机能否起动？,解：,上例中，若电动机采用自耦变压器降压起动，设起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流Ist和电动机的起动转矩Tst。,解：,变压器的变比为 k = UN / 0.64 UN = 1 / 0.64,例4.5.3:,已知起动电流 Ist7IN589.4 A,单相异步电动机使用单相交流电源，主要应用于电动工具、洗衣机、冰箱、空调、电扇等小功率电器中。,定子,定子 绕组,转子,4.9 单相异步电动机,单相异步电动机的定子中放置单相工作绕组,转子一般用鼠笼式。,电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，,4.9.1 电容分相式异步电动机,一个是工作绕组 AA，另一个是起动绕组 BB ,两个绕组在空间相隔90。,起动时， BB 绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90，即可获得所需的旋转磁场。,设两相电流为,正弦波形如图所示。,工作绕组,起动绕组,两相旋转磁场,动画,实现正反转的电路,改变电容C的串联位置，可使 单相异步电动机反转。,将开关S合在位置1，电容C与 B绕组串联，电流 iB较iA超前近 90；当将S切换到位置2，电容 C与A绕组串联，电流iA 较iB 超 前近90。这样就改变了旋转磁 场的转向，从而实现电动机的 反转。,电动机转子转动起来后，利用 离心力将开关S断开(S是离心开 关)，使起动绕组BB断电。,4.9.2 罩极式单相异步电机,定子绕组,鼠笼式转子,短路环,极掌(极靴),当电流i 流过定子绕组时，产生了一部分磁 通1 ，同时产生的另一部分磁通与短路环作用 生成了磁通2 。由于短路环中感应电流的阻碍 作用，使得2在相位上滞后1 ，从而在电动机 定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。,罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向 不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相 式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变， 故常用于洗衣机等电器中。,习题讲解,例3-1：一台他励直流电动机在稳定状态下运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢回路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1 解：注意两个条件：一是负载转矩不变；另一个就是系统是从一个稳定状态到另一个稳定状态。这样电枢反电势是稳定值。 因在稳定状态，故电动机电磁转矩T= TL。进而推导TL=T=KtIa=常数，由题知：下降，故可知Ia上升。 而在直流电机中：E=U-IaRa，由题知：U、Ra不变，则可知：E减小所以应该是E小于E1,上次课复习 三相异步电机的制动：（1）能耗制动；（2）反接制动；（3）反馈制动。 三相异步电机的铭牌数据、技术数据：（1）型号；（2）接法；（3）电压；（4）电流；（5）功率与效率；（6）功率因数；（7）额定转速；（8）绝缘等级。 单相异步电机 一、电容分相式异步电机； 二、罩极式单相异步电机。,第5章 机电传动系统电器控制,控制电器,5.1 常用控制电器,一、刀闸开关,控制对象： 380V，5.5kW 以下小电机,考虑到电机较大的起动电流，刀 闸的额定电流值一般选择： （3-5）异步电机额定电流,二、按钮（主令开关）,复合按钮： 常开按钮和 常闭按钮做在一起。,电路符号,作用：接通或断开控制电路,(b) 结构,按钮的外形图和结构如图所示。,按钮开关的外形和符号,(a) 外形图,三、交流接触器,用来接通或断开电动机 或其他设备的主电路,作用,（一）构成；主要由电磁铁和触点两部分组成，触点又可分为主触点和辅助触点。,接触器技术指标：额定工作电压、电 流、触点数目等,交流接触器的外形与结构,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,(a) 外形,(b) 结构,动作过程,线圈通电,衔铁被吸合,触点闭合,接通电源,（二）、接触器的符号及型号含义 1、接触器的型号及代表意义,例如，CJl22503为CJl2系列交流接触器，额定电流250A，三个主触点。 CJl2T2503为CJl2系列改型后的交流接触器，额定电流250A，三个主触点。,例如，CZ010020为CZ0系列直流接触器，额定电流100A，二个常开主触点。 2、接触器的图形和文字符号 接触器的图形和文字符号如图1-14所示。,（三）、接触器的主要技术参数,1、额定电压 接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。 通常用的电压等级为： 直流接触器：220V、440V、660V 交流接触器：220V、380V、500V 2、额定电流 接触器铭牌额定电流指主触点的额定电流。 常用的电流等级为： 直流接触器：25A、40A、60A、100A、 l 50A、250A、400A、600A。 交流接触器：5A、10A、20A、40A、60A、 100A、150A、250A、400A、600A。,3、线圈的额定电压 接触器线圈正常工作的电压 常用的等级为： 直流线圈；24V、48V、220V、440V。 交流线圈：36V、127V、220V、380V。 说明： 1）交流负载选用交流接触器，直流负载选用直流接触器，但交流负载频繁动作时可采用直流吸引线圈的接触器。 2）常用的额定电压是直流110v，220v； 交流127v，220v，380v。 4、额定操作频率 额定操作频率是指每小时接通次数。 说明：交流接触器最高为600次h； 直流接触器可高达1200次h。,（四）、接触器的选用,1、根据负载性质选择接触器类型。（交/直流接触器）； 2、根据类别确定接触器系列(参考电工标准)。 3、根据负载额定电压确定接触器的额定电压。交流接触器的电压大于或等于线路电压。 4、根据负载电流确定接触器的额定电流，并根据外界实际条件加以修正。 1）接触器安装在箱柜内，电流要降低1020使用（冷却条件变差）； 2）接触器工作于长期工作制，通电持续率不超过40时，若敞开安装，电流允许提高1025，若箱拒安装，允许提高5%10。 5、根据控制电路的电压选择吸引线圈的额定电压。 6、根据负载情况复核操作频率，看是否在额定范围之内。,（五）、接触器的维护、常见故障及处理,1、应定期检查接触器的各部件，要求可动部分不卡住，紧固无松脱，零部件如损坏应及时检修。 2、触头表面应经常保持清洁。 1）触头表面因电弧作用而形成金属小球时及时铲除。 2）触头严重磨损后，超程应及时调整，当厚度只剩下13时，应及时调换触头。 3）银合金触头表面团电弧而生成黑色氧化膜时，不会造成接触不良现象，因此不必锉修，则将会大大缩短触头寿命。 、原本有灭弧罩的接触器的一要带灭弧罩使用，以免发生短路事故。,四、 继电器,继电器和接触器的工作原理一样。主要区别在 于，接触器的主触点可以通过大电流，而继电器的 触点只能通过小电流。,1、作用：继电器用来传递信号或用于控制电路中。,2继电器分类： 1）用途分：控制继电器、保护继电器、中间继电器。 2）原理分：电磁式、感应式、热继电器等 3）参数分：电流、电压、速度、压力继电器 4）动作时间分：瞬时继电器、延时继电器 5）输出形式分：有触点、无触点继电器,一、电磁式继电器,电磁式继电器与接触器的区别： 继电器：没有灭弧装置，触点容量小，用于控制电路，可在电量或非电量的作用下动作。 接触器：有灭弧装置，触点容量大，用于主电路，一般只能在电压作用下动作。 电磁式继电器的种类：电压继电器、电流继电器、中间继电器 1电压继电器：触点的动作与线圈中的电压大小有关。（电压线圈与负载并联）。 1）作用：电压保护和控制。,2）分类 过电压继电器：Ux = (1.05 1.2)UN （正常时触点不动作） 欠电压继电器：直流欠电压继电器： UX = (0.3 0.5)UN （正常时触点动作） Uf= (0.07 0.2)UN 交流欠电压继电器：UX = (0.6 0.85)UN Uf= (0.1 0.35)UN。 注意：直流电路一般不会产生波动较大的过电压现象，所以在产品中没有直流过电压继电器。 3）电压继电器的选用及动作电压的整定 电压继电器的选用：线圈的种类和电压等级应与控制电路一致。,由控制电路的要求（过电压保护、欠电压保护）选型。 动作电压的整定 吸合电压：调节反作用弹簧 释放电压：主要改变非导磁垫片的厚度(如吸合电压没有固定要求，也可调节反作用弹簧)。,4）电压继电器的图形和文字符号,2.电流继电器：触点的动作与线圈中的电流大小有关。（电流线圈与负载串联）。 1）作用：电流保护和控制。,2）分类 过电流继电器：IX = (1.1 3.5)IN 正常时触点不动作 欠电流继电器： Ix(0.3 0.65)IN 正常时触点动作 If =(0.1 0.2)IN 3）电流继电器选用：线圈的种类和电流等级应与控制电路一致 根据在控制电路中的作用（过电流、欠电流保护）进行选型。 4）电流继电器的图形和文字符号,3、中间继电器（一种电压继电器） UX = (0.85 1.05)UN 1）特点：触点多(六对甚至更多) 触点电流大(额定电流为5 10A) 动作灵敏(动作时间小于0.05s) 2）作用：放大触点容量、数量。 3）图形和文字符号,4、电磁式继电器的主要技术参数 国产电磁式继电器：JL3、JL7、JL9、JL12、JL14、JL15、JT3、JT4、JT9、JTl0、JZ1、JZ7、JZ8、JZ14、JZl5、JZl7等系列。 电磁式继电器的型号：,发热元件,1.结构：,I,常闭触点,五、 热继电器,热继电器外形与结构,(a) 外形,(b) 结构,3.热继电器的符号,发热元件,常闭触点,串联在主电路中,熔断器,熔断器额定电流IF的选择,(1) 电灯、电炉等电阻性负载,IF I