《机电传动控制》PPT课件

机电传动及控制,第1章 绪论,一、机电传动的特点 二、机电传动系统发展概况 三、本课程的内容及安排,一、机电传动的特点,1、什么是机电传动？,一、机电传动的特点,2、机电传动： 以电动机为原动机驱动生产机械的传动系统 电能转变成机械能的传动系统.也称为电力传动或电力拖动,一、机电传动的特点,3、机电传动控制： 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。 更高的自动化程度和更高的精度。,一、机电传动的特点,4、机电传动控制的任务： 将电能转换为机械能 实现生产机械的启动、停止以及速度的调节 完成各种生产工艺过程的要求 保证生产过程的正常进行。,一、机电传动的特点,随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统的要求愈来愈高。 电梯和提升机，要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上； 重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求系统有很宽的调速范围； 为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求统一控制或管理。 都要靠电动机及其控制系统来实现。,机电传动控制的任务,一、机电传动的特点,5、机电传动系统构成： 电动机。产生原动力 生产机械。拖动对象 传动机构。传递机械能 电气控制设备。控制电动机运转 电源。对电动机和电气控制设备供电,一、机电传动的特点,它们之间的关系可表示为,5、机电传动系统构成,一、机电传动的特点,一、机电传动的特点,6、电力拖动的特点 效率高。与蒸气、水力等相比 电动机的种类、型号多，具有各种各样的运行特性 电机拖动具有良好的调速性能。起动、制动、反向和调速等控制简便，快速性好 电机拖动装置参数的检测、信号的变换与传递都比较方便，易于组成完善的反馈系统，实现最优控制。,二、机电传动系统发展概况,电动机 电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作母机，冶金行业的高炉、转炉、平炉和轧钢机，交通运输行业中的电车、电力机车，各类企业中的鼓风、起吊、运输传送，农业中的电力排灌、以及医疗器械、家用电器等各行各业，大至冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机，小至小功率电动机、乃至几瓦的微电动机。 在各类动力机械中，电动机的容量已超过总容量的60%。,二、机电传动系统发展概况,根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电动机。20世纪70年代以后，由于大功率电力电子器件、微电子器件、变频技术以及计算机技术取得的一系列进展，还研制出多种调速性能优良、效率较高、能满足不同要求的交流电动机调速系统，和由变频器供电的一体化电机。,二、机电传动系统发展概况,电动机,就信号转换功能的控制电机而言，大体上有测速电机、伺服电机、旋转变压器和自整角机等几种，这些电机主要用于自动控制系统中作为检测、执行、随动和解算元件，例如机床加工的自动控制，舰船方向舵的自动控制，大炮和雷达的自动定位，飞机的飞行控制，计算机、自动记录仪表运行的控制等。这类电机通常为微型电机，对精度和快速响应的要求较高。,二、机电传动系统发展概况,电动机,电机的分析步骤,(1)电机内部物理情况的分析,运动方程是磁动势方程(磁链方程)、电压方程和转矩方程的总称。导出运动方程就是把电机内所发生的电磁过程、机电过程和动力学过程，利用电磁学和动力学的基本定律，用数学方程的形式将其表达出来，这是第二步。这一步也称为“建立数学模型”。,首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能，再根据电机的磁路和电路，分析空载和负载时电机内部的磁场，初步弄清这种电机的工作原理，这是第一步。这一步实质上就是“建立物理模型”。,(2)导出电机的运动方程,二、机电传动系统发展概况,电动机,(3)求解运动方程,根据运动方程和求解问题的性质(是稳态还是瞬态，是对称还是不对称运行等等)，选择运动方程的解法，求出解析解或数值解。,(4)结果分析,通过对解答的分析，确定所需的运行性能(特性)和主要运行数据，如过载能力、稳定性、效率、电压变化率、速度变化率等，以满足解决某一问题的需要。,电机的分析步骤,二、机电传动系统发展概况,电动机,二、机电传动系统发展概况,1、传动方式经历了三个阶段： 成组拖动 单机拖动 多电机拖动,二、机电传动系统发展概况,传动方式 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 传动方式经历了三个阶段,二、机电传动系统发展概况,2、控制方式的发展 因素:控制器件的发展，功率器件、放大器件 控制方式由手动控制逐步向自动控制方向发展。,二、机电传动系统发展概况,继电-接触器式控制 应用最早的控制系统。由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制电路，来实现对电力拖动系统的起动、制动、反转和调速的控制；实现对电力拖动系统的保护和生产过程的自动化。 这种控制具有使用的单一性，而且控制的输入、输出信号只有通和断两种状态，不能连续反映信号的变化，故称为断续控制。,2、控制方式的发展,二、机电传动系统发展概况,连续控制系统：例晶闸管控制系统获得越来越广泛的应用。 可编程序控制器：用软件手段来实现各种控制功能以微处理器为核心的工业控制器。 20世纪70年代。 随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。 对电力拖动提出更高要求：高速、高精度、高效率、快速起动、制动和反转、调速范围广等。,2、控制方式的发展,二、机电传动系统发展概况,2、控制方式的发展,二、机电传动系统发展概况,尽管机电控制系统已向无触点、连续控制、弱电化、计算机机控制方向发展，但由于继电-接触器控制系统具有结构简单、可靠性高、维护方便、价格低廉等优点，目前仍然广泛应用。,2、控制方式的发展,三、本课程的内容及安排,内容主要包括： 机电传动系统的动力学基础 直流电动机 交流电动机 步进电机 机电传动中电动机的选择 直流自动调速系统等,三、本课程的内容及安排,考查方式,第2章 机电传动系统动力学基础,本章内容： 一 机电传动系统的动力学方程 二 负载转矩和惯量的折算 三 负载的机械特性 四 机电传动系统稳定运行的条件,一 机电传动系统的动力学方程,电动机 （M）,生产机械,TL,TM,M,+TL,M,单轴拖动系统,一 机电传动系统的动力学方程,单轴(单级)机电传动系统的运动方程 由牛顿第二定律,TM-电动机转矩 TL-负载转矩 GD2-飞轮矩 n-转速 t-时间 为角速度,GD2=4J GD2是一个整体，不是G与D2 的乘积， GD2 由产品样本或机械手册上查出。 GD2 中的 D 为回转直径，不是实际直径。,一 机电传动系统的动力学方程,TM和TL是两个互不关联的主动量。其相互作用的结果决定了系统的运动状态，如加速、匀速、减速,一 机电传动系统的动力学方程,动态转矩,恒速（静态转矩） 正值 加速（动态转矩） 负值 减速（动态转矩）,各量表示法,上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示,一 机电传动系统的动力学方程,TM与n同向为正向 TL与n相反为正向,启动时,制动时,拖动矩 （TM、n同向）,制动矩（TM、n反向）,一 机电传动系统的动力学方程,例2-1,1.列出系统的运动方程式； 2.说明系统运行的状态。,拖动转矩,制动矩,拖动转矩,制动矩,解：,加速运行状态 减速,二 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴机电传动系统 通常采用折算的方法，将所有轴的转矩和转动惯量折算到同一根轴上,以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：工作机构转矩，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去,二 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1、负载转矩的折算 依据系统传递功率不变的原则,多轴旋转拖动系统,实际负载功率=折算后的负载功率,速比 传动效率,考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率表示。,二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴直线运动系统,2、工作机构直线作用力的折算,（下放重物）,二、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,3、转动惯量和飞轮转矩的折算 依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总转动惯量为,电机轴、中间轴、负载轴上的转动惯量； 电动机轴与中间传动轴之间的速比； 电机轴与负载轴之间的速度比； 电机轴、中间轴、负载轴上的角速度 中间轴、电机轴上的齿数。,（旋转型）,二 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,3、转动惯量和飞轮转矩的折算 依据动能守恒原则，折算到电机轴上的总飞轮矩为,电机轴、中间轴、生产机械轴上的飞轮转矩。,式中，,四、工作机构直线运动质量的折算,折算的原则是转动惯量 中及质量 中储存的动能相等，即,有,（因为 ， ， ， ）,齿轮8转速,2）直线运动部分,工作台速度,3）刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量,三 负载的机械特性,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。 Tz=f (n),三 负载的机械特性,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,三 负载的机械特性,反抗转矩 位能转矩 例切削力 吊重物,1、恒转矩机械特性,三 负载的机械特性,2、离心式通风机型机械特性 特点：TL=Cn2，其中C为常数。与转速的平方成正比。 这一类型的机械是按离心力原理工作的。如工业上应用很广的离心式鼓风机、水泵、油泵等。 属于反抗性负载，即转速反向时，负载转矩亦随之反向,三 负载的机械特性,2、离心式通风机型机械特性,3 恒功率型机械特性 恒功率负载 特点：负载转矩的大小基本上与转速成反比,金属切削机床在粗加工时，切削量大，切削力和负载转矩大，但通常切削速度较低；在精加工时，切削量小，切削力和负载转矩小，但切削速度较高，切削功率则基本不变。属于恒功率型机械特性。,实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩，因而实际通风机负载特性应为,四、机电传动系统稳定运行的条件,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,1、系统稳定运行的条件之一是 电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点，此处：Tm=TL（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,第三章 直流电机的工作特性,励磁机,测速,伺服,直流电机的特点,直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高 随着电力电子技术的发展，配以电力电子装置的交流电动机在许多场合已取代了直流电动机。在一些对起动和调速性能要求较高的生产机械上，仍采用直流电动机作为拖动动力,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,直流电动机的工作原理如图所示,图中N、S是固定的磁极，磁极之间有一个绕组。线圈的两端分别接到互相绝缘的两个换向片1、2上。换向片固定在转轴上，与线圈一起转动，电刷A、B固定在机座上，保持与换向片接触，并与直流电源相连接。电流从电源正极流出，经电刷A流入线圈，再经电刷B流回电源的负极。,当电机处在(a)所示位置时，线圈的ab处于N极下，cd处于S极下，线圈中的电流沿abcd的方向流动。载流导体在磁场中将受到电磁力f的作用，其电磁力为 fBli (3.1),根据左手定则可知，线圈将沿逆时针方向转动。其中，Bav为每一个磁极下的平均气隙磁密，它等于每极磁通除以每极的面积l，即 B (3.2) 式中，极距，l磁极的轴向长度，也就是线圈边的有效长度。,当线圈转过半周时， dc处于N极下，ab处于S极下，如图(b)所示，此时线圈中的电流沿dcba的方向流动。据左手定则，此时线圈仍然沿逆时针方向转动。因此，线圈将沿一个恒定方向转动。,直流发电机的工作原理 直流发电机的基本结构与直流电动机相同，如图所示， 电刷A、B与电气负载(如灯泡)接通。如图 (a)所示，线圈在原动机的作用下逆时针方向旋转。根据右手定则，导体ab中将产生由b指向a的感应电动势e,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,直流电动机各种励磁方式接线图,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：2-1,3.3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