机电传动控制(第五版)课件及其复习

第一章概述 定义 以电动机为原动机 动力源 驱动生产机械的系统的总称 目的 将电能转换为机械能 实现生产机械的启动 停止及速度调节 满足各种生产工艺过程的要求 保证生产过程的正常进行 总复习 机电传动技术的发展 动力源 蒸汽机 内燃机 电动机机电传动方式 成组拖动 一台电机拖动多台设备 老方式 传动机构复杂 效率低 单电机拖动 一台电机拖动一台设备 比成组方式进步 多电机拖动 多台电机拖动一台设备 现代的传动方法 第二章机电传动系统的动力学基础 D 单轴传动系统的惯性直径 m G 单轴传动系统的重力 Kg GD2 应视为一个整体物理量 运动方程式是研究机电传动系统最基本的方程式 由它可描述出系统运动的状态及特征 1机电传动系统的运动方程式 2 传动系统的状态 根据运动方程式可知 运动系统有两种不同的运动状态 即 为常数 传动系统以恒速运动 TM TL时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态 即 传动系统加速运动 即 传动系统减速运动 TM TL时传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为动态 处于动态时 系统中必然存在一个动态转矩 它使系统的运动状态发生变化 其转矩平衡方程为 TM TL Td 上式表明 在任何情况下 电机所产生的转矩总是被轴上的负载转矩 静态转矩 与动态转矩之和所平衡 由于传动系统有多种运动状态 相应的运动方程式中的转速和转矩的方向就不同 因此需要约定方向的表达规则 3 TM TL n的参考方向 因为电动机和生产机械以共同的转速旋转 所以 一般以 或n 的转动方向为参考来确定转矩的正负 当TM的实际作用方向与n的方向相同时 符号同 取与n相同的符号 TM为拖动转矩 1 TM的符号与性质 当TM的实际作用方向与n的方向相反时 取与n相反的符号 TM为制动转矩 拖动转距促进运动 制动转距阻碍运动 当TL的实际作用方向与n的方向相同时 符号反 取与n相反的符号 TL为拖动转矩 2 TL的符号与性质 当TL的实际作用方向与n的方向相反时 取与n相同的符号 TL为制动转矩 4机电传动系统的负载特性 前面讨论的机电传动系统运动方程中 负载转矩TL可能是常数 也可能是转速的函数 我们把同一轴上负载转矩与转速之间的函数关系称为机电传动系统的负载特性 就是生产机械的负载特性 有时也称为生产机械的机械特性 今后均指电机轴上的负载特性 不同类型的生产机械在运动中受阻的性质是不同的 其负载特性曲线的形状也有所不同 大致分为 恒转矩型负载特性 离心式通风机型负载特性 直线型负载特性 恒功率型负载特性 2 3 1恒转矩型负载特性 这一类型负载特性的特点是 负载转矩为常数 如图所示 依据负载转矩与运动方向的关系 恒转矩型负载特性可分为反抗性转矩和位能性转矩两种 a 反抗转矩 又称摩擦性转矩 其特点如下 由摩擦 非弹性体的压缩 拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩 反抗性转矩的方向恒与运动方向相反 阻碍运动 反抗性转矩的大小恒常不变 根据转矩正方向的约定可知 反抗性转矩恒与转速n的方向相反时取正号 即 n为正方向时TL为正 特性在第一象限 n为负方向时TL为负 特性在第三象限 b 位能性转矩 其特点如下 位能性转矩的大小恒常不变 作用方向不变 与运动方向无关 即在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动 位能性转矩是由物体的重力或弹性体的压缩 拉伸 扭转等作用所引起的负载转矩 离心式通风机型负载特性 离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的 如离心式鼓风机 水泵等 它们的负载转矩TL的大小与转速n的平方成正比 即 其中 C为常数 特性曲线如图所示 直线型负载特性 直线型负载的负载转矩TL的大小与转速n的大小成正比 即 其中 C为常数 特性曲线如图所示 恒功率型负载特性 恒功率型负载的负载转矩TL的大小与转速n的大小成反比 即 其中 C为常数 例如机床 实际应用中 负载可能是单一类型的 也可以是几种类型的复合 特性曲线如图所示 5机电传动系统稳定运行的条件 机电传动系统中 电动机与生产机械连成一体 为了使整个系统运行合理 就要使电动机的机械特性与生产机械的负载特性尽量相匹配 特性配合好坏的基本要求是系统能稳定运行 1 机电系统稳定运行的含义包括 1 系统应能以一定速度匀速运行 2 系统受某种外部干扰作用 如电压波动 负载转矩波动等 而使运行速度发生变化 应保证系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速度 2 机电系统稳定运行的条件 1 必要条件 电动机的输出转矩TM和负载转矩TL大小相等 方向相反 从T n坐标上看 就是电动机的机械特性曲线n f TM 和生产机械的机械特性曲线n f TL 必须有交点 交点被称为平衡点 2 充分条件 系统受到干扰后 要具有恢复到原平衡状态的能力 即 当干扰使速度上升时 有TMTL 这是稳定运行的充分条件 符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点 机电系统稳定运行的充分必要条件也可表述为 电动机的机械特性n f Tm 与负载特性n f TL 有交点 a b两点是否为稳定平衡点 a点 当负载突然增加后 当负载波动消除后 故a点为系统的稳定平衡点 同理b点不是稳定平衡点 异步电动机的机械特性 生产机械的机械特性 交点a 交点b 分析举例 若我们约定 Ia 电枢电流 Ra 电枢电阻 E 电枢电动势 U 电机端电压 Uf 励磁绕组端电压 Rf 励磁调节电阻 If 励磁绕组电流 由电磁学理论很容易推得 直流电机机械特性一般表达式 第3章直流电机的工作原理及特性 1 固有机械特性 电机的机械特性有固有特性和人为特性之分 固有特性又称自然特性 是指在额定条件下的n f T 曲线 1 估算电枢电阻Ra 根据电机铭牌可以计算出关键点而绘出该电机在额定条件下的n f T 特性曲线 即根据电机铭牌计算出理想空载点和额定运行点的坐标 再据此近似地画出n f T 特性曲线 2 求Ke N 3 求理想空载转速 4 求额定转矩 重点 根据 0 n0 和 Tn nN 两点就可以作出他励电动机的机械特性曲线 正转时 在第一象限 反转时 在第三象限 人为机械特性是指公式中的供电电压U或磁通 不是额定值 电枢电路中接有外加电阻Rad时的机械特性 三种 2 人为机械特性 1 电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性 2 改变电枢电压U时的人为机械特性 3 改变磁通 时的人为机械特性 3直流他励电动机的启动特性 启动电动机就是施电于电动机 使电动机转子转动起来 达到要求转速的过程 对直流电动机而言 在未启动之前n 0 E 0 而Ra一般很小 所以 当电动机被直接接入电网并施加额定电压时 启动电流为 这个电流很大 一般情况下能达到其额定电流的 10 20 倍 过大的启动电流危害很大 1 对电动机本身的影响 使电动机在换向过程中产生危险的火花 烧坏整流子 换向器 过大的电枢电流产生过大的电动应力 可能引起绕组的损坏 2 对机械系统的影响 启动转矩与启动电流成正比例 巨大的启动转矩在运动系统中产生很大的动态转矩 过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击 使机械传动部件损坏 3 对供电电网的影响 过大的启动电流可能会导致保护装置动作 导致切断电源 造成事故 或者引起电网电压的下降 影响其他负载的正常运行 因此 直流电动机是不允许直接启动的 若要启动 必须设法限制电枢电流 例如 普通的Z2型直流电动机 规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1 5 2倍 4直流他励电动机的调速特性 调速 又称速度调节 与速度变化是两个完全不同的概念 电动机的调速是在一定的负载条件下 人为地改变电动机的电路参数 以改变电动机的稳定转速 如图所示 人为地改变 或调节 电枢回路的电阻大小造成转速下降 故这种人为改变某些参数而造成速度的变化 称调速或速度调节 a改变电枢电路外串电阻Rad 从特性方程可看出 在一定的负载转矩TL下 串入不同的电阻可以得到不同的转速 在电阻分别为Ra R1 R2 R3的情况下 可以分别得到稳定工作点A C D和E 对应的转速为nA nB nC nD Ra R1 R2 R3 电枢回路串接附加电阻人为机械特性方程为 Rad越大 电机特性越软 当U和 都是额定值时 二者的理想空载转速n0是相同的 而转速降 n却变大了 即机械特性变软 Rad越大 机械特性越软 由不同的Rad可得一族由同一点 0 n0 发出的人为机械特性曲线 特点 b改变电机电枢供电电压U 改变电枢供电电压U可得如图所示的一组人为机械特性曲线 从特性曲线可看出 在一定的负载转矩TL下 电枢外加不同电压可得到不同的转速 在电压分别为UN U1 U2 U3的情况下 可以分别得到稳定工作点a b c和d 对应的转速为na nb nc nd UN U1 U2 U3 当 N Rad 0 改变电枢电压U时 理想空载转速n0将随电枢电压U的变化而变化 但转速降 n却不变 所以 在不同的电枢电压U下 可得一组平行于固有机械特性曲线的人为机械特性曲线 由于电机绝缘材料耐压条件的限制 这种电压调速方法只能在额定电压值以下调节 是一种电机降速调速法 特点 例 将电机电枢供电电压由U1升到UN 电压为U1时 电机工作在U1特性的b点 此时 稳定转速为nb 当电压突然上升到UN时 由于机械系统的惯性作用 转速n不变 相应的反电动势也不变 仍分别为nb和Eb 但当不考虑电枢电路的电感时 电枢电流将由突然上升至 电机转矩也由突然升至 此时 电机的工作点虽然由b点过渡到g点 但由于有Tg TL 所以 系统开始加速 反电动势E也会随着转速n的上升而增大 电枢电流则逐渐减少 电机转矩也相应地减少 电机的工作点沿UN由g点移动到a点 电机转矩又回到TL 改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题 机械特性较软 电阻愈大则特性愈软 稳定度愈低 在空载或轻载时 调速范围不大 实现无级调速困难 在调速电阻上消耗大量电能等 正因为缺点不少 目前已很少采用 仅在有些起重机 卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用 当U UN Rad 0 而改变磁通 时 理想空载转速n0和转速降 n都要随磁通 的变化而变化 由于磁通 只能在低于其额定值的范围内调节 而启动电流为常数 所以得到的人为机械特性曲线如右所示 是一种电机超速调速法 当磁通过分消弱后 如果负载转矩不变 电机电流将大大增加 从而产生过载现象 必须注意的是 当 0时 电机转速将升到机械强度不允许的程度 因此 直流他励电机启动前必须先加励磁电流 且在运转中决不允许励磁电流为零 为此 直流他励电机在使用中 一般都设有 失磁 保护措施 c改变电机主磁通 改变电机主磁通 的调速机械特性如图所示 即改变主磁通 可以达到调速的目的 降速时沿c d b进行 升速时沿b e c进行 可平滑无级调速 但只能弱磁调速 即在额定转速以上调节 调速特性较软 且受电动机换向条件等的限制 调速时维持电枢电压U和电枢电流Ia不变时 电动机的输出功率P UIa不变 属恒功率调速 普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1 2倍 所以 调速范围不大 所以 它往往和调压调速配合使用 即在额定转速下用降压调速 在额定转速之上用弱磁调速 特点 5直流他励电动机的制动特性 1 制动与启动的定义 启动 施电于电动机使电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态 制动 电动机脱离电网 或使电动机转速从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态 注意 电动的制动与自然停车是两个不同的概念 a反馈制动 电机正常接线时 在外部条件作用下 电机的实际转速n大于其理想空载转速n0 此时 电机即运行于反馈制动状态 例 电车 走平路时 其电机工作在电动状态下 电磁转矩T克服摩擦性负载转矩Tr 即T Tr 以转速na稳定在工作点a b反接制动 当他励电机的电枢电压U或电枢电动势E中的任一个在外部条件作用下改变了方向时 电机将运行于反接制动状态 特点 1 电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同 2 电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反 在反接制动中 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 而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动 1 电源反接制动 设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示 当电压的实际方向与参考方向相同时 电动机的机械特性为 其特性曲线如图 b 中的曲线1所示 正向 2 倒拉反接制动 设电机处于正向电动状态 以na转速稳定运转 提升重物 若用在电枢电路中串入附加限流电阻Rad的方法下放重物 这时 电机将由固有特性曲线1的a点过渡到人为特性曲线2的c点 电机转矩T远小于负载转矩TL 因此 电机转速将沿着曲线2下降 到d点时 电机转速为0 重物停止上升 C能耗制动 电机在电动状态运行时 若把外施电枢电压U突然降为0 同时用一个附加电阻Rad短接电枢两端 即得到能耗制动状态 此时电机成为发电机 将机械能转换为电能和热能 此时的机械特性曲线为图中的曲线2 1 旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中 旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度 用n0表示 以上讨论的旋转磁场 具有一对磁极 磁极对数用p表示 即p 1 电流变化经过一个周期 变化360电角度 旋转磁场在空间也旋转了一转 转了360机械角度 若电流的频率为f 旋转磁场每分钟将旋转60f转 即 第4章交流电动机的工作原理及特性 依次类推 当有p对磁极时 其转速为 所以 旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比 但转子转速n恒小于旋转磁场转速 同步转速 所以 称为异步电机 所以 转子与旋转磁场才会永远有切割磁力线的相对运动 才有感应电动势和感应电流 才会产生驱动转子的电磁转矩 转子旋转的主要因素 我们把转速差 n0 n 与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率 用S表示 即 转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数 通常 异步电动机在额定负载时 n接近n0 转差率S很小 一般为0 015 0 060 2 转差率 定子每相绕组中产生的感应电动势为 它也是正弦量 其有效值为 式中 f1为e1的频率 因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0 所以有 它等于定子电流的频率 即 定子每相绕组中还要产生漏磁电动势 3 定子电路的分析 加在定子每相绕组上的电压分为三个分量 即 如用复数表示 则为 式中 和为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗 由于R1和X1较小 其上电压降与电动势E1比较起来 常可忽略 于是 4 转子电路的分析 在讨论电机转矩之前 必须弄清转子电路中的各项物理量 电动势e2 转子电流i2 转子电流频率f2 转子电路的功率因数cos 2 转子绕组的感抗X2 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为 其有效值为 式中 f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率 因为旋转磁场和转子间的相对转速为n0 n 在n 0 即S 1时 转子电动势为 为转子最大电动势 可见转子电动势E2与转差率S有关 和定子电流一样 转子电流也要产生漏磁通 从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势 因此 对于转子每相电路 有 如用复数表示 则为 式中 R2和X2 转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 在n 0 即S 1时 转子感抗为 为转子最大感抗 可见转子感抗E2与转差率S有关 转子每相电路的电流为 可见转子电流I2也与转差率S有关 当S增大 即转速n降低时 转子与旋转磁场间的相对转速增加 转子导体被磁力线切割的速度提高 于是E2增加 I2也增加 转子电流I2随转差率S的变化关系如图5 20所示 当S 0 即n0 n 0 I2 0 当S很小时 即与S近似地成正比 当S接近于1时 为常数 由于转子有漏磁通 L2 相应的感抗为X2 因此 I2比E2滞后 2角 因而转子电路的功率因数为 它也与转差率S有关 当S很小时 当S增大时 X2也增大 于是cos 2减小 当S接近于1时 cos 2 R2 X20 可见电动势 电流 频率 感抗及功率因数都与转速有关 5 三相异步电机的固有机械特性 三相异步电机的转矩是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流I2相互作用而产生的 其计算公式为 该计算公式的另一表达式为 其中 Kt 与电机结构有关的常数 I2 转子电流 每极磁通 2 I2比E2滞后角 R2 转子每相绕组的电阻 U1 定子绕组相电压 U 电源电压 X20 电机不动时转子每相绕组的感抗 K 与电机结构 电源频率有关的常数 从特性曲线上可以看出 其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能 这四个特殊点是 1 T 0 n n0 S 0 时 电动机处于理想空载工作点 此时电动机的转速为理想空载转速 即同步转速 2 T TN n nN S SN 时 这时 电动机处于额定工作点 其额定转矩和额定转差率为 式中 PN 电机的额定功率 nN 电机的额定转速 一般nN 0 94 0 958 N0 SN 电机的额定转差率 一般SN 0 06 0 015 TN 电机的额定转矩 3 T Tst n 0 S 1 时 电动机处于启动工作点 将S 1代入转矩公式中 可得 可见 异步电动机的启动转矩Tst与U R2及X20有关 当施加在定子每相绕组上的电压降低时 启动转矩会明显减小 当转子电阻适当增大时 启动转矩会增大 若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小 通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩TN之比 st Tst TN作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据 一般 4 T Tmax n nm S Sm 时 电机处于临界工作点 欲求转矩的最大值 可令 得临界转差率 再将Sm代入转矩公式中 即可得 上式表明 Tmax对电压的波动很敏感 电源电压过低会引起输出转矩明显下降 甚至低于负载转矩而造成电机停转 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比称为电动机的过载能力系数 它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小 是电动机的又一个重要运行参数 鼠笼式异步电动机 线绕式异步电动机 1 降低电动机电源电压时的人为特性 n0不变 Sm不变 Tmax随着电压的减小而大大地减小 Tst随着电压的减小而大大地减小 改变电源电压后的人为特性如图图所示 6 人为特性 2 定子电路接入电阻或电抗时的人为特性 在电动机定子电路中外串电阻或电抗后 电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降 致使定子绕组相电压降低 这种情况下的人为机械特性与降低电源电压时的相似 如图所示 3 改变定子电源频率时的人为特性 一般变频调速采用恒转矩调速 即希望最大转矩保持为恒值 为此在改变频率的同时 电源电压也要作相应的变化 使U f C 这在实质上是使电机气隙磁通保持不变 因此 改变电源频率后的机械特性如图所示 n0不变 Tmax不变 Sm随着串接电阻的增加而增大 此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线 如图 b 所示 4 转子电路串电阻时的人为特性 要求启动平滑 即要求启动时加速平滑 以减小对生产机械的冲击 启动设备安全可靠 力求结构简单 操作方便 启动过程中的功率损耗越小越好 其中 足够大的启动转矩 和 启动电流越小越好 是衡量电机启动性能的主要技术指标 7 三相异步电动机的启动特性 异步电动机本身的启动特性为 异步电动机在接入电网启动的瞬时 由于转子处于静止状态 定子旋转磁场以最快的相对速度 即同步转速 切割转子导体 在转子绕组中感应出很大的转子电动势和转子电流 从而引起很大的定子电流 一般可达额定电流的5 7倍 a 定子电流大 Ist 5 7 IN b 启动转矩小 Tst 0 8 1 5 TN 启动时S 1 转子功率因数很低 因而启动转矩却不大 8 鼠笼式启动 一般在有独立变压器供电 即变压器供动力用电 的情况下 若电动机启动频繁时 电动机功率小于变压器容量的20 时允许直接启动 若电动机不经常启动 电动机功率小于变压器容量的30 时也允许直接启动 如果没有独立的变压器供电 即与照明共用电源 的情况下 电动机启动较频繁 则常按经验公式来估算 满足下列关系则可直接启动 1 直接启动 2 电阻或电抗器降压启动 其接线原理如图所示 启动时 接触器KM1断开 KM闭合 将启动电阻Rst串入定子电路 使启动电流减小 待转速上升到一定程度后再将KM1闭合 Rst被短接 电动机接上全部电压而趋于稳定运行 缺点 启动转矩随定子电压的平方关系下降 故它只适用于空载或轻载启动的场合 不经济 在启动过程中 电阻器上消耗能量大 不适用于经常启动的电动机 若采用电抗器代替电阻器 则所需设备费较贵 且体积大 3 Y 降压启动 启动时 接触器触点KM和KM1闭合 KM2断开 将定子绕组接成Y 待转速上升到一定程度后再将KM1断开 KM2闭合 定子绕组接成 电机启动过程完成 转入正常运行 设U1为电源线电压 IstY及Ist 为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流 线电流 Z为电动机在启动时每相绕组的等效阻抗 则有 所以 即定子绕组接成星形时的启动电流只有接成三角形时的启动电流的1 3 同样 启动转矩也只有接成三角形时的1 3 Y 降压启动方法的优点是 设备简单 经济 启动电流小 Y 降压启动方法的缺点是 启动转矩小 且启动电压不能按实际需要调节 只适用于空载或轻载启动的场合 并只适用于正常运行时定子绕组接线为 的异步电动机 由于这种方法应用广泛 我国规定4KW及其以上的三相异步的额定电压为380V 连接方法为 当电源线电压为380V时 它们就可用Y 降压启动 9 线绕式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机的启动转矩小 启动电流大 因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩和低启动电流的要求 线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻 因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流 即具有较好的启动特性 在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种 逐级切除启动电阻法和频敏变阻器启动法 逐级切除启动电阻法 采用逐极切除启动电阻的方法 其目的和启动过程与他励直流电动机采用逐级切除启动电阻的方法相似 主要是为了使整个启动过程中电机能保持较大的加速转矩 启动过程如图所示 10 三相异步电动机的调速特性 由公式 知 在一定负载下 欲得到不同的转速n 可以改变 极对数P 转差率S和电源频率f来获得 交流调速的分类 交流调速 变极对数调速 变转差率调速 变频调速 改变鼠笼式异步电机定子绕组的极对数 调压调速 转子电路串电阻调速 串极调速 电磁转差离合器调速 改变定子电源频率 改变定子电压 线绕式异步电机转子电路串电阻 线绕式异步电机转子电路串电动势 滑差电机调速 变极对数调速是有级的 变转差率调速不用调节同步转速 低速时 电阻能耗大 效率低 变转差率调速中 只有串级调速的转差功率才得以利用 效率较高 变频调速需要调节同步转速 从高速到低速都能保持很小的转差率 效率高 调速范围大 精度高 是一种较理想的交流电机调速方法 改变转差率调速 属于改变转差率调速的方法有 调压调速 转子电路串电阻调速 串级调速 电磁转差离合器调速 1 调压调速 1 异步电机调压特性 电压改变后 Tmax变化 而n0和Sm不变 对于恒转矩TL 与不同电压下电机机械特性