電機傳動控制

1、電機傳動控制第一頁，共90頁。機電傳動，又稱電氣傳動、電力傳動、電力拖動。機電傳動控制：以電動機驅動的生產(chǎn)機械為研究對象，研究各類電動機及其控制方法。課程內容：拖動電機與控制電機接觸器與開關式控制系統(tǒng)晶閘管與數(shù)字式控制系統(tǒng) 第1章 概述第二頁，共90頁?，F(xiàn)代傳動技術的三大形式：機械傳動流體傳動電氣傳動機械化機械技術通過對原動力的傳遞與控制，獲取所需的運動(位移、速度、加速度)和動力(力、力矩) ，實現(xiàn)機械做功的技術。第三頁，共90頁。機械傳動的技術特征電能熱能原動機機械能機械傳動器調速與換向連鎖與制動傳遞與變換機械能機械執(zhí)行器齒輪齒條蝸輪渦桿絲桿螺母帶輪鏈輪凸輪連桿支承導向電動機內燃機第四頁，

2、共90頁。液壓傳動的技術特征原動機機械能液壓控制回路機械執(zhí)行器控制閥門輔助元件液壓泵電能熱能液壓能液壓能機械能液壓缸和馬達調速與換向連鎖與制動傳遞與變換電動機內燃機第五頁，共90頁。電氣傳動的技術特征控制電機電子控制電路微型計算機單片機可編程序控制器接口模塊電能算術與邏輯運算數(shù)模與模數(shù)轉換控制信號電力驅動電路調速與換向連鎖與制動機械執(zhí)行器電能機械能繼電器、接觸器可控硅、晶閘管功放、變頻模塊步進電機變頻電機直流伺服電機交流伺服電機第六頁，共90頁。機電傳動控制技術發(fā)展概況拖動方式： 成組拖動單電機拖動多電機拖動控制方式： 開關量模擬量數(shù)字量元件： 接觸器電機放大機晶閘管、功率率晶體管在機電一體化

3、系統(tǒng)中的應用： CNC、MC、ROBOT、FMS、CAD/CAM、CIMS第七頁，共90頁。課程結構一、機電傳動系統(tǒng)的動力學基礎二、常用電機的工作原理及其特性： 1、拖動電機（直流電機、交流電機） 2、控制電機（控制信號的傳遞與轉換）三、開關量（接觸器）控制系統(tǒng) 1、繼電器 2、可編程序控制器四、模擬量控制系統(tǒng)五、數(shù)字量（晶閘管）控制系統(tǒng) 1、電子電力技術與晶閘管電路 2、直流傳動控制系統(tǒng) 3、交流傳動控制系統(tǒng) 4、步進電機傳動控制系統(tǒng)第八頁，共90頁。第2章 電機傳動系統(tǒng)的動力學基礎機電傳動系統(tǒng)的運動方程TL為負載折算到電機輸出軸上的負載轉矩； TM為電機的輸出轉矩；J為整個傳動裝置折算到電

4、機輸出軸上的轉動慣量；為電機的輸出轉速。TM使轉速增加為正，稱拖動轉矩；使轉速下降為負，稱制動轉矩；TL使轉速增加為負，稱拖動轉矩；使轉速下降為正，稱制動轉矩；第九頁，共90頁。第十頁，共90頁。旋轉運動：轉動慣量與飛輪第十一頁，共90頁。TM與轉向相同為正；TL與轉向相反為正。第十二頁，共90頁。飛輪轉矩第十三頁，共90頁。多軸傳動簡化為單軸傳動模型將驅動力、動態(tài)慣性力、負載折算到一根軸上驅動力矩、負載力矩的折算可按杠桿原理、虛位移原理、靜態(tài)下的能量守恒原理等方法折算。動態(tài)慣性力的折算可按動能守恒原則折算。第十四頁，共90頁。負載轉矩TL的折算在靜態(tài)下；按功率守恒?？紤]傳動效率j為傳動比第十

5、五頁，共90頁。轉動慣量的折算按動能守恒折算 J i 為傳動裝置中的各個旋轉零件的轉動慣量M i 為傳動裝置中的各個直線運動零件的質量可以折算到任意一個傳動環(huán)節(jié)第十六頁，共90頁。機電傳動系統(tǒng)的運動方程第十七頁，共90頁。傳動比與執(zhí)行機構的加速度第十八頁，共90頁。生產(chǎn)機械的機械特性負載轉矩與轉速之間的函數(shù)關系 1、恒轉矩機械特性：負載轉矩恒定。 反抗轉矩（摩擦轉矩）：由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸、扭轉等產(chǎn)生，例如切削力，其方向與運動方向n相反； 位能轉矩：由物體的重力、彈性體的壓縮、拉伸、扭轉等產(chǎn)生，例如吊重物，其方向與運動方向n無關。第十九頁，共90頁。生產(chǎn)機械的機械特性2、離心式通風機型

6、機械特性： 負載轉矩與轉速的平方成正比。3、直線型機械特性：負載轉矩與轉速成正比。4、恒功率機械特性：負載轉矩與轉速成反比。第二十頁，共90頁。機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件1、電動機和生產(chǎn)機械特性曲線有交點（平衡點）；2、干擾負載的出現(xiàn)，必然造成平衡點的改變，但在干擾負載消失后，要求運行狀態(tài)要返回原平衡點。第二十一頁，共90頁。機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行判斷干擾使轉速上升，應有TMTL。平衡點畫水平線第二十二頁，共90頁。作業(yè)2.7、2.8、2.11第二十三頁，共90頁。電機及拖動基礎知識范疇第3章 直流電動機的工作原理及特性第4章 交流電動機的工作原理及特性 機電傳動系統(tǒng)的過渡過程 第5章 控制電機

7、 交直流伺服控制電動機、力矩電動機 微型同步電動機、測速發(fā)電機/自整角機 步進電機、直線電動機 機電傳動控制系統(tǒng)中電動機的選擇第二十四頁，共90頁。 直流電機既可用作電動機，也可用作發(fā)電機。直流電機的構造較復雜，價格也比交流電動機昂貴，維護維修也較困難。 近年來，由于變頻調速技術的發(fā)展，在中小功率的電動機調速領域中，交流電動機正逐步取代直流電動機。盡管如此，由于直流電動機具有轉速穩(wěn)定、便于大范圍平滑調速、起動轉矩較大等優(yōu)點，因此，廣泛用于要求進行平滑、穩(wěn)定、大范圍的調速或需靈活控制起動、制動的生產(chǎn)機械。 直流發(fā)電機主要用于直流電源，隨著晶閘管等整流設備的廣泛應用，直流發(fā)電機已逐漸被取代，但從電

8、源的質量與可靠性來看，直流發(fā)電機仍有其優(yōu)點。第3章 直流電機的工作原理及特性第二十五頁，共90頁。直流電機的基本結構和工作原理直流電機的基本工作原理是建立在電磁感應和電磁力的基礎上的。見直流電機的基本構成圖。它主要定子上的主磁極、換向極、機座、端蓋、軸承等，以及轉子上的電樞（電樞鐵心+電樞繞組）、電刷及換向器(又稱整流子或轉換器)、風扇等構成。主磁極用于產(chǎn)個主磁場。在永磁式直流電機中(一般為小功率的直流電機)，磁極采用永磁材料制成。充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場。在他勵式直流電機中，磁極由沖壓的硅鋼片迭加而成，外繞勵磁線圈，由外加勵磁電流才能產(chǎn)生磁場。電樞繞組是產(chǎn)生感應電勢和電磁轉矩的關鍵部件。電樞繞

9、組在換向器的配合下獲得或輸出極性不變的直流電源。第二十六頁，共90頁。直流電動機的基本構成第二十七頁，共90頁。直流電動機的截面圖1-主極；2-勵磁繞組；3-附加極；4附加極繞組；5-極掌；6-極心；7-電樞；8-通份槽；9-電樞繞組；10-空氣隙；11-軛第二十八頁，共90頁。電磁感應與電磁轉矩電磁感應：導體在磁場中運動時，導體兩端將會產(chǎn)生感應電勢E。（方向由右手定則確定）電磁轉矩：通以電流的導體在磁場中將會受到電磁力T的驅動。（方向由左手定則確定）第二十九頁，共90頁。直流發(fā)電機直流發(fā)電機按勵磁方式分為：他勵、自勵發(fā)電機，自勵發(fā)電機分為并勵、串勵、復勵發(fā)電機。他勵發(fā)電機：改變勵磁電流可獲得

10、所需電壓。：空載特性磁化特性：外特性：勵磁電流與轉速不變，I與U的關系。：第三十頁，共90頁。并勵發(fā)電機：1、磁極有剩磁；2、勵磁方向與剩磁方向一致；3、磁化曲線與感應電勢的電路特性有交點。電壓的建立：外特性：勵磁電流與轉速不變，I與U的關系。：第三十一頁，共90頁。復勵發(fā)電機：并勵發(fā)電機中，端電壓隨著負載電流的增加而下降。復勵發(fā)電機中，串勵繞組能自動增加磁通，一補償電壓的下降。所以，復勵發(fā)電機在其正常的運行范圍內，其端電壓變化小。第三十二頁，共90頁。直流電動機的機械特性他勵電動機的機械特性他勵電動機原理電路圖：第三十三頁，共90頁。由于U與Uf同屬一個電源，且不考慮電源的內阻時，并勵電動機

11、與他勵電動機的勵磁電流（或磁通）與電樞電流無關，所以他們的機械特性是一樣的。他勵/并勵電動機的機械特性：并勵電動機原理電路圖：第三十四頁，共90頁。機械特性硬度無窮大：絕對硬度，如交流同步電動機的機械特性：10：硬特性，如直流他勵、交流異步電動機的機械特性：n02、反接制動：1）電源反接制動：改變電樞電壓極性； 2）倒拉反接制動：改變感應電勢的極性；3、能耗制動：將電樞電壓突然降為0，并將電樞通過一附加電阻短接，以消耗機械能轉換來的電能。兩種形式：1、消耗位能，保持重物勻速運行；2、消耗動能，使生產(chǎn)機械停車。第四十六頁，共90頁。電樞電壓突降時的反饋制動轉速大于空載轉速時發(fā)電電樞電壓極性突然反

12、接須串接電阻限流輸出轉矩反向反接制動第四十七頁，共90頁。串接附加電阻時的倒拉制動可調速，機械特性硬度小倒拉制動能耗制動反抗轉矩位能轉矩不反向勻速下降第四十八頁，共90頁。小結2、直流發(fā)電機的工作原理與外特性1、電磁感應與電磁轉矩3、直流電動機的工作原理與機械特性4、直流電動機的啟動特性5、直流電動機的調速特性6、直流電動機的制動特性 習題： 3.3、 3.4、3.9、3.10、3.13、3.15、3.18第四十九頁，共90頁。第4章 交流電動機的工作原理及特性交流電動機具有結構簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、轉子慣量小、運行可靠等優(yōu)點。交流電動機有三相異步電機（感應電動機）和同步電機。三

13、相異步電機按照轉子的結構型式分為籠型異步電動機和繞線轉子異步電動機?；\型異步電動機在工農業(yè)生產(chǎn)中得到了極其廣泛的應用。繞線式異步電動機因其轉子采用繞線方式，具有調速簡單的優(yōu)點，在吊車、卷揚機等中小設備中得到了廣泛的應用。第五十頁，共90頁。異步電動機的結構及分類 三相異步電動機主要由定子、轉子兩大部分構成，定子與轉子之間有一定的氣隙。定子是靜止不動的部分，由定子鐵心、定子繞組和機座組成。轉子是旋轉部分，由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。三相異步電動機的結構圖1-軸承蓋；2-端蓋；3-接線盒；4-散熱筋；5-定子鐵心；6-定子繞組； 7-轉軸；8-轉子；9-風扇；10-罩殼；11-軸承；12機座第

14、五十一頁，共90頁?；\型異步電動機的轉子繞組與定子繞組大不相同，它是在轉子鐵心槽里插入銅條。再將全部銅條焊接在兩個端銅環(huán)上，如果將轉子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞組形狀象個籠子，如圖所示，因此叫籠型轉子。對于中小功率，多采用鋁離心澆鑄而成。繞線式異步電動機的轉子繞組與定子繞組一樣，由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽里，轉子可以通過電刷和集電環(huán)外串電阻以調節(jié)轉子電流的大小和相位的方式進行調速，如圖所示。 第五十二頁，共90頁。三相異步電動機的結構圖a）籠型繞組；b）轉子外形第五十三頁，共90頁。繞線式異步電動機定轉子繞組及外加電阻的接線方式第五十四頁，共90頁。異步電動機的工作原理如圖所示。當定子接

15、三相電源后，電動機內便形成圓形旋轉磁場。若轉子不轉，轉子籠型導條與旋轉磁場有相對運動，導條中有感應電動勢e，方向由右手定則確定。由于轉子導條彼此在端部短路，于是導條中有電流，不考慮電動勢與電流的相位差時。電流方向同電動勢方向。轉子受力，產(chǎn)生轉矩T，即為電磁轉矩，方向與旋轉磁場同方向，轉子便在該方向上旋轉起來。第五十五頁，共90頁。旋轉磁場的形成對調任意兩根電源導線，磁場的旋轉方向將改變。磁場旋轉速度n=60f/p（p為磁極對數(shù)）：一對磁極：n=60f；兩對磁極：n=30f；第五十六頁，共90頁。異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)銘牌是電動機的身份證，認識和了解電動機銘牌中有關技術參數(shù)的作用和意義，可以幫助我

16、們正確地選擇、使用和維護它。圖示是我國使用最多的Y系列三相感應電動機銘牌的個實例。Y系列三相感應電動機銘牌 第五十七頁，共90頁。異步電動機型號第五十八頁，共90頁。額定功率PN 指電動機在額定運行時軸上輸出的機械功率，單位為kW；額定電壓UN指額定運行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓單位為V；額定電流IN指電動機在定子繞組上加額定電壓、軸上輸出額定功率時的線電流，單位為A；額定頻率fN我國規(guī)定工業(yè)用電的頻率是50Hz，國外有些國家采用60Hz。額定轉速nN指電動機定子加額定頻率的額定電壓，且軸端輸出額定功率時電動機的轉速，單位為rmin?？梢愿鶕?jù)額定轉速與額定頻率計算出電動機的極數(shù)P和額定轉差率

17、SN。 第五十九頁，共90頁。噪聲值(LW) 指電動機在運行時的最大噪聲。一般電動機功率越大，磁極數(shù)越少，額定轉速越高，噪聲越大。工作制式指電動機允許工作的方式，共有S1S10十種工作制。絕緣等級 絕緣等級與電動機內部的絕緣材料有關。它與電動機允許工作的最高溫度有關，共分A、E、D、F、H五種等級。連接方法 有如圖所示的Y/兩種方式。請注意有些電動機只能固定一種接法，有些電動機可以兩種切換工作。但是要注意工作電壓，防止錯誤接線燒壞電動機。高壓大、中型容量的異步電動機定子繞組常采用丫接線，只合三根引出線。對中、小容量低壓異步電動機。第六十頁，共90頁。三相異步電動機的引出線a) 出線端的排列 b

18、) 丫連接 c) 連接第六十一頁，共90頁。通常把定于三相繞組的六根出線頭都引出來。根據(jù)需要可接成Y型或型，如圖所示Y/降壓起動、起動過程用丫連接(KM1閉合，KM2斷開)，起動過程結束后切換為連接(KM2閉合，KM1斷開)。防護等級 IP為防護代號，第一位數(shù)字(06)規(guī)定了電動機防護體的等級標準。第二位數(shù)字(08)規(guī)定了電動機防水的等級標淮。如IP00為無防護，數(shù)字越大，防護等級越高。其他 對于繞線轉子電動機還必須標明轉子繞組接法、轉子額定電動勢及轉子額定電流有些還標明了電動機的轉子電阻，有些特殊電動機還標明了冷卻方式等。第六十二頁，共90頁。Y/降壓起動的接線圖 第六十三頁，共90頁。三相

19、異步電動機的定子電路分析電阻壓降與漏磁阻抗較小，定子的反電勢約等于供電電壓R1、X1較小第六十四頁，共90頁。三相異步電動機的轉子電路分析速差越大，轉子切割磁力線越快，轉子感應電勢越大，電流也越大。第六十五頁，共90頁。轉子電路的功率因數(shù)速差越大，轉子切割磁力線越快，轉子感應電勢越大，電流也越大。速差很小時：速差很大時： 為常數(shù)感抗的存在使電流滯后電壓一個相位該相位的余弦值稱為功率因數(shù)：速差很小時：速差很大時：第六十六頁，共90頁。三相異步電動機的機械特性在異步電動機中，電動機電磁轉矩T與轉差s的關系Tf(s)通常叫做T-s曲線。為了符合習慣畫法。可將T-s曲線轉換成轉速n與轉矩T之間的關系曲

20、線nf(T)，稱為異步電動機的機械特性。分為固有機械特性和人為機械特性。第六十七頁，共90頁。固有機械特性 異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉子電路中不串聯(lián)任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有(自然)機械特性，如圖所示。曲線1為電源正相序時的固有機械特性；曲線2為負相序時的曲線。 電動機的固有機械特性第六十八頁，共90頁。人為機械持性 異步電動機的機械特性除與電動機的參數(shù)有關外，還與外加定子電壓Ul、定子電源頻率f1、定子或者轉子電路中串入的電阻或電抗等有關，將這些參數(shù)人為地加以改變而獲得的機械特性稱為異步電動機的人為機械特性。改變定子電源電壓時的人為機械特性定子電路串

21、電阻的人為機械特性最大轉矩較降壓大些轉速升高，電阻壓降下降第六十九頁，共90頁。改變電源頻率時人為機械特性轉子電路外接電阻或電抗時的人為機械特性恒轉矩調頻調速第七十頁，共90頁。三相異步電動機的啟動特性要求： 小的啟動電流和大的啟動轉矩 平滑、安全、功耗小。方法： 直接啟動 降壓啟動：串電阻/星三角/自耦變壓器（繞線式：啟動電阻/頻敏電阻）第七十一頁，共90頁。直接啟動第七十二頁，共90頁。電阻或電抗器降壓啟動定子串電阻：啟動轉矩小、能耗大Y-降壓啟動 Y接線下的啟動電流和啟動轉矩是接線下的1/3。 4KW以上，380V額定電壓， 接線的電動機在電源電壓為380V時，采用Y-降壓啟動第七十三頁

22、，共90頁。自耦變壓器降壓啟動變壓啟動： 電機接線不變 供電電壓由變壓器副邊輸出 變壓器的變壓比可調80%、65%、50%第七十四頁，共90頁。繞線式異步電動機的啟動串啟動電阻： 電阻逐步減小、限流啟動頻敏電阻：三相電抗器 轉子電流頻率越大、阻抗越大，電流越小。啟動電流平滑調節(jié)，功率因數(shù)小，用于啟動轉矩不大的場合。第七十五頁，共90頁。三相異步電動機的調速特性1、調壓調速（定子串電阻、晶體管調壓） 調速范圍不大。 恒轉矩負載下，調速范圍不大 離心機型負載下，調速范圍稍大2、轉子串電阻 有級調速、特性軟、低速下能耗大。3、改變極對數(shù)調速：多速電機4、變頻調速第七十六頁，共90頁。三相異步電動機的

23、制動特性反饋制動 使電動機的轉速大于同步轉速，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，輸出轉矩為負。 1、位能轉矩下，附加電阻越大，穩(wěn)定轉速越高 2、突然降低同步轉速反接制動 1、電源反接+定子串接電阻限流 2、倒拉制動：轉子串入電阻，使轉矩小于負載能耗制動 斷開三相交流電源，改接直流電源（固定磁場），此時轉子發(fā)電，并消耗在轉子電路中。第七十七頁，共90頁。單向異步電動機 單相異步電動機就是指用單相交流電源的異步電動機。單相異步電機的運行原理和三相異步電機基本相同，但有其自身的特點。單相異步電動機通常在定子上有兩相繞組，轉子是普通籠型的。根據(jù)定子兩個繞組在定子上的分布以及供電情況的不同，可以產(chǎn)生不同的起動待性和運

24、行待性。第七十八頁，共90頁。相定子繞組通電時的機械特性 ： 單相異步電動機定子兩相繞組是主繞組m及副繞組a，它們一般是在空間上相差90電角度的兩個分布繞組，通電時產(chǎn)生空間正弦分布的空間磁通勢。首先分析只有一相繞組通電時的機械特性.單相異步電機中，籠型轉子在正轉磁通勢或反轉磁通勢分別作用下受的電磁轉矩T+或T-，與籠型轉子在三相異步電動機正向旋轉磁通勢(電源相序為正)或反向旋轉磁通勢(電源相序為負)分別作用下受的電磁轉矩是完全一樣的，T +f(s)與T-f(s)兩條轉矩特性如下圖所示。第七十九頁，共90頁。主繞組通電時的機械特性曲線 一相繞組產(chǎn)生交變脈動磁場：可分解為兩個大小相等、轉向相反的旋轉磁場A、B。轉子啟動后，如旋轉方向與A相同、與B相反，即：與A的速差小于1，與B的速差大于1，也就是：A磁場使轉子產(chǎn)生正的與轉向相同的轉矩，B磁場使轉子產(chǎn)生負的與轉向相反的轉矩，轉子于是加速旋轉起來。啟動轉矩為零！第八十頁，共90頁。兩相繞組通電時的機械特性 ： 當單相異步電動機主繞組與副繞組同時通入不同相位的兩相交流