《机电传动控制》(第五版)教案.doc
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1、第1章 绪论1.1 机电系统的组成机械运动部件机电传动电气控制系统。 1.机械运动部件完成生产任务的基础,机械执行部分; 2.机电传动电力传动或电力拖动,是驱动生产机械运动部件的原动机的总称; 3.电气控制系统控制电动机的系统。1.2 机电传动的目的和任务 1.机电传动的目的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,满足各种生产工艺的要求,保证生产过程的正常进行 2.机电传动的任务广义上讲使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化。狭义上讲专指控制电动机驱动生产机械,实现产品数量的增加、质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源的合理利用。1.3 机电传
2、动控制的发展概况一、驱动系统的发展阶段:1.成组拖动一台电动机拖动一根天轴通过带轮和传动带分别拖动各(一组)生产机械。 生产效率低、劳动条件差,一旦电动机或传动环节发生故障则造成成组生产机械停车。 2.单电动机一台电动机拖动一台生产机械,较成组拖动进了一步。但当生产机械的运动部件较多时,其机械传动机构则十分复杂。 3.多电动机拖动一台生产机械的每一个运动部件都有专门的电动机拖动。不仅大大简化了生产机械的传动机构,而且控制灵活,为自动化提供了有利条件,是现代化机电传动的典型方式。二、控制系统的发展阶段: 1.接触器继电器控制出现在20世纪初,应用广泛、成本低;但控制速度慢、精度差。2.电动机放大
3、机控制(30年代)、磁放大机控制(4050年代)从断续控制发展到连续控制,并具有了输出反馈环节,简化了控制系统、减少了电路触点、提高了可靠性。3.大功率可控电力半导体器件控制具有效率高、反应快、寿命长、可靠性高、维修容易、体积小、重量轻等优点。由此,开辟了机电传动控制的新纪元。4.采样控制数控技术微机应用的高水平断续控制,由于采样周期控制对象的变化周期,连续控制。它集电力电子技术、微电子技术、计算机技术为一体,赋予了机电传动控制新的内容。20世纪70年代初计算机数字控制(CNC)应用于数控机床和加工中心,提高了机床的自动化程度、通用性、加工效率。20世纪80年代以来工业机器人诞生,为机加工全面
4、自动化创造了物质基础。柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)使产品设计、制造、装配、试验和质量管理全过程实现自动化。5.为实现制造过程的高效率、高柔性、高质量,研制计算机集成制造系统(CIMS)是人们当今的任务。1.4 课程的性质和任务一、课程的性质 1.机电一体化产品质量和技术水平是当今世界衡量一个国家实力和国际地位的重要标志。2.实现产品的高质量和技术的高水平,其关键是机电一体化技术人才的培养。3.“机电传动控制”课程的创建,建立了一个融合机电一体化、强弱电控制技术崭新的课程体系。二、课程的任务 1.培养具有创新精神和实践能力的“机电复合型”人才。2.要
5、求学生学习并掌握机械、电、液、气、计算机等综合控制系统的技术,包括强电、弱电控制系统。1.5课程的内容安排及教学方法一、课程的内容 1.第1章绪论;2.第2章机电传动系统的动力学基础;3.第3、4章 直流电动机、交流电动机的工作原理及特性;4.第5章各类常用控制电动机的结构特点、工作原理、性能和应用;5.第6章继电器-接触器控制中常用的控制电器和基本控制线路;6.第7章可编程控制器(PLC)原理及应用技术;7.第8章电力电子器件、各种变流电路及及其控制;8.第9、10、11章各类交、直流调速系统和步进电动机控制系统的组成、各种原理及性能。二、本课程的课时 1.教材是按72课时编写的。2.我们按
6、60课时讲授(极个别内容稍作删节)。 三、教学方法 1.复杂公式的理论推导省略,但结论和公式的具体应用讲解清楚;2.各种电器及设备的结构组成、工作原理讲解清楚,应用与实践的结合举例、引导到位;3.“学”、 “问”结合光“学”不问不能开拓视野;光“问”不学,不是好学生;4.教师把主要内容板书清晰,采用简单符号以利记录(忆),希望学生认真记好笔记。第2章 机电传动的动力学基础2.1 机电传动系统的运动方程式 1.单轴传动系统图见P5/T2.1(a)。 2.单轴传动系统的运动方程式:理论方程式: (P5/S2.1) 实用方程式: (P6/S2.5) 式中:、分别为电动机产生的转矩、负载转矩,单位皆为
7、;、转动惯量()、角速度()、时间();飞轮惯量(),、转动部分的重量()和惯性直径();电动机的转速,。 3.驱动转矩、负载转矩转速的正方向约定及性质判定以电动机的转速方向为参照量、且为正方向;电动机转矩与转速一致的方向为正方向,负载转矩与转速相反的方向为正方向;电动机转矩与转速方向一致(同或)为拖动转矩,否则为制动转矩;若负载转矩与转速方向相反为制动转矩,否则为拖动转矩。2.3 机电传动系统的负载特性同一转轴上负载转矩和转速之间的函数关系特别说明。除特别说明外,均指电动机轴上的负载转矩和转速之间的函数关系:。 一、恒转矩型负载特性 (常数,下同) 0.特 点:负载转矩为常数。1.反抗性恒转
8、矩负载 产生原因:摩擦、非弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用产生的负载转矩,又称“摩擦转矩”。方 向:转矩方向恒与运动方向相反,总是阻碍运动的发展。特性曲线:位于坐标系的第一、三象限, 见P11/T2.4(a)。2.位能型恒转矩负载 产生原因:由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用产生的负载转矩。方 向:转矩作用方向恒定,与运动方向无关,它在某方向阻碍(或促进)运动的发展。特性曲线:位于坐标系的第一、四象限,见P11/T2.4(b)。三、直线型负载特性1.特 点:负载转矩随转速的变化成正比。2.特性曲线:位于坐标系的第一象限,从坐标原点向右上方向,见P11/T2.6。二、离心式通风机性负载特
9、性1.特 点:负载转矩随转速的二次方成正比。2.特性曲线:位于坐标系的第一象限,从坐标原点向右上方向呈上凸 曲线形,见P11/T2.5。四、恒功率型负载特性1.特 点:负载转矩随转速的变化成反比。 (功率) 即恒功率特性。2.特性曲线:位于坐标系的第一象限,从左上至右下方向呈下凹曲线形,见P11/T2.7。五、非单一(组合)型负载特性1.特 点:以上几种负载特性的叠加。例如:实际通风机特性(摩擦转矩)(负载转矩)。2.特性曲线:此例(实际通风机)的特性曲线见P11/T2.5中的(虚线)段。(见上左图中虚线部分)2.4 机电传动系统稳定运行的条件一、机电传动系统稳定运行的两重含义 1.系统能以一
10、定速度匀速运转;2.系统受外部干扰作用致使运行速度稍有变化时,应保证在干扰消除后恢复到原来的运行速度。二、保证系统匀速运转的必要条件 1.物理条件:电动机轴上的拖动转矩与折算到电动机轴上的负载转矩大小相等、方向相反、相互平衡。2.几何意义:电动机的机械特性曲线与生产机械的负载特性曲线B有交点“拖动系统的平衡点”。三、稳定工作点的判别与分析 按P12/T2.8(本教案右图)讲解。四、机电传动系统稳定工作运行的充要条件 1.必要条件电动机的输出转矩与负载转矩大小相等、方向相反。即:电动机的机械特性曲线与生产机械的负载特性曲线有交点(即拖动系统的平衡点)。 2.充分条件系统受干扰后,要具有恢复到原平
11、衡状态的能力。即:.当干扰使转速()时()。2.5 机电传动系统的过渡过程 (略)第3章 直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、基本结构(见P22/T3.1)1.定子(磁极)机座主磁极换向极 主磁极主磁极铁芯(11.5硅钢片冲 压而成)励磁绕组(漆包铜线绕指)组成。产生主磁场。换向极铁芯(11.5硅钢片冲压而 成)绕组(漆包铜线绕指)组成。改善 电枢电流的换向性能。机座固定主磁极、换向极和端盖等,作为整体的支架和安装体,还是磁路的一部分。铸钢、铸铁制造或钢板压制。 2.转子(电枢)电枢铁芯电枢绕组换向器轴风扇等组成。电枢铁芯用硅钢片冲压叠成,是主磁路的一部分,呈圆柱形
12、,其上有槽,槽中放电枢绕组,轴向开有通风孔。电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩以实现能量转换的关键部件,一般由漆包铜线绕制,包上绝缘层后嵌入电枢铁芯的槽中最后用槽楔封固。换向器有若干彼此绝缘的紫铜质换向片组成,每片都和电枢绕组连接。其作用:a)对于发电机将电枢绕组内产生的交流电动势直流电动势输出;b)对于电动机将外加的直流电流交流电流输入电枢绕组,保证每一磁极下导体的电流方向不变,以产生恒定的电磁转矩。 P23/T3.4 3.其他构件 包括:前、后端盖、电刷装置(电刷电刷座,固定在端盖上,电刷与换向器滑动接触,以使电刷绕组与外电路保持接通)、轴承、风扇、防护罩等。 二、直流电机的基本工作原理
13、(P23/T3.5、3.6)1.直流电机的电动势: (P24/S3.1) 1对磁极的磁通(Wb)2.直流电机的电磁转矩: (P24/S3.2) 与电机结构有关的常数3.直流电机在不同运行方式下E和T的作用: (P25/B3.1) 与电机结构有关的常数 电机运行方式E与Ia的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发 电 机电 动 机相 同相 反电源电动势阻力电动势阻力转矩驱动转矩TL=T+T0T=TL+T03.2 直流发电机一、他励发电机励磁绕组由外电源供电,励磁电流 不受电枢端电压和电枢电流的影响。1.结构示意图 见P25/T3.7(a)即左图。 2.电路原理图 见P26/T3.8即下左图。 3.
14、空载特性曲线 见P26/T3.9 即下左图。 其中E剩磁电动势额定电压的25,失磁后用电池充磁。 4.外特性曲线 见P27/T3.10即上右图。 5.从空载到满载(额定负载)的电压变化率 100一般为510,欲保持端电压不变,必须励磁电流。二、自励发电机励磁电流为电枢电流的一部分,励磁电流受电枢端电压和电枢电流的影响(但可忽略不计)。1.并励发电机结构示意图 见P25/T3.7(b)即下左图。励磁绕组与电枢绕组并联,电线较细而匝数较多电阻较大、通过的电流较小。 电路原理图 见P27/T3.11即上右图。磁场建立的条件:a)发电机的磁极要有剩磁; b)起始励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向相同;c
15、)励磁电压要有一定的大小(即励磁调节电阻的阻值大小要适当)。 2.串励发电机 (略讲) 3.复励发电机结构示意图 见P25/T3.7(d) 励磁绕组两个1个串励绕组(与电枢绕组串联)1个并励绕组(与电枢绕组并联)电路原理图 见P28/T3.14优点:在正常运行范围内,端电压变化不大,弥补了他励发电机端电压随负载电流而的缺点。3.3 直流电动机的机械特性 一、他励(并励)电动机的机械特性1.固有(自然)机械特性额定条件下的曲线。见P23/T3.16。机械特性硬度转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值(3.14)。 绝对硬特性(); 硬特性(10); 软特性(10)。2.人为机械特性以下特性皆由
16、 (P23/S3.13)导出: 电枢(转子)回路中串接附加电阻时的人为机械特性 a)转速:不变,随串入的附加电阻变化:串入的附加电阻越。b)特点:特性变软,串入的附加电阻越,特性越软。c)电路和特性曲线:见P25/T3.18。 改变电枢(转子)电压U时的人为机械特性a)转速:不变,随U的变化而变化随U变化。b)特点:特性的软硬不变,受电动机耐压强度的限制,得到一族低于且平行于固有特性曲线的人为特性曲线。c)特性曲线:见P26/T3.19。改变磁通时的人为机械特性 a)转速:和都随的变化儿变化。只能向调节和都变。b)特点:特性变软,串入的附加电阻越,特性越软。c)电路和特性曲线:见P26/T3.
17、20。二、串励电动机的机械特性 (删)三、复励电动机的机械特性 (删)3.4 直流他励电动机的启动特性一、启动电流大小及限制 1.启动电流大小 由P29/S3-11可知:电动机未启动之前,而却很小。 将电动机直接接入电网并施加额定电压时,启动电流将很大。 2.启动电流过大的危害 使换向器产生火花甚至烧坏; 产生过大的电动应力和温升,引起绕组损坏;过大的启动转矩()冲击使机械传动部件损坏;过大的启动电流会使保护装置动作,切断电源。 3.对启动电流的限制 一般规定:电枢(转子)的瞬时电流()2倍的额定电流()。 4.限制启动电流的方法降压启动采用适当方法,在启动瞬间降低供电电压,随着转速升高和反电
18、动势的增加,逐步提高供电电压,直至达到额定电压时,转速达到额定值。在电枢(转子)回路中串接外加电阻启动此时启动电流受到外加启动电阻的限制。随着转速、反电动势E,逐级切除,直至,电动机达到要求转速。 【!】级数越多,启动过程越平稳。原则是:每一级的最大转矩(电流)电动机的允许值,而且每一级切换时的最大转矩(电流)基本相同。一般选择:。3.5他励直流电动机的调速特性O、有关概念(导入知识) 1.速度变化由于负载发生变化(或)引起的电动机转速的变化。2.速度调节在某一特定负载下,由于人为地改变电动机的机械特性,而得到的电动机的转速变化。3.从他励直流电动机的机械特性方程式(P37/S3.21)可知:
19、改变电枢回路的电阻;改变供电电压;改变主磁通,都可以得到人为的机械特性即“调速”。从而,直流电动机的调速方法也就相应的有以下三种:一、改变电枢(转子)回路的电阻的“调速”电枢回路串接电阻1.调速特性曲线见P37/T3.27。2.特性分析及优缺点串接不同的电阻得到不同的转速;机械特性较软,串入电阻越大特性越软;在空载和轻载时,调速范围不大; 不能实现无级调速; 调速电阻上消耗大量电能。 应用不广泛(仅在某些起重机、卷扬机等低速、运转时间不长的传动系统中采用)。【!】启动电阻不能当调速电阻用,否则将被烧坏。二、改变电枢(转子)供电电压的“调速”1.调速特性曲线见P38/T3.28。2.特性分析及优
20、缺点当电源电压连续变化时,转速可平滑无级调节(在额定转速以下);调速特性曲线与固有特性曲线平行,机械特性“硬度”不变,调速的稳定度较高;调速范围大; 调速时,因电枢电流与电压U无关,且,电 动机的转矩 不变属于“恒转矩调速”。可以靠调节电枢电压而不用启动设备来启动电动机省掉了启动设备。三、改变主磁通(定子磁通)的“调速”1.调速特性曲线见P38/T3.29。2.特性分析及优缺点可以平滑无级调速但只能“弱磁调速”在额定转速以上调速;调速特性较“软”;受换向条件的限制,调速范围不大(1.2倍的额定转速); 调速时,维持电枢电压U和电枢电流不变功率不变属于“恒功率调速”。 在这种情况下,电动机的转矩
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- 机电传动控制 机电 传动 控制 第五 教案
