华中科技大学机电传动控制课件


机电传动控制
Mechanical & electrical Transmission Control

华中科技大学机械学院 朱国力 Tel:87543871 Email:glzhu@public.wh.hb.cn

内容

控制 系统

调速 系统

电机

机械 传动

对 象

机电传动系统功能框图

内容
机电传动 系统 控制系统 调速系统 电机 机械传动

继电 器/ 接触 器

PLC 系统

直流 调速

交流 直流 调速 电机

交流 电机

步进 电机

内容:
集成了原来的电子学、电工学课程里的强电内容 ? 机电传动: ? 机电传动的动力学基础 ? 电动机的工作原理及特性 ? 电动机的调速及实现 ? 步进电机及其控制 ? 控制 ? 继电器、接触器控制 ? PLC控制

内容
? ? ? ? ? ?

?
? ?

电动机的工作原理与特性 直流电机的原理与特性 交流电机的原理与特性 步进电机的原理与特性 电动机的速度调节 电力电子学基础 直流电机调速原理与实现 交流电机的调速原理与实现 步进电机控制

内容
?
? ?

继电器、接触器控制
常用的控制电器与执行器件: 继电器、接触器、检测器件、保护器件等 基本控制电路 常用的控制电路 基本设计方法

?
? ?

内容
? ? ? ?

PLC控制 PLC原理、组成 PLC的内部等效电路(继电器) PLC的指令系统 PLC的应用与设计方法 以三菱公司的F系列PLC为基础

第一章

概述

?机电传动的定义是什么? ?机电传动的作用是什么? ?机电传动的发展过程及趋势是什么? ?什么是成组拖动、单电机拖动、多 电机拖动?优缺点是什么? ?机电传动控制系统的发展过程与趋 势是什么?

机电传动定义和目的:
?

?

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

机电传动与控制的重要性
?

?

?

?

机电传动控制技术涉及到社会生活的各个方面 (工业、交通、信息、日常生活、军事等) 机电传动控制技术是现代制造业的基础(各种 制造装备都是以机电传动控制为基础) 机电传动与控制技术的发展有力地推动社会的 进步(提高产品质量、制造能力) 信息社会更离不开机电传动与控制技术(信息 设备产品、信息的应用等)

机电传动与控制技术的发展
? ?

? ?

?

传动技术的发展(简化机械结构、直接驱动) 电动机的发展(交流、直线、高性能、大、小 等) 调速技术的发展(交流、大范围、高精度) 控制理论与技术 的发展(现代控制理论、非 线性控制、模糊智能控制、神经网络) 制造自动化技术的发展(分布式控制、现场总 线、FMS/CIMS)

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。

电动机的分类
?

?

?

直流电机:采用直流电源,调速特性好, 但换相电刷影响其容量、使用范围和寿 命。 交流电机:采用交流电源,克服了直流 电机的缺点,现代交流调速技术的发展 使其成为主流。 步进电机:运动距离和输入脉冲成正比, 控制方便,但功率和精度较差。

电动机的分类
?

?

旋转电机:实现直线运动需要专门的机 械传动装置,在高速、高精度应用中有 一定缺陷(高速高精度、直接驱动)。 直线电机:电机的重要方向,可以实现 高速、高精度加工,机械传动机构简单。 (两个发展方向:一种是大推力,另外 是高相应。)

直 流 、 无 刷 直 流 、 交 流 电 机 比 较

几种电机的工作范围

调速技术的发展
?

?

直流调速:有级调速(串电阻,继电器、 接触器控制),无级调速(调压调速、 调磁调速,发电机-电动机方式,晶闸管 方式,PWM方式) 交流调速:有级调速(调压,变极), 无级调速(变频调速)

控制系统的发展及比较
?继电器—接触器控制:20世纪初,借助于简单的接触器与继电器实现对控 制对象的启动、停车以及有级调速等控制。控制速度慢,控制精度差。 ?电机放大机控制(电动机--发电机):30年代,控制系统从断续控制发展 到连续控制,连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态,并根据输出 量与给定量的偏差对控制对象进行自动调整。快速性及控制精度都大大超 过了最初的断续控制,并简化了控制系统,减少了电路中的触点,提高了 可靠性,也提高生产效率; ?晶闸管、晶体管控制:40年代~50年代, 晶闸管控制就取代了水银整流器 控制,后又出现了功率晶体管控制,由于晶体管、晶闸管具有效率高、控 制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重要轻等优 点,它的出现为机电传动自动控制系统开辟了新纪元。 ?计算机数字控制(digital control):70年代初,随着数控技术的发展,计 算机的应用特别是微型计算机的出现和应用,又使控制系统发展到一个新 阶段——采样控制。 ?CNC(Computer Numerical Control)/FMS/CIMS:现代控制

控制理论与技术的发展
?

?

?

开环控制(步进电机、 变频调速等) 闭环控制:经典控制理 论、现代控制理论、自 适应控制、模糊控制、 智能控制 计算机控制技术和现场 总线技术

产品线
产品线
New C200HW-DRM21-V1 主单元 New CVM1-DRM21-V1 主单元 New 3G8B3-DRM21-E VME 工控机主站板

New

分 支 线

CQM1 8-/16-点远程 I/O I/O Link 单元 终端
SYSMAC CQM1 OMRON

16-点远程

8-点传感 器终端

2-/4-点模 拟量终端

PID、温度、 高速计数终端

New

New

T型分支

终端电阻

3G8E2-DRM21-E 配置器 (PCMCIA)

3G8F5-DRM21-E 配置器 (ISA Board)

主干线

多层现场总线结构

现 场 总 线 在 工 厂 自 动 化 中 的 应 用

现场总线设备作为从站

所有的元件都支持现场总线

混和式

考 虑 扩 展 的 方 案

必备的基础知识
? ? ? ? ?

?
?

高等数学 物理 电路与磁路 模拟电子技术 数字电路 微型计算机及接口技术 控制工程

教学安排与考试
? 1. 2.

?
? ?

课内讲课和习题课时间56学时 教材内容讲授 课堂作业(4-5次) 实验8学时, 复习、练习、写实验报告等课外时间140学时 成绩以期末考试、作业和课堂作业三方面为 主

第二章:机电传动的动力学基础
学习要点:
? ?

?

?

机电传动系统的运动方程式; 多轴传动系统中转矩折算的基本原则和 方法; 了解几种典型生产机械的负载特性; 了解机电传动系统稳定运行的条件以及 学会分析实际系统的稳定性;

一、单轴拖动系统的组成

二、运动方程式
电动机的输出 转矩(N.m)

TM

d? 2? dn ? TL ? J ?J dt 60 dt
转矩平衡 方程式 运动方程 式

转动惯量 (kg.m2)

角速度 速度 (rad/s) (r/min)

TM ? TL ? Td
负载转矩 (N.m)
动态转矩 (N.m)

三、传动系统的状态

T 四、 M 、TL、n 的参考方向
? 运动方程式是根据前图中关于转矩正方向的约 定:由于传动系统有各种运动状态,相应地运 动方程式中转速和转矩就有不同的符号。 ? 因为电动机和生产机械以共同的转速旋转,所 以,一般以ω(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,TM 取与n相同的符号,否则取与n相反的符号; ? 当TL的实际作用方向与n的方向相反时,TL取 与n相同的符号,否则取与n相反的符号。

TM 、TL、n 的参考方向(续) 四、
根据上述约定就可以从转矩与转速的符号上判定 TM与TL的性质: ? 若TM 与n的符号相同(同为正或同为负),则 表示TM 的作用方向相同,为拖动转矩;若TM 与n的符号相反,则表示TM的作用方向相反, 为制动转矩。 ? 若TL 与n的符号相同(同为正或同为负),则 表示TL的作用方向相同,为制动转矩;若TL与 n的符号相反,则表示TL 的作用方向相同,为 拖动转矩。

举例

举例
?

当重物上升时,TM的作用方向与n的方 向相同,故TM的符号与n的符号相同, 同为正;而TL的作用方向与n的方向相反, 故TL的符号与n的符号相反,同为正。 TM、 TL、n的方向如图(a)所示

2? dn TM ? TL ? J 60 dt

举例
?

当重物下降时,TM的作用方向与n的方 向相反,故TM的符号与n的符号相反,n 为负, TM为正;而TL的作用方向与n的 方向相同,故TL的符号与n的符号相反, 为正。TM、 TL、n的方向如图(b)所 示.
2? dn TM ? TL ? ? J 60 dt 2? dn TL ? TM ? J 60 dt

五、多轴拖动系统的组成
为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析,一般是将多轴 拖动系统等效折算为单轴系统。折算的原则是:静态时,折 算前后系统总的传输功率不变。

六、负载转矩的折算
PM ? ? M ? Teq
电机输出功率

PL ? ? L ? TL
负载侧功率

减速机构的输出功率 TL? L ?C ? ? 减速机构的输入功率 Teq?M
传动效率
Teq ? TL ? L ? TL

? c? M

? j
C

?M j? ?L
传动机构的总 传动比

折算到电机侧 等效转矩

七、转动惯量的折算--旋转 运动
JZ ? JM J1 J L ? 2 ? 2 j1 jL

J M 、J1、J L ? 分别为电动机轴、中间传动轴、生产机械运动轴上的转动惯量;

?M ?电动机轴与中间传动轴之间的速度比; ?1 ? jL ? M ?电动机轴与生产机械运动轴之间的速度比; ?L
j1 ?

?M 、?1、? L ? 分别为电动机轴、中间传动轴、生产机械运动轴的旋转角速度;

J Z ? ?J M

JL ? 2 jL

简化算法

一般? ? 1.1 ~ 1.25

八、转动惯量的折算--直线 运动
J M 1? ? mv
2 M 2 2

J1 J L v JZ ? JM ? 2 ? 2 ? m 2 j1 jL ?M

九、生产机械的机械特性
?负载转矩和转速之间的函数关系, 称为生产机械的机械特性。 ?不同类型的生产机械在运动中受阻 力的性质不同,其机械特性曲线的 形状也有所不同。

十、 恒转矩型机械特性
位能转矩:由物体的的重 力和弹性体的压缩、拉伸 与扭转等作用而产生的负 载转矩,其特点为: 不难理解,在运动方程式 · 转矩大小恒定不变; 中,反抗转矩 TL 的符号正 · 作用方向不变,与运动方 的;位能转矩 TL 的符号则 向无关,即在某一方向阻 有时为正,有时为负。 碍运动,而在另一方向促 (好理解吗???) 进运动。

反抗转矩:又称摩擦性转 矩,因摩擦、非弹性体的 压缩、拉伸与扭转等作用 按2.1节中关于转矩正方向 而产生的负载转矩。机械 的约定可知,反抗转矩恒 加工过程中切削力产生的 与转速n取相同的符号,即 负载转矩就是反抗转矩。 n为正方向时 其特点如下: TL为正,特性 · 在第一象限;n为负方向时 转矩大小恒定不变; · L 为负,特性在第三象限, 作用方向始终与速度n的 T 方向相反,当n的方向发 生变化时,它的作用方向 也随之发生变化,恒与运 动方向相反,即总是阻碍 运动的。

十一、 离心式通风型机械特性

虚线表示 在有摩擦 负载的实 际情况

TL ? Cn

2

十二、直线型机特性械

实验室中模拟负 载用的他励电动 机,当励磁电流 和电枢电阻固定 不变时,其电磁 转矩与转速成正 比,即呈现直线 型机械特性。

TL ? Cn

十三、 恒功率型机械特性

如在车床加工过程中, 粗加工时,切削量大, 负载阻力大,开低速; 精加工时,切削量小, 负载阻力小,开高速。 但在不同转速下,切 削功率基本不变。即 呈现恒功率型机械特 性。

C TL ? n

十四、几种负载比较

十五、机电系统稳定运行的含义

?系统应能一定速度匀速运行; ?系统受某种外部干扰(如电压波动、负
载转矩波动等)使运行速度发生变化时, 应保证在干扰消除后系统能恢复到原来 的运行速度。

机电系统稳定运行的条件
?

?

电动机的输出转矩TM和负载转矩TL大小 相等,方向相反,相互平衡是系统稳定 运行的必要条件(特性曲线有交点)。 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TM<TL;否则,当干扰使速度下降时, 有TM>TL 。这是稳定运行的充分条件。

举例1

举例2
? ?

?

负载特性曲线各电机特性曲 线有交点(平衡点) 当有扰动使得负载转矩增大 时,此时转速下降,电动机 输出转矩降低,但负载转矩 下降的速度比电动机输出转 矩快,所以总的动态转矩还 是随转速下降增大,使得系 统返回平衡点, 所以此点是稳定的,为稳定 平衡点。

简单稳定性判断方法

dTM dTL ? dn dn dTM dTL ? dn dn

不稳定 平衡点

稳定平 衡点

例题
? ? ? ?

例题解析 例题1 例题2 例题3

第三章 直流电机的工作原理及特性
? ? ? ? ? ?

工作原理 组成结构 机械特性 启动特性 调速特性 制动特性

电机转速与转矩之间 电动机为什么运动? 的关系 改变电机参数 发电机为什么能发电? 使电机平滑启动

改变电机参数 电动机和发电机完成 对机械特性的影响 改变电机参数 基本功能需要的部件? 使电机快速停止

直流电机的基本原理

直流电机的基本原理
? ? ?

?
? ?

T=Km?Ie E=Ke ?n ?为励磁磁通 E为电动势 Ke、 Km为常数 Km =9.55 Ke

直流电机的工作原理

直流发电机工作原理
? ? ?

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?

T=Km?Ie E=Ke ?n ?为励磁磁 通 E为电动势 Ke、 Km为常 数 Km =9.55 Ke

电动状态和发电状态的不同
? ? ? ?

能量转换方式 电磁转矩作用 电动势的作用 E与I的方向不同

电动机将电能 转换成机械能 电动机的电动势 发电机将机械 电动机的电磁转 减少电流 电动机的E与I方 能转换成电能 矩促使电机转动 发电机电动势增 向相反 发电机电磁转矩 加电流 发电机E与I方向 阻碍电机转动 相同

直流电机的组成
轴承末端 换相器 风扇

机座 励磁绕组

主磁极

电枢铁芯 电枢绕组

直流电机的组成
1、电枢:线圈绕组 2、主磁极:产生磁场, 铁芯和励磁线圈,也可 是永久磁铁包括 3、励磁绕组:通以励磁 电流

直流电机的结构与励磁方式

他励

并励

串励

复励 串励+并励

等效电路图
它励

并励
串励

复励

他励发电机的特性
U=E-IaRa Ia =(E-U)/Ra Ia=I I=U/R 当空载时,I=0: U=U0=E=Ke?n E和?成正比,但?和If不是 成正比,而是磁化曲线。 外特性:额定转速和一定励磁 空载特性:空载时,输出 下,输出电压和输出电流之间 电压与励磁电流的关系

的关系(由于电枢反应不是直线)

分析电机特性的三个平衡
? ? ?

转矩平衡 功率平衡 电压平衡

并 励发电机的机械特性
U=E-IaRa Ia =(E-U)/Ra I=U/R If =U/Rf Ia =I+If Rf》R, Ia =I 正常工作条件: 1、剩磁 2、励磁电流产生的磁场与剩 磁方向相同 3、E=IfRf和E=f(If)有交点

他励电动机的机械特性
U ? E ? I a Ra , E ? K e ?n Ra U n? ? Ia K e? K e? T ? K m ?I a ? I a ? T / K m ? Ra U n? ? T ? n0 ? ?n 2 K e? K e K m? 理想空载转速:T ? 0时,n ? n0 ? U K e? dT ?T 机械特性硬度:? ? ? ? 100 % dn ?n

机械特性硬度
?

为了衡量电动机转速随负载变化的情况, 即机械特性的平直度引入机械特性硬度:
dT ?T 机械特性硬度:? ? ? ? 100 % dn ?n (1)绝对硬特性(? ? ?),如同步电动机等

(2)硬特性(? ? 10 ),如直流他励电动机,交 流异步电动机的上部等 (3)软特性(? ? 10 ),如直流串励电动机等

一、固有机械特性
势电反的下件条行运定额:? e K求)2 ? 固有机械特性:自然特性,指额定条件下(额 1)估算电枢电阻Ra:在额定负载下 )aR N I ? N U( Nn? e K ? N E ? 定电压和额定磁通)下和电枢电路内不外接任 2 铜耗I a Ra占总功耗的50 % ? 75 % : 何电阻时的的机械特性,可以由铭牌数据求出。 )aR N I ? N U( , ? ?e K e K 5 . 输出功率 ?PN ? 输入功率5?9 ? m K ,额定电流IN,额定 ? ?额定功率PN,额定电压UN Nn 转速nN,等。 ? U N I N ? PN ? eU N I N U?Un:N 转载空想理求)3 ) ? K( N ? ? 0 N I 速 / ? 由上述数据可以求出Ra,Ke?,n0,TN ? 1W? ?)U N I N (?W? NP? ( ? NP? 为电动机的效率) 5、9 ? 5 ? mN? NT? 矩转定额求)4 : 2 w( I N niR/ar?? ?0.5 ~ 0.s75a)(1 ? ? )U N I N m / d r?w? )0n (0.5 ~ 0.75)(, ? )U N 性特 Ra ? ,0(由此因1 ?线直为/ I N 械机其到虑考)5 。性特械机有固出得以可)Nn,NT(和

例题
?

例题1

二、人为机械特性
1、电枢回路串电阻时的人为机械特性
?

定义:指电枢电压、磁通不为额定值,或电枢 电路中接有外加电阻时的机械特性。

?

为什么需要人为机械特性???

UN Ra n? ? T ? 串Rad 2 K e? N K e? N UN Ra ? Rad n? ? ? n0 ? ?n 2 K e? N K e? N

(1)二者的理想空 载转速是相同的; (2)转速降却变大 了,即特性变软。

二、人为机械特性——改变电枢电压
在额定励磁和线圈不串电阻的情况下其机械特性方程为:
Ra U n? ? T 2 K e? N K e K m? N

从上式可以看出,改变电枢 电压U时,其曲线为一组平 行线。

由于电机的绝缘强度等因素, 只能在额定电压以下改变其 特性。

二、人为机械特性——改变励磁磁通
在额定电压和线圈不串电阻的情况下其机械特性方程为:

UN Ra n? ? T ? n0 ? ?n 2 K e? K e K m? 从上式看出,改变励磁磁通?时, n0和?n都将变化,但?n变的要快。 由于额定状态下,磁通接近饱和状态, 所以改变磁通一般只能减小磁通量, n0变大,?n也变大。 1、电流太大 2、转速太高。
T ? K m ?I a ? TL ? I a ? TL / K m?

串励电动机的机械特性
由于串励电动机的励磁电流和电枢电流相等,因此其磁通 和电机的输出转矩有关,其特性和他励有很大不同,由于磁 路的饱和性,可以将其特性分两段: 1、负载较轻时,磁路未饱和,磁通?和 空载转速高, 励磁电流,也就是电枢电流成正比,即: 不能空载运行 ? ? CI a ? T ? K m ?I a ? K m ? 2 / C ? ? ? CT / K m
UN Ra UN Ra 特性软 n? ? T? ? 2 K e? K e K m? K e CT / K m K eC 以上函数为近似双曲线。 启动电流大 2、磁路饱和时,?为常数,和他励电动机的机械特性相似, 为一直线。

直流他励电动机的启动特性
为什么要讨论启动问题: ?启动电流太大(换向器、电枢线圈、供电电源) ?启动转矩太大(对电动机机械部分影响) ?因此限制启动电流为额定电流的1、5-2倍 启动方法:怎样限制启动电流 1、降压启动 2、电枢串电阻

Ist=UN/Ra

他励电动机的串电阻启动

他励电动机的串电阻启动

T1=(1、6——2)TN T2=(1、2——1、2)TN

例题
?

例题

直流他励电动机的调速特性

调速:在一定的负载条件下,人为改变电动机的电路参数 以改变电动机的稳定转速。 ad a 速度变化:由于电动机负载转矩发生变化引起的电机转速 2 的变化。 e e m

R ?R U n? ? T K? KK ?

1、他励电动机的电枢回路串电阻调速
?由于惯性作用,速度 不能突变 ?调速是改变其机械特性
?特性变软 ?能量消耗在电阻上 ?调速范围小 ?实现无级调速难 ?启动电阻不能作为 调速电阻?

2、他励电动机的调压调速
分析: ?由于惯性作用,速度 不能突变 ?反电势不突变 ?电枢电流变化,转矩变化 ?电机加/减速 优点: ?硬度不变 ?易实现无级调速 ?可以利用调速设备实现 降压启动 ?适合恒转矩负载调速

实现调压调速的方法??

3、改变磁通调速
1)可以平滑无级调速,只能弱磁调 速,在额定转速以上调节; 2)调速特性较软,且受电动机换向 条件等的限制,普通他励电动机的最 高转速不得超过额定转速的1.2倍,调 速范围不大; 3)调速时维持电枢电压和电枢电 流不变时,电动机的输出功率不变, 恒功率调速。 4) 基于弱磁调速范围不大,它往往是和调压调速配合使 用,即在额定转速以下,用降压调速,而在额定转速 以上,则用弱磁调速。

例题
?

例题1

几个基本的概念

1.制动与启动 ? 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:使电动机速度从某一稳定转速开 始减速到停止或是限制位能负载下降速 度的一种运行状态。 制动与自然停车的区别???

几个基本的概念
2.制动与自然停车 电动机有两种停止运转方式: 1)自然停车:电动机脱离电网,靠很小的摩擦 阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降直到转速 为零而停车。这种停车过程需时较长,不能 满足生产机械快速、准确停车的要求; 2)制动:外加阻力转矩,使电动机迅速停车。 为了提高生产效率,保证产品质量,需要加 快停车过程,实现准确停车等,要求电动机 运行在制动状态,常简称为电动机的制动。

几个基本的概念

3.电动机的两种工作状态 1) 电动状态:电动机输出转矩的作用方向与转速 的方向相同。此时电动机输出转矩为拖动转矩, 负载为阻转矩,电动机的作用是将电能转换机 械能。故称电动机的这种状态为电动状态。 2)制动状态:电动机输出转矩的作用方向与转 速的方向相反。此时,电动机的输出转矩为阻 转矩,负载为拖动转矩,电动机的作用是吸收 或消耗负载的机械能。故称电动机的这种工作 状态为制动状态。

他励电动机的制动
制动: ?为了快速、准确停车或限制 重物下放速度,电动机提供 与电动机旋转方向相反的转矩以 快速停车,限制重物下放速度 速度是否变化是其根本区别!! 三种方式: ?反馈制动 ?反接制动 ?能耗制动

三种制动方式
+ +

I
DC U

U

M

-

-

他励电动机的反馈制动
电动机正常接法时,在外部条件作用 下如果运行速度高于其理想空载转速, 此时电动机工作于反馈制动状态。 ?外力推动电机加速运转,使得稳定 转速高于理想空载转速,此时电动机 产生的反电势高于电枢电压,电流方 向和正常状态相反,如电车下坡。 ?电动机电枢电压突然降低,低于此 时电动机产生的反电势,也会使得电 枢电流方向相反。

降压反馈制动
? 电动机电枢电压突然降低,低于此时电动机产生的 反电势,也会使得电枢电流方向相反。

U2 ? E Ib ? Ra ? Rad U2 ? E

U1 ? E Ia ? Ra ? Rad

匀速下放重物反馈制动
卷扬机下放重物时,和电车下坡相似。

串接电 阻是为 了限制 重物下 降速度

他励电动机的反接制动
在外部条件作用下,反电势E和电枢电压U有一 个改变方向,使得U和E的方向相同,电动机运 行于反接制动状态。 ?将改变电枢电压产生的反接制动称为电源反接 制动,用于快速停车。 ?将改变反电势产生的反接制动称为倒拉反接制 动,用于重物下放。

他励电动机的电源反接制动
正常工作时: U ? E ? I(Ra ? Rad) a 电源反接时: ? U ? E ? I(Ra ? Rad) a E ? ?U ? I(Ra ? Rad) a ? K e ?n ? U (Ra ? Rad) n? ? I K e? K e? ? U (Ra ? Rad) ? ? T 2 K e? K e K m?
特点:制动转矩大 不能自动停车,易反转 制动电流大

他励电动机的倒拉反接制动
1)a点为提重物 上升 2)为了放下重物, 在电枢回路串入电 阻,此时特性曲线 为2 3)此时速度不能突 变,反电势也不能突 变,T变小,电机减速 4)电机减速到d点,速度为0,如果此时切断电源, 电机停止,否则电机反转,重物下降知道稳定点b。 缺点:特性软,速度与TL和电阻有关,匹配不好,重物

不能下降

他励电动机的能耗制动
能耗制动:为了准确停车 和下放重物,去掉电动机的 电枢电源,并串上一电阻, 使电机产生一反向转矩,工 作与制动状态。 Ra ? Rad U n? ? T ? E / K e? 2 K e? K e K m? 特点: U ?0 对于反抗性负载,准 Ra ? Rad n?? T 确停车。 2 K e K m? 对于位能负载,低速 机械特性为过原点的直线 准确下放重物。

串励电动机的制动特性
?

? ?

串励电动机可以采用几种制动方式?为 什么? 串励电动机反接制动的特点。 串励电动机能耗制动的特点。

习题

3、
U IR n? ? ? ? ?C K e? Ke? ? ? ? ?? ? I ? C ?? ? ? ? ? ?? TL ? T ? K m ?I ? C ? ??? I ? ?? ? ??? I ? ? ?

习题

4、

TL ? T ? K m ?I ? C ??? I ? ?? ? ? E ? ?
U ? E ? IR d

??

5、

PN ? I NU N POUT I NU ?? ? ? ?N PIN PIN

7 E ? U ? IRa ? K e ?n ? U 0

8 1 : 求Ra PN PIN ? I NU N,? ? PIN

?

13、剩磁!!!

第五章:交流电动机的原理及特性
? ?

? ? ? ? ? ?

三相交流异步电动机的组成和结构 三相异步电动机的工作原理----旋转磁场的产 生,旋转磁场的方向和速度确定、异步的概念 定子的接线方式 定子、转子等效电路分析 机械特性 启动、调速、制动特性 单相电动机 同步电动机特性

三相异步电动机的结构

三相异步电动机的工作原理
?

?

?

?

定子绕组产生旋转磁场, 转子绕组产生感应电流 (感应电机)(判断电流的 方向??) 转子与定子的转速不同, 才能产生感应电势和电流 有电流的转子在磁场中产 生电磁力(大小和方 向??)。 转速差S=(n0-n)/n0)

旋转磁场的产生

旋转磁场产生的数学证明
i A ? I sin wt ? ? A ? ? m sin wt
? ? iB ? sin(wt ? 23 ) ? ? B ? ? m sin(wt ? 23 ) ? ? ? iC ? sin(wt ? 43 ) ? ? C ? ? m sin(wt ? 43 ) ? ? m sin(wt ? 23 ) ? ? ? ? ? ? ? A ? ? B ? ?C

Y
? QB ? QA

? ?i? A ? j? B sin ? ? i? B cos ? ? j? C sin ? ? i? C cos ? 3 3 3 3 ? i? x ? j? y ? x ? ?QA ? ? B cos ? ? i? C cos ? 3 3
? ? ? ?? m sin wt ? ? m sin(wt ? 23 ) cos ? ? ? m sin(wt ? 23 ) cos ? 3 3 ? ? ?? m sin wt ? ?2m (2 sin wt cos 23 ) ? ? 3 ? m sin wt # 2

X
? QC

? y ? ? B sin ? ? ? C sin ? 3 3 ? ? m sin(wt ? ?
3? m 2 2? 3

) sin 3 ? ? m sin(wt ?
?

2? 3

) sin 3

?

? ? (sin(wt ? 23 ) ? sin(wt ? 23 )) ? (2 sin 23 cos wt ) ? ? 3? m cos wt # 2

??

3? m 2

? ? ? 3 ? m (i sin wt ? j cos wt )为一旋转磁场,旋转速度为w。 2

旋转磁场的旋转方向

1、ABCABC 2、 ACBACB 3、BACBAC 4、 BCABCA 5、CABCAB 6、CBACBA

旋转磁场的极数与旋转速度

?n0 ?r / min

? 60? f ?hz / p

定子绕组连线方法的选用

定子绕组的连接方式

定子绕组连线方法的选用

三相异步电动机的定子电路
2、定子电流除产生主磁通外,还产生漏磁通, 1、旋转磁场通过每相定 因此还产生漏磁电动势: 子上的投影分量为:

? ? ? m di1 ?t sin eL1 ? ? LL1 dt 在定子绕组上产生的感应电势为: 加上电阻,定子回路的电压平衡方程式为: d? e1 ? ? N u1 ? i1 R1 ? 1 ? e1)( ? eL1) ( dt ? 其有效值为: di ? i1 R1 ? ? e1) LL1 1 ( ? {E1}V ? 4、 K { fdtHz N1{?}Wb ,K ? 1 44 1} 其复数表达式为: 因为旋转磁场和定子的相对转速为n0,所以 ? ? ( E ? ? U1 ? I1 R1 ? p?n?1)( ? E L1) { 0 }r / min { f1}Hz ? ? ? ( ? I1 R1 ? ? E1) jI1 X 1 ? ? 60 式中,X 1为漏磁感抗,X 1 ? 2?f1 L1 ? ? 一般,R 和X 都很小,所以:U ? ? E ,U ? E
1 1 1 1 1

1

三相异步电动机的转子电路
d? e2 ? ? N 2 E2 SE20 因此还产生漏磁电动势: I2 ? ? dt 2 2 2 2 R2di X 2 ? R2 ? SX 20) ( 其有效值为: eL 2 ? ? LL 2 2 dt {E2 }V很小时,2 }Hz N 2 {?}Wb? SE20 ? S 44 当S ? 4、 { f R2》X 2,I 2 R2 加上电阻,转子回路的电压平衡方程式为: 因为旋转磁场和转子的相对转速为n0 ? n,所以 e2 ? iSR2 ?p1时,}) X 2,n}r ? E20 ? C ( ? n0 R《 当 接近 ({eL 2 r2/ min ? { I 2 / min ) { f 2 }2 ? Hz X 20 60 di2 ? i2{n20 }r /LL 2? {n}r / min p{n0以电流I 2的相位 R ? min 由于电路存在感抗,所}r / min dt ? ? 滞后于0 }2r,转子回路的功率因数为: E / min {n 60 其复数表达式为: R ? S { f1 } ? cos?RHz ? ?2 E 2 ? 2 ? ( ? ) 2 ,和S有关 E2 ? I 2 2 {E2 }V ? 4、 R2{?1}SX 20) }Wb 44 S f L 2Hz N 2 {? (

3、转子回路的电流为: 2、转子电流除产生主磁通外,还产生漏磁通,

1、在转子绕组上产生的感应电势为:

? ? n?当0时的感应电势为, ? ? 1 I 2 RS很小时,R 》X : cos ? 2 ? jI 2 X 2 2 2 2 式中,X 24、 { f1}Hz N 2 {?}Wb2 ? 2?f 2 L2 ? 2?Sf1 L2 {E20}V ? 为漏磁感抗,X 44 R 当S接近1时,R2 X 2, ? 2 ? 2 ? 1 / C 《 cos X{20 2?V2? fS{E,20XV2 ? SX 20 E } ? 1 L2 } SX 20

三相异步电动机的额定值
1、型号 2、额定功率PN (额定情况下电机轴上的输出功率) 3、额定电压U N,? / Y 4、额定频率f 5、额定电流I N,? / Y 6、额定转速nN 和额定转差率S N 7、额定功率因数Cos? N 8、额定转矩TN (额定功率和额定 转速下轴上的负载转矩)

额定功率

额定电压

额定频率、电流和速度

其它额定值

三相异步电动机的能流图
P2 P ? ? ?P ?? ? 1 P P 1 1 P2 ? T2? ? Pe ? T? {T2 }Nm {P2 }w {P2 }w ? ? 9.55 {w}rad / s {n}r / min P1 ? 3U1 I1 cos?1

三相异步电动机的转矩
1、和直流电动机相似,三相异步电动机的转子转矩是由磁场和转子 电流相互作用产生的。 2、由于漏磁的存在,转子电流存在有功分量和无功分量,对转矩其 作用的是有功分量。 3、转子转矩的计算公式为: T ? K m ?I 2 cos? 2 {I 2 } A ? S(4、 { f1}Hz N 2 {?}Wb) 44 V
2 2 {R2 }? 2 ? S{ X 20}?) (

而{E1}V ? 4、 { f1}Hz N1{?}Wb ? {U1}V 44 cos? 2 ? R2
2 2 R2 ? SX 20) (

SR2U 2 SR2U12 T ?K 2 ? 2 2 2 R2 ? SX 20) R2 ? SX 20) ( (

三相异步电动机的固有机械特性
固有机械特性:在额定 3、T ? T ,n ? 0,电机启动工作点 四个特殊点: SR U RU 电压和额定频率下,用 T 1、T ? 0,n ? n ,理想空载转速 ?K ??? T ? K R ? SX ) ( R ? X ) ( 2、T ? T ,n ? n(S ? S ),额定工作点 规定的接线方式,定子 : T ? U ,适当增大R ,T 增大 ? {T T / T 9、~ 1、 } ? } ? ? 1 {P 和转子不接任何电阻和 55 2 4、T ? T ,n ? {n } n 电抗时的机械特性称为 由S / dS ??0n dT ? n 得:S ? R / X ,临界转差率 n 固有(自然)机械特性。 U 可得:T ? K
st 2 2 S ?1 2 2 2 2 20 st 20 2 2 2 20 2

N

N

N

st

2

st

st

N st Nm N
max

N W

m

N r / min
2

0

N

N

m 2

20

0

max

2 X 20

过载能力系数:?m ? Tmax / TN 规格化转矩 ? 转差率公式:T ? 2Tmax ( / S Sm ? ) Sm S

三相异步电动机降电压的人为机械特性
? 60 f 降低电压时,四个特殊点得变化如下: ?n0 ? p ? 1、理想空载转速不变 ? n ?n R SU 2?? 2 ? 0 m 2、启动转矩Tst ? m ? X 20 n0 ? 2 3、最大转矩Tmax?? U ? ,但此时得转差 U2 ? ?Tmax ? K 率和U无关 2 X 20 ? ? R2U 2 ?T ? K 2 电压升高,绝缘受不 电压降低时,n ? ,S st , ? 2 ? R220 SX 20 ? ? cos R2 ? X 2/ ? 了,电压降低太多, ? U ? E1 ? 4、 f1 N1?,U Tmax ? ? 44 ?? 有可能不能启动,同 ?? ? ? ,??,N ?? 时转速下降使电机发 T ? K m ?I 2 cos? 2 ?T ?C? ? ?? ? I 2 ? ? Tcos 2 ? 热厉害甚至会烧坏。

三相异步电动机定子电路串电 阻或电抗时的人为机械特性
定子回路串电阻或电抗的机械 特性和降压的机械特性大致相 同,不同的是随着转速的上升, 电流下降,电阻或电抗上的压降 减小,所以其最大转矩比减压 时要大。

三相异步电动机改变定子电源 频率人为机械特性
1、T ? K ? 1 / f1,n0 ? f1 ?
2

60 f ?n 0 ? 2、变频调速要保持Tmax 恒定,保持U / f ? C p ? U Tmax ? K 2 X ,X 20 ? f1 ? n ? nm R 3、S m ? R?/ X 20,X 20 2 1? f1 ? S m ? 1 / f1 Sm ? ? / 0 2 n0 ? R U 2 X 20 4、Tst ? K? 2 2 2 ,X 20》2 2,Tst ? 1 / f1 R R2 ? X 20 U ? ?K ?T ( K ? 1 / f ) max 2 X 20 ? ? R2U 2 ?Tst ? K 2 2 ? R2 ? X 20 ? Tmax ? ?? ? T N ?
20

三相异步电动机转子电路串电 阻的人为机械特性
? 60 f 转子回路串电阻,对n0、Tmax ?n 0 ? p ? 无影响。 R ? n ? nm ?S m ? 2 ? 0 X 20 n0 ? 但使S m变大,特性变软 ? U2 ? 启动转矩变大 ?Tmax ? K 2 X 20 ? 最大转矩不变 ? R2U 2 ?Tst ? K 2 2 ? R2 ? X 20 ? Tmax ? ?? ? T N ?

三相异步电动机的启动特性
? ? ?

?

? ?

足够大的启动转矩 启动电流越小越好 启动平滑 启动设备简单、安全、 可靠,操作方便 启动功耗小 异步电动机直接启动电流大,由于功率因 数低,启动转矩不大

三相异步电动机的直接启动

电阻或电抗器降压启动
缺点: 1、启动转矩小 2、电阻器上的 消耗能量大,不 适应频繁启动场 合,而电抗器成 本太高。

Y/?降压启动
1、启动时, 闭合,KM断开,电机工作于 1KM 2 Y型,速度上升到一定时, 断开,KM闭合, 1KM 2 电机工作于?型。 2、Y型的启动电流为:I Yst ? U 1 / 3Z ?型的启动电流为:I ?st ? 3U 1 / Z I Yst ? I ?st / 3 3、启动转矩和定子线圈电压的平方成比,所以 TYst ? T?st / 3

Y/Δ启动特点
?

? ? ?

?

设备简单、经济,通过两个接触器或者 专门的接触器组合就可以实现。 启动电流小。 启动转矩小(只适合于空载和轻载启动) 需要具有Y/Δ切换功能且正常工作于Δ方 式的电机。 使用较为广泛。

线绕式异步电动机的转子串电 阻启动

三相异步电动机的调速特性
2 ?T ?? 60 f 2Tmax T ? max ? ? max ? ? 1??n0 ? p T? ? S ? Sm ? ? ? S / Sm ? Sm / S ? T ?? ? T ? ? ??S m ? R2 ? n0 ? nm X 20 n0 ? ? 60{ f }Hz U2 ? {n}r / min ? {n0 }r / min (1 ? S ) ? (1 ? S ) ?Tmax ? K 2 X 20 p ? ? 2 可以通过改变Tmax ,S m,f和p实现调速 ?Tst ? K R2U

U2 R2 Tm ? K , Sm ? 2 X 20 X 20 所以三相异步电动机有调压调速、转子回路 串电阻调速、改变极对数调速和变频调速几 种方式。

2 2 ? R2 ? X 20 ? T ? ? ? max ? TN ?

三相异步电动机的调压调速
改变定子电压时: 理想空载转速不变 Tmax U2 ?K 减小非常快 2 X 20 R2 不变 X 20

S max ?

对于恒转矩负载,工作于a、b、 c点,调速范围非常小 对于通风机负载,工作于d、e、f 点,调速范围比较大

改变极对数调速和变频调速
?

?

理想空载转速和极对数 成反比,所以可以通过 后边定子的极对数改变 电机转速,需专门电机, 且为有极调速。 理想空载转速和频率成 正比,所以可以通过改 变定子电源频率改变速 度,可以实现精确的无 极调速,是交流调速的 发展方向。

? 60 f ?n 0 ? p ? ? n ? nm R ?S m ? 2 ? 0 X 20 n0 ? ? U2 ? ?Tmax ? K 2 X 20 ? ? R2U 2 ?Tst ? K 2 2 ? R2 ? X 20 ? Tmax ? ?? ? T N ?

三相异步电动机的制动
? ? ?

回馈制动 反接制动 能耗制动

三相异步电动机的回(反)馈制动

反馈制动(电机转速高于理想 空载转速)
?

由于某种原因异步电动机的运行速度高 S 于它的同步速度,即 n ? n0, ? (n0 ? n) / n0 ? 0 , 异步电动机就进入发电状态。显然,这 时转子导体切割旋转磁场的方向与电动 状态时的方向相反,电流I2改变了方向, 电磁转矩T ?K m?I 2 cos? 2也随之改变方向, 即T与n的方向相反,T起制动作用。

反馈制动能量流程
反馈制动时,电机从轴上吸 取功率后,一部分转换为转子 铜耗,大部分则通过空气隙进 入定子,并在供给定子铜耗和 铁耗后,反馈给电网。所以, 反馈制动又称发电制动,这时 异步电动机实际上是一台与电 网并联运行的异步发电机。 由于T为负,S<0 ,所以, 反馈制动的机械特性是电动状 态机械特性向第二象限的延伸, 如图所示。

下放重物的反馈制动
电动机反转(在第三象限)下放 重物。开始在反转电动状态工作,电 磁转矩和负载转矩方向相同,重物快 速下降,直至,即电机的实际转速超 过同步转速后,电磁转矩成为制动转 矩,当时,达到稳定状态,重物匀速 下降,如图中的a点。 改变转子电路内的串入电阻,可以 调节重物下降的稳定运行速度,如图 中的b点,转子电阻越大,电机转速 就越高,但为了不致因电机转速太高 而造成运行事故,转子附加电阻的值 不允许太大。

n0突然变小时的反馈制动
?

?

?

改变极对数或者电源频 率可以使得n0突然变小。 电动机的转子转速不能 突变,电动机输出负转 矩使得电动机减速。 在新的稳定点稳定工作。

反接制动(旋转磁场方向和电 机旋转方向相反)

电源反接反接制动
在从点b到点c的整个第二象限内, 如果正常运行时异步电动机三 电磁转矩和转速的方向都相反, 相电源的相序突然改变,即电源 电机进入反接制动状态。待时 反接,这就改变了旋转磁场的旋 (点c),应将电源切断,否则电 转方向,电动机的机械特性曲线 动机将反向启动运行。 就由第一象限的曲线1变成了第三 由于反接制动时电流很大,因此鼠 象限的曲线2,如图所示。 笼式电动机应在定子电路中串接 由于机械惯性的原因,转速 电阻;线绕式电动机则应在转子 不能突变,系统运行点只能由a点 电路中串接电阻,这时的人为机 平移至特性曲线2的b点上,电磁 械特性如图曲线3所示,制动时工 转矩由正变负,则转子将在电磁 作点由a点转换到d点,然后沿特 转矩和负载转矩的共同作用下迅 性3减速至(e点),切断电源。 速减速。

倒拉反接制动
在下放位能负载时采用 的反接电源的方法时的电机 转速高于理想空载转速,显 然不安全,如果采用在转子 回路串电阻,如图所示则就 可以得到较低的安全速度, 此时在cd段电机工作于倒拉 反接制动状态(电机转子转 速方向和旋转磁场的方向相 反)

能耗制动
方法:切断三相交流,通以 直流电源,形成固定磁场。 和直流电机的能耗制动相似。 优缺点: ?制动后期制动转矩和转速近 似成正比,制动平稳。 ?可以通过调节直流电流调节 制动转矩(If=(2-3)IN)。 ?不会反转。 ?要及时切断直流电源,否则 会烧毁电机????。 ?需直流电源。

单相异步电动机
? ? ?

单相异步电动机为什么会旋转? 为什么需要启动电容? 其机械特性怎样?

单相异步电动机的磁场
B ? Bm sin wt ? B ? jBm sin wt ? i B2m cos wt ? j B2m sin wt ? i B2m cos wt ? j B2m sin wt ?
Bm 2 Bm 2

(i cos wt ? j sin wt ) ?

(i cos( ? wt ) ? j sin(? ? wt )) ?

由此可以证明单相交流电产生的 脉动磁场可以分解为相差为180 度, 反方向旋转的磁场。旋转速度为w。

单相异步电动机的磁场
由于单相异步电动机的旋转磁场可以 分解为两个旋转方向相反的旋转磁场 的叠加。所以其转矩也可以看成两个 转矩的叠加(或者两个相序相反的三 相交流电电动机转矩的叠加),其产 生的转矩分别为T ? 和T ?,其共同作用 结果产生转矩T,所以单相异步电动机 的机械特性也为两个机械特性的叠加:

从图中可以看出: 1、单相脉动磁场不能产生启动转矩。

2、一旦启动,它可以稳定转动,转动方向由启动的方向而定。

单相异步电动机的启动
?电容使B相电流超前A相电流90度。,使得 A、B相绕组产生旋转磁场,该旋转磁场 使得电机旋转,旋转速度达到一定时,切断 串有电容的启动绕组。(也可不切除,相当 于两相电机) ?单相电动机速度的改变不能靠改变电源接线, 而要改变电容的串接位置。

同步电动机的基本概念
同步电机:旋转速度和旋转磁场 的转速相同。 组成结构:和异步电动机的不同之 处是转子有励磁绕组、启动绕组, 有时是永磁铁。 作用:电动机(伺服电机) 发电机 功率补偿电机

同步电动机的工作原理和运行 特性
2、三相异步电动机的定子产生旋转磁 场,需要从电网吸取励磁电流,而励 1、同步电机中存在两个磁场:

?磁电流滞后于电压,为无功分量,所以 定子绕组产生的旋转磁场,n0 ? 60 f / p ?异步电动机的功率因数肯定小于1。 转子绕组的直流励磁电流产生的磁场,
而同步电动机的转子和定子产生 其极对数和定子产生的磁场相同。 的磁场同步旋转,如果转子磁场足够 磁场存在同极相斥,异极相吸,所以 强,转子磁场和定子磁场在一条直线 定子磁场拖动转子同步旋转。其转速 上,定子所产生的磁通全部通过转子, 不随负载变化。 即不存在漏磁,也就没有感性负载。

机械特性

同步电机的功率因素

同步电动机的启动
由于惯性,电动机的转 速不可能以开始就达到 同步转速,因此会产生 转子和定子磁场互相排 斥,不能正常启动。需 要采用特殊的方法启动: ?先采用异步电动机原理 启动 ?慢慢加大交流电源的频 率

同步电动机异步启动原理
启动时先不加入直流励磁电源, 只在定子上加上三相对称电压以产生 旋转磁场,鼠笼绕组中产生感应电势, 即产生感应电流,从而使转子转动起 来,等转速接近同步转速时,再在励 磁绕组中通入直流励磁电流,产生固 定磁极的磁场,在定子旋转磁场与转 子磁场的相互作用下,便可把转子拉 入同步。转子达到同步速度后,启动 绕组与旋转磁场同步旋转,即无相对 运动,这时,启动绕组中便不产生电 势和电流。

步电动机异步启 动法原理接线图
1)励磁电路的转换开关QB投合到1的位置,使励磁绕组与直流电 源断开,直接通过变阻器构成闭合回路以免启动时历次绕组受旋 转磁场的作用产生较高的感应电势(电流),发生危险; 2)按鼠笼式异步电动机的方法启动,给同步电动机的定子绕组加 上额定电压,时转子转速升高到接近同步转速。必要时可采用降 压启动; 3)将励磁电路转换开关QB投合到2的位置,励磁绕组与直流电源 接通,转子上形成固定磁极,并很快被旋转磁场拖入同步; 至此,同步电动机的启动即告结束 变阻器调节励磁电流,使同步电动机的功率因数调节到要求数值。


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