机电传动控制(第四版)第1,第2章

10
石家庄铁道学院

对电机的解释：电机不等于电动机 ，它包括变压器 和发电机。
电机是进行能量转换的一种机械，发电机将机械能 转换成电能，电动机将电能转换成机械能，变压器 则是把一种形式的电能转换成另一种形式的电能。 虽然是功能和结构不同，但其工作原理都是建立在 全电流定律、电磁感应定律和电磁力定律等基本的 电磁定律基础上的。
15
石家庄铁道学院
铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金（如硅钢
片），其电磁方面的特性简述如下： ①良好的导电性 ②高的导磁性能与磁化曲线的非线性 ③磁滞现象和磁滞损耗 ④涡流损耗
16
石家庄铁道学院
① 良好的导电性 与铜、铝相比，其电阻率较大，但仍是一种较好导电性 能的导电材料。 ② 高的导磁性能与磁化曲线的非线性 实验表明，所有非铁磁材料的导磁系数μ0都接近于空气
22当转速大于当转速大于bb点对应的转速时转速时即在即在bb点上方作一条点上方作一条虚线虚线与这两条曲线有交点与这两条曲线有交点其中其中与负载特性曲线的交点与负载特性曲线的交点位于与电动机特性曲线交点位于与电动机特性曲线交点的右侧的右侧即电动机转矩小于负即电动机转矩小于负载转矩载转矩
石家庄铁道学院
机电传动控制
32
石家庄铁道学院
2.3 生产机械的机械特性
1.恒转矩特性 1)特点:负载转矩为常数; 2)分类:反抗转矩, 位能转矩. 举例:设备的提升机构, 提升机的行走机构, 皮带运输机, 机床进给运动.
n f (TL )
33
石家庄铁道学院
2.恒功率特性 特点:负载转矩与转速成反比, 功率基本不变.
举例:球磨机, 碎石机, 机床的主运动.
7

4.“机电传动控制”课程的性质和任务
石家庄铁道学院
1) 课程性质 该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课,是机电 一体化人才所需电知识的驱体.它将电机,电器,继电器-接 触器控制,PLC,电力电子技术,自动调速系统有机地结合在 一起. 2) 课程内容 全书13章,分为5个单元: (1)机电传动系统的动力学基础和过渡过程; (2)电机及继电器-接触器控制系统; (3)可编程序控制器; (4)电力电子技术的基本知识; (5)自动调速系统.
24
3.TM,TL的正方向及性质
石家庄铁道学院
举例 以转速n为参考量 (先定下n的正方向); 规定: 与n方向相同的TM为 正,与n方向相反的TL为正; 与n方向相反的TM为 负,与n方向相同的TL为负. 例1:列出下图系统的运动 方程式,并说明运动状态.
TM
TM＞TL n n TL


解:TM与n反向为负,TL与n 反向为正,运动方程如下式; 状态为减速.

6
电气控制系统的发展概况
3) 可编程序控制器(PLC)

石家庄铁道学院
是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开 关量输入的工业控制专用计算机; 具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通信 功能.

4) 计算机数字控制系统

1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中 心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心,80年 代出现了柔性制造系统(FMS); 提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自 动化.
GD 2 dn TM TL 375 dt 26
石家庄铁道学院
思考题

图(a)中,要能提升重物, 必须有TM>TL,系统加速.
图(b)中,电动机转矩为负, 也是制动转矩,系统减速提 升,直至停止.
27
2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算
石家庄铁道学院
实际拖动系统一般是多轴传动系统,该系统的运动方 程式,是将其转矩等折算到一根轴上,再按2.1的方法列出 运动方程式. 折算时,可以折算到电动机轴上(高速轴),也可以折算 至低速轴上.
28
旋转运动
直线运动
石家庄铁道学院
三轴旋转运动折算至电动机轴上
1.负载转矩的折算 TL TL C j
式中,
式中,速比
nM j1 n1
nM jL nL
c -传动效率;
3.飞轮转矩的折算
GD12 GDL 2 GDZ 2 GDM 2 2 2 j1 jL
式中,
2.转动惯量的折算
1.单轴机电传动系统运动方程式:
TM
TM
d TL J dt
GD 2 dn TL 375 dt
定义式
工程计算式
22
石家庄铁道学院
d TM TL J dt
TM
GD 2 dn TL 375 dt
在上述两个式子中: 讨论.在上式中: TM-电动机转矩; 1)当TM=TL时,n为常 TL-负载转矩; 数,dn/dt=0,状态为恒速; J-转动惯量; 称之为稳态或静态. GD2-飞轮转矩,且J=GD2/4g; 2)当TM≠TL时,n为变 n-转速; 数,dn/dt ≠0,状态为加 -角速度.
J1 JL JZ JM 2 2 j1 jL
GDM GD GDL
2
2 1
2
分别为电动机轴,中间传动 轴,生产机械轴上的飞轮转 矩.
29
石家庄铁道学院
Байду номын сангаас
三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算 提升时 TL 9.55 FV nM 下降时 T 9.55 FV L
nM
3.飞轮转矩的折算
34
石家庄铁道学院
3.通风机特性 特点:负载转矩与转速的平 方成正比.
举例:水泵, 通风机. 风机,水泵电动机的 容量占工业用户总用电 量的70%.
速或减速;称之为动态.
23
石家庄铁道学院
2.系统动态转矩Td 令系统动态转矩:
GD 2 dn Td 375 dt
则工程计算式可写为: TM-TL= Td
讨论: 1)当Td=0时,系统为稳态; 2)当Td≠0时,系统为动态: (1) Td＞0,dn/dt=a＞0, 系统加速; (2) Td＜0,dn/dt=a＜0, 系统减速. 因此,TM,TL有大小,有方向.
GD12 GDL 2 GV 2 GDZ 2 GDM 2 2 2 365 2 j1 jL nM
2.转动惯量的折算
J1 J L V2 JZ JM 2 2 m 2 j1 JL M
要注意式上面几个式子 中各个符号代表的物理意 义.
30
石家庄铁道学院
计算举例:
31
石家庄铁道学院
d d e N dt dt
式中负号代表愣次定律。
13
石家庄铁道学院
③电磁力定律 载流导体在磁场中将受到力的作用，这 种力是磁场与电流相互作用产生的，故称为 电磁力。若磁场与导体互相垂直，则作用在 导体上的电磁力为f=BIl 电磁力的方向由左手定则确定。
14
石家庄铁道学院



11
石家庄铁道学院
1.5.2
电机理论中常用的基本电磁定律
①全电流定律
凡导体中有电流流过时，就会产生与该载 流导体相交链的磁通，全电流定律就是揭露 电产生磁的本质，阐明电流与其电磁场的大 小及方向的关系。
12
石家庄铁道学院
②电磁感应定律 设有一匝数为N的线圈处在磁场中，它所交链的磁链 为 N ，则不论由于什么原因，当该线圈所交链的磁链 发生变化时，在线圈内就有一感应电动势产生，这种现象 称为电磁感应。这一感应电动势的大小，和该线圈所链的 磁链变化率成正比；感应电动势的方向，是该电动势企图 在线圈内产生电流（即感应电流），该感应电流所建立的 磁通用来阻止线圈中磁通的变化。如果感应电动势的正方 向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则电磁感应定律可 用下式表示：
5
3.电气控制系统的发展概况
1) 继电器-接触器控制系统

石家庄铁道学院
能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制;
结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差.
2) 连续控制方式和自动控制系统

20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大 器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电动 机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件-交流电 动机无级调速系统; 控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.

也就是说，它是由各种控制元件组成的自动控制系统紧 密地联系在一起的。
3
石家庄铁道学院
对机电传动系统的要求： 调整范围宽。 快速性。 准确性。 协调性。 效率高。
4
2.机电传动发展的概况
石家庄铁道学院
1) 成组拖动 一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备 机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动 一台电动机---一台设备 当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了生 产工艺要求. 3) 多台电动机拖动 一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件 机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化. 举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,横梁, 夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.
的导磁系数，而铁磁材料的导磁系数μFe比μ0大几百到几千
倍。如电机中常用的铁磁材料，其μFe约为μ0的6000倍，所 以带铁芯的磁通比空芯线圈的磁通大得多。
17
石家庄铁道学院

③磁滞现象和磁滞损耗 在测取铁磁材料的磁化曲线时，改变外施励磁磁动势的 大小及方向，使磁场强度在±Hm 之间反复磁化，所得的 B～H关系曲线称为铁磁材料的磁滞回线。同一铁磁材料在 不同的Hm值下有不同的磁滞回线。把不同Hm值的磁滞回线 的顶点连接起来所得的曲线，称为基本磁化曲线。 铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，内部的磁畴 不停地往返倒转，磁畴之间不停地互相摩擦而消耗能量引起 损耗，这种损耗称为磁滞损耗。 由于硅钢片的磁滞回线较窄，磁滞损耗较小，所以电机 和变压器的铁芯都用硅钢片。



20
石家庄铁道学院
第2章 机电传动系统的动力学基础

掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分 析机电传动系统的运动状态; 了解多轴拖动系统中转矩,转动惯量和飞轮 转矩的折算方法;



了解几种典型生产机械的机械特性;
掌握机电传动系统稳定运行的条件.
21
石家庄铁道学院
2.1 机电传动系统的运动方程式
18
石家庄铁道学院
④涡流损耗
当铁芯中的磁通发生交变时，据电磁感 应定律，在铁芯内也会产生感应电动势，并 产生感应电流。由于此电流在铁芯中的流动 呈旋涡状，故称为涡流。此涡流在铁芯电阻 上的损耗称为涡流损耗。 当铁芯中的磁通变化时，有磁滞损耗和 涡流损耗两种损耗，合称为铁芯损耗。
19
石家庄铁道学院
阅读书目:

1.齐占庆主编.机床电气控制技术(第三版).北京:机械 工业出版社.2004年6月. 2.陈伯时主编.电力拖动自动控制系统(第三版).北京: 机械工业出版社.2003年8月. 3.程宪平主编.机电传动与控制(第二版).武汉:华中科 技大学出版社.2003年9月. 4.魏炳贵主编.电力拖动基础.北京:机械工业出版 社.2000年8月.
8
石家庄铁道学院
3) 课程学习任务


掌握继电器-接触器控制系统的工作原理和元件选择,
掌握PLC的编程方法与应用, 掌握闭环控制系统的工作原理与性能及其应用场所. 了解电力拖动的一般知识, 了解最新电气控制技术在生产机械上的应用.
9
5.基础知识
石家庄铁道学院
电机的种类很多，按其功能用途来分，可以归纳 如下 1.5.1 电机的主要类型
1.3.3 电机中铁磁材料的特性
电机材料的组成： ①组成电路的导电材料 ②组成磁路的导磁材料 ③隔离用的绝缘材料 ④构成电机的结构材料 其中导磁材料对电机的影响最大。
各类电机都是以磁场作为媒介，通过电磁感应作用来实现能量 转换的，所以在电机里必须由引导磁能的磁路，为了有一定的励 磁电流下产生较强的磁场，电机和变压器的磁路都是用导磁性能 良好的铁磁材料组成。
TM GD 2 dn TL 375 dt 25
石家庄铁道学院
举例
例2:提升重物过程如左图 示,写出运动方程式. 解:(a)中,提升重物,TM为 正,TL为正,运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
(b)中,仍为提升重物, 但TM为负,TL为正, 运动方程式为:
思考题:试分析图(a)和图(b)系统的运动状态.
邓星钟 主编 华中科技大学出版社
1
石家庄铁道学院
第1章

概述
机电传动的目的和任务


机电传动的发展概况;
电气控制系统的发展概况;


“机电传动控制”课程的性质和任务.
基础知识
2
1.机电传动的目的和任务

石家庄铁道学院
机电传动（又称电力传动或电力拖动）是指以电动机为原动 机驱动生产机械的系统之总称，它的目的是将电能转变为机 械能，实现生产机械的启动、停止及速度调节，实现各种生 产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。 现代机电传动包括: 1）拖动生产机械的电动机 2）控制电动机的一整套控制系统