机电传动控制(第五版)课件及其复习

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 C TL n 其中：C为常数。例如机床。
特性曲线如图所示。 ☞ 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。
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。
☞ 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；
☞ 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Байду номын сангаас；
☞ 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。
总复习
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。
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
1 机电传动系统的运动方程式
{TM } N m {TL } N m
{GD 2 } N m 2 d { n}n / min 375 d {t }s
☞ 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、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。
☞ 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) 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 TM<TL ； 当干扰使速度下降时，有 TM>TL 。 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： ①电动机的机械特性n= f（Tm） 与负载特性n= f（TL）有交点；
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ω（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。 1)TM的符号与性质 ☞ 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； ☞ 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。
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：
TL Cn
其中：C为常数。
2
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 ：
TL Cn
其中：C为常数。
☞ 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。
2、人为机械特性
☞ 人为机械特性是指公式 n U Ra T n n 0 2 K K K 中的供电电压U 或磁通Φ e e t 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） （1）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性；
☞ 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。
☞ 是一种电机降速调速法。
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n b。 ☞ 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
特点：
Rad Ra UN n T n0 n 2 K e N K e K t N
☞ 当U 和Φ都是额定值时，二者的理想空载转速n0是 相同的，而转速降Δn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。
{Td }N m
{GD }N m 2 d {n}n / min 375 d { t }s
2
☞ 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。
（1）估算电枢电阻Ra：
PN U N Ra (0.50～0.75)(1 ) UN IN IN
（2）求KeΦN：
U N I N Ra K e N nN
重点
UN （3）求理想空载转速： n0 K e N
（4）求额定转矩：
{TN }N m
{ PN }W 9.55 {nN }r / min PN
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： 1)稳态（ TM TL时） :
d dω Td J 0即 0 ，ω为常数，传动系统以恒速运动。 dt dt
TM =TL时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。
2)动态（ TM TL时）：
TM TL时： Td
（2）改变电枢电压U 时的人为机械特性；
（3）改变磁通Φ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： I st U N / Ra ☞ 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的 （10～20）倍。
☞ 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。
☞ 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， 若要启动，必须设法限制电枢电流！ 直流电动机是不允许直接启动的 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。
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 ）
a 改变电枢电路外串电阻Rad
☞ 电枢回路串接附加电阻人为机械特性方程为： Rad Ra UN n T n0 n 2 K e N K e K t N
☞ 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 ） Rad越大，电机 特性越软。
☞ 同理b点不是稳定平衡点。
TM TL 0
第3章 直流电机的工作原理及特性
☞ 若我们约定： ☞ 由电磁学理论很容易 Ia —— 电枢电流； 推得： Ra —— 电枢电阻； Ra U E —— 电枢电动势； n T n0 n 2 K e K e K t U —— 电机端电压； Uf —— 励磁绕组端电压； 直流电机机械特性 Rf —— 励磁调节电阻； 一般表达式 If —— 励磁绕组电流。
2)TL的符号与性质 ☞ 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； ☞ 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。
拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。
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。
② dTM dTL dn dn
分析举例
异步电动机 的机械特性 交点a
a、b两点是否为稳 定平衡点？ a点： TM TL 0 当负载突然增加后
TM TL' 0 TM' TL' 0
生产机械的 机械特性 交点b
当负载波动消除后 ☞ 故a点为系统的稳定平衡点。
TM' TL 0
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。
d J dt d J dt
TM TL时： Td
TM TL Td d 0 即 dt 0, 传动系统加速运动。 d 0,传动系统减速运动。 0, 即 dt
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：
☞ 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
特点：
Rad Ra UN n T n0 n 2 K e N K e K t N
☞ 当Φ =ΦN、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 Δn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。