《机电传动控制》（第五版）教案文档格式.docx

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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：

①理论方程式：

T-T=Jdw（P5/S2.1）

M L dt

TM-TL=

GD2dn

375dt

②实用方程式：

（P6/S2.5）

式中：

TM、TL——分别为电动机产生的转矩、负载转矩，单位皆为N·

m；

J、w、t——转动惯量（kg·

m2）、角速度（rad/s）、时间（s）；

GD2——飞轮惯量（N·

m2），G、D——转动部分的重量（N）和惯性直径（m）；

n——电动机的转速，r/min。

3.驱动转矩、负载转矩转速的正方向约定及性质判定

①以电动机的转速方向为参照量、且为正方向；

②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；

③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；

④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：

TL=

f（n）。

一、恒转矩型负载特性——TL=C

（常数，下同）

0.特 点：

负载转矩TL为常数。

1.反抗性恒转矩负载

①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”。

②方 向：

转矩方向恒与运动方向相反，总是阻碍运动的发展。

③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

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。

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。

位于坐标系的第一、四象限，见P11/T2.4（b）。

三、直线型负载特性——TL=C·

n

1.特 点：

负载转矩TL随转速n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性——TL=C·

2

负载转矩TL随转速n的二次方成正比。

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——TL=C/n

负载转矩TL随转速n的变化成反比。

∵TL=C/n∴TL·

n=C=P（功率）—→即恒功率特性。

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

以上几种负载特性的叠加。

例如：

实际通风机特性TL



=T（摩擦转矩）+Cn2（负载转矩）。

此例（实际通风机）的特性曲线见P11/T2.5中的T0（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TM与折算到电动机轴上的负载转矩TL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n=

衡点”。

f（TM）与生产机械的负载特性曲线n=

f（TL）B有交点——“拖动系统的平

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TM与负载转矩TL大小相等、方向相反。

即：

电动机

的机械特性曲线n=

f（TL）有交

点（即拖动系统的平衡点）。

2.充分条件——系统受干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力。

.当干扰使转速↑（↓）时—→TMpTL＜（TMfTL）。

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

①主磁极＝主磁极铁芯（1～1.5硅钢片

冲

压而成）＋励磁绕组（漆包铜线绕指）组成。

产生主磁场。

②换向极＝铁芯（1～1.5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。

③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。

①电枢铁芯——用硅钢片冲压叠成，是主磁路的一部分，呈圆柱形，其上有槽，槽中放电枢绕组，轴向开有通风孔。

②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。

③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 （P23/T3.5、3.6）

1.直流电机的电动势：

E=KeFn

（P24/S3.1） φ——1对磁极的磁通（Wb）

2.直流电机的电磁转矩：

T=KtFIa

（P24/S3.2）

Ke——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）

Kt——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+T0

T=TL+T0

3.2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.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2％～5％，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

DU=（U0-UN）/UN´

100％＝一般为5％～10％，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

①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。

②电路原理图 见P27/T3.11即上右图。

③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）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

①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）

②电路原理图 见P28/T3.14

③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n=

f（T）曲线。

见P23/T3.16。

机械特性硬度b——转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值

=dT/dn=DT/Dn´

100％（3.14）。

①绝对硬特性（b→∞）；

②硬特性（b＞10）；

③软特性

（b＜10）。

2.人为机械特性

以下特性皆由

n=U -

KF

Ra

KKF2

T=n0

-Dn

（P23/S3.13）导出：

e et

①电枢（转子）回路中串接附加电阻时的人为机械特性

a）转速：

n0不变，n随串入的附加电阻变化：

串入的附加电阻越↑——Dn↑——n↓。

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。

②改变电枢（转子）电压U时的人为机械特性

Dn不变，n0随U的变化而变化≌n随U变化。

特性的软硬不变，受电动机耐压强度的限制，得到一族低于n0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。

③改变磁通F时的人为机械特性

Dn和n0都随F的变化儿变化。

∵F只能向↓调节∴n0和Dn都变↑—→n↑。

见P26/T3.20。

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/S3-11U=E+IaRa可知：

电动机未启动之前n=0,E=0，而Ra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Ist=UN/Ra将很大»

（10~20）IN。

2.启动电流过大的危害

①使换向器产生火花甚至烧坏；

②产生过大的电动应力和温升，引起绕组损坏；

③过大的启动转矩（µ

Ist）冲击使机械传动部件损坏；

④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（Ist）≤2倍的额定电流（IN）。

4.限制启动电流的方法

①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。

②在电枢（转子）回路中串接外加电阻启动——此时启动电流Ist=UN/（Ra+Rst）受到外加启动电阻

Rst的限制。

随着转速n↑、反电动势E↑，逐级切除Rst，直至Rst=0，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：

T1=（1.6~2）TN,T2=（1.1~1.2）TN。

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

n=U -Ra+RadT（P37/S3.21）可知：

①改变电枢回路的电阻R；

KF KKF2 ad

e et

②改变供电电压U；

③改变主磁通F，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

①串接不同的电阻得到不同的转速；

②机械特性较软，串入电阻越大特性越软；

③在空载和轻载时，调速范围不大；

④不能实现无级调速；

⑤调速电阻上消耗大量电能。

⑥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。

①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）；

②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；

③调速范围大；

④调速时，因电枢电流与电压U无关，且F=FN，电动机的转矩

T=KtFNIa

不变——属于“恒转矩调速”。

⑤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。

①可以平滑无级调速但只能“弱磁调速”——在额定转速以上调速；

②调速特性较“软”；

③受换向条件的限制，调速范围不大（≤1.2倍的额定转速）；

④调速时，维持电枢电压U和电枢电流Ia不变≌功率P=UIa不变——属于“恒功率调速”。

在这种情况下，电动机的转矩T=KtFIa要随F的↓而↓。

】基于“弱磁调速”范围↓，往往使其与调压调速配合使用——需要电动机在在额定转速以下运行，用降压调速；

在额定转速以上运行，用“弱磁调速”。

3.6他励直流电动机的制动特性

0、有关概念

1.启动————是从静止逐渐加速到某一稳定转速的一种运转状态。

与制动相对的一种工作状态。

2.制动————是某一稳定转速减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。

3.电动状态——特点是电动机输出转矩的方向与转速方向相同，电动机吸收电能，把电能—→机械能的工作状态。

4.制动状态——特点是电动机输出转矩的方向与转速方向相反，电动机吸收机械能，把机械能—→电能的工作状态。

一、反馈制动——电动机的实际转速n＞理想空载转速n0时，处于此状态。

0.特征：

①电源电压（极性和大小）不变，电动机的实际转速n＞理想空载转速n0；

②电枢E＞电源U,导致Ia反向，由电动状态—→发电状态，将机械能—→电能—→回馈回电源；

③负载转矩—→驱动转矩；

电动机输出转矩—→制动转矩。

1.正向回馈制动——负载转矩与转速方向相同

①发生在电动机拖动机车下坡时：

机车加速—→nfn0—→使得EfU导致T反向—→直至Tp=T+Tr—→电机车的位能转矩带动电动机发电

—→把位能（机械能）—→电能—→向电源回馈。

②发生在电动机电压下降（调速）时：

电压↑（f↓）—→Ia和T反向—→电动机处于发电运行状态—→转速逐渐↓至n02时E=U2，制动结束至—→

TL使转速进一步↓—→T又变为＋值—→在T=TL+Tr新的平衡状态和新的转速n2下运行。

2.反向回馈制动——发生在卷扬（起重）机下放重物倒拉反转时

下放重物—→电压反接—→T变负值—→在（T+TL）共同作用下重物加速↓—→E↑、T↓—→至T=0和

n=-n0不停止—→继续加速至∣n0∣＞∣-n0∣时，T为正且与TL反向—→n=-nc、T=TL+Tr，处于新

的平衡运行状态。

二、反接制动——电枢电压U和电枢电动势E在外部条件下由反向变为同向时，电动机处于此状态。

电枢电压U和电枢电动势E在外部条件下任一个电动机改变，由反向—→同向。

1.电源反接制动——改变电枢电压U的方向所产生的反接制动

①注意事项——∵处于此状态时，E与U串联相加施予电枢∴为限制Ia，必须串接足够大的Iad。

②应用场合——要求迅速减速、停车、反向及经常正反转的生产机械上。

2.倒拉反接制动——改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动

下放重物∥转子回路串入附加电阻—→特性曲线改变—→TMpTL—→减速—→至n=0停止上升—→此时仍有

TMpTL—→下降∥E反向—→E与U同向，共同作为制动力矩TM+E↑—→直至TM+E=TL，下降转速不再↑。

三、能耗制动——消耗转子的机械能，使其尽快停车的制动方法，前提都是先切断电源。

1.转子回路串能耗（附加）电阻——转子的反电动势E消耗在附加电阻上，转子被制动—→停止。

2.定子回路外加电源——————转子切割定子磁场的磁力线，消耗其机械能被制动—→停止。

【注】①现代机电传动中，直流电动机已很少应用，对以上知识只一般了解即可。

②以上所讲种种制动方式，理论上无懈可击，但只依靠电动机自身的制动在机械设备上是既不实用也不可靠的。

在

实际的机械设备上，减速、下放重物、停车都是切断电源并依靠机械、电磁或电液刹车装置实现。

第4章 交流电机的工作原理及特性

4.1三相异步电动机的基本结构和工作原理

一、基本结构（见下图或P50/T4.1）

1.定子＝铁芯＋绕组＋机座组成。

①定子铁芯——磁路的一部分，由0.5mm硅钢片叠压成一个整体，固定于机座内，片与片是绝缘的以↓涡流损失，沿内圆冲有定子槽，槽中嵌放定子线圈绕组。

②定子绕组——三相电动机的定子绕组分三部分对称地分布在定子铁芯上，谓之“三相绕组”，分别用AX、BY、CZ表示，A、B、C为首端，X、Y、Z为尾端。

绕组中通入三相交流电源，绕组中的电流在定子铁芯中产生“旋转磁场”。

③机座——固定定子铁芯和支承转子等所有零、部件，一般为铸铁制作。

2.转子＝铁芯＋绕组＋转轴组成

①转子铁芯——也是磁路的一部分，也是由0.5mm硅钢片叠压成一个整体，套装在转轴上，片与片

是绝缘的