机电传动控制笔记

第1章绪论第1讲初步了解机电传动实例：要求：1.首先安全性要求。2.启动、制动平稳，使人感觉到舒适。3.停止位置准确，运行快速高效。（一）目的将电能转化为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，满足各种生产工艺过程。（二）任务广义：实现生产设备、生产线、车间乃至整个工厂自动化。狭义：控制电机驱动生产机械。解决问题：如何实现对电动机进行准确、可靠地控制。机电传动的发展从传动和控制系统两个方面入手：*了解机电传动控制系统的组成和基本规律；*掌握常用电机、电器、晶闸管的工作原理主要特性，了解其应用与选用；*掌握常用的开环、闭环驱动控制系统的基本工作原理和特点，了解性能和应用场所；*学会分析机电传动控制系统的基本方法。第二章机电传动系统的动力学基础第1讲基本概念和动力学基础机电传动：以电动机为原动机的生产机械系统总称。控制系统：控制电动机的启动、停止及速度。运动方程：实际应用：用转速n代替角速度ω；用飞轮惯量GD2代替转动惯量J；令：Td=0Td0Td0匀速或静止加速减速正方向约定：以转速为参考方向。（1）电动机转矩与n同向为正，反向为负；（2）负载转矩与n同向为负，反向为正。第2讲负载转矩和惯量折算等效原则：采用功率相等（考虑到功率损耗）生产机械轴功率：轴上等效功率：等效原则：采用动能守恒。Jz：等效转动惯量Ji和ωi轴的转动惯量与角速度同理可得:当速比较大时，其它轴惯量占系统比重不大，进行简化。同理可得：对于旋转系统含有直线运动部件生产机械轴功率：电机轴上等效功率：等效原则：采用动能守恒同理可得：第3讲机械系统稳定运行条件在机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，电动机的机械特性与生产机械的机械特性相匹配。匹配的基本要求是系统稳定运行。系统稳定运行含义：（1）能以一定的速度匀速运行；（2）受干扰后速度发生变化，干扰消除后能恢复到原来的运行速度。（1）必要条件：电动机的拖动转矩与折算到电机轴上的负载转矩大小相等、方向相反。如图所示，两曲线有交点（即电动机机械特性曲线与负载机械特性曲线有交点）。T′MTLna′→→→naTM=TL对比a点和b点a点：扰动消除后，回到原来的平衡点；b点：扰动消除后，无法回到原来的平衡点。（2）充分条件：当转速小于平衡点时，TMTL；当转速大于平衡点时，TMTL。（只有同时满足条件1和2，系统为稳定的平衡点。）综上有：只有同时满足充分和必要条件，系统为稳定的平衡点。第4讲机电传动系统过渡过程（1）稳态：Td=0，恒速转动，各种运动状态的机械特性。（2）暂态：Td≠0，由一个稳态过渡到另一个稳态；即为过渡过程。（1）经常启动、制动、反向和调速，要求过渡过程尽量快，提高生产率。（2）启动、制动要求平稳，要求加速度不能过大。（3）能量损耗、系统准确停止与协调运转方面，提出不同的要求。由于机电系统存在惯性：（1）机械惯性：J和GD2→→转速不能突变；*（2）电磁惯性：电感→→电流和磁通不能突变；（3）热惯性：温度→→温度不能突变；如图所示，TL为恒转矩负载，电机的转矩TM和转速成线性关系，则有：得到：同理可得：综上则有：令：则有：（1）减少GD2（2）增大Tst第三章直流电机的工作原理及特性第1讲直流电机的基本结构和工作原理1.转子：产生机械转矩以实现能量转换；2.定子：产生主磁场和支撑电机；3.换向器：实现电流换向。①电枢电压平衡方程：U=IaRa+E②电势方程：E=KeΦn③电磁转矩方程：TM=KtΦIaΦ为一对磁极的磁通；Kt和Ke为与电机结构有关的参数，Kt=9.55Ke。*a：他励b：并励c：串励d：复励一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势为E，如果负载转矩TL不变，外加电压U和电枢电阻Ra均不变，问：当减弱励磁使转速上升到新的稳态值时，电枢反电势如何变化？两个已知条件：负载转矩TL＝常数；U和Ra不变，变化过程由一个稳态到另一个稳态，电枢反电势是稳态值。由E=KeΦn无法判断E是如何变化的。E=U-IaRaTL=TM=KtΦIa=常数Φ↓→Ia↑Ia↑→E↓第2讲直流电动机机械特性①电枢电压平衡方程：U=IaRa+E②电势方程：E=KeΦn③电磁转矩方程：TM=KtΦIa由前面三个方程，可得出电动机的机械特性即（转速与转矩的关系）令：得到：曲线斜率倒数定义为机械特性硬度：ββ→∞：绝对硬特性β10：硬特性三.固有机械特性β10：软特性机械特性硬度越大，表示抗载荷波动能力就越强。一般分为：固有机械特性和人为机械特性。固有机械特性：电动机工作在额定电压、额定磁通、电枢电路中不串入任何电阻条件下，电动机的机械特性。人为机械特性：电动机的供电电压或磁通不是额定值、电枢电路中串接附加电阻情况下，电动机的机械特性。在额定电压UN和额定磁通ΦN下，电枢电路中不外接电阻时的特性曲线。求出两点:（0,n0）和（TN，nN）在额定电压UN和额定磁通ΦN下，电枢电路中不外接电阻时，根据铭牌数据绘制固有机械特性曲线。关键是求出两点:（0,n0）和（TN，nN）(1)求理想空载转速n0当T=0时有：(2)求KeΦN①电枢电压平衡方程：UN=IaRa+E②电势方程：E=KeΦNnN代入得到：KeΦN=(UN-INRa)／nN(3)估算电枢电阻Ra额定负载下的铜耗占总耗的50-75%(4)求额定转矩TN=9.55PN/nN综上，得到两点:（0,n0）和（TN,nN）第3讲直流电动机人为机械特性人为机械特性：电动机的供电电压U或磁通Φ不是额定值、电枢电路中串接附加电阻情况下，电动机的机械特性。电枢电路串接外电阻时的机械特性曲线是一系列以理想空载转速为原点的射线。特点：①理想空载转速不变；②转速降发生变化；③且随串入电路的增大而变大；④外特性变软。改变电枢电路电压时的机械特性曲线是一系列平行于固有机械特性曲线的平行线。特点：转速降不发生变化，而理想空载转速，随电路中电压的降低而减少。改变磁通时的人为机械特性曲线，随着磁通的减少，转速降和理想空载转速都增大。弱磁调速时需注意：1.随着磁通的减少，电动机的启动转矩变小。2.当磁通过分削弱时，如果负载转矩不变，则电动机的电流将大大增加，导致过载。3.“飞车”和“堵转”现象。第4讲直流电动机的启动电枢电压平衡方程：U=IaRa+E电流可表示为：Ia=(U-E)/Ra启动时：n=0，E=0启动电流：Ist=UN/R=(10~20)IN要求：启动电流不得大于（1.5～2）IN最大启动电流：IastMax=解决办法：减小电压，增大电阻电压由小到大，随转速的升高而逐步加大，直到满足要求。启动过程:1→a→b→2达到稳定工作点。特点：a点到b点冲击电流很大。T1和T2的数值需按电动机的具体启动条件决定：最大转矩不能超过电机允许值，每次切换电阻时的T2基本相同。第5讲他励直流电动机调速特性速度变化：由于电动机负载转矩发生变化而引起的电动机转速发生变化（其特性曲线不发生变化）。速度调节：在某一负载条件下（负载转矩保持不变），靠人为改变机械特性而得到的。1）改变外串电阻分析调速机电过程：A→B→C特点：(a)机械特性软，电阻愈大，特性愈软，稳定度愈低；(b)轻载时调速范围不大；调速电阻消耗大量能量；一般适用于调速性能要求不高，有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的场合。2）改变供电电压特点：(a)无级调速；(b)机械特性硬度不变,稳定度高，调速范围较大；(c)恒转矩调速；(d)设备简单。3）改变主磁通分析:改变磁通时由Φ1时变化到Φ2，电动机调速的过程。特点：（a）无级调速(高于额定转速)；(b)调速特性软，调速范围不大(最高为额定转速为1.2倍)；(c)恒功率调速；(d)转矩随磁通的减小而减小。第6讲直流电动机的反馈制动制动状态：①稳定的制动状态（电动机转速不变）②过渡的制动状态（降速或停车的过程）区别：转速是否变化；共同点：电磁转矩与转速反向；根据电动机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况分为：反馈、反接、能耗制动问题：电瓶车（农大戏称“小白”）沿无限斜坡下滑，会怎么样？U=IaRa+EE=KeΦnTM=KtΦIa特点：nn0Ia0+TM→-TM制动时的速度高于n0；除电车下坡外，还有重物下降、电枢电压突然下降时，都会产生反馈制动。第7讲直流电动机的反接制动当电动机的电枢电压或电枢电势中任一个改变方向，产生反接制动。(U与E由反向变为是同向则产生反接制动)分为：电源反接制动（U反向）倒拉反接制动（E反向）注意：反接时U与E相加，电流很大用Rad限流。U=IaRa+EE=KeΦnTM=KtΦIaTd=TM-TLTd=TM-TL（c和e这是两个关键点）第8讲直流电动机的倒拉反接制动U=IaRa+EE=KeΦnTM=KtΦIaTd=TM-TL提升重物过程中，电枢电路中串入一电阻，改变特性曲线，而产生的分析重物先上升后下降的机电过程。电枢电路中串入附加电阻，使特性曲线由1过渡到2，最后停止在b点。选用不同的Rad可改变下放速度但不能太小，交叉点必须在四象限,否则会产生上升运动。第9讲直流电动机能耗制动产生：电枢电压突然降为零，并串接一个Rad。U=0，增加Rad，特性曲线过原点。曲线方程：特点：特性曲线过原点，可应用迅速而准确停车的场合。第八章电力电子学基础第1讲电力电子器件大功率二极管(整流二极管)正向导通：0.8–1V开关导通反向截止：开关断开(反向为饱和电流万分之一)特性：单向导电性注意：电力二极管，电压高、电流大（如6kV,6kA以上），它的功耗和发热不容忽视。1.普通晶阐管（可控硅）工作特性导通条件：（1）A和K加正电压；（2）G加正电压。关断条件：A极电压降到一定数值（断开或反接）。结论：（1）若控制极不加正极，不论A和K极加正负电压均不导通；（2）阳极和控制极同时加正极时才导通；（3）导通后控制极失去作用，只有A极电压降到一定数值（断开或反接）才能关断。优点：（1）用小功率控制大功率；（2）控制灵敏、反应快（微秒级）；（3）损耗小、效率高（97.5%）；（4）体积小、重量轻。缺点：（1）过载能力弱；（2）抗干扰能力差；（3）引起电网波形畸变，影响其它电气设备；（4）控制电路复杂。2.双向晶阐管（TRIAC）MT2MT1或MT1MT2时：G端加正极性或负极性信号，双向晶阐管导通。3.逆导晶阐管（RCT）单向导电，但不能承受反向电压。特点：（1）正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高。（2）用于不需要阻断反向电压的电路中。4.光控晶阐管（LTT）一定波长的光信号触发导通特点：信号源与主电路绝缘效效果好，用于高压大功率场合。5.快速晶阐管（FST）特点：通、断时间快；但额定功率小。1.门极可关断晶闸管（GTO）导通：加正电压脉冲关断：加负电压或大的负脉冲主要参数：主要参数：最大可关断阳极电流IATO；电流关断增益（IATO与门极负脉冲电流最大值ICM之比）小；2.电力晶体管（GTR）按达林顿接法特点：（1）耐高压、（2）大电流、（3）开关特性好。3.电力场效应晶体管〔FET)特点:(1)驱动功率小；(2)开关速度快；(3)电流容量小耐压低（不超过10kW）。4.绝缘栅双极晶体管（IGBT）特点：(1)驱动功率小；(2)开关速度快；(3)导通电压低；(4)阻断电压；(5)承受电流大。第2讲斩波电路斩波电路将直流电源电压断续加在电源负载上，通过改变开关通和断的时间比例，达到改变加于负载上电压、电流的平均值。负载RL为理想电阻，Q为开关；Q接通，则uo=E，RL中流过电流io；Q断开，则uo=0，io=0.ton--导通时间toff--关断时间由于：令：则有：a——导通占空比(dutyfactor)当a=1时，Uo最大为E；若a↓→Uo↓；当a=0时，Uo=0。因此称为降压斩波电路。输出电流的平滑性受到什么影响？当Ｌ取太小，会出现电流不连续。a——导通占空比(dutyfactor)结论：通过改变开关管导通占空比，即可实现对输出电压控制。斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）1.T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）