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1.1机电传动控制的目的与任务第一章概述一、机电系统的组成机电系统完成生产任务的基础驱动运动部件的原动机（这里指的是各种电动机）之总称控制电动机的系统驱动生产机械的电动机和控制电动机的一整套电气系统二、机电传动控制的任务将电能转换为机械能；实现生产机械的启动、停止以及速度的调节；完成各种生产工艺过程的要求；保证生产过程的正常进行。三、机电传动控制的目的从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂都实现自动化。从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加（效率）、质量的提高（精度）、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能量的合理利用等。随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统的要求愈来愈高。一些精密机床要求加工精度百分之几毫米，甚至几微米；重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求系统有很宽的调速范围；轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在不到一秒的时间内完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅速启动、制动和反向；对于电梯和提升机，则要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上；对于冷、热连轧机以及造纸机的个机架或分部，则要求各机架或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转；为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求统一控制或管理。诸如此类的要求，都要靠电动机及其控制系统来实现。1.2机电传动控制的发展史机电传动及其控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。机电传动控制的发展可从机电传动和控制系统两方面来讨论。一、机电传动（也称为电力拖动）的发展史成组拖动——一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台生产机械。单电机拖动——一台电动机拖动一台生产机械的各运动部件。多电机拖动——一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电动机来拖动，便于实现自动控制。特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车；这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；二．机电传动控制系统的发展史控制系统的发展伴随控制器件的发展而发展。随着功率器件、放大器件的不断更新，机电传动控制系统的发展日新月异，它主要经历了四个阶段：1．继电器—接触器控制：出现在20世纪初，它仅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，它的控制速度慢，控制精度差；2．电机放大机控制：3．磁放大器控制和大功率可控制水银整流器控制：4．数字控制（NC）：自动化程度、通用性和加工效率。柔性制造系统（FMS）—由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线，它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。机械制造自动化高级阶段是走向设计、制造一体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直到装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成制造系统（CIMS）是人们现在的任务。第一章磁路磁路：第一节磁路的基本定律一、磁场的几个常用物理量⒈磁感应强度B：表征磁场中某点磁场强弱及方向的物理量，是一个矢量，通常可用磁通密度的概念来理解它。单位为T（特）。⒉磁通Φ：量的概念，在均匀磁场中Φ=BA。单位为wb（韦伯）。⒊磁场强度H：为计算引入的物理量，也是一个矢量。B=µH，通常可用单位距离上的磁位降的概念来理解它。单位为A/m。⒋磁动势F：由它产生磁场，F=Ni，F=Hl，F=ΦRm。单位为AN（安匝）。⒌磁导率µ：表示物质导磁能力的大小，铁磁材料的磁导率μFe要比非铁磁材料磁导率μ大得多。非铁磁材料接近真空磁导率μ0=4π×10-7H/m。电机常用的铁磁材料磁导率μFe=（2000～6000）μ0。二、磁路的概念在工程上为了得到较强的磁场，广泛的利用了铁磁物质，在电机、变压器等设备中应用铁磁物质人为的构成磁路，使磁通主要在这部分空间内流动，磁通所通过的路径称为磁路。磁路分为主磁路和漏磁路。主磁路：主磁通所通过的路径。漏磁路：漏磁通所通过的路径。磁路和电路在物理量和基本定律上有一一的对应关系，但是，磁路和电路只是形式上的相似，而不是本质上的相同。1）电路中有电动势可以无电流，而磁路只要有磁动势就必有磁通。也就是说有电绝缘材料，没有磁绝缘材料。2）电路中有电流就有功率损耗，而在恒磁通下，磁路中没有功率损耗。3）电流只在导体中流过，而磁路中除了主磁通外还必须考虑到漏磁通的影响4）电路中电阻率ρ在一定温度下恒定不变，而铁磁材料构成的磁路中，磁导率μFe是随着磁通密度而变化的，不是一个常数。另外电阻率越大导电性能越差，而磁导率越大导磁性能越好。5）线性电路计算时可用叠加原理，铁心磁路则不行。第二节常用的铁磁材料及其特性一、铁磁物质为了在一定的励磁磁动势作用下能激励出较强的磁场（因为：B=Hµ）从而使电机及变压器等装置的尺寸缩小、重量减轻、性能改善，必须增加磁路的磁导率,由于铁磁物质具有高导磁性能，所以电机和变压器的铁心常用导磁率较高的铁磁材料组成。铁磁物质非金属：金属：铁、钴、镍；优点：磁感应强度高；缺点：电阻率低，涡流损耗大。铁氧体；优点：电阻率高，涡流损耗小，抗腐蚀；缺点：磁感应强度低，温度稳定性差。二、磁化曲线铁磁材料的磁化状态一般由磁化曲线B-H曲线表示。⒈起始磁化曲线起始磁化曲线可由实验得出。将一块未磁化的铁磁材料制成闭合铁心回路，其上绕有绕组，调节R使电流从零开始逐渐增大，则铁心中穿过横截面的磁通密度将随之增大，测得对应于不同的H值下的B值。可逐点描绘出B-H曲线。如图。⒉磁滞回线若对铁磁材料进行周期性的磁化，则B-H曲线如图所示：可见铁磁材料在交变的磁场内被磁化的过程中，磁化曲线是一条具有单方向性的闭合曲线，称为磁滞回线。从磁滞回线上看，B的变化总是滞后于H的变化，这种现象称为磁滞现象。⒊基本磁化曲线对同一铁磁材料，选不同的Hm进行反复磁化时，可得大小不同的磁滞回路，将各磁滞回路顶点连接起来。可得到基本磁化曲线。三、铁磁材料磁性材料按矫顽力Hc的大小可分为软磁材料和硬磁材料。⒈软磁材料软磁材料磁导率μ高，矫顽力Hc小，磁滞回线窄而长，剩磁Br小，如：铸钢、硅钢、坡莫合金等，可制作电机变压器铁心。磁路计算中，可不考虑磁滞现象。⒉硬磁材料：硬磁材料磁导率μ不高，矫顽力Hc大，磁滞回线宽而胖，剩磁Br大，如铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等，可制造永久磁铁。四、铁心损耗⒈磁滞损耗当铁磁材料置于交变磁场中时，被反复交变磁化，致使磁畴之间不停的摩擦而消耗能量，并以热量的形式表现出来，这种损耗称为磁滞损耗。经验公式：Ph=ChfBmnV式中：V—铁心的体积；Ch—磁滞损耗系数取决于材料性质；n—常用电工硅钢片n=1.6～2.3。⒉涡流损耗因铁心是导电的，当穿过铁心的磁通随时间变化时，铁心中产生感应电势，将引起环流，这些环流在铁心内部做旋涡状流动，称为涡流，涡流在铁心中引起损耗称为涡流损耗。经验公式：Pe=Ce△2f2Bm2V式中：Ce—涡流损耗系数，取决于材料的电阻率；△—硅钢片厚度，电机、变压器都采用0.35、0.5mm的硅钢片。⒊铁心损耗PFe=Ph+Pe对一般电工硅钢片，正常工作点的磁通磁密为：1T﹤Bm﹤1.8T。公式可近似写成：PFe≈CFef1.3Bm2G式中：CFe—铁心损耗系数；G—铁心重量。⒋降低铁心损耗的方法降低磁滞损耗可采用软磁材料，如：硅钢、铸钢、坡莫合金等。降低涡流损耗可采用冲片叠装的方式。也可采用增大铁磁材料电阻率的方法。第四节交流磁路的特点前述的是在励磁线圈中通以直流电。所以为直流磁路，在直流磁路中各个参数都不随时间变化，在交流磁路中，因励磁电流为交流，所以磁通及磁势均随时间交变而交变，但就瞬时值仍与直流磁路一样，遵循磁路基本定律。交流磁路的特点：⒈交变磁通引起铁心损耗。⒉磁通量随时间交变，在励磁线圈中产感应电势。⒊磁饱和现象会导致电流、磁通和电动势波形的畸变。共同点？