《機電傳動控制》講義(1)

1、機電傳動控制機電傳動控制彭健重慶工商大學機械與包裝工程學院20062007學年第二學期本課程為機械類專業(yè)的電氣類課程本課程為機械類專業(yè)的電氣類課程（3）強電部分：強電部分：設備驅動和控制。設備驅動和控制。（1）設備組成：設備組成：機械部分、電氣部分。機械部分、電氣部分。（2）電氣部分：電氣部分：強電部分、弱電部分。強電部分、弱電部分。課程內容定位課程內容定位本課程重點研究設備驅動與控制本課程重點研究設備驅動與控制本課程的主要內容本課程的主要內容v電機與拖動基礎知識；電機與拖動基礎知識；v機電傳動控制技術機電傳動控制技術機電傳動控制中繼電器機電傳動控制中繼電器-接觸器控制接觸器控制交直流調速控制

2、交直流調速控制伺服驅動控制伺服驅動控制步進電機控制步進電機控制學習任務學習任務v掌握電機、電氣傳動和電機控制的基本原理掌握電機、電氣傳動和電機控制的基本原理和方法。和方法。v認識設備與電氣元件，了解其工作原理及作認識設備與電氣元件，了解其工作原理及作用，以及圖形表達方法等。用，以及圖形表達方法等。v初步掌握機電傳動系統(tǒng)的分析、設計方法。初步掌握機電傳動系統(tǒng)的分析、設計方法。v能運用所學的知識去分析解決機電工程中的能運用所學的知識去分析解決機電工程中的相關問題。相關問題。考試方式與成績評定v100分制，期末考試、實驗與平時成績考查分制，期末考試、實驗與平時成績考查相結合，比例為相結合，比例為70

3、：30。 第一章第一章 機電傳動控制機電傳動控制概論概論 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 v一、什么是機電傳動控制一、什么是機電傳動控制機電傳動又叫機電傳動又叫電氣傳動電氣傳動、電力傳動電力傳動或或電力拖動電力拖動是指以電動機為原動機，將電能轉變?yōu)闄C械能的是指以電動機為原動機，將電能轉變?yōu)闄C械能的傳動技術傳動技術機電傳動控制就是實現對機械運動的電氣控制和機電傳動控制就是實現對機械運動的電氣控制和調節(jié)。調節(jié)。現代機電設備和裝置一般由現代機電設備和裝置一般由工作機構工作機構、傳動機構傳動機構、原動機原動機和和自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)四個主要部分組成。四個主要部分組成。 原動機原動機（電動機）（電動機）傳動

4、機構傳動機構工作機構工作機構自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（電子、電氣控制）（電子、電氣控制）機電傳動機電傳動機電傳動控制機電傳動控制機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)工作機構工作機構v最終完成系統(tǒng)所承擔的工作任務，如機床的加工機構，最終完成系統(tǒng)所承擔的工作任務，如機床的加工機構，汽車行駛機構等。汽車行駛機構等。傳動機構傳動機構v把運動和動力傳遞到工作機構，如齒輪減速器等。把運動和動力傳遞到工作機構，如齒輪減速器等。原動機原動機v產生將其他能量轉換為機械能，產生動力，如電動機、產生將其他能量轉換為機械能，產生動力，如電動機、汽油機等。汽油機等。v機電傳動系統(tǒng)主要以電動機為原動機。機電傳動系統(tǒng)主要以電動機為原動機?？刂?/p>

5、系統(tǒng)控制系統(tǒng)v控制工作機構的運動，使之按預先設計的規(guī)律運動，控制工作機構的運動，使之按預先設計的規(guī)律運動，并完成工作任務。并完成工作任務。v機電傳動控制主要研究對電動機的控制。機電傳動控制主要研究對電動機的控制。v二、為什么要用機電傳動？二、為什么要用機電傳動？電氣控制系統(tǒng)和機電傳動系統(tǒng)能比較方便地集成電氣控制系統(tǒng)和機電傳動系統(tǒng)能比較方便地集成v能充分發(fā)揮電子設備的信息處理能力，實現復雜的控能充分發(fā)揮電子設備的信息處理能力，實現復雜的控制功能。制功能。v要想很好地使用電子和電氣設備進行自動控制必須使要想很好地使用電子和電氣設備進行自動控制必須使用機電傳動系統(tǒng)。用機電傳動系統(tǒng)。機電傳動控制系統(tǒng)是

6、機電一體化系統(tǒng)的核心機電傳動控制系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的核心機電傳動系統(tǒng)體積較小，結構簡單，配置布署方機電傳動系統(tǒng)體積較小，結構簡單，配置布署方便；便；傳動效率高，節(jié)省能源，清潔、不污染環(huán)境；傳動效率高，節(jié)省能源，清潔、不污染環(huán)境；機電傳動系統(tǒng)能適應高精度、高轉速、高負載等機電傳動系統(tǒng)能適應高精度、高轉速、高負載等的應用要求，應用范圍廣。的應用要求，應用范圍廣。各種傳動方式的比較各種傳動方式的比較類類 型型操作操作力力動作快動作快慢慢環(huán)境要求環(huán)境要求構造構造負載變化負載變化影響影響操作距離操作距離無級無級調調速速工作壽工作壽命命維護維護體體積積氣壓傳動氣壓傳動小小中中較快較快適應性好適應性好簡單

7、簡單較較 大大中距離中距離較好較好長長一般一般中中等等液壓傳動液壓傳動中中極極大大較慢較慢不怕振動不怕振動復雜復雜有一些有一些短距離短距離良好良好一般一般要求高要求高較較大大電電傳傳動動電電氣氣小小大大快快要求高要求高稍復雜稍復雜幾乎沒有幾乎沒有遠距離遠距離良好良好較短較短要求較要求較高高較較小小電電子子最小最小最快最快要求特高要求特高最復雜最復雜沒有沒有遠距離遠距離良好良好短短要求更要求更高高小小機械傳動機械傳動小小大大一般一般一般一般一般一般沒有沒有短距離短距離較困較困難難一般一般簡單簡單大大項目項目氣動氣動液壓液壓電傳動電傳動機械機械驅動力調整驅動力調整容易容易容易容易困難困難困難困難速

8、度調整速度調整容易容易很容易很容易稍困難稍困難困難困難速度穩(wěn)定性速度穩(wěn)定性較差，需采取專門較差，需采取專門措施措施良好良好次于液壓，優(yōu)于氣動次于液壓，優(yōu)于氣動很好很好控制精度控制精度較差較差高高一般一般一般一般控制距離控制距離中短中短短短不限不限短短過載保護過載保護容易容易較容易，過載會較容易，過載會引起油溫升高，引起油溫升高，功耗大功耗大長期過載會燒毀電動機長期過載會燒毀電動機稍困難稍困難傳動系統(tǒng)效率傳動系統(tǒng)效率30%30%70%70%90%90%90%90%左右左右傳輸時能量損失傳輸時能量損失較小較小較大較大小小小小防爆性防爆性好好用非可燃油才能用非可燃油才能防火防火應采取措施，但成本高應

9、采取措施，但成本高好好防塵性防塵性好好要防止油被污染要防止油被污染灰塵對性能有影響灰塵對性能有影響防濕性防濕性應排除冷凝水應排除冷凝水小小要特殊保護措施要特殊保護措施小小抗震性抗震性一般一般一般一般差差一般一般抗磁性抗磁性好好好好可能引起誤操作可能引起誤操作抗腐蝕性抗腐蝕性較好較好好好差差較差較差溫度影響溫度影響小小中中大大小小對環(huán)境污染對環(huán)境污染對空氣污染小，要對空氣污染小，要防止噪聲防止噪聲要防漏油和噪聲要防漏油和噪聲污染小，要防噪聲污染小，要防噪聲要防噪聲要防噪聲壽命壽命長長較長較長電器控制低于氣動，電電器控制低于氣動，電子控制最長子控制最長長長價格價格便宜便宜較貴較貴電器控制便宜，電子

10、控電器控制便宜，電子控制較貴制較貴一般一般v三、機電傳動的應用領域三、機電傳動的應用領域 廣泛應用于工農業(yè)生產、航天航空、交通運輸、廣泛應用于工農業(yè)生產、航天航空、交通運輸、日常生活等方面日常生活等方面控制控制減速器減速器電動機電動機織布機織布機普通機床普通機床電力機車電力機車飛機飛機裝甲車輛裝甲車輛徐工400T400噸級電傳動礦用自卸車v（長寬高）15920100007630mm，空車重量260噸，車貨總重達660噸。vhttp:/ 阿拉果實驗阿拉果實驗：用一個銅盤靠近正在往復擺動的指南針用一個銅盤靠近正在往復擺動的指南針，出現了阻尼作用使擺動立刻變慢。轉動著的銅盤又，出現了阻尼作用使擺動立

11、刻變慢。轉動著的銅盤又可以帶動靠近的磁針跟著轉動，還發(fā)現了這種作用的可以帶動靠近的磁針跟著轉動，還發(fā)現了這種作用的大小與盤子的導電性能有關系。大小與盤子的導電性能有關系。v1831年，法拉第發(fā)現了電磁感應現象，確定了電磁感年，法拉第發(fā)現了電磁感應現象，確定了電磁感應的基本定律，取得了磁感應生電的重大突破，并發(fā)應的基本定律，取得了磁感應生電的重大突破，并發(fā)明了單極直流電機。明了單極直流電機。 法拉第與最早的發(fā)電機法拉第與最早的發(fā)電機 法拉第盤法拉第盤 v1832年，人們知道了單相交流發(fā)電機。由于生產上沒年，人們知道了單相交流發(fā)電機。由于生產上沒什么需要，加上當時科學水平的限制，人們對交流電什么需

12、要，加上當時科學水平的限制，人們對交流電還不很了解，所以交流電機實質上沒什么發(fā)展。還不很了解，所以交流電機實質上沒什么發(fā)展。v1833年，法國發(fā)明家皮克西（年，法國發(fā)明家皮克西（Pixii）制成了第一臺旋）制成了第一臺旋轉磁極式直流發(fā)電機。楞次證明了電機的可逆原理。轉磁極式直流發(fā)電機。楞次證明了電機的可逆原理。 皮克斯發(fā)明的皮克斯發(fā)明的 直流發(fā)電機直流發(fā)電機 v1834年，俄國物理學家雅可比（年，俄國物理學家雅可比（）設計并制成）設計并制成了第一臺實用的直流電動機，該電動機有了第一臺實用的直流電動機，該電動機有15瓦功率。瓦功率。1838年，雅可比還把改進的直流電動機裝在一條小船年，雅可比還把

13、改進的直流電動機裝在一條小船上，以上，以 4 km/h 的速度逆流而上和順流而下。的速度逆流而上和順流而下。 雅可比發(fā)明的世界上第一臺電動機模型與實用電動機雅可比發(fā)明的世界上第一臺電動機模型與實用電動機 v1845年，英國物理學家惠斯通年，英國物理學家惠斯通(Charle Wheatstone 18021875年年)用電磁鐵代替永久磁鐵，井取得了專用電磁鐵代替永久磁鐵，井取得了專利權。這是增強發(fā)電機輸出功率的一個重要措施。利權。這是增強發(fā)電機輸出功率的一個重要措施。v1850年，美國發(fā)明家佩奇（年，美國發(fā)明家佩奇（Page）制造了一臺）制造了一臺10馬馬力的直流電動機，用來驅動有軌電車。力的直

14、流電動機，用來驅動有軌電車。v1851 年的倫敦博覽會和年的倫敦博覽會和1855 年的巴黎博覽會上，丹年的巴黎博覽會上，丹麥工程師希奧爾特用蓄電池給電動機勵磁。電機的勵麥工程師希奧爾特用蓄電池給電動機勵磁。電機的勵磁技術從他勵發(fā)展到自勵，最終地解決了加強勵磁的磁技術從他勵發(fā)展到自勵，最終地解決了加強勵磁的問題。問題。v1864年，英國物理學家麥克斯韋（年，英國物理學家麥克斯韋（Maxwell）提出了）提出了麥克斯韋方程組，創(chuàng)立了完整的經典電磁學理論體系麥克斯韋方程組，創(chuàng)立了完整的經典電磁學理論體系，為電機電磁場分析奠定基礎。，為電機電磁場分析奠定基礎。v1867年，麥克斯韋對自勵現象作出了數學

15、分析，是電年，麥克斯韋對自勵現象作出了數學分析，是電機理論中的第一篇經典論文。德國工程師西門子（機理論中的第一篇經典論文。德國工程師西門子（Siemens）制造了第一臺自饋式發(fā)電機，甩掉了伏打）制造了第一臺自饋式發(fā)電機，甩掉了伏打電池。電池。 Siemens 和他的自勵發(fā)電機和他的自勵發(fā)電機 v1870年，比利時發(fā)明家格拉姆（年，比利時發(fā)明家格拉姆（Gramme）提出了發(fā)）提出了發(fā)電機環(huán)形閉合電樞繞組的結構很快取代了電機環(huán)形閉合電樞繞組的結構很快取代了T型繞組。型繞組。由于對這二種結構進行對比的結果，終于使電動機的由于對這二種結構進行對比的結果，終于使電動機的可逆原理為公眾所接受，從此發(fā)電機和

16、電動機的發(fā)展可逆原理為公眾所接受，從此發(fā)電機和電動機的發(fā)展合二為一。合二為一。v1871年，凡麥爾準發(fā)明了交流發(fā)電機。年，凡麥爾準發(fā)明了交流發(fā)電機。1879 年，年，德國制造出第一列電力驅動列車。德國制造出第一列電力驅動列車。 德國制造的第一列電力驅動列車德國制造的第一列電力驅動列車 (1879) v 1880年，愛迪生（年，愛迪生（Edison）提出采用迭片鐵心；這樣）提出采用迭片鐵心；這樣就大大減少了鐵心損耗，同時降低了電樞繞組的溫升。就大大減少了鐵心損耗，同時降低了電樞繞組的溫升。v1885 年，費那里斯發(fā)現了兩相電流能產生旋轉磁場。年，費那里斯發(fā)現了兩相電流能產生旋轉磁場。v1886

17、年，特斯拉研制出兩相異步電動機。年，特斯拉研制出兩相異步電動機。 特斯拉與他發(fā)明的兩相異步電動機特斯拉與他發(fā)明的兩相異步電動機 26 19 世紀末，三相制、三相感應電動機、三相同世紀末，三相制、三相感應電動機、三相同 步發(fā)電機、三相變壓器、三相輸電方式被發(fā)明。步發(fā)電機、三相變壓器、三相輸電方式被發(fā)明。 1900 年，英國人帕森斯研制成功年，英國人帕森斯研制成功 1000 kW、 50 Hz 汽輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機。 1904 年，意大利試驗成功地熱發(fā)電。年，意大利試驗成功地熱發(fā)電。 1908 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 110kV 輸電線路。輸電線路。 1912 年，德國建成第一座潮

18、汐電站。年，德國建成第一座潮汐電站。 1920 年，蘇聯(lián)建成第一座熱電站。年，蘇聯(lián)建成第一座熱電站。 1923 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 220 kV 輸電線路。輸電線路。 1925 年，美國制成第一臺年，美國制成第一臺100MW 汽輪發(fā)電機組。汽輪發(fā)電機組。 1929 年，美國建成第一座抽水蓄能電站年，美國建成第一座抽水蓄能電站 (7MW) 。 27 1937 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 287 kV 超高壓輸電超高壓輸電 線路。線路。 1957 年，美國建成第一臺超臨界火力發(fā)電機組，年，美國建成第一臺超臨界火力發(fā)電機組， 125 MW。 1970 年，法國制成第一臺燃

19、氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)年，法國制成第一臺燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán) 發(fā)電機組。發(fā)電機組。 1979 年，美國建成第一座海水溫差發(fā)電站。年，美國建成第一座海水溫差發(fā)電站。 1990 年，美國建成第一條年，美國建成第一條 750 kV 超高壓直流超高壓直流 輸電線路，輸電線路，2400 km，6000 MW。 1990 年，前蘇聯(lián)建成第一條年，前蘇聯(lián)建成第一條 1150 kV 特高壓直特高壓直 流輸電線路，流輸電線路， 1936 km，5000 MW 。 1991 年，巴西建成世界最大水電站尹泰普水電年，巴西建成世界最大水電站尹泰普水電 站，站，12600 MW。v機電傳動的發(fā)展過程機電傳動的發(fā)展過程成組拖動：一臺

20、電機通過天軸拖動多臺生產機械。成組拖動：一臺電機通過天軸拖動多臺生產機械。二戰(zhàn)中的德國二戰(zhàn)中的德國“鼠鼠”式坦克（式坦克（MAUS）v單電機拖動單電機拖動 ：一臺電機拖動一臺生產機械。：一臺電機拖動一臺生產機械。一臺電氣拖動一臺機床，較之成組拖動簡化了傳動機構，縮一臺電氣拖動一臺機床，較之成組拖動簡化了傳動機構，縮短了傳動線，提高了傳動效率。短了傳動線，提高了傳動效率。例：傳統(tǒng)中小型機床例：傳統(tǒng)中小型機床v多電機拖動多電機拖動 ：一臺生產機械的每一個運動部件分別由一臺電機一臺生產機械的每一個運動部件分別由一臺電機拖動。采用了多電機拖動以后，不但簡化了機械結拖動。采用了多電機拖動以后，不但簡化了機械結構，提高了傳動效率，而且易于實現各運動部件的構，提高了傳動效率，而且易于實現各運動部件的自動化。自動化。多電機拖動是現代機床最基本的拖動方式。例：多電機拖動是現代機床最基本的拖動方式。例：多軸聯(lián)動數控機床。多軸聯(lián)動數控機床。v交、直流無級調速交、直流無級調速電氣無級調速具有可靈活選擇最佳切削速度和極電氣無級調速具有可靈活選擇最佳切削速度和極大簡化機械傳動結構的優(yōu)點。大簡化機械傳動結構的優(yōu)點。由于直流電動機具有良好的啟動、制動和調速性由于直流電動機具有良好的啟動、制動和調速性能，可以很