《機電傳動控制》教學課件-第1章 緒論

機電傳動控制機電傳動控制本課程的主要內容機電傳動系統(tǒng)的構成與動力學分析驅動用電動機（以三相異步電動機為主）低壓電器結構原理及其選用電氣控制系統(tǒng)（繼電器-接觸器控制系統(tǒng)）可編程序控制器及其應用變頻器及其應用本課程的技能建設

本課程在簡要介紹機電傳動系統(tǒng)的構成與動力學分析方法之后，重點闡述和講授驅動用電動機、低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、可編程控制器、變頻器的使用、維護與檢修知識。

學好本課程之后，學生能夠勝任常見機電傳動控制系統(tǒng)的使用與維護工作，掌握初步的機電傳動控制系統(tǒng)的設計能力，具備作為機電傳動系統(tǒng)現(xiàn)場工程師的基本技能。本課程的主要內容本課程的技能建設第1章

緒論學習目標熟悉機電傳動系統(tǒng)的構成熟悉機電傳動系統(tǒng)的負載特性

熟練掌握機電傳動系統(tǒng)的運動方程式能夠從動力學分析的角度提出加快機電傳動系統(tǒng)過渡過

程的方法第1章緒論學習目標熟悉機電傳動系統(tǒng)的構成1.1機電傳動系統(tǒng)1.1.1機電傳動系統(tǒng)與機電傳動控制1.機電傳動系統(tǒng)的組成

機電傳動系統(tǒng)一般由電力供應系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機電傳動機構及生產(chǎn)機械組成（圖1-1）。圖1-1機電傳動系統(tǒng)的組成1.1機電傳動系統(tǒng)1.1.1機電傳動系統(tǒng)與機電傳動控制12.機電傳動控制

電氣控制系統(tǒng)和機電傳動機構是機電傳動系統(tǒng)的重要組成部分，也是機電傳動控制學科的主要研究內容。

機電傳動控制的任務，就是將電能轉變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的起動、停止以及速度調節(jié)，滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求，確保生產(chǎn)過程得以高效、可靠地進行。

從廣義上講，就是使生產(chǎn)機械、車間、生產(chǎn)線、甚至整個工廠實現(xiàn)自動化和智能化。

從狹義上講，則專指控制電動機驅動生產(chǎn)機械，實現(xiàn)經(jīng)濟、優(yōu)質、高效的生產(chǎn)。2.機電傳動控制電氣控制系統(tǒng)和機電傳動機構是1.1.2機電傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機電傳動機構的發(fā)展

機電傳動機構的發(fā)展，經(jīng)歷了成組驅動（亦稱拖動）、單電機驅動到多電機驅動的演進歷程。（1）成組驅動

所謂成組驅動，就是由一臺電動機驅動一根天軸運轉，再由天軸通過帶輪和傳動皮帶拖動多個生產(chǎn)機械工作。圖1-2成組驅動（天軸分動）1.1.2機電傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機電傳動機構的發(fā)展

成組驅動屬于電動機稀缺、昂貴時期的無奈之舉，現(xiàn)今已經(jīng)被淘汰。

成組驅動系統(tǒng)結構復雜、傳動效率低、能量損耗大,工作可靠性差，一旦電動機出現(xiàn)故障，將造成成組的生產(chǎn)機械停車。成組驅動屬于電動機稀缺、昂貴時期的無奈之舉，（2）單電機驅動

單電機驅動是指每一臺生產(chǎn)機械，都由一臺電動機單獨驅動，較成組驅動已有很大進步。

但是，當生產(chǎn)機械的運動部件較多時,則需要設置分動箱、離合器等機構，總體結構仍嫌復雜,無法滿足生產(chǎn)工藝的特殊要求。圖1-3單電機驅動（立式鉆床）（2）單電機驅動單電機驅動是指每一臺生產(chǎn)機械，（3）多電機驅動

所謂多電機驅動方案，是指在大型、復雜的生產(chǎn)機械上，同一臺設備的每一個運動部件都由一臺專門的電動機進行驅動，且電動機的功率、機械特性以及安裝位置可以進行有針對性的、個性化的配置，以充分滿足生產(chǎn)工藝的實際需求。

隨著電動機品種的豐富、價格的降低、機械特性的多樣化，在機電傳動領域，開始逐步普及多電機驅動方案。搖臂鉆床（3）多電機驅動所謂多電機驅動方案，是指在

例如，龍門刨床的工作臺、左垂直刀架、右垂直刀架、側刀架、橫梁以及夾緊機構，就是各自由一臺電動機驅動的。圖1-4龍門刨床例如，龍門刨床的工作臺、左垂直刀架、右垂直刀2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀初期。該系統(tǒng)通過繼電器和接觸器等低壓控制器件，實現(xiàn)對控制對象的起動、停車以及有級調速等控制。圖1-5繼電器—接觸器控制系統(tǒng)2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)繼

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控制，在生產(chǎn)工藝要求復雜多變的場合，難以實現(xiàn)控制關系的“隨機應變”，因此，現(xiàn)在已經(jīng)被可編程序控制器控制系統(tǒng)取代。

但在相對簡單的電氣控制系統(tǒng)中，繼電器—接觸器仍然占據(jù)著主導地位。同時，在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，繼電器、接觸器依然作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件在大量使用。（2）可編程序控制器控制系統(tǒng)

得益于微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程序控制器采用的是“軟邏輯”控制，當生產(chǎn)機械的控制關系發(fā)生變化時，只需更改控制程序（即對控制軟件重新編程，很容易做到），就可以實現(xiàn)新的控制要求，而不需要對硬件做太多的調整。繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控

因此，在生產(chǎn)工藝要求復雜多變的場合，可編程序控制器可以大顯身手，并已經(jīng)成為機電傳動控制系統(tǒng)的主流控制器件?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammableLogicController，PLC）因此，在生產(chǎn)工藝要求復雜多變的場合，可編程序圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)

自1952年美國出現(xiàn)第一臺數(shù)控銑床，1958年出現(xiàn)加工中心之后，計算機數(shù)字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技術開始逐漸普及。

數(shù)字控制系統(tǒng)在機床行業(yè)的大量應用，使工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、適應性和自動化水平大為提高。同時，也為柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎。圖1-7德國恩格哈（Engelhardt）公司的數(shù)字控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)自1952年美國出現(xiàn)第一臺（4）柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）由信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設備組成，能夠適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)。

柔性制造系統(tǒng)FMS與計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）、計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工業(yè)生產(chǎn)向計算機集成制造系統(tǒng)（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）邁進。

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展除了與現(xiàn)代控制理論、計算機技術的發(fā)展息息相關之外，功率器件的發(fā)展也功不可沒。正是由于晶閘管（Thyristor，亦稱SiliconControlledRectifier，略作SCR）、門極可關斷晶體管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、電力晶體管（GiantTransistor，GTR）、電力（4）柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)場效應晶體管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率電力電子器件（PowerElectronicDevice，亦稱功率半導體器件）的快速發(fā)展，為機電傳動系統(tǒng)提供了可靠的半導體變流設備，才使得上述各種控制系統(tǒng)的應用成為可能。場效應晶體管（Power-MetalOxideSemic1.2機電傳動系統(tǒng)的動力學分析1.2.1機電傳動系統(tǒng)的運動方程式

機電傳動系統(tǒng)是一個由電動機驅動、通過傳動機構帶動生產(chǎn)機械運轉的整體。盡管電動機種類繁多，性能各異，生產(chǎn)機械的負載特性多種多樣，但從動力學的角度去分析，它們都應服從動力學的統(tǒng)一規(guī)律。1.單軸驅動系統(tǒng)運動方程式a）系統(tǒng)組成b）轉矩方向

圖1-8單軸驅動系統(tǒng)1.2機電傳動系統(tǒng)的動力學分析1.2.1機電傳動系統(tǒng)的運動

當電動機的輸出轉矩

與負載轉矩

平衡時，轉速

或角速度

不變；加速度

或角加速度

等于零，即

這種運動狀態(tài)稱為靜態(tài)（相對靜止狀態(tài)）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運轉狀態(tài)）。

當

時，轉速或角速度就要發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度，速度變化的大小與傳動系統(tǒng)的轉動慣量

有關。圖1-8單軸驅動系統(tǒng)當電動機的輸出轉矩與負載轉矩把上述各種參量的關系用方程式表示出來，則有：（式1-1）

——電動機的輸出轉矩（亦稱驅動轉矩，N·m）；

——生產(chǎn)機械的負載轉矩（N·m）；

——機電傳動系統(tǒng)的轉動慣量（kg·m2）；

——機電傳動系統(tǒng)的角速度（rad/s）；

——時間（s）

就是機電傳動系統(tǒng)的運動方程式。把上述各種參量的關系用方程式表示出來，則有：（式1-1）

在工程計算中，常用轉速

代替角速度

，用飛輪慣量（亦稱飛輪轉矩）

代替轉動慣量

來進行系統(tǒng)的動力學分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——機電傳動系統(tǒng)的重力（N）；——機電傳動系統(tǒng)的質量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——機電傳動系統(tǒng)轉動部分的轉動慣性半徑（m）；——機電傳動系統(tǒng)轉動部分的轉動慣性直徑（m）。在工程計算中，常用轉速代替角速度

據(jù)此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式可以轉化為更為常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常數(shù)375包含著

，因此，常數(shù)375具有加速度的量綱；而

是個整體物理量。

工程形式的系統(tǒng)運動方程式是研究機電傳動系統(tǒng)的最基本的方程式，它決定著機電傳動系統(tǒng)的動力學特征。記住它！??！據(jù)此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式可以轉化為更為常（1）靜態(tài)當

時，系統(tǒng)的加速度

，

為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)以恒速

運轉，機電傳動系統(tǒng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（亦稱穩(wěn)態(tài)）。（2）動態(tài)當

時，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)加速運轉，處于加速狀態(tài)；當

時，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)減速運轉，處于減速狀態(tài)。

機電傳動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)時，稱系統(tǒng)處于動態(tài)（亦稱非穩(wěn)態(tài)）。系統(tǒng)處于動態(tài)時，系統(tǒng)中必然存在一個動態(tài)轉矩

。（1）靜態(tài)當時，系統(tǒng)的加速度（式1-5）

正是因為動態(tài)轉矩

的存在，才使得機電傳動系統(tǒng)的運動狀態(tài)發(fā)生了變化。因此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式1-1和1-4還可以轉化為系統(tǒng)的轉矩平衡方程式或者（式1-6）

電動機所輸出的驅動轉矩

總是被生產(chǎn)機械的負載轉矩（即靜態(tài)轉矩）

和系統(tǒng)動態(tài)轉矩

之和所平衡。

當

時，

。此時，系統(tǒng)沒有動態(tài)轉矩，系統(tǒng)恒速運轉，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，電動機輸出轉矩的大小，僅由電動機所驅動的負載轉矩決定。（式1-5）正是因為動態(tài)轉矩的存2.轉矩方向的確定

由于傳動系統(tǒng)有多種運動狀態(tài)，相應的運動方程式中的轉速和轉矩的方向就不同，因此需要約定方向的表達規(guī)則。

因為電動機和生產(chǎn)機械以共同的轉速旋轉，所以，一般以

（或

）的轉動方向為參考來確定轉矩的正負。（1）

的符號與性質

當

的實際作用方向與

的方向相同時（符號相同），取與

相同的符號，

為驅動轉矩；

當

的實際作用方向與

的方向相反時，取與

相反的符號，

為制動轉矩。驅動轉矩促進運動；制動轉矩阻礙運動。2.轉矩方向的確定由于傳動系統(tǒng)有多種運動狀態(tài)，（2）

的符號與性質

當

的實際作用方向與

的方向相同時，取與

相反的符號（符號相反），

為驅動轉矩；

當

的實際作用方向與

的方向相反時，取與

相同的符號（符號相同），

為制動轉矩。

a）系統(tǒng)起動時b）系統(tǒng)制動時b）重物下降時（2）的符號與性質當

當重物上升時：

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9a）所示。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：因此，重物上升時，

為驅動轉矩，

為制動轉矩。圖1-9a當重物上升時當重物上升時：為正，也為正。

當重物在上升過程中制動（圖1-9b）時，

為負，

為正。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：圖1-9b系統(tǒng)制動時

此時，動態(tài)轉矩和加速度都是負的，它們使重物減速上升，直到停止為止，系統(tǒng)中由動能產(chǎn)生的動態(tài)轉矩被電機的制動轉矩和負載轉矩所平衡。當重物在上升過程中制動（圖1-9b）時，

當重物下降時，

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9c）所示。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：

因此，重物下降時，

為制動轉矩，

為驅動轉矩。圖1-9c）

重物下降時當重物下降時，為正，也為正。3.多軸驅動系統(tǒng)的等效折算

為了便于對多軸驅動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)的分析，一般是將多軸驅動系統(tǒng)等效折算為單軸驅動系統(tǒng)，即將多軸驅動系統(tǒng)中各轉動部分的轉矩和轉動慣量或直線運動部分的質量折算到某一根軸（一般折算到電動機的輸出軸）上，將其轉化為等效的單軸驅動系統(tǒng)之后，再進行系統(tǒng)動力學分析。

負載轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩等效折算的基本原則是：折算前的多軸系統(tǒng)和折算后的單軸系統(tǒng)在能量關系或功率關系上保持不變，即遵循能量守恒原則或功率守恒原則。

在機電傳動領域，絕大多數(shù)驅動系統(tǒng)實際上都是多軸驅動系統(tǒng)。3.多軸驅動系統(tǒng)的等效折算為了便于對多軸驅動1.2.2機電傳動系統(tǒng)的負載特性

前面討論的機電傳動系統(tǒng)運動方程中，負載轉矩

可能是常數(shù)，也可能是轉速的函數(shù)。我們把同一軸上負載轉矩

與轉速之間的函數(shù)關系稱為機電傳動系統(tǒng)的負載特性。

機電傳動系統(tǒng)的負載特性就是生產(chǎn)機械的負載特性，有時也稱之為生產(chǎn)機械的機械特性。

如無特別說明，在本書中，機電傳動系統(tǒng)的負載特性均指折算到電動機輸出軸上的負載特性。

不同類型的生產(chǎn)機械在運動中受阻的性質是不同的，其負載特性曲線的形狀也有所不同，大致可分為恒轉矩型負載特性、離心式通風機型負載特性、直線型負載特性、恒功率型負載特性等幾種。1.2.2機電傳動系統(tǒng)的負載特性前面討論的機1.恒轉矩型負載特性

這一類型負載特性的特點是負載轉矩為常數(shù)。如圖1-10和圖1-11所示。

依據(jù)負載轉矩與運動方向的關系不同，恒轉矩型負載特性可分為反抗性轉矩和位能性轉矩兩種。圖1-10反抗轉矩的負載特性圖1-11位能性轉矩的負載特性1.恒轉矩型負載特性這一類型負載特性的特點是負（1）反抗性轉矩

由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉等作用所產(chǎn)生的負載轉矩稱為反抗性轉矩，又稱摩擦性轉矩。

反抗性轉矩的方向恒與運動方向相反，阻礙運動；反抗性轉矩的大小恒常不變。圖1-10反抗轉矩的負載特性

根據(jù)轉矩正方向的約定可知，反抗性轉矩恒與轉速

的方向相反時取正號，即

為正方向時，

為正，特性在第一象限；

為負方向時，

為負，特性在第三象限。（1）反抗性轉矩由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸（2）位能性轉矩

位能性轉矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、扭轉等作用所引起的負載轉矩。

位能性轉矩的大小恒常不變，作用方向不變，與運動方向無關，即在某一方向阻礙運動而在另一方向促進運動。圖1-11位能性轉矩的負載特性（2）位能性轉矩位能性轉矩是由物體的重力或彈

卷揚機起吊重物（圖1-12）時，由于重物的作用方向永遠向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負載轉矩永遠作用在使重物下降的方向。當電動機驅動重物上升時，

與

的方向相反；當重物下降時，

和

的方向相同（圖1-11）。圖1-12卷揚機起吊重物卷揚機起吊重物（圖1-12）時，由于重物的作2.離心式通風機型負載特性

離心式通風型機械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風機、水泵等，它們的負載轉矩

的大小與轉速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——為常數(shù)

離心式通風機型機械的負載特性曲線（最初是沿著虛線變化的）如圖1-13所示。圖1-13離心式通風機型負載特性2.離心式通風機型負載特性離心式通風型機械特3.直線型負載特性

直線型負載的負載轉矩

的大小與轉速

的大小成正比，即：其中：

為常數(shù)。直線型負載的特性曲線如圖1-14所示。圖1-14直線型負載特性3.直線型負載特性直線型負載的負載轉矩4.恒功率型負載特性

恒功率型負載的負載轉矩

的大小與轉速

的大小成反比，即其中：

為常數(shù)。圖1-15恒功率型負載的特性曲線

例如，機床在進行金屬切削加工過程中，粗加工時，切削量大，吃刀量大，負載轉矩大

，機床主軸低速運轉，轉速低；精加工時，切削量小，吃刀量小，負載轉矩

小，機床主軸高速運轉，轉速高。但不管是粗加工還是精加工，負載轉矩與轉速的乘積為常數(shù)，即功率恒定不變。4.恒功率型負載特性恒功率型負載的負載轉矩1.2.3機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行

機電傳動系統(tǒng)中，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使整個系統(tǒng)運行合理，就要使電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的負載特性盡量相匹配。1.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義1）系統(tǒng)應能以一定速度勻速運行；2）系統(tǒng)受某種外部干擾作用（如電壓波動、負載轉矩波動等）而使運行速度發(fā)生變化，應保證系統(tǒng)在干擾消除后能恢復到原來的運行速度。特性配合好壞的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。1.2.3機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行機電傳動系統(tǒng)2.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件（1）必要條件

電動機的機械特性曲線

和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

必須有交點，交點被稱為平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別2.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件（1）必要條件電（2）充分條件

系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復到原平衡狀態(tài)的能力。這是穩(wěn)定運行的充分條件。符合穩(wěn)定運行條件的平衡點稱為穩(wěn)定平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別（2）充分條件系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復到原平機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件也可表述為：①電動機的機械特性曲線

和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

有交點；②

。機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件也可表述為：①電動機的機械下面分析

、

兩點是否為穩(wěn)定平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別a點為穩(wěn)定平衡點；b點為非穩(wěn)定平衡點。下面分析、兩點是否為穩(wěn)定平衡點。圖1-11.2.4機電傳動系統(tǒng)的過渡過程

在實際工作中，機電傳動系統(tǒng)具有兩種運行狀態(tài)，即靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）。

當機電傳動系統(tǒng)中電動機的驅動轉矩或負載轉矩發(fā)生變化時，系統(tǒng)就要由一種穩(wěn)定運行狀態(tài)變化到另外一個穩(wěn)定運行狀態(tài)，這個變化過程稱為過渡過程。

在過渡過程中，電動機的轉速、轉矩和電流都要按照一定的規(guī)律變化，都是時間的函數(shù)。

處于靜態(tài)時，系統(tǒng)的動態(tài)轉矩為0，電動機以恒速運轉；處于動態(tài)時，系統(tǒng)的動態(tài)轉矩非0，電動機速度處于變化中。1.2.4機電傳動系統(tǒng)的過渡過程在實際工作1.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的實際意義

大多數(shù)的生產(chǎn)機械對機電傳動系統(tǒng)的過渡過程都提出各自、多樣的要求。

如龍門刨床的工作臺、可逆式軋鋼機、軋鋼機的輔助機械等，它們在工作中需要經(jīng)常進行起動、制動、反轉和調速。因此，都要求過渡過程盡量快，以縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。

升降機、載人電梯、地鐵、鐵路機車、有軌電車等生產(chǎn)機械和運輸設備，則要求起動、制動過程平緩、順滑，加減速度變化不能過大，以保證安全生產(chǎn)和乘坐舒適性。

而造紙機、印刷機等生產(chǎn)機械，則必須限制其加速度的大小，以確保產(chǎn)品質量。如果加速度超過允許值，則可能損壞機器部件或造成產(chǎn)品質量下降。1.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的實際意義大多數(shù)的生

在過渡過程中，能量損耗的大小，系統(tǒng)的準確停車與各部分協(xié)調運轉等要求，都對機電傳動系統(tǒng)的過渡過程提出了不同的要求。

為滿足上述要求，必須研究過渡過程的基本規(guī)律，研究系統(tǒng)各參量對時間的變化規(guī)律，如轉速、轉矩、電流等對時間的變化規(guī)律。

這樣，才能正確地設計、選擇機電傳動系統(tǒng)，為機電傳動系統(tǒng)的自動控制提出控制原則，設計出完善的起動、制動等自動控制線路，以求改善產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)率和減輕勞動強度。

這就是研究機電傳動系統(tǒng)過渡過程的目的和意義所在。在過渡過程中，能量損耗的大小，系統(tǒng)的準確停車與2.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的分析機電傳動系統(tǒng)之所以存在過渡過程，是因為存在以下慣性：(1)機械慣性

機械慣性反映在轉動慣量

或飛輪轉矩

，使轉速

不能發(fā)生突變。(2)電磁慣性

電磁慣性反映在電樞回路電感和勵磁繞組電感上，電樞回路電流

和勵磁磁通

不能突變。(3)熱慣性

熱慣性反映在溫度上，使溫度不能突變。

研究過渡過程的方法，一般是先列出反映變化規(guī)律的基本方程式，在此基礎上使用數(shù)學解析法，或者使用圖解法及實驗方法來求得過渡過程的解答。2.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的分析機電傳動系統(tǒng)之所以存在過渡過程3.機電時間常數(shù)

深入的理論研究和數(shù)學分析表明，機電傳動系統(tǒng)過渡過程的時間，與系統(tǒng)的飛輪轉矩

和速度改變量成正比，而與動態(tài)轉矩成反比。

在這里，要引入一個反映機電傳動系統(tǒng)機械慣性的物理量——機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)

。是反映機電傳動系統(tǒng)機械慣性的物理量，通常稱為機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。是系統(tǒng)轉速達到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時間。3.機電時間常數(shù)深入的理論研究和數(shù)學分析表明

——機電時間常數(shù)（s）；

——理想空載轉速（r/min）；

——系統(tǒng)的起動轉矩（N·m）；

——系統(tǒng)的飛輪轉矩（N·m2）。

對于既定的機電傳動系統(tǒng)而言，其

和

值為常數(shù)。——機電時間常數(shù)（s）；對于既定的機電傳動系統(tǒng)而機電時間常數(shù)

直接影響機電傳動系統(tǒng)過渡過程的快慢。

大，則過渡過程進行的緩慢，過渡過程歷時間長；

反之，

小，則過渡過程進行的快捷，過渡過程歷時短。

所以，

是機電傳動系統(tǒng)中非常重要的動態(tài)參數(shù)。4.加快機電傳動系統(tǒng)過渡過程的方法機電時間常數(shù)直接影響機電傳動系統(tǒng)過渡過程的快慢（1）降低系統(tǒng)的

值

在系統(tǒng)結構和條件允許的條件下，采用兩臺電動機同軸拖動系統(tǒng)，或者直接采用小慣量電動機，均可有效降低機電傳動系統(tǒng)的

值。①兩臺電動機同軸拖動。②采用小慣量電動機。

小慣量電動機的電樞軸做得細長，轉動慣量小，且起動轉矩大，起動快，從而加速了過渡過程，提高系統(tǒng)的快速響應性能。例如，龍門刨床的工作臺采用兩臺電動機同軸驅動，其目的之一就在于此。采用兩臺直流電動機同軸驅動，與采用一臺電動機相比，系統(tǒng)的

值減小了15%，使過渡過程顯著加快。（1）降低系統(tǒng)的值在系統(tǒng)結（2）提高動態(tài)轉矩

為了有效提系統(tǒng)的高動態(tài)轉矩

，可以從電動機的選擇和控制系統(tǒng)的設計兩方面采取措施。①合理選擇電動機。

目前，大慣量直流電動機(亦稱寬調速直流力矩電動機)已在很多場合下取代小慣量直流電動機。大慣量直流電動機的電樞做得短而粗，

值較大（缺點），但其最大轉矩

約為額定轉矩

的5～10倍（優(yōu)點），因此，大慣量直流電動機的快速響應性指標

仍然很好，并不比小慣量電動機差。

大慣量直流電動機低速時轉矩大，可直接驅動生產(chǎn)機械，使系統(tǒng)傳動精度得以顯著提高。加之散熱良好，抗過載能力強。因此，大慣量直流電動機在快速直流驅動系統(tǒng)中已得到廣泛應用。（2）提高動態(tài)轉矩為了有效提系統(tǒng)的高動態(tài)轉②優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計。

動態(tài)轉矩

越大，系統(tǒng)的加速度也越大，過渡過程的時間也就越短，系統(tǒng)的響應性也就越好。

所以，希望在整個過渡過程中，電流(或轉矩)大，以加快系統(tǒng)的過渡過程，但又要限制其最大值，使其不超過電動機所允許的最大電流

或最大轉矩

。

為此，引入充滿系數(shù)的概念——充滿系數(shù)

表征在過渡過程中，電動機的起動電流與最大電流的接近程度。

充滿系數(shù)

越接近于1越好。若

，則說明在整個動態(tài)過程中，電動機的工作電流保持在最大值不變，亦即動態(tài)轉矩保持最大值不變，從而可以獲得最短的過渡過程。在機電傳動控制系統(tǒng)中，將在充滿系數(shù)

的條件下完成的過渡過程稱為最優(yōu)過渡過程。②優(yōu)化控制系統(tǒng)的設計。動態(tài)轉矩越

例如，采用電樞串電阻多級起動的方法，其目的就是為了獲得較大的平均起動轉矩。起動電阻的級數(shù)越多，充滿系數(shù)

值越大，起動就越快。

再如，在晶閘管供電的直流驅動控制系統(tǒng)中，電流調節(jié)器的整定原則是盡量保證電樞電流波形在起動和制動過程中近似為矩形，從而使過渡過程最短，以接近最優(yōu)過程。例如，采用電樞串電阻多級起動的方法，其目的就機電傳動控制機電傳動控制本課程的主要內容機電傳動系統(tǒng)的構成與動力學分析驅動用電動機（以三相異步電動機為主）低壓電器結構原理及其選用電氣控制系統(tǒng)（繼電器-接觸器控制系統(tǒng)）可編程序控制器及其應用變頻器及其應用本課程的技能建設

本課程在簡要介紹機電傳動系統(tǒng)的構成與動力學分析方法之后，重點闡述和講授驅動用電動機、低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、可編程控制器、變頻器的使用、維護與檢修知識。

學好本課程之后，學生能夠勝任常見機電傳動控制系統(tǒng)的使用與維護工作，掌握初步的機電傳動控制系統(tǒng)的設計能力，具備作為機電傳動系統(tǒng)現(xiàn)場工程師的基本技能。本課程的主要內容本課程的技能建設第1章

緒論學習目標熟悉機電傳動系統(tǒng)的構成熟悉機電傳動系統(tǒng)的負載特性

熟練掌握機電傳動系統(tǒng)的運動方程式能夠從動力學分析的角度提出加快機電傳動系統(tǒng)過渡過

程的方法第1章緒論學習目標熟悉機電傳動系統(tǒng)的構成1.1機電傳動系統(tǒng)1.1.1機電傳動系統(tǒng)與機電傳動控制1.機電傳動系統(tǒng)的組成

機電傳動系統(tǒng)一般由電力供應系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機電傳動機構及生產(chǎn)機械組成（圖1-1）。圖1-1機電傳動系統(tǒng)的組成1.1機電傳動系統(tǒng)1.1.1機電傳動系統(tǒng)與機電傳動控制12.機電傳動控制

電氣控制系統(tǒng)和機電傳動機構是機電傳動系統(tǒng)的重要組成部分，也是機電傳動控制學科的主要研究內容。

機電傳動控制的任務，就是將電能轉變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的起動、停止以及速度調節(jié)，滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求，確保生產(chǎn)過程得以高效、可靠地進行。

從廣義上講，就是使生產(chǎn)機械、車間、生產(chǎn)線、甚至整個工廠實現(xiàn)自動化和智能化。

從狹義上講，則專指控制電動機驅動生產(chǎn)機械，實現(xiàn)經(jīng)濟、優(yōu)質、高效的生產(chǎn)。2.機電傳動控制電氣控制系統(tǒng)和機電傳動機構是1.1.2機電傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機電傳動機構的發(fā)展

機電傳動機構的發(fā)展，經(jīng)歷了成組驅動（亦稱拖動）、單電機驅動到多電機驅動的演進歷程。（1）成組驅動

所謂成組驅動，就是由一臺電動機驅動一根天軸運轉，再由天軸通過帶輪和傳動皮帶拖動多個生產(chǎn)機械工作。圖1-2成組驅動（天軸分動）1.1.2機電傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機電傳動機構的發(fā)展

成組驅動屬于電動機稀缺、昂貴時期的無奈之舉，現(xiàn)今已經(jīng)被淘汰。

成組驅動系統(tǒng)結構復雜、傳動效率低、能量損耗大,工作可靠性差，一旦電動機出現(xiàn)故障，將造成成組的生產(chǎn)機械停車。成組驅動屬于電動機稀缺、昂貴時期的無奈之舉，（2）單電機驅動

單電機驅動是指每一臺生產(chǎn)機械，都由一臺電動機單獨驅動，較成組驅動已有很大進步。

但是，當生產(chǎn)機械的運動部件較多時,則需要設置分動箱、離合器等機構，總體結構仍嫌復雜,無法滿足生產(chǎn)工藝的特殊要求。圖1-3單電機驅動（立式鉆床）（2）單電機驅動單電機驅動是指每一臺生產(chǎn)機械，（3）多電機驅動

所謂多電機驅動方案，是指在大型、復雜的生產(chǎn)機械上，同一臺設備的每一個運動部件都由一臺專門的電動機進行驅動，且電動機的功率、機械特性以及安裝位置可以進行有針對性的、個性化的配置，以充分滿足生產(chǎn)工藝的實際需求。

隨著電動機品種的豐富、價格的降低、機械特性的多樣化，在機電傳動領域，開始逐步普及多電機驅動方案。搖臂鉆床（3）多電機驅動所謂多電機驅動方案，是指在

例如，龍門刨床的工作臺、左垂直刀架、右垂直刀架、側刀架、橫梁以及夾緊機構，就是各自由一臺電動機驅動的。圖1-4龍門刨床例如，龍門刨床的工作臺、左垂直刀架、右垂直刀2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀初期。該系統(tǒng)通過繼電器和接觸器等低壓控制器件，實現(xiàn)對控制對象的起動、停車以及有級調速等控制。圖1-5繼電器—接觸器控制系統(tǒng)2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)繼

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控制，在生產(chǎn)工藝要求復雜多變的場合，難以實現(xiàn)控制關系的“隨機應變”，因此，現(xiàn)在已經(jīng)被可編程序控制器控制系統(tǒng)取代。

但在相對簡單的電氣控制系統(tǒng)中，繼電器—接觸器仍然占據(jù)著主導地位。同時，在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，繼電器、接觸器依然作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件在大量使用。（2）可編程序控制器控制系統(tǒng)

得益于微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程序控制器采用的是“軟邏輯”控制，當生產(chǎn)機械的控制關系發(fā)生變化時，只需更改控制程序（即對控制軟件重新編程，很容易做到），就可以實現(xiàn)新的控制要求，而不需要對硬件做太多的調整。繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控

因此，在生產(chǎn)工藝要求復雜多變的場合，可編程序控制器可以大顯身手，并已經(jīng)成為機電傳動控制系統(tǒng)的主流控制器件?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammableLogicController，PLC）因此，在生產(chǎn)工藝要求復雜多變的場合，可編程序圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)

自1952年美國出現(xiàn)第一臺數(shù)控銑床，1958年出現(xiàn)加工中心之后，計算機數(shù)字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技術開始逐漸普及。

數(shù)字控制系統(tǒng)在機床行業(yè)的大量應用，使工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、適應性和自動化水平大為提高。同時，也為柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎。圖1-7德國恩格哈（Engelhardt）公司的數(shù)字控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)自1952年美國出現(xiàn)第一臺（4）柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）由信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設備組成，能夠適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)。

柔性制造系統(tǒng)FMS與計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，CAD）、計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工業(yè)生產(chǎn)向計算機集成制造系統(tǒng)（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）邁進。

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展除了與現(xiàn)代控制理論、計算機技術的發(fā)展息息相關之外，功率器件的發(fā)展也功不可沒。正是由于晶閘管（Thyristor，亦稱SiliconControlledRectifier，略作SCR）、門極可關斷晶體管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、電力晶體管（GiantTransistor，GTR）、電力（4）柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)場效應晶體管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率電力電子器件（PowerElectronicDevice，亦稱功率半導體器件）的快速發(fā)展，為機電傳動系統(tǒng)提供了可靠的半導體變流設備，才使得上述各種控制系統(tǒng)的應用成為可能。場效應晶體管（Power-MetalOxideSemic1.2機電傳動系統(tǒng)的動力學分析1.2.1機電傳動系統(tǒng)的運動方程式

機電傳動系統(tǒng)是一個由電動機驅動、通過傳動機構帶動生產(chǎn)機械運轉的整體。盡管電動機種類繁多，性能各異，生產(chǎn)機械的負載特性多種多樣，但從動力學的角度去分析，它們都應服從動力學的統(tǒng)一規(guī)律。1.單軸驅動系統(tǒng)運動方程式a）系統(tǒng)組成b）轉矩方向

圖1-8單軸驅動系統(tǒng)1.2機電傳動系統(tǒng)的動力學分析1.2.1機電傳動系統(tǒng)的運動

當電動機的輸出轉矩

與負載轉矩

平衡時，轉速

或角速度

不變；加速度

或角加速度

等于零，即

這種運動狀態(tài)稱為靜態(tài)（相對靜止狀態(tài)）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運轉狀態(tài)）。

當

時，轉速或角速度就要發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度，速度變化的大小與傳動系統(tǒng)的轉動慣量

有關。圖1-8單軸驅動系統(tǒng)當電動機的輸出轉矩與負載轉矩把上述各種參量的關系用方程式表示出來，則有：（式1-1）

——電動機的輸出轉矩（亦稱驅動轉矩，N·m）；

——生產(chǎn)機械的負載轉矩（N·m）；

——機電傳動系統(tǒng)的轉動慣量（kg·m2）；

——機電傳動系統(tǒng)的角速度（rad/s）；

——時間（s）

就是機電傳動系統(tǒng)的運動方程式。把上述各種參量的關系用方程式表示出來，則有：（式1-1）

在工程計算中，常用轉速

代替角速度

，用飛輪慣量（亦稱飛輪轉矩）

代替轉動慣量

來進行系統(tǒng)的動力學分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——機電傳動系統(tǒng)的重力（N）；——機電傳動系統(tǒng)的質量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——機電傳動系統(tǒng)轉動部分的轉動慣性半徑（m）；——機電傳動系統(tǒng)轉動部分的轉動慣性直徑（m）。在工程計算中，常用轉速代替角速度

據(jù)此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式可以轉化為更為常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常數(shù)375包含著

，因此，常數(shù)375具有加速度的量綱；而

是個整體物理量。

工程形式的系統(tǒng)運動方程式是研究機電傳動系統(tǒng)的最基本的方程式，它決定著機電傳動系統(tǒng)的動力學特征。記住它?。。?jù)此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式可以轉化為更為常（1）靜態(tài)當

時，系統(tǒng)的加速度

，

為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)以恒速

運轉，機電傳動系統(tǒng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（亦稱穩(wěn)態(tài)）。（2）動態(tài)當

時，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)加速運轉，處于加速狀態(tài)；當

時，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)減速運轉，處于減速狀態(tài)。

機電傳動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)時，稱系統(tǒng)處于動態(tài)（亦稱非穩(wěn)態(tài)）。系統(tǒng)處于動態(tài)時，系統(tǒng)中必然存在一個動態(tài)轉矩

。（1）靜態(tài)當時，系統(tǒng)的加速度（式1-5）

正是因為動態(tài)轉矩

的存在，才使得機電傳動系統(tǒng)的運動狀態(tài)發(fā)生了變化。因此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式1-1和1-4還可以轉化為系統(tǒng)的轉矩平衡方程式或者（式1-6）

電動機所輸出的驅動轉矩

總是被生產(chǎn)機械的負載轉矩（即靜態(tài)轉矩）

和系統(tǒng)動態(tài)轉矩

之和所平衡。

當

時，

。此時，系統(tǒng)沒有動態(tài)轉矩，系統(tǒng)恒速運轉，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，電動機輸出轉矩的大小，僅由電動機所驅動的負載轉矩決定。（式1-5）正是因為動態(tài)轉矩的存2.轉矩方向的確定

由于傳動系統(tǒng)有多種運動狀態(tài)，相應的運動方程式中的轉速和轉矩的方向就不同，因此需要約定方向的表達規(guī)則。

因為電動機和生產(chǎn)機械以共同的轉速旋轉，所以，一般以

（或

）的轉動方向為參考來確定轉矩的正負。（1）

的符號與性質

當

的實際作用方向與

的方向相同時（符號相同），取與

相同的符號，

為驅動轉矩；

當

的實際作用方向與

的方向相反時，取與

相反的符號，

為制動轉矩。驅動轉矩促進運動；制動轉矩阻礙運動。2.轉矩方向的確定由于傳動系統(tǒng)有多種運動狀態(tài)，（2）

的符號與性質

當

的實際作用方向與

的方向相同時，取與

相反的符號（符號相反），

為驅動轉矩；

當

的實際作用方向與

的方向相反時，取與

相同的符號（符號相同），

為制動轉矩。

a）系統(tǒng)起動時b）系統(tǒng)制動時b）重物下降時（2）的符號與性質當

當重物上升時：

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9a）所示。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：因此，重物上升時，

為驅動轉矩，

為制動轉矩。圖1-9a當重物上升時當重物上升時：為正，也為正。

當重物在上升過程中制動（圖1-9b）時，

為負，

為正。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：圖1-9b系統(tǒng)制動時

此時，動態(tài)轉矩和加速度都是負的，它們使重物減速上升，直到停止為止，系統(tǒng)中由動能產(chǎn)生的動態(tài)轉矩被電機的制動轉矩和負載轉矩所平衡。當重物在上升過程中制動（圖1-9b）時，

當重物下降時，

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9c）所示。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：

因此，重物下降時，

為制動轉矩，

為驅動轉矩。圖1-9c）

重物下降時當重物下降時，為正，也為正。3.多軸驅動系統(tǒng)的等效折算

為了便于對多軸驅動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)的分析，一般是將多軸驅動系統(tǒng)等效折算為單軸驅動系統(tǒng)，即將多軸驅動系統(tǒng)中各轉動部分的轉矩和轉動慣量或直線運動部分的質量折算到某一根軸（一般折算到電動機的輸出軸）上，將其轉化為等效的單軸驅動系統(tǒng)之后，再進行系統(tǒng)動力學分析。

負載轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩等效折算的基本原則是：折算前的多軸系統(tǒng)和折算后的單軸系統(tǒng)在能量關系或功率關系上保持不變，即遵循能量守恒原則或功率守恒原則。

在機電傳動領域，絕大多數(shù)驅動系統(tǒng)實際上都是多軸驅動系統(tǒng)。3.多軸驅動系統(tǒng)的等效折算為了便于對多軸驅動1.2.2機電傳動系統(tǒng)的負載特性

前面討論的機電傳動系統(tǒng)運動方程中，負載轉矩

可能是常數(shù)，也可能是轉速的函數(shù)。我們把同一軸上負載轉矩

與轉速之間的函數(shù)關系稱為機電傳動系統(tǒng)的負載特性。

機電傳動系統(tǒng)的負載特性就是生產(chǎn)機械的負載特性，有時也稱之為生產(chǎn)機械的機械特性。

如無特別說明，在本書中，機電傳動系統(tǒng)的負載特性均指折算到電動機輸出軸上的負載特性。

不同類型的生產(chǎn)機械在運動中受阻的性質是不同的，其負載特性曲線的形狀也有所不同，大致可分為恒轉矩型負載特性、離心式通風機型負載特性、直線型負載特性、恒功率型負載特性等幾種。1.2.2機電傳動系統(tǒng)的負載特性前面討論的機1.恒轉矩型負載特性

這一類型負載特性的特點是負載轉矩為常數(shù)。如圖1-10和圖1-11所示。

依據(jù)負載轉矩與運動方向的關系不同，恒轉矩型負載特性可分為反抗性轉矩和位能性轉矩兩種。圖1-10反抗轉矩的負載特性圖1-11位能性轉矩的負載特性1.恒轉矩型負載特性這一類型負載特性的特點是負（1）反抗性轉矩

由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉等作用所產(chǎn)生的負載轉矩稱為反抗性轉矩，又稱摩擦性轉矩。

反抗性轉矩的方向恒與運動方向相反，阻礙運動；反抗性轉矩的大小恒常不變。圖1-10反抗轉矩的負載特性

根據(jù)轉矩正方向的約定可知，反抗性轉矩恒與轉速

的方向相反時取正號，即

為正方向時，

為正，特性在第一象限；

為負方向時，

為負，特性在第三象限。（1）反抗性轉矩由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸（2）位能性轉矩

位能性轉矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、扭轉等作用所引起的負載轉矩。

位能性轉矩的大小恒常不變，作用方向不變，與運動方向無關，即在某一方向阻礙運動而在另一方向促進運動。圖1-11位能性轉矩的負載特性（2）位能性轉矩位能性轉矩是由物體的重力或彈

卷揚機起吊重物（圖1-12）時，由于重物的作用方向永遠向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負載轉矩永遠作用在使重物下降的方向。當電動機驅動重物上升時，

與

的方向相反；當重物下降時，

和

的方向相同（圖1-11）。圖1-12卷揚機起吊重物卷揚機起吊重物（圖1-12）時，由于重物的作2.離心式通風機型負載特性

離心式通風型機械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風機、水泵等，它們的負載轉矩

的大小與轉速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——為常數(shù)

離心式通風機型機械的負載特性曲線（最初是沿著虛線變化的）如圖1-13所示。圖1-13離心式通風機型負載特性2.離心式通風機型負載特性離心式通風型機械特3.直線型負載特性

直線型負載的負載轉矩

的大小與轉速

的大小成正比，即：其中：

為常數(shù)。直線型負載的特性曲線如圖1-14所示。圖1-14直線型負載特性3.直線型負載特性直線型負載的負載轉矩4.恒功率型負載特性

恒功率型負載的負載轉矩

的大小與轉速

的大小成反比，即其中：

為常數(shù)。圖1-15恒功率型負載的特性曲線

例如，機床在進行金屬切削加工過程中，粗加工時，切削量大，吃刀量大，負載轉矩大

，機床主軸低速運轉，轉速低；精加工時，切削量小，吃刀量小，負載轉矩

小，機床主軸高速運轉，轉速高。但不管是粗加工還是精加工，負載轉矩與轉速的乘積為常數(shù)，即功率恒定不變。4.恒功率型負載特性恒功率型負載的負載轉矩1.2.3機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行

機電傳動系統(tǒng)中，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使整個系統(tǒng)運行合理，就要使電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的負載特性盡量相匹配。1.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義1）系統(tǒng)應能以一定速度勻速運行；2）系統(tǒng)受某種外部干擾作用（如電壓波動、負載轉矩波動等）而使運行速度發(fā)生變化，應保證系統(tǒng)在干擾消除后能恢復到原來的運行速度。特性配合好壞的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。1.2.3機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行機電傳動系統(tǒng)2.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件（1）必要條件

電動機的機械特性曲線

和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

必須有交點，交點被稱為平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別2.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件（1）必要條件電（2）充分條件

系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復到原平衡狀態(tài)的能力。這是穩(wěn)定運行的充分條件。符合穩(wěn)定運行條件的平衡點稱為穩(wěn)定平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別（2）充分條件系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復到原平機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件也可表述為：①電動機的機械特性曲線

和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

有交點；②

。機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件也可表述為：①電動機的機械下面分析

、

兩點是否為穩(wěn)定平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別a點為穩(wěn)定平衡點；b點為非穩(wěn)定平衡點。下面分析、兩點是否為穩(wěn)定平衡點。圖1-11.2.4機電傳動系統(tǒng)的過渡過程

在實際工作中，機電傳動系統(tǒng)具有兩種運行狀態(tài)，即靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）。

當機電傳動系統(tǒng)中電動機的驅動轉矩或負載轉矩發(fā)生變化時，系統(tǒng)就要由一種穩(wěn)定運行狀態(tài)變化到另外一個穩(wěn)定運行狀態(tài)，這個變化過程稱為過渡過程。

在過渡過程中，電動機的轉速、轉矩和電流都要按照一定的規(guī)律變化，都是時間的函數(shù)。

處于靜態(tài)時，系統(tǒng)的動態(tài)轉矩為0，電動機以恒速運轉；處于動態(tài)時，系統(tǒng)的動態(tài)轉矩非0，電動機速度處于變化中。1.2.4機電傳動系統(tǒng)的過渡過程在實際工作1.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的實際意義

大多數(shù)的生產(chǎn)機械對機電傳動系統(tǒng)的過渡過程都提出各自、多樣的要求。

如龍門刨床的工作臺、可逆式軋鋼機、軋鋼機的輔助機械等，它們在工作中需要經(jīng)常進行起動、制動、反轉和調速。因此，都要求過渡過程盡量快，以縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。

升降機、載人電梯、地鐵、鐵路機車、有軌電車等生產(chǎn)機械和運輸設備，則要求起動、制動過程平緩、順滑，加減速度變化不能過大，以保證安全生產(chǎn)和乘坐舒適性。

而造紙機、印刷機等生產(chǎn)機械，則必須限制其加速度的大小，以確保產(chǎn)品質量。如果加速度超過允許值，則可能損壞機器部件或造成產(chǎn)品質量下降。1.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的實際意義大多數(shù)的生

在過渡過程中，