9 机电特性解析
第5章机电系统的元部件特性分析
第5章机电系统的元部件特性分析机电系统是由机械结构和电气控制系统组成的复合系统。
机电系统的元部件是构成机电系统的重要组成部分，其性能和特点直接影响整个系统的工作效果和稳定性。
本章将对机电系统的元部件的特性进行分析。
一、电机特性分析：电机是机电系统中的核心部件之一，其特性直接关系到系统的工作效率和稳定性。
电机通常具有以下几个特性：1.动作特性：包括启动特性、加速特性和负载特性。
启动特性是指电机启动时所需的电流和转矩，加速特性是指电机加速过程中的电流和转矩变化，负载特性是指电机在不同负载下的电流和转矩变化。
2.效率特性：电机的效率是指输入电能与输出机械功率之间的比值。
高效率的电机能够更好地转化电能为机械功率，减少能源的浪费。
3.速度特性：电机的速度特性是指电机的输出转速与输入印极电压之间的关系。
常见的电机包括恒速电机、变速电机和步进电机，它们的速度特性不同。
二、传感器特性分析：传感器是机电系统中用于采集和转换各种物理量的元部件，常见的传感器有温度传感器、压力传感器、光电传感器等。
传感器的特性主要包括以下几个方面：1.准确性：传感器的准确性是指传感器输出与被测量值之间的误差。
高准确性的传感器能够更精确地测量和控制系统中的物理量。
2.线性特性：传感器的线性特性是指传感器输出与被测量值之间的线性关系。
线性传感器具有较好的比例关系，能够提供更可靠和可控的输出信号。
3.响应时间：传感器的响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出信号稳定的时间。
快速响应的传感器能够更及时地探测和反馈系统中的变化。
三、执行元件特性分析：执行元件是机电系统中用于控制和执行各种动作的元部件，常见的执行元件有电磁阀、液压缸、气缸等。
执行元件的特性包括以下几个方面：1.控制精度：执行元件的控制精度是指输出动作与输入控制信号之间的误差。
高控制精度的执行元件能够更准确地控制和执行系统中的动作。
2.压力稳定性：执行元件的压力稳定性是指执行元件在不同负载下的输出压力稳定性。
机电产品质量特性重要度分析
ZZZZ有限公司企业标准机电产品质量特性重要度分析Q/ZZZZ-2007代替Q/ZZZZ-20041范围本标准规定了机电产品质量特性重要度分级（以下简称重要度分级）的原则，内容和要求及标注方法。
本标准适用于机电产品重要度分级。
2引用标准下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后所有修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB7635全国工农业产品（商品、物资）分类与代码JB/T5058机械工业产品质量特性重要度分级导则3术语3.1产品质量特性产品质量特性由产品的规格、性能和结构所决定，并影响产品的适用性，是设计传递给工艺、制造和检验等技术要求和信息，它包含有尺寸、公差与配合、功能、寿命、互换性、环境污染、人身安全及执行政府有关法规和标准情况等。
3.2产品质量特性重要度影响产品适用性的重要程度。
4总则4.1新产品设计阶段，设计部门应对产品进行重要度分级，通过新产品试制，在设计改进时进一步修正和完善。
4.2重要度分级，可按规定的级别符号直接标注在设计文件上。
5分级原则及重要度等级5.1重要度分级以按对产品适用性要求的影响及经济损失程度为依据。
5.2重要度等级分为关键性、重要性和一般特性。
5.2.1如发生故障,会发生人身安全事故、丧失产品主要功能、严重影响产品使用性能和降低产品寿命、对环境产生违反法规的污染，以及必然会引起使用单位申诉的特性。
5.2.2重要特性如发生故隙，会影响产品使用性能和寿命，使用单位可能提出申诉的特性。
5.2.3一般特性如发生故障对产品的使用性能及寿命影响不大及不致引起使用单位申诉的特性。
6重要度分级内容重要度分级内容一般包括：a）安全、环保要求；20ZZ-02-08批准20ZZ-02-28 实施Q/ZZZZ-2007b）性能、结构的使用要求；c）可靠性、使用寿命及互换性要求；d）材料性能及处理规定；e）焊接及铸、锻规定；f）尺寸、公差与配合、形状和位置公差及表面粗糙度等要求;g）外形、外观要求；h）清洁度要求；i）涂敷、包装、防护及储运等要求。
电机性能参数解释
直流电动机作为机电执行元部件，内部有一个闭合的主磁路。
主磁通在主磁路中流动，同时与第二个电路交链，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路，另外一个是用来传递功率，称为功率回路或者电枢回路。
现行的直流电动机都是旋转电枢式，也就是说激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合构成直流电动机的转子。
１．转矩：电动机得以旋转的力矩，单位为 kg .m 或N. m；２．转矩系数：电动机所产生转矩的比例系数，一般表示每安培电枢电流所能产生的转矩大小；３．摩擦转矩：电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失；４．启动转矩：电动机启动时所产生的旋转力矩；５．转速：电动机旋转的速度，工程单位为 r/min，即转每分，在国际单位制中为 rad/s，即弧每秒；６．电枢电阻：电枢内部的电阻，在有刷电动机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻，由于电阻中流过电流时会发热，因此总希望电枢电阻尽量小些；７．电枢电感：因为电枢绕组是由金属线圈构成，必然存在电感，从改善电动机运行性能的角度来说，电枢电感越小越好。
８．电气时间常数：电枢电流从零开始达到稳定值的%时所经历的时间。
测定电气时间常数时，电动机应处于堵转状态并施加阶跃性质的驱动电压。
电气时间常数工程上常常利用电枢绕组的电阻Ｒａ和电感Ｌａ求出：Ｔｅ＝Ｌａ/Ｒａ９．机械时间常数：电动机从启动到转速达到空载转速的%时所经历的时间。
测定机械时间常数时，电动机应处于空载运行状态并施加阶跃性质的阶跃电压。
机械时间常数工程上常常利用电动机转子的转动惯量Ｊ和电枢电阻Ｒａ以及电动机反电动势系数Ｋｅ、转矩系数Ｋｔ求出：Ｔｍ＝Ｊ* Ｒａ／Ｋｅ* Ｋｔ１０．转动惯量：具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。
１１．反电动势系数：电动机旋转时，电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数，也称为发电系数或感应电动势系数。
１２．功率密度：电动机每单位质量所能获得的输出功率值，功率密度越大，电动机的有效材料的利用率就越高。
电动机的性能分析与运行特性评估
电动机的性能分析与运行特性评估电动机是现代工业中最重要的动力装置之一，广泛应用于各个领域。
为了确保电动机的正常运行和高效工作，必须对其性能进行全面的分析和评估。
本文将从电动机的运行特性、性能指标以及评估方法等方面展开论述。
一、电动机的运行特性电动机的运行特性是指在不同运行状态下，电动机的输入功率、输出功率、效率以及转速等性能参数的变化规律。
了解电动机的运行特性对于设计和选择合适的电动机具有重要意义。
二、电动机的性能指标1. 功率电动机的功率是指电动机在单位时间内转换或输出的能量或功率。
根据功率的不同定义方法，电动机的功率分为输入功率和输出功率。
2. 效率电动机的效率是指电机输出的有效功率与其输入的总功率之比。
电动机的效率是衡量其能源利用率和能量转换效率的重要指标。
3. 转矩电动机的转矩是指电机在运行时产生的力矩，也是电动机输出力的量度。
转矩大小与电机所提供的机械功率有直接关系。
4. 转速电动机的转速是指电机转子旋转的圈数或每分钟旋转的圈数，通常用转/分来表示。
电动机的转速对于运动控制和运动平衡具有重要意义。
三、电动机性能分析与评估方法电动机性能的分析和评估是为了确定电动机的运行状态和性能表现，并对其进行合理应用和改进提供参考依据。
以下是常用的电动机性能分析与评估方法。
1. 负载试验法负载试验法是通过在电动机的轴上加装负载，通过测量电机的转速、电流、功率等参数，来评估电动机的性能。
该方法可以直观地反映电机的工作状态和性能指标。
2. 开路试验法开路试验法是在电机的转子上不加载，通过施加额定电压并测量额定电流和相应的功率来评估电动机的性能指标，如输入功率、输出功率和效率等。
3. 短路试验法短路试验法是在电动机的转子上短路电枢绕组，通过施加额定电压并测量相应的电流、功率和转矩等参数，来评估电机的性能指标。
4. 动态试验法动态试验法是通过对电机施加不同的载荷、工作制动等条件，测量电机在不同工作状态下的性能指标，来评估电动机的性能。
电动机的运行特性与性能分析
电动机的运行特性与性能分析电动机作为重要的动力设备，在现代社会的各个领域中发挥着关键的作用。
了解电动机的运行特性与性能分析对于科学使用和维护电动机至关重要。
本文将从电动机的运行特性和性能两个方面进行探讨，并给出相关的案例分析和实践经验。
一、电动机的运行特性分析1.1 转速特性分析电动机的转速特性是指在不同负载下，电动机输出转速与负载之间的关系。
一般来说，电动机的转速与负载呈反比关系，即负载越大，转速越慢。
但是在实际应用中，由于电动机存在一定的失速现象，转速和负载之间的关系并非简单的线性关系。
在分析转速特性时，需要考虑电动机的额定转速、负载扭矩和电动机的负载特性曲线等因素。
例如，对于某种型号的电动机，在额定转速下，其承载能力和效率达到最佳状态。
而超过额定负载将导致电动机的过热和损坏，因此在实际应用中，需要根据电动机的转速特性选择合适的负载。
1.2 效率特性分析电动机的效率特性是指在不同负载下，电动机的输出功率与输入功率之间的关系。
电动机的效率是衡量其能源利用率的重要指标，对于提高能源利用效率和减少能源浪费具有重要意义。
在分析效率特性时，需要考虑电动机的额定效率和负载功率因数等因素。
例如，在额定负载下，电动机的效率通常能达到最高点。
而在低负载和高负载情况下，电动机的效率则会降低。
因此，在实际应用中，需要根据电动机的效率特性选择合适的负载，以实现最佳的能源利用效率。
二、电动机的性能分析2.1 起动特性分析电动机的起动特性是指在启动过程中，电动机所需的起动电流和起动时间等方面的特性。
合理的起动特性对于电动机的正常运行和长寿命具有重要意义。
在分析起动特性时，主要考虑电动机的起动电流、起动时间和起动方式等因素。
例如，在直流电动机的起动过程中，起动电流通常较大，因此需要根据实际需求选择合适的起动方式，如直接起动、自耦启动或星三角启动等。
2.2 负载特性分析电动机的负载特性是指在不同负载下，电动机的输出扭矩与负载之间的关系。
机电一体化技术的基本原理和特点
机电一体化技术的基本原理和特点
机电一体化技术是指将机械、电子、控制、计算机等技术有机地结合在一起，实现各种功能的综合自动化系统。
其基本原理是通过集成各种传感器、执行器、控制器和计算机等设备，实现对机械系统的智能化控制和监测，从而提高生产效率、质量和灵活性。
机电一体化技术的特点主要包括以下几个方面：
1. 综合性，机电一体化技术将机械、电子、控制、计算机等多种技术融合在一起，形成一个综合性的系统，实现多种功能的集成与协调。
2. 高效性，通过智能化的控制和监测手段，可以实现对生产过程的高效管理和优化，提高生产效率和产品质量。
3. 灵活性，机电一体化技术可以根据不同的生产需求进行灵活的调整和改进，适应多样化的生产要求。
4. 自动化，通过自动化控制系统，可以实现生产过程的自动化操作，减少人力成本，提高生产效率。
5. 可靠性，机电一体化系统通常具有较高的稳定性和可靠性，能够保证生产过程的连续性和稳定性。
总的来说，机电一体化技术的基本原理是通过综合运用机械、电子、控制、计算机等技术手段，实现对生产过程的智能化控制和监测，其特点包括综合性、高效性、灵活性、自动化和可靠性。
这些特点使得机电一体化技术在工业生产和制造领域具有广泛的应用前景。
9 机电特性解读
U 2 Xd Xq sin sin 2 Xd 2 Xd Xq EqU
2019/2/24
15
第九章 机组的机电特性
q
E q
E Q E q
X jI d
当无自动调节励磁装置的发 电机与无限大容量母线相连时， 其功-角特性曲线如下图所示。
X jI d
d 2 (rad ) TJ (rad ) 2 dt (rad ) 2
（9-6）
简写为
d 2 P TJ 2 dt
（9-7）
上 式即为全标幺值形式的同步发电机组转子的运动 方程式。
2019/2/24 7
第九章 机组的机电特性
（四）、惯性时间常数 TJ 及其物理意义 物理意义1：在额定转速时， TJ 是机组单位容量所具有 动能的2倍。这反映了发电机组转子在额定转速时的机械转 动的惯性。 物理意义2：当机组输出的电磁转矩 M e 0 ，输入的机 械转矩 M m 1，则不平衡转矩 M 1 0 1时，机组从静止 升速至额定转速所需的时间。 由回转力矩求单位机组的惯性时间常数的计算公式为
212
PE1
90 12
90
90 12
12
图9-7 两机系统有功功率的功-角特性曲线
2019/2/24
21
第九章 机组的机电特性
四、网络接线及参数对有功功率功-角特性的影响
1.串联电抗的影响 电力系统接线及其等值电路如图9-8所示
G
G
T1
l
（ a）
常数 T2 U
E q
q . max
PEq
EqU Xd
0
90
180 ()
机电一体化系统的元、部件特性分析
有的传感器中装有将一种机械量变换为另一种机械量的变换装置。
5.2 传感器的特性分析
5.2 传感器的特性分析
与机设械各量种输变入换x的之传比递为函数(动态特性)为Gm、Gme、Ge，则输出信号v
Gs＝GmGmeGe
＝l。Gm中包含电气系统对变换器的柔度和质量等的反作用，一般取Gm 如果传感器与被测量物体的安装为刚性联接的话，也可以认为机
三、机构动力学特性
3．Lagrange公式与动态力(或力矩)向输入端的换算 经推导整理有：
可以认为式中的第一项为惯性力项，第二项为离心力和哥氏力项 ，第三项可认为是重力项。如果从输入端来看，动态力(力矩)是变 化的惯性力矩、与速度平方成比例的力和变化的重力共同的作用， 系统具有非线性特性。
三、机构动力学特性
换器。
5.2 传感器的特性分析
一、动电式变换器的特性
5.2 传感器的特性分析
一、动电式变换器的特性
当Ls/R<<1时，速度与电压成正比。
5.2 传感器的特性分析
二、压电式变换器的特性
5.2 传感器的特性分析
若上式中的RCs>>l，则Gme≈d/C 。此时可得到与力成比例的 输出，但固有振动周期比τ ＝RC低的情况不能准确求出。由
模型：
三、机构动力学特性
微分方程：
三、机构动力学特性
动态特性：
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（9-8）
GD2为包括原动机在内的机组转子的回转力矩； nN 式中， 为机组的额定转速；S N 为机组的额定功率。
2018/10/15 8
第九章 机组的机电特性
在电力系统稳定计算中，当已选好全系统统一基准功 率时，必须将各发电机组的惯性时间常数归算成统一基准 功率的有名值
E q U q
X jI d d
E X jI d
U
X jI q d I q
I
U I d d
d
图9-1 隐极式发电机相量图
2018/10/15 11
第九章 机组的机电特性
若发电机与无限大容量母线相连，则其功-角特性曲 线，如下图所示：
PEq
EqU Xd
（9-1）
当忽略转子转动时的风阻和摩擦力时，M 为：
M M m M e
机械转矩，属 于驱动转矩 电磁转矩，属 于制动转矩
（9-2）
2018/10/15
5
第九章 机组的机电特性
（二）、同步发电机组的基本方程式
N d 2 d 2 M J 2 J 2 dt N dt
（9-3）
d 2 (rad ) TJ (rad ) 2 dt (rad ) 2
（9-6）
简写为
d 2 P TJ 2 dt
（9-7）
上 式即为全标幺值形式的同步发电机组转子的运动 方程式。
2018/10/15 7
第九章 机组的机电特性
（四）、惯性时间常数 TJ 及其物理意义 物理意义1：在额定转速时， TJ 是机组单位容量所具有 动能的2倍。这反映了发电机组转子在额定转速时的机械转 动的惯性。 物理意义2：当机组输出的电磁转矩 M e 0 ，输入的机 械转矩 M m 1，则不平衡转矩 M 1 0 1时，机组从静止 升速至额定转速所需的时间。 由回转力矩求单位机组的惯性时间常数的计算公式为
TJB TJN SN SB
（9-9）
则将 n台并列运行的发电机组合成一台的等值发电机组 时，其惯性时间常数为：
TJB
n S N1 SN 2 S Nn S TJN1 TJN 2 TJNn TJNi Ni SB SB SB SB i 1
（9-10）
一般，汽轮发电机组的惯性时间常数为 8 ~ 16s ；水轮发 电机组的惯性时间常数为 4 ~ 8s；同期调相机的惯性时间常 数为 2 ~ 4s 。
发电机输出的有功功率的表达式为
Uq d Uq d Xd Xd
2018/10/15 9
第九章 机组的机电特性
第二节 发电机的功-角特性方程式
发电机的功-角特性：发电机输出的电磁功率和功率角的 关系。
一、隐极式发电机的功-角特性方程式
1.以空载电动势 Eq和同步电抗 X d 表示发电机时 发电机输出的有功功率的表达式为
PEq U d Eq U q Xd
电力系统稳定性主要是研究同步发电机组的稳定性。
2018/10/15
2
第九章 机组的机电特性
1.
机组的机电特性
电力系统的稳定性的基础
2. 电力系统的静态稳定性
电力系统受到小扰动稳定性
3. 电力系统的暂态稳定性
电力系统受到大扰动稳定性
2018/10/15
3
第九章 机组的机电特性
第九章 机组的机电特性
2018/10/15
（9-5）
6
第九章 机组的机电特性
（三）、将同步发电机组运动方程式化为全标幺值形式
360 f N d (rad ) TJ (rad ) n (rad s) 1 d P t (rad ) 360 f N N (rad s) d t (rad ) d n (rad s) n (rad s)
第九章 机组的机电特性
电力系统的稳定性： 概念 电力系统在受到一定的扰动后能否继续运行的能 力。 静态稳定性和暂态稳定性。 电源的稳定性，指同步发电机组运 行的稳定性 负荷的稳定性，指异步电动机组运 行的稳定性
按扰动大小分类
考虑自动调节 励磁系统和自 动调节转速系 统作用的分类
电力系统稳定性主要是研究同步发电机组的稳定性。
Eq U q Xd
EqU d EqU Ud Uq sin Xd Xd Xd
（9-11）
发电机输出的无功功率的表达式为
QEq U q
2018/10/15
Ud U 2 EqU Ud cos Xd Xd Xd
（9-12）
10
第九章 机组的机电特性
q
E q
X jI d
其标幺值形式为
d 2 M 2 N dt TJ
2 其中 TJ J N S B
惯性时间 常数
（9-4）
若机组的转速偏离同步转速不大，则不平衡转矩的标 幺值近似等于不平衡功率的标幺值。
d 2 TJ d d P M T 即： J n dt2 n dt dt TJ
第一节 第二节 第三节 第四节
同步发电机组的运动方程式 发电机的功-角特性方程式 异步电动机组的机电特性 自动调节励磁系统对功-角特性的影响
2018/10/15
4
第九章 机组的机电特性
第一节 同步发电机组的运动方程式
（一）、机械转矩方程式 同步发电机组转子运动的机械转矩方程式为
d d 2 M J J J dt dt 2
2018/10/15
1
第九章 机组的机电特性
电力系统的稳定性： 概念 电力系统在受到一定的扰动后能否继续运行的能 力。 静态稳定性和暂态稳定性。 电源的稳定性，指同步发电机组运 行的稳定性 负荷的稳定性，指异步电动机组运 行的稳定性
按扰动大小分类
考虑自动调节 励磁系统和自 动调节转速系 统作用的分类
0 30
60
90
120 150 180 ()
图9-2 以 Eq表示的隐极式发电机的 功-角特性曲线
由图可见，发电机有功功率的功-角特性曲线为一 正弦曲线，其最大值为 EqU X d ，也称为功率极限。
2018/10/15 12
第九章 机组的机电特性
和直轴暂态电抗 X d 表示发电机时 2.以交轴暂态电动势 Eq