第1章(电力拖动控制系统).

1、电力拖动控制系统电力拖动控制系统 主讲教师：李达义主讲教师：李达义87542125转转8308办公地点：电机楼办公地点：电机楼_前楼前楼308开课系开课系: 电气学院电气学院 电机及控制系电机及控制系 绪绪 论论 1. 本课程在电气学科中的位置本课程在电气学科中的位置2. 本本课程课程与先修课程的关系与先修课程的关系3. 教材、参考教材教材、参考教材 4. 本课程的学习内容本课程的学习内容5. 教学安排教学安排6. 电力拖动控制系统的发展动向电力拖动控制系统的发展动向1. 本课程在电气学科中的位置本课程在电气学科中的位置电能的电能的“生产、变换、传输、分配和使用生产、变换、传输、分配和使用”的

2、示意图的示意图电能主要用于电力拖动系统电能主要用于电力拖动系统电动机电动机希望对电力拖动系统有更多的干预和控制希望对电力拖动系统有更多的干预和控制电机调速系统电机调速系统 发电机升压变压器降压变压器用户输电线MMMMG生产传输分配使用 课程的目的与任务课程的目的与任务 本课程在电气学科中的位置本课程在电气学科中的位置2. 本课程与先修课程的关系本课程与先修课程的关系 l 先修课程先修课程:电机学电机学电力电子学电力电子学自动控制理论自动控制理论检测技术检测技术电子技术基础电子技术基础微机及其接口技术微机及其接口技术综合性强，涉及面广，综合性强，涉及面广，ASR-i*PWM逻辑“与”放 大驱 动

3、dtdPMACR正、负转矩控制 i逻辑控制-+-三角波发生器极性鉴别能耗制动单元绝对值变换*+BQ计算机内部控制VRVI 电力拖动控制系统电力拖动控制系统例例:p182,图图9-17,(图图0-2),无刷直流电动机系统无刷直流电动机系统3. 教材、参考教材教材、参考教材 l 参考教材参考教材 ：电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统第第2版版 ，陈伯时，陈伯时 主编主编;电机及拖动基础电机及拖动基础 ，顾绳谷主编，顾绳谷主编; 其它有关直流调速系统、交流调速系统的书；其它有关直流调速系统、交流调速系统的书；l 教材：教材： 电力拖动控制系统电力拖动控制系统，马志源编著，马志源编著， 科学出版

4、社，科学出版社，2004年第年第1版版4. 本课程的学习内容本课程的学习内容 l 交流调速系统交流调速系统 交流调压调速交流调压调速 第第5章章 串级调速串级调速 第第6章章 交流变频调速交流变频调速 他控式他控式 第第7、8章章 自控式自控式 第第9章章 矢量控制矢量控制 第第10、11章章l 电力拖动基础电力拖动基础 第第1章章l 直流调速系统直流调速系统 第第2、3、4章章5. 教学安排教学安排 讲课讲课: 40学时学时 共共11章，章， 实验实验: 8学时学时 分分2次：次：1.直流调速系统直流调速系统 2.交流变频调速系统交流变频调速系统 时间另行通知；地点：西二楼时间另行通知；地点

5、：西二楼1楼电机实验室楼电机实验室 作业作业: 每周一次每周一次 ，周一交，周一交 考试：闭卷考试：闭卷 成绩：平时（含点名）成绩：平时（含点名）5分实验分实验15分分 考试考试80分分100分分6. 电力拖动控制系统的发展动向电力拖动控制系统的发展动向20世纪世纪60年代以前，调速系统是以直流机组为主，年代以前，调速系统是以直流机组为主，20世纪世纪60年代，年代， 开始有晶闸管构成的直流开始有晶闸管构成的直流V-M系统。系统。20世纪世纪70年代开始，研究交流调速系统。年代开始，研究交流调速系统。20世纪世纪80年代之后，交流调速系统已成为调速系统的主流。年代之后，交流调速系统已成为调速系

6、统的主流。 l 交流调速系统仍在不断的发展和完善，交流调速系统仍在不断的发展和完善， 目前主要的发展有如下一些动向：目前主要的发展有如下一些动向：(1)新型调速电机。新型调速电机。(2)新型变流装置和变流技术。新型变流装置和变流技术。(3)新的控制策略。新的控制策略。(4)无速度（位置）检测器的速度（位置）检测技术。无速度（位置）检测器的速度（位置）检测技术。(5)全数字化控制及集成化技术。全数字化控制及集成化技术。l 电力拖动控制系统的发展极为迅速：电力拖动控制系统的发展极为迅速：第第1章章 电力拖动基础电力拖动基础 1.1 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程 1.2 电力拖动系统

7、的机械特性电力拖动系统的机械特性 1.3 他励直流电动机的起动、调速与制动他励直流电动机的起动、调速与制动1.4 异步电动机的起动、调速与制动异步电动机的起动、调速与制动 用各种原动机带动生产或工作机械（负载）用各种原动机带动生产或工作机械（负载） 产生运动，以完成一定的任务。产生运动，以完成一定的任务。1.1.1 电力拖动系统的构成电力拖动系统的构成 1.1 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程 一、一、“电力拖动电力拖动 ”的概念的概念1. 拖动：拖动：功率变换器（主电路）控制器指令电动机负载反馈电源用各种电动机作为原动机的拖动方式。用各种电动机作为原动机的拖动方式。电力拖动控制系

8、统：电力拖动控制系统：1.1.电机及负载电机及负载2.2.电力电子变换器（主电路）电力电子变换器（主电路）3.3.控制器控制器4.4.检测、反馈装置检测、反馈装置 电力拖动系统电力拖动系统,四个组成部分：四个组成部分：1. 电动机电动机 2. 电机控制装置电机控制装置3. 机械传动机构机械传动机构4. 工作机械工作机械 二、电力拖动系统的构成二、电力拖动系统的构成（ 负载 ）（电气传动）电源控制装置电动机机械传动机构工作机械反馈三、电力拖动控制系统结构框图三、电力拖动控制系统结构框图2. 电力拖动：电力拖动：1.1.2 机械传动机构与工作机械的折算机械传动机构与工作机械的折算 物理量：物理量：

9、 转矩（力）、转速（速度）转矩（力）、转速（速度）、转动惯量（质量）转动惯量（质量） 单位：单位： Nm Nm （N N ）、）、rad/srad/s（m/s)m/s)、 kg/mkg/m2 2 ( kg) ( kg)1折算的概念及折算原则折算的概念及折算原则1） 折算的概念：折算的概念：折算折算把一个多轴系统用一个单轴系统或单拖动（推动）系统把一个多轴系统用一个单轴系统或单拖动（推动）系统 来取代。来取代。 a）保持折算前后两个系统传送的）保持折算前后两个系统传送的功率功率相同相同 b）保持折算前后两个系统储存的）保持折算前后两个系统储存的动能动能相同相同 2） 折算原则：折算原则：3） 折

10、算的物理量：折算的物理量：折算折算多轴系统多轴系统单轴系统单轴系统能量守恒能量守恒例，负载轴的动能在折算前后相等，有：例，负载轴的动能在折算前后相等，有： 2.折算到电机旋转轴上折算到电机旋转轴上（1）负载负载转转矩矩Tl 的折算的折算.电动机工作在电动机工作在电动状态电动状态时时.电动机工作在电动机工作在发电制动状态发电制动状态时时根据功率相等原则：根据功率相等原则： TMJ1T1J1llJlT1j2j工作机构负载JT)a)bMMlTllTTlTT 传动损耗由电动机承担，传动损耗由电动机承担，传动损耗功率由工作机构承担传动损耗功率由工作机构承担传动效率传动效率 得负载转矩折算式为得负载转矩折

11、算式为 ：NmjllllTT lTT 得负载转矩折算式为得负载转矩折算式为 ：mjllllnnj式中，速比式中，速比 （2）转动惯量）转动惯量J的折算的折算根据动能相等原则，系统储存的动能相等。根据动能相等原则，系统储存的动能相等。)kgm(jJjJjJJJJJl222222111 总转动惯量是总转动惯量是J为：为： 得：得：222llllJJJj222121lllJJ例，把电机轴的旋转动能折算为直线运动动能后，两者相等：例，把电机轴的旋转动能折算为直线运动动能后，两者相等：3. 折算到直线运动的工作机构上折算到直线运动的工作机构上 以电动汽车为例，以电动汽车为例，把旋转的量折算到工作把旋转的

12、量折算到工作机械方。机械方。（1）拖动力）拖动力F的折算的折算 TMJ1T1J1l2JlT1j2j)aM22T车轮车轮车轮车轮VFm)b整车质量lmlF（2）运动质量）运动质量m的折算的折算 有：有： )(VTF221122MMJm V 根据功率相等原则：根据功率相等原则： 根据动能相等原则，系统储存的动能相等。根据动能相等原则，系统储存的动能相等。FVT得电机轴的直线运动质量为：得电机轴的直线运动质量为：2()MMmJV总拖动质量为：总拖动质量为： 2222112)V(J)V(J)V(JmmM总拖动质量总拖动质量m是电动汽车总质量加上旋转部分的折算值是电动汽车总质量加上旋转部分的折算值1.1

13、.3 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程 对对直线运动直线运动，运动方程为，运动方程为dVFFmdt 对对旋转运动旋转运动，运动方程为，运动方程为dtdJ2(/ )60n rad s式中：式中：G重量（重量（N）；）；g重力加速度，重力加速度，g = 9.81m/s2 ； D惯性直径（惯性直径（m）；）； 惯性半径（惯性半径（m）的实用形式为的实用形式为dtdnGDTT3752gJGD42称为称为飞轮矩飞轮矩)(2mN 两式中的两式中的三项都是三项都是有方向的有方向的)kgm(gGD)D(gGmJ222242dtdJ工程上，习惯使用工程单位：转速为工程上，习惯使用工程单位：转速为n(

14、r/min)，转动惯量用飞轮矩转动惯量用飞轮矩GD2(Nm2)。1.1.4 速度控制的本质是对转矩的控制速度控制的本质是对转矩的控制一、由运动方程式一、由运动方程式可知：可知：dtdJl 当当 T=Tl 时，时， d/dt=0，电力拖动系统，电力拖动系统处在处在匀速匀速旋转（含静止不动）的稳态中。旋转（含静止不动）的稳态中。 ，l 当当 TTl 时，时，d/dt0，电力拖动系统处在电力拖动系统处在加速加速（或反向减速）状态（或反向减速）状态 。 l 当当 TTl 时，时，d/dtTl ，电机加速。，电机加速。 当到达新转速后，再使当到达新转速后，再使 T=Tl ，则电机就在新的转速下稳定运行。

15、，则电机就在新的转速下稳定运行。三、重要结论：电动机速度控制的本质是对其输出转矩的控制。三、重要结论：电动机速度控制的本质是对其输出转矩的控制。 四、例，他励直流电动机调压调速的物理过程四、例，他励直流电动机调压调速的物理过程 aeEknaaaaRIEUaTIk原状态：原状态：1111,aaaUn EIT2222,aaaUn EIT新状态：新状态：负载转矩负载转矩 Tl 恒定恒定1.2 电力拖动系统的机械特性电力拖动系统的机械特性 1.2.1 机械特性机械特性 1. 机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即 机械特性机械特性 负载机械特性负载机械特性 电

16、动机机械特性电动机机械特性 ()nfT()lnfT()nf T固有机械特性固有机械特性 人为机械特性人为机械特性 正向电动正向制动反向电动0T0n0n0n0T0TnT0反向制动0n0T2. 运行状态：运行状态：转速转速n 、转矩、转矩T都有正、负值都有正、负值 ,要选定参考正方向。要选定参考正方向。电动电动：转矩与转速的方向一致：转矩与转速的方向一致 制动制动：转矩与转速的方向相反：转矩与转速的方向相反3. 四象限运行：四象限运行： 1.2.2 负载的机械特性负载的机械特性 lT0Tn0Tn0Tn0Tn0TnlTlTlTlT)a)b)c)d)ea)反抗性反抗性 b）位能性）位能性 c）粘滞摩擦

17、力）粘滞摩擦力 d）流体阻力）流体阻力 e）恒功率阻力）恒功率阻力 例，实际风机的负载机械特性：例，实际风机的负载机械特性： 0TnlT220nKlll 实际的机械装置则是多种性质的负载转矩的组合实际的机械装置则是多种性质的负载转矩的组合 1.2.3 电动机的固有机械特性电动机的固有机械特性 0Tn0n0n正电压负电压0Tn0n0n正序电压负序电压0Tn0n0n正序电压负序电压)a)b)ca）他励直流电动机）他励直流电动机 b）异步电动机）异步电动机 e）同步电动机）同步电动机 1.2.4 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 条件条件1. 电机机械特性曲线及负载机械特性曲线的交点

18、电机机械特性曲线及负载机械特性曲线的交点 0dtd条件条件2. 且在交点处满足且在交点处满足 dnddnd0Tn0nlTAB稳定点稳定点不稳定点不稳定点交点处满足交点处满足 ，所以，所以 判别方法：判别方法：1.3 他励直流电动机的起动、调速与制动他励直流电动机的起动、调速与制动 1.3.1他励直流电动机的人工机械特性他励直流电动机的人工机械特性 02ajaTeeTaeTaaaaajRRUnTnTkk kEknTkIUEIRR他励直流电动机方程他励直流电动机方程 固有机械特性方程固有机械特性方程（额定参数时）（额定参数时） 人为机械特性人为机械特性 固有机械特性固有机械特性 )b)cN2121

19、NnT00nlT1n3n2n)aaR3R2R1R321RRRRanT00nlT1n4n3n2n3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n1.3.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 1 1调速方法调速方法 电枢回路串电阻调速；电枢回路串电阻调速；改变电枢端电压调速；改变电枢端电压调速；弱磁调速。弱磁调速。 分别改变分别改变则得到三组不同的则得到三组不同的人为机械特性曲线族人为机械特性曲线族,jaR U 所允许的最大输出转矩所允许的最大输出转矩 1.3.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 2 2调速时的转矩与功率调速时的转矩与功率 0Nn2mPf (n)

20、恒转矩调速恒功率调速nmaxTf(n)1234NPNT2mPmaxT图图1-11 调速时转矩与功率曲线调速时转矩与功率曲线 maxT所允许的最大输出功率所允许的最大输出功率 mP2l 电机允许流过的最大电流受制于电电机允许流过的最大电流受制于电机的散热条件，一般为额定电流机的散热条件，一般为额定电流I IaNaN。 自然冷却，自扇冷式自然冷却，自扇冷式 ，他扇冷式，他扇冷式 ，水外冷，水内冷，蒸发冷却，超导，等，水外冷，水内冷，蒸发冷却，超导，等不变不变 下降下降不变不变 与转速成正比与转速成正比l 在在 nnnnnnN N 的区域，磁通的区域，磁通减小，减小， ， PmaxPmax不变不变。

21、称恒功率调速区域。称恒功率调速区域。 l 电机的冷却电机的冷却 方式：方式：1 1调速方法调速方法 1.3.3 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 常用的起动方法有：常用的起动方法有： 2.2.降压起动降压起动 3.3.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动1C2C1 jR2jRaRaEaU3CaI1.1.直接全压起动直接全压起动 只能用于小容量电机只能用于小容量电机3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n图图1-13 分二级电阻分二级电阻起动的起动过程起动的起动过程a）机械特性曲线）机械特性曲线 b）转速变化曲线）转速变化曲线c）电流变化曲线）电流变化曲线 1.

22、3.4 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动 1能耗制动能耗制动 a a）原理电路图）原理电路图 b b）机械特性图）机械特性图 制停过程制停过程 （是一个动态过程）（是一个动态过程）c c）能量传递简图）能量传递简图 最终的稳态工作点：最终的稳态工作点：（1）反抗性负载，反抗性负载，C C点点（2 2）位能性负载）位能性负载 ，D点点l 制动最常用的地方有二：制动最常用的地方有二： 1. 快速停车或快速降速快速停车或快速降速 2. 限制（或控制）工作机械产生过高的速度限制（或控制）工作机械产生过高的速度 l 直流电机制动方法有四：直流电机制动方法有四： 2 2回馈制动（再生发电制动回馈制

23、动（再生发电制动 ）c c）能量传递简图）能量传递简图 a a）原理电路图）原理电路图 b b）机械特性图）机械特性图 l 回馈制动实际中常常出现于：回馈制动实际中常常出现于：l 回馈制动发生条件：电机转速回馈制动发生条件：电机转速nn0 ，即电机反电势，即电机反电势 。aaUE 位能性负载拖动电动机转动时，位能性负载拖动电动机转动时， 在调压调速中突然降低端电压以及弱磁调速中突然增加磁通时。在调压调速中突然降低端电压以及弱磁调速中突然增加磁通时。l 突然降压产生回馈制动分析：突然降压产生回馈制动分析： 动态制动动态制动电动电动3 3反接制动反接制动 4 4倒拉反转制动倒拉反转制动 b b）能

24、量传递简图）能量传递简图 a a）机械特性图）机械特性图 l 条件：电枢电压反向条件：电枢电压反向l 串入串入Rj的目的的目的 l 电机最终的稳态运行点电机最终的稳态运行点 l 制动停车用时制动停车用时切断电源方切断电源方法法l 条件：条件：1)电枢正电压；电枢正电压； 2）位能性负载；）位能性负载； 3）电机反转；）电机反转； 4）串电阻（非必要）串电阻（非必要）l 制动停车过程为动态过程制动停车过程为动态过程l 倒拉反转制动倒拉反转制动是稳态运行是稳态运行1.4 异步电动机的起动、调速与制动异步电动机的起动、调速与制动 1.4.1 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 1 1固有机械特性固有机械特性 22cosICTTi221221122111222112xxs/rrfs/rpUms/rImPTem22121112114xxrrfpUmTm221212)xx(rrsm转矩的物理表达式转矩的物理表达式转矩的参数表达式转矩的参数表达式 （额定参数时即为（额定参数时即为固有机械特性表达式）固有机械特性表达式） 2 2人工机械特性人工机械特性 a)改变输入电压改变输入电压 b)绕线式转子回路串电阻绕线式转子回路串电阻 c)改变电源频率改变电源频