第1章：电力拖动系统的基础课件

1、第1章 电力拖动系统的基础 电机拖动与控制1第一章：电力拖动系统的基础1.1 ：电力拖动系统的概述电力拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、控制设备三个基本环节。电力拖动系统框图如下：电源控制设备电动机传动机构生产机构2电力拖动系统的运行状态分：静态和动态静态：稳定运行状态或稳态（静止或匀速，系统处于平衡状态）；动态：也称暂态或过渡状态，即不稳定运行状态；按连接分：单轴拖动系统和多轴拖动系统单轴拖动系统：电动机与生产机械的工作机构之间采用直接连接。最简单、最基本的拖动系统，只有一个负载转矩和一个转动惯量，数学模型简单。多轴拖动系统：电动机通过各种传动机构变速后与生产机

2、械的工作机构之间相连接。经过转速和转动惯量的“折算”即可等效成单轴拖动系统31.1.1 ：电力拖动系统运动方程式电力拖动系统的运动方程式实质上是牛顿第二定律表达式的应用形式。在直线运动中，系统的运动方程式为： F:作用在直线运动部件上的托动力，N； FL:作用在直线运动部件上的阻力， N； v:直线运动部件的线速度，m/s； m:直线运动部件的质量，kg；4 在旋转运动中，系统的运动方程式为： T:电动机的电磁转矩，N.m； TL:生产机械的负载转矩， N .m ； J:转动部分的转动惯量，kg.m2； :转动部分的机械角速度，rad/s；5在工程计算中，常用n代替 表示系统速度，用飞轮力矩G

3、D2代替J表示系统机械惯性。 m：系统转动部分的质量，Kg； G：系统转动部分的重量，N； ：系统转动部分的转动半径，m ； D ：系统转动部分的转动直径，m ； g ：重力加速度=9.81m/s2J =m2=(G/g)(D2 )/4=GD2/4g6运动方程的实用形式为：=系统旋转运动的三种状态1）当TTL时，转速变化率 dn / dt 0，则拖动系统加速运行；2）当TTL时，转速变化率dn / dt 0，则拖动系统减速运行；3）当T = TL时，转速变化率dn / dt = 0，则拖动系统处于稳态运行状态。 7在应用运动方程式时，必须首先按电动机惯例规定转速和各种转矩的正方向。当某转速或转矩

4、为正值时，其实际方向与正方向相同；当它们为负值时，其实际方向与正方向相反。1）电磁转矩T的正方向与转速n的正方向相同。即认为电磁转矩是驱动转矩。2）负载总转矩TL 的正方向与转速n 的正方向相反。即认为负载总转矩是阻碍转矩。3）至于负载转矩T2和空载转矩T0均属于负载总转矩TL的组成部分，其正方向应该与TL相同，即与转速方向相反。1.1.2 ：电力拖动系统中转速和转矩的正方向8电力拖动系统机械负载的转矩特性91.2 负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算 许多生产机械要求低速运转，而电动机一般具有较高的额定转速。这样，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，为列出这个系统的运动方程，必须先将各转动部

5、分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量都折算到某一根轴上，一般折算到电动机轴上，即折算成最简单的典型单轴系统。折算基本原则：折算前后的能量关系或功率关系保持不变。 10图1-3 多轴拖动系统（a）旋转运动 （b）直线运动111.2.1负载转矩的折算负载转矩是静态转矩，可根据静态功率守恒原则进行折算。对于旋转运动，如图1.3（a）所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率为式中， 生产机械的负载转矩； 生产机械的旋转角速度 12负载转矩的折算13负载转矩的折算14负载转矩的折算如果是电动机拖动生产机械旋转或移动，则传动机构中的损耗应由电动机承担，根据功率平衡关系，有 又因得出 如果是生产机械拖动

6、电动机旋转，则传动机构中的损耗由生产机械的负载来承担，于是有 或 151.2.2 转动惯量和飞轮转矩的折算根据动能守恒原则进行折算 一.旋转运动 1.折算到电动机轴上的总转动惯量为16转动惯量和飞轮转矩的折算2.折算到电动机轴上的总飞轮转矩为3.实际工程17转动惯量和飞轮转矩的折算二.直线运动 1.总转动惯量2.总飞轮转矩为总结：将所求得的 、 代入式（1.5）多轴拖动系统的运动方程式 181.3 机械负载的转矩特性生产机械的机械特性指n=f(TL)的关系1.3.1:恒转矩负载机械特性1、反抗性恒转矩负载特性 负载转矩由摩擦力产生，其特点：大小恒定（与n无关）；作用方向与运动方向相反。TL电动

7、机轴Tnn0TL-TL192、位能性恒转矩负载特性下放时： n0拖动转矩负载转矩由重力产生其特点：绝对值大小恒定；作用方向与n无关，不变。TL电动机轴TnnTL0TL提升时： n0 ,TL 0阻转矩下放时： n0拖动转矩201.3.2: 恒功率负载负载转矩与转速成反比关系TL=k/nnTL0负载功率它与n无关，称恒功率负载。211.3.3: 风机泵类负载 负载转矩与转速成平方关系TL=Cn2。风力发电机TLn12TL0221.4 电气控制常用元件低压电器，通常是指工作在交流交流1200V或直流1500V以下的电器； 按其功能可分为低压配电电器和控制电器前者包括刀开关、转换开关、熔断器和断路器等

8、 后者包括接触器、继电器、起动器、主令电器 基本结构主要由感应和执行机构两个环节组成 1.4.1概述231功能：熔断器是一种用于过载与短路保护的电器，具有结构简单、价格低廉、使用方便等优点，因而广泛应用。2.图形符号与文字符号： FU 3.结构与类型：熔断器是根据电流的热效应原理工作的。当电路正常工作时，流过流体的电流小于或等于它的额定电流，由于熔体发热的温度尚未达到熔体的熔点，所以熔体不会熔断，当电流达到额定电流的1.32倍时，熔体会缓慢熔断。1.4.2: 熔断器24熔断器的结构如下图所示251.4.3: 开关元件 1.刀开关 刀开关一般用来不频繁的接通和分断容量不很大的低压供电线路，也可作

9、为电源的隔离开关，并可对小容量异步电动机做不频繁的直接起停控制。 如图所示刀开关的典型结构26刀开关的图形符号和文字符号如下图所示：272.自动开关 功能：自动开关又称自动空气断路器，当电器发生严重过载、短路及失压等故障时，能自动切断故障电路，有效的保护串接在他后面的电气设备。 符号 结构原理图282.自动开关低压断路器的选择 额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。 热脱扣器的整定电流应与所控制负载（比如电动机）的额定电流一致。 欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。 过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。291.4.4: 接触器 1功能接触器是能

10、频繁远距离地自动接通或开断主电路或大容量的控制电路的一种自动控制元件。具有较强的灭弧能力，常用于控制电动机或其他负载的大电流电路，由于具备低电压释放功能，还可以起到失压保护作用。2.符号 303.结构电磁系统 、触头系统 、灭弧装置 、其他部件。4.原理线圈不通电时，常开触点断开、常闭触点闭合； 当线圈通电后，通过电磁机构使常开触点闭合、常闭触点断开。接触器图l.15 交流接触器原理结1铁芯；2衔铁；3线圈4常开触点； 5常闭触点311.3.4: 继电器 继电器是一种根据根据输入信号的变化来控制触头的动作，实现接通或断开小电流的自动控制元件。1.电压、电流继电器 电压、电流继电器是根据线圈电流

11、变化而动作的继电器，又分过电流和欠电流继电器 322.中间继电器 中间继电器在电气控制系统中主要起扩充触头数量以及扩大触头容量的作用。33 2.时间继电器当接受外界信号后延时动作的继电器。分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式。延时的方向是从圆弧到圆心，其余立即动作 34时间继电器利用阻尼（如空气阻尼式、电磁阻尼式等）、电子和机械的方法使继电器获得延时 . 353.热继电器 热继电器是一种利用电流的热效应原理进行工作的保护电器，常利用它进行过载保护。还有断相保护、电流不平衡的保护及其他电气设备发热状态的控制。 电动机短时过载是允许的，但长期过载就会发热，采用热继电器进行保护。 热继电器的符号3

12、64.速度继电器 主要用于电动机反接制动控制电路中，当反接制动的转速下降到接近零时能自动的及时切断电源。375.固态继电器 采用固体半导体元件组装而成的一种无触点开关 ，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、无火花地接通和断开被控电路。 38固态继电器 固态继电器使用注意事项 （1）固态继电器的选择应根据负载的类型（阻性、感性）来确定，并要采用有效的过压保护。（2）输出端要采用阻容浪涌吸收回路或非线性压敏电阻吸

13、收瞬变电压。（3）过流保护应采用专门保护半导体器件的熔断器或用动作时间小于10ms的自动开关。（4）安装时采用散热器，要求接触良好，且对地绝缘。（5）切忌负载侧两端短路，以免固态继电器损坏。391.4.5: 主令控制元件主令控制元件是在自动控制系统中主要用来发送控制指令或信号的操纵电器。1.按钮 按钮是一种手动且可以自动复位的主令电器，一般用来远距离操纵接触器、继电器等电磁装置或用于信号和电气联锁线路中。 按钮开关结构示意图 40 按钮开关的图形符号及文字符号412.行程开关行程开关是用来反映工作机械的行程，发布命令以控制其运动方向或行程大小的主令电器。普通行程开关又称限位开关，是一种利用生产

14、机械运动部件的碰撞发出指令的主令电器，用于控制生产机械的运动方向、行程大小或限位保护。 42行程开关接近开关非接触式的行程开关，即接近开关当某种物体与之接近到一定距离时就发出动作信号 ，通过其感辨头与被测物体间介质能量的变化来获取信号。 43行程开关光电开关克服了接近开关的作用距离短、不能直接检测非金属材料等缺点 ，抗电磁干扰能力强 ，可非接触、无损伤地检测物质的状态和动作 。 443.万能转换开关和主令控制器功能万能转换开关是一种多档、同时控制多回路的主令电器。一般可作为各种配电装置的远距离控制；也可作为电压表、电流表的换向开关；还可以直接控制小容量电动机(22kW以下)，作为的起动、调速、换向之用。主令控制器是用来频繁切换复杂的多回路控制电路的一种主令电器，主要用于起重机、轧钢机等生产机械的远距离控制。45万能转换开关的图形及文字符号a 图形及文字符号 b 触点状态461.4.7电磁执行器件1.电磁铁主要由励磁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。2电磁阀用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器 3.电磁制动器作用就是快速使旋转的运动停止，即电磁刹车或电磁抱闸 471.5 电气控制基本环节 一.控制系统中的基本保护环节即短路保护、过载保护、失压和欠压保护 基本电路（左侧为主电路，右侧为控制