电气传动自动化技术手册

电气传动自动化技术手册（第三版）

部分章节详细目录

第2章电气传动系统方案及电动机选择电气传动系统的组成电动机 270•电动机的类型及其自然机械特性⑴各种电动机的自然机械特性…270⑵各类电动机机械特性计算公式及主要性能…2712•电动机的外壳结构型式TOC\o"1-5"\h\z电源装置 273电气传动控制系统 2732.2生产机械的负载类型及生产机械和电动机的工作制生产机械的负载类型 274•恒转矩负载2恒功率负载3•风机、水泵负载（二次型负载）222生产机械的工作制…………2752221长期工作制2222短期和重复短期工作制223电动机的工作制…………275分为10个类型2.3电动机的选择231直流与交流电动机的比较………………2802311不需调速的机械2312需要调速的机械⑴转速与功率之积⑵飞轮力矩⑶解决直流电动机GD2大和功率受限制问题⑷在环境恶劣场合⑸交直流电动机调速性能差不多⑹对电网的影响23=2 交流电动机的选择 281普通励磁同步电动机永磁同步电动机大功率无换向电动机异步电动机开关磁阻电动机TOC\o"1-5"\h\z直流电动机的选择 28323=4 电动机结构型式的选择共10条 28323=5 电动机的四种运行状态 284•四种运行状态2动力制动3再生制动23=6 常用电动机的性能及适用范围 284237 电动机的功率计算及检验 287•发热校验2走动校验3过载能力校验4•电动机GD2校验电动机功率计算的基本公式………………288•电动机容量计算的基本公式表2－52飞轮力矩的计算表2－63机械传动效率平均值表2－74滚动摩擦系数表表2－85.滑动摩擦系数表表2—9几种常用机械传动中所用电动机的功率计算……………291•离心式风机2离心式泵3离心式压缩机4起重机5金属切削机床电动机的校验………………293•恒定负载连续工作制下电动机的校验⑴电动机的额定功率PN;⑵电动机的最小起动转矩；⑶允许的最大飞轮力矩；TOC\o"1-5"\h\z2•短时工作制下电动机的校验 2943•变动负载连续工作制电动机的校验 294⑴矩形负载；⑵梯形或三角形负载；4•断续周期工作制下电动机的校验 295⑴选用断续定额电动机等效电流⑵选用连续定额电动机等效电流、等效转矩5•平均损耗法 297⑴电动机在一个周期中的平均总损耗⑵起动过程中的能量损耗⑶起动时间⑷稳态运转过程中的能量损耗⑸稳态运转电流⑹反接制动过程中的能量损耗⑺能耗制动过程中的能量损耗⑻反接和能耗制动时间⑼平均总损耗折算到相应的标准负载持续率计算举例例2—1平稳负载长期工作制电动机容量校验实例299例2－2用平均损耗法校验断续工作制电动机…2992.4典型生产机械的工艺要求及电气传动系统方案的选择TOC\o"1-5"\h\z风机和泵类 301242 球磨机和磨类 301简单调速类 302244 稳速类 302多分部（单元）速度协调类 3022.4.6 宽调速类 303242 快速正反转类 303随动（伺服）类 304提升机械类 30424.1^ 张力控制类 3052JJ! 高速类 305第4章调速技术基础4.1调速系统分类和系统指标调速的分类 358开环调速和闭环调速无级调速和有级调速向上调速和向下调速恒转矩调速和恒功率调速调速系统的静态指标 359稳态调速精度静差率与调速范围稳速精度转速分辨率调速系统的动态指标（第9章9.1节）模拟控制和数字控制TOC\o"1-5"\h\z离散和采样 360连续变量的量化增量式编码器脉冲信号的量化 362转速测量角位置测量电压、电流等模拟量的量化 364瞬时值法平均值法模拟和数字调节器 366比例积分（PI）调节器惯性比例（PT）调节器惯性微分（DT）调节器模拟和数字斜坡给定（给定积分） 369普通RFG带圆角的RFG开环前馈补偿（预控） 372数字控制器对数字控制器的要求 373处理器输入和输出接口通信接口外围设备控制电源常用微处理器和控制芯片 374单片机数字信号处理器精减指令集计算机并行处理器和并行DSP专用集成电路专用数字控制器和通用数字控制器 376专用数字控制器通用数字控制器调速系统中的信号检测电压、电流测量 377取样电阻直接检测法隔离放大器交流互感器霍尔传感器基于》/△变换的电压、电流检测器转速和位置测量 382测速发电机编码器4.423 旋转变压器第5章电动机的电器控制5・1电动机的起动、制动及保护511电动机的起动 385电动机起动的条件…………385⑴起动时，对电网造成的电压降不超过规定的数值；⑵起动功率不超过供电设备和电网的过载能力；⑶电动机的起动转矩应大于传动机械的静阻转矩；⑷起动时，应保证电动机及起动设备的动稳定和热稳定性；⑸各种机械所需的转矩表5－1三相异步电动机的基本控制环节…………386⑴直接起动；减压起动；软起动；⑵熔断器起后备短路保护，主保护由低压断路器承担；⑶热继电器起电动机过载保护作用；⑷欠电压与失压保护；绕线转子异步电动机的起动………………3871•转子回路串接电阻起动；2•转子串频敏变阻器起动； 388⑴起动特性；⑵按机械负载特性选用频敏变阻器⑶频敏变阻器接线………………393⑷改变频敏变阻器匝数和气隙时的特性5.1.1.4笼型转子异步电动机的起动………………393•按电网容量允许直接起动的笼型电动机功率；表5－6 表5－7直接起动；3•星一三角减压起动；4•定子串电阻减压起动；5•自耦变压器减压起动；6•笼型电动机各种起动方式比较表5—8 3955.1.1.5软起动控制器………………394•工作原理；软起动控制器的工作特性⑴斜坡恒流升压起动；⑵脉冲阶跃起动；⑶减速软停控制；⑷节能特性；⑸制动特性；软起动器的应用可逆起动……396变极对数三相交流异步电动机的控制点动运行同步电动机的起动…………396•直接起动的条件；电抗器减压起动；自耦变压器减压起动变频起动；准同步起动；5.1.1.10 直流串励电动机的起动…401电动机的制动机械制动……402能耗制动……404各种电动机能耗制动的性能表5—15反接制动……404反接制动的接线方式和制动特性表5—16回馈制动……408回馈制动的性能表5—17低频制动……408电动机的保护 4095.1.3.1交流电动机的保护…………409•短路保护；过载保护；欠电压保护；直流电动机的保护…………412514 智能型电动机控制器 413电器的选择隔离器、刀开关 414开启式刀开关封闭式负荷开关开启式负荷开关熔断器式隔离器隔离器、刀开关的选用原则52.2低压断路器 416低压断路器结构和工作原理常用典型低压断路器简介低压断路器、漏电断路器的选用原则......4355.2.2.4 关于系统接地形式的说明…437TOC\o"1-5"\h\z52.3 接触器 437接触器的结构及工作原理 438常用典型交流接触器简介接触器的主要特性和参数 442接触器的选用原则 443热继电器 443热继电器的工作原理常用热继电器产品简介热继电器的选用 444控制与保护开关电器熔断器 447熔断器的结构及工作原理熔断器的使用类别和分类 449常用典型熔断器简介熔断器的选用 450继电器继电器的选用 457主令电器5.2.8.7主令电器的一般选用原则 459电磁执行机构 460电气安装附件 461电力网络仪表 4625.3控制设备第6章直流传动系统6・1直流电动机的调速系统611 直流电动机的调速原理 469改变电枢回路电阻调速

•特性方程；2•机械特性；3•调速特性；改变电枢电压调速…………470•特性方程；机械特性；直流电动机改变电压调速的方法表6－1改变磁通调速………………472•特性方程；机械特性三种调速方式的性能比较表6－2612 发电机一电动机组调速系统 473斩波器调速系统 475基本工作原理及电路结构•降压斩波器；2升压斩波器；可逆斩波电路………………477•电流可逆斩波电路；2桥式可逆斩波电路；斩波器的谐波及滤波电路…479614 晶闸管变流器的主电路方案 4816.1.4.1 电枢回路晶闸管不可逆系统………………481•电枢调压控制2电枢调压和减弱磁场控制⑴调压调磁独立控制；⑵调压调磁非独立控制；⑶调压调磁时电动机的调速特性图6－19靠接触器反接的可逆系统…483•四象限工作图2两象限运行工作图3靠接触器反接电枢电路…………4844•靠接触器反接磁场电路电枢电路晶闸管可逆系统…486•反并联联结；2交叉联结；直接反并联；6.15 晶闸管变流器可逆系统的控制方案 487采用双变流器组成12脉波整流的传动系统494晶闸管变流器主电路参数计算变流器的基本参数 495变流器联结及基本电路参数………………495•主电路接线方案对照表表6－5常用的晶闸管变流器线路及有关的计算系数和特点表6－6…………497晶闸管变流装置的主电路设备通常包括………495主电路的基本参数………………496重叠角u 496•处于整流工作状态的重叠角计算公式2处于逆变工作状态的重叠角计算公式…………498换相电抗压降………………4981•一次换相造成和平均电压降2m脉波整流电路，产生m次电流换相，换相电压降3•在变压器进线且只考虑其漏抗XT时最小触发超前角几血和最小触发延迟角«min499在一般电感负载逆变过程中满足公式499在采用变压器或电抗器进线时应满足公式3•电动机制动时，几血同时必须满足例如………………4995•最小触发延迟角amin选取时应考虑的因素 500电流断续时对变流器工作特性的影响……5001•变流器输出电压平均值Ud和电流平均值Id公式及公式成立的临界条件………………5002•三相桥式整流电路中ud和电流平均值Id公式3•在导通角X=2n/m时对应的Ud和电流平均值Id公式…………………501变流变压器的计算6.2.2.1变流电压的原始方程5026.2.2.1变流电压的原始方程502对于电压调节系统有：⑴变压器阀侧相电压公式⑵对于转速调节系数，变流器输出电压公式⑶变压器二次相电压公式⑷对于转速调节系统二次相电压的校验有环流可逆控制•有环流可逆控制给定环流可逆系统可控小环流可逆系统逻辑无环流可逆控制………489有准备逻辑无环流可逆控制………………491错位选触无环流可逆控制…492⑸励磁电流调节系统，变压器输出电压及二次相电503三相桥式整流，采用速度调节系统时，等效星联结的阀侧相电压与电动机额定电压的关系晶闸管变流器主电路采用三相全控桥线路时，变流变压器二次线电压和直流电动机额定电压的匹配表6－8变流变压器的二次和一次相电流…………503变压器的二次容量、一次容量 5041•一次容量；2•二次容量；3•等值容量；4•变流变压器容量推荐值表6—9 5055•设计和选择变流变压器时，需要考虑的因素交流进线电抗器的选择……505•作用电抗器电感量的计算方法交流电抗器的电感量计算公式电抗器设计经验数据……………506计算实例例6—1例6—2晶闸管的选择方法 5086.2.3.1晶闸管额定电压URRM的选择623.2 晶闸管通态平均电流It（av）的选择 5091•晶闸管通态平均电流IT（AV）的选择晶闸管的平均损耗例题6—3………510晶闸管连同散热器的热路计算…511负载工作制和环境条件的影响……………5121环境条件交变和冲击负载时的电流额定值长期负载叠加短期过负载………513周期性交变负载直流回路电抗器的选择和计算电动机电枢电感Lm和变压器漏感 515限制直流脉动率的电感值…515使直流电流连续的电感值…517限制均衡电流的电感值……517双桥并联平衡电抗器的电感值……………518限制故障电流上升率的电感值……………521晶闸管变流装置的保护交流电阻电容过电压保护…523交流侧整流式阻容保护……525压敏电阻保护………………526变压器静电感应过电压保护………………527换相过电压保护……………528直流侧过电压保护…………529桥臂电感的参数选择………529过电流保护…………………531快速熔断器的选择和计算…531第7章交流调速传动系统7.1交流调速的引言及分类TOC\o"1-5"\h\z引言一交流调速和直流调速 553交流调速系统分类 554交流调速用电力电子装置721 不可控整流器和可控整流器 555直流输出端接有大滤波电容的整流工况连接于异步电动机转子绕组的不可控整流器…556输出交流或周期脉动直流的可控整流装置……5564•基于晶闸管负载自然换相的电流型逆变器（LCI）TOC\o"1-5"\h\z晶闸管交流调压器 557脉宽调制（PWM）交流器基础用于调速系统的PWM变流器 5597.2.4.1直流斩波器…………………559电压型PWM逆变器电压型PWM整流器 560三相电压型PWM逆变器和PWM整流器5617.2.4.5矩阵变频器…………………561三相电流型PWM整流器和PWM逆变器…563定子侧交流调速系统定子调压调速系统调压调速特性………………564异步电动机的电磁转矩公式2•普通笼型异步电动机不同Us的机械特性3风机、泵类负载调压调速特性4•高阻转子电动机调压调速特性 565功率损耗分析转差率功率损耗系数……………565⑴转差功率Ap、转子电流公式⑵不同负载性质的△p曲线 566谐波对电动机运行的影响调压调速的优缺点及适用范围……………566大功率交一交变频调速系统（CC）7.3.2.1 交—交变频器基础…………566单相输出交—交变频器基础2•三相输出交一交变频器基础 567⑴输出Y联结的三相输出交一交变频器⑵公共交流母线方式……………568交—交变频器输出频率上限交—交变频器电网侧电流谐波和功率因数⑴特征谐波 ⑵旁频谐波⑶影响交—交变频器输入功率因数的因素⑷三相输出交一交变频器的输入功率因数A与Uom及cosq的关系 570交－交变频器主电路参数计算……………5701•整流变压器计算⑴交流变频器输出最大可能的最大交流线电压有效值Uo.max公式；⑵电动机额定电压（线电压有效值）Um公式⑶整流变压器二次线电压有效值U2（公式⑷变压器容量公式2•晶闸管电压、电流计算 571⑴晶闸管电压裕量校验公式⑵晶闸管并联去路计算7.3.2.3交－交变频器的控制………571•单相输出交－交变频器的电流控制三相输出交－交变频器的电流控制晶闸管负载自然换相交一直一交变频调速系统……………573LCI变频调速基础•LCI变频原理2LCI中逆变器的换相LCI变频器主电路参数计算………………574•额定直流电流；2额定直流电压；LCI变频调速系统的控制…575•同步电动机的自控变频2LCI变频调速控制系统图CC／LCI混合变频…………577定子侧低压电压型交一直一交变频调速系统TOC\o"1-5"\h\z逆变器脉宽调制（PWM）的实现 578•三角载波比较法（电压正弦法）2电流跟踪控制法（电流正弦法）………………5793•空间电压矢量法（磁链正弦法） 5804•指定谐波消除法 581逆变器的开环输出电压控制和闭环输出电流控制…………581•开环电压控制；2闭环电流控制；定子侧低压电压型交－直－交变频调速的应用……………582•逆变器部分………583⑴开关频率选择⑵输出滤波⑶轴电流抑制2整流电源部分……584⑴不可控整流电源（DEF整流器）⑵晶闸管整流/回馈电源 585⑶电压型PWM整流电源［有源前端（AFE）整流器］ 586⑷公共直流母线…………………5873其他应用问题……587⑴普通电动机的降容曲线⑵逆变器输出电缆⑶直流储能电容的预充电定子侧中压交一直一交变频调速系统……588中压电压等级问题电压型中点钳位三电平变频器•电压型中点钳位三电平逆变器…588⑴原理和特点⑵三电平逆变器的控制⑶逆变器的输出滤波器供电整流器………591⑴晶闸管整流电源（DFE整流器）⑵晶闸管整流/回馈电源更多电平的逆变器TOC\o"1-5"\h\z电压型H桥级联变频器 592•H桥级联变频器原理2H桥级联变频器的控制3.H桥级联变频器的特点及问题 594电流型PWM变频器 595永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机调速系统………596永磁同步电动机调速系统永磁无刷直流电动机调速系统开关磁阻电动机调速系统…598转子侧和转子轴上交流调速系统741 转子侧串级调速系统和双馈调速系统……600转子侧高效调速系统•转子侧串级和双馈调速系统示意图四种工作状态的功率流图转子侧高效调速系统的特点串级调速系统………………601•传统串级调速系统（晶闸管逆变串级调速）2斩波＋晶闸管逆变串级调速3•斩波+PWM逆变串级调速系统 602双馈调速系统………………603转子轴上交流调速系统电磁转差离合器调速系统…604液力耦合器调速定子侧变频调速控制系统标量V/F控制系统（压频比控制） 605高性能交流调速基础 606调速的关键是转矩控制交流电动机的转矩控制……607交流电动机的坐标系………608交流电动机的空间矢量……609坐标变换……610交流电动机的矢量控制（VC）系统永磁同步电动机的矢量控制系统…………611励磁同步电动机的矢量控制系统…………612异步电动机的矢量控制系统………………614异步电动机的直接转矩控制（DTC）系统7.5.4.1异步电动机的直接转矩控制………………6167.542直接转矩控制（DTC）和矢量控制（VC）比较……………617无编码器的异步电动机高性能调速系统...618高性能调速系统的两个问题 618第8章典型控制系统方案8・1轧钢机辊道多电动机传动控制系统辊道传动的工艺特点 620辊道电动机容量的计算变频传动系统供电装置的容量选择辊道变频传动系统的工程计算实例8・2卷取开卷传动张力控制系统TOC\o"1-5"\h\z82・1 张力控制系统的一般工作原理 629间接张力控制和直接张力控制 632间接张力控制直接张力控制轧机卷取张力控制系统的应用举例 6338.3起停式飞剪的快速起停控制系统飞剪控制系统的组成 63783・2 剪刃位置控制和对飞剪工艺要求8.4轧钢机压下的位置控制系统 642双电枢及多电动机传动控制系统...6468.6多点传动电气同步控制系统 648第9章电气传动控制系统的综合9・1电气传动控制系统的性能指标911 阶跃给定信号响应指标 654响应时间tan动态响应偏差带±6%超调量o%调节时间tr振荡次数N斜坡给定信号响应指标 655阶跃扰动信号作用下的指标动态波动量om%动态波动恢复时间tre动态调节时间trg动态偏差面积Am%9.2工程综合方法调节器传递函数 656比例（P）调节器积分（I）调节器比例积分（PI）调节器微分（D）调节器惯性（T）调节器微分惯性（DT）调节器TOC\o"1-5"\h\z9.2.2 系统传递函数的简化方法 657多个小时间常数的等效处理大惯性时间常数的等效处理 658电动扰动的近似处理电源内阻的近似处理系统内环的等效处理模型系统设计 658典型模型系统 6591•典型I型模型系统2•典型II型模型系统典型模型系统参数综合方法 660•对称最佳法2振荡指标法直流电气传动系统的分析综合晶闸管变流器的传递函数 660直流电动机的传递函数电枢部分 660•传递函数2三个传递函数框图 662磁场部分 662•传递函数2直流电动机励磁回路传递函数框图 663电枢和磁场配合控制•电枢电流连续时电枢磁场传递函数框图2电枢电流断续时电枢磁场传递函数框图直流电动机调速系统的配合 663电枢电流调节环•电枢电流调节环结构及其简化⑴电枢电流调节环传递函数框图⑵电流调节环简化框图2电枢电流调节器的参数选择3.电枢电流的自适应调节 664

9.3.3.2速度调节环…………………6651•速度调节环结构及其简化⑴速度调节环传递函数框图⑵速度调节环简化框图2•速度调节器的参数选择3•速度的自适应调节9.4交流电气传动系统的分析综合同步电动机交一交变频调速系统 666交流电流调节器•交流电流调节环传递函数框图按照对称最佳法，电流调节器的比例系数交流电流调节环等效时间常数直流电流调节器……………667•直流电流调节环传递函数框图2按照对称最佳法，直流电流调节器的积分时间常数转子励磁电流调节器………668•励磁电流环传递函数框图按照对称最佳法，转子励磁电流调节器的比例系数积分时间常数磁链调节器•比例积分调节器⑴传递函数框图⑵比例系数⑶积分时间常数2比例调节器………669⑴传递函数框图⑵比例系数速度调节器•速度调节环传递函数框图比例系数积分时间常数异步电动机交一直一交电压型PWM通用变频调速系统……670电流调节器•电流调节环传递函数框图比例系数积分时间常数磁链调节器…………………671•异步电动机磁链调节传递函数框图比例系数积分时间常数速度调节器…………………671•速度调节环传递函数框图2对称最佳法，比例系数9.5工程设计举例………………6729.5工程设计举例………………672基本参数9.5.2电枢电流环9.5.3速度调节环3积分时间常数第11章电气传动装置的谐波治理和无功补11.1概述谐波对公用电网的影响 810公用电网对谐波的限制允许的电网电压畸变率允许用户注入电网的谐波电流……………811•注入公共连接点的谐波电流允许值表11－2表11－2中的谐波电流允许值的换算…………812两个谐波源的同次谐波电流的叠加4•每个用户的谐波电流的允许值功率因数和无功功率对公用电网的影响...813公用电网对功率因数和无功功率的要求对功率因数的要求对冲击性无功功率的限制 814谐波电流计算直流传动整流装置的谐波电流交一交变频器的谐波电流 816电压源交一直一交变频器的谐波电流……817变频器网侧谐波电流的次数变频器网侧电流的谐波含量TCR或TCT补偿装置的谐波电流……………818TOC\o"1-5"\h\z谐波电流计算实例 819功率因数计算功率因数和无功功率的定义直流传动整流装置的功率因数 822•整流装置的电流基波与电压的相位差2•例11—1 823交一交变频器的功率因数单相交—交变频器…………824三相交—交变频器…………825例11—2电压源交一直一交变频器的功率因数……827谐波治理的方法1141 无源滤波 828低通滤波器高通滤波器…………………830有源滤波11.4.2.1有源滤波的工作原理……83111.4.2.2有源滤波器的主电路………832有源滤波器的分类11.5无功补偿的方法静态无功补偿 834电容器常接的方式电容器自动投切的方式……835动态无功补偿晶闸管投切电力电容器方法………………836用晶闸管控制电抗器的方法滤波及无功补偿参数计算实例TOC\o"1-5"\h\zHQ 滤波兼静补装置计算实例 839动态无功补偿装置计算实例 851第12章基础自动化概述1211 工业自动化系统及其结构 86412.12 基础自动化系统的特点12±3 基础自动化系统的任务工业控制计算机工业控制用计算机分类 8651•数据采集和处理2•直接数字控制DDC3•监督计算机控制SCC4•生产及综合管理12.2.2 工业控制计算机的特点1223 工业控制计算机实时操作系统 868操作系统1•操作系统的概念主要功能2•操作系统分类12.3.3.1功能块图（FBD）语言12.3.3.2顺序功能图（SFC）语言TOC\o"1-5"\h\z梯形