第1章-电机控制技术绪论

电机控制

上海电力学院电力与自动化工程学院吕学勤lvxueqin@Friday,September15,2023本课程的主要内容1.电动机原理及特性（20学时）直流电动机原理及特性、启动、调速交流电动机原理、运行、启动、调速2.直流传动控制系统（8学时）单闭环调速系统多环调速系统3.交流电机拖动控制系统（8学时）交流电机闭环调速系统串级调速、矢量控制3.电动机智能控制及节能（10学时）实验：16学时控制策略仿真本课程的主要参考书邱阿瑞，电机与拖动基础，电子工业出版社，2001年顾绳谷，电机及拖动基础，机械工业出版社陈伯时，电气传动自动控制系统，机械工业出版社，2003年什么是拖动？气体拖动汽缸、气阀、气体管路、气源；特点：干净、力矩较小、噪音小应用：食品、药品、包装行业液体拖动液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达；特点：力矩大，有油污应用：轮船、大型压机电力拖动电机、电缆、电源、特点：传送距离更远、调速性能更好国民经济各行各业什么是电力拖动？电力拖动系统的组成电动机控制设备传动机构生产机械电源电机的分类变压器旋转电机直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压、降压特种变压器：自耦、互感器动力电机微特电机感应电机同步电机交流电机静止电机感应电动机感应发电机直流电动机直流发电机同步电动机同步发电机电力拖动的类型成组拖动

由一台电动机通过一根长轴(俗称“天轴”)拖动全车间的一组生产机械。从电动机到各个生产机械的能量传递以及在各生产机械之间的能量分配完全用机械方法，靠天轴及机械传动系统来实现。电动机远离生产机械，车间里有大量的天轴、长皮带和皮带轮等。能量传递过程中的损耗大，效率低，灰尘大，劳动条件与卫生条件很差，而且不安全，易出事故。单机拖动：单电动机拖动

由一台电动机单独拖动一台生产机械。这样，电动机与生产机械在结构上配合密切，可以用电气方法调节每台生产机械的转速，从而进一步简化机械结构，提高生产效率，而且易于实现生产机械运转的全部自动化。但是，一台生产机械往往又具有几个不同的运动。例如，车床，就有刀架的横向移动，纵向移动和主轴的转动。单电动机拖动方式不便于各种运动的分别调节，而且使传动机构复杂化。多机拖动：多电动机拖动

由多台电动机分别拖动一台生产机械的各个运动部分。即每一个执行机构用单独的电动机拖动。这样，生产机械的机械结构大为简化，克服了单机拖动的缺点。电力拖动的发展概况交、直流两大电力拖动系统。在电力拖动系统发展史上，一直是二者互为补充、相辅相成、交替发展。(十九世纪三十年代有了直流电，十九世纪末出现交流电)直流电力拖动系统具有较好的技术性能，如起动性能和调速性能很好。因此，直流拖动在对起动、制动、正反转、调速等有较高要求的场合应用得很广泛。直流电动机结构复杂、价格较贵、维护困难，安装环境有一定限制(不能用于恶劣环境，如有爆炸气体及尘埃的场合)。使得直流拖动在很多场合受到限制。而交流电动机在以上几方面都优于直流电动机，并且考虑到电能的产生及输送多为交流电能，所以交流电力拖动系统收到人们的重视。为什么学习本课程？电机的广泛应用；见上面的例子生产加工工艺指标要求对电机进行控制；例如：轧钢、造纸、机床等多门知识的综合运用本课程与其他课程的关系本课程是自动化、电气工程专业的专业基础课

先修课程：物理学、电路、电机学、自动控制理论、电力电子技术；课程特点“电气传动自动控制系统”是历来学生感到难学、怕学的课程，因为因其涉及到电、磁、机、控制系统等多方面的理论和相关知识，也是电类学生首次接触到的一门理论、实际紧密结合的课程。在学习本课程时，一方面从态度上应从认识电机的重要性出发，提高学习的兴趣，从而能知难而进。另一方面，从方法上，应逐步和尽快适应和掌握其特点和学习方法。课程学习任务掌握常用交直流电机的基本理论掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论掌握电力拖动系统中电动机各种调速方法的基本原理掌握直流电动机单闭环、多环调速系统的设计方法，电机与电力拖动系统的基本实验方法与技能，并具有熟练的运算能力掌握交流电动机的调速方法及双环调速系统的设计方法第一章电力拖动系统基础在工农业生产中，各种生产机械一般都以电动机为动力，来完成对物体的加工、输送、压缩与分离等各项工作。这种以电动机为动力来拖动各种生产机械的工作方式，称为电力拖动(或电气传动)。电力拖动系统一般由电动机、控制设备、传动机构、生产机械和电源组成，如图所示。电力拖动系统基本分类电动机通常是根据生产机械的工作要求来选用，主要有直流电动机异步电动机同步电动机直流电动机为动力的拖动系统称为直流电力拖动系统，简称直流拖动系统交流电动机为动力的拖动系统称为交流电力拖动系统，简称交流拖动系统。单轴电力拖动系统电磁转矩T的正方向与转速n(rad/s)的正方向相同负载转矩TL的正方向与转速n的正方向相反。电力拖动系统的基本运动方程p4采用牛顿第二定律（旋转运动）J为转动惯量动态转矩与惯性转矩

当T＝TL时，即速度导数＝0，电力拖动系统处于恒速运行的稳定状态(或静止)；当T＞TL时，即速度导数＞0，电力拖动系统处于加速运行的过渡过程；当T＜TL时，即速度导数＜0，电力拖动系统处于减速运行的过渡过程。电力拖动系统做直线运动时电力拖动系统运动分析

电动机的转矩

已知电动机的轴上(输出)功率，可以计算出电动机的转矩：

P—电动机的轴上(输出)功率，单位为瓦特(W)

若电动机功率的单位是千瓦(kW)，则电机转矩方向的规定电机产生与正向旋转一致的转矩为正，当电机作为电动机工作时，产生正转矩，带动生产机械工作；电机在制动状态工作时，产生负转矩，它与系统转向相反，起制动作用。负载转矩

负载转矩的符号，

生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系TL=f(n)，称为负载的转矩特性。负载的转矩特性可以归纳为以下三种典型类型：考虑到运动方程式中，TL前已有负号，所以取：负载转矩与运动正方向相反的为正，负载转矩与运动正方向相同的为负。1.恒转矩负载的转矩特性

恒转矩负载的转矩特性，就是指负载转矩TL与转速n无关，即当转速n变化时，负载转矩TL保持常值不变(|TL|=const)。恒转矩负载有以下两类：(1)反抗性恒转矩负载负载转矩的绝对值大小是恒定不变的，且方向与运动方向相反，即：n＞0时，TL＞0(常数)；n＜0时，TL＜0(也是常数)，且TL的绝对值相等。（2)位能性恒转矩负载其特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，而且方向不变，当n＞0时，TL＞0，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩；当n＜0时，TL＞0，是帮助运动的拖动性转矩。恒转矩负载的转矩特性反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载2.通风机负载的转矩特性

通风机、水泵、油泵和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即TL∝n2。3.恒功率负载的转矩特性

恒功率负载的转矩特性，是指负载的转速与转矩的乘积为常数，即负载的机械功率P=TLΩL=TL

2πnL/60=常数。实际上负载转矩与转速称反比，TL∝1/n。恒转矩负载、通风机负载以及恒功率负载都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载形式，实际的负载可能是以某种典型为主或几种典型的结合。例如，实际的通风机主要是通风机负载特性，但是其轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。电力拖动系统稳定运行的条件

电动机的电磁转矩与转速之间的关系n=f(T)称为机械特性。不同的电动机有不同性质的机械特性，可以用数学表达式表示，也可以画成机械特性曲线。分析电力传动系统的稳定运行问题时，认为电动机的机械特性已知。稳定条件为使电力拖动系统正常工作，系统必须是稳定的。所谓稳定，是指系统受到干扰后(如负载变化，或电压、电阻等电气参量变化)，有回到稳定平衡状态的能力。从电力拖动系统的运动方程式可知，系统稳定运行即恒速不变的必要条件是动态转矩为零。工作点把电动机的机械特性与负载转矩特性画在同一坐标平面上。两条特性的交点，称为工作点。系统受到干扰后，若能回到