第1章(電力拖動控制系統(tǒng))__華科__馬志源

1、電力拖動控制系統(tǒng)電力拖動控制系統(tǒng) 講課教師：黃聲華，王雙紅講課教師：黃聲華，王雙紅 87542626轉轉8103（O） 辦公地點：電機樓前樓辦公地點：電機樓前樓103 Email： Swshs.hust.edcn上課時間：周二上課時間：周二7-8，周四，周四5-6 上課地點：西十二上課地點：西十二S210華中科技大學電氣學院電機及控制系華中科技大學電氣學院電機及控制系 緒緒 論論 本課程在電氣學科中的位置本課程在電氣學科中的位置本本課程課程與先修課程的關系與先修課程的關系教材、參考教材教材、參考教材 本課程的學習內容本課程的學習內容教學安排教學安排電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)

2、展動向1. 本課程在電氣學科中的位置本課程在電氣學科中的位置電能的電能的“生產、變換、傳輸、分配和使用生產、變換、傳輸、分配和使用”的示意圖的示意圖電能主要用于電力拖動系統(tǒng)電能主要用于電力拖動系統(tǒng)電動機電動機希望對電力拖動系統(tǒng)有更多的干預和控制希望對電力拖動系統(tǒng)有更多的干預和控制電機調速系統(tǒng)電機調速系統(tǒng) 發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器用戶輸電線MMMMG生產傳輸分配使用 課程的目的與任務課程的目的與任務 本課程在電氣學科中的位置本課程在電氣學科中的位置2. 本課程與先修課程的關系本課程與先修課程的關系 l 先修課程先修課程:電機學電機學電力電子學電力電子學自動控制理論自動控制理論檢測技術檢測技術電

3、子技術基礎電子技術基礎微機及其接口技術微機及其接口技術綜合性強，涉及面廣綜合性強，涉及面廣ASR-i*PWM邏輯“與”放 大驅 動dtdPMACR正、負轉矩控制 i邏輯控制-+-三角波發(fā)生器極性鑒別能耗制動單元絕對值變換*+BQ計算機內部控制VRVI 典型的電力拖動控制系統(tǒng)典型的電力拖動控制系統(tǒng)例例:p182,圖圖9-17,(圖圖0-2),無刷直流電動機系統(tǒng)無刷直流電動機系統(tǒng)3. 教材、參考教材教材、參考教材 l 參考教材參考教材 ：電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第第2版版 ，陳伯時，陳伯時 主編主編;電機及拖動基礎電機及拖動基礎 ，顧繩谷主編，顧繩谷主編; 其它有關直流調速系統(tǒng)、交

4、流調速系統(tǒng)的書；其它有關直流調速系統(tǒng)、交流調速系統(tǒng)的書；l 教材：教材： 電力拖動控制系統(tǒng)電力拖動控制系統(tǒng)，馬志源編著，馬志源編著， 科學出版社，科學出版社，2004年第年第1版版4. 本課程的學習內容本課程的學習內容 l 交流調速系統(tǒng)交流調速系統(tǒng) 交流調壓調速交流調壓調速 第第5章章 串級調速串級調速 第第6章章 交流變頻調速交流變頻調速 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 電力拖動基礎電力拖動基礎 第第1章章l 直流調速系統(tǒng)直流調速系統(tǒng) 第第2、3、4章章5. 教學安排教學安排 講課講課: 40學時學時 共共11章，章， 實驗實驗

5、: 8學時學時 分分2次：次：1.直流調速系統(tǒng)直流調速系統(tǒng) 2.交流交流PWM變頻調速系統(tǒng)變頻調速系統(tǒng) 時間另行通知時間另行通知；地點：西二樓；地點：西二樓1樓電機實驗室樓電機實驗室 考試：閉卷考試：閉卷 成績：作業(yè)成績：作業(yè)5分分+實驗實驗15分考試分考試80分分100分分6. 電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向20世紀世紀60年代以前，調速系統(tǒng)是以直流機組為主，年代以前，調速系統(tǒng)是以直流機組為主，20世紀世紀60年代，年代， 開始有晶閘管構成的直流開始有晶閘管構成的直流V-M系統(tǒng)。系統(tǒng)。20世紀世紀70年代開始，研究交流調速系統(tǒng)。年代開始，研究交流調速系統(tǒng)。20世紀世紀8

6、0年代之后，交流調速系統(tǒng)已成為調速系統(tǒng)的主流。年代之后，交流調速系統(tǒng)已成為調速系統(tǒng)的主流。 l 交流調速系統(tǒng)仍在不斷的交流調速系統(tǒng)仍在不斷的發(fā)展和完善中發(fā)展和完善中， 目前主要的發(fā)展有如下一些動向：目前主要的發(fā)展有如下一些動向：(1)新型調速電機。新型調速電機。(2)新型變流裝置和變流技術。新型變流裝置和變流技術。(3)新的控制策略。新的控制策略。(4)無速度（位置）檢測器的速度（位置）檢測技術。無速度（位置）檢測器的速度（位置）檢測技術。(5)全數字化控制及集成化技術。全數字化控制及集成化技術。l 電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第第1章章 電力拖動基礎電力拖

7、動基礎 1.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程電力拖動系統(tǒng)的運動方程 1.2 電力拖動系統(tǒng)的機械特性電力拖動系統(tǒng)的機械特性 1.3 他勵直流電動機的起動、調速與制動他勵直流電動機的起動、調速與制動1.4 異步電動機的起動、調速與制動異步電動機的起動、調速與制動 用各種原動機帶動生產或工作機械（負載）用各種原動機帶動生產或工作機械（負載） 產生運動，以完成一定的任務。產生運動，以完成一定的任務。1.1.1 電力拖動系統(tǒng)的構成電力拖動系統(tǒng)的構成 1.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程電力拖動系統(tǒng)的運動方程 一、一、“電力拖動電力拖動 ”的概念的概念1. 拖動：拖動：功率變換器（主電路）控制器指令電動機負載反饋電源

8、用各種電動機作為原動機的拖動方式。用各種電動機作為原動機的拖動方式。電力拖動控制系統(tǒng)：電力拖動控制系統(tǒng)：1.1.電機及負載電機及負載2.2.電力電子變換器（主電路）電力電子變換器（主電路）3.3.控制器控制器4.4.檢測、反饋裝置檢測、反饋裝置 電力拖動系統(tǒng)電力拖動系統(tǒng),四個組成部分：四個組成部分：1. 電動機電動機 2. 電機控制裝置電機控制裝置3. 機械傳動機構機械傳動機構4. 工作機械工作機械 二、電力拖動系統(tǒng)的構成二、電力拖動系統(tǒng)的構成（ 負載 ）（電氣傳動）電源控制裝置電動機機械傳動機構工作機械反饋三、電力拖動控制系統(tǒng)結構框圖三、電力拖動控制系統(tǒng)結構框圖2. 電力拖動：電力拖動：1.

9、1.2 機械傳動機構與工作機械的折算機械傳動機構與工作機械的折算 物理量：物理量： 轉矩（力）、轉速（速度）、轉動慣量（質量）轉矩（力）、轉速（速度）、轉動慣量（質量） 單位：單位： 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則折算的概念及折算原則1） 折算的概念：折算的概念：折算折算把一個多軸系統(tǒng)用一個單軸系統(tǒng)或單拖動（推動）系統(tǒng)把一個多軸系統(tǒng)用一個單軸系統(tǒng)或單拖動（推動）系統(tǒng) 來取代。來取代。 a）保持折算前后兩個系統(tǒng)）保持折算前后兩個系統(tǒng)傳送傳送的的功率功率相同相同 b）保持折算前后兩個系統(tǒng)）

10、保持折算前后兩個系統(tǒng)儲存儲存的的動能動能相同相同 2） 折算原則：折算原則：3） 折算的物理量：折算的物理量：折算折算多軸系統(tǒng)多軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)能量守恒能量守恒例，負載軸的動能在折算前后相等，有：例，負載軸的動能在折算前后相等，有： 2.折算到電機旋轉軸上折算到電機旋轉軸上（1）負載轉矩）負載轉矩Tl 的折算的折算.電動機工作在電動機工作在電動狀態(tài)電動狀態(tài)時時.電動機工作在電動機工作在發(fā)電制動狀態(tài)發(fā)電制動狀態(tài)時時根據根據功率相等原則功率相等原則： TMJ1T1J1llJlT1j2j工作機構負載JT)a)bMMlTllTT傳動損耗由電動機承擔，傳動損耗由電動機承擔，傳動損耗功率由工作機構承

11、擔傳動損耗功率由工作機構承擔傳動效率傳動效率 得負載轉矩折算式為得負載轉矩折算式為 ：NmjllllTT 得負載轉矩折算式為得負載轉矩折算式為 ：mjllllnnj式中，速比式中，速比 （2）轉動慣量）轉動慣量J的折算的折算根據根據動能相等原則動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等。，系統(tǒng)儲存的動能相等。)kgm(jJjJjJJJJJl222222111 總轉動慣量是總轉動慣量是J為：為： 得：得：222llllJJJj222121lllJJ例，把電機軸的旋轉動能折算為直線運動動能后，兩者相等：例，把電機軸的旋轉動能折算為直線運動動能后，兩者相等：3. 折算到直線運動的工作機構上折算到直線運動的工作

12、機構上 以電動汽車為例，以電動汽車為例，把旋轉的量折算到工作把旋轉的量折算到工作機械方。機械方。（1）拖動力）拖動力F的折算的折算 TMJ1T1J1l2JlT1j2j)aM22T車輪車輪車輪車輪VFm)b整車質量lmlF（2）運動質量）運動質量m的折算的折算 有：有： )(VTF221122MMJm V 根據功率相等原則：根據功率相等原則： 根據動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等。根據動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等。FVT得直線運動質量為：得直線運動質量為：2()MMmJV總拖動質量為：總拖動質量為： 2222112)V(J)V(J)V(JmmM總拖動質量總拖動質量m是電動汽車總質量加上旋轉部

13、分的折算值是電動汽車總質量加上旋轉部分的折算值1.1.3 電力拖動系統(tǒng)的運動方程電力拖動系統(tǒng)的運動方程 對對直線運動直線運動，運動方程為，運動方程為dVFFmdt 對對旋轉運動旋轉運動，運動方程為，運動方程為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慣性直徑（慣性直徑（m）；）； 慣性半徑（慣性半徑（m）的實用形式為的實用形式為dtdnGDTT3752gJGD42稱為稱為飛輪矩飛輪矩)(2mN 兩式中的兩式中的三項都是三項都是有方向的有方向的)kgm(gGD)D(gGmJ222242dtdJ工程上，習慣使用

14、工程單位：轉速為工程上，習慣使用工程單位：轉速為n(r/min)，轉動慣量用飛輪矩轉動慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。375具有加速度量綱具有加速度量綱1.1.4 速度控制的本質是對轉矩的控制速度控制的本質是對轉矩的控制一、由運動方程式一、由運動方程式可知：可知：dtdJl 當當 T=Tl 時，時， d/dt=0，電力拖動系統(tǒng)，電力拖動系統(tǒng)處在處在勻速勻速旋轉（含靜止不動）的旋轉（含靜止不動）的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)中。中。 ，l 當當 TTl 時，時，d/dt0，電力拖動系統(tǒng)處在電力拖動系統(tǒng)處在加速加速（或反向減速）狀態(tài)（或反向減速）狀態(tài) 。 l 當當 TTl 時，時，d/dtTl ，電機加速。，電機加速。

15、 當到達新轉速后，再使當到達新轉速后，再使 T=Tl ，則電機就在新的轉速下穩(wěn)定運行。，則電機就在新的轉速下穩(wěn)定運行。三、重要結論：電動機速度控制的三、重要結論：電動機速度控制的本質本質是對其輸出是對其輸出轉矩轉矩的控制。的控制。 四、例：他勵直流電動機調壓調速的物理過程四、例：他勵直流電動機調壓調速的物理過程 aeEknaaaaRIEUaTIk原狀態(tài)：原狀態(tài)：111,aaaUn EI T222,aaaUn EI T新狀態(tài)：新狀態(tài)：負載轉矩負載轉矩 Tl 恒定恒定1.2 電力拖動系統(tǒng)的機械特性電力拖動系統(tǒng)的機械特性 1.2.1 機械特性機械特性 1. 機械特性是指轉速與轉矩之間的關系曲線，即機

16、械特性是指轉速與轉矩之間的關系曲線，即 機械特性機械特性 負載機械特性負載機械特性 電動機機械特性電動機機械特性 ()nfT()lnfT()nf T固有機械特性固有機械特性 人為機械特性人為機械特性 正向電動正向制動反向電動0T0n0n0n0T0TnT0反向制動0n0T2. 運行狀態(tài)：運行狀態(tài)：轉速轉速n 、轉矩、轉矩T都有正、負值都有正、負值 ,要選定參考正方向。要選定參考正方向。電動電動：轉矩與轉速的方向一致：轉矩與轉速的方向一致 制動制動：轉矩與轉速的方向相反：轉矩與轉速的方向相反3. 四象限運行：四象限運行： 1.2.2 負載的機械特性負載的機械特性 lT0Tn0Tn0Tn0Tn0Tn

17、lTlTlTlT)a)b)c)d)ea)反抗性反抗性 b）位能性）位能性 c）粘滯摩擦力）粘滯摩擦力 d）流體阻力）流體阻力 e）恒功率阻力）恒功率阻力 例：實際風機的負載機械特性：例：實際風機的負載機械特性： 0TnlT220nKlll 實際的機械裝置則是多種性質的負載轉矩的組合實際的機械裝置則是多種性質的負載轉矩的組合 1.2.3 電動機的固有機械特性電動機的固有機械特性 0Tn0n0n正電壓負電壓0Tn0n0n正序電壓負序電壓0Tn0n0n正序電壓負序電壓)a)b)ca）他勵直流電動機）他勵直流電動機 b）異步電動機）異步電動機 e）同步電動機）同步電動機 1.2.4 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運

18、行條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件 條件條件1. 電機機械特性曲線及負載機械特性曲線的交點電機機械特性曲線及負載機械特性曲線的交點 0dtd條件條件2. 且且在交點處滿足在交點處滿足 dnddnd0Tn0nlTAB穩(wěn)定點穩(wěn)定點不穩(wěn)定點不穩(wěn)定點交點處滿足交點處滿足 ，所以，所以 判別方法：判別方法：1.3 他勵直流電動機的起動、調速與制動他勵直流電動機的起動、調速與制動 1.3.1他勵直流電動機的人工機械特性他勵直流電動機的人工機械特性 02ajaTeeTaeTaaaaajRRUnTnTkk kEknTkIUEIRR他勵直流電動機方程他勵直流電動機方程 固有機械特性方程固有機械特性方程（額定參數時）

19、（額定參數時） 人為機械特性人為機械特性 固有機械特性固有機械特性 )b)cN2121NnT00nlT1n3n2n)aaR3R2R1R321RRRRanT00nlT1n4n3n2n3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n1.3.2 他勵直流電動機的調速他勵直流電動機的調速 1 1調速方法調速方法 電樞回路串電阻調速；電樞回路串電阻調速；改變電樞端電壓調速；改變電樞端電壓調速；弱磁調速。弱磁調速。 分別改變分別改變則得到三組不同的則得到三組不同的人為機械特性曲線族人為機械特性曲線族,jaR U 所允許的最大輸出轉矩所允許的最大輸出轉矩 1.3.2 他勵直流電動機的調速他

20、勵直流電動機的調速 2 2調速時的轉矩與功率調速時的轉矩與功率 0Nn2mPf (n)恒轉矩調速恒功率調速nmaxTf(n)1234NPNT2mPmaxT圖圖1-11 調速時轉矩與功率曲線調速時轉矩與功率曲線 maxT所允許的最大輸出功率所允許的最大輸出功率 mP2l 電機允許流過的最大電流受制于電機電機允許流過的最大電流受制于電機的散熱條件，一般為額定電流的散熱條件，一般為額定電流I IaNaN。 自然冷卻，自扇冷式自然冷卻，自扇冷式 ，他扇冷式，他扇冷式 ，水外冷，水內冷，蒸發(fā)冷卻，超導，等，水外冷，水內冷，蒸發(fā)冷卻，超導，等不變不變 下降下降不變不變 與轉速成正比與轉速成正比l 在在 n

21、nnnnnN N 的區(qū)域，磁通的區(qū)域，磁通減小，減小， ， PmaxPmax不變不變，稱恒功率調速區(qū)域。，稱恒功率調速區(qū)域。 l 電機的冷卻電機的冷卻 方式：方式：1 1調速方法調速方法 1.3.3 他勵直流電動機的起動他勵直流電動機的起動 常用的起動方法有：常用的起動方法有： 2.2.降壓起動降壓起動 3.3.電樞回路串電阻起動電樞回路串電阻起動1C2C1 jR2jRaRaEaU3CaI1.1.直接全壓起動直接全壓起動 只能用于小容量電機只能用于小容量電機3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n圖圖1-13 分二級電阻分二級電阻起動的起動過程起動的起動過程a）機械特

22、性曲線）機械特性曲線 b）轉速變化曲線）轉速變化曲線c）電流變化曲線）電流變化曲線 1.3.4 他勵直流電動機的制動他勵直流電動機的制動 1能耗制動能耗制動 a a）原理電路圖）原理電路圖 b b）機械特性圖）機械特性圖 制停過程制停過程 （是一個動態(tài)過程）（是一個動態(tài)過程）c c）能量傳遞簡圖）能量傳遞簡圖 最終的穩(wěn)態(tài)工作點：最終的穩(wěn)態(tài)工作點：（1）反抗性負載，反抗性負載，C C點點（2 2）位能性負載）位能性負載 ，D點點l 制動最常用的地方有二：制動最常用的地方有二： 1. 快速停車或快速降速快速停車或快速降速 2. 限制（或控制）工作機械產生過高的速度限制（或控制）工作機械產生過高的速

23、度 l 直流電機制動方法有四：直流電機制動方法有四： 2 2回饋制動（再生發(fā)電制動回饋制動（再生發(fā)電制動 ）c c）能量傳遞簡圖）能量傳遞簡圖 a a）原理電路圖）原理電路圖 b b）機械特性圖）機械特性圖 l 回饋制動實際中常常出現于：回饋制動實際中常常出現于：l 回饋制動發(fā)生條件：電機轉速回饋制動發(fā)生條件：電機轉速nn0 ，即電機反電勢，即電機反電勢 。aaUE 位能性負載拖動電動機轉動時，位能性負載拖動電動機轉動時， 在調壓調速中突然降低端電壓以及弱磁調速中突然增加磁通時。在調壓調速中突然降低端電壓以及弱磁調速中突然增加磁通時。l 突然降壓產生回饋制動分析：突然降壓產生回饋制動分析： 動

24、態(tài)制動動態(tài)制動電動電動3 3反接制動反接制動 4 4倒拉反轉制動倒拉反轉制動 b b）能量傳遞簡圖）能量傳遞簡圖 a a）機械特性圖）機械特性圖 l 條件：電樞電壓反向條件：電樞電壓反向l 串入串入Rj的目的的目的 l 電機最終的穩(wěn)態(tài)運行點電機最終的穩(wěn)態(tài)運行點 l 制動停車用時制動停車用時切斷電源方切斷電源方法法l 條件：條件：1） 電樞正電壓；電樞正電壓； 2） 位能性負載；位能性負載； 3） 電機反轉；電機反轉； 4） 串電阻；串電阻；l 制動停車過程為動態(tài)過程制動停車過程為動態(tài)過程l 倒拉反轉制動倒拉反轉制動是是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)運行運行1.4 異步電動機的起動、調速與制動異步電動機的起動、調速與制動 1.4.1 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性 1 1固有機械特性固有機械特性 22cosICTTi221221122111222112xxs/rrfs/rpUms/rImPTem22121112114xxrrfpUmTm221212)xx(rrsm轉矩的物理表達式轉矩的物理表達式轉矩的參數表達式轉矩的參數表達式 （額定參數時即為（額定參數時即為固有機械特性表達式）固有機械特性表達式） 2 2人工機械特性人工機械特性 a)改變輸入電壓改變輸入電壓 b)繞線式轉子回路串電阻繞線式轉子回路串電阻 c)改變電源頻率改變電源