第1章_電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P1電氣傳動自動控制系統(tǒng)Electrical Drive and Control System哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學電氣工程系電氣工程系武健武健 2022年年5月月27日日電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P2本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容1.1.電力拖動基礎(chǔ)電力拖動基礎(chǔ) （2020學時）學時）電機拖動系統(tǒng)動力學電機拖動系統(tǒng)動力學直流電動機啟動、調(diào)速直流電動機啟動、調(diào)速交流電動機原理、運行交流電動機原理、運行2. 直流電機拖動控制系統(tǒng)直流電機拖動控制系統(tǒng)（2020學時）學時）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多環(huán)調(diào)

2、速系統(tǒng)3. 交流電機拖動控制系統(tǒng)交流電機拖動控制系統(tǒng)（1818學時學時）交流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)交流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速、矢量控制串級調(diào)速、矢量控制實驗：12學時課程設(shè)計電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P3本課程的主要參考書 邱阿瑞，電機與拖動基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社，2001年 顧繩谷，電機及拖動基礎(chǔ)，機械工業(yè)出版社 陳伯時，電氣傳動自動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，2003年電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P4什么是拖動？ 氣體拖動 汽缸、氣閥、氣體管路、氣源；汽缸、氣閥、氣體管路、氣源； 特點：干凈、力矩較小、噪音小特點：干凈、力矩較小、噪音小 應(yīng)用：食品、藥

3、品、包裝行業(yè)應(yīng)用：食品、藥品、包裝行業(yè) 液體拖動 液缸、液壓閥、液壓管路、液壓泵、液壓馬達；液缸、液壓閥、液壓管路、液壓泵、液壓馬達； 特點：力矩大，有油污特點：力矩大，有油污 應(yīng)用：輪船、大型壓機應(yīng)用：輪船、大型壓機 電力拖動 電機、電纜、電源、電機、電纜、電源、 特點：傳送距離更遠、調(diào)速性能更好特點：傳送距離更遠、調(diào)速性能更好 國民經(jīng)濟各行各業(yè)國民經(jīng)濟各行各業(yè)電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P5什么是電力拖動？電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P6電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P7電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P8電

4、氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P9電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P10電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P11電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P12電力拖動系統(tǒng)的組成電動機控制設(shè)備傳動機構(gòu)生產(chǎn)機械 電 源電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P13電機的分類變壓器旋轉(zhuǎn)電機直流電機伺服電動機、步進電動機、測速發(fā)電機回轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、直線電動機電力變壓器：升壓、降壓特種變壓器：自耦、互感器動力電機微特電機感應(yīng)電機同步電機交流電機靜止電機感應(yīng)電動機感應(yīng)發(fā)電機直流電動機直流發(fā)電機同步電動機同步發(fā)電機電氣傳動自動控制

5、系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P14電力拖動的類型電力拖動的類型 成組拖動成組拖動 由一臺電動機通過一根長軸由一臺電動機通過一根長軸(俗稱俗稱“天軸天軸”)拖動全車拖動全車間的一組生產(chǎn)機械間的一組生產(chǎn)機械。 從電動機到各個生產(chǎn)機械的能量傳遞以及在各生產(chǎn)機從電動機到各個生產(chǎn)機械的能量傳遞以及在各生產(chǎn)機械之間的能量分配完全用機械方法，靠天軸及機械傳械之間的能量分配完全用機械方法，靠天軸及機械傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。動系統(tǒng)來實現(xiàn)。 電動機遠離生產(chǎn)機械，車間里有大量的天軸、長皮帶電動機遠離生產(chǎn)機械，車間里有大量的天軸、長皮帶和皮帶輪等。能量傳遞過程中的損耗大，效率低，灰和皮帶輪等。能量傳遞過程中的損耗大，

6、效率低，灰塵大，勞動條件與衛(wèi)生條件很差，而且不安全，易出塵大，勞動條件與衛(wèi)生條件很差，而且不安全，易出事故。事故。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P15 單機拖動：單電動機拖動單機拖動：單電動機拖動 由一臺電動機單獨拖動一臺生產(chǎn)機械由一臺電動機單獨拖動一臺生產(chǎn)機械。這樣，電動機。這樣，電動機與生產(chǎn)機械在結(jié)構(gòu)上配合密切，可以用電氣方法調(diào)節(jié)與生產(chǎn)機械在結(jié)構(gòu)上配合密切，可以用電氣方法調(diào)節(jié)每臺生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速，從而進一步簡化機械結(jié)構(gòu)，提每臺生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速，從而進一步簡化機械結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率，而且易于實現(xiàn)生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的全部自動高生產(chǎn)效率，而且易于實現(xiàn)生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的全部自動化?；?。 但

7、是，一臺生產(chǎn)機械往往又具有幾個不同的運動。例但是，一臺生產(chǎn)機械往往又具有幾個不同的運動。例如，車床，就有刀架的橫向移動，縱向移動和主軸的如，車床，就有刀架的橫向移動，縱向移動和主軸的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動。 單電動機拖動方式不便于各種運動的分別調(diào)節(jié)，而且單電動機拖動方式不便于各種運動的分別調(diào)節(jié)，而且使傳動機構(gòu)復雜化。使傳動機構(gòu)復雜化。電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P16 多機拖動：多電動機拖動多機拖動：多電動機拖動 由多臺電動機分別拖動一臺生產(chǎn)機械的各個運動部分由多臺電動機分別拖動一臺生產(chǎn)機械的各個運動部分。即每一個執(zhí)行機構(gòu)用單獨的電動機拖動。即每一個執(zhí)行機構(gòu)用單獨的電動機拖動。 這樣

8、，生產(chǎn)機械的機械結(jié)構(gòu)大為簡化，克服了單機拖這樣，生產(chǎn)機械的機械結(jié)構(gòu)大為簡化，克服了單機拖動的缺點。動的缺點。電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P17電力拖動的發(fā)展概況 交、直流兩大電力拖動系統(tǒng)。在電力拖動系統(tǒng)發(fā)展史上，一直是二者互為補充、相輔相成、交替發(fā)展。(十九世紀三十年代有了直流電，十九世紀末出現(xiàn)交流電) 直流電力拖動系統(tǒng)具有較好的技術(shù)性能，如起動性能和調(diào)速性能很好。因此，直流拖動在對起動、制動、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等有較高要求的場合應(yīng)用得很廣泛。目前，直流電力拖動系統(tǒng)已基本完善，處于繁盛的階段。 直流電動機結(jié)構(gòu)復雜、價格較貴、維護困難，安裝環(huán)境有一定限制(不能用于惡劣環(huán)境，如有爆

9、炸氣體及塵埃的場合)。 由于以上直流電動機的缺點，使得直流拖動在很多場合受到限制。而交流電動機在以上幾方面都優(yōu)于直流電動機，并且考慮到電能的產(chǎn)生及輸送多為交流電能，所以交流電力拖動系統(tǒng)收到人們的重視。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P18為什么學習本課程？ 電機的廣泛應(yīng)用； 見上面的例子見上面的例子 生產(chǎn)加工工藝指標要求對電機進行控制； 例如：軋鋼、造紙、機床等例如：軋鋼、造紙、機床等 多門知識的綜合運用電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P19本課程與其他課程的關(guān)系 本課程是自動化、電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課 先修課程：物理學、電路、電機學、自動控制理論、電力

10、電子技術(shù)；電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P20課程特點 “電氣傳動自動控制系統(tǒng)”是歷來學生感到難學、怕學的課程，因為因其涉及到電、磁、機、控制系統(tǒng)等多方面的理論和相關(guān)知識，也是電類學生首次接觸到的一門理論、實際緊密結(jié)合的課程。 在學習本課程時，一方面從態(tài)度上應(yīng)從認識電機的重要性出發(fā)，提高學習的興趣，從而能知難而進。另一方面，從方法上，應(yīng)逐步和盡快適應(yīng)和掌握其特點和學習方法。電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P21課程學習任務(wù) 掌握常用交直流電機的基本理論 掌握分析電動機機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論 掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機各種調(diào)速方法的基本原理 掌握直流

11、電動機單閉環(huán)、多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法，電機與電力拖動系統(tǒng)的基本實驗方法與技能， 并具有熟練的運算能力 掌握交流電動機的調(diào)速方法及雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P22第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)基礎(chǔ)電力拖動系統(tǒng)基礎(chǔ) 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種生產(chǎn)機械一般都以電動機為動力，來完成對物體的加工、輸送、壓縮與分離等各項工作。這種以電動機為動力來拖動各種生產(chǎn)機械的工作方式，稱為電力拖動(或電氣傳動)。 電力拖動系統(tǒng)一般由電動機、控制設(shè)備、傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械和電源組成，如圖所示。 電源 電氣 控制裝置 PD M CL ZZ DJ 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)C

12、hp1，P23電力拖動系統(tǒng)基本分類 電動機通常是根據(jù)生產(chǎn)機械的工作要求來選用，主要有 直流電動機直流電動機 異步電動機異步電動機 同步電動機同步電動機 直流電動機為動力的拖動系統(tǒng)稱為直流電力拖動系統(tǒng)，簡稱直流拖動系統(tǒng) 交流電動機為動力的拖動系統(tǒng)稱為交流電力拖動系統(tǒng)，簡稱交流拖動系統(tǒng)。電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P24單軸電力拖動系統(tǒng) 電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n (rad/s)的正方向相同 負載轉(zhuǎn)矩TL的正方向與轉(zhuǎn)速n的正方向相反。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P25電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程 采用牛頓第二定律（旋轉(zhuǎn)運動） J為轉(zhuǎn)動慣量ldTTJdt2

13、60n 2375lGD dnTTdtgGDDgGmJ44222電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P26動態(tài)轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩動態(tài)轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩 當TTL時，即速度導數(shù)0，電力拖動系統(tǒng)處于恒速運行的穩(wěn)定狀態(tài)(或靜止)； 當TTL時，即速度導數(shù)0，電力拖動系統(tǒng)處于加速運行的過渡過程； 當TTL時，即速度導數(shù)0，電力拖動系統(tǒng)處于減速運行的過渡過程。電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P27電力拖動系統(tǒng)做直線運動時 dtdvmFFL電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P28電力拖動系統(tǒng)運動分析電力拖動系統(tǒng)運動分析 電動機的轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)矩 已知電動機的軸上(輸出

14、)功率，可以計算出電動機的轉(zhuǎn)矩： P電動機的軸上(輸出)功率，單位為瓦特(W) 若電動機功率的單位是千瓦(kW)，則mNnP.PT559mNnPT 9550電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P29電機轉(zhuǎn)矩方向的規(guī)定 電機產(chǎn)生與正向旋轉(zhuǎn)一致的轉(zhuǎn)矩為正，當電機作為電動機工作時，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，帶動生產(chǎn)機械工作； 電機在制動狀態(tài)工作時，產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，它與系統(tǒng)轉(zhuǎn)向相反，起制動作用。電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P30負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩 負載轉(zhuǎn)矩的符號， 生產(chǎn)機械工作機構(gòu)的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系TL=f(n)，稱為負載的轉(zhuǎn)矩特性。 負載的轉(zhuǎn)矩特性可以歸納為以下三種典型類型：

15、考慮到運動方程式中，TL前已有負號，所以?。?負載轉(zhuǎn)矩與運動正方向相反的為正， 負載轉(zhuǎn)矩與運動正方向相同的為負。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P311.恒轉(zhuǎn)矩負載恒轉(zhuǎn)矩負載(constant torque load)的轉(zhuǎn)矩特性的轉(zhuǎn)矩特性 恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性，就是指負載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，即當轉(zhuǎn)速n變化時，負載轉(zhuǎn)矩TL保持常值不變(|TL|=const)。恒轉(zhuǎn)矩負載有以下兩類： （1) 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載 其特點是工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值大小是恒定不變的，轉(zhuǎn)矩的性其特點是工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值大小是恒定不變的，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)是阻礙運動的制動性轉(zhuǎn)矩，即：質(zhì)是阻礙運動的

16、制動性轉(zhuǎn)矩，即：n0時，時，TL0(常數(shù)常數(shù))；n0時，時，TL0(也是常數(shù)也是常數(shù))，且，且TL的絕對值相等。的絕對值相等。 （2) 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載 其特點是工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值大小是恒定不變的，而且方向其特點是工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值大小是恒定不變的，而且方向不變，當不變，當n0時，時，TL0，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)是阻礙運動的制動性轉(zhuǎn)矩；，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)是阻礙運動的制動性轉(zhuǎn)矩；當當n0時，時，TL0，是幫助運動的拖動性轉(zhuǎn)矩。，是幫助運動的拖動性轉(zhuǎn)矩。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P32恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性 nnTLTL00(a)(b)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載位

17、能性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P332. 通風機負載的轉(zhuǎn)矩特性通風機負載的轉(zhuǎn)矩特性 通風機、水泵、油泵和螺旋槳等，其轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即TLn2。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P343. 恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性 恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性，是指負載的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積為常數(shù)，即負載的機械功率 P=TLL=TL2nL/60=常數(shù)。 實際上負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速稱反比，TL1/n。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P35 恒轉(zhuǎn)矩負載、通風機負載以及恒功率負載都是從各種實際負載中概括出來的典型的負

18、載形式，實際的負載可能是以某種典型為主或幾種典型的結(jié)合。 例如，實際的通風機主要是通風機負載特性，但是其軸承摩擦又是反抗性的恒轉(zhuǎn)矩負載特性，只是運行時后者數(shù)值較小而已。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P36電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系n=f(T)稱為機械特性。 不同的電動機有不同性質(zhì)的機械特性，可以用數(shù)學表達式表示，也可以畫成機械特性曲線。分析電力傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題時，認為電動機的機械特性已知。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P37穩(wěn)定條件 為使電力拖動系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。所謂穩(wěn)定

19、，是指系統(tǒng)受到干擾后(如負載變化，或電壓、電阻等電氣參量變化)，有回到穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力。 從電力拖動系統(tǒng)的運動方程式可知，系統(tǒng)穩(wěn)定運行即恒速不變的必要條件是動態(tài)轉(zhuǎn)矩為零。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P38工作點 把電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性畫在同一坐標平面上。兩條特性的交點，稱為工作點。 系統(tǒng)受到干擾后，若能回到原來工作點上繼續(xù)穩(wěn)定運行，則該工作點為穩(wěn)定工作點。否則，為不穩(wěn)定的工作點。 電力傳動系統(tǒng)在電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性的交點上，并不一定都能穩(wěn)定運行，也就是說，TTL僅僅是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件，而不是充分條件。 系統(tǒng)要想穩(wěn)定運行，還需要電動機與負載的兩

20、條特性在交點TTL處配合得好。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P39穩(wěn)定運行的充要條件 對于一個電力拖動系統(tǒng)，穩(wěn)定運行的充分必要條穩(wěn)定運行的充分必要條件件是 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P40多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化 實際的電力拖動系統(tǒng)，大多數(shù)電動機是通過傳動機構(gòu)與工作機構(gòu)相連，而不是直接聯(lián)接的。 由于許多工作機構(gòu)為完成工藝過程需要較低的速度，而電動機為提高其經(jīng)濟技術(shù)指標做成高速的，因此，在電動機軸與工作機械軸之間加入了減速裝置。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P41 它由電動機、齒輪減速機構(gòu)和卷筒等組成，其中齒

21、輪為二級減速機構(gòu)，其速比為j1，j2，傳動效率為1，2。這個系統(tǒng)中有三根轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)軸，其轉(zhuǎn)速分別為n，nb和nf。三根軸上的轉(zhuǎn)矩、飛輪慣量也都不一樣。 分析該三軸系統(tǒng)時，應(yīng)分別對每一根轉(zhuǎn)軸列寫出它的轉(zhuǎn)動方程式，三個轉(zhuǎn)動方程式聯(lián)立求解，便可得出系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P42折算的目的 對于多軸電力傳動系統(tǒng)，上述方法是相當麻煩的。為了簡化多軸系統(tǒng)的分析和計算，通常把負載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)飛輪慣量等折算到電動機軸上來，變多軸系統(tǒng)為等效的單軸系統(tǒng)，列寫一個轉(zhuǎn)動方程式進行計算，其結(jié)果與聯(lián)立求解多個方程式的結(jié)果完全一樣。 電氣傳動自動控制系統(tǒng)電氣傳動自動控制系統(tǒng)Chp1，P43轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩的折算 把作用在卷筒上的轉(zhuǎn)矩Tf折算到電動機軸上，應(yīng)該使折算前后的功率保持不變。在折算中用效率來考慮傳動機構(gòu)中的損耗， 電氣傳動自動控