第1章：電力拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)課件

1、第1章 電力拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ) 電機拖動與控制1第一章：電力拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)1.1 ：電力拖動系統(tǒng)的概述電力拖動系統(tǒng)是用電動機來拖動機械運行的系統(tǒng)。包括：電動機、傳動機構(gòu)、控制設(shè)備三個基本環(huán)節(jié)。電力拖動系統(tǒng)框圖如下：電源控制設(shè)備電動機傳動機構(gòu)生產(chǎn)機構(gòu)2電力拖動系統(tǒng)的運行狀態(tài)分：靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)：穩(wěn)定運行狀態(tài)或穩(wěn)態(tài)（靜止或勻速，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)）；動態(tài)：也稱暫態(tài)或過渡狀態(tài)，即不穩(wěn)定運行狀態(tài)；按連接分：單軸拖動系統(tǒng)和多軸拖動系統(tǒng)單軸拖動系統(tǒng)：電動機與生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)之間采用直接連接。最簡單、最基本的拖動系統(tǒng)，只有一個負載轉(zhuǎn)矩和一個轉(zhuǎn)動慣量，數(shù)學(xué)模型簡單。多軸拖動系統(tǒng)：電動機通過各種傳動機構(gòu)變速后與生產(chǎn)機

2、械的工作機構(gòu)之間相連接。經(jīng)過轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量的“折算”即可等效成單軸拖動系統(tǒng)31.1.1 ：電力拖動系統(tǒng)運動方程式電力拖動系統(tǒng)的運動方程式實質(zhì)上是牛頓第二定律表達式的應(yīng)用形式。在直線運動中，系統(tǒng)的運動方程式為： F:作用在直線運動部件上的托動力，N； FL:作用在直線運動部件上的阻力， N； v:直線運動部件的線速度，m/s； m:直線運動部件的質(zhì)量，kg；4 在旋轉(zhuǎn)運動中，系統(tǒng)的運動方程式為： T:電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，N.m； TL:生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩， N .m ； J:轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2； :轉(zhuǎn)動部分的機械角速度，rad/s；5在工程計算中，常用n代替 表示系統(tǒng)速度，用飛輪力矩G

3、D2代替J表示系統(tǒng)機械慣性。 m：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，Kg； G：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重量，N； ：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動半徑，m ； D ：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動直徑，m ； g ：重力加速度=9.81m/s2J =m2=(G/g)(D2 )/4=GD2/4g6運動方程的實用形式為：=系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動的三種狀態(tài)1）當TTL時，轉(zhuǎn)速變化率 dn / dt 0，則拖動系統(tǒng)加速運行；2）當TTL時，轉(zhuǎn)速變化率dn / dt 0，則拖動系統(tǒng)減速運行；3）當T = TL時，轉(zhuǎn)速變化率dn / dt = 0，則拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。 7在應(yīng)用運動方程式時，必須首先按電動機慣例規(guī)定轉(zhuǎn)速和各種轉(zhuǎn)矩的正方向。當某轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩

4、為正值時，其實際方向與正方向相同；當它們?yōu)樨撝禃r，其實際方向與正方向相反。1）電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的正方向相同。即認為電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。2）負載總轉(zhuǎn)矩TL 的正方向與轉(zhuǎn)速n 的正方向相反。即認為負載總轉(zhuǎn)矩是阻礙轉(zhuǎn)矩。3）至于負載轉(zhuǎn)矩T2和空載轉(zhuǎn)矩T0均屬于負載總轉(zhuǎn)矩TL的組成部分，其正方向應(yīng)該與TL相同，即與轉(zhuǎn)速方向相反。1.1.2 ：電力拖動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的正方向8電力拖動系統(tǒng)機械負載的轉(zhuǎn)矩特性91.2 負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算 許多生產(chǎn)機械要求低速運轉(zhuǎn)，而電動機一般具有較高的額定轉(zhuǎn)速。這樣，電動機與生產(chǎn)機械之間就得裝設(shè)減速機構(gòu)，為列出這個系統(tǒng)的運動方程，必須先將各轉(zhuǎn)動部

5、分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量或直線運動部分的質(zhì)量都折算到某一根軸上，一般折算到電動機軸上，即折算成最簡單的典型單軸系統(tǒng)。折算基本原則：折算前后的能量關(guān)系或功率關(guān)系保持不變。 10圖1-3 多軸拖動系統(tǒng)（a）旋轉(zhuǎn)運動 （b）直線運動111.2.1負載轉(zhuǎn)矩的折算負載轉(zhuǎn)矩是靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，可根據(jù)靜態(tài)功率守恒原則進行折算。對于旋轉(zhuǎn)運動，如圖1.3（a）所示，當系統(tǒng)勻速運動時，生產(chǎn)機械的負載功率為式中， 生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩； 生產(chǎn)機械的旋轉(zhuǎn)角速度 12負載轉(zhuǎn)矩的折算13負載轉(zhuǎn)矩的折算14負載轉(zhuǎn)矩的折算如果是電動機拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)或移動，則傳動機構(gòu)中的損耗應(yīng)由電動機承擔，根據(jù)功率平衡關(guān)系，有 又因得出 如果是生產(chǎn)機械拖動

6、電動機旋轉(zhuǎn)，則傳動機構(gòu)中的損耗由生產(chǎn)機械的負載來承擔，于是有 或 151.2.2 轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算根據(jù)動能守恒原則進行折算 一.旋轉(zhuǎn)運動 1.折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為16轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.折算到電動機軸上的總飛輪轉(zhuǎn)矩為3.實際工程17轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算二.直線運動 1.總轉(zhuǎn)動慣量2.總飛輪轉(zhuǎn)矩為總結(jié)：將所求得的 、 代入式（1.5）多軸拖動系統(tǒng)的運動方程式 181.3 機械負載的轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機械的機械特性指n=f(TL)的關(guān)系1.3.1:恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性1、反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 負載轉(zhuǎn)矩由摩擦力產(chǎn)生，其特點：大小恒定（與n無關(guān)）；作用方向與運動方向相反。TL電動

7、機軸Tnn0TL-TL192、位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性下放時： n0拖動轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩由重力產(chǎn)生其特點：絕對值大小恒定；作用方向與n無關(guān)，不變。TL電動機軸TnnTL0TL提升時： n0 ,TL 0阻轉(zhuǎn)矩下放時： n0拖動轉(zhuǎn)矩201.3.2: 恒功率負載負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系TL=k/nnTL0負載功率它與n無關(guān)，稱恒功率負載。211.3.3: 風(fēng)機泵類負載 負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系TL=Cn2。風(fēng)力發(fā)電機TLn12TL0221.4 電氣控制常用元件低壓電器，通常是指工作在交流交流1200V或直流1500V以下的電器； 按其功能可分為低壓配電電器和控制電器前者包括刀開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、熔斷器和斷路器等

8、 后者包括接觸器、繼電器、起動器、主令電器 基本結(jié)構(gòu)主要由感應(yīng)和執(zhí)行機構(gòu)兩個環(huán)節(jié)組成 1.4.1概述231功能：熔斷器是一種用于過載與短路保護的電器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用。2.圖形符號與文字符號： FU 3.結(jié)構(gòu)與類型：熔斷器是根據(jù)電流的熱效應(yīng)原理工作的。當電路正常工作時，流過流體的電流小于或等于它的額定電流，由于熔體發(fā)熱的溫度尚未達到熔體的熔點，所以熔體不會熔斷，當電流達到額定電流的1.32倍時，熔體會緩慢熔斷。1.4.2: 熔斷器24熔斷器的結(jié)構(gòu)如下圖所示251.4.3: 開關(guān)元件 1.刀開關(guān) 刀開關(guān)一般用來不頻繁的接通和分斷容量不很大的低壓供電線路，也可作

9、為電源的隔離開關(guān)，并可對小容量異步電動機做不頻繁的直接起?？刂?。 如圖所示刀開關(guān)的典型結(jié)構(gòu)26刀開關(guān)的圖形符號和文字符號如下圖所示：272.自動開關(guān) 功能：自動開關(guān)又稱自動空氣斷路器，當電器發(fā)生嚴重過載、短路及失壓等故障時，能自動切斷故障電路，有效的保護串接在他后面的電氣設(shè)備。 符號 結(jié)構(gòu)原理圖282.自動開關(guān)低壓斷路器的選擇 額定電流和額定電壓應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備的正常工作電壓和工作電流。 熱脫扣器的整定電流應(yīng)與所控制負載（比如電動機）的額定電流一致。 欠電壓脫扣器的額定電壓等于線路的額定電壓。 過電流脫扣器的額定電流大于或等于線路的最大負載電流。291.4.4: 接觸器 1功能接觸器是能

10、頻繁遠距離地自動接通或開斷主電路或大容量的控制電路的一種自動控制元件。具有較強的滅弧能力，常用于控制電動機或其他負載的大電流電路，由于具備低電壓釋放功能，還可以起到失壓保護作用。2.符號 303.結(jié)構(gòu)電磁系統(tǒng) 、觸頭系統(tǒng) 、滅弧裝置 、其他部件。4.原理線圈不通電時，常開觸點斷開、常閉觸點閉合； 當線圈通電后，通過電磁機構(gòu)使常開觸點閉合、常閉觸點斷開。接觸器圖l.15 交流接觸器原理結(jié)1鐵芯；2銜鐵；3線圈4常開觸點； 5常閉觸點311.3.4: 繼電器 繼電器是一種根據(jù)根據(jù)輸入信號的變化來控制觸頭的動作，實現(xiàn)接通或斷開小電流的自動控制元件。1.電壓、電流繼電器 電壓、電流繼電器是根據(jù)線圈電流

11、變化而動作的繼電器，又分過電流和欠電流繼電器 322.中間繼電器 中間繼電器在電氣控制系統(tǒng)中主要起擴充觸頭數(shù)量以及擴大觸頭容量的作用。33 2.時間繼電器當接受外界信號后延時動作的繼電器。分為電磁式、空氣阻尼式、電動式和電子式。延時的方向是從圓弧到圓心，其余立即動作 34時間繼電器利用阻尼（如空氣阻尼式、電磁阻尼式等）、電子和機械的方法使繼電器獲得延時 . 353.熱繼電器 熱繼電器是一種利用電流的熱效應(yīng)原理進行工作的保護電器，常利用它進行過載保護。還有斷相保護、電流不平衡的保護及其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。 電動機短時過載是允許的，但長期過載就會發(fā)熱，采用熱繼電器進行保護。 熱繼電器的符號3

12、64.速度繼電器 主要用于電動機反接制動控制電路中，當反接制動的轉(zhuǎn)速下降到接近零時能自動的及時切斷電源。375.固態(tài)繼電器 采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成的一種無觸點開關(guān) ，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質(zhì)上相同的功能。利用電子元器件的電、磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管、功率場效應(yīng)管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達到無觸點、無火花地接通和斷開被控電路。 38固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器使用注意事項 （1）固態(tài)繼電器的選擇應(yīng)根據(jù)負載的類型（阻性、感性）來確定，并要采用有效的過壓保護。（2）輸出端要采用阻容浪涌吸收回路或非線性壓敏電阻吸

13、收瞬變電壓。（3）過流保護應(yīng)采用專門保護半導(dǎo)體器件的熔斷器或用動作時間小于10ms的自動開關(guān)。（4）安裝時采用散熱器，要求接觸良好，且對地絕緣。（5）切忌負載側(cè)兩端短路，以免固態(tài)繼電器損壞。391.4.5: 主令控制元件主令控制元件是在自動控制系統(tǒng)中主要用來發(fā)送控制指令或信號的操縱電器。1.按鈕 按鈕是一種手動且可以自動復(fù)位的主令電器，一般用來遠距離操縱接觸器、繼電器等電磁裝置或用于信號和電氣聯(lián)鎖線路中。 按鈕開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖 40 按鈕開關(guān)的圖形符號及文字符號412.行程開關(guān)行程開關(guān)是用來反映工作機械的行程，發(fā)布命令以控制其運動方向或行程大小的主令電器。普通行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種利用生產(chǎn)

14、機械運動部件的碰撞發(fā)出指令的主令電器，用于控制生產(chǎn)機械的運動方向、行程大小或限位保護。 42行程開關(guān)接近開關(guān)非接觸式的行程開關(guān)，即接近開關(guān)當某種物體與之接近到一定距離時就發(fā)出動作信號 ，通過其感辨頭與被測物體間介質(zhì)能量的變化來獲取信號。 43行程開關(guān)光電開關(guān)克服了接近開關(guān)的作用距離短、不能直接檢測非金屬材料等缺點 ，抗電磁干擾能力強 ，可非接觸、無損傷地檢測物質(zhì)的狀態(tài)和動作 。 443.萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)和主令控制器功能萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種多檔、同時控制多回路的主令電器。一般可作為各種配電裝置的遠距離控制；也可作為電壓表、電流表的換向開關(guān)；還可以直接控制小容量電動機(22kW以下)，作為的起動、調(diào)速、換向之用。主令控制器是用來頻繁切換復(fù)雜的多回路控制電路的一種主令電器，主要用于起重機、軋鋼機等生產(chǎn)機械的遠距離控制。45萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)的圖形及文字符號a 圖形及文字符號 b 觸點狀態(tài)461.4.7電磁執(zhí)行器件1.電磁鐵主要由勵磁線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。2電磁閥用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器 3.電磁制動器作用就是快速使旋轉(zhuǎn)的運動停止，即電磁剎車或電磁抱閘 471.5 電氣控制基本環(huán)節(jié) 一.控制系統(tǒng)中的基本保護環(huán)節(jié)即短路保護、過載保護、失壓和欠壓保護 基本電路（左側(cè)為主電路，右側(cè)為控制