第1章：電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)課件

1、第1章 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ) 電機(jī)拖動(dòng)與控制1第一章：電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)1.1 ：電力拖動(dòng)系統(tǒng)的概述電力拖動(dòng)系統(tǒng)是用電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)行的系統(tǒng)。包括：電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備三個(gè)基本環(huán)節(jié)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)框圖如下：電源控制設(shè)備電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)2電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靜態(tài)：穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)態(tài)：也稱暫態(tài)或過渡狀態(tài)，即不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；按連接分：單軸拖動(dòng)系統(tǒng)和多軸拖動(dòng)系統(tǒng)單軸拖動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)之間采用直接連接。最簡單、最基本的拖動(dòng)系統(tǒng)，只有一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，數(shù)學(xué)模型簡單。多軸拖動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)通過各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變速后與生產(chǎn)機(jī)

2、械的工作機(jī)構(gòu)之間相連接。經(jīng)過轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的“折算”即可等效成單軸拖動(dòng)系統(tǒng)31.1.1 ：電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式實(shí)質(zhì)上是牛頓第二定律表達(dá)式的應(yīng)用形式。在直線運(yùn)動(dòng)中，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為： F:作用在直線運(yùn)動(dòng)部件上的托動(dòng)力，N； FL:作用在直線運(yùn)動(dòng)部件上的阻力， N； v:直線運(yùn)動(dòng)部件的線速度，m/s； m:直線運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，kg；4 在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為： T:電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，N.m； TL:生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩， N .m ； J:轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2； :轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械角速度，rad/s；5在工程計(jì)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(jī)械慣性。 m：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，Kg； G：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量，N； ：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m ； D ：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)直徑，m ； g ：重力加速度=9.81m/s2J =m2=(G/g)(D2 )/4=GD2/4g6運(yùn)動(dòng)方程的實(shí)用形式為：=系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三種狀態(tài)1）當(dāng)TTL時(shí)，轉(zhuǎn)速變化率 dn / dt 0，則拖動(dòng)系統(tǒng)加速運(yùn)行；2）當(dāng)TTL時(shí)，轉(zhuǎn)速變化率dn / dt 0，則拖動(dòng)系統(tǒng)減速運(yùn)行；3）當(dāng)T = TL時(shí)，轉(zhuǎn)速變化率dn / dt = 0，則拖動(dòng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。 7在應(yīng)用運(yùn)動(dòng)方程式時(shí)，必須首先按電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定轉(zhuǎn)速和各種轉(zhuǎn)矩的正方向。當(dāng)某轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩

4、為正值時(shí)，其實(shí)際方向與正方向相同；當(dāng)它們?yōu)樨?fù)值時(shí)，其實(shí)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(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2）負(fù)載總轉(zhuǎn)矩TL 的正方向與轉(zhuǎn)速n 的正方向相反。即認(rèn)為負(fù)載總轉(zhuǎn)矩是阻礙轉(zhuǎn)矩。3）至于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2和空載轉(zhuǎn)矩T0均屬于負(fù)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(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的正方向8電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性91.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算 許多生產(chǎn)機(jī)械要求低速運(yùn)轉(zhuǎn)，而電動(dòng)機(jī)一般具有較高的額定轉(zhuǎn)速。這樣，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械之間就得裝設(shè)減速機(jī)構(gòu)，為列出這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，必須先將各轉(zhuǎn)動(dòng)部

5、分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量都折算到某一根軸上，一般折算到電動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)（a）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （b）直線運(yùn)動(dòng)111.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算負(fù)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(jìn)行折算。對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1.3（a）所示，當(dāng)系統(tǒng)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載功率為式中， 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 生產(chǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)角速度 12負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算13負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算14負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算如果是電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，則傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的損耗應(yīng)由電動(dòng)機(jī)承擔(dān)，根據(jù)功率平衡關(guān)系，有 又因得出 如果是生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)

6、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，則傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的損耗由生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載來承擔(dān)，于是有 或 151.2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算根據(jù)動(dòng)能守恒原則進(jìn)行折算 一.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 1.折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為16轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總飛輪轉(zhuǎn)矩為3.實(shí)際工程17轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算二.直線運(yùn)動(dòng) 1.總轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 181.3 機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性指n=f(TL)的關(guān)系1.3.1:恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性1、反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 負(fù)載轉(zhuǎn)矩由摩擦力產(chǎn)生，其特點(diǎn)：大小恒定（與n無關(guān)）；作用方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。TL電動(dòng)

7、機(jī)軸Tnn0TL-TL192、位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性下放時(shí)： n0拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩由重力產(chǎn)生其特點(diǎn)：絕對值大小恒定；作用方向與n無關(guān)，不變。TL電動(dòng)機(jī)軸TnnTL0TL提升時(shí)： n0 ,TL 0阻轉(zhuǎn)矩下放時(shí)： n0拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩201.3.2: 恒功率負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系TL=k/nnTL0負(fù)載功率它與n無關(guān)，稱恒功率負(fù)載。211.3.3: 風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系TL=Cn2。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)器、主令電器 基本結(jié)構(gòu)主要由感應(yīng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)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(hù)的電器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)電路正常工作時(shí)，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(dá)到熔體的熔點(diǎn)，所以熔體不會(huì)熔斷，當(dāng)電流達(dá)到額定電流的1.32倍時(shí)，熔體會(huì)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?jǐn)嗳萘坎缓艽蟮牡蛪汗╇娋€路，也可作

9、為電源的隔離開關(guān)，并可對小容量異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)開關(guān) 功能：自動(dòng)開關(guān)又稱自動(dòng)空氣斷路器，當(dāng)電器發(fā)生嚴(yán)重過載、短路及失壓等故障時(shí)，能自動(dòng)切斷故障電路，有效的保護(hù)串接在他后面的電氣設(shè)備。 符號 結(jié)構(gòu)原理圖282.自動(dòng)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(fù)載（比如電動(dòng)機(jī)）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(fù)載電流。291.4.4: 接觸器 1功能接觸器是能

10、頻繁遠(yuǎn)距離地自動(dòng)接通或開斷主電路或大容量的控制電路的一種自動(dòng)控制元件。具有較強(qiáng)的滅弧能力，常用于控制電動(dòng)機(jī)或其他負(fù)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(hù)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(shí)，常開觸點(diǎn)斷開、常閉觸點(diǎn)閉合； 當(dāng)線圈通電后，通過電磁機(jī)構(gòu)使常開觸點(diǎn)閉合、常閉觸點(diǎn)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(diǎn)； 5常閉觸點(diǎn)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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)接通或斷開小電流的自動(dòng)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(dòng)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(kuò)充觸頭數(shù)量以及擴(kuò)大觸頭容量的作用。33 2.時(shí)間繼電器當(dāng)接受外界信號后延時(shí)動(dòng)作的繼電器。分為電磁式、空氣阻尼式、電動(dòng)式和電子式。延時(shí)的方向是從圓弧到圓心，其余立即動(dòng)作 34時(shí)間繼電器利用阻尼（如空氣阻尼式、電磁阻尼式等）、電子和機(jī)械的方法使繼電器獲得延時(shí) . 353.熱繼電器 熱繼電器是一種利用電流的熱效應(yīng)原理進(jìn)行工作的保護(hù)電器，常利用它進(jìn)行過載保護(hù)。還有斷相保護(hù)、電流不平衡的保護(hù)及其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。 電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載是允許的，但長期過載就會(huì)發(fā)熱，采用熱繼電器進(jìn)行保護(hù)。 熱繼電器的符號3

12、64.速度繼電器 主要用于電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)控制電路中，當(dāng)反接制動(dòng)的轉(zhuǎn)速下降到接近零時(shí)能自動(dòng)的及時(shí)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(diǎn)開關(guān) ，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)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(dá)到無觸點(diǎn)、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(xiàng) （1）固態(tài)繼電器的選擇應(yīng)根據(jù)負(fù)載的類型（阻性、感性）來確定，并要采用有效的過壓保護(hù)。（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(hù)應(yīng)采用專門保護(hù)半導(dǎo)體器件的熔斷器或用動(dòng)作時(shí)間小于10ms的自動(dòng)開關(guān)。（4）安裝時(shí)采用散熱器，要求接觸良好，且對地絕緣。（5）切忌負(fù)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(dòng)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(dòng)且可以自動(dòng)復(fù)位的主令電器，一般用來遠(yuǎn)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(jī)械的行程，發(fā)布命令以控制其運(yùn)動(dòng)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(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞發(fā)出指令的主令電器，用于控制生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方向、行程大小或限位保護(hù)。 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(dāng)某種物體與之接近到一定距離時(shí)就發(fā)出動(dòng)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(diǎn) ，抗電磁干擾能力強(qiáng) ，可非接觸、無損傷地檢測物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)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(shí)控制多回路的主令電器。一般可作為各種配電裝置的遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)(22kW以下)，作為的起動(dòng)、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(jī)、軋鋼機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械的遠(yuǎn)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(diǎn)狀態(tài)461.4.7電磁執(zhí)行器件1.電磁鐵主要由勵(lì)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(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器 3.電磁制動(dòng)器作用就是快速使旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)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(hù)環(huán)節(jié)即短路保護(hù)、過載保護(hù)、失壓和欠壓保護(hù) 基本電路（左側(cè)為主電路，右側(cè)為控制