第1章：電力拖動系統的基礎課件

1、第1章 電力拖動系統的基礎 電機拖動與控制1第一章：電力拖動系統的基礎1.1 ：電力拖動系統的概述電力拖動系統是用電動機來拖動機械運行的系統。包括：電動機、傳動機構、控制設備三個基本環(huán)節(jié)。電力拖動系統框圖如下：電源控制設備電動機傳動機構生產機構2電力拖動系統的運行狀態(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：單軸拖動系統和多軸拖動系統單軸拖動系統：電動機與生產機械的工作機構之間采用直接連接。最簡單、最基本的拖動系統，只有一個負載轉矩和一個轉動慣量，數學模型簡單。多軸拖動系統：電動機通過各種傳動機構變速后與生產機

2、械的工作機構之間相連接。經過轉速和轉動慣量的“折算”即可等效成單軸拖動系統31.1.1 ：電力拖動系統運動方程式電力拖動系統的運動方程式實質上是牛頓第二定律表達式的應用形式。在直線運動中，系統的運動方程式為： 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:直線運動部件的質量，kg；4 在旋轉運動中，系統的運動方程式為： T:電動機的電磁轉矩，N.m； TL:生產機械的負載轉矩， N .m ； J:轉動部分的轉動慣量，kg.m2； :轉動部分的機械角速度，rad/s；5在工程計算中，常用n代替 表示系統速度，用飛輪力矩G

3、D2代替J表示系統機械慣性。 m：系統轉動部分的質量，Kg； G：系統轉動部分的重量，N； ：系統轉動部分的轉動半徑，m ； D ：系統轉動部分的轉動直徑，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：=系統旋轉運動的三種狀態(tài)1）當TTL時，轉速變化率 dn / dt 0，則拖動系統加速運行；2）當TTL時，轉速變化率dn / dt 0，則拖動系統減速運行；3）當T = TL時，轉速變化率dn / dt = 0，則拖動系統處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。 7在應用運動方程式時，必須首先按電動機慣例規(guī)定轉速和各種轉矩的正方向。當某轉速或轉矩

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）電磁轉矩T的正方向與轉速n的正方向相同。即認為電磁轉矩是驅動轉矩。2）負載總轉矩TL 的正方向與轉速n 的正方向相反。即認為負載總轉矩是阻礙轉矩。3）至于負載轉矩T2和空載轉矩T0均屬于負載總轉矩TL的組成部分，其正方向應該與TL相同，即與轉速方向相反。1.1.2 ：電力拖動系統中轉速和轉矩的正方向8電力拖動系統機械負載的轉矩特性91.2 負載轉矩、轉動慣量和飛輪轉矩的折算 許多生產機械要求低速運轉，而電動機一般具有較高的額定轉速。這樣，電動機與生產機械之間就得裝設減速機構，為列出這個系統的運動方程，必須先將各轉動部

5、分的轉矩和轉動慣量或直線運動部分的質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。折算基本原則：折算前后的能量關系或功率關系保持不變。 10圖1-3 多軸拖動系統（a）旋轉運動 （b）直線運動111.2.1負載轉矩的折算負載轉矩是靜態(tài)轉矩，可根據靜態(tài)功率守恒原則進行折算。對于旋轉運動，如圖1.3（a）所示，當系統勻速運動時，生產機械的負載功率為式中， 生產機械的負載轉矩； 生產機械的旋轉角速度 12負載轉矩的折算13負載轉矩的折算14負載轉矩的折算如果是電動機拖動生產機械旋轉或移動，則傳動機構中的損耗應由電動機承擔，根據功率平衡關系，有 又因得出 如果是生產機械拖動

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

7、機軸Tnn0TL-TL192、位能性恒轉矩負載特性下放時： n0拖動轉矩負載轉矩由重力產生其特點：絕對值大小恒定；作用方向與n無關，不變。TL電動機軸TnnTL0TL提升時： n0 ,TL 0阻轉矩下放時： n0拖動轉矩201.3.2: 恒功率負載負載轉矩與轉速成反比關系TL=k/nnTL0負載功率它與n無關，稱恒功率負載。211.3.3: 風機泵類負載 負載轉矩與轉速成平方關系TL=Cn2。風力發(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、轉換開關、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 基本結構主要由感應和執(zhí)行機構兩個環(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，具有結構簡單、價格低廉、使用方便等優(yōu)點，因而廣泛應用。2.圖形符號與文字符號： FU 3.結構與類型：熔斷器是根據電流的熱效應原理工作的。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熔斷器的結構如下圖所示251.4.3: 開關元件 1.刀開關 刀開關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，并可對小容量異步電動機做不頻繁的直接起?？刂啤?如圖所示刀開關的典型結構26刀開關的圖形符號和文字符號如下圖所示：272.自動開關 功能：自動開關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備。 符號 結構原理圖282.自動開關低壓斷路器的選擇 額定電流和額定電壓應大于或等于線路、設備的正常工作電壓和工作電流。 熱脫扣器的整定電流應與所控制負載（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.結構電磁系統 、觸頭系統 、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 繼電器是一種根據根據輸入信號的變化來控制觸頭的動作，實現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中主要起擴充觸頭數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 采用固體半導體元件組裝而成的一種無觸點開關 ，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、功率場效應管、單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，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)繼電器的選擇應根據負載的類型（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）過流保護應采用專門保護半導體器件的熔斷器或用動作時間小于10ms的自動開關。（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鎖線路中。 按鈕開關結構示意圖 40 按鈕開關的圖形符號及文字符號412.行程開關行程開關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。普通行程開關又稱限位開關，是一種利用生產

14、機械運動部件的碰撞發(fā)出指令的主令電器，用于控制生產機械的運動方向、行程大小或限位保護。 42行程開關接近開關非接觸式的行程開關，即接近開關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能量的變化來獲取信號。 43行程開關光電開關克服了接近開關的作用距離短、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、無損傷地檢測物質的狀態(tài)和動作 。 443.萬能轉換開關和主令控制器功能萬能轉換開關是一種多檔、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；還可以直接控制小容量電動機(22kW以下)，作為的起動、調速、換向之用。主令控制器是用來頻繁切換復雜的多回路控制電路的一種主令電器，主要用于起重機、軋鋼機等生產機械的遠距離控制。45萬能轉換開關的圖形及文字符號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元件，屬于執(zhí)行器 3.電磁制動器作用就是快速使旋轉的運動停止，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（左側為主電路，右側為控制