電氣傳動控制精選教學(xué)課件

1、第1章 電氣傳動基礎(chǔ) 1.1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ) 1.2 直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法1.3 異步電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法第1頁，共63頁。1.1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ)第2頁，共63頁。1.1.1 基本運(yùn)動方程式（1.1）圖1.1 電氣傳動系統(tǒng) 如圖1.1所示, 電動機(jī)帶動工作機(jī)械的電氣傳動系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律取決于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩TM 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 之間的關(guān)系, 并符合剛體旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動定律 ,即式(1.1)第3頁，共63頁。1.1.1 基本運(yùn)動方程式（1.2）省略空載轉(zhuǎn)矩時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式如(1.2)所示.Te電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(N*m)TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m)J拖動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的總

2、轉(zhuǎn)動慣量(kg*m) 電動機(jī)的角速度(rad/s)第4頁，共63頁。（1.4）1.1.1 基本運(yùn)動方程式當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量為常數(shù)時(shí)，式（1.2）可以簡化為（1.3） 工程計(jì)算中，往往不用轉(zhuǎn)動慣量J，而用飛 ， 兩者之間的關(guān)系如式（1.4）第5頁，共63頁。1.1.1 基本運(yùn)動方程式當(dāng)TeTL 時(shí)，d /d 0，系統(tǒng)加速當(dāng)Te TL 時(shí)，d /d 0，系統(tǒng)減速當(dāng)Te TL 時(shí)，系統(tǒng)處于加速或減速運(yùn)動狀態(tài)（動態(tài)）當(dāng)Te = TL 時(shí)，系統(tǒng)以恒速運(yùn)動，即穩(wěn)態(tài)運(yùn)動。穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大小由工作機(jī)械即電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定。（1.5）式（1.2）的實(shí)用表達(dá)式如式（1.5）所示第6頁，共63頁。1.1.1

3、基本運(yùn)動方程式規(guī)定轉(zhuǎn)矩的正方向 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與所設(shè)定電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的正方向相同時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與所設(shè)定電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的正方向相同時(shí)為負(fù)，相反時(shí)為正。圖1.2 軸端圖第7頁，共63頁。 實(shí)際的電氣傳動系統(tǒng)中,在電機(jī)與工作機(jī)械之間往往要經(jīng)過齒輪減速箱、皮帶、聯(lián)軸結(jié)等 ，這就是常見的多軸傳動，如圖1.3所示。圖1.3 多軸傳動系統(tǒng)(a)雙軸傳動系統(tǒng);(b)起重傳動系統(tǒng)第8頁，共63頁。 按照能量守恒，折算到電機(jī)軸上的負(fù)載功率應(yīng)等于工作機(jī)械的負(fù)載功率加上傳動機(jī)構(gòu)中的損耗，則：1轉(zhuǎn)矩的折算 兩種運(yùn)動負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為 （用于直線運(yùn)動負(fù)載） （用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動負(fù)載）式中 傳動效率， 1

4、主動軸與從動軸的轉(zhuǎn)速比，第9頁，共63頁。 2飛輪矩的折算（旋轉(zhuǎn)負(fù)載） 按照能量守恒 等效轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩為（1.6）（1.7）（1.8）第10頁，共63頁。 3.飛輪矩的折算（直線負(fù)載） 按照能量守恒等效轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩為（1.9）（1.10）（1.11）第11頁，共63頁。1電動機(jī)機(jī)械特性 電動機(jī)的機(jī)械特性是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 和電磁轉(zhuǎn)矩 之間的關(guān)系，表示為 = 。 圖1.4 電機(jī)的機(jī)械特性第12頁，共63頁。 2負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 工作機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的關(guān)系 = 即為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。 （1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 圖1.5 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性（a）反抗性 （b）位能性第13頁，共63頁。（2）通風(fēng)機(jī)

5、負(fù)載特性（曲線1） （3）恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性（曲線2）圖1.6 通風(fēng)機(jī)和恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性第14頁，共63頁。 3電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件 分析電氣傳動的運(yùn)行 問題可以將電動機(jī)的 機(jī)械特性和工作機(jī)械 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性畫在 同一個(gè)坐標(biāo)圖上。 圖1.7 機(jī)械特性與負(fù)載特性的配合第15頁，共63頁。電氣傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件 特性 和特性 有交點(diǎn)，并且在該交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上保證 ，而在該交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之下則要求 。第16頁，共63頁。圖1.8 機(jī)械特性與負(fù)載特性配合的兩種情況（a）穩(wěn)定 （b）不穩(wěn)定電氣傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件 第17頁，共63頁。1.2 直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法第18頁，共63

6、頁。直流電動機(jī)按勵磁方式分類 圖1.9 直流電機(jī)按勵磁方式分類（a）他勵式（b）并勵式（c）串勵式（d）復(fù)勵式第19頁，共63頁。 1調(diào)速的性能指標(biāo) (1) 靜差率 電動機(jī)運(yùn)行在某一機(jī)械特性上時(shí)，額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速降 與理想空載轉(zhuǎn)速 之比，稱為靜差率，常用百分?jǐn)?shù)表示 (2) 調(diào)速范圍 調(diào)速范圍指工作機(jī)械要求的最高轉(zhuǎn)速 和最低轉(zhuǎn)速 之比 （1.12）（1.13）第20頁，共63頁。調(diào)速范圍和靜差率的關(guān)系調(diào)速系統(tǒng)最低速時(shí)的靜差率為因?yàn)樗裕?.14）（1.15）（1.16）第21頁，共63頁。 （3）調(diào)速的平滑性 通常用兩個(gè)相鄰調(diào)速級的轉(zhuǎn)速比來衡量。在一定調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速級數(shù)越多，則平滑性越好；當(dāng)調(diào)速

7、級數(shù)達(dá)無窮多時(shí)，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。第22頁，共63頁。2調(diào)速方法（1.17） 圖1.10 三種調(diào)速方法的機(jī)械特性（a）調(diào)節(jié)電樞電壓U （b）調(diào)節(jié)勵磁磁通 （c）調(diào)節(jié)電樞附加電阻第23頁，共63頁。直流他勵電動機(jī)啟動時(shí)應(yīng)該先建立磁場，再加電樞電壓。1.電樞串電阻啟動 2.降壓啟動3.啟動速度和平穩(wěn)性 圖1.11 電樞串電阻啟動第24頁，共63頁。 制動運(yùn)行狀態(tài)： 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反 回饋制動 能耗制動 反接制動第25頁，共63頁。1回饋制動圖1.12 回饋制動特性 第26頁，共63頁。2能耗制動 圖1.13 電阻能耗制動（a)線路；（b)機(jī)械特性 第27頁，共63頁。 3反接制動

8、（電源反接） 圖1.14 電源反接的反接制動（a)線路；（b)機(jī)械特性 第28頁，共63頁。3反接制動（轉(zhuǎn)速反向） 圖1.15 轉(zhuǎn)速反向的反接制動（a)線路；（b)機(jī)械特性 第29頁，共63頁。電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)總結(jié)：1.電動機(jī)有電動和制動兩種 運(yùn)行狀態(tài)，它們的機(jī)械特 性可用統(tǒng)一形式的方程式 表示。2.可在 - 平面的四個(gè)象限內(nèi)畫出各種運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)的機(jī)械特性 。圖1.17 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（1.18） 第30頁，共63頁。例1.21.思路2.注意的問題： 機(jī)械特性 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速的正和負(fù) 電動和制動 圖1.18 轉(zhuǎn)速特性（1.19） 第31頁，共63頁。當(dāng)Te TL 時(shí)，d /d 0，系統(tǒng)減速工作機(jī)械

9、的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的關(guān)系6 通風(fēng)機(jī)和恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性（a）調(diào)節(jié)電樞電壓U （b）調(diào)節(jié)勵磁磁通 （c）調(diào)節(jié)電樞附加電阻1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ)1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ)27 高轉(zhuǎn)子電阻電機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性兩種運(yùn)動負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為2 直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法3反接制動（轉(zhuǎn)速反向）28 改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速2 直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法初始值、穩(wěn)態(tài)值和系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ)5 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ)如何判斷電氣傳動系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行？TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m) 1直流他勵電動機(jī)的傳動系統(tǒng) 動態(tài)特性的數(shù)學(xué)分析 過渡過程動態(tài)特性第32頁

10、，共63頁。 1直流他勵電動機(jī)的傳動系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)分析（1.20）（1.21）（1.22）（1.23）第33頁，共63頁。 描繪出系統(tǒng)動態(tài)特性的三要素： 初始值、穩(wěn)態(tài)值和系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)（1.24）（1.25）（1.26）第34頁，共63頁。2直流他勵電動機(jī)啟動動態(tài)特性圖1.19 啟動時(shí)的動態(tài)特性（a)機(jī)械特性；(b)Te(t)曲線；(c)n(t)曲線第35頁，共63頁。3直流他勵電動機(jī)制動動態(tài)特性能耗制動 電源反接制動 （位能負(fù)載）電源反接制動 （反抗性負(fù)載）第36頁，共63頁。圖1.20 能耗制動機(jī)械特性和動態(tài)特性（a)機(jī)械特性；(b)Te(t)曲線；(c)n(t)曲線能耗制動第37

11、頁，共63頁。電源反接制動（位能負(fù)載） 圖1.21 位能性負(fù)載反接制動特性（a)機(jī)械特性；(b)n(t)曲線；(c)I(t)曲線第38頁，共63頁。電源反接制動 （反抗性負(fù)載） 圖1.22 反抗性負(fù)載反接制動特性（a)機(jī)械特性；(b)n(t)曲線；(c)I(t)曲線第39頁，共63頁。1.3 異步電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法第40頁，共63頁。機(jī)械特性推導(dǎo)同步角速度 轉(zhuǎn)差率電磁功率 轉(zhuǎn)子電流則電磁轉(zhuǎn)矩（1.27）（1.28）（1.29）（1.30） （1.31）第41頁，共63頁。圖1.23 異步電機(jī)等值電路和相量圖（a)等值電路；(b)相量圖第42頁，共63頁。機(jī)械特性分析最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差

12、率為 最大電磁轉(zhuǎn)矩為 圖1.24 異步電機(jī)機(jī)械特性（1.32）（1.33）（1.34）第43頁，共63頁。根據(jù)轉(zhuǎn)差率的定義 異步調(diào)速方法圖1.25 異步電機(jī)調(diào)速方式變轉(zhuǎn)差率變極對數(shù)（籠型轉(zhuǎn)子）變頻交-交變頻交-直-交變頻調(diào)定子電壓調(diào)轉(zhuǎn)子電路電阻（繞線轉(zhuǎn)子）串級調(diào)速（繞線轉(zhuǎn)子）而第44頁，共63頁。1改變定子電壓調(diào)速圖1.26 改變定子電壓調(diào)速(a)線路；(b)機(jī)械特性第45頁，共63頁。1改變定子電壓調(diào)速圖1.27 高轉(zhuǎn)子電阻電機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性第46頁，共63頁。2改變轉(zhuǎn)子電路電阻調(diào)速圖1.28 改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速(a)線路；(b)機(jī)械特性第47頁，共63頁。3變極調(diào)速圖1.29 變極調(diào)

13、速時(shí)的機(jī)械特性第48頁，共63頁。4變頻調(diào)速圖1.30 變頻調(diào)速時(shí)的特性(a)機(jī)械特性；（b)保持Tem為常數(shù)的Us-fs關(guān)系第49頁，共63頁。1.降壓啟動 定子回路串電阻或電抗器啟動 調(diào)壓器啟動 Y-啟動 轉(zhuǎn)子串附加電阻2.升頻啟動 圖1.31 轉(zhuǎn)子串電阻啟動(a)線路；(b)啟動特性第50頁，共63頁。1再生制動 2反接制動3直流能耗制動第51頁，共63頁。1再生制動圖1.32 異步電機(jī)的再生制動第52頁，共63頁。2反接制動定子三相電源中的任意兩根電源線對調(diào)，使旋轉(zhuǎn)磁場反向,圖中（1）曲線表示。在轉(zhuǎn)子電路中串接附加電阻,圖中（2）曲線表示。圖1.33 異步電機(jī)的反接制動第53頁，共63

14、頁。3直流能耗制動圖1.34 異步電機(jī)的直流制動（a)線路；(b)制動特性第54頁，共63頁。復(fù)習(xí)思考題11.什么叫制動狀態(tài)? 什么叫電動狀態(tài)? 2.電氣傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的值由什么決定？3.如何判斷電氣傳動系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行？4.電氣傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性由哪三要素決定？寫出動態(tài)方程式，寫出制動過程轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的動態(tài)特性方程式。第55頁，共63頁。復(fù)習(xí)思考題25.他勵直流電機(jī)額定參數(shù)為220V、40A、1000r/min，電樞電阻Ra=0.5。電動機(jī)帶反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載為額定負(fù)載。電動機(jī)原來以1000r/min運(yùn)行，現(xiàn)在要求在300r/min的速度穩(wěn)定運(yùn)行，分別求出不同實(shí)現(xiàn)方法及其

15、機(jī)械特性的表達(dá)式。 如果負(fù)載為50%額定負(fù)載，分別求出不同實(shí)現(xiàn)方法及其機(jī)械特性的表達(dá)式。 如果要求在500r/min的速度穩(wěn)定運(yùn)行，分別求出不同實(shí)現(xiàn)方法及其機(jī)械特性的表達(dá)式。 如果要求在500r/min的速度穩(wěn)速下降運(yùn)行，分別求出不同實(shí)現(xiàn)方法及其機(jī)械特性的表達(dá)式。第56頁，共63頁。第1章 電氣傳動基礎(chǔ) 1.1 電氣傳動的動力學(xué)基礎(chǔ) 1.2 直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法1.3 異步電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法第57頁，共63頁。1.2 直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法第58頁，共63頁。2調(diào)速方法（1.17） 圖1.10 三種調(diào)速方法的機(jī)械特性（a）調(diào)節(jié)電樞電壓U （b）調(diào)節(jié)勵磁磁通 （c）調(diào)節(jié)電樞附加電阻第59頁，共63頁。