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1、第1章调速与传动本讲稿第一页，共四十一页1.1 拖动系统组成与参数拖动系统组成与参数三相异步交流电动机通常作为生产机械的原动机，其电磁转矩克服生产机械的阻力转矩，将生产机械带动到一定转速运行。这个由电气控制及电动机、生产机械和传动装置三部分组成的系统，称为电力拖动系统。如图5-1所示。1控制系统及其电动机控制系统及其电动机作为电力拖动系统的原动机，电动机是将电能转化为机械能的作为电力拖动系统的原动机，电动机是将电能转化为机械能的设备。其控制系统主要是对电动机的起动、调速和制动等实施设备。其控制系统主要是对电动机的起动、调速和制动等实施控制。控制。本讲稿第二页，共四十一页传动装置传动装置传动装置
2、是把电动机输出机械功率传递给生产机械设备。通常是一些变速装置，如皮带、齿轮和联轴器等。生产机械生产机械生产机械是拖动系统工作对象，是电动机的负载。如风机、各种机床、水泵等。对拖动系统运行状况的评价，主要取决于生产机械的要求是否获得满足，是否保证工艺要求及产品质量。本讲稿第三页，共四十一页拖动系统主要参数拖动系统主要参数(1)转速拖动系统的基本工作就是由电动机以一定转速带动生产机械运行。因此，转速是拖动系统的主要参数之一，用nM表示电动机的转速；用nL表示生产机械的轴转速。(2)转矩 电动机的输出转矩TM克服负载阻转矩TL，使得拖动系统运行工作。这是两种转矩平衡的结果。本讲稿第四页，共四十一页额
3、定参数的机械特性额定参数的机械特性电动机在额定参数工作的机械特性如图5-2所示。主要特征可用三点描述：（1）理想空载点N （2）起动点S（3）临界点K 本讲稿第五页，共四十一页（1）理想空载点）理想空载点N 电电动动机机输输出出轴轴转转矩矩T TMM为为0 0时时，称称为为理理想想空空载载转转速速。此此时时，电电动动机机输出转速与同步转速基本相等。输出转速与同步转速基本相等。（2 2）起动点）起动点S 电动机在接通三相交流电源起动的瞬间，即n=0时时，电电动动机机电电磁磁转转矩矩为为起起动动转转矩矩T TS，也称为堵转转矩。因此，起动转矩T TS S应大于电动机额定转矩应大于电动机额定转矩TM
4、NMN的0.80.82.2倍。倍。（3 3）临界点K K 当起动转矩T TS S大于负载转矩TL L时，电动机的转速时，电动机的转速n不断上升，电动机输出转矩TM也不断增大，沿着曲线SK段上升，很快到达曲线的拐点K。在这点上，电动机所产生的电磁转矩最大，称为临界转矩TK K。与此相对应的转速称为临界转速。与此相对应的转速称为临界转速nK K。经过临界转矩TK K（K点）后，电动机输出转矩点）后，电动机输出转矩 T TM又沿着又沿着KNKN段逐渐减小。本讲稿第六页，共四十一页改变参数的机械特性改变参数的机械特性由电机理论可知，影响电动机转矩的因素有电源电压、转子电路电阻和电源频率三个参数。如果改
5、变这三个参数，电动机的机械特性也将随之改变。即人工机械特性。本讲稿第七页，共四十一页（1）改变电源电压 改变电压后的机械特性如图5-3中的曲线2所示。与额定参数机械特性曲线1相比较可以看出，理想空载点不变，同步转速n0不变，但临界点左移，临界转矩减小为TK2，临界转速nK不变，起动转矩减小为TS2。异步电动机的降压起动，是改变电压机械特性的典型应用。本讲稿第八页，共四十一页（2）改变转子电阻（转差率）改变转子电阻后的机械特性如图5-4曲线2所示。同步转速n0和临界转矩TK不变，但临界转速却减小到nK2，说明电动机的转差率增大，机械特性变软。同时起动转矩增大到TS2。改变转子电阻方式一般用于绕线
6、式异步电动机。本讲稿第九页，共四十一页（3）降低电源频率降低电源频率后的机械特性如图5-5中的曲线2所示.与额定参数机械特性曲线1相比较可以看出，理想空载点下降，同步转速降低为n02，临界点下降，临界转矩减小为TK2，临界转速下降到nK2。本讲稿第十页，共四十一页负载的机械特性负载的机械特性在电力拖动系统中，生产机械是原动机的负载，其转速与转矩的函数关系n=f(TL)，称为负载的机械特性。不同的生产机械，其机械特性也是不同的。转速与功率的函数关系n=f(PL)，称为负载的功率特性。常见的有恒转矩负载、恒功率负载和二次方率负载。本讲稿第十一页，共四十一页恒转矩负载恒转矩负载在任何转速下，负载转矩
7、总是保持恒定或基本恒定,并并与与转转速无关的负载，称为恒转矩负载。速无关的负载，称为恒转矩负载。1实例分析实例分析带带式式输输送送机机，是是恒恒转转矩矩负负载载典典型型实实例例之之一一。物物体体与与传传送送带带之之间间的的静静磨磨擦擦力力使使得得物物体体和和传传送送带带一一起起运运动动，其其运运动动方方向向与与磨磨擦擦阻阻力方向相反，负载转矩力方向相反，负载转矩T TL L的大小为：的大小为：(5.1)式中式中:TL L 负载转矩，单位（N.mN.m）；F 皮带与滚筒间的磨擦阻力，单位（N）；r 滚筒半径，单位（m）。）。由于磨擦阻力由于磨擦阻力F和滚筒半径r都与转速nL L的快慢无关。因此，
8、的快慢无关。因此，在调节转速在调节转速nL时，转矩TL L保持不变，具有恒转矩的特点 本讲稿第十二页，共四十一页2。转矩特点。转矩特点图5-6(b)所示为恒转矩负载的机械特性。图中 A1、A2和 A3三 点，在 转 速 分 别 等 于1500r/min、1000r/min和500r/min时，所对应的转矩TL保持在45 N.m，可见 TL=常数。值得注意的是，这里所说的恒转矩，只是相对于转速而言，其转矩的大小只取决于负载的大小，而与电动机的转速高低无关。但是，转速高则电动机消耗的功率大，因此，恒转矩并不是指无论“怎样轻重的负载”，加到电动机上，负载的转矩都一样。本讲稿第十三页，共四十一页3功率
9、特点功率特点负载的功率PL、转矩TL与转速nL三者之间关系：（5.2）式中：PL 负载功率，单位（kW）；nL 负载转速，单位（r/min）。由式5.6可知，在恒转矩情况下（TL=常数），负载功率PL与转速nL成正比，图5-6(c)所示为恒转矩机械的功率特性，在图中A1、A2、A3三点的转速n在分别等于500 r/min、1000 r/min、1500 r/min时，所对应的功率分别是2.35kW、4.7kW和7.0kW。可见，恒转矩负载的功率与转速成正比。本讲稿第十四页，共四十一页本讲稿第十五页，共四十一页1典型应用典型应用典型应用典型应用图5-7（a）所所示示为为薄薄膜膜卷卷取取机机示示意
10、意图图，随随着着“薄薄膜膜卷卷”的的卷卷径径不不断断增增大大，卷卷取取辊辊的的转转速速应应逐逐渐渐减减小小，这这样样就就保保证证了了薄薄膜膜的的线线速速度度恒恒定定，从从而而也也保保持持了了薄薄膜膜的的张张力力恒恒定定。因因此此，负负载载转转矩矩的的大小为：大小为：（5.35.3）式中：F Ft 薄膜的张力，单位（薄膜的张力，单位（N N）；r r 卷取物的卷径，单位（卷取物的卷径，单位（m）。当薄膜的张力恒定，线速度保持不变时，其功率为：(5.4)(5.4)式中：式中：V 卷取薄膜的线速度卷取薄膜的线速度,单位（单位（m/s）。可见，在卷取过程中，拖动系统功率是保持恒定的可见，在卷取过程中，
11、拖动系统功率是保持恒定的 恒功率负载恒功率负载本讲稿第十六页，共四十一页2 2功率特点功率特点功率特点功率特点图图5-75-7（c c）所所示示为为某某生生产产机机械械功功率率P P=1kW1kW时时的的功功率率特特性性，A1A1、A2A2、A3A3三三点点所所对对应应的的转转速速分分别别是是318 318 r/minr/min、159 159 r/minr/min、53 53 r/minr/min，可可见见，转转速速n nL L与与功功率率P PL L的的大大小小无无关关。说说明明负负载载的的功功率率是是恒恒定定的的，P PL L为为常常数数，所所以以称称为为恒恒功功率率负负载载。如如塑塑料
12、料薄薄膜膜卷卷取取、轨轨钢钢机机卷卷取取以以及及各各种种抻抻线线机机械械等等，都都属属于恒功率负载。于恒功率负载。值得注意的是，这里所说的恒功率，是指在转速变化过程中，功率基值得注意的是，这里所说的恒功率，是指在转速变化过程中，功率基本不变。其功率的大小与负载大小无关。本不变。其功率的大小与负载大小无关。3 3转矩特点转矩特点转矩特点转矩特点在恒功率负载中，转矩在恒功率负载中，转矩T TL L、功率、功率P PL L和转速和转速n nL L的关系是的关系是:(5.5)(5.5)由式由式3.53.5可知，当功率可知，当功率P PL L恒定时，负载转矩恒定时，负载转矩T TL L与转速与转速n n
13、L L成反比。成反比。图图5-75-7（b b）所示为某生产设备机械特性，在图中）所示为某生产设备机械特性，在图中A1A1、A2A2、A3A3三点的转矩三点的转矩分别是分别是10 N.m10 N.m、30 N.m 30 N.m、60 N.m60 N.m的情况下，转速分别是的情况下，转速分别是318 r/min 318 r/min、159 159 r/min r/min 和和53 r/min53 r/min。可见，恒功率负载的转矩与转速成反比。可见，恒功率负载的转矩与转速成反比。本讲稿第十七页，共四十一页本讲稿第十八页，共四十一页恒功率，指的是：此类负载一旦被电动机带动运行，其负载的变化，不会影
14、响电动机的功率，如：机床上的同一工件，若所受的切削力变大了，就要求机机床主轴转动的线速度V降低，以保证加工质量和机床的安全，而电动机输出功率不会改变。本讲稿第十九页，共四十一页二次方律负载二次方律负载1转矩特点转矩特点负载的转矩TL与转速nL的平方成正比，即:(5.6)式中：KT 二次方律负载转矩常数。其机械特性如图5-8(a)所示，在图中A1、A2和A3三点，转矩TL分别为9.4 N.m、22.7 N.m 和45 N.m，其所对应的转速nL分别为500r/min、1000r/min和1500r/min。可见，转矩与转速平方成正比关系。本讲稿第二十页，共四十一页2功率特点功率特点功率特点功率特
15、点二次方律负载即不恒转矩也不恒功率，其功率表达式：二次方律负载即不恒转矩也不恒功率，其功率表达式：(5.7)(5.7)式中：K Kp p：二次方律负载功率常数。其功率特性如图5-8(b)所示所示 本讲稿第二十一页，共四十一页3典型应用典型应用如图5-8（c）所示为离心式风机（水泵）的叶片，事实上即使在空载情况下，电动机的输出轴上也会有转矩损耗T0和功率损耗P0。因此,其转矩表式为：(5.8)功率表达式为：(5.9)式中：P0 空载功率损耗，单位（kW）;T0 空载转矩损耗,单位（N.m）本讲稿第二十二页，共四十一页拖动系统的运行状态 拖动系统的工作点拖动系统的工作点拖动系统的工作点拖动系统的工
16、作点1工作点的意义工作点的意义在电力拖动系统中，电动机的机械特性与负载机械特性的交叉点，称为拖动系统的工作点。如图5-95-9所所示示，图图中中曲曲线线1为电动机机械特性，曲线2 2为负载机械特性，两条特性曲线的交叉点Q为为工工作作点点。QQ点点的的意意义义是是，只只有有当当转转速速为为 nQQ时，电动机转矩T TM与负载转矩TL才能达到平衡。如果转速上升过程中，出现如果转速上升过程中，出现TM T TL，时，系统将加速。可，时，系统将加速。可见，只有见，只有QQ点才是拖动系统稳定运行的工作点。本讲稿第二十三页，共四十一页本讲稿第二十四页，共四十一页图5-10所示为恒转矩负载，特性曲线1，转矩
17、大小为TL1。此时，拖动系统稳定运行在Q1点，对应转速为nQ1。若负载转矩发生变化，增大为TL2，负载机械特性移动到曲线2，在TL2增大的瞬间，由于惯性，电动机输出转矩TM未变，此时TM TL L时，系统是升速过程，转速上升；时，系统是升速过程，转速上升；当当TM M TL L时，系统是降速过程，转速下降；时，系统是降速过程，转速下降；当当TM=TL时，系统是等速运行，转速不变。所谓动态过程，是指电动机转矩与负载转矩不平衡时发生所谓动态过程，是指电动机转矩与负载转矩不平衡时发生的升速或降速过程。通常情况下，动态过程发生在生产机的升速或降速过程。通常情况下，动态过程发生在生产机械的工作过程中。对
18、此，人们总是希望发生这个过程的时械的工作过程中。对此，人们总是希望发生这个过程的时间越短越好，以利于系统的稳定运行。间越短越好，以利于系统的稳定运行。本讲稿第二十七页，共四十一页在动态过程中，电动机转矩与负载转矩之差，称为动态转矩TJ。动态转矩是系统产生加速度的原因。可见，当动态转矩TJ很大时，加速度也很大，升速过程加快，过渡过程时间缩短；反之，如果动态转矩TJ小，加速度也小，升速过程缓慢，则过渡过程时间长。本讲稿第二十八页，共四十一页拖动系统的传动机构拖动系统的传动机构1转动惯量转动惯量拖动系统中，多数属于廻转运动。在工程力学中，旋转体的运动常用转动惯量来衡量。它是描述旋转体惯性大小的物理量
19、。在工程中转动惯量折合到机械飞轮上的力矩，称为飞轮力矩。用GD2来表示，单位是：N.m2。拖动系统的转动惯量越大，系统的起动、制动、停车就越困难。因此，飞轮力矩是影响拖动系统动态过程的一个重要参数。本讲稿第二十九页，共四十一页2传动机构传动机构在电力拖动系统中，电动机与生产机械通常是通过传动机构相联接的，其作用是改变转速和转矩。常用的传动方式有啮合传动和摩擦传动。电动机侧的轴转速nMM与负与负载侧的轴转速载侧的轴转速nL之比，称为传动机构传动比，即之比，称为传动机构传动比，即 传动机构的输入输出转矩与转速的关系是：传动机构的输入输出转矩与转速的关系是：(5.11)传传动动机机构构两两侧侧的的转
20、转矩矩与与转转速速成成反反比比，转转矩矩越越大大的的一一侧侧，转转速速反反而而越越小小。如如果果忽忽略略传传动动机机构构的的功功率率损损耗耗，则则输输入入功功率率等于输出功率。功率正比于转矩等于输出功率。功率正比于转矩T T与转速n的乘积，即的乘积，即 (5.12(5.12本讲稿第三十页，共四十一页直流电动机调速特征 任何电动机转矩都是由电流在磁场中受力产生的，也就是两个磁场相互作用的结果。如图3-13所示为直流电动机的结构。直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组 本讲稿第三十一页，共四十一页两个电路各自独立两个电路各自独立l l图图3-20所示。产生主磁通的励磁电路和提供转子电流的电枢
21、电路，由各自电源供电（也可以是并联）。一个电路中电流的变化并不影响另一个电路，是各自独立的。直流电动机的调速性能非常优异，长期以来被广泛应用于生产机械的调速控制 本讲稿第三十二页，共四十一页交流电动机调速特征交流电动机调速特征交流异步电动机也具有两套绕组，即定子绕组和转子绕组。定子绕组与外部电源相联接。定子电流是从电源获取的，而转子电流是通过电磁感应产生的感生电流。因此，异步电动机的定子电流包括两个分量，即励磁分量和转矩分量。其中，励磁分量用于建立磁场，转矩分量用于产生电磁转矩，同时平衡转子电流磁场。本讲稿第三十三页，共四十一页变频调速的基本原理及控制方式变频调速的基本原理及控制方式 变频调速
22、基本原理变频调速基本原理变频调速基本原理变频调速基本原理当磁极对数当磁极对数P P和转差率和转差率S S一定时，电源频率一定时，电源频率f f与同步转速与同步转速n n0 0转子转速转子转速n nM,M,成正成正比。如果平滑地改变加到电动机定子绕组的交流电源频率比。如果平滑地改变加到电动机定子绕组的交流电源频率f f，就可以平滑地调，就可以平滑地调节异步电动机的同步转速节异步电动机的同步转速n n0 0及转子转速及转子转速n nM,M,。变频调速的变频调速的变频调速的变频调速的V/FV/F控制方式控制方式控制方式控制方式虽然改变电动机定子交流电频率虽然改变电动机定子交流电频率f f可以调节电动
23、机转速可以调节电动机转速n nMM，而实际上只改，而实际上只改变变f f并不能实现正常调速。并不能实现正常调速。依据交流异步电动机定子绕组感应电动势公式：依据交流异步电动机定子绕组感应电动势公式：（3.173.17）式中：式中：E E 异步电动机定子绕组中感应电动势的有效值异步电动机定子绕组中感应电动势的有效值,单位（单位（V V）；）；N N1 1 异步电动机定子每相绕组匝数；异步电动机定子每相绕组匝数；K KN N 异步电动机定子绕组的绕组系数；异步电动机定子绕组的绕组系数；f f 定子绕组感应电动势频率定子绕组感应电动势频率(等于电源频率等于电源频率)单位（单位（HzHz）可得：可得：（
24、3.183.18）所以，所以，(3.19)(3.19)本讲稿第三十四页，共四十一页异步电动机定子电压方程为：异步电动机定子电压方程为：（3.203.20）式中：式中：U U 异步电动机定子绕组交流电压异步电动机定子绕组交流电压,单位（V）；IR IR 异步电动机定子绕组的电阻压降，单位（异步电动机定子绕组的电阻压降，单位（V V）；）；jIXL L 异步电动机定子绕组的漏抗压降，单位（V V）；）；Z Z 异步电动机定子绕组总阻抗，单位（）。由于定子绕组中电阻压降由于定子绕组中电阻压降IRIR和漏抗压降和漏抗压降jXjXL同交流电源电压相比可以忽略，因此，（3.213.21）由式（由式（3.1
25、8）和式（3.4）可知，当定子绕组中感应电动势的有效值E E不变不变，如果改变交流电频率如果改变交流电频率f，必然导致电，必然导致电动机主磁通动机主磁通MM的变化，继而影响电动机的负载能力，使的变化，继而影响电动机的负载能力，使电动机电磁转矩电动机电磁转矩TMM发生改变。这样也就影响了电动机的机械特性和调速指标。本讲稿第三十五页，共四十一页若保持电动机的主磁通M不变，在改变交流电源频率f的同时，还必须改变电压U，保持U/f比值不变。从而保证在调速范围内电磁转矩TM不变。所以，这种方式也称为V/F控制，也称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）表示，
26、其数学表达式为 （3.22）变频调速是以交流电源频率（异步电动机额定频率）fN=50Hz为基本频率，简称“基频”，其所对应的电动机额定转速为“基速”。本讲稿第三十六页，共四十一页一、基频以下调速一、基频以下调速l l当电动机定子绕组中交流电频率当电动机定子绕组中交流电频率f f由基频由基频f fN N向下调节时，由式向下调节时，由式（3.223.22）可见，如果）可见，如果只降低频只降低频率率f f而不同时降低电压而不同时降低电压U U，则随，则随着着f f的下降必将会使主磁通的下降必将会使主磁通MM增大，电动机磁路越来越饱和，增大，电动机磁路越来越饱和，励磁电流将大大增加励磁电流将大大增加，
27、继而造，继而造成成电动机过热电动机过热而无法正常工作。而无法正常工作。因此，在降低频率因此，在降低频率f f的同时，必的同时，必须降低定子电压须降低定子电压U U。才能保证电。才能保证电动机的主磁通动机的主磁通MM不变，使电动不变，使电动机的电磁转矩机的电磁转矩T TMM也不改变。这种也不改变。这种控制属于控制属于恒磁通方式，称为恒转恒磁通方式，称为恒转矩调速矩调速，其机械特性如图，其机械特性如图3-113-11所所示示 本讲稿第三十七页，共四十一页当电动机定子绕组中交流电频当电动机定子绕组中交流电频率率f由基频由基频f fN向上调节时，如果也按比例调高电压U，则会超过电动机的额定电压，这是绝
28、对不允许的。在保持定子绕组电压U U不变的情况下，频率f f可以向上调节，使电动机的可以向上调节，使电动机的转速升高。因此，当频率转速升高。因此，当频率f向上向上调节时，由于调节时，由于E不能增加，必然不能增加，必然使主磁通使主磁通M降低。主磁通降低。主磁通M的降低，使电动机电磁转矩的降低，使电动机电磁转矩TMM减小。在这种控制方式下，转速减小。在这种控制方式下，转速越高则转矩越小，但电动机转速越高则转矩越小，但电动机转速与转矩的乘积，即功率保持不变，与转矩的乘积，即功率保持不变，这种控制属于这种控制属于弱磁方式，称为恒弱磁方式，称为恒功率调速功率调速。其功率表达式为(3.24)。二、基频以上
29、调速二、基频以上调速(3.24)(3.24)本讲稿第三十八页，共四十一页矢量控制方式基本思想矢量控制方式基本思想直流电动机在两个相互垂直的主磁场和电枢磁场中只需调节其中之一，即可进行调速。仿照直流电动机调速特点，将交流异步电动机通过等效变换成两个相互垂直的磁场来实施控制，从而进行转速调节。将交流异步电动机三相旋转磁场等效变换成二相旋转磁场，称为3/2变换，反之称2/3变换，在3/2变换时，三相绕组旋转磁场变换成二相绕组旋转磁场，由于二相旋转磁场和直流旋转磁场都是在空间相互垂直的，这种等效变换称为交/直变换或直/交变换。本讲稿第三十九页，共四十一页矢量控制方式原理矢量控制方式原理既然三相交流异步
30、电动机既然三相交流异步电动机经等效变换可以等效成直经等效变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方式，经流电动机的控制方式，经过相应的等效变换，就可过相应的等效变换，就可以控制交流异步电动机。以控制交流异步电动机。实行等效变换的电路，是实行等效变换的电路，是磁场的空间矢量变换，因磁场的空间矢量变换，因此，通过等效变换实现的此，通过等效变换实现的控制系统称为矢量控制系控制系统称为矢量控制系统。图统。图3-213-21所示为矢量控所示为矢量控制方式原理图。制方式原理图。本讲稿第四十页，共四十一页1信号给定控制环节信号给定控制环节信号给定控制环节信号给定控制环节将矢
31、量给定信号分解成模拟直流电动机两个相互垂直的直将矢量给定信号分解成模拟直流电动机两个相互垂直的直流磁场信号，即励磁电流磁场信号和电枢电流磁场信号，流磁场信号，即励磁电流磁场信号和电枢电流磁场信号，分别称为励磁分量分别称为励磁分量i iT和转矩分量iMM。2 2直直/交变换环节交变换环节将相互垂直的直流磁场信号变换成等效的二相磁场控制信号i i和和i3 3“2/3”变换环节变换环节将二相磁场的控制信号变换成三相磁场的控制信号将二相磁场的控制信号变换成三相磁场的控制信号i iA A、iB、ic c，将这三个电流控制信号加到带电流控制器的逆变桥上，将这三个电流控制信号加到带电流控制器的逆变桥上，用来控制三相逆变器的工作。由此可见，控制励磁分量用来控制三相逆变器的工作。由此可见，控制励磁分量 i iT和和转矩分量转矩分量i iM中的任意一个，都可以控制三相磁场控制信号iA、i iB、ic c。从而控制了变频器的交流输出，实现了用模仿直流电动机的控制方法去控制三相交流异步电动机，使之达到直流电动机的控制效果。本讲稿第四十一页，共四十一页