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1、电力拖动控制系统电力拖动控制系统 对对 象：象：电气电气2010级级1-4班班（76人人)授课时间：授课时间：2013.4.9-2013.6.222013.4.9-2013.6.22主讲教师：主讲教师：夏胜芬夏胜芬 黄声华黄声华 单位：单位：电气学院电机及控制系电气学院电机及控制系电话：电话：87542626-821287542626-8212，1350713890013507138900节次：节次：星期二星期二星期二星期二3-43-4，星期四星期四星期四星期四1-21-2教室：教室：西西西西12-S30412-S304，S307S307绪绪 论论 1.本课程在电气学科中的位置本课程在电气学科
2、中的位置2.本本课程课程与先修课程的关系与先修课程的关系3.教材、参考教材教材、参考教材 4.本课程的学习内容本课程的学习内容5.教学安排教学安排6.电力拖动控制系统的发展动向电力拖动控制系统的发展动向5.教学安排教学安排讲课讲课:40学时学时,共共11章，章，实验实验:8学时学时 2次：次：1.直流调速系统直流调速系统 2.交流变频调速系统交流变频调速系统 时间要排；地点：西二楼时间要排；地点：西二楼1楼电机实验室楼电机实验室作业作业:每周二交每周二交考试：闭卷考试：闭卷成绩：成绩：平时平时20分（含作业、课堂、实验）分（含作业、课堂、实验）考试考试80分分100分分第第1章章 电力拖动基础
3、电力拖动基础 1.1 电力拖动系统的电力拖动系统的运动方程运动方程 1.2 电力拖动系统的电力拖动系统的机械特性机械特性 1.3 他励直流电动机的起动、调速与他励直流电动机的起动、调速与制动制动1.4 异步电动机的起动、调速与异步电动机的起动、调速与制动制动 学习目标与要求学习目标与要求1掌握电力拖动系统的构成。掌握电力拖动系统的构成。2了解机械传动机构与工作机械的折算。了解机械传动机构与工作机械的折算。3掌握电力拖动系统的运动方程及掌握电力拖动系统的运动方程及明确速度控制的本质是明确速度控制的本质是对转矩的控制。对转矩的控制。4掌握电动机及负载的机械特性掌握电动机及负载的机械特性，掌握电动机
4、电动制动和掌握电动机电动制动和四象限运行的概念。四象限运行的概念。5掌握电力拖动系统稳定运行条件。掌握电力拖动系统稳定运行条件。6复习复习他励直流电动机的起动、调速，他励直流电动机的起动、调速，学习掌握学习掌握他励直流他励直流电动机的制动。电动机的制动。7复习复习异步电动机的起动、调速，异步电动机的起动、调速，学习掌握学习掌握异步电动机的异步电动机的制动。制动。学习重点学习重点速度控制的本质是对转矩的控制。速度控制的本质是对转矩的控制。电动机电动机四象限运行的概念四象限运行的概念。电力拖动系统电力拖动系统稳定运行条件。稳定运行条件。他励直流电动机他励直流电动机4种制动的方法及原理种制动的方法及
5、原理。异步电动机异步电动机5种制动的方法及原理种制动的方法及原理。1.1.2 机械传动机构与工作机械的折算机械传动机构与工作机械的折算 转矩转矩（力）、（力）、转速（速度）转速（速度）、转动惯量（质量）转动惯量（质量）Nm Nm （N N）、）、rad/srad/s（m/s)m/s)、kg/mkg/m2 2 (kg)(kg)1折算的概念及折算原则折算的概念及折算原则1）折算的概念折算的概念把一个把一个多轴系统用一个单轴系统多轴系统用一个单轴系统或单拖动（推动）系统或单拖动（推动）系统 来来取代取代。a）保持折算前后两个系统传送的）保持折算前后两个系统传送的功率相同功率相同 b）保持折算前后两个
6、系统储存的）保持折算前后两个系统储存的动能相同动能相同 2）折算原则：折算原则：3）要折算的量：要折算的量：折算折算多多轴系统轴系统单单轴系统轴系统能量守恒能量守恒简化！简化！以获得一个以获得一个运动方程！运动方程！折算后的结果折算后的结果（折算目的达到了！）：（折算目的达到了！）：无论是直线运动还是旋转运动，无论是直线运动还是旋转运动，机械运动方程只机械运动方程只有一个！有一个！复杂的机械问题简化了！复杂的机械问题简化了！对对直线运动直线运动，运动方程为，运动方程为 对对旋转运动旋转运动，运动方程为，运动方程为1.1.3 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程 对对直线运动直线运动，运
7、动方程为，运动方程为 对对旋转运动旋转运动，运动方程为，运动方程为式中：式中：G重量（重量（N）；）；g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2；D惯性直径（惯性直径（m）；）；惯性半径（惯性半径（m）旋转运动方程的工程实用形式为：旋转运动方程的工程实用形式为：称为称为飞轮矩飞轮矩两式中的三项两式中的三项都有都有方向方向工程习惯：转速的单位为工程习惯：转速的单位为-n(r/min)，不用转动惯量不用转动惯量J而用飞轮矩而用飞轮矩GD2(Nm2)。1.1.4 速度控制的本质是对转矩的控制速度控制的本质是对转矩的控制一、由运动方程式一、由运动方程式可知判断拖动系统的运动状态：可知判断拖动系统的
8、运动状态：l 当当 T=Tl 时时，d/dt=0，电电力拖力拖动动系系统统处在处在匀速匀速旋转（含静止不动）的稳态中。旋转（含静止不动）的稳态中。，l 当当 TTl 时时，d/dt0，电力拖动系统处在电力拖动系统处在加速加速（或反向减速）状态（或反向减速）状态。l 当当 TTl 时时，d/dtTl，电机加速。，电机加速。当到达新转速后，再使当到达新转速后，再使 T=Tl ，则电机就在新的转速下稳定运行。，则电机就在新的转速下稳定运行。三、重要结论：电动机速度控制的本质是对其输出转矩的控制。三、重要结论：电动机速度控制的本质是对其输出转矩的控制。1.2 电力拖动系统的机械特性电力拖动系统的机械特
9、性 1.2.1 机械特性机械特性 1.机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即 机械特性机械特性 负载机械特性负载机械特性 电动机机械特性电动机机械特性 固有机械特性固有机械特性 人为机械特性人为机械特性 2.运行状态：运行状态：运动方程中反映了三个物理量运动方程中反映了三个物理量T，Tl、转速转速n之间的关系之间的关系。这三个物理量都有方向，有正负之分，选定参考正方向这三个物理量都有方向，有正负之分，选定参考正方向：TL与与T参考正向相反。参考正向相反。再有两个方程就能求解了！再有两个方程就能求解了！电动电动：转矩与转速的方向一致：转矩与转速的方向一致
10、 制动制动：转矩与转速的方向相反：转矩与转速的方向相反3.四象限运行：四象限运行：1.2.2 负载的机械特性负载的机械特性 a)反抗性反抗性 b）位能性位能性 c）粘滞摩擦力粘滞摩擦力 d）流体阻力流体阻力 e）恒功率阻力恒功率阻力 例，实际风机的负载机械特性：例，实际风机的负载机械特性：l 实际的机械装置则是多种性质的负载转矩的组合实际的机械装置则是多种性质的负载转矩的组合 1.2.3 电动机的固有机械特性电动机的固有机械特性 a）他励直流电动机他励直流电动机 b）异步电动机异步电动机 e）同步电动机同步电动机 把电机和负载机械特性曲线画在同一坐标平面，交点处满把电机和负载机械特性曲线画在同
11、一坐标平面，交点处满足足 ，但这时系统一定能稳定运行吗？但这时系统一定能稳定运行吗？1.2.4 电力拖动系统电力拖动系统稳定运行条件稳定运行条件稳定运行是对系统的最基本的要求；稳定运行是对系统的最基本的要求；稳定运行是对系统的最基本的要求；稳定运行是对系统的最基本的要求；学会用机械特性来判断系统是否能稳定运行。学会用机械特性来判断系统是否能稳定运行。学会用机械特性来判断系统是否能稳定运行。学会用机械特性来判断系统是否能稳定运行。条件条件1：电机机械特性曲线及负载机械特性曲线有交点电机机械特性曲线及负载机械特性曲线有交点 是充要条件么？是充要条件么？稳定点稳定点不稳定点不稳定点讨论讨论A点：点：
12、A点是真正的大范围渐进稳定运行点点是真正的大范围渐进稳定运行点若扰动使转速降低，这时若扰动使转速降低，这时 ，拖动系统加速，系统同样会回到，拖动系统加速，系统同样会回到A点运行。点运行。若若系系统统受受到到扰扰动动而而使使转转速速升升高高，这这时时 ，拖拖 动动 系系 统统 减减 速速，最最 终终 回回 到到A 点点。讨论B点：所以所以B点不是真正的稳定运行点点不是真正的稳定运行点若扰动使转速降低，这时若扰动使转速降低，这时 ，拖动系统减速，拖动系统减速，系统同样会离开系统同样会离开B点点,直到停止运行直到停止运行。若系统受到扰动而使转速升高，这时若系统受到扰动而使转速升高，这时 ，拖动系统升
13、速，拖动系统升速，最终离开最终离开B点（到了点（到了A点）点）。条件条件2.且且在交点处满足在交点处满足 判别方法：判别方法：l条件条件1：电机机械特性及负载机械特性有交点：电机机械特性及负载机械特性有交点（只是必要条件！）（只是必要条件！）串电阻调速串电阻调速只能把速度只能把速度由额定转速往低速方向调由额定转速往低速方向调弱磁弱磁调速调速适合于适合于升速升速改变端电压调速转速一般只采用改变端电压调速转速一般只采用降压调速降压调速：一般情况一般情况下电机的下电机的绝缘不允许绝缘不允许所加的电压高于额定电压所加的电压高于额定电压3、三种调速方法的特点比较三种调速方法的特点比较l无级调速的概念与闭
14、环自动控制系统无级调速的概念与闭环自动控制系统l节能概念：节能概念：l控制功率大小的概念：控制功率大小的概念：l调压调速为直流电机的调压调速为直流电机的“主导调速方法主导调速方法”1.3.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 所允许的最大输出转矩所允许的最大输出转矩 4 4调速时的转矩与功率调速时的转矩与功率 图图1-11 调速时转矩与功率曲线调速时转矩与功率曲线 所允许的最大输出功率所允许的最大输出功率 l 电机电机允许流过的最大电流允许流过的最大电流受制于电受制于电机的散热条件，一般为额定电流机的散热条件，一般为额定电流I IaNaN。-安全运行边界！安全运行边界！自然冷却，自扇冷
15、式自然冷却，自扇冷式 ，他扇冷式，他扇冷式 ，水外冷，水外冷，水内冷，蒸发冷却，超导，等水内冷，蒸发冷却，超导，等不变不变 下降下降不变不变 与转速成正比与转速成正比l 在在 nnnn nN N 的区域，磁通的区域，磁通减小，减小，PmaxPmax不变不变。称恒功率调速区域。称恒功率调速区域。l 电机的冷却电机的冷却 方式：方式：Q1：直流电机的三种调速方法在调速时最大转矩或最大功率是什么特点？直流电机的三种调速方法在调速时最大转矩或最大功率是什么特点？Q2：异步电机或同步电机也有类似的问题么？异步电机或同步电机也有类似的问题么？1.3.2 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 电动机的电
16、动机的允许输出最大转矩允许输出最大转矩 和和允许输出最大功率允许输出最大功率 在不同方法调速时是不同的。在不同方法调速时是不同的。（1）串电阻调速及降压调速串电阻调速及降压调速时，允许最大输出转矩不变时，允许最大输出转矩不变“恒转矩调速恒转矩调速”1.3.4 他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动:T与与N反向反向1能耗制动能耗制动 a a）原理电路图）原理电路图-方法或条件方法或条件 b b）机械特性图）机械特性图制动特性制动特性 Q1：制停过程是一个动态过程？还是能稳定制动运行？：制停过程是一个动态过程？还是能稳定制动运行？c c）能量传递简图）能量传递简图节能否？节能否？最终的稳态工作
17、点：最终的稳态工作点：（1）反抗性负载，反抗性负载，C C点点（2 2）位能性负载）位能性负载，D点点l 制动最常用场合：制动最常用场合：1.快速停车或快速降速快速停车或快速降速 2.限制（或控制）工作机械产生过高的速度限制（或控制）工作机械产生过高的速度 l 直流电机的直流电机的电磁制动方法电磁制动方法有四：有四：2 2回馈制动（再生发电制动回馈制动（再生发电制动 ）c c）能量传递简图）能量传递简图 a a）原理电路图）原理电路图 b b）机械特性图）机械特性图 l 回馈制动实际中常常出现于：回馈制动实际中常常出现于：l 回回馈馈制制动发动发生条件：生条件：电电机机转转速速nn0 ，即电机
18、反电势，即电机反电势 。位能性负载拖动电动机转动时位能性负载拖动电动机转动时 在调压调速中突然降低端电压在调压调速中突然降低端电压弱磁调速中突然增加磁通时弱磁调速中突然增加磁通时l 以突然以突然降压产生回馈制动为例降压产生回馈制动为例分析：分析：动态制动动态制动电动电动3反接制动反接制动:反抗性负载的（电动）稳态运行点反抗性负载的（电动）稳态运行点 （位能性负载回馈）（位能性负载回馈）Ua（）（）Ea（）（）Ia（）（）Ra，Ia反向，反向，T方向反方向反制动停车则应及时切断电制动停车则应及时切断电源，否则电机反转源，否则电机反转反抗性负载的（电动）稳态运行点反抗性负载的（电动）稳态运行点 （
19、位能性负载回馈）（位能性负载回馈）制动过程结束：制动过程结束：BC为制动线为制动线l 条件：电枢电压反向条件：电枢电压反向l 串入串入Rj的目的的目的？l 电机最终的稳态运行点电机最终的稳态运行点 l 制制动动停停车车用用时时切断电源方法切断电源方法l 制制动动停停车过车过程程为动态过为动态过程程ABCB：稳态运行点稳态运行点第四象限：第四象限：“倒拉反转制动倒拉反转制动”R增大。增大。Ia下降，下降，T Tl,能量传递简图同反接制动能量传递简图同反接制动4倒拉反转制动倒拉反转制动位能性负载（如吊车下放重物）位能性负载（如吊车下放重物），电枢回路串，电枢回路串较大的电阻较大的电阻以控制以控制下
20、放速度下放速度电机转矩电机转矩小于负载转矩，电动小于负载转矩，电动机被负载拉成反转机被负载拉成反转B：稳态运行点稳态运行点第四象限：第四象限：“倒拉反转制动倒拉反转制动”R增大。增大。Ia下降，下降，T Tl,能量传递简图同反接制动能量传递简图同反接制动l 条件：条件：1)电枢正电压；电枢正电压；2）位能性负载；）位能性负载；3）电机反转；）电机反转；4）串电阻（非必要）串电阻（非必要）n负载转矩性质不同负载转矩性质不同n运行状态侧重点不同运行状态侧重点不同反接制动时反接制动时,T TL L与与T反号反号;倒拉反转制动倒拉反转制动,T TL L与与T同号。同号。倒拉反转制动是以稳态运行为主，倒
21、拉反转制动是以稳态运行为主，反接制动是动态过程。反接制动是动态过程。倒拉反转制动与反接制动的关系倒拉反转制动与反接制动的关系各种运转状态之比较各种运转状态之比较2 2人工机械特性人工机械特性 a)改变输入电压改变输入电压 b)绕线式转子回路串电阻绕线式转子回路串电阻 c)改变电源频率改变电源频率 d)改变极对数改变极对数 1.4.2 异步电动机的起动异步电动机的起动 a)降压起动降压起动 b)转子回路串电阻起动转子回路串电阻起动 c)变频起动变频起动 d)其它其它 1.4.3 异步电动机的调速异步电动机的调速 a)调压调速调压调速 b)转子回路串电阻调速转子回路串电阻调速c)定子回路串电抗调速
22、定子回路串电抗调速 1。变频调速。变频调速2。变转差调速。变转差调速3。变极调速变极调速 1.4.4 异步电动机的制动异步电动机的制动 1 1回馈制动回馈制动 a)负载带动电机发电负载带动电机发电 b)变频调速时的回馈制动变频调速时的回馈制动 d)能量传递简图能量传递简图 l 发生条件：发生条件：1）接交流电源）接交流电源 2）l 回馈（发电）原理回馈（发电）原理l 发生的场合：发生的场合：a)位能负载带动电机发电位能负载带动电机发电 b)变频调速时降低变频器的输出频率变频调速时降低变频器的输出频率 c)变极调速时的回馈制动变极调速时的回馈制动l 机械特性曲线图机械特性曲线图l 能量传递简图能
23、量传递简图c)变极调速时的回馈制动变极调速时的回馈制动 2 2能耗制动能耗制动 1)原理电路图原理电路图2)制动的工作原理：制动的工作原理：方法方法 原理原理3)机械特性曲线图机械特性曲线图4)能量传递简图能量传递简图原理电路图原理电路图3 3反接制动反接制动 4 4倒拉反转制动倒拉反转制动 5 5阻容制动阻容制动 原理电路图原理电路图制动的工作原理制动的工作原理作业：P.24 1-11，1-12，1-13，1-14，1-15课堂：课堂：p.231-1,1-2,1-3,1-41-5他他励励直直流流电电动动机机在在倒倒拉拉反反转转制制动动时时，电电动动机机的的工工作作状状态态是是 ，在在反反接接制制动动时时，电电动动机机的的工工作作状状态态是是 。a)稳态运行状态；稳态运行状态；b)动态运行过程。动态运行过程。1-6异异步步电电动动机机在在采采用用“能能耗耗制制动动”时时，其其主主要要方方法法是是 。a）转子回路串电阻；转子回路串电阻；b)定子回路串电阻；定子回路串电阻；c)把把定定子子回回路路从从电电源源断断开开，接接制制动动电电阻阻；d)定定子子回回路路通通直流电流。直流电流。