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1、所有所有(suyu)分类电力传动系统基础分类电力传动系统基础第一页，共49页。本课程本课程(kchng)(kchng)的的主要内容主要内容1.1.电力拖动基础电力拖动基础 （2020学时）学时）电机拖动系统动力学电机拖动系统动力学直流电动机启动、调速直流电动机启动、调速交流交流(jioli)(jioli)电动机原理、运行电动机原理、运行2.2.直流电机拖动控制系统（直流电机拖动控制系统（2020学时）学时）单闭环调速系统单闭环调速系统多环调速系统多环调速系统3.3.交流交流(jioli)(jioli)电机拖动控制系统（电机拖动控制系统（1818学时）学时）交流交流(jioli)(jioli)电
2、机闭环调速系统电机闭环调速系统串级调速、矢量控制串级调速、矢量控制实验(shyn)：12学时课程设计第1页/共49页第二页，共49页。本课程(kchng)的主要参考书邱阿瑞，电机与拖动基础，电子工业(gngy)出版社，2001年顾绳谷，电机及拖动基础，机械工业(gngy)出版社陈伯时，电气传动自动控制系统，机械工业(gngy)出版社，2003年第2页/共49页第三页，共49页。什么(shnme)是拖动？气体拖动气体拖动汽缸、气阀、气体管路、气源；汽缸、气阀、气体管路、气源；特点：干净、力矩较小、噪音小特点：干净、力矩较小、噪音小应用：食品、药品、包装行业应用：食品、药品、包装行业液体拖动液体拖
3、动液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达；液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达；特点：力矩大，有油污特点：力矩大，有油污应用：轮船、大型压机应用：轮船、大型压机电力拖动电力拖动电机、电缆电机、电缆(dinln)(dinln)、电源、电源、特点：传送距离更远、调速性能更好特点：传送距离更远、调速性能更好国民经济各行各业国民经济各行各业第3页/共49页第四页，共49页。什么(shnme)是电力拖动？第4页/共49页第五页，共49页。第5页/共49页第六页，共49页。第6页/共49页第七页，共49页。第7页/共49页第八页，共49页。第8页/共49页第九页，共49页。第9页/共49页第十页，共
4、49页。第10页/共49页第十一页，共49页。电力(dinl)拖动系统的组成电动机控制设备传动机构生产机械 电 源第11页/共49页第十二页，共49页。电机(dinj)的分类变压器旋转(xunzhun)电机直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机回转(huzhun)变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压、降压特种变压器：自耦、互感器动力电机微特电机感应电机同步电机交流电机静止电机感应电动机感应发电机直流电动机直流发电机同步电动机同步发电机第12页/共49页第十三页，共49页。电力电力(dinl)拖动的类型拖动的类型成组拖动成组拖动 由一台电动机通过一根长轴由一台电动机通过一根长轴(俗称
5、俗称“天轴天轴”)拖动全车间的一组生产机械。拖动全车间的一组生产机械。从电动机到各个生产机械的能量传递以及在从电动机到各个生产机械的能量传递以及在各生产机械之间的能量分配各生产机械之间的能量分配(fnpi)完全完全用机械方法，靠天轴及机械传动系统来实现。用机械方法，靠天轴及机械传动系统来实现。电动机远离生产机械，车间里有大量的天轴、电动机远离生产机械，车间里有大量的天轴、长皮带和皮带轮等。能量传递过程中的损耗长皮带和皮带轮等。能量传递过程中的损耗大，效率低，灰尘大，劳动条件与卫生条件大，效率低，灰尘大，劳动条件与卫生条件很差，而且不安全，易出事故。很差，而且不安全，易出事故。第13页/共49页
6、第十四页，共49页。单机拖动：单电动机拖动单机拖动：单电动机拖动 由一台电动机单独拖动一台生产机械。这样，由一台电动机单独拖动一台生产机械。这样，电动机与生产机械在结构上配合密切，可以电动机与生产机械在结构上配合密切，可以用电气方法调节每台生产机械的转速，从而用电气方法调节每台生产机械的转速，从而进一步简化机械结构，提高生产效率，而且进一步简化机械结构，提高生产效率，而且易于实现生产机械运转的全部自动化。易于实现生产机械运转的全部自动化。但是，一台生产机械往往又具有但是，一台生产机械往往又具有(jyu)几几个不同的运动。例如，车床，就有刀架的横个不同的运动。例如，车床，就有刀架的横向移动，纵向
7、移动和主轴的转动。向移动，纵向移动和主轴的转动。单电动机拖动方式不便于各种运动的分别调单电动机拖动方式不便于各种运动的分别调节，而且使传动机构复杂化。节，而且使传动机构复杂化。第14页/共49页第十五页，共49页。多机拖动：多电动机拖动多机拖动：多电动机拖动 由多台电动机分别拖动一台生产机械的各个由多台电动机分别拖动一台生产机械的各个运动部分运动部分(b fen)。即每一个执行机构用单。即每一个执行机构用单独的电动机拖动。独的电动机拖动。这样，生产机械的机械结构大为简化，克服这样，生产机械的机械结构大为简化，克服了单机拖动的缺点。了单机拖动的缺点。第15页/共49页第十六页，共49页。电力(d
8、inl)拖动的发展概况交交、直直流流两两大大电电力力拖拖动动系系统统。在在电电力力拖拖动动系系统统发发展展史史上上，一一直直是是二二者者互互为为补补充充、相相辅辅相成、交替发展。相成、交替发展。(十九世纪三十年代有了直流电，十九世纪末出现交流电十九世纪三十年代有了直流电，十九世纪末出现交流电)直直流流电电力力拖拖动动系系统统具具有有较较好好的的技技术术性性能能，如如起起动动性性能能和和调调速速性性能能很很好好。因因此此，直直流流拖拖动动在在对对起起动动、制制动动、正正反反转转(fn(fnzhun)zhun)、调调速速等等有有较较高高要要求求的的场场合合应应用用得得很很广广泛泛。目目前，直流电力
9、拖动系统已基本完善，处于繁盛的阶段。前，直流电力拖动系统已基本完善，处于繁盛的阶段。直直流流电电动动机机结结构构复复杂杂、价价格格较较贵贵、维维护护困困难难，安安装装环环境境有有一一定定限限制制(不不能能用用于于恶恶劣劣环环境境，如有爆炸气体及尘埃的场合如有爆炸气体及尘埃的场合)。由由于于以以上上直直流流电电动动机机的的缺缺点点，使使得得直直流流拖拖动动在在很很多多场场合合受受到到限限制制。而而交交流流电电动动机机在在以以上上几几方方面面都都优优于于直直流流电电动动机机，并并且且考考虑虑到到电电能能的的产产生生及及输输送送多多为为交交流流电电能能，所所以以交交流流电力拖动系统收到人们的重视。电
10、力拖动系统收到人们的重视。第16页/共49页第十七页，共49页。为什么学习(xux)本课程？电机的广泛应用；见上面的例子生产加工工艺指标要求对电机进行(jnxng)控制；例如：轧钢、造纸、机床等多门知识的综合运用第17页/共49页第十八页，共49页。本课程与其他(qt)课程的关系本课程(kchng)是自动化、电气工程专业的专业基础课先修课程(kchng)：物理学、电路、电机学、自动控制理论、电力电子技术；第18页/共49页第十九页，共49页。课程(kchng)特点“电气传动自动控制系统”是历来学生感到难学、怕学的课程(kchng)，因为因其涉及到电、磁、机、控制系统等多方面的理论和相关知识，也
11、是电类学生首次接触到的一门理论、实际紧密结合的课程(kchng)。在学习本课程(kchng)时，一方面从态度上应从认识电机的重要性出发，提高学习的兴趣，从而能知难而进。另一方面，从方法上，应逐步和尽快适应和掌握其特点和学习方法。第19页/共49页第二十页，共49页。课程学习(xux)任务掌握常用交直流电机的基本理论掌握常用交直流电机的基本理论掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论掌握电力拖动系统中电动机各种调速方法的基本原理掌握电力拖动系统中电动机各种调速方法的基本原理掌掌握握直直流流电电动动机机单单闭闭环环、多多环环调调速速系系统统的的设
12、设计计方方法法，电电机机与与电电力力拖拖动动系系统统的的基本实验方法与技能，基本实验方法与技能，并具有熟练并具有熟练(shlin)(shlin)的运算能力的运算能力掌握交流电动机的调速方法及双环调速系统的设计方法掌握交流电动机的调速方法及双环调速系统的设计方法第20页/共49页第二十一页，共49页。第一章第一章 电力拖动系统电力拖动系统(xtng)基础基础在在工工农农业业生生产产中中，各各种种生生产产机机械械一一般般都都以以电电动动机机为为动动力力，来来完完成成对对物物体体的的加加工工、输输送送、压压缩缩与与分分离离等等各各项项工工作作。这这种种以以电电动动机机为为动动力力来来拖拖动动各各种种
13、生生产产机机械械的的工工作作方方式式，称称为为(chnwi)(chnwi)电力拖动电力拖动(或电气传动或电气传动)。电电力力拖拖动动系系统统一一般般由由电电动动机机、控控制制设设备备、传传动动机机构构、生生产产机械和电源组成，如图所示。机械和电源组成，如图所示。第21页/共49页第二十二页，共49页。电力拖动系统基本(jbn)分类电动机通常是根据生产机械的工作要求来选用，主要有直流电动机异步电动机同步电动机直流电动机为动力(dngl)的拖动系统称为直流电力拖动系统，简称直流拖动系统交流电动机为动力(dngl)的拖动系统称为交流电力拖动系统，简称交流拖动系统。第22页/共49页第二十三页，共49
14、页。单轴电力(dinl)拖动系统电磁转矩T的正方向(fngxing)与转速n(rad/s)的正方向(fngxing)相同负载转矩TL的正方向(fngxing)与转速n的正方向(fngxing)相反。第23页/共49页第二十四页，共49页。电力(dinl)拖动系统的基本运动方程采用牛顿第二定律采用牛顿第二定律(dngl)(dngl)（旋转运动）（旋转运动）J J为转动惯量为转动惯量第24页/共49页第二十五页，共49页。动态动态(dngti)转矩与惯性转矩转矩与惯性转矩 当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于恒速运行(ynxng)的稳定状态(或静止)；当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处
15、于加速运行(ynxng)的过渡过程；当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于减速运行(ynxng)的过渡过程。第25页/共49页第二十六页，共49页。电力(dinl)拖动系统做直线运动时第26页/共49页第二十七页，共49页。电力电力(dinl)拖动系统运动分析拖动系统运动分析 电动机的转矩电动机的转矩 已知电动机的轴上已知电动机的轴上(输出输出)功率，可以功率，可以计算出电动机的转矩：计算出电动机的转矩：P电动机的轴上电动机的轴上(输出输出)功率，单位为瓦功率，单位为瓦特特(wt)(W)若电动机功率的单位是千瓦若电动机功率的单位是千瓦(kW)，则，则第27页/共49页第二十八页，共49页。
16、电机(dinj)转矩方向的规定电机产生与正向旋转一致的转矩为正，当电机作为电动机工作时，产生正转矩，带动生产机械(jxi)工作；电机在制动状态工作时，产生负转矩，它与系统转向相反，起制动作用。第28页/共49页第二十九页，共49页。负载负载(fzi)转矩转矩 负载转矩的符号，生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系TL=f(n)，称为负载的转矩特性。负载的转矩特性可以归纳为以下三种(snzhn)典型类型：考虑到运动方程式中，TL前已有负号，所以取：负载转矩与运动正方向(fngxing)相反的为正，负载转矩与运动正方向(fngxing)相同的为负。第29页/共49页第三十页，共49页。1.1.
17、恒转矩负载恒转矩负载(fzi)(constanttorqueload)(fzi)(constanttorqueload)的转矩特性的转矩特性 恒恒转转矩矩负负载载的的转转矩矩特特性性，就就是是指指负负载载转转矩矩TLTL与与转转速速n n无无关关，即即当当转转速速n n变变化化时时，负负载载转转矩矩TLTL保保持持常常值值不不变变(|TL|=const)(|TL|=const)。恒恒转转矩矩负负载载有有以以下下(yxi)(yxi)两两类：类：（1)1)反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 其其特特点点是是工工作作机机构构转转矩矩的的绝绝对对值值大大小小是是恒恒定定不不变变的的，转转矩矩的的性性质质
18、是是阻阻碍碍运运动动的的制制动动性性转转矩矩，即即：n n0 0时时，TLTL0(0(常常数数)；n n0 0时时，TLTL0(0(也也是是常常数数)，且，且TLTL的绝对值相等。的绝对值相等。（2)2)位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 其其特特点点是是工工作作机机构构转转矩矩的的绝绝对对值值大大小小是是恒恒定定不不变变的的，而而且且方方向向不不变变，当当n n0 0时时，TLTL0 0，转转矩矩的的性性质质是是阻阻碍碍运运动动的的制制动动性性转转矩矩；当当n n0 0时时，TLTL0 0，是帮助运动的拖动性转矩。，是帮助运动的拖动性转矩。第30页/共49页第三十一页，共49页。恒转矩负载(f
19、zi)的转矩特性反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载(fzi)位能位能(winng)性恒转矩负载性恒转矩负载第31页/共49页第三十二页，共49页。2.通风机负载通风机负载(fzi)的转矩特性的转矩特性 通风机、水泵(shubng)、油泵和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即TLn2。第32页/共49页第三十三页，共49页。3.恒功率恒功率(gngl)负载的转矩特负载的转矩特性性 恒功率负载的转矩特性(txng)，是指负载的转速与转矩的乘积为常数，即负载的机械功率P=TLL=TL2nL/60=常数。实际上负载转矩与转速称反比，TL1/n。第33页/共49页第三十四页，共49页。恒转矩负载、
20、通风机负载以及恒功率负载都是从各种实际负恒转矩负载、通风机负载以及恒功率负载都是从各种实际负载中概括出来载中概括出来(chli)(chli)的典型的负载形式，实际的负载可能的典型的负载形式，实际的负载可能是以某种典型为主或几种典型的结合。是以某种典型为主或几种典型的结合。例如，实际的通风机主要是通风机负载特性，但是其轴承摩例如，实际的通风机主要是通风机负载特性，但是其轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。而已。第34页/共49页第三十五页，共49页。电力电力(dinl)拖动系统稳定运行拖动系统稳定运行的条件的条件 电
21、动机的电磁(dinc)转矩与转速之间的关系n=f(T)称为机械特性。不同的电动机有不同性质的机械特性，可以用数学表达式表示，也可以画成机械特性曲线。分析电力传动系统的稳定运行问题时，认为电动机的机械特性已知。第35页/共49页第三十六页，共49页。稳定(wndng)条件为使电力拖动系统正常工作，系统必须是稳定的。所谓稳定，是指系统受到干扰后(如负载变化，或电压、电阻等电气参量变化)，有回到稳定平衡状态的能力(nngl)。从电力拖动系统的运动方程式可知，系统稳定运行即恒速不变的必要条件是动态转矩为零。第36页/共49页第三十七页，共49页。工作(gngzu)点把电动机的机械特性与负载转矩特性画在
22、同一坐标平面上。两条特性的交点，称为工作点。系统受到干扰后，若能回到原来工作点上继续稳定运行，则该工作点为稳定工作点。否则，为不稳定的工作点。电力(dinl)传动系统在电动机的机械特性与负载转矩特性的交点上，并不一定都能稳定运行，也就是说，TTL仅仅是系统稳定运行的必要条件，而不是充分条件。系统要想稳定运行，还需要电动机与负载的两条特性在交点TTL处配合得好。第37页/共49页第三十八页，共49页。稳定(wndng)运行的充要条件对于一个(y)电力拖动系统，稳定运行的充分必要条件是第38页/共49页第三十九页，共49页。多轴电力多轴电力(dinl)拖动系统的简拖动系统的简化化 实际的电力拖动系
23、统，大多数电动机是通过传动机构与工作机构相连，而不是直接联接的。由于许多工作机构为完成(wnchng)工艺过程需要较低的速度，而电动机为提高其经济技术指标做成高速的，因此，在电动机轴与工作机械轴之间加入了减速装置。第39页/共49页第四十页，共49页。它由电动机、齿轮减速机构和卷筒等组成，其中齿轮为二级减速机构，其速比为j1，j2，传动效率为1，2。这个系统中有三根转速不同的转轴，其转速分别为n，nb和nf。三根轴上的转矩、飞轮(filn)惯量也都不一样。分析该三轴系统时，应分别对每一根转轴列写出它的转动方程式，三个转动方程式联立求解，便可得出系统的运行状态。第40页/共49页第四十一页，共4
24、9页。折算(shsun)的目的对于多轴电力传动系统对于多轴电力传动系统(xtng)(xtng)，上述方法是相当麻烦的。为了简化多轴系，上述方法是相当麻烦的。为了简化多轴系统统(xtng)(xtng)的分析和计算，通常把负载转矩和系统的分析和计算，通常把负载转矩和系统(xtng)(xtng)飞轮惯量等折算飞轮惯量等折算到电动机轴上来，变多轴系统到电动机轴上来，变多轴系统(xtng)(xtng)为等效的单轴系统为等效的单轴系统(xtng)(xtng)，列写一，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的结果完全一样。个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的结果完全一样。第41
25、页/共49页第四十二页，共49页。转矩的折算转矩的折算(sh sun)把作用在卷筒上的转矩Tf折算到电动机轴上，应该使折算前后的功率保持不变。在折算中用效率来考虑传动(chundng)机构中的损耗，第42页/共49页第四十三页，共49页。力的折算力的折算(sh sun)把直线运动的力F直接折算(shsun)为旋转运动的转矩。根据两种运动形式功率相等的原则，电梯的传动电梯的传动(chundng)机构自锁作用如何实现？机构自锁作用如何实现？第43页/共49页第四十四页，共49页。转动惯量和飞轮转动惯量和飞轮(filn)矩的折矩的折算算 为把多轴电力为把多轴电力(dinl)(dinl)传动系统简化为
26、单轴系统，需要把各轴上的转动惯量传动系统简化为单轴系统，需要把各轴上的转动惯量折算到电动机轴上。折算时应该使折算前后系统贮存的动能保持不变。折算到电动机轴上。折算时应该使折算前后系统贮存的动能保持不变。第44页/共49页第四十五页，共49页。一般地说，传动机构各轴以及工作机构轴的转速要比电动机轴的转速低，转动惯量的折算与转速平方成反比，因此尽管可能有很多根轴，但它们的转动惯量折算到电动机轴上后数值不大，是系统的次要部分(bfen)。电动机转子本身的转动惯量，是系统转动惯量的主要部分(bfen)。第45页/共49页第四十六页，共49页。质量质量(zhling)的折算的折算 有时需要(xyo)把直
27、线运动的质量折算到旋转运动的飞轮惯量，根据能量不变原则第46页/共49页第四十七页，共49页。例例在在起起重重机机传传动动系系统统中中(如如前前图图)，电电动动机机的的转转速速n=980r/minn=980r/min，GD2M=70Nm2GD2M=70Nm2，卷卷筒转速筒转速n n=70r/min=70r/min，GD2GD2=3000Nm2=3000Nm2，重重物物质质量量m=500kgm=500kg，提提升升速速度度v=1.5m/sv=1.5m/s，卷卷筒筒至至电电动动机机轴轴的的传传动效率动效率=0.8=0.8，减速器的飞轮惯量，减速器的飞轮惯量(gunling)(gunling)和钢绳质量忽略不计。试求：和钢绳质量忽略不计。试求：(1)(1)重物的作用力折算到电动机轴上的转矩；重物的作用力折算到电动机轴上的转矩；(2)(2)电动机轴上的总飞轮惯量电动机轴上的总飞轮惯量(gunling)(gunling)。第47页/共49页第四十八页，共49页。第48页/共49页第四十九页，共49页。