第1講《電力拖動自動控制系統(tǒng)》第三版陳伯時

1、電機拖動與控制技術電機拖動與控制技術電氣工程系 鄭詩程2014.02 電機在國民經(jīng)濟中的應用 電機是完成多種能量形式轉換的有效電機是完成多種能量形式轉換的有效工具，而電能又是最容易實現(xiàn)傳輸、變換工具，而電能又是最容易實現(xiàn)傳輸、變換的能量形式，可以說，的能量形式，可以說，如果沒有電機就沒如果沒有電機就沒有現(xiàn)代工業(yè)，有現(xiàn)代工業(yè)，下面就電能的產(chǎn)生、傳輸和下面就電能的產(chǎn)生、傳輸和利用等多個方面來說明電機在國民經(jīng)濟中利用等多個方面來說明電機在國民經(jīng)濟中的作用。的作用。一個完整的發(fā)電、傳輸、用電系統(tǒng)一個完整的發(fā)電、傳輸、用電系統(tǒng)葛洲壩水利樞紐工程葛洲壩水利樞紐工程三峽電站三峽電站三峽水力發(fā)電機組n三峽電站

2、的水輪發(fā)電機當時全球最大的水輪發(fā)電機三峽電站的水輪發(fā)電機當時全球最大的水輪發(fā)電機 全國最大的火力發(fā)電廠江蘇諫壁發(fā)電站全國最大的火力發(fā)電廠江蘇諫壁發(fā)電站火力發(fā)電機組火力發(fā)電機組丹麥生產(chǎn)的風力發(fā)電機組丹麥生產(chǎn)的風力發(fā)電機組大型電力變壓器大型電力變壓器配電變壓器配電變壓器電路板上所使用的低壓變換變壓器電路板上所使用的低壓變換變壓器手機震動電機直流電機模型直流電機模型直流電機模型直流電機模型概 況n電能是現(xiàn)代大量應用的一種能量形式。n電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機電機作為能量轉換或信號變換的機電裝置。n不論是旋轉電機旋轉電機的能量轉換還是控制電控制電機機的信號變換，都是通過

3、電磁感應電磁感應作用而實現(xiàn)的。 概 況n電機的發(fā)展可以分成三個時期： 1.直流電機的產(chǎn)生和形成； 2.交流電機的形成； 3.電機理論、設計和制造工藝逐步達到完善； 概 況n對電機的要求由 性能良好、運行可靠、單位容量的重量輕、體積?。ㄐD電機）等發(fā)展到 高精度、快響應的（控制電機），如今控制電機已經(jīng)成為一個非常重要的分支。 概 況n電力拖動控制系統(tǒng)最初是繼電器接觸器型的，屬于有觸點、斷續(xù)型控制系統(tǒng)，也稱為繼電器接觸器自動控制系統(tǒng)。n電力拖動控制系統(tǒng)現(xiàn)在是無觸點、連續(xù)無觸點、連續(xù)型控制系統(tǒng)（型控制系統(tǒng)（采用功率器件）。 概 況n電機拖動的發(fā)展：電機拖動的發(fā)展： 直流拖動-無耦合、調速性能好，但是

4、結構復雜、難維護、 價格昂貴、轉動慣量大等交流拖動-強耦合、調速性能差，但是結構簡單、易維護、價格 便宜、轉動慣量小等直流拖動交流拖動-基本無耦合、調速性能好等和和 控制技術的發(fā)展控制技術的發(fā)展 電力電子技術電力電子技術 性質與任務n性質：性質：是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課；n任務：任務：掌握交、直流電機拖動的工作原交、直流電機拖動的工作原理（理（教材教材1 1）以及交、直流電機調速控制交、直流電機調速控制系統(tǒng)的分析與設計系統(tǒng)的分析與設計等（教材教材2 2）。）。注注：教材1為顧繩谷顧繩谷教授主編電機及拖動基礎電機及拖動基礎下冊下冊 教材2為陳伯時陳伯時教授主編電力拖動自動控制系統(tǒng)電力

5、拖動自動控制系統(tǒng)第一篇第一篇 直流拖動控制系統(tǒng)直流拖動控制系統(tǒng)緒論緒論1 1 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎 直流電機及其拖動 閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)第第1 1章章第第2 2章章 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)和調節(jié)器的工程設計方法 （教材1）（教材2）（教材2）注注：教材1為顧繩谷顧繩谷教授主編電機及拖動基礎電機及拖動基礎下冊下冊 教材2為陳伯時陳伯時教授主編電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第二篇第二篇 交流拖動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng) 緒論緒論2 2異步電機及其拖動 第第6 6章章籠型異步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）（教材1）（教材2） 第第7 7章章繞線轉子異步電機雙饋調速系統(tǒng)

6、 -轉差功率饋送型調速系統(tǒng) 第第8 8章章同步電動機變壓變頻調速系統(tǒng)n1.了解電力拖動基本概念；了解電力拖動基本概念；n2.2.熟悉電力拖動系統(tǒng)運動方程式；熟悉電力拖動系統(tǒng)運動方程式；n3.3.掌握拖動轉矩和負載轉矩的概念。掌握拖動轉矩和負載轉矩的概念。n重點：重點：n 運動方程式和負載轉矩。運動方程式和負載轉矩。 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎第一節(jié)第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 電力拖動裝置常包含電動機、工作機構、控制設電力拖動裝置常包含電動機、工作機構、控制設備及電源等四個組成部分。備及電源等四個組成部分。 在許多情況下，電動機與工作機構并不同

7、軸（在許多情況下，電動機與工作機構并不同軸（因為電動機速度因為電動機速度較快而工作機構速度一般較慢！較快而工作機構速度一般較慢！），而在二者之間有傳動機構，它），而在二者之間有傳動機構，它把電動機的運動經(jīng)過中間變速或變換運動方式后再傳給生產(chǎn)機械的把電動機的運動經(jīng)過中間變速或變換運動方式后再傳給生產(chǎn)機械的工作機構工作機構 。電動自行車？電動自行車？ 電力拖動？電力拖動？拖動？拖動？電機傳動機構電機傳動機構斜齒輪減速電機斜齒輪減速電機采用電力拖動主要原因采用電力拖動主要原因 現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機械都采用現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電力拖動，主要原因是電力拖動，主要原因是 ：1. 1. 電能

8、的運輸、分配、控制方便經(jīng)濟。電能的運輸、分配、控制方便經(jīng)濟。2. 2. 電動機的種類和規(guī)格很多，它們具有電動機的種類和規(guī)格很多，它們具有各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機械的不同要求。生產(chǎn)機械的不同要求。3. 3. 電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實現(xiàn)自動控制和遠距離操作等等。以實現(xiàn)自動控制和遠距離操作等等。一、運動方程式一、運動方程式對于直線運動對于直線運動 tvmFFzdd由牛頓運動定律，可得由牛頓運動定律，可得（1）（2）對于旋轉運動對于旋轉運動。：慣性轉矩或加速轉矩阻轉矩或負載轉矩；拖動轉矩；tJTTZdd:tJ

9、TTzdd式中式中 m與與G旋轉部分的質量（旋轉部分的質量（kg）與重量（）與重量（N） 與與D慣性半徑與直徑（慣性半徑與直徑（m） 可推出可推出常用的運動方程式常用的運動方程式如下如下（3）由式（由式（3）可知電機的各種運動狀態(tài)：）可知電機的各種運動狀態(tài)：tnGDTTzdd3752gJGDmNGD4222），稱為飛輪慣量（式中，1、當、當zTT 0ddtn電動機靜止或等速旋轉，電力拖動電動機靜止或等速旋轉，電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運轉狀態(tài)下。系統(tǒng)處于穩(wěn)定運轉狀態(tài)下。2、當、當zTT 0ddtn電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài) 3、當、當zTT 0ddtn電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)電

10、力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài) 二、運動方程式中轉矩的正負符號分析二、運動方程式中轉矩的正負符號分析運動方程式的一般形式運動方程式的一般形式 tnGDTTzdd375)(2 規(guī)定某個轉動方向為正方向，則轉矩規(guī)定某個轉動方向為正方向，則轉矩T 正向取正，反向取負；阻正向取正，反向取負；阻轉矩轉矩Tz 正向取負，反向取正。正向取負，反向取正。 三、各種形狀旋轉體轉動慣量的計算三、各種形狀旋轉體轉動慣量的計算1.1.旋轉軸通過該物體的重心旋轉軸通過該物體的重心計算旋轉物體的轉動慣量分兩種情況：計算旋轉物體的轉動慣量分兩種情況：。的重心到旋轉軸的距離該部分質量；該物體某個組成部分的iiimrmkiiimrJ1

11、2對于質量連續(xù)分布的物體用相應的定積分計算如下對于質量連續(xù)分布的物體用相應的定積分計算如下VdmrJ2 近年來，隨著制造業(yè)自動化程度的提高，各種各樣近年來，隨著制造業(yè)自動化程度的提高，各種各樣的機器人越來越廣泛地應用于生產(chǎn)第一線。這一類生產(chǎn)的機器人越來越廣泛地應用于生產(chǎn)第一線。這一類生產(chǎn)機械的轉動慣量是機器人控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，因此，機械的轉動慣量是機器人控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，因此，需要計算各種形狀旋轉體的轉動慣量。需要計算各種形狀旋轉體的轉動慣量。2.2.旋轉軸為不通過該物體重心的任意軸時，該物體的旋轉軸為不通過該物體重心的任意軸時，該物體的轉動慣量是它圍繞著不通過其重心的任意軸旋轉的轉轉

12、動慣量是它圍繞著不通過其重心的任意軸旋轉的轉動慣量動慣量（J J）與它圍繞穿過自身重心且平行于該任意與它圍繞穿過自身重心且平行于該任意軸線旋轉的轉動慣量軸線旋轉的轉動慣量（JJ）之和。之和。2 mLJJ2 mJ 根據(jù)以上方法，可以推導出幾根據(jù)以上方法，可以推導出幾種常見的旋轉物體轉動慣量的計算種常見的旋轉物體轉動慣量的計算方法如下：方法如下：1 1）以）以為半徑，以為半徑，以O O為旋轉軸線，質量為為旋轉軸線，質量為m的旋轉小球（小球自身的半徑與的旋轉小球（小球自身的半徑與相比相比充分?。┑霓D動慣量：充分小）的轉動慣量：2mLJJ2 2）圓環(huán)柱體）圓環(huán)柱體 )(22221mJ3 3）圓柱體自身的中軸線）圓柱體自身的中軸線O O為旋轉軸線為旋轉軸線 22mJ4 4）長度為）長度為L，寬度為，寬度為d，質量為，質量為m的長方體的長方體 )(1222dLmJ如果寬度如果寬度d與長度與長度L相比充分小相比充分小, , 則為則為 212LmJ 5 5）長方體的質量為）長方體的質量為m，以，以O為旋轉軸