第1章(電力拖動(dòng)控制系統(tǒng))

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

講課教師：張亞蘭

辦公地點(diǎn)：行政樓328華中科技大學(xué)文華學(xué)院機(jī)電學(xué)部緒論

本課程在電氣學(xué)科中的位置本課程與先修課程的關(guān)系教材、參考教材本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容教學(xué)安排電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向1.本課程在電氣學(xué)科中的位置電能的“生產(chǎn)、變換、傳輸、分配和使用”的示意圖電能主要用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)——電動(dòng)機(jī)希望對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)有更多的干預(yù)和控制——電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)課程的目的與任務(wù)本課程在電氣學(xué)科中的位置2.本課程與先修課程的關(guān)系先修課程:電機(jī)學(xué)電力電子學(xué)自動(dòng)控制理論檢測(cè)技術(shù)電子技術(shù)基礎(chǔ)微機(jī)及其接口技術(shù)綜合性強(qiáng)，涉及面廣

典型的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)例:p182,圖9-17,(圖0-2),無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)3.教材、參考教材參考教材：《電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)》，馬志源編著，科學(xué)出版社，2004年第1版《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》，顧繩谷主編;

其它有關(guān)直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)的書；

教材：《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》第4版，阮毅，陳伯時(shí)主編;4.本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容

交流調(diào)速系統(tǒng)

◆交流調(diào)壓調(diào)速

第5章

◆串級(jí)調(diào)速

第6章

◆交流變頻調(diào)速

他控式第7、8章

自控式第9章

矢量控制第10、11章電力拖動(dòng)基礎(chǔ)第1章直流調(diào)速系統(tǒng)第2、3、4章5.教學(xué)安排講課:48學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn):8學(xué)時(shí)考試：閉卷成績(jī)：平時(shí)（含點(diǎn)名）15分＋實(shí)驗(yàn)15分＋考試70分＝100分6.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向20世紀(jì)60年代以前，調(diào)速系統(tǒng)是以直流機(jī)組為主，20世紀(jì)60年代，開始有晶閘管構(gòu)成的直流V-M系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代開始，研究交流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代之后，交流調(diào)速系統(tǒng)已成為調(diào)速系統(tǒng)的主流。交流調(diào)速系統(tǒng)仍在不斷的發(fā)展和完善中，目前主要的發(fā)展有如下一些動(dòng)向：(1)新型調(diào)速電機(jī)。(2)新型變流裝置和變流技術(shù)。(3)新的控制策略。(4)無速度（位置）檢測(cè)器的速度（位置）檢測(cè)技術(shù)。(5)全數(shù)字化控制及集成化技術(shù)。電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第1章電力拖動(dòng)基礎(chǔ)1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程

1.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性

1.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)

1.4異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)

用各種原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)或工作機(jī)械（負(fù)載）產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以完成一定的任務(wù)。1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程

一、“電力拖動(dòng)”的概念1.拖動(dòng)：用各種電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方式。電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)：1.電機(jī)及負(fù)載2.電力電子變換器（主電路）3.控制器4.檢測(cè)、反饋裝置電力拖動(dòng)系統(tǒng),四個(gè)組成部分：1.電動(dòng)機(jī)2.電機(jī)控制裝置3.機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4.工作機(jī)械

二、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成三、電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.電力拖動(dòng)：1.1.2機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作機(jī)械的折算

物理量：轉(zhuǎn)矩（力）、轉(zhuǎn)速（速度）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（質(zhì)量）

單位：Nm（N）、rad/s（m/s)、kg/m2(kg)1．折算的概念及折算原則1）

折算的概念：折算——把一個(gè)多軸系統(tǒng)用一個(gè)單軸系統(tǒng)或單拖動(dòng)（推動(dòng)）系統(tǒng)來取代。

a）保持折算前后兩個(gè)系統(tǒng)傳送的功率相同

b）保持折算前后兩個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能相同

2）折算原則：3）折算的物理量：折算多軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)能量守恒例，負(fù)載軸的動(dòng)能在折算前后相等，有：

2.折算到電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl

的折算Ⅰ.電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)Ⅱ.電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)根據(jù)功率相等原則：傳動(dòng)損耗由電動(dòng)機(jī)承擔(dān)，傳動(dòng)損耗功率由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)傳動(dòng)效率η得負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算式為：得負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算式為：式中，速比（2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的折算根據(jù)動(dòng)能相等原則，系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能相等?？傓D(zhuǎn)動(dòng)慣量是J為：得：例，把電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能折算為直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能后，兩者相等：3.折算到直線運(yùn)動(dòng)的工作機(jī)構(gòu)上以電動(dòng)汽車為例，把旋轉(zhuǎn)的量折算到工作機(jī)械方。（1）拖動(dòng)力F的折算（2）運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m的折算有：根據(jù)功率相等原則：根據(jù)動(dòng)能相等原則，系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能相等。得電機(jī)軸的直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為：總拖動(dòng)質(zhì)量為：

總拖動(dòng)質(zhì)量m是電動(dòng)汽車總質(zhì)量加上旋轉(zhuǎn)部分的折算值1.1.3電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為式中：G——重量（N）；g——重力加速度，g=9.81m/s2

；

D——慣性直徑（m）；——慣性半徑（m）的實(shí)用形式為稱為飛輪矩兩式中的三項(xiàng)都是有方向的工程上，習(xí)慣使用工程單位：轉(zhuǎn)速為n(r/min)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。375具有加速度量綱1.1.4速度控制的本質(zhì)是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制一、由運(yùn)動(dòng)方程式可知：當(dāng)T=Tl時(shí)，dΩ/dt=0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在勻速旋轉(zhuǎn)（含靜止不動(dòng)）的穩(wěn)態(tài)中。，當(dāng)T>Tl時(shí)，dΩ/dt>0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài)

。當(dāng)T<Tl時(shí)，dΩ/dt<0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在減速（或反向加速）狀態(tài)

。二、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（調(diào)速系統(tǒng)）控制的目標(biāo)是速度要想使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在某一個(gè)轉(zhuǎn)速n1時(shí)，必須在n1轉(zhuǎn)速下使T=Tl。若要使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)更高的轉(zhuǎn)速時(shí)，則首先在原轉(zhuǎn)速下使T>Tl

，電機(jī)加速。當(dāng)?shù)竭_(dá)新轉(zhuǎn)速后，再使T=Tl

，則電機(jī)就在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。三、重要結(jié)論：電動(dòng)機(jī)速度控制的本質(zhì)是對(duì)其輸出轉(zhuǎn)矩的控制。四、例：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的物理過程原狀態(tài)：新狀態(tài)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl恒定1.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性1.2.1機(jī)械特性1.機(jī)械特性是指轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，即機(jī)械特性負(fù)載機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性2.運(yùn)行狀態(tài)：轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T都有正、負(fù)值,要選定參考正方向。電動(dòng)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向一致制動(dòng)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反3.四象限運(yùn)行：1.2.2負(fù)載的機(jī)械特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，TL=常數(shù)有位能性和反抗性兩種，位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向。反抗性負(fù)載的大小不變，方向則始終與轉(zhuǎn)速反向。見書上P5圖1-3恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載的特征是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù).見教材圖1-41.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速1.3.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)方程

固有機(jī)械特性方程（額定參數(shù)時(shí)）

人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性

1.3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1．調(diào)速方法①電樞回路串電阻調(diào)速；②改變電樞端電壓調(diào)速；③弱磁調(diào)速。

分別改變則得到三組不同的人為機(jī)械特性曲線族所允許的最大輸出轉(zhuǎn)矩

1.3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速2．調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩與功率圖1-11調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)矩與功率曲線

所允許的最大輸出功率

電機(jī)允許流過的最大電流受制于電機(jī)的散熱條件，一般為額定電流IaN。

自然冷卻，自扇冷式，他扇冷式，水外冷，水內(nèi)冷，蒸發(fā)冷卻，超導(dǎo)，等不變下降不變

與轉(zhuǎn)速成正比在n<nN

的區(qū)域，磁通Φ不變，IaN不變，Tmax不變，稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)域。