第1章(電力拖動控制系統(tǒng))

電力拖動自動控制系統(tǒng)

講課教師：張亞蘭

辦公地點：行政樓328華中科技大學文華學院機電學部緒論

本課程在電氣學科中的位置本課程與先修課程的關系教材、參考教材本課程的學習內(nèi)容教學安排電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向1.本課程在電氣學科中的位置電能的“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系統(tǒng)——電動機希望對電力拖動系統(tǒng)有更多的干預和控制——電機調(diào)速系統(tǒng)課程的目的與任務本課程在電氣學科中的位置2.本課程與先修課程的關系先修課程:電機學電力電子學自動控制理論檢測技術電子技術基礎微機及其接口技術綜合性強，涉及面廣

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

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

教材：《電力拖動自動控制系統(tǒng)》第4版，阮毅，陳伯時主編;4.本課程的學習內(nèi)容

交流調(diào)速系統(tǒng)

◆交流調(diào)壓調(diào)速

第5章

◆串級調(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章電力拖動基礎第1章直流調(diào)速系統(tǒng)第2、3、4章5.教學安排講課:48學時 實驗:8學時考試：閉卷成績：平時（含點名）15分＋實驗15分＋考試70分＝100分6.電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向20世紀60年代以前，調(diào)速系統(tǒng)是以直流機組為主，20世紀60年代，開始有晶閘管構成的直流V-M系統(tǒng)。20世紀70年代開始，研究交流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀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)展有如下一些動向：(1)新型調(diào)速電機。(2)新型變流裝置和變流技術。(3)新的控制策略。(4)無速度（位置）檢測器的速度（位置）檢測技術。(5)全數(shù)字化控制及集成化技術。電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第1章電力拖動基礎1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程

1.2電力拖動系統(tǒng)的機械特性

1.3他勵直流電動機的起動、調(diào)速與制動

1.4異步電動機的起動、調(diào)速與制動

用各種原動機帶動生產(chǎn)或工作機械（負載）產(chǎn)生運動，以完成一定的任務。1.1.1電力拖動系統(tǒng)的構成1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程

一、“電力拖動”的概念1.拖動：用各種電動機作為原動機的拖動方式。電力拖動控制系統(tǒng)：1.電機及負載2.電力電子變換器（主電路）3.控制器4.檢測、反饋裝置電力拖動系統(tǒng),四個組成部分：1.電動機2.電機控制裝置3.機械傳動機構4.工作機械

二、電力拖動系統(tǒng)的構成三、電力拖動控制系統(tǒng)結構框圖2.電力拖動：1.1.2機械傳動機構與工作機械的折算

物理量：轉(zhuǎn)矩（力）、轉(zhuǎn)速（速度）、轉(zhuǎn)動慣量（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——把一個多軸系統(tǒng)用一個單軸系統(tǒng)或單拖動（推動）系統(tǒng)來取代。

a）保持折算前后兩個系統(tǒng)傳送的功率相同

b）保持折算前后兩個系統(tǒng)儲存的動能相同

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，負載軸的動能在折算前后相等，有：

2.折算到電機旋轉(zhuǎn)軸上（1）負載轉(zhuǎn)矩Tl

的折算Ⅰ.電動機工作在電動狀態(tài)時Ⅱ.電動機工作在發(fā)電制動狀態(tài)時根據(jù)功率相等原則：傳動損耗由電動機承擔，傳動損耗功率由工作機構承擔傳動效率η得負載轉(zhuǎn)矩折算式為：得負載轉(zhuǎn)矩折算式為：式中，速比（2）轉(zhuǎn)動慣量J的折算根據(jù)動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等。總轉(zhuǎn)動慣量是J為：得：例，把電機軸的旋轉(zhuǎn)動能折算為直線運動動能后，兩者相等：3.折算到直線運動的工作機構上以電動汽車為例，把旋轉(zhuǎn)的量折算到工作機械方。（1）拖動力F的折算（2）運動質(zhì)量m的折算有：根據(jù)功率相等原則：根據(jù)動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等。得電機軸的直線運動質(zhì)量為：總拖動質(zhì)量為：

總拖動質(zhì)量m是電動汽車總質(zhì)量加上旋轉(zhuǎn)部分的折算值1.1.3電力拖動系統(tǒng)的運動方程對直線運動，運動方程為對旋轉(zhuǎn)運動，運動方程為式中：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）的實用形式為稱為飛輪矩兩式中的三項都是有方向的工程上，習慣使用工程單位：轉(zhuǎn)速為n(r/min)，轉(zhuǎn)動慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。375具有加速度量綱1.1.4速度控制的本質(zhì)是對轉(zhuǎn)矩的控制一、由運動方程式可知：當T=Tl時，dΩ/dt=0，電力拖動系統(tǒng)處在勻速旋轉(zhuǎn)（含靜止不動）的穩(wěn)態(tài)中。，當T>Tl時，dΩ/dt>0，電力拖動系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài)

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

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

，電機加速。當?shù)竭_新轉(zhuǎn)速后，再使T=Tl

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

他勵直流電動機方程

固有機械特性方程（額定參數(shù)時）

人為機械特性固有機械特性

1.3.2他勵直流電動機的調(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械特性曲線族所允許的最大輸出轉(zhuǎn)矩

1.3.2他勵直流電動機的調(diào)速2．調(diào)速時的轉(zhuǎn)矩與功率圖1-11調(diào)速時轉(zhuǎn)矩與功率曲線

所允許的最大輸出功率

電機允許流過的最大電流受制于電機的散熱條件，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，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。