電機控制技術緒論

本課程的主要內(nèi)容1.電動機原理及特性（20學時）直流電動機原理及特性、啟動、調(diào)速交流電動機原理、運行、啟動、調(diào)速2.直流傳動控制系統(tǒng)（8學時）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.交流電機拖動控制系統(tǒng)（8學時）交流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速、矢量控制3.電動機智能控制及節(jié)能（10學時）實驗：16學時控制策略仿真第1頁/共48頁本課程的主要參考書邱阿瑞，電機與拖動基礎，電子工業(yè)出版社，2001年顧繩谷，電機及拖動基礎，機械工業(yè)出版社陳伯時，電氣傳動自動控制系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，2003年第2頁/共48頁什么是拖動？氣體拖動汽缸、氣閥、氣體管路、氣源；特點：干凈、力矩較小、噪音小應用：食品、藥品、包裝行業(yè)液體拖動液缸、液壓閥、液壓管路、液壓泵、液壓馬達；特點：力矩大，有油污應用：輪船、大型壓機電力拖動電機、電纜、電源、特點：傳送距離更遠、調(diào)速性能更好國民經(jīng)濟各行各業(yè)第3頁/共48頁什么是電力拖動？第4頁/共48頁第5頁/共48頁第6頁/共48頁第7頁/共48頁第8頁/共48頁第9頁/共48頁第10頁/共48頁電力拖動系統(tǒng)的組成電動機控制設備傳動機構生產(chǎn)機械

電源第11頁/共48頁電機的分類變壓器旋轉(zhuǎn)電機直流電機伺服電動機、步進電動機、測速發(fā)電機回轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、直線電動機電力變壓器：升壓、降壓特種變壓器：自耦、互感器動力電機微特電機感應電機同步電機交流電機靜止電機感應電動機感應發(fā)電機直流電動機直流發(fā)電機同步電動機同步發(fā)電機第12頁/共48頁電力拖動的類型成組拖動

由一臺電動機通過一根長軸(俗稱“天軸”)拖動全車間的一組生產(chǎn)機械。從電動機到各個生產(chǎn)機械的能量傳遞以及在各生產(chǎn)機械之間的能量分配完全用機械方法，靠天軸及機械傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。電動機遠離生產(chǎn)機械，車間里有大量的天軸、長皮帶和皮帶輪等。能量傳遞過程中的損耗大，效率低，灰塵大，勞動條件與衛(wèi)生條件很差，而且不安全，易出事故。第13頁/共48頁單機拖動：單電動機拖動

由一臺電動機單獨拖動一臺生產(chǎn)機械。這樣，電動機與生產(chǎn)機械在結構上配合密切，可以用電氣方法調(diào)節(jié)每臺生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速，從而進一步簡化機械結構，提高生產(chǎn)效率，而且易于實現(xiàn)生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的全部自動化。但是，一臺生產(chǎn)機械往往又具有幾個不同的運動。例如，車床，就有刀架的橫向移動，縱向移動和主軸的轉(zhuǎn)動。單電動機拖動方式不便于各種運動的分別調(diào)節(jié)，而且使傳動機構復雜化。第14頁/共48頁多機拖動：多電動機拖動

由多臺電動機分別拖動一臺生產(chǎn)機械的各個運動部分。即每一個執(zhí)行機構用單獨的電動機拖動。這樣，生產(chǎn)機械的機械結構大為簡化，克服了單機拖動的缺點。第15頁/共48頁電力拖動的發(fā)展概況交、直流兩大電力拖動系統(tǒng)。在電力拖動系統(tǒng)發(fā)展史上，一直是二者互為補充、相輔相成、交替發(fā)展。(十九世紀三十年代有了直流電，十九世紀末出現(xiàn)交流電)直流電力拖動系統(tǒng)具有較好的技術性能，如起動性能和調(diào)速性能很好。因此，直流拖動在對起動、制動、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等有較高要求的場合應用得很廣泛。直流電動機結構復雜、價格較貴、維護困難，安裝環(huán)境有一定限制(不能用于惡劣環(huán)境，如有爆炸氣體及塵埃的場合)。使得直流拖動在很多場合受到限制。而交流電動機在以上幾方面都優(yōu)于直流電動機，并且考慮到電能的產(chǎn)生及輸送多為交流電能，所以交流電力拖動系統(tǒng)收到人們的重視。第16頁/共48頁為什么學習本課程？電機的廣泛應用；見上面的例子生產(chǎn)加工工藝指標要求對電機進行控制；例如：軋鋼、造紙、機床等多門知識的綜合運用第17頁/共48頁本課程與其他課程的關系本課程是自動化、電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎課

先修課程：物理學、電路、電機學、自動控制理論、電力電子技術；第18頁/共48頁課程特點“電氣傳動自動控制系統(tǒng)”是歷來學生感到難學、怕學的課程，因為因其涉及到電、磁、機、控制系統(tǒng)等多方面的理論和相關知識，也是電類學生首次接觸到的一門理論、實際緊密結合的課程。在學習本課程時，一方面從態(tài)度上應從認識電機的重要性出發(fā)，提高學習的興趣，從而能知難而進。另一方面，從方法上，應逐步和盡快適應和掌握其特點和學習方法。第19頁/共48頁課程學習任務掌握常用交直流電機的基本理論掌握分析電動機機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機各種調(diào)速方法的基本原理掌握直流電動機單閉環(huán)、多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計方法，電機與電力拖動系統(tǒng)的基本實驗方法與技能，并具有熟練的運算能力掌握交流電動機的調(diào)速方法及雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計方法第20頁/共48頁第一章電力拖動系統(tǒng)基礎在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種生產(chǎn)機械一般都以電動機為動力，來完成對物體的加工、輸送、壓縮與分離等各項工作。這種以電動機為動力來拖動各種生產(chǎn)機械的工作方式，稱為電力拖動(或電氣傳動)。電力拖動系統(tǒng)一般由電動機、控制設備、傳動機構、生產(chǎn)機械和電源組成，如圖所示。第21頁/共48頁電力拖動系統(tǒng)基本分類電動機通常是根據(jù)生產(chǎn)機械的工作要求來選用，主要有直流電動機異步電動機同步電動機直流電動機為動力的拖動系統(tǒng)稱為直流電力拖動系統(tǒng)，簡稱直流拖動系統(tǒng)交流電動機為動力的拖動系統(tǒng)稱為交流電力拖動系統(tǒng)，簡稱交流拖動系統(tǒng)。第22頁/共48頁單軸電力拖動系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n(rad/s)的正方向相同負載轉(zhuǎn)矩TL的正方向與轉(zhuǎn)速n的正方向相反。第23頁/共48頁電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程p4采用牛頓第二定律（旋轉(zhuǎn)運動）J為轉(zhuǎn)動慣量第24頁/共48頁動態(tài)轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩

當T＝TL時，即速度導數(shù)＝0，電力拖動系統(tǒng)處于恒速運行的穩(wěn)定狀態(tài)(或靜止)；當T＞TL時，即速度導數(shù)＞0，電力拖動系統(tǒng)處于加速運行的過渡過程；當T＜TL時，即速度導數(shù)＜0，電力拖動系統(tǒng)處于減速運行的過渡過程。第25頁/共48頁電力拖動系統(tǒng)做直線運動時第26頁/共48頁電力拖動系統(tǒng)運動分析

電動機的轉(zhuǎn)矩

已知電動機的軸上(輸出)功率，可以計算出電動機的轉(zhuǎn)矩：

P—電動機的軸上(輸出)功率，單位為瓦特(W)

若電動機功率的單位是千瓦(kW)，則第27頁/共48頁電機轉(zhuǎn)矩方向的規(guī)定電機產(chǎn)生與正向旋轉(zhuǎn)一致的轉(zhuǎn)矩為正，當電機作為電動機工作時，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，帶動生產(chǎn)機械工作；電機在制動狀態(tài)工作時，產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，它與系統(tǒng)轉(zhuǎn)向相反，起制動作用。第28頁/共48頁負載轉(zhuǎn)矩

負載轉(zhuǎn)矩的符號，

生產(chǎn)機械工作機構的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系TL=f(n)，稱為負載的轉(zhuǎn)矩特性。負載的轉(zhuǎn)矩特性可以歸納為以下三種典型類型：考慮到運動方程式中，TL前已有負號，所以取：負載轉(zhuǎn)矩與運動正方向相反的為正，負載轉(zhuǎn)矩與運動正方向相同的為負。第29頁/共48頁1.恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性

恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性，就是指負載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關，即當轉(zhuǎn)速n變化時，負載轉(zhuǎn)矩TL保持常值不變(|TL|=const)。恒轉(zhuǎn)矩負載有以下兩類：

(1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載負載轉(zhuǎn)矩的絕對值大小是恒定不變的，且方向與運動方向相反，即：n＞0時，TL＞0(常數(shù))；n＜0時，TL＜0(也是常數(shù))，且TL的絕對值相等。（2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負載其特點是工作機構轉(zhuǎn)矩的絕對值大小是恒定不變的，而且方向不變，當n＞0時，TL＞0，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)是阻礙運動的制動性轉(zhuǎn)矩；當n＜0時，TL＞0，是幫助運動的拖動性轉(zhuǎn)矩。第30頁/共48頁恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載第31頁/共48頁2.通風機負載的轉(zhuǎn)矩特性

通風機、水泵、油泵和螺旋槳等，其轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即TL∝n2。第32頁/共48頁3.恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性

恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性，是指負載的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積為常數(shù)，即負載的機械功率P=TLΩL=TL

2πnL/60=常數(shù)。實際上負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速稱反比，TL∝1/n。第33頁/共48頁恒轉(zhuǎn)矩負載、通風機負載以及恒功率負載都是從各種實際負載中概括出來的典型的負載形式，實際的負載可能是以某種典型為主或幾種典型的結合。例如，實際的通風機主要是通風機負載特性，但是其軸承摩擦又是反抗性的恒轉(zhuǎn)矩負載特性，只是運行時后者數(shù)值較小而已。第34頁/共48頁電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系n=f(T)稱為機械特性。不同的電動機有不同性質(zhì)的機械特性，可以用數(shù)學表達式表示，也可以畫成機械特性曲線。分析電力傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題時，認為電動機的機械特性已知。第35頁/共48頁穩(wěn)定條件為使電力拖動系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。所謂穩(wěn)定，是指系統(tǒng)受到干擾后(如負載變化，或電壓、電阻等電氣參量變化)，有回到穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力。從電力拖動系統(tǒng)的運動方程式可知，系統(tǒng)穩(wěn)定運行即恒速不變的必要條件是動態(tài)轉(zhuǎn)矩為零。第36頁/共48頁工作點把電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性畫在同一坐標平面上。兩條特性的交點，稱為工作點。系統(tǒng)受到干擾后，若能回到原來工作點上繼續(xù)穩(wěn)定運行，則該工作點為穩(wěn)定工作點。否則，為不穩(wěn)定的工作點。電力傳動系統(tǒng)在電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性的交點上，并不一定都能穩(wěn)定運行，也就是說，T＝TL僅僅是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件，而不是充分條件。系統(tǒng)要想穩(wěn)定運行，還需要電動機與負載的兩條特性在交點T＝TL處配合得好。第37頁/共48頁穩(wěn)定運行的充要條件對于一個電力拖動系統(tǒng)，穩(wěn)定運行的充分必要條件是第38頁/共48頁多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

實際的電力拖動系統(tǒng)，大多數(shù)電動機是通過傳動機構與工作機構相連，而不是直接聯(lián)接的。由于許多工作機構為完成工藝過程需要較低的速度，而電動機為提高其經(jīng)濟技術指標做成高速的，因此，在電動機軸與工作機械軸之間加入了減速裝置。第39頁/共48頁它由電動機、齒輪減速機構和卷筒等組成，其中齒輪為二級減速機構，其速比為j1，j2，傳動效率為

1，

2。這個系統(tǒng)中有三根轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)軸，其轉(zhuǎn)速分別為n，nb和nf。三根軸上的轉(zhuǎn)矩、飛輪慣量也都不一樣。分析該三軸系統(tǒng)時，應分別對每一根轉(zhuǎn)軸列寫出它的轉(zhuǎn)動方程式，三個轉(zhuǎn)動方程式聯(lián)立求解，便可得出系統(tǒng)的運行狀態(tài)。第40頁/共48頁折算的目的對于多軸電力傳動系統(tǒng)，上述方法是相當麻煩的。為了簡化多軸系統(tǒng)的分析和計算，通常把負載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)飛輪慣量等折算到電動機軸上來，變多軸系統(tǒng)為等效的單軸系統(tǒng)，列寫一個轉(zhuǎn)動方程式進行計算，其結果與聯(lián)立求解多個方程式的結果完全一樣。第41頁/共48頁轉(zhuǎn)矩的折算

把作用在卷筒上的轉(zhuǎn)矩Tf折算到電動機軸上，應該使折算前后的功率保持不變。在折算中用效率

來考慮傳動機構中的損耗，第42頁/共48頁力的折算

把直線運動的力F直接折算為旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)兩種運動形式功率相等的原則，電梯的傳動機構自鎖作用如何實現(xiàn)？第43頁/共48頁轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩的折算

為把多軸電力傳動系統(tǒng)簡化為單軸系統(tǒng)，需要把各軸上的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上。折算時應該使折算前后系統(tǒng)貯存的動能保持不變。

M第44頁/共48頁一般地說，傳動機構各軸以及工作機構軸的轉(zhuǎn)速要比電動機軸的轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)動慣量的折算與轉(zhuǎn)速平方成反比，因此盡管可能有很多根軸，但它們的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上后數(shù)值不大，是系統(tǒng)的次要部分。電動機轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動慣量，是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的主要部分。第45頁/共48頁質(zhì)量的折算

有時需要把直線運動的質(zhì)量折算到旋