第1讲《电力拖动自动控制系统》第三版陈伯时

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1、电机拖动与控制技术电机拖动与控制技术电气工程系 郑诗程2014.02 电机在国民经济中的应用 电机是完成多种能量形式转换的有效电机是完成多种能量形式转换的有效工具，而电能又是最容易实现传输、变换工具，而电能又是最容易实现传输、变换的能量形式，可以说，的能量形式，可以说，如果没有电机就没如果没有电机就没有现代工业，有现代工业，下面就电能的产生、传输和下面就电能的产生、传输和利用等多个方面来说明电机在国民经济中利用等多个方面来说明电机在国民经济中的作用。的作用。一个完整的发电、传输、用电系统一个完整的发电、传输、用电系统葛洲坝水利枢纽工程葛洲坝水利枢纽工程三峡电站三峡电站三峡水力发电机组n三峡电站

2、的水轮发电机当时全球最大的水轮发电机三峡电站的水轮发电机当时全球最大的水轮发电机 全国最大的火力发电厂江苏谏壁发电站全国最大的火力发电厂江苏谏壁发电站火力发电机组火力发电机组丹麦生产的风力发电机组丹麦生产的风力发电机组大型电力变压器大型电力变压器配电变压器配电变压器电路板上所使用的低压变换变压器电路板上所使用的低压变换变压器手机震动电机直流电机模型直流电机模型直流电机模型直流电机模型概 况n电能是现代大量应用的一种能量形式。n电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制等，都必须利用电机电机作为能量转换或信号变换的机电装置。n不论是旋转电机旋转电机的能量转换还是控制电控制电机机的信号变换，都是通过

3、电磁感应电磁感应作用而实现的。 概 况n电机的发展可以分成三个时期： 1.直流电机的产生和形成； 2.交流电机的形成； 3.电机理论、设计和制造工艺逐步达到完善； 概 况n对电机的要求由 性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻、体积小（旋转电机）等发展到 高精度、快响应的（控制电机），如今控制电机已经成为一个非常重要的分支。 概 况n电力拖动控制系统最初是继电器接触器型的，属于有触点、断续型控制系统，也称为继电器接触器自动控制系统。n电力拖动控制系统现在是无触点、连续无触点、连续型控制系统（型控制系统（采用功率器件）。 概 况n电机拖动的发展：电机拖动的发展： 直流拖动-无耦合、调速性能好，但是

4、结构复杂、难维护、 价格昂贵、转动惯量大等交流拖动-强耦合、调速性能差，但是结构简单、易维护、价格 便宜、转动惯量小等直流拖动交流拖动-基本无耦合、调速性能好等和和 控制技术的发展控制技术的发展 电力电子技术电力电子技术 性质与任务n性质：性质：是电气工程及其自动化专业的专业基础课；n任务：任务：掌握交、直流电机拖动的工作原交、直流电机拖动的工作原理（理（教材教材1 1）以及交、直流电机调速控制交、直流电机调速控制系统的分析与设计系统的分析与设计等（教材教材2 2）。）。注注：教材1为顾绳谷顾绳谷教授主编电机及拖动基础电机及拖动基础下册下册 教材2为陈伯时陈伯时教授主编电力拖动自动控制系统电力

5、拖动自动控制系统第一篇第一篇 直流拖动控制系统直流拖动控制系统绪论绪论1 1 电力拖动系统的动力学基础 直流电机及其拖动 闭环控制的直流调速系统第第1 1章章第第2 2章章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法 （教材1）（教材2）（教材2）注注：教材1为顾绳谷顾绳谷教授主编电机及拖动基础电机及拖动基础下册下册 教材2为陈伯时陈伯时教授主编电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统第二篇第二篇 交流拖动控制系统交流拖动控制系统 绪论绪论2 2异步电机及其拖动 第第6 6章章笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）（教材1）（教材2） 第第7 7章章绕线转子异步电机双馈调速系统

6、 -转差功率馈送型调速系统 第第8 8章章同步电动机变压变频调速系统n1.了解电力拖动基本概念；了解电力拖动基本概念；n2.2.熟悉电力拖动系统运动方程式；熟悉电力拖动系统运动方程式；n3.3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。掌握拖动转矩和负载转矩的概念。n重点：重点：n 运动方程式和负载转矩。运动方程式和负载转矩。 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 电力拖动装置常包含电动机、工作机构、控制设电力拖动装置常包含电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成部分。备及电源等四个组成部分。 在许多情况下，电动机与工作机构并不同

7、轴（在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴（因为电动机速度因为电动机速度较快而工作机构速度一般较慢！较快而工作机构速度一般较慢！），而在二者之间有传动机构，它），而在二者之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构工作机构 。电动自行车？电动自行车？ 电力拖动？电力拖动？拖动？拖动？电机传动机构电机传动机构斜齿轮减速电机斜齿轮减速电机采用电力拖动主要原因采用电力拖动主要原因 现代化生产中，多数生产机械都采用现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是电力拖动，主要原因是 ：1. 1. 电能

8、的运输、分配、控制方便经济。电能的运输、分配、控制方便经济。2. 2. 电动机的种类和规格很多，它们具有电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。生产机械的不同要求。3. 3. 电力拖动系统的操作和控制简便，可电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。以实现自动控制和远距离操作等等。一、运动方程式一、运动方程式对于直线运动对于直线运动 tvmFFzdd由牛顿运动定律，可得由牛顿运动定律，可得（1）（2）对于旋转运动对于旋转运动。：惯性转矩或加速转矩阻转矩或负载转矩；拖动转矩；tJTTZdd:tJ

9、TTzdd式中式中 m与与G旋转部分的质量（旋转部分的质量（kg）与重量（）与重量（N） 与与D惯性半径与直径（惯性半径与直径（m） 可推出可推出常用的运动方程式常用的运动方程式如下如下（3）由式（由式（3）可知电机的各种运动状态：）可知电机的各种运动状态：tnGDTTzdd3752gJGDmNGD4222），称为飞轮惯量（式中，1、当、当zTT 0ddtn电动机静止或等速旋转，电力拖动电动机静止或等速旋转，电力拖动系统处于稳定运转状态下。系统处于稳定运转状态下。2、当、当zTT 0ddtn电力拖动系统处于加速状态电力拖动系统处于加速状态 3、当、当zTT 0ddtn电力拖动系统处于减速状态电

10、力拖动系统处于减速状态 二、运动方程式中转矩的正负符号分析二、运动方程式中转矩的正负符号分析运动方程式的一般形式运动方程式的一般形式 tnGDTTzdd375)(2 规定某个转动方向为正方向，则转矩规定某个转动方向为正方向，则转矩T 正向取正，反向取负；阻正向取正，反向取负；阻转矩转矩Tz 正向取负，反向取正。正向取负，反向取正。 三、各种形状旋转体转动惯量的计算三、各种形状旋转体转动惯量的计算1.1.旋转轴通过该物体的重心旋转轴通过该物体的重心计算旋转物体的转动惯量分两种情况：计算旋转物体的转动惯量分两种情况：。的重心到旋转轴的距离该部分质量；该物体某个组成部分的iiimrmkiiimrJ1

11、2对于质量连续分布的物体用相应的定积分计算如下对于质量连续分布的物体用相应的定积分计算如下VdmrJ2 近年来，随着制造业自动化程度的提高，各种各样近年来，随着制造业自动化程度的提高，各种各样的机器人越来越广泛地应用于生产第一线。这一类生产的机器人越来越广泛地应用于生产第一线。这一类生产机械的转动惯量是机器人控制系统中的重要参数，因此，机械的转动惯量是机器人控制系统中的重要参数，因此，需要计算各种形状旋转体的转动惯量。需要计算各种形状旋转体的转动惯量。2.2.旋转轴为不通过该物体重心的任意轴时，该物体的旋转轴为不通过该物体重心的任意轴时，该物体的转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意轴旋转的转转

12、动惯量是它围绕着不通过其重心的任意轴旋转的转动惯量动惯量（J J）与它围绕穿过自身重心且平行于该任意与它围绕穿过自身重心且平行于该任意轴线旋转的转动惯量轴线旋转的转动惯量（JJ）之和。之和。2 mLJJ2 mJ 根据以上方法，可以推导出几根据以上方法，可以推导出几种常见的旋转物体转动惯量的计算种常见的旋转物体转动惯量的计算方法如下：方法如下：1 1）以）以为半径，以为半径，以O O为旋转轴线，质量为为旋转轴线，质量为m的旋转小球（小球自身的半径与的旋转小球（小球自身的半径与相比相比充分小）的转动惯量：充分小）的转动惯量：2mLJJ2 2）圆环柱体）圆环柱体 )(22221mJ3 3）圆柱体自身

13、的中轴线）圆柱体自身的中轴线O O为旋转轴线为旋转轴线 22mJ4 4）长度为）长度为L，宽度为，宽度为d，质量为，质量为m的长方体的长方体 )(1222dLmJ如果宽度如果宽度d与长度与长度L相比充分小相比充分小, , 则为则为 212LmJ 5 5）长方体的质量为）长方体的质量为m，以，以O为旋转轴线为旋转轴线 )(3212221mJ6 6）旋转圆锥体）旋转圆锥体 23 . 0 mrJ 7 7）圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的轴线且穿过它的重心）圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的轴线且穿过它的重心 )3(1222rLmJ8 8）圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的轴线且距离圆）圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的轴线且距离圆杆一端的距离为杆一端的距离为d )121234(12222ddLrLmJ