1、電力拖動(dòng)控制系統(tǒng),對(duì)象：電氣2010級(jí)1-4班（76人)授課時(shí)間：2013.4.9-2013.6.22主講教師：夏勝芬黃聲華單位：電氣學(xué)院電機(jī)及控制系電話：87542626-8212次：星期二3-4，星期四1-2教室：西12-S304，S307,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,5.教學(xué)安排,講課:40學(xué)時(shí),共11章，實(shí)驗(yàn):8學(xué)時(shí)2次：1.直流調(diào)速系統(tǒng)2.交流變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)間要排；地點(diǎn)：西二樓1樓電機(jī)實(shí)驗(yàn)室作業(yè):每周二交考試：閉卷成績(jī)：平時(shí)20分（含作業(yè)、課堂、實(shí)驗(yàn)）考試80分100分

2、,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),學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求,1掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成。2了解機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作機(jī)械的折算。3掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程及明確速度控制的本質(zhì)是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。4掌握電動(dòng)機(jī)及負(fù)載的機(jī)械特性，掌握電動(dòng)機(jī)電動(dòng)制動(dòng)和四象限運(yùn)行的概念。5掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件。6復(fù)習(xí)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速，學(xué)習(xí)掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)。7復(fù)習(xí)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速，學(xué)習(xí)掌握異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)。,學(xué)習(xí)重點(diǎn)速度控制的本質(zhì)是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行的概念。電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條

3、件。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)4種制動(dòng)的方法及原理。異步電動(dòng)機(jī)5種制動(dòng)的方法及原理。,1.1.2機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作機(jī)械的折算,轉(zhuǎn)矩（力）、轉(zhuǎn)速（速度）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（質(zhì)量）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,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(lái)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）要折算的量：,多軸系統(tǒng),單軸系統(tǒng),能量守恒,簡(jiǎn)化！以獲得一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程！,折算后的結(jié)果（折算目的達(dá)到了?。簾o(wú)論是直線運(yùn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程只有一個(gè)！復(fù)雜的機(jī)械問(wèn)題簡(jiǎn)化了！,對(duì)直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)

4、動(dòng)方程為,對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為,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）,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程的工程實(shí)用形式為：,稱為飛輪矩,工程習(xí)慣：轉(zhuǎn)速的單位為-n(r/min)，不用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J而用飛輪矩GD2(Nm2)。,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)方程式可知判斷拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：,當(dāng)T=Tl時(shí)，d/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)TTl時(shí)，d/dt0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài)。,當(dāng)TTl時(shí)，d/dt0，電力拖

5、動(dòng)系統(tǒng)處在減速（或反向加速）狀態(tài)。,二、由運(yùn)動(dòng)方程可以知道電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如何才能調(diào)速！,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TTl，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。,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)：,運(yùn)動(dòng)方程中反映了三個(gè)物理量T，Tl、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系。這三個(gè)物理量

6、都有方向，有正負(fù)之分，選定參考正方向：TL與T參考正向相反。再有兩個(gè)方程就能求解了！,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,a)反抗性b）位能性c）粘滯摩擦力d）流體阻力e）恒功率阻力,例，實(shí)際風(fēng)機(jī)的負(fù)載機(jī)械特性：,實(shí)際的機(jī)械裝置則是多種性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的組合,1.2.3電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性,a）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)b）異步電動(dòng)機(jī)e）同步電動(dòng)機(jī),把電機(jī)和負(fù)載機(jī)械特性曲線畫(huà)在同一坐標(biāo)平面，交點(diǎn)處滿足，但這時(shí)系統(tǒng)一定能穩(wěn)定運(yùn)行嗎？,1.2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件穩(wěn)定運(yùn)行是對(duì)系統(tǒng)的最基本的要求；學(xué)會(huì)用機(jī)械特性來(lái)判斷系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行。,條件1

7、：電機(jī)機(jī)械特性曲線及負(fù)載機(jī)械特性曲線有交點(diǎn)是充要條件么？,穩(wěn)定點(diǎn),不穩(wěn)定點(diǎn),討論A點(diǎn)：,A點(diǎn)是真正的大范圍漸進(jìn)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn),若擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速降低，這時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)加速，系統(tǒng)同樣會(huì)回到A點(diǎn)運(yùn)行。,若系統(tǒng)受到擾動(dòng)而使轉(zhuǎn)速升高，這時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)減速，最終回到A點(diǎn)。,討論B點(diǎn)：,所以B點(diǎn)不是真正的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn),若擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速降低，這時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)減速，系統(tǒng)同樣會(huì)離開(kāi)B點(diǎn),直到停止運(yùn)行。,若系統(tǒng)受到擾動(dòng)而使轉(zhuǎn)速升高，這時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)升速，最終離開(kāi)B點(diǎn)（到了A點(diǎn)）。,條件2.且在交點(diǎn)處滿足,判別方法：,條件1：電機(jī)機(jī)械特性及負(fù)載機(jī)械特性有交點(diǎn)（只是必要條件?。?串電阻調(diào)速只能把速度由額定轉(zhuǎn)速往低速方向調(diào),弱磁調(diào)速適合于升速

8、,改變端電壓調(diào)速轉(zhuǎn)速一般只采用降壓調(diào)速：一般情況下電機(jī)的絕緣不允許所加的電壓高于額定電壓,3、三種調(diào)速方法的特點(diǎn)比較,無(wú)級(jí)調(diào)速的概念與閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)節(jié)能概念：控制功率大小的概念：調(diào)壓調(diào)速為直流電機(jī)的“主導(dǎo)調(diào)速方法”,1.3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,所允許的最大輸出轉(zhuǎn)矩,4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(guò)的最大電流受制于電機(jī)的散熱條件，一般為額定電流IaN。-安全運(yùn)行邊界！,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nnN的區(qū)域，磁通不變，IaN不變，Tmax不變。稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)域。

9、,在nnN的區(qū)域，磁通減小，Pmax不變。稱恒功率調(diào)速區(qū)域。,電機(jī)的冷卻方式：,Q1：直流電機(jī)的三種調(diào)速方法在調(diào)速時(shí)最大轉(zhuǎn)矩或最大功率是什么特點(diǎn)？Q2：異步電機(jī)或同步電機(jī)也有類似的問(wèn)題么？,1.3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,電動(dòng)機(jī)的允許輸出最大轉(zhuǎn)矩和允許輸出最大功率在不同方法調(diào)速時(shí)是不同的。,（1）串電阻調(diào)速及降壓調(diào)速時(shí)，允許最大輸出轉(zhuǎn)矩不變,“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”,1.3.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng):T與N反向,1能耗制動(dòng),a）原理電路圖-方法或條件,b）機(jī)械特性圖制動(dòng)特性,Q1：制停過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程？還是能穩(wěn)定制動(dòng)運(yùn)行？,c）能量傳遞簡(jiǎn)圖節(jié)能否？,最終的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：（1）反抗性負(fù)載，C點(diǎn)（2）位能性負(fù)

10、載，D點(diǎn),制動(dòng)最常用場(chǎng)合：,1.快速停車或快速降速,2.限制（或控制）工作機(jī)械產(chǎn)生過(guò)高的速度,直流電機(jī)的電磁制動(dòng)方法有四：,2回饋制動(dòng)（再生發(fā)電制動(dòng)）,c）能量傳遞簡(jiǎn)圖,a）原理電路圖,b）機(jī)械特性圖,回饋制動(dòng)實(shí)際中常常出現(xiàn)于：,回饋制動(dòng)發(fā)生條件：電機(jī)轉(zhuǎn)速nn0，即電機(jī)反電勢(shì)。,位能性負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在調(diào)壓調(diào)速中突然降低端電壓弱磁調(diào)速中突然增加磁通時(shí),以突然降壓產(chǎn)生回饋制動(dòng)為例分析：,動(dòng)態(tài)制動(dòng),電動(dòng),3反接制動(dòng):,Ua（）Ea（）Ia（）Ra，Ia反向，T方向反,制動(dòng)停車則應(yīng)及時(shí)切斷電源，否則電機(jī)反轉(zhuǎn),制動(dòng)過(guò)程結(jié)束：BC為制動(dòng)線,條件：電樞電壓反向,串入Rj的目的？,電機(jī)最終的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)

11、,制動(dòng)停車用時(shí)切斷電源方法,制動(dòng)停車過(guò)程為動(dòng)態(tài)過(guò)程,A,B,C,B：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn),第四象限：“倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)”,R增大。Ia下降，TTl,能量傳遞簡(jiǎn)圖同反接制動(dòng),4倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng),位能性負(fù)載（如吊車下放重物），電樞回路串較大的電阻以控制下放速度,電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)被負(fù)載拉成反轉(zhuǎn),B：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn),第四象限：“倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)”,R增大。Ia下降，TTl,能量傳遞簡(jiǎn)圖同反接制動(dòng),條件：1)電樞正電壓；2）位能性負(fù)載；3）電機(jī)反轉(zhuǎn)；4）串電阻（非必要）,負(fù)載轉(zhuǎn)矩性質(zhì)不同運(yùn)行狀態(tài)側(cè)重點(diǎn)不同反接制動(dòng)時(shí),TL與T反號(hào);倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng),TL與T同號(hào)。倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng)是以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行為主，反接制動(dòng)是動(dòng)態(tài)過(guò)程。,倒拉反轉(zhuǎn)

12、制動(dòng)與反接制動(dòng)的關(guān)系,各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之比較,2人工機(jī)械特性,a)改變輸入電壓b)繞線式轉(zhuǎn)子回路串電阻c)改變電源頻率d)改變極對(duì)數(shù),1.4.2異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),a)降壓起動(dòng)b)轉(zhuǎn)子回路串電阻起動(dòng)c)變頻起動(dòng)d)其它,1.4.3異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,a)調(diào)壓調(diào)速b)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速c)定子回路串電抗調(diào)速,1。變頻調(diào)速2。變轉(zhuǎn)差調(diào)速3。變極調(diào)速,1.4.4異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),1回饋制動(dòng),a)負(fù)載帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電b)變頻調(diào)速時(shí)的回饋制動(dòng)d)能量傳遞簡(jiǎn)圖,發(fā)生條件：1）接交流電源2）,回饋（發(fā)電）原理,發(fā)生的場(chǎng)合：a)位能負(fù)載帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電b)變頻調(diào)速時(shí)降低變頻器的輸出頻率c)變極調(diào)速時(shí)的回饋制動(dòng),機(jī)械特性曲線圖,能量傳遞簡(jiǎn)圖,c)變極調(diào)速時(shí)的回饋制動(dòng),2能耗制動(dòng),1)原理電路圖,2)制動(dòng)的工作原理：方法原理,3)機(jī)械特性曲線圖,4)能量傳遞簡(jiǎn)圖,原理電路圖,3反接制動(dòng),4倒拉反轉(zhuǎn)制動(dòng),5阻容制動(dòng),原理電路圖,制動(dòng)的工作原理,作