第1章_电力传动系统基础

1、电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P1 电气传动自动控制系统 Electrical Drive and Control System 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 电气工程系电气工程系 武健武健 2021年年6月月24日日 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P2 本课程的主要内容本课程的主要内容 1.1.电力拖动基础电力拖动基础 （2020学时）学时） 电机拖动系统动力学电机拖动系统动力学 直流电动机启动、调速直流电动机启动、调速 交流电动机原理、运行交流电动机原理、运行 2. 直流电机拖动控制系统直流电机拖动控制系统（2020学时）学时） 单闭环调速系统单

2、闭环调速系统 多环调速系统多环调速系统 3. 交流电机拖动控制系统交流电机拖动控制系统（1818学时学时） 交流电机闭环调速系统交流电机闭环调速系统 串级调速、矢量控制串级调速、矢量控制 实验：12学时 课程设计 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P3 本课程的主要参考书 邱阿瑞，电机与拖动基础，电子工业出版社， 2001年 顾绳谷，电机及拖动基础，机械工业出版社 陈伯时，电气传动自动控制系统，机械工业出版 社，2003年 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P4 什么是拖动？ 气体拖动 汽缸、气阀、气体管路、气源；汽缸、气阀、气体管路、气源； 特点：干净、力

3、矩较小、噪音小特点：干净、力矩较小、噪音小 应用：食品、药品、包装行业应用：食品、药品、包装行业 液体拖动 液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达；液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达； 特点：力矩大，有油污特点：力矩大，有油污 应用：轮船、大型压机应用：轮船、大型压机 电力拖动 电机、电缆、电源、电机、电缆、电源、 特点：传送距离更远、调速性能更好特点：传送距离更远、调速性能更好 国民经济各行各业国民经济各行各业 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P5 什么是电力拖动？ 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P6 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统

4、 Chp1，P7 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P8 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P9 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P10 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P11 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P12 电力拖动系统的组成 电 动 机 控制 设备 传动 机构 生产 机械 电 源 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P13 电机的分类 变压器 旋转电机 直流电机 伺服电动机、步进电动机、测速发电机 回转变压器、自整角机、直线电动机 电力变压器：升压、降压 特种变压器：自耦

5、、互感器 动力电机 微特电机 感应电机 同步电机 交流电机 静止电机 感应电动机 感应发电机 直流电动机 直流发电机 同步电动机 同步发电机 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P14 电力拖动的类型电力拖动的类型 成组拖动成组拖动 由一台电动机通过一根长轴由一台电动机通过一根长轴(俗称俗称“天轴天轴”)拖动全车拖动全车 间的一组生产机械间的一组生产机械。 从电动机到各个生产机械的能量传递以及在各生产机从电动机到各个生产机械的能量传递以及在各生产机 械之间的能量分配完全用机械方法，靠天轴及机械传械之间的能量分配完全用机械方法，靠天轴及机械传 动系统来实现。动系统来实现。 电动机

6、远离生产机械，车间里有大量的天轴、长皮带电动机远离生产机械，车间里有大量的天轴、长皮带 和皮带轮等。能量传递过程中的损耗大，效率低，灰和皮带轮等。能量传递过程中的损耗大，效率低，灰 尘大，劳动条件与卫生条件很差，而且不安全，易出尘大，劳动条件与卫生条件很差，而且不安全，易出 事故。事故。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P15 单机拖动：单电动机拖动单机拖动：单电动机拖动 由一台电动机单独拖动一台生产机械由一台电动机单独拖动一台生产机械。这样，电动机。这样，电动机 与生产机械在结构上配合密切，可以用电气方法调节与生产机械在结构上配合密切，可以用电气方法调节 每台生产机械的转

7、速，从而进一步简化机械结构，提每台生产机械的转速，从而进一步简化机械结构，提 高生产效率，而且易于实现生产机械运转的全部自动高生产效率，而且易于实现生产机械运转的全部自动 化。化。 但是，一台生产机械往往又具有几个不同的运动。例但是，一台生产机械往往又具有几个不同的运动。例 如，车床，就有刀架的横向移动，纵向移动和主轴的如，车床，就有刀架的横向移动，纵向移动和主轴的 转动。转动。 单电动机拖动方式不便于各种运动的分别调节，而且单电动机拖动方式不便于各种运动的分别调节，而且 使传动机构复杂化。使传动机构复杂化。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P16 多机拖动：多电动机拖动多

8、机拖动：多电动机拖动 由多台电动机分别拖动一台生产机械的各个运动部分由多台电动机分别拖动一台生产机械的各个运动部分。 即每一个执行机构用单独的电动机拖动。即每一个执行机构用单独的电动机拖动。 这样，生产机械的机械结构大为简化，克服了单机拖这样，生产机械的机械结构大为简化，克服了单机拖 动的缺点。动的缺点。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P17 电力拖动的发展概况 交、直流两大电力拖动系统。在电力拖动系统发展史上， 一直是二者互为补充、相辅相成、交替发展。(十九世纪 三十年代有了直流电，十九世纪末出现交流电) 直流电力拖动系统具有较好的技术性能，如起动性能和 调速性能很好。

9、因此，直流拖动在对起动、制动、正反 转、调速等有较高要求的场合应用得很广泛。目前，直 流电力拖动系统已基本完善，处于繁盛的阶段。 直流电动机结构复杂、价格较贵、维护困难，安装环境 有一定限制(不能用于恶劣环境，如有爆炸气体及尘埃的 场合)。 由于以上直流电动机的缺点，使得直流拖动在很多场合 受到限制。而交流电动机在以上几方面都优于直流电动 机，并且考虑到电能的产生及输送多为交流电能，所以 交流电力拖动系统收到人们的重视。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P18 为什么学习本课程？ 电机的广泛应用； 见上面的例子见上面的例子 生产加工工艺指标要求对电机进行控制； 例如：轧钢、

10、造纸、机床等例如：轧钢、造纸、机床等 多门知识的综合运用 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P19 本课程与其他课程的关系 本课程是自动化、电气工程专业的专业基础课 先修课程：物理学、电路、电机学、自动控制理 论、电力电子技术； 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P20 课程特点 “电气传动自动控制系统”是历来学生感到难学、 怕学的课程，因为因其涉及到电、磁、机、控制 系统等多方面的理论和相关知识，也是电类学生 首次接触到的一门理论、实际紧密结合的课程。 在学习本课程时，一方面从态度上应从认识电机 的重要性出发，提高学习的兴趣，从而能知难而 进。另一方面，从

11、方法上，应逐步和尽快适应和 掌握其特点和学习方法。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P21 课程学习任务 掌握常用交直流电机的基本理论 掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论 掌握电力拖动系统中电动机各种调速方法的基本原理 掌握直流电动机单闭环、多环调速系统的设计方法，电 机与电力拖动系统的基本实验方法与技能， 并具有熟练 的运算能力 掌握交流电动机的调速方法及双环调速系统的设计方法 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P22 第一章第一章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础 在工农业生产中，各种生产机械一般都以电动机为动力， 来完成对物体的加工、输送

12、、压缩与分离等各项工作。 这种以电动机为动力来拖动各种生产机械的工作方式， 称为电力拖动(或电气传动)。 电力拖动系统一般由电动机、控制设备、传动机构、生 产机械和电源组成，如图所示。 电源 电气 控制装置 PD M CL ZZ DJ 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P23 电力拖动系统基本分类 电动机通常是根据生产机械的工作要求来选用， 主要有 直流电动机直流电动机 异步电动机异步电动机 同步电动机同步电动机 直流电动机为动力的拖动系统称为直流电力拖动 系统，简称直流拖动系统 交流电动机为动力的拖动系统称为交流电力拖动 系统，简称交流拖动系统。 电气传动自动控制系统电气传

13、动自动控制系统 Chp1，P24 单轴电力拖动系统 电磁转矩T的正方向与转速n (rad/s)的正方向相同 负载转矩TL的正方向与转速n的正方向相反。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P25 电力拖动系统的基本运动方程 采用牛顿第二定律（旋转运动） J为转动惯量 l d TTJ dt 2 60 n 2 375 l GD dn TT dt g GDD g G mJ 44 22 2 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P26 动态转矩与惯性转矩动态转矩与惯性转矩 当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于 恒速运行的稳定状态(或静止)； 当TTL时，即速度导数0

14、，电力拖动系统处于 加速运行的过渡过程； 当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于 减速运行的过渡过程。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P27 电力拖动系统做直线运动时 dt dv mFF L 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P28 电力拖动系统运动分析电力拖动系统运动分析 电动机的转矩电动机的转矩 已知电动机的轴上(输出)功率，可以计算出电 动机的转矩： P电动机的轴上(输出)功率，单位为瓦特(W) 若电动机功率的单位是千瓦(kW)，则 mN n P . P T 559 mN n P T 9550 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1

15、，P29 电机转矩方向的规定 电机产生与正向旋转一致的转矩为正，当电机作 为电动机工作时，产生正转矩，带动生产机械工 作； 电机在制动状态工作时，产生负转矩，它与系统 转向相反，起制动作用。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P30 负载转矩负载转矩 负载转矩的符号， 生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系 TL=f(n)，称为负载的转矩特性。 负载的转矩特性可以归纳为以下三种典型类型： 考虑到运动方程式中，TL前已有负号，所以取： 负载转矩与运动正方向相反的为正， 负载转矩与运动正方向相同的为负。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P31 1.恒转矩负

16、载恒转矩负载(constant torque load)的转矩特性的转矩特性 恒转矩负载的转矩特性，就是指负载转矩TL与转速n无 关，即当转速n变化时，负载转矩T L保持常值不变 (|TL|=const)。恒转矩负载有以下两类： （1) 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 其特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，转矩的性其特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，转矩的性 质是阻碍运动的制动性转矩，即：质是阻碍运动的制动性转矩，即：n0时，时，TL0(常数常数)；n0 时，时，TL0(也是常数也是常数)，且，且TL的绝对值相等。的绝对值相等。 （2) 位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 其

17、特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，而且方向其特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，而且方向 不变，当不变，当n0时，时，TL0，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩；，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩； 当当n0时，时，TL0，是帮助运动的拖动性转矩。，是帮助运动的拖动性转矩。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P32 恒转矩负载的转矩特性 nn TLTL 00 (a)(b) 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P33 2. 通风机负载的转矩特性通风机负载的转矩特性 通风机、水泵、油

18、泵和螺旋桨等，其转矩的大小 与转速的平方成正比，即TLn2。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P34 3. 恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性 恒功率负载的转矩特性，是指负载的转速与转矩 的乘积为常数，即负载的机械功率 P=TLL=TL2nL/60=常数。 实际上负载转矩与转速称反比，TL1/n。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P35 恒转矩负载、通风机负载以及恒功率负载都是从各种实 际负载中概括出来的典型的负载形式，实际的负载可能 是以某种典型为主或几种典型的结合。 例如，实际的通风机主要是通风机负载特性，但是其轴 承摩擦又是反抗性的恒转矩负载

19、特性，只是运行时后者 数值较小而已。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P36 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 电动机的电磁转矩与转速之间的关系n=f(T)称为 机械特性。 不同的电动机有不同性质的机械特性，可以用数 学表达式表示，也可以画成机械特性曲线。分析 电力传动系统的稳定运行问题时，认为电动机的 机械特性已知。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P37 稳定条件 为使电力拖动系统正常工作，系统必须是稳定的。 所谓稳定，是指系统受到干扰后(如负载变化， 或电压、电阻等电气参量变化)，有回到稳定平 衡状态的能力。 从电力拖动系统的运

20、动方程式可知，系统稳定运 行即恒速不变的必要条件是动态转矩为零。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P38 工作点 把电动机的机械特性与负载转矩特性画在同一坐 标平面上。两条特性的交点，称为工作点。 系统受到干扰后，若能回到原来工作点上继续稳 定运行，则该工作点为稳定工作点。否则，为不 稳定的工作点。 电力传动系统在电动机的机械特性与负载转矩特 性的交点上，并不一定都能稳定运行，也就是说， TTL仅仅是系统稳定运行的必要条件，而不是 充分条件。 系统要想稳定运行，还需要电动机与负载的两条 特性在交点TTL处配合得好。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P39

21、 稳定运行的充要条件 对于一个电力拖动系统，稳定运行的充分必要条稳定运行的充分必要条 件件是 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P40 多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 实际的电力拖动系统，大多数电动机是通过传动 机构与工作机构相连，而不是直接联接的。 由于许多工作机构为完成工艺过程需要较低的速 度，而电动机为提高其经济技术指标做成高速的， 因此，在电动机轴与工作机械轴之间加入了减速 装置。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P41 它由电动机、齿轮减速机构和卷筒等组成，其中 齿轮为二级减速机构，其速比为j1，j2，传动效 率为1，2。这个系统中

22、有三根转速不同的转轴， 其转速分别为n，nb和nf。三根轴上的转矩、飞轮 惯量也都不一样。 分析该三轴系统时，应分别对每一根转轴列写出 它的转动方程式，三个转动方程式联立求解，便 可得出系统的运行状态。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P42 折算的目的 对于多轴电力传动系统，上述方法是相当麻烦的。为了 简化多轴系统的分析和计算，通常把负载转矩和系统飞 轮惯量等折算到电动机轴上来，变多轴系统为等效的单 轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立 求解多个方程式的结果完全一样。 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P43 转矩的折算转矩的折算 把作用在卷筒上的转矩Tf折算到电动机轴上，应 该使折算前后的功率保持不变。在折算中用效率 来考虑传动机构中的损耗， 电气传动自动控制系统电气传动自动控制系统 Chp1，P44 力的折算力的折算 把直线运动