电力拖动系统的动力学基础课件

1、1、电力拖动系统的动力学基础,电机拖动运动控制,1.1 概述 1.2 电力拖动的历史、现状与发展趋势 1.3 电力拖动系统的运动方程 1.4 生产机械的负载转矩特性 1.5 常用的基本定律与定则 1.6 电力拖动系统的特性分析 1.7 电力拖动控制系统的要求和指标,2,电能作为一种能量形式，由于其易于传输、变换、分配和控制，已成为使用最为广泛的现代能源，也是人们生产和生活中使用动力的主要来源。,1.1 概述,物质、能量和信息是人类赖以生存的三大基本要素,在电能的生产、传输、变换、分配、控制和管理中，电机是主要的机电能量转换装置。,3,与电机相关的电力系统示意图,4,电机是利用电磁感应原理工作的

2、机械 电机按功能分类 电机按结构分类,将其他能量转换为电能,发电机 电动机 变压器,将电能转换为机械能,将电能转换为机械能 具有特殊性,电压转换-升压及降压,控制电机,控制系统中的执行、检测及运算元件,变压器 旋转电机,直流电机 交流电机,同步电机 异步电机,电机的应用及分类,5,国产300MW汽轮发电机,发电环节发电机,现场运行的水轮发电机,电机的应用及分类,6,10kV/500kV(220kV) 升压 降压 500kV(220kV)/110kV 110kV/35kV 35kV/10kV 10kV/380V,为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的 10 kV 左右的电

3、压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。为了输送一定大小的功率、采用高电压。,输配电环节变压器,电机的应用及分类,7,用电环节电动机,电机的应用及分类,8,1833年 直流电机 1885年 异步电动机 1889年 三相系统,工业界电机及运动控制系统的发展情况,发展历程,1.2 电力拖动的历史、现状与发展趋势,仅直流调速 交流不调速,交流调速为主,9,自十九世纪三十年代出现直流电机的雏形以来，不断提高电机单机容量和电压等级始终是发展方向之一。 由于直流电机自身固有的缺点（主要是换向问题，特别是高电压的情况下），到了19世纪80年代以后，人们的注意力逐渐向交流电机方面转移。 到了90年代

4、末，建立了电机基本理论和设计方法。,趋势： 提高单机容量和电压等级； 采用新结构、新工艺、新材料和利用CAD等先进设计手段改善电机性能； 理论上，通过学科（电子、电机、控制理论、新材料）之间的渗透，形成新的学科，如电力电子与电力传动。,10,电力拖动的现状可以概括为两点： 1）电力拖动现已取代了其他拖动形式，成为主要的拖动形式。这是因为电动机与其他原动机相比有许多优点，比如：电能的获得和转换比较经济；传输和分配比较便利；操作和控制容易，特别是易于实现自动与远程控制。目前绝大多数的生产机械都采用电力拖动，大多为单机或多机拖动。 2）当代科学和技术的新成果广泛地应用于电力拖动系统之中，比如：电力电

5、子学的发展，使半导体变流装置广泛地用作电力拖动的电源；微电子学的发展，使电子控制器件和微处理机成为电力拖动的主要控制手段；自动控制理论广泛应用于电力拖动自动控制系统中，大大提高了系统的性能等。,11,随着现代电力电子技术、自动化技术和计算机技术的发展，电机与拖动的发展趋势为： 1）用交流电力拖动取代直流电力拖动； 2）从节能的角度改造电力拖动系统，比如：用交流调速系统拖动电动水泵可以节能； 3）继续采用新技术不断提高电力拖动系统的性能和完善系统功能； 4）通过系统集成和技术融合，组成综合自动化系统，以进一步提高生产效率。,电力拖动系统实例：,在现代化生产中多数生产机械都采用电力拖动。例如各种生

6、产机床、轧钢机、矿井提升机、球磨机、造纸机、纺织机械、印刷机械、化工机械、电力机车、压缩机、起重机、卷扬机、电动工具乃至家用工具。,14,电机拖动实验台一览,15,1.3.1 电力拖动系统的组成,电源,控制设备,工作机构,传动机构,电动机,1.3 电力拖动系统的运动方程,多轴拖动系统,单轴拖动系统,主要物理量有： 电动机的转速 电动机电磁转矩,电动机空载转矩 工作机构（负载）的转矩,16,转矩等于力与力臂或力偶臂的乘积，在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿米(Nm)，工程技术中也曾用过公斤力米等作为转矩的计量单位。 电机轴端输出转矩等于转子输出的机械功率除以转子的机械角速度。,转矩可分

7、为静态转矩和动态转矩。,什么是转矩？,机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。,转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，与动力机械的工作能力、能耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系。 转矩的大小对传动轴载荷的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要的意义。,17,转矩可分为静态转矩和动态转矩。,静态转矩是指不随时间变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。,静止转矩的值为常数，传动轴不旋转； 恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩； 缓变转矩的值随时间缓慢变化，但在短时间

8、内可认为转矩值是不变的； 微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。,18,动态转矩是指随时间变化很大的转矩，包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩三种。,振动转矩的值是周期性波动的； 过渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程； 随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。,19,1.3.2 运动方程式,惯性转矩 （或称加速转矩）,单轴电力拖动系统中电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系用转动方程(rotation equation)来描述,几个物理量的理解：J ,20,补充：,式中 GD2飞轮转矩 Nm2,又因为,（2-1）,21,转动惯量(Moment of Inertia)是刚体绕轴转

9、动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，用字母I或J表示。,一个以弧度为单位的圆（一个圆周为2,即：360度=2),在单位时间内所走的弧度即为角速度。公式为：=/t(为所走过弧度，t为时间）的单位为：弧度每秒 。通常用希腊字母（大写）或（小写）,转动惯量J,角速度 ,补充：,22,电动机的工作状态可由运动方程式判断,1.3.3 运动方程的物理意义,1)当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即稳态。,2)当 或 时,系统处于加速运行状态，即动态。,3)当 或 时,系统处于减速运行状态，即动态。,常把 或 称为动负载转矩,把 称为静负载转矩.,23,如果计算得出拖动转矩是负值

10、,说明其实际方向与规定(或假设)正方向相反。 而当负载转矩是负值，则说明其实际方向与规定(或假设)正方向相同。,转矩的方向,转矩不但有大小而且具有方向。转矩的方向由前页式中取值的正负来判定。,拖动转矩的方向与所规定(或假定)转速的正方向相同时取正值。 负载转矩的方向与所规定(或假设)转速的正方向相同时取负值，反之取正值。,同理, 转速也是具有方向。 当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转速的数值增加或减小来决定。,24,生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关系TL=f(n) ，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩特性(load torq

11、ue characteristic)。实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。,恒转矩负载 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载 泵类负载的转矩特性 恒功率负载的转矩特性,1.4 生产机械的负载转矩特性,25,1.4.1 恒转矩负载特性,1）.反抗性恒转距负载特性,负载转矩的大小不变 负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩。,26,负载转矩的大小和方向始终不变,如： 提升重物时，负载转矩为阻转矩 下放重物时，负载转矩为驱动转矩。,2）.位能性恒转矩负载,当n0，T0时，是阻碍运动的制动性转矩

12、 当n0时，是帮助运动的拖动性转矩,27,1.4.2 泵类负载的转矩特性,泵类转矩负载的转矩特性,水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即,1.4.3 恒功率负载,方向特点：属于反抗性负载 大小特点：当n变化时，负载从电动机吸收的功率恒定。,如：机床切削加工,恒功率转矩负载的转矩特性,28,1、【电路欧姆定律】流过电阻R(resistance)的电流I(current)大小与电阻两端的电压U(voltage)成正比，与电阻R 的大小成反比，即有,2、【基尔霍夫第一定律】电路中任意节点的电流的代数和等于零，即有,3、【基尔霍夫第二定律】对电路中任一回路，电压降的代数和等于

13、电动势(emf)的代数和，即有,1.5 常用的基本定律与定则,1.5.1 电路定律,29,1.5.2 电磁感应定律,当回路磁通发生变化时在回路中产生电流的现象称为电磁感应现象。 产生的电流叫感应电流。,回路中有电流，意味着回路中有电动势，这个电动势是由磁通量的变化引起的，故叫感应电动势。,根据引起磁通发生变化的原因，分为变压器电动势和切割电动势,大小：与穿过导体回路的磁通量的变化率成正比。 方向：感应电动势总是反抗磁通量的变化,30,1834年楞次提出判断感应电流的方法:闭合回路中感应电流的方向总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。,感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因

14、。这个原因包括引起磁通量变化的相对运动或回路的形变。,楞次定律,感应电流方向的判断方法:,回路中m 是增加还是减少；,由楞次定律确定 B感 方向；,由右手定则判定 I感 方向。,31,线圈与磁通之间没有相对切割关系，仅由线圈交链的磁通发生变化而引起的感应电动势称为变压器电势，如：自感电动势、互感电动势。,1 变压器电动势,大小:与线圈的匝数和磁通变化率成正比 方向:由楞次定律决定,B变,B变,32,2 切割（运动）电动势,指线圈不动，跨接在线圈上的导体运动，使得穿过线圈的磁通随着时间的变化而变化。,三方向互相垂直时，其大小 方向由右手定则判定。,S变,变,右手定则,33,三方向互相垂直时，其大

15、小为 方向用左手定则判定,载流导体在磁场中要受到力的作用,3、电磁力定律,34,1、【磁路基尔霍夫第一定律】在磁路(magnetic circuit)中根据磁通的连续性可得：穿入任一闭合面的磁通必等于穿出该闭合面的磁通，即磁路中通过任何闭合面上的磁通的代数和等于零，则有 上式中一般将穿出闭合面的磁通取正号，穿入闭合面的磁通取负号。,1.5.3 磁路定律,2、【磁路基尔霍夫第二定律】根据麦克斯韦方程可得出：在闭合的磁路中，各段磁压降的代数和等于闭合磁路中磁动势(mmf)的代数和，即有 上式中，H磁场强度，A/m；L各段磁路的长度，m；N线积分线路所包围的导体数；I每根导体所流过的电流，A。,35

16、,3、【磁路欧姆定律】在无分支的磁路中，磁通F与磁动势F大小成正比，与磁路中的总磁阻Rm的大小成反比，即有 上式中，Rm磁路的总磁阻，1/H。,36,磁路与电路的对比,37,1.5.4 铁磁材料的特性,铁、钴、镍及其众多合金及含铁氧化物(铁氧体) 等具有独特的磁性现象的材料。,铁磁材料主要指,高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性,铁磁材料主要特性,补充 在室温以上仅有四种金属元素是铁磁性的，即铁，钴，镍和钆 在极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钬、铒和铥 居里温度分别为：铁768,钴1070,镍376,钆20,铁磁性,主要用于仪器仪表及电机设备中产生磁场,38,1.高导磁性能,相对磁导率

17、r0表示铁磁材料的磁导性,真空的磁导率0 =1.2510-6 (H/m)，常数 非铁磁性物质的磁导率 近似等于0 铁磁性物质的磁导率很高 0,硅钢片为700010000 镍锌铁氧体为101000 镍铁合金为2000 锰锌铁氧体为3005000 坡莫合金为20000200000 空气的相对磁导率为1.00000004,39,铁磁物质的磁化,磁畴,A)未磁化,B)磁化,铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性，此现象称为铁磁物质的磁化。,铁磁材料内部存在的自磁化单位磁畴,沿外磁场方向作有规则的排列,40,2.磁饱和特性,当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一

18、致，磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值,B,H,铁磁材料的磁化曲线,a,b,c,d,当有磁性物质存在时,B与H不成比例，与I也不成比例,非铁磁性物质的磁感应强度B与磁场强度H成正比,41,42,磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物质的磁滞性。,磁滞回线:呈现磁滞现象的B-H闭合回线.,剩磁,矫顽力,磁滞回线,3.磁滞特性,铁磁材料的磁化过程是不可逆的，上升磁化曲线与下降磁化曲线不重合，形成磁滞回线。,43,同一铁磁材料在不同的Hm回下有不同的磁滞回线 把所有磁滞回线的顶点连接起来而得到的曲线就称为基本磁化曲线.,基本磁化曲线:,基本磁化曲线,44,B:理想或无磁滞磁化曲线,A:强磁体的起

19、始磁化曲线,矩磁材料（磁滞回线接近矩形。可用做记忆元件）,软磁材料（磁滞回线窄长。常用做磁头、磁心等）,永磁材料（磁滞回线宽。常用做永久磁铁）,根据磁性能，磁性材料又可分为三种：,45,4.铁心损耗,1)磁滞损耗 铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗。,磁滞损耗+涡流损耗 简称铁损,铁磁材料的磁滞损耗与磁滞回线的面积NHdB、电源频率f，以及铁心体积V 成正比,建立交变磁场所需的功率,46,2)涡流损耗,涡流:在铁心内部围绕磁通作旋涡状流动的微电流,为了减小铁耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。,对于硅钢片一类具有导电性的铁磁

20、材料还有一个重要特性，即在交变磁场的作用下，铁心中会出现涡流，并由此产生涡流损耗,涡流在铁心中引起的损耗,47,1.6 电力拖动系统的特性分析,1.6.1 稳定运行,原来系统在机械特性上的某点运行，由于某种原因（如干扰等），使工作点发生变化，若能在新的条件下达到新的平衡，或者若造成工作点变化的原因去除后系统能够回到原来的工作点运行，则系统是稳定的否则系统就是不稳定的。,48,1.6.2 电力拖动系统稳定运行的条件,(1)电动机与负载两条机械特性有交点； 转速稳定(必要条件),(2)交点处dT/dndTL/dn 或T/n TL/n 机械特性下降趋势，有抗干扰能力。 (充分条件),注意：系统是否稳定与电动机和负载两者的机械特性有关。电动机带不同的负载，其稳定性可能不同。,1.7 电