電力拖動控制系統(tǒng)

講課教師：黃聲華，王雙紅87542626轉(zhuǎn)8103（O）辦公地點：電機(jī)樓－前樓103Email：Shhuang51@wshs.hust.edcn上課時間：周二7-8，周四5-6上課地點：西十二S210華中科技大學(xué)電氣學(xué)院電機(jī)及控制系緒論

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)安排電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向1.本課程在電氣學(xué)科中的位置電能的“生產(chǎn)、變換、傳輸、分配和使用”的示意圖電能主要用于電力拖動系統(tǒng)——電動機(jī)希望對電力拖動系統(tǒng)有更多的干預(yù)和控制——電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)課程的目的與任務(wù)本課程在電氣學(xué)科中的位置2.本課程與先修課程的關(guān)系先修課程:電機(jī)學(xué)電力電子學(xué)自動控制理論檢測技術(shù)電子技術(shù)基礎(chǔ)微機(jī)及其接口技術(shù)綜合性強(qiáng)，涉及面廣

典型的電力拖動控制系統(tǒng)例:p182,圖9-17,(圖0-2),無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)3.教材、參考教材參考教材：《電力拖動自動控制系統(tǒng)》第2版，陳伯時主編;《電機(jī)及拖動基礎(chǔ)》，顧繩谷主編;

其它有關(guān)直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)的書；教材：《電力拖動控制系統(tǒng)》，馬志源編著，科學(xué)出版社，2004年第1版4.本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容

交流調(diào)速系統(tǒng)

◆交流調(diào)壓調(diào)速

第5章

◆串級調(diào)速

第6章

◆交流變頻調(diào)速

他控式第7、8章

自控式第9章

矢量控制第10、11章電力拖動基礎(chǔ)第1章直流調(diào)速系統(tǒng)第2、3、4章5.教學(xué)安排講課:40學(xué)時 共11章，實驗:8學(xué)時分2次：1.直流調(diào)速系統(tǒng)2.交流PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)

時間另行通知；地點：西二樓1樓電機(jī)實驗室考試：閉卷成績：作業(yè)5分+實驗15分＋考試80分＝100分6.電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展動向20世紀(jì)60年代以前，調(diào)速系統(tǒng)是以直流機(jī)組為主，20世紀(jì)60年代，開始有晶閘管構(gòu)成的直流V-M系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代開始，研究交流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代之后，交流調(diào)速系統(tǒng)已成為調(diào)速系統(tǒng)的主流。交流調(diào)速系統(tǒng)仍在不斷的發(fā)展和完善中，目前主要的發(fā)展有如下一些動向：(1)新型調(diào)速電機(jī)。(2)新型變流裝置和變流技術(shù)。(3)新的控制策略。(4)無速度（位置）檢測器的速度（位置）檢測技術(shù)。(5)全數(shù)字化控制及集成化技術(shù)。電力拖動控制系統(tǒng)的發(fā)展極為迅速：第1章電力拖動基礎(chǔ)1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程

1.2電力拖動系統(tǒng)的機(jī)械特性

1.3他勵直流電動機(jī)的起動、調(diào)速與制動

1.4異步電動機(jī)的起動、調(diào)速與制動

用各種原動機(jī)帶動生產(chǎn)或工作機(jī)械（負(fù)載）產(chǎn)生運動，以完成一定的任務(wù)。1.1.1電力拖動系統(tǒng)的構(gòu)成1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程

一、“電力拖動”的概念1.拖動：用各種電動機(jī)作為原動機(jī)的拖動方式。電力拖動控制系統(tǒng)：1.電機(jī)及負(fù)載2.電力電子變換器（主電路）3.控制器4.檢測、反饋裝置電力拖動系統(tǒng),四個組成部分：1.電動機(jī)2.電機(jī)控制裝置3.機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)4.工作機(jī)械二、電力拖動系統(tǒng)的構(gòu)成三、電力拖動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.電力拖動：1.1.2機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)與工作機(jī)械的折算

物理量：轉(zhuǎn)矩（力）、轉(zhuǎn)速（速度）、轉(zhuǎn)動慣量（質(zhì)量）單位：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：折算——把一個多軸系統(tǒng)用一個單軸系統(tǒng)或單拖動（推動）系統(tǒng)來取代。a）保持折算前后兩個系統(tǒng)傳送的功率相同b）保持折算前后兩個系統(tǒng)儲存的動能相同2）折算原則：3）折算的物理量：折算多軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)能量守恒例，負(fù)載軸的動能在折算前后相等，有：2.折算到電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl

的折算Ⅰ.電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時Ⅱ.電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)時根據(jù)功率相等原則：傳動損耗由電動機(jī)承擔(dān)，傳動損耗功率由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)傳動效率η得負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算式為：得負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算式為：式中，速比（2）轉(zhuǎn)動慣量J的折算根據(jù)動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等?？傓D(zhuǎn)動慣量是J為：得：例，把電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)動能折算為直線運動動能后，兩者相等：3.折算到直線運動的工作機(jī)構(gòu)上以電動汽車為例，把旋轉(zhuǎn)的量折算到工作機(jī)械方。（1）拖動力F的折算（2）運動質(zhì)量m的折算有：根據(jù)功率相等原則：根據(jù)動能相等原則，系統(tǒng)儲存的動能相等。得直線運動質(zhì)量為：總拖動質(zhì)量為：

總拖動質(zhì)量m是電動汽車總質(zhì)量加上旋轉(zhuǎn)部分的折算值1.1.3電力拖動系統(tǒng)的運動方程對直線運動，運動方程為對旋轉(zhuǎn)運動，運動方程為式中：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）的實用形式為稱為飛輪矩兩式中的三項都是有方向的工程上，習(xí)慣使用工程單位：轉(zhuǎn)速為n(r/min)，轉(zhuǎn)動慣量用飛輪矩GD2(Nm2)。375具有加速度量綱1.1.4速度控制的本質(zhì)是對轉(zhuǎn)矩的控制一、由運動方程式可知：當(dāng)T=Tl時，dΩ/dt=0，電力拖動系統(tǒng)處在勻速旋轉(zhuǎn)（含靜止不動）的穩(wěn)態(tài)中。，當(dāng)T>Tl時，dΩ/dt>0，電力拖動系統(tǒng)處在加速（或反向減速）狀態(tài)

。當(dāng)T<Tl時，dΩ/dt<0，電力拖動系統(tǒng)處在減速（或反向加速）狀態(tài)

。二、電力拖動自動控制系統(tǒng)（調(diào)速系統(tǒng)）控制的目標(biāo)是速度要想使系統(tǒng)穩(wěn)定運行在某一個轉(zhuǎn)速n1時，必須在n1轉(zhuǎn)速下使T=Tl。若要使系統(tǒng)穩(wěn)定在一個更高的轉(zhuǎn)速時，則首先在原轉(zhuǎn)速下使T>Tl

，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)定運行。三、重要結(jié)論：電動機(jī)速度控制的本質(zhì)是對其輸出轉(zhuǎn)矩的控制。四、例：他勵直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的物理過程原狀態(tài)：新狀態(tài)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl恒定1.2電力拖動系統(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)械特性電動機(jī)機(jī)械特性固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性2.運行狀態(tài)：轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T都有正、負(fù)值,要選定參考正方向。電動：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向一致制動：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向相反3.四象限運行：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：實際風(fēng)機(jī)的負(fù)載機(jī)械特性：

實際的機(jī)械裝置則是多種性質(zhì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的組合1.2.3電動機(jī)的固有機(jī)械特性a）他勵直流電動機(jī)b）異步電動機(jī)e）同步電動機(jī)

1.2.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件條件1.電機(jī)機(jī)械特性曲線及負(fù)載機(jī)械特性曲線的交點條件2.且在交點處滿足穩(wěn)定點不穩(wěn)定點交點處滿足，所以判別方法：1.3他勵直流電動機(jī)的起動、調(diào)速與制動1.3.1他勵直流電動機(jī)的人工機(jī)械特性

他勵直流電動機(jī)方程

固有機(jī)械特性方程（額定參數(shù)時）

人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性

1.3.2他勵直流電動機(jī)的調(diào)速1．調(diào)速方法①電樞回路串電阻調(diào)速；②改變電樞端電壓調(diào)速；③弱磁調(diào)速。

分別改變則得到三組不同的人為機(jī)械特性曲線族所允許的最大輸出轉(zhuǎn)矩

1.3.2他勵直流電動機(jī)的調(diào)速2．調(diào)速時的轉(zhuǎn)矩與功率圖1-11調(diào)速時轉(zhuǎn)矩與功率曲線

所允許的最大輸出功率

電機(jī)允許流過的最大電流受制于電機(jī)的散熱條件，一般為額定電流IaN。

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n<nN

的區(qū)域，磁通Φ不變，IaN不變，Tmax不變，稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)域。

在n>nN

的區(qū)域，磁通Φ減小，…，

Pmax不變，稱恒功率調(diào)速區(qū)域。

電機(jī)的冷卻方式：1．調(diào)速方法1.3.3他勵直流電動機(jī)的起動常用的起動方法有：2.降壓起動3.電樞回路串電阻起動1.直接全壓起動只能用于小容量電機(jī)圖1-13分二級電阻起動的起動過程a）機(jī)械特性曲線b）轉(zhuǎn)速變化曲線c）電流變化曲線1.3.4他勵直流電動機(jī)的制動1．能耗制動

a）原理電路圖

b）機(jī)械特性圖制停過程（是一個動態(tài)過程）c）能量傳遞簡圖最終的穩(wěn)態(tài)工作點：（1）反抗性負(fù)載，C點（2）位能性負(fù)載，D點制動最常用的地方有二：1.快速停車或快速降速2.限制（或控制）工作機(jī)械產(chǎn)生過高的速度直流電機(jī)制動方法有四：2．回饋制動（再生發(fā)電制動）c）能量傳遞簡圖a）原理電路圖

b）機(jī)械特性圖回饋制動實際中常常出現(xiàn)于：回饋制動發(fā)生條件：電機(jī)轉(zhuǎn)速n>n0，即電機(jī)反電勢。位能性負(fù)載拖動電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，在調(diào)壓調(diào)速中突然降低端電壓以及弱磁調(diào)速中突然增加磁通時。突然降壓產(chǎn)生回饋制動分析：動態(tài)制動電動3．反接制動4．倒拉反轉(zhuǎn)制動b）能量傳遞簡圖a）機(jī)械特性圖條件：電樞電壓反向串入Rj的目的電機(jī)最終的穩(wěn)態(tài)運行點制動停車用時切斷電源方法條件：1）電樞正電壓；

2）位能性負(fù)載；

3）電機(jī)反轉(zhuǎn)；

4）串電阻；制動停車過程為動態(tài)過程倒拉反轉(zhuǎn)制動是穩(wěn)態(tài)運行1.4異步電動機(jī)的起動、調(diào)速與制動1.4.1異步電動機(jī)的機(jī)械特性1．固有機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式（額定參數(shù)時即為固有機(jī)械特性表達(dá)式）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)改變極對數(shù)1.4.2異步電動機(jī)的起動a)降壓起動b)轉(zhuǎn)子回路串電阻起動c)變頻起動d)其它1.4.3異步電動機(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異步電動機(jī)的制動1．回饋制動a)負(fù)載帶動電機(jī)發(fā)電b)變頻調(diào)速時的回饋制動d)能量傳遞簡圖發(fā)生條件：

1）接交流電源

2）回饋（發(fā)電）原理發(fā)生的場合：a）位能負(fù)載帶動電