第1講《電力拖動自動控制系統(tǒng)》第三版陳伯時(shí)

1、電機(jī)拖動與控制技術(shù)電機(jī)拖動與控制技術(shù)電氣工程系 鄭詩程2014.02 電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用 電機(jī)是完成多種能量形式轉(zhuǎn)換的有效電機(jī)是完成多種能量形式轉(zhuǎn)換的有效工具，而電能又是最容易實(shí)現(xiàn)傳輸、變換工具，而電能又是最容易實(shí)現(xiàn)傳輸、變換的能量形式，可以說，的能量形式，可以說，如果沒有電機(jī)就沒如果沒有電機(jī)就沒有現(xiàn)代工業(yè)，有現(xiàn)代工業(yè)，下面就電能的產(chǎn)生、傳輸和下面就電能的產(chǎn)生、傳輸和利用等多個(gè)方面來說明電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中利用等多個(gè)方面來說明電機(jī)在國民經(jīng)濟(jì)中的作用。的作用。一個(gè)完整的發(fā)電、傳輸、用電系統(tǒng)一個(gè)完整的發(fā)電、傳輸、用電系統(tǒng)葛洲壩水利樞紐工程葛洲壩水利樞紐工程三峽電站三峽電站三峽水力發(fā)電機(jī)組n三峽電站

2、的水輪發(fā)電機(jī)當(dāng)時(shí)全球最大的水輪發(fā)電機(jī)三峽電站的水輪發(fā)電機(jī)當(dāng)時(shí)全球最大的水輪發(fā)電機(jī) 全國最大的火力發(fā)電廠江蘇諫壁發(fā)電站全國最大的火力發(fā)電廠江蘇諫壁發(fā)電站火力發(fā)電機(jī)組火力發(fā)電機(jī)組丹麥生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組丹麥生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型電力變壓器大型電力變壓器配電變壓器配電變壓器電路板上所使用的低壓變換變壓器電路板上所使用的低壓變換變壓器手機(jī)震動電機(jī)直流電機(jī)模型直流電機(jī)模型直流電機(jī)模型直流電機(jī)模型概 況n電能是現(xiàn)代大量應(yīng)用的一種能量形式。n電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機(jī)電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換或信號變換的機(jī)電裝置。n不論是旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換還是控制電控制電機(jī)機(jī)的信號變換，都是通過

3、電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)作用而實(shí)現(xiàn)的。 概 況n電機(jī)的發(fā)展可以分成三個(gè)時(shí)期： 1.直流電機(jī)的產(chǎn)生和形成； 2.交流電機(jī)的形成； 3.電機(jī)理論、設(shè)計(jì)和制造工藝逐步達(dá)到完善； 概 況n對電機(jī)的要求由 性能良好、運(yùn)行可靠、單位容量的重量輕、體積?。ㄐD(zhuǎn)電機(jī)）等發(fā)展到 高精度、快響應(yīng)的（控制電機(jī)），如今控制電機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的分支。 概 況n電力拖動控制系統(tǒng)最初是繼電器接觸器型的，屬于有觸點(diǎn)、斷續(xù)型控制系統(tǒng)，也稱為繼電器接觸器自動控制系統(tǒng)。n電力拖動控制系統(tǒng)現(xiàn)在是無觸點(diǎn)、連續(xù)無觸點(diǎn)、連續(xù)型控制系統(tǒng)（型控制系統(tǒng)（采用功率器件）。 概 況n電機(jī)拖動的發(fā)展：電機(jī)拖動的發(fā)展： 直流拖動-無耦合、調(diào)速性能好，但是

4、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難維護(hù)、 價(jià)格昂貴、轉(zhuǎn)動慣量大等交流拖動-強(qiáng)耦合、調(diào)速性能差，但是結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、價(jià)格 便宜、轉(zhuǎn)動慣量小等直流拖動交流拖動-基本無耦合、調(diào)速性能好等和和 控制技術(shù)的發(fā)展控制技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 性質(zhì)與任務(wù)n性質(zhì)：性質(zhì)：是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課；n任務(wù)：任務(wù)：掌握交、直流電機(jī)拖動的工作原交、直流電機(jī)拖動的工作原理（理（教材教材1 1）以及交、直流電機(jī)調(diào)速控制交、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等（教材教材2 2）。）。注注：教材1為顧繩谷顧繩谷教授主編電機(jī)及拖動基礎(chǔ)電機(jī)及拖動基礎(chǔ)下冊下冊 教材2為陳伯時(shí)陳伯時(shí)教授主編電力拖動自動控制系統(tǒng)電力

5、拖動自動控制系統(tǒng)第一篇第一篇 直流拖動控制系統(tǒng)直流拖動控制系統(tǒng)緒論緒論1 1 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ) 直流電機(jī)及其拖動 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第第1 1章章第第2 2章章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 （教材1）（教材2）（教材2）注注：教材1為顧繩谷顧繩谷教授主編電機(jī)及拖動基礎(chǔ)電機(jī)及拖動基礎(chǔ)下冊下冊 教材2為陳伯時(shí)陳伯時(shí)教授主編電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第二篇第二篇 交流拖動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng) 緒論緒論2 2異步電機(jī)及其拖動 第第6 6章章籠型異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）（教材1）（教材2） 第第7 7章章繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)

6、 -轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 第第8 8章章同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)n1.了解電力拖動基本概念；了解電力拖動基本概念；n2.2.熟悉電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式；熟悉電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式；n3.3.掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的概念。掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的概念。n重點(diǎn)：重點(diǎn)：n 運(yùn)動方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式 電力拖動裝置常包含電動機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)電力拖動裝置常包含電動機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備及電源等四個(gè)組成部分。備及電源等四個(gè)組成部分。 在許多情況下，電動機(jī)與工作機(jī)構(gòu)并不同

7、軸（在許多情況下，電動機(jī)與工作機(jī)構(gòu)并不同軸（因?yàn)殡妱訖C(jī)速度因?yàn)殡妱訖C(jī)速度較快而工作機(jī)構(gòu)速度一般較慢！較快而工作機(jī)構(gòu)速度一般較慢?。?，而在二者之間有傳動機(jī)構(gòu)，它），而在二者之間有傳動機(jī)構(gòu)，它把電動機(jī)的運(yùn)動經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動方式后再傳給生產(chǎn)機(jī)械的把電動機(jī)的運(yùn)動經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動方式后再傳給生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu) 。電動自行車？電動自行車？ 電力拖動？電力拖動？拖動？拖動？電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)斜齒輪減速電機(jī)斜齒輪減速電機(jī)采用電力拖動主要原因采用電力拖動主要原因 現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動，主要原因是電力拖動，主要原因是 ：1. 1. 電能

8、的運(yùn)輸、分配、控制方便經(jīng)濟(jì)。電能的運(yùn)輸、分配、控制方便經(jīng)濟(jì)。2. 2. 電動機(jī)的種類和規(guī)格很多，它們具有電動機(jī)的種類和規(guī)格很多，它們具有各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的不同要求。生產(chǎn)機(jī)械的不同要求。3. 3. 電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實(shí)現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操作等等。以實(shí)現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操作等等。一、運(yùn)動方程式一、運(yùn)動方程式對于直線運(yùn)動對于直線運(yùn)動 tvmFFzdd由牛頓運(yùn)動定律，可得由牛頓運(yùn)動定律，可得（1）（2）對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。：慣性轉(zhuǎn)矩或加速轉(zhuǎn)矩阻轉(zhuǎn)矩或負(fù)載轉(zhuǎn)矩；拖動轉(zhuǎn)矩；tJTTZdd:tJ

9、TTzdd式中式中 m與與G旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（kg）與重量（）與重量（N） 與與D慣性半徑與直徑（慣性半徑與直徑（m） 可推出可推出常用的運(yùn)動方程式常用的運(yùn)動方程式如下如下（3）由式（由式（3）可知電機(jī)的各種運(yùn)動狀態(tài)：）可知電機(jī)的各種運(yùn)動狀態(tài)：tnGDTTzdd3752gJGDmNGD4222），稱為飛輪慣量（式中，1、當(dāng)、當(dāng)zTT 0ddtn電動機(jī)靜止或等速旋轉(zhuǎn)，電力拖動電動機(jī)靜止或等速旋轉(zhuǎn)，電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下。系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下。2、當(dāng)、當(dāng)zTT 0ddtn電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài) 3、當(dāng)、當(dāng)zTT 0ddtn電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)電

10、力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài) 二、運(yùn)動方程式中轉(zhuǎn)矩的正負(fù)符號分析二、運(yùn)動方程式中轉(zhuǎn)矩的正負(fù)符號分析運(yùn)動方程式的一般形式運(yùn)動方程式的一般形式 tnGDTTzdd375)(2 規(guī)定某個(gè)轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎较颍瑒t轉(zhuǎn)矩規(guī)定某個(gè)轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎较?，則轉(zhuǎn)矩T 正向取正，反向取負(fù)；阻正向取正，反向取負(fù)；阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Tz 正向取負(fù)，反向取正。正向取負(fù)，反向取正。 三、各種形狀旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算三、各種形狀旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算1.1.旋轉(zhuǎn)軸通過該物體的重心旋轉(zhuǎn)軸通過該物體的重心計(jì)算旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動慣量分兩種情況：計(jì)算旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動慣量分兩種情況：。的重心到旋轉(zhuǎn)軸的距離該部分質(zhì)量；該物體某個(gè)組成部分的iiimrmkiiimrJ1

11、2對于質(zhì)量連續(xù)分布的物體用相應(yīng)的定積分計(jì)算如下對于質(zhì)量連續(xù)分布的物體用相應(yīng)的定積分計(jì)算如下VdmrJ2 近年來，隨著制造業(yè)自動化程度的提高，各種各樣近年來，隨著制造業(yè)自動化程度的提高，各種各樣的機(jī)器人越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)第一線。這一類生產(chǎn)的機(jī)器人越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)第一線。這一類生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，因此，機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)，因此，需要計(jì)算各種形狀旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量。需要計(jì)算各種形狀旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量。2.2.旋轉(zhuǎn)軸為不通過該物體重心的任意軸時(shí)，該物體的旋轉(zhuǎn)軸為不通過該物體重心的任意軸時(shí)，該物體的轉(zhuǎn)動慣量是它圍繞著不通過其重心的任意軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

12、動慣量是它圍繞著不通過其重心的任意軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量動慣量（J J）與它圍繞穿過自身重心且平行于該任意與它圍繞穿過自身重心且平行于該任意軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量（JJ）之和。之和。2 mLJJ2 mJ 根據(jù)以上方法，可以推導(dǎo)出幾根據(jù)以上方法，可以推導(dǎo)出幾種常見的旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算種常見的旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算方法如下：方法如下：1 1）以）以為半徑，以為半徑，以O(shè) O為旋轉(zhuǎn)軸線，質(zhì)量為為旋轉(zhuǎn)軸線，質(zhì)量為m的旋轉(zhuǎn)小球（小球自身的半徑與的旋轉(zhuǎn)小球（小球自身的半徑與相比相比充分?。┑霓D(zhuǎn)動慣量：充分?。┑霓D(zhuǎn)動慣量：2mLJJ2 2）圓環(huán)柱體）圓環(huán)柱體 )(22221mJ3 3）圓柱體自身的中軸線）圓柱體自身的中軸線O O為旋轉(zhuǎn)軸線為旋轉(zhuǎn)軸線 22mJ4 4）長度為）長度為L，寬度為，寬度為d，質(zhì)量為，質(zhì)量為m的長方體的長方體 )(1222dLmJ如果寬度如果寬度d與長度與長度L相比充分小相比充分小, , 則為則為 212LmJ 5 5）長方體的質(zhì)量為）長方體的質(zhì)量為m，以，以O(shè)為旋轉(zhuǎn)軸