電機(jī)控制技術(shù)緒論

本課程的主要內(nèi)容1.電動(dòng)機(jī)原理及特性（20學(xué)時(shí)）直流電動(dòng)機(jī)原理及特性、啟動(dòng)、調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)原理、運(yùn)行、啟動(dòng)、調(diào)速2.直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.交流電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）交流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)串級(jí)調(diào)速、矢量控制3.電動(dòng)機(jī)智能控制及節(jié)能（10學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時(shí)控制策略仿真第1頁(yè)/共48頁(yè)本課程的主要參考書(shū)邱阿瑞，電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社，2001年顧繩谷，電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社陳伯時(shí)，電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年第2頁(yè)/共48頁(yè)什么是拖動(dòng)？氣體拖動(dòng)汽缸、氣閥、氣體管路、氣源；特點(diǎn)：干凈、力矩較小、噪音小應(yīng)用：食品、藥品、包裝行業(yè)液體拖動(dòng)液缸、液壓閥、液壓管路、液壓泵、液壓馬達(dá)；特點(diǎn)：力矩大，有油污應(yīng)用：輪船、大型壓機(jī)電力拖動(dòng)電機(jī)、電纜、電源、特點(diǎn)：傳送距離更遠(yuǎn)、調(diào)速性能更好國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)第3頁(yè)/共48頁(yè)什么是電力拖動(dòng)？第4頁(yè)/共48頁(yè)第5頁(yè)/共48頁(yè)第6頁(yè)/共48頁(yè)第7頁(yè)/共48頁(yè)第8頁(yè)/共48頁(yè)第9頁(yè)/共48頁(yè)第10頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備傳動(dòng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)機(jī)械

電源第11頁(yè)/共48頁(yè)電機(jī)的分類變壓器旋轉(zhuǎn)電機(jī)直流電機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)回轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)電力變壓器：升壓、降壓特種變壓器：自耦、互感器動(dòng)力電機(jī)微特電機(jī)感應(yīng)電機(jī)同步電機(jī)交流電機(jī)靜止電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)同步發(fā)電機(jī)第12頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)的類型成組拖動(dòng)

由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過(guò)一根長(zhǎng)軸(俗稱“天軸”)拖動(dòng)全車間的一組生產(chǎn)機(jī)械。從電動(dòng)機(jī)到各個(gè)生產(chǎn)機(jī)械的能量傳遞以及在各生產(chǎn)機(jī)械之間的能量分配完全用機(jī)械方法，靠天軸及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)離生產(chǎn)機(jī)械，車間里有大量的天軸、長(zhǎng)皮帶和皮帶輪等。能量傳遞過(guò)程中的損耗大，效率低，灰塵大，勞動(dòng)條件與衛(wèi)生條件很差，而且不安全，易出事故。第13頁(yè)/共48頁(yè)單機(jī)拖動(dòng)：?jiǎn)坞妱?dòng)機(jī)拖動(dòng)

由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械。這樣，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械在結(jié)構(gòu)上配合密切，可以用電氣方法調(diào)節(jié)每臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率，而且易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的全部自動(dòng)化。但是，一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械往往又具有幾個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)。例如，車床，就有刀架的橫向移動(dòng)，縱向移動(dòng)和主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)方式不便于各種運(yùn)動(dòng)的分別調(diào)節(jié)，而且使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜化。第14頁(yè)/共48頁(yè)多機(jī)拖動(dòng)：多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)

由多臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別拖動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部分。即每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。這樣，生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，克服了單機(jī)拖動(dòng)的缺點(diǎn)。第15頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)的發(fā)展概況交、直流兩大電力拖動(dòng)系統(tǒng)。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展史上，一直是二者互為補(bǔ)充、相輔相成、交替發(fā)展。(十九世紀(jì)三十年代有了直流電，十九世紀(jì)末出現(xiàn)交流電)直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有較好的技術(shù)性能，如起動(dòng)性能和調(diào)速性能很好。因此，直流拖動(dòng)在對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等有較高要求的場(chǎng)合應(yīng)用得很廣泛。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴、維護(hù)困難，安裝環(huán)境有一定限制(不能用于惡劣環(huán)境，如有爆炸氣體及塵埃的場(chǎng)合)。使得直流拖動(dòng)在很多場(chǎng)合受到限制。而交流電動(dòng)機(jī)在以上幾方面都優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)，并且考慮到電能的產(chǎn)生及輸送多為交流電能，所以交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)收到人們的重視。第16頁(yè)/共48頁(yè)為什么學(xué)習(xí)本課程？電機(jī)的廣泛應(yīng)用；見(jiàn)上面的例子生產(chǎn)加工工藝指標(biāo)要求對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；例如：軋鋼、造紙、機(jī)床等多門(mén)知識(shí)的綜合運(yùn)用第17頁(yè)/共48頁(yè)本課程與其他課程的關(guān)系本課程是自動(dòng)化、電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課

先修課程：物理學(xué)、電路、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)；第18頁(yè)/共48頁(yè)課程特點(diǎn)“電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”是歷來(lái)學(xué)生感到難學(xué)、怕學(xué)的課程，因?yàn)橐蚱渖婕暗诫?、磁、機(jī)、控制系統(tǒng)等多方面的理論和相關(guān)知識(shí)，也是電類學(xué)生首次接觸到的一門(mén)理論、實(shí)際緊密結(jié)合的課程。在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，一方面從態(tài)度上應(yīng)從認(rèn)識(shí)電機(jī)的重要性出發(fā)，提高學(xué)習(xí)的興趣，從而能知難而進(jìn)。另一方面，從方法上，應(yīng)逐步和盡快適應(yīng)和掌握其特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法。第19頁(yè)/共48頁(yè)課程學(xué)習(xí)任務(wù)掌握常用交直流電機(jī)的基本理論掌握分析電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速方法的基本原理掌握直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)、多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本實(shí)驗(yàn)方法與技能，并具有熟練的運(yùn)算能力掌握交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法及雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法第20頁(yè)/共48頁(yè)第一章電力拖動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各種生產(chǎn)機(jī)械一般都以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，來(lái)完成對(duì)物體的加工、輸送、壓縮與分離等各項(xiàng)工作。這種以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力來(lái)拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械的工作方式，稱為電力拖動(dòng)(或電氣傳動(dòng))。電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械和電源組成，如圖所示。第21頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本分類電動(dòng)機(jī)通常是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工作要求來(lái)選用，主要有直流電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的拖動(dòng)系統(tǒng)稱為直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流拖動(dòng)系統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的拖動(dòng)系統(tǒng)稱為交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱交流拖動(dòng)系統(tǒng)。第22頁(yè)/共48頁(yè)單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n(rad/s)的正方向相同負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的正方向與轉(zhuǎn)速n的正方向相反。第23頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程p4采用牛頓第二定律（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量第24頁(yè)/共48頁(yè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩

當(dāng)T＝TL時(shí)，即速度導(dǎo)數(shù)＝0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于恒速運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)(或靜止)；當(dāng)T＞TL時(shí)，即速度導(dǎo)數(shù)＞0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于加速運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程；當(dāng)T＜TL時(shí)，即速度導(dǎo)數(shù)＜0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于減速運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程。第25頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)第26頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩

已知電動(dòng)機(jī)的軸上(輸出)功率，可以計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩：

P—電動(dòng)機(jī)的軸上(輸出)功率，單位為瓦特(W)

若電動(dòng)機(jī)功率的單位是千瓦(kW)，則第27頁(yè)/共48頁(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向的規(guī)定電機(jī)產(chǎn)生與正向旋轉(zhuǎn)一致的轉(zhuǎn)矩為正，當(dāng)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作；電機(jī)在制動(dòng)狀態(tài)工作時(shí)，產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，它與系統(tǒng)轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。第28頁(yè)/共48頁(yè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩

負(fù)載轉(zhuǎn)矩的符號(hào)，

生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系TL=f(n)，稱為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性。負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性可以歸納為以下三種典型類型：考慮到運(yùn)動(dòng)方程式中，TL前已有負(fù)號(hào)，所以?。贺?fù)載轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)正方向相反的為正，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)正方向相同的為負(fù)。第29頁(yè)/共48頁(yè)1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，就是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)，即當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL保持常值不變(|TL|=const)。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載有以下兩類：

(1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值大小是恒定不變的，且方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，即：n＞0時(shí)，TL＞0(常數(shù))；n＜0時(shí)，TL＜0(也是常數(shù))，且TL的絕對(duì)值相等。（2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載其特點(diǎn)是工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值大小是恒定不變的，而且方向不變，當(dāng)n＞0時(shí)，TL＞0，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；當(dāng)n＜0時(shí)，TL＞0，是幫助運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。第30頁(yè)/共48頁(yè)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載第31頁(yè)/共48頁(yè)2.通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵和螺旋槳等，其轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即TL∝n2。第32頁(yè)/共48頁(yè)3.恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，是指負(fù)載的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積為常數(shù)，即負(fù)載的機(jī)械功率P=TLΩL=TL

2πnL/60=常數(shù)。實(shí)際上負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速稱反比，TL∝1/n。第33頁(yè)/共48頁(yè)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、通風(fēng)機(jī)負(fù)載以及恒功率負(fù)載都是從各種實(shí)際負(fù)載中概括出來(lái)的典型的負(fù)載形式，實(shí)際的負(fù)載可能是以某種典型為主或幾種典型的結(jié)合。例如，實(shí)際的通風(fēng)機(jī)主要是通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性，但是其軸承摩擦又是反抗性的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，只是運(yùn)行時(shí)后者數(shù)值較小而已。第34頁(yè)/共48頁(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系n=f(T)稱為機(jī)械特性。不同的電動(dòng)機(jī)有不同性質(zhì)的機(jī)械特性，可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，也可以畫(huà)成機(jī)械特性曲線。分析電力傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性已知。第35頁(yè)/共48頁(yè)穩(wěn)定條件為使電力拖動(dòng)系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的。所謂穩(wěn)定，是指系統(tǒng)受到干擾后(如負(fù)載變化，或電壓、電阻等電氣參量變化)，有回到穩(wěn)定平衡狀態(tài)的能力。從電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可知，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行即恒速不變的必要條件是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為零。第36頁(yè)/共48頁(yè)工作點(diǎn)把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性畫(huà)在同一坐標(biāo)平面上。兩條特性的交點(diǎn)，稱為工作點(diǎn)。系統(tǒng)受到干擾后，若能回到原來(lái)工作點(diǎn)上繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，則該工作點(diǎn)為穩(wěn)定工作點(diǎn)。否則，為不穩(wěn)定的工作點(diǎn)。電力傳動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)上，并不一定都能穩(wěn)定運(yùn)行，也就是說(shuō)，T＝TL僅僅是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，而不是充分條件。系統(tǒng)要想穩(wěn)定運(yùn)行，還需要電動(dòng)機(jī)與負(fù)載的兩條特性在交點(diǎn)T＝TL處配合得好。第37頁(yè)/共48頁(yè)穩(wěn)定運(yùn)行的充要條件對(duì)于一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件是第38頁(yè)/共48頁(yè)多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化

實(shí)際的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，大多數(shù)電動(dòng)機(jī)是通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作機(jī)構(gòu)相連，而不是直接聯(lián)接的。由于許多工作機(jī)構(gòu)為完成工藝過(guò)程需要較低的速度，而電動(dòng)機(jī)為提高其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)做成高速的，因此，在電動(dòng)機(jī)軸與工作機(jī)械軸之間加入了減速裝置。第39頁(yè)/共48頁(yè)它由電動(dòng)機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)和卷筒等組成，其中齒輪為二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，其速比為j1，j2，傳動(dòng)效率為

1，

2。這個(gè)系統(tǒng)中有三根轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)軸，其轉(zhuǎn)速分別為n，nb和nf。三根軸上的轉(zhuǎn)矩、飛輪慣量也都不一樣。分析該三軸系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)分別對(duì)每一根轉(zhuǎn)軸列寫(xiě)出它的轉(zhuǎn)動(dòng)方程式，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式聯(lián)立求解，便可得出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。第40頁(yè)/共48頁(yè)折算的目的對(duì)于多軸電力傳動(dòng)系統(tǒng)，上述方法是相當(dāng)麻煩的。為了簡(jiǎn)化多軸系統(tǒng)的分析和計(jì)算，通常把負(fù)載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)飛輪慣量等折算到電動(dòng)機(jī)軸上來(lái)，變多軸系統(tǒng)為等效的單軸系統(tǒng)，列寫(xiě)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與聯(lián)立求解多個(gè)方程式的結(jié)果完全一樣。第41頁(yè)/共48頁(yè)轉(zhuǎn)矩的折算

把作用在卷筒上的轉(zhuǎn)矩Tf折算到電動(dòng)機(jī)軸上，應(yīng)該使折算前后的功率保持不變。在折算中用效率

來(lái)考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的損耗，第42頁(yè)/共48頁(yè)力的折算

把直線運(yùn)動(dòng)的力F直接折算為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)兩種運(yùn)動(dòng)形式功率相等的原則，電梯的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖作用如何實(shí)現(xiàn)？第43頁(yè)/共48頁(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩的折算

為把多軸電力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單軸系統(tǒng)，需要把各軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上。折算時(shí)應(yīng)該使折算前后系統(tǒng)貯存的動(dòng)能保持不變。

M第44頁(yè)/共48頁(yè)一般地說(shuō)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各軸以及工作機(jī)構(gòu)軸的轉(zhuǎn)速要比電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算與轉(zhuǎn)速平方成反比，因此盡管可能有很多根軸，但它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上后數(shù)值不大，是系統(tǒng)的次要部分。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的主要部分。第45頁(yè)/共48頁(yè)質(zhì)量的折算

有時(shí)需要把直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量折算到旋