1 电力拖动系统的动力学基础

《电机拖动运动控制Ⅰ》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610kV/500kV(220kV)升压降压500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/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10kV左右的电压升高。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81833年直流电机1885年异步电动机1889年三相系统时间1960年代1970年代1980年代1990年代2000年以后电机直流电机直流伺服电机交流伺服电机油压电气控制开关半导体整流微控制器ASIC…大功率晶体管,集成模块IGBT,RISC系统集成SystemLSI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151.3.1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0T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191.3.2运动方程式惯性转矩（或称加速转矩）对于旋转运动，转动方程式为dtdJTTLemMemTnLTU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(rotationequation)来描述几个物理量的理解：JΩ20补充：gGDmrJ422602ndtdnGDTTLem3752式中GD2－飞轮转矩N·m2又因为dtdJTTLem代人（2-1）对于直线运动，方程式为dtdvmFFZ式中F－拖动力FZ－阻力－惯性力dtdvm21转动惯量(MomentofInertia)是刚体绕轴转动时惯性（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2π,即：360度=2π),在单位时间内所走的弧度即为角速度。公式为：ω=Ч/t(Ч为所走过弧度，t为时间）ω的单位为：弧度每秒。通常用希腊字母Ω（大写）或ω（小写）转动惯量J角速度Ω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。LemTT0dtdn2)当或时,系统处于加速运行状态，即动态。LemTT0dtdn3)当或时,系统处于减速运行状态，即动态。LemTT0dtdn常把或称为动负载转矩,把称为静负载转矩.dtdnGD2375)T(TLemLT23如果计算得出拖动转矩是负值,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(loadtorquecharacteristic)。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。1.恒转矩负载•反抗性恒转矩负载•位能性恒转矩负载2.泵类负载的转矩特性3.恒功率负载的转矩特性1.4生产机械的负载转矩特性251.4.1恒转矩负载特性1）.反抗性恒转距负载特性CTLTnTLTLn-n-TL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。26TnTLTLnG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。TL-nG2）.位能性恒转矩负载当n0，T0时，是阻碍运动的制动性转矩当n0，T0时，是帮助运动的拖动性转矩271.4.2泵类负载的转矩特性LT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2nTL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。CLLTP如：机床切削加工恒功率转矩负载的转矩特性28，交流电路，直流电路ZUIRUI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电动势(emf)的代数和，即有，交流电路，直流电路00II，交流电路，直流电路EUEU1.5常用的基本定律与定则1.5.1电路定律291.5.2电磁感应定律磁场电场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dtdNeB变NSKB变322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。Blve三方向互相垂直时，其大小方向由右手定则判定。BS变Bθ变w右手定则v33三方向互相垂直时，其大小为方向用左手定则判定BLIf载流导体在磁场中要受到力的作用3、电磁力定律磁场力(机械运动)341、【磁路基尔霍夫第一定律】在磁路(magneticcircuit)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。01.5.3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。INHL353、【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。mRF36磁路与电路的对比371.5.4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381.高导磁性能◎相对磁导率r＝／0表示铁磁材料的磁导性真空的磁导率0=1.25×10-6(H/m)，常数非铁磁性物质的磁导率μ近似等于0铁磁性物质的磁导率很高μμ0★(电机和变压器)磁路中,要求通入较小的励磁电流就可以产生较强的磁场选用导磁性好的铁磁材料硅钢片为7000～10000镍锌铁氧体为10～1000镍铁合金为2000锰锌铁氧体为300～5000坡莫合金为20000～200000空气的相对磁导率为1.0000000439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402.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致，磁化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值BH铁磁材料的磁化曲线abcd)(HfB)(HfFeHB0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41060005000400030002000100000.40.81.21.62.0铁磁材料的B-H曲线a)b)H/（A/m）B/T12BOaHcb硅钢铸钢铸铁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.BH0HmBr剩磁－HC矫顽力－Hm－BrHC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44B:理想或无磁滞磁化曲线A:强磁体的起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：454.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。HdBfVpNh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