第1章(电力拖动控制系统)x

电力拖动控制系统讲课教师：万山明电话：87784726（H），87542626转8104（O）办公地点：电机楼_前楼104开课系:电气学院电机及控制系绪论1.本课程在电气学科中的位置2.本课程与先修课程的关系3.教材、参考教材4.本课程的学习内容5.教学安排6.电力拖动控制系统的发展动向1.本课程在电气学科中的位置电能的“生产、变换、传输、分配和使用”的示意图•电能主要用于电力拖动系统——电动机•希望对电力拖动系统有更多的干预和控制——电机调速系统发电机升压变压器降压变压器用户输电线MMMMG生产传输分配使用本课程在电气学科中的位置“电气工程”是要研究电能在生产、传输、分配及使用过程中的全部工程问题，最重要的是“发电”和“用电”这两个核心环节，而电力拖动控制系统正是用电环节的主要技术，因此《电力拖动控制系统》是宽口径“电气工程及其自动化”专业的学生应掌握的课程。课程的目的与任务本课程涉及面广、综合性强，将用到学生前3年所学的全部带“电”的课程的内容，并进一步拓宽学生的知识面。培养学生综合分析问题、解决问题的能力。课程在介绍了电机拖动基础知识之后着重介绍了各种直流调速系统与交流调速系统，对各种调速系统的构成、运行原理、控制方法等进行了详细的介绍和分析。在直流调速系统中，从基本控制原理到系统的控制规律及其静、动态性能等各方面都作了详细的分析。在交流调速系统中，介绍了异步电机、同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等电机的各种调速技术。也是为进一步进入电机及其控制、电力电子与电气传动、工业自动化等二级学科研究生学习的本科生开设的主要专业课程之一。2.本课程与先修课程的关系先修课程:电机学电力电子学自动控制理论检测技术电子技术基础微机及其接口技术综合性强，涉及面广，ASR-i*PWM逻辑“与”放大驱动dtdPMACR正、负转矩控制i逻辑控制~-++-三角波发生器极性鉴别能耗制动单元绝对值变换*+BQ计算机内部控制VRVI•电力拖动控制系统例:p182,图9-17,(图0-2),无刷直流电动机系统3.教材、参考教材参考教材：《电力拖动自动控制系统》第2版，陈伯时主编;《电机及拖动基础》，顾绳谷主编;其它有关直流调速系统、交流调速系统的书；教材：《电力拖动控制系统》，马志源编著，科学出版社，2004年第1版4.本课程的学习内容交流调速系统◆交流调压调速第5章◆串级调速第6章◆交流变频调速他控式第7、8章自控式第9章矢量控制第10、11章电力拖动基础第1章直流调速系统第2、3、4章5.教学安排•讲课:40学时共11章，•实验:8学时分2次：1.直流调速系统2.交流变频调速系统时间另行通知；地点：西二楼1楼电机实验室•考试：闭卷•成绩：平时（含点名）5分＋实验15分＋考试80分＝100分6.电力拖动控制系统的发展动向20世纪60年代以前，调速系统是以直流机组为主，20世纪60年代，开始有晶闸管构成的直流V-M系统。20世纪70年代开始，研究交流调速系统。20世纪80年代之后，交流调速系统已成为调速系统的主流。交流调速系统仍在不断的发展和完善，目前主要的发展有如下一些动向：(1)新型调速电机。(2)新型变流装置和变流技术。(3)新的控制策略。(4)无速度（位置）检测器的速度（位置）检测技术。(5)全数字化控制及集成化技术。电力拖动控制系统的发展极为迅速：第1章电力拖动基础1.1电力拖动系统的运动方程1.2电力拖动系统的机械特性1.3他励直流电动机的起动、调速与制动1.4异步电动机的起动、调速与制动用各种原动机带动生产或工作机械（负载）产生运动，以完成一定的任务。1.1.1电力拖动系统的构成1.1电力拖动系统的运动方程一、“电力拖动”的概念1.拖动：功率变换器（主电路）控制器指令电动机负载反馈电源用各种电动机作为原动机的拖动方式。电力拖动控制系统：1.电机及负载2.电力电子变换器（主电路）3.控制器4.检测、反馈装置电力拖动系统，四个组成部分：1.电动机2.电机控制装置3.机械传动机构4.工作机械二、电力拖动系统的构成（负载）（电气传动）电源控制装置电动机机械传动机构工作机械反馈三、电力拖动控制系统结构框图2.电力拖动：1.1.2机械传动机构与工作机械的折算物理量：转矩（力）、转速（速度）、转动惯量（质量）单位：Nm（N）、rad/s（m/s)、kg·m2(kg)1．折算的概念及折算原则1）折算的概念：折算——把一个多轴系统用一个单轴系统或单拖动（推动）系统来取代。TMJ1T1J1llJlT1j2j工作机构M负载JTMlTa）保持折算前后两个系统传送的功率相同b）保持折算前后两个系统储存的动能相同2）折算原则：3）折算的物理量：折算多轴系统单轴系统能量守恒例，负载轴的动能在折算前后相等，有：2.折算到电机旋转轴上（1）负载转矩Tl的折算Ⅰ.电动机工作在电动状态时Ⅱ.电动机工作在发电制动状态时根据功率相等原则：TMJ1T1J1llJlT1j2j工作机构负载JT)a)bMMlTllTTlTT传动损耗由电动机承担，传动损耗功率由工作机构承担传动效率η得负载转矩折算式为：NmjllllTTlTT得负载转矩折算式为：mjllllnnj式中，速比（2）转动惯量J的折算根据动能相等原则，系统储存的动能相等。)kgm(jJjJjJJJJJl222222111总转动惯量是J为：得：222llllJJJj222121lllJJ例，把电机轴的旋转动能折算为直线运动动能后，两者相等：3.折算到直线运动的工作机构上以电动汽车为例，把旋转的量折算到工作机械方。（1）拖动力F的折算TMJ1T1J1l2JlT1j2j)aM22T车轮车轮车轮车轮VFm)b整车质量lmlF（2）运动质量m的折算有：)(VTF221122MMJmV根据功率相等原则：根据动能相等原则，系统储存的动能相等。FVT得电机轴的直线运动质量为：2()MMmJV总拖动质量为：2222112)V(J)V(J)V(JmmM总拖动质量m是电动汽车总质量加上旋转部分的折算值1.1.3电力拖动系统的运动方程对直线运动，运动方程为dVFFmdt对旋转运动，运动方程为dtdJ2(/)60nrads式中：G——重量（N）；g——重力加速度，g=9.81m/s2；D——惯性直径（m）；——惯性半径（m）的实用形式为dtdnGDTT3752gJGD42称为飞轮矩)(2mN两式中的三项都是有方向的)kgm(gGD)D(gGmJ222242dtdJ工程上，习惯使用工程单位：转速为n(r/min)，转动惯量用飞轮矩GD2(Nm2)。1.1.4速度控制的本质是对转矩的控制一、由运动方程式可知：dtdJ当T=Tl时，dΩ/dt=0，电力拖动系统处在匀速旋转（含静止不动）的稳态中。，当TTl时，dΩ/dt0，电力拖动系统处在加速（或反向减速）状态。当TTl时，dΩ/dt0，电力拖动系统处在减速（或反向加速）状态。二、电力拖动自动控制系统（调速系统）控制的目标是速度要想使系统稳定运行在某一个转速n1时，必须在n1转速下使T=Tl。若要使系统稳定在一个更高的转速时，则首先在原转速下使TTl，电机加速。当到达新转速后，再使T=Tl，则电机就在新的转速下稳定运行。三、重要结论：电动机速度控制的本质是对其输出转矩的控制。四、例，他励直流电动机调压调速的物理过程aeEknaaaaRIEUaTIk原状态：1111,,,,aaaUnEIT2222,,,,aaaUnEIT新状态：负载转矩Tl恒定1.2电力拖动系统的机械特性1.2.1机械特性1.机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即机械特性负载机械特性电动机机械特性()nfT()lnfT()nfT固有机械特性人为机械特性正向电动正向制动反向电动0T0n0n0n0T0TnT0反向制动0n0T2.运行状态：转速n、转矩T都有正、负值,要选定参考正方向。电动：转矩与转速的方向一致制动：转矩与转速的方向相反3.四象限运行：1.2.2负载的机械特性lT0Tn0Tn0Tn0Tn0TnlTlTlTlT)a)b)c)d)ea)反抗性b）位能性c）粘滞摩擦力d）流体阻力e）恒功率阻力例，实际风机的负载机械特性：0TnlT220nKll实际的机械装置则是多种性质的负载转矩的组合1.2.3电动机的固有机械特性0Tn0n0n正电压负电压0Tn0n0n正序电压负序电压0Tn0n0n正序电压负序电压)a)b)ca）他励直流电动机b）异步电动机e）同步电动机1.2.4电力拖动系统稳定运行条件条件1.电机机械特性曲线及负载机械特性曲线的交点0dtd条件2.且在交点处满足dnddnd0Tn0nlTAB稳定点不稳定点交点处满足，所以判别方法：1.3他励直流电动机的起动、调速与制动1.3.1他励直流电动机的人工机械特性02ajaTeeTaeTaaaaajRRUnTnTkkkEknTkIUEIRR他励直流电动机方程固有机械特性方程（额定参数时）人为机械特性固有机械特性)b)cN2121NnT00nlT1n3n2n)aaR3R2R1R321RRRRanT00nlT1n4n3n2n3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n1.3.2他励直流电动机的调速1．调速方法①电枢回路串电阻调速；②改变电枢端电压调速；③弱磁调速。分别改变则得到三组不同的人为机械特性曲线族,,,jaRU所允许的最大输出转矩1.3.2他励直流电动机的调速2．调速时的转矩与功率0Nn2mPf(n)恒转矩调速恒功率调速nmaxTf(n)1234NPNT2mPmaxT图1-11调速时转矩与功率曲线maxT所允许的最大输出功率mP2电机允许流过的最大电流受制于电机的散热条件，一般为额定电流IaN。自然冷却，自扇冷式，他扇冷式，水外冷，水内冷，蒸发冷却，超导，等不变下降不变与转速成正比在nnN的区域，磁通Φ不变，IaN不变，Tmax不变。称恒转矩调速区域。在nnN的区域，磁通Φ减小，…，Pmax不变。称恒功率调速区域。电机的冷却方式：1．调速方法1.3.3他励直流电动机的起动常用的起动方法有：2.降压起动3.电枢回路串电阻起动1C2C1jR2jRaRaEaU3CaI)aaRnT00nlT0)b21jjaRRR1jaRR1231I2IlIaIAt1t2t3t0)ct1t2t3tlI2I1In1n2n3n1n2n3naI1.直接全压起动只能用于小容量电机3naNU3U2U1U321UUUUaNnT00nlT1n2n4n图1-13分二级电阻起动的起动过程a）机械特性曲线b）转速变化曲线c）电流变化曲线1.3.4他励直流电动机的制动1．能耗制动a）原理电路图b）机械特性图制停过程（是一个动态过程）c）能量传递简图最终的稳态工作点：（1）反抗性负载，C点（2）位能性负载，D点制动最常用的地方有二：1.快速停车或快速降速2.限制（或控制）工作机械产生过高的速度直流电机制动方法有四：2．回馈制动（再生发电制动）)a)baEaUaITnfiM)caaIUP1lTP2aaCuRIp21n2n01nlT0Tn02nABCD1aU2aU12c）能量传递简图a）原理电路图b）机械特性图回馈制动实际中常常出现于：回馈制动发生条件：电机转速nn0，即电机反电势。aaUE位能性负载拖动电动机转动时，在调压调速中突然降低端电压以及弱磁调速中突然增加磁通时。突然降压产生回馈制动分析：动态制动电动3．反接制动4．倒拉反转制动ABCDl