电机控制技术绪论.pptx

电机控制电机控制Chp1，P1本课程的主要内容本课程的主要内容1.1.电动机原理及特性电动机原理及特性 （2020学时）学时）直流电动机原理及特性、启动、调速直流电动机原理及特性、启动、调速交流电动机原理、运行交流电动机原理、运行、启动、调速、启动、调速2.直流传动控制系统直流传动控制系统（8 8学时）学时）单闭环调速系统单闭环调速系统多环调速系统多环调速系统3.交流电机拖动控制系统交流电机拖动控制系统（8 8学时学时）交流电机闭环调速系统交流电机闭环调速系统串级调速、矢量控制串级调速、矢量控制3.电动机智能控制及节能（电动机智能控制及节能（10学时）学时）实验：16学时控制策略仿真第1页/共48页电机控制电机控制Chp1，P2本课程的主要参考书n邱阿瑞，电机与拖动基础，电子工业出版社，2001年n顾绳谷，电机及拖动基础，机械工业出版社n陈伯时，电气传动自动控制系统，机械工业出版社，2003年第2页/共48页电机控制电机控制Chp1，P3什么是拖动？n气体拖动q汽缸、气阀、气体管路、气源；q特点：干净、力矩较小、噪音小q应用：食品、药品、包装行业n液体拖动q液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达；q特点：力矩大，有油污q应用：轮船、大型压机n电力拖动q电机、电缆、电源、q特点：传送距离更远、调速性能更好q国民经济各行各业第3页/共48页电机控制电机控制Chp1，P4什么是电力拖动？第4页/共48页电机控制电机控制Chp1，P5第5页/共48页电机控制电机控制Chp1，P6第6页/共48页电机控制电机控制Chp1，P7第7页/共48页电机控制电机控制Chp1，P8第8页/共48页电机控制电机控制Chp1，P9第9页/共48页电机控制电机控制Chp1，P10第10页/共48页电机控制电机控制Chp1，P11电力拖动系统的组成电动机控制设备传动机构生产机械 电 源第11页/共48页电机控制电机控制Chp1，P12电机的分类变压器旋转电机直流电机伺服电动机、步进电动机、测速发电机回转变压器、自整角机、直线电动机电力变压器：升压、降压特种变压器：自耦、互感器动力电机微特电机感应电机同步电机交流电机静止电机感应电动机感应发电机直流电动机直流发电机同步电动机同步发电机第12页/共48页电机控制电机控制Chp1，P13电力拖动的类型电力拖动的类型n成组拖动成组拖动q由一台电动机通过一根长轴(俗称“天轴”)拖动全车间的一组生产机械。q从电动机到各个生产机械的能量传递以及在各生产机械之间的能量分配完全用机械方法，靠天轴及机械传动系统来实现。q电动机远离生产机械，车间里有大量的天轴、长皮带和皮带轮等。能量传递过程中的损耗大，效率低，灰尘大，劳动条件与卫生条件很差，而且不安全，易出事故。第13页/共48页电机控制电机控制Chp1，P14n单机拖动：单电动机拖动单机拖动：单电动机拖动q由一台电动机单独拖动一台生产机械。这样，电动机与生产机械在结构上配合密切，可以用电气方法调节每台生产机械的转速，从而进一步简化机械结构，提高生产效率，而且易于实现生产机械运转的全部自动化。q但是，一台生产机械往往又具有几个不同的运动。例如，车床，就有刀架的横向移动，纵向移动和主轴的转动。q单电动机拖动方式不便于各种运动的分别调节，而且使传动机构复杂化。第14页/共48页电机控制电机控制Chp1，P15n多机拖动：多电动机拖动多机拖动：多电动机拖动q由多台电动机分别拖动一台生产机械的各个运动部分。即每一个执行机构用单独的电动机拖动。q这样，生产机械的机械结构大为简化，克服了单机拖动的缺点。第15页/共48页电机控制电机控制Chp1，P16电力拖动的发展概况n交、直流两大电力拖动系统。在电力拖动系统发展史上，一直是二者互为补充、相辅相成、交替发展。(十九世纪三十年代有了直流电，十九世纪末出现交流电)n直流电力拖动系统具有较好的技术性能，如起动性能和调速性能很好。因此，直流拖动在对起动、制动、正反转、调速等有较高要求的场合应用得很广泛。n直流电动机结构复杂、价格较贵、维护困难，安装环境有一定限制(不能用于恶劣环境，如有爆炸气体及尘埃的场合)。使得直流拖动在很多场合受到限制。而交流电动机在以上几方面都优于直流电动机，并且考虑到电能的产生及输送多为交流电能，所以交流电力拖动系统收到人们的重视。第16页/共48页电机控制电机控制Chp1，P17为什么学习本课程？n电机的广泛应用；q见上面的例子n生产加工工艺指标要求对电机进行控制；q例如：轧钢、造纸、机床等n多门知识的综合运用第17页/共48页电机控制电机控制Chp1，P18本课程与其他课程的关系n本课程是自动化、电气工程专业的专业基础课n先修课程：物理学、电路、电机学、自动控制理论、电力电子技术；第18页/共48页电机控制电机控制Chp1，P19课程特点n“电气传动自动控制系统”是历来学生感到难学、怕学的课程，因为因其涉及到电、磁、机、控制系统等多方面的理论和相关知识，也是电类学生首次接触到的一门理论、实际紧密结合的课程。n在学习本课程时，一方面从态度上应从认识电机的重要性出发，提高学习的兴趣，从而能知难而进。另一方面，从方法上，应逐步和尽快适应和掌握其特点和学习方法。第19页/共48页电机控制电机控制Chp1，P20课程学习任务n掌握常用交直流电机的基本理论n掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论n掌握电力拖动系统中电动机各种调速方法的基本原理n掌握直流电动机单闭环、多环调速系统的设计方法，电机与电力拖动系统的基本实验方法与技能，并具有熟练的运算能力n掌握交流电动机的调速方法及双环调速系统的设计方法第20页/共48页电机控制电机控制Chp1，P21第一章第一章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础n在工农业生产中，各种生产机械一般都以电动机为动力，来完成对物体的加工、输送、压缩与分离等各项工作。这种以电动机为动力来拖动各种生产机械的工作方式，称为电力拖动(或电气传动)。n电力拖动系统一般由电动机、控制设备、传动机构、生产机械和电源组成，如图所示。第21页/共48页电机控制电机控制Chp1，P22电力拖动系统基本分类n电动机通常是根据生产机械的工作要求来选用，主要有q直流电动机q异步电动机q同步电动机n直流电动机为动力的拖动系统称为直流电力拖动系统，简称直流拖动系统n交流电动机为动力的拖动系统称为交流电力拖动系统，简称交流拖动系统。第22页/共48页电机控制电机控制Chp1，P23单轴电力拖动系统 n电磁转矩T的正方向与转速n(rad/s)的正方向相同n负载转矩TL的正方向与转速n的正方向相反。第23页/共48页电机控制电机控制Chp1，P24电力拖动系统的基本运动方程运动方程 p4n采用牛顿第二定律（旋转运动）nJ为转动惯量第24页/共48页电机控制电机控制Chp1，P25动态转矩与惯性转矩动态转矩与惯性转矩 n当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于恒速运行的稳定状态(或静止)；n当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于加速运行的过渡过程；n当TTL时，即速度导数0，电力拖动系统处于减速运行的过渡过程。第25页/共48页电机控制电机控制Chp1，P26电力拖动系统做直线运动时 第26页/共48页电机控制电机控制Chp1，P27电力拖动系统运动分析电力拖动系统运动分析 n电动机的转矩电动机的转矩已知电动机的轴上(输出)功率，可以计算出电动机的转矩：P电动机的轴上(输出)功率，单位为瓦特(W)若电动机功率的单位是千瓦(kW)，则第27页/共48页电机控制电机控制Chp1，P28电机转矩方向的规定n电机产生与正向旋转一致的转矩为正，当电机作为电动机工作时，产生正转矩，带动生产机械工作；n电机在制动状态工作时，产生负转矩，它与系统转向相反，起制动作用。第28页/共48页电机控制电机控制Chp1，P29负载转矩负载转矩 n负载转矩的符号，生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系TL=f(n)，称为负载的转矩特性。负载的转矩特性可以归纳为以下三种典型类型：考虑到运动方程式中，TL前已有负号，所以取：负载转矩与运动正方向相反的为正，负载转矩与运动正方向相同的为负。第29页/共48页电机控制电机控制Chp1，P301.恒转矩负载的转矩特性恒转矩负载的转矩特性 n恒转矩负载的转矩特性，就是指负载转矩TL与转速n无关，即当转速n变化时，负载转矩TL保持常值不变(|TL|=const)。恒转矩负载有以下两类：(1)反抗性恒转矩负载 负载转矩的绝对值大小是恒定不变的，且方向与运动方向相反，即：n0时，TL0(常数)；n0时，TL0(也是常数)，且TL的绝对值相等。（2)位能性恒转矩负载 其特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，而且方向不变，当n0时，TL0，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩；当n0时，TL0，是帮助运动的拖动性转矩。第30页/共48页电机控制电机控制Chp1，P31恒转矩负载的转矩特性 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载第31页/共48页电机控制电机控制Chp1，P322.通风机负载的转矩特性通风机负载的转矩特性 n通风机、水泵、油泵和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即TLn2。第32页/共48页电机控制电机控制Chp1，P333.恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性 n恒功率负载的转矩特性，是指负载的转速与转矩的乘积为常数，即负载的机械功率 P=TLL=TL2nL/60=常数。n实际上负载转矩与转速称反比，TL1/n。第33页/共48页电机控制电机控制Chp1，P34n恒转矩负载、通风机负载以及恒功率负载都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载形式，实际的负载可能是以某种典型为主或几种典型的结合。n例如，实际的通风机主要是通风机负载特性，但是其轴承摩擦又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。第34页/共48页电机控制电机控制Chp1，P35电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 n电电动动机机的电电磁磁转转矩矩与转转速速之间的关系n=f(T)称为机械特性。n不同的电动机有不同性质的机械特性，可以用数学表达式表示，也可以画成机械特性曲线。分析电力传动系统的稳定运行问题时，认为电动机的机械特性已知。第35页/共48页电机控制电机控制Chp1，P36稳定条件n为使电力拖动系统正常工作，系统必须是稳定的。所谓稳稳定定，是指系统受到干扰后(如负载变化，或电压、电阻等电气参量变化)，有回到稳定平衡状态的能力。n从电力拖动系统的运动方程式可知，系统稳定运行即恒速不变的必要条件是动态转矩为零动态转矩为零。第36页/共48页电机控制电机控制Chp1，P37工作点n把电动机的机械特性与负载转矩特性画在同一坐标平面上。两条特性的交点，称为工作点。n系统受到干扰后，若能回到原来工作点上继续稳定运行，则该工作点为稳定工作点。否则，为不稳定的工作点。n电力传动系统在电动机的机械特性与负载转矩特性的交点上，并不一定都能稳定运行，也就是说，TTL仅仅是系统稳定运行的必要条件，而不是充分条件。n系统要想稳定运行，还需要电动机与负载的两条特性在交点TTL处配合得好。第37页/共48页电机控制电机控制Chp1，P38稳定运行的充要条件n对于一个电力拖动系统，稳定运行的充分必要稳定运行的充分必要条件条件是第38页/共48页电机控制电机控制Chp1，P39多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 n实际的电力拖动系统，大多数电动机是通过传传动机构动机构与工作机构相连，而不是直接联接的。n由于许多工作机构为完成工艺过程需要较低的速度，而电动机为提高其经济技术指标做成高速的，因此，在电动机轴与工作机械轴之间加入了减速装置减速装置。第39页/共48页电机控制电机控制Chp1，P40n它由电动机、齿轮减速机构和卷筒等组成，其中齿轮为二级减速机构，其速比为j1，j2，传动效率为1，2。这个系统中有三根转速不同的转轴，其转速分别为n，nb和nf。三根轴上的转矩、飞轮惯量也都不一样。n分析该三轴系统时，应分别对每一根转轴列写出它的转动方程式，三个转动方程式联立求解，便可得出系统的运行状态运行状态。第40页/共48页电机控制电机控制Chp1，P41折算的目的n对于多轴电力传动系统，上述方法是相当麻烦的。为了简化多轴系统的分析和计算，通常把负载转矩和系统飞轮惯量等折算到电动机轴上来，变多轴系统为等效的单轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的结果完全一样。第41页/共48页电机控制电机控制Chp1，P42转矩的折算转矩的折算 n把作用在卷筒上的转矩Tf折算到电动机轴上，应该使折算前后的功率保持不变。在折算中用效率来考虑传动机构中的损耗，第42页/共48页电机控制电机控制Chp1，P43力的折算力的折算 n把直线运动的力F直接折算为旋转运动的转矩。根据两种运动形式功率相等的原则，电梯的传动机构自锁电梯的传动机构自锁作用如何实现？作用如何实现？第43页/共48页电机控制电机控制Chp1，P44转动惯量和飞轮矩的折算转动惯量和飞轮矩的折算 n为把多轴电力传动系统简化为单轴系统，需要把各轴上的转动惯量折算到电动机轴上。折算时应该使折算前后系统贮存的动能保持不变。M第44页/共48页电机控制电机控制Chp1，P45n一般地说，传动机构各轴以及工作机构轴的转速要比电动机轴的转速低，转动惯量的折算与转速平方成反比，因此尽管可能有很多根轴，但它们的转动惯量折算到电动机轴上后数值不大，是系统的次要部分。n电动机转子本身的转动惯量，是系统转动惯量的主要部分。第45页/共48页电机控制电机控制Chp1，P46质量的折算质量的折算 n有时需要把直线运动的质量折算到旋转运动的飞轮惯量，根据能量不变能量不变原则第46页/共48页电机控制电机控制Chp1，P47n例例在起重机传动系统中(如前图)，电动机的转速n=980r/min，GD2M=70Nm2，卷筒转速n=70r/min，GD2=3000Nm2，重 物 质 量 m=500kg，提 升 速 度v=1.5m/s，卷筒至电动机轴的传动效率=0.8，减速器的飞轮惯量和钢绳质量忽略不计。试求：n(1)重物的作用力折算到电动机轴上的转矩；n(2)电动机轴上的总飞轮惯量。第47页/共48页电机控制电机控制Chp1，P48第48页/共48页