第1章(电力拖动控制系统)-2013rev

电力拖动控制系统对象：电气2010级1-4班（76人)授课时间：2013.4.9-2013.6.22主讲教师：夏胜芬黄声华单位：电气学院电机及控制系电话：87542626-8212，13507138900节次：星期二3-4，星期四1-2教室：西12-S304，S307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5.教学安排•讲课:40学时,共11章，•实验:8学时2次：1.直流调速系统2.交流变频调速系统时间要排；地点：西二楼1楼电机实验室•作业:每周二交•考试：闭卷•成绩：平时20分（含作业、课堂、实验）＋考试80分＝100分第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、调速与制动学习目标与要求1．掌握电力拖动系统的构成。2．了解机械传动机构与工作机械的折算。3．掌握电力拖动系统的运动方程及明确速度控制的本质是对转矩的控制。4．掌握电动机及负载的机械特性，掌握电动机电动制动和四象限运行的概念。5．掌握电力拖动系统稳定运行条件。6．复习他励直流电动机的起动、调速，学习掌握他励直流电动机的制动。7．复习异步电动机的起动、调速，学习掌握异步电动机的制动。［学习重点］•速度控制的本质是对转矩的控制。•电动机四象限运行的概念。•电力拖动系统稳定运行条件。•他励直流电动机4种制动的方法及原理。•异步电动机5种制动的方法及原理。1.1.2机械传动机构与工作机械的折算转矩（力）、转速（速度）、转动惯量（质量）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）要折算的量：折算多轴系统单轴系统能量守恒简化！以获得一个运动方程！•折算后的结果（折算目的达到了！）：•无论是直线运动还是旋转运动，机械运动方程只有一个！！•复杂的机械问题简化了！对直线运动，运动方程为dVFFmdt对旋转运动，运动方程为dtdJ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）旋转运动方程的工程实用形式为：dtdnGDTT3752gJGD42称为飞轮矩)(2mN两式中的三项都有方向)kgm(gGD)D(gGmJ222242工程习惯：转速的单位为---n(r/min)，不用转动惯量J而用飞轮矩GD2(Nm2)。1.1.4速度控制的本质是对转矩的控制一、由运动方程式可知判断拖动系统的运动状态：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、由运动方程可以知道电力拖动自动控制系统如何才能调速！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。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：运动方程中反映了三个物理量T，Tl、转速n之间的关系。这三个物理量都有方向，有正负之分，选定参考正方向：TL与T参考正向相反。再有两个方程就能求解了！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）同步电动机把电机和负载机械特性曲线画在同一坐标平面，交点处满足，但这时系统一定能稳定运行吗？1.2.4电力拖动系统稳定运行条件稳定运行是对系统的最基本的要求；学会用机械特性来判断系统是否能稳定运行。条件1：电机机械特性曲线及负载机械特性曲线有交点是充要条件么？0dtd0Tn0nlTAB稳定点不稳定点讨论A点：∴A点是真正的大范围渐进稳定运行点若扰动使转速降低，这时，拖动系统加速，系统同样会回到A点运行。若系统受到扰动而使转速升高，这时，拖动系统减速，最终回到A点。讨论B点：0Tn0nlTAB所以B点不是真正的稳定运行点若扰动使转速降低，这时，拖动系统减速，系统同样会离开B点,直到停止运行。若系统受到扰动而使转速升高，这时，拖动系统升速，最终离开B点（到了A点）。条件2.且在交点处满足判别方法：条件1：电机机械特性及负载机械特性有交点（只是必要条件！）串电阻调速只能把速度由额定转速往低速方向调弱磁调速适合于升速2211aTaTICIC2112aaII212112ffIInn改变端电压调速转速一般只采用降压调速：一般情况下电机的绝缘不允许所加的电压高于额定电压3、三种调速方法的特点比较无级调速的概念与闭环自动控制系统节能概念：控制功率大小的概念：调压调速为直流电机的“主导调速方法”1.3.2他励直流电动机的调速所允许的最大输出转矩4．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。------安全运行边界！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：Q1：直流电机的三种调速方法在调速时最大转矩或最大功率是什么特点？Q2：异步电机或同步电机也有类似的问题么？1.3.2他励直流电动机的调速电动机的允许输出最大转矩和允许输出最大功率在不同方法调速时是不同的。（1）串电阻调速及降压调速时，允许最大输出转矩不变2maxmPTn最大功率constIKTaNemax最大容许输出转矩nfTm“恒转矩调速”1.3.4他励直流电动机的制动:T与N反向1．能耗制动a）原理电路图---方法或条件b）机械特性图—制动特性Q1：制停过程是一个动态过程？还是能稳定制动运行？c）能量传递简图—节能否？最终的稳态工作点：（1）反抗性负载，C点（2）位能性负载，D点制动最常用场合：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直流电机的电磁制动方法有四：2．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弱磁调速中突然增加磁通时以突然降压产生回馈制动为例分析：动态制动电动3．反接制动:0nnlTT0naRR反抗性负载的（电动）稳态运行点（位能性负载＝回馈）lTUa（－）＝Ea（＋）＋Ia（－）Ra，Ia反向，T方向反0njaRRRnlTT0naRR制动停车则应及时切断电源，否则电机反转反抗性负载的（电动）稳态运行点（位能性负载＝回馈）lT制动过程结束：BC为制动线条件：电枢电压反向串入Rj的目的？电机最终的稳态运行点制动停车用时切断电源方法制动停车过程为动态过程ABCB：稳态运行点0,0nT第四象限：“倒拉反转制动”R增大。Ia下降，TTl,能量传递简图－－同反接制动4．倒拉反转制动位能性负载（如吊车下放重物），电枢回路串较大的电阻以控制下放速度电机转矩小于负载转矩，电动机被负载拉成反转B：稳态运行点0,0nT第四象限：“倒拉反转制动”R增大。Ia下降，TTl,能量传递简图－－同反接制动条件：1)电枢正电压；2）位能性负载；3）电机反转；4）串电阻（非必要）负载转矩性质不同运行状态侧重点不同反接制动时,TL与T反号;倒拉反转制动,TL与T同号。倒拉反转制动是以稳态运行为主，反接制动是动态过程。倒拉反转制动与反接制动的关系各种运转状态之比较2．人工机械特性a)改变输入电压b)绕线式转子回路串电阻c)改变电源频率d)改变极对数1.4.2异步电动机的起动a)降压起动b)转子回路串电阻起动c)变频起动d)其它1.4.3异步电动机的调速a)调压调速b)转子回路串电阻调速c)定子回路串电抗调速)s(pf)s(nn1601101。变频调速2。变转差调速3。变极调速21122211212/2/mpUrsTfrrsxx1.4.4异步电动机的制动1．回馈制动lT)a1P2PpnT00nnnT002n01nlTAB12CD)b)ca)负载带动电机发电b)变频调速时的回馈制动d)能量传递简图发生条件：1）接交流电源2）回馈（发电）原理发生的场合：a)位能负载带动电机发电b)变频调速时降低变频器的输出频率c)变极调速时的回馈制动机械特性曲线图能量传递简图nT002n01nlTAB12CDc)变极调速时的回馈制动0nn2．能耗制动1)原理电路图2)制动的工作原理：方法原理3)机械特性曲线图4)能量传递简图2C2C1C1C1C~~MnT001nlTAB1201P2PCup原理电路图3．反接制动4．倒拉反转制动正序电压负序电压0Tn0n0nABClTnT00nlT2rjrr2jrr2ABn1232C2CM1C1C1C~~2CCR5．阻容制动原理电路图制动的工作原理作业：P.241-11，1-12，1-13，1-14，1-15•课堂：p.23•1-1,1-2,1-3,1-4•1-5．他励直流电动机在倒拉反转制动时，电动机的工作状态是，在反接制动时，电动机的工作状态是。•a)稳态运行状态；b)动态运行过程。•1-6．异步电动机在采用“能耗制动”时，其主要方法是。•a）转子回路串电阻；b)定子回路串电阻；•c)把定子回路从电源断开，接制动电阻；d)定子回路通直流电流。