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电气传动及控制基础廖晓钟廖晓钟第1章 电气传动基础 1.1 1.1 电气传动的动力学基础电气传动的动力学基础 1.2 1.2 直流他励电动机的机械特性及运行方法直流他励电动机的机械特性及运行方法1.3 1.3 异步电动机的机械特性及运行方法异步电动机的机械特性及运行方法1.1 电气传动的动力学基础1.1.1 1.1.1 基本运动方程式基本运动方程式 1.1.2 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算转矩、飞轮矩的折算1.1.3 1.1.3 电动机的机械特性和负载转矩特性电动机的机械特性和负载转矩特性1.1.1 基本运动方程式（1.1）图1.1 电气传动系统 如图1.1所示, 电动机带动工作机械的电气传动系统的运动规律取决于电机的输出转矩TM 和负载转矩 TL 之间的关系, 并符合刚体旋转的运动定律 ,即式(1.1)1.1.1 基本运动方程式（1.2）省略空载转矩时，旋转运动方程式如(1.2)所示.Te电动机的电磁转矩(N*m)TL负载转矩(N*m)J拖动系统折算到电动机轴上的总转动惯量(kg*m) 电动机的角速度(rad/s)（1.4）1.1.1 基本运动方程式当转动惯量为常数时，式（1.2）可以简化为（1.3） 工程计算中，往往不用转动惯量J，而用飞 ， 两者之间的关系如式（1.4）1.1.1 基本运动方程式当TeTL 时，d /d 0，系统加速当Te TL 时，d /d 0，系统减速当Te TL 时，系统处于加速或减速运动状态（动态）当Te = TL 时，系统以恒速运动，即稳态运动。稳态时，电动机的电磁转矩大小由工作机械即电动机的负载转矩所决定。（1.5）式（1.2）的实用表达式如式（1.5）所示1.1.1 基本运动方程式 规定转矩的正方向规定转矩的正方向 电动机电磁转矩的方向与所设定电动机旋转的正方向相同时为正，相反时为负。 负载转矩与所设定电动机旋转的正方向相同时为负，相反时为正。图1.2 轴端图 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算 实际的电气传动系统中,在电机与工作机械之间往往要经过齿轮减速箱、皮带、联轴结等 ，这就是常见的多轴传动，如图1.3所示。图1.3 多轴传动系统(a)双轴传动系统;(b)起重传动系统 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算 按照能量守恒，折算到电机轴上的负载功率应等于工作机械的负载功率加上传动机构中的损耗，则：1 1转矩的折算转矩的折算 两种运动负载折算到电机轴上的转矩为 （用于直线运动负载） （用于旋转运动负载）式中 传动效率， 1 主动轴与从动轴的转速比， 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算 2 2飞轮矩的折算（旋转负载飞轮矩的折算（旋转负载） 按照能量守恒 等效转动惯量和飞轮矩为（1.6）（1.7）（1.8） 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算3.3.飞轮矩的折算（直线负载飞轮矩的折算（直线负载） 按照能量守恒等效转动惯量和飞轮矩为（1.9）（1.10）（1.11）1 1电动机机械特性电动机机械特性 电动机的机械特性是指电动机的转速 和电磁转矩 之间的关系，表示为 = 。 图1.4 电机的机械特性1.1.3电动机的机械特性和负载转矩特性 2 2负载转矩特性负载转矩特性 工作机械的负载转矩 与转速 的关系 = 即为负载转矩特性。 （1 1）恒转矩负载特性）恒转矩负载特性 图1.5 恒转矩负载转矩特性（a）反抗性 （b）位能性1.1.3电动机的机械特性和负载转矩特性（2 2）通风机负载特性（曲线）通风机负载特性（曲线1 1） （3 3）恒功率负载转矩特性（曲线）恒功率负载转矩特性（曲线2 2）图1.6 通风机和恒功率负载转矩特性1.1.3电动机的机械特性和负载转矩特性 3 3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 分析电气传动的运行 问题可以将电动机的 机械特性和工作机械 的负载转矩特性画在 同一个坐标图上。 图1.7 机械特性与负载特性的配合1.1.3电动机的机械特性和负载转矩特性电气传动系统稳定运行条件电气传动系统稳定运行条件 特性 和特性 有交点，并且在该交点对应的转速之上保证 ，而在该交点对应的转速之下则要求 。1.1.3电动机的机械特性和负载转矩特性图1.8 机械特性与负载特性配合的两种情况（a）稳定 （b）不稳定1.1.3电动机的机械特性和负载转矩特性电气传动系统稳定运行条件电气传动系统稳定运行条件 1.2 直流他励电动机的机械特性及运行方法 1.2.1 1.2.1 直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性 1.2.2 1.2.2 直流他励电动机的调速直流他励电动机的调速 1.2.3 1.2.3 直流他励电动机的启动直流他励电动机的启动 1.2.4 1.2.4 直流他励电动机的制动直流他励电动机的制动 1.2.5 1.2.5 直流他励电动机的动态特性直流他励电动机的动态特性1.2.1 直流他励电动机的机械特性直流电动机按励磁方式分类 图1.9 直流电机按励磁方式分类（a）他励式（b）并励式（c）串励式（d）复励式 1.2.2 直流他励电动机的调速 1 1调速的性能指标调速的性能指标 (1) 静差率 电动机运行在某一机械特性上时，额定负载下转速降 与理想空载转速 之比，称为静差率，常用百分数表示 (2) 调速范围 调速范围指工作机械要求的最高转速 和最低转速 之比 （1.12）（1.13） 1.2.2 直流他励电动机的调速调速范围和静差率的关系调速范围和静差率的关系调速系统最低速时的静差率为因为所以（1.14）（1.15）（1.16） 1.2.2 直流他励电动机的调速（3 3）调速的平滑性调速的平滑性 通常用两个相邻调速级的转速比来衡量。在一定调速范围内，调速级数越多，则平滑性越好；当调速级数达无穷多时，称为无级调速，即转速连续可调。2 2调速方法调速方法（1.17） 1.2.2 直流他励电动机的调速图1.10 三种调速方法的机械特性（a）调节电枢电压U （b）调节励磁磁通 （c）调节电枢附加电阻1.2.3 直流他励电动机的启动直流他励电动机启动时应该先建立磁场，再加电枢电压。1 1. .电枢串电阻启动电枢串电阻启动 2 2. .降压启动降压启动3.3.启动速度和平稳性启动速度和平稳性 图1.11 电枢串电阻启动 1.2.4 直流他励电动机的制动 制动运行状态制动运行状态： 电磁转矩与转速方向相反 回馈制动 能耗制动 反接制动1 1回馈制动回馈制动图1.12 回馈制动特性 1.2.4 直流他励电动机的制动 2 2能耗制动能耗制动 图1.13 电阻能耗制动（a)线路；（b)机械特性 1.2.4 直流他励电动机的制动 3 3反接制动（电源反接）反接制动（电源反接） 图1.14 电源反接的反接制动（a)线路；（b)机械特性 1.2.4 直流他励电动机的制动 3 3反接制动（转速反向反接制动（转速反向） 图1.15 转速反向的反接制动（a)线路；（b)机械特性 1.2.4 直流他励电动机的制动 电动机运行状态总结电动机运行状态总结：1.电动机有电动和制动两种 运行状态，它们的机械特 性可用统一形式的方程式 表示。2.可在 - 平面的四个象限内画出各种运行状态对应的机械特性 。图1.17 电机运行状态（1.18） 1.2.4 直流他励电动机的制动 例1.21.思路2.注意的问题： 机械特性 负载转矩 转速的正和负 电动和制动 图1.18 转速特性（1.19） 1.2.4 直流他励电动机的制动 1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性 1 1直流他励电动机的传动系统直流他励电动机的传动系统 动态特性的数学分析 过渡过程 动态特性1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性 1 1直流他励电动机的传动系统动态特性的数学分析直流他励电动机的传动系统动态特性的数学分析（1.20）（1.21）（1.22）（1.23） 描绘出系统动态特性的三要素： 初始值、稳态值和系统的机电时间常数（1.24）（1.25）（1.26）1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性2 2直流他励电动机启动动态特性直流他励电动机启动动态特性图1.19 启动时的动态特性（a)机械特性；(b)Te(t)曲线；(c)n(t)曲线1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性3 3直流他励电动机制动动态特性直流他励电动机制动动态特性 能耗制动 电源反接制动 （位能负载） 电源反接制动 （反抗性负载）1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性图1.20 能耗制动机械特性和动态特性（a)机械特性；(b)Te(t)曲线；(c)n(t)曲线 能耗制动能耗制动1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性 电源反接制动（位能负载） 图1.21 位能性负载反接制动特性（a)机械特性；(b)n(t)曲线；(c)I(t)曲线1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性 电源反接制动电源反接制动 （反抗性负载）（反抗性负载） 图1.22 反抗性负载反接制动特性（a)机械特性；(b)n(t)曲线；(c)I(t)曲线1.2.5 直流他励电动机传动的动态特性1.3 异步电动机的机械特性及运行方法1.3.1 异步电动机的机械特性1.3.2 异步电动机的调速1.3.3 异步电动机的启动1.3.4 异步电动机的制动1.3.1 异步电动机的机械特性机械特性推导机械特性推导同步角速度 转差率电磁功率 转子电流则电磁转矩（1.27）（1.28）（1.29）（1.30） （1.31）图1.23 异步电机等值电路和相量图（a)等值电路；(b)相量图1.3.1 异步电动机的机械特性1.3.1 异步电动机的机械特性机械特性分析最大转矩时的临界转差率为 最大电磁转矩为 图1.24 异步电机机械特性（1.32）（1.33）（1.34）1.3.2 异步电动机的调速根据转差率的定义 异步调速方法图1.25 异步电机调速方式变转差率变极对数（笼型转子）变频交-交变频交-直-交变频调定子电压调转子电路电阻（绕线转子）串级调速（绕线转子）而1 1改变定子电压调速改变定子电压调速图1.26 改变定子电压调速(a)线路；(b)机械特性1.3.2 异步电动机的调速1 1改变定子电压调速改变定子电压调速图1.27 高转子电阻电机在不同电压下的机械特性1.3.2 异步电动机的调速2 2改变转子电路电阻调速改变转子电路电阻调速图1.28 改变转子电阻调速(a)线路；(b)机械特性1.3.2 异步电动机的调速3 3变极调速变极调速图1.29 变极调速时的机械特性1.3.2 异步电动机的调速4 4变频调速变频调速图1.30 变频调速时的特性(a)机械特性；（b)保持Tem为常数的Us-fs关系1.3.2 异步电动机的调速1.3.3 异步电动机的启动1 1. .降压启动降压启动 定子回路串电阻或电抗器启动 调压器启动 Y-启动 转子串附加电阻2 2. .升频启动升频启动 图1.31 转子串电阻启动(a)线路；(b)启动特性1.3.4 异步电动机的制动1再生制动 2反接制动3直流能耗制动1 1再生制动再生制动图1.32 异步电机的再生制动1.3.4 异步电动机的制动2 2反接制动反接制动 定子三相电源中的任意两根电源线对调，使旋转磁场反向,图中（1）曲线表示。 在转子电路中串接附加电阻,图中（2）曲线表示。图1.33 异步电机的反接制动1.3.4 异步电动机的制动3 3直流能耗制动直流能耗制动图1.34 异步电机的直流制动（a)线路；(b)制动特性1.3.4 异步电动机的制动复习思考题复习思考题1 11.什么叫制动状态? 什么叫电动状态? 2.电气传动系统稳定运行时电磁转矩的值由什么决定？3.如何判断电气传动系统是否能稳定运行？4.电气传动系统的动态特性由哪三要素决定？写出动态方程式，写出制动过程转速随时间变化的动态特性方程式。复习思考题复习思考题2 25.他励直流电机额定参数为220V、40A、1000r/min，电枢电阻Ra=0.5。电动机带反抗性恒转矩负载，负载为额定负载。电动机原来以1000r/min运行，现在要求在300r/min的速度稳定运行，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 如果负载为50%额定负载，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 如果要求在500r/min的速度稳定运行，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。 如果要求在500r/min的速度稳速下降运行，分别求出不同实现方法及其机械特性的表达式。