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1、电机与电力拖动控制系统,主要内容,直流电机与拖动、控制 交流电机与拖动、控制,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。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。电机是利用电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置，从能量转换的角度看，电机可分为发电机、电动机和变压器三大类。在电能的生产过程中，发电机将机械能转换成电能；在电能的传输过程中，变压器是主要的传输设备；在电能的使用中，电动机将电能转换成机械能。,一、电机的发展及应用,1 电机及电力拖动系统概述,绪 论,大型化。单
2、机容量越来越大，如60万千瓦及以上的汽轮发电机。 微型化。为适应设备小型化的要求，电机的体积越来越小，重量越来越轻。 新原理、新工艺、新材料电机不断出现，如无刷直流电机、直线电机、超声波电机等。,电机的发展主要有三种趋势,电力拖动又称为电气传动，是用电动机作为原动机拖动各种生产机械的工作机构运动，以满足各种生产工艺的要求，完成一定的生产任务。电力拖动系统的发展，从最初成组拖动，经过单电机拖动，发展到现代拖动的基本形式多电机拖动。在现代的电力拖动中都是采用多电机拖动。,二、 电力拖动系统的组成,（1）电力拖动现已取代了其它拖动形式，成为主要的拖动形式。这是因为电动机与其它原动机相比有许多优点，比
3、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。因此，目前绝大多数的生产机械都采用电力拖动。而且，电力拖动的方式也几乎全部是单机或多机拖动。,三、电力拖动的现状与发展趋势,（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。,电力拖动的现状概括为两点：,（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
4、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。,随着现代电力电子技术、自动化技术和计算机技术的发展，电力拖动的发展趋势：,2 交直流调速控制系统概述,一、 交直流调速控制系统组成,调速控制是通过对电动机的控制，使工作机械按照给定的运动规律运行的装置，其任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的需要。,二、 直流调速技术概况,晶闸管供电的直流调速系统具有良好的技术
5、经济指标，目前国内多数大容量调速系统还是沿用晶闸管电动机传动结构，由于晶闸管存在着控制的非线性及较低功率因数等缺点，难于实现高精度、宽范围的调速控制。 随着GTO晶闸管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的出现，利用这些器件，简化了电路的结构，提高了功率和工作效率，降低了电路噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或脉冲宽度调制型（PWM）变流器所代替，明显地扩大了电动机传动系统的调速范围，提高了工作效率调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。,用直流电动机作为原动机的传动方式称为直流调速，由于直流调速系统具有良好的起制动、
6、正反转及调速等性能，目前在传动领域中仍占有主要地位。,从根本上说，由于直流电动机电枢和磁场能独立进行激励控制，而且转速和输出转矩的描述是对可控电压（或电流）激励的线性函数，因此，容易实现各种直流电动机的调速控制，也容易实现对控制目标的“最佳化”，这也是直流电动机曾长期主导调速领域的原因。,3. 交流调速技术概况,直流电动机的限制：由于直流电动机存在机械换向问题，其最大供电电源受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构的影响使其不适合腐蚀性、易爆性和含尘气体的特殊场合。,交流电动机的优点：它体积小、重量轻、没有电刷和换向器、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、易于维修。,交流调速的发
7、展： 由于长期以来一直没有理想的调速方案，只能应用于恒速拖动领域。随着晶闸管等功率器件的出现使交流电动机的调速的发展出现了一个飞跃，使得采用半导体变流技术的交流调速得以实现。由于交流电动机调速系统的控制比较复杂和调速性能差、装置价格高、效率低，使交流调速未能推广。自从微处理器出现后，在绕线转子异步电动机串级、无换向器电动机调速、PWM技术、笼型异步电动机的矢量控制、直接转矩控制等方面，都已获得重大突破与发展，进入应用阶段，并广泛应用于工业生产和交通运输部门。,目前由于大功率半导体器件、大规模集成电路的发展，交流电动机调速系统已具备了较宽的调速范围、较高的调速精度、较快的动态响应、较高的工作效率
8、以及可以四象限运行等优异性能，其动静态特性均可以与直流电动机调速系统相媲美。可以说，交流调速逐步取代直流调速已成为明显的发展趋势。特别是“节能型”交流调速技术，已得到很快发展，在过去大量应用所谓的不变速拖动系统中，有相当一部分是风机、水泵等拖动系统，这类负载约占工业电力拖动总量的一半。其中有些并不是真的不需要变速，只是由于过去的交流电动机不能调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗掉大量的电能。如果采用交流电动机调速来改变风量或流量，效率将会大大提高。 从各方面看，改造恒速电动机为交流调速电动机，每台约节能20%以上，总体的节能效益是很可观的，目前交流调速系统已占据了主导地位。,交
9、流化。由于交流电机本身的优势，随着交流调速技术的提高和成本的降低，不仅现有的直流调速将被交流调速取代，而且大量的原来恒速运行的交流传动系统将改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域也将采用交流调速。,四、电力拖动控制系统的发展趋势,随着电力电子技术的进步，微机控制技术、传感器技术、微电子技术的发展应用，新型控制策略出现，使电动机控制、电气传动发展到了新的阶段。电机运动控制系统的发展趋势：,高频化。在功率驱动装置中，低频的半控器件在中小功率范围将被高频的全控型电力电子器件取代，变换技术由相位控制转变成脉宽调制，这样既可以提高系统性能，又可以改善电网的功率因数。,数字化网络化。
10、微处理器的发展，使数字控制器简单又灵活，模拟电子控制基本上让位于计算机数字控制，计算机仿真与辅助设计逐步溶入运动控制系统的性能分析与设计中。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统，这就需要计算机网络的支持，传动设备和控制器作为一个节点联到现场总线或工业控制网上，实现集中的或分散的生产过程实时监控。,智能化。借助于数字和网络技术，智能控制已经深入到电机运动控制系统的各个方面，例如：模糊控制、神经网络控制、解耦控制等，各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为其走向复杂的多层的网络控制提供了可
11、能。运动控制正由简单的单机控制系统走向多机多种控制工程协调的系统集成控制。,3 教材内容与课程性质,课程性质：“电机与电力拖动控制系统”是把电机学和电力拖动基础、运动控制系统这三门课程有机结合的一门课程。是工业电气自动化专业和非电机专业最主要的技术基础理论课。,课程要求： 分析电动机的机械特性及运转状态的基本理论； 掌握拖动系统中电动机的调速控制方法和技术经济指标； 掌握选择电动机的原则和方法。,主要内容： 直流电机、拖动及控制系统； 三相异步电动机、拖动及控制系统； 拖动系统电动机的选择等。,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、
12、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。,第1章 直流电机,电机是电动机和发电机的统称，是一种实现机电能量变换的电磁装置。电动机：电能 机械能 发电机：机械能 电能 这种能量变换是可逆的，即从工作原理说，任何一台旋转电机既可以作电动机又可以作发电机。 电机分直流电机和交流电机两大类。 直流电动机有良好的起动性能和调速性能，广泛的应用于电力牵引、轧钢机、起重设备及要求调速广泛的切削机床。 直流发电机则作为各种直流电源使用。,1.1 直流电机的工作原理与结构,1 直流发动机基本工作原理,如果电刷B1、B2不是固定在空间，而是随着电枢一起
13、转动，即电刷B1始终和换向片1接触，电刷B2始终和换向片2接触，那么电刷间的电动势就不可能是直流，而是成为交流了。这说明，直流电机电枢绕组所感应的电动势是交流的，通过换向器配合电刷的作用，才把交流电动势“换向”为直流电动势，所以人们常把这类电机称为直流换向器电机。,1.1.1 直流电机的工作原理,2、直流电动机的工作原理,从上述直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。这种一台电机既能作电动机又能作发电机运
14、行的原理，在电机理论中称为电机的可逆原理。,3. 直流电机的可逆性,小结: 对直流电机而言,其电枢线圈内的电流是交变的,但产生的电磁转 矩或输出的电枢电压却是单方向的,其主要原因是设置了换向器.,直流发电机原理模型,直流电动机的优点:,(1)调速范围广,且易于平滑调速; (2)过载,起动,制动转矩大; (3)易于控制,可靠性高; (4)调速时的能量损耗较小.,1.1.2 直流电机的基本结构,作用：产生磁场；机械支撑。,转动部分（转子）,静止部分（定子）,气隙,主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置,电枢,电枢铁心,电枢绕组,感应电动势实现能量转换,换向器：改善换向,转轴、风扇,直流电机的结
15、构图,（1）主磁极,在主磁极上固定励磁绕组，产生磁场并使电枢表面的气隙磁密按一定形状在空间分布。 主磁极是由11.5mm的低碳钢板叠成。,（一）定子部分,指磁路中的静止部分及其机械支撑，包括机座，磁轭，主磁极，换向器等。,（2）换向极（附加极）,一般用于1千瓦的直流电机中，位置在两主极之间，帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。 用钢片绝缘后叠装而成。 换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，且与电枢绕组相串联。,换向极构造,主磁极和换向极,（3）机座和磁轭,整体磁轭 既是机座（机械支撑），又是磁极间的磁通的通路。 有好的导磁性能，一般用铸钢，且有一定的导磁截面积，在机械强度和刚度上大有富余。,叠片（磁轭）
16、机座 磁轭用几毫米厚的薄钢板叠成，钢板间涂漆，相互绝缘。整个磁轭固定在机座上，机械支撑与磁轭的导磁作用分开。 机座可用铸铁；微电机可用铸铝；大型电机用钢板焊成。 减少了涡流效应，适用于调速要求高的电机。,(二) 转子部分,包括电枢铁心，电枢绕组，换向器，风扇，转轴和轴承。,(1)电枢铁心,通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成,片间用绝缘漆以减少损耗(涡流和磁滞损耗),(2)电枢绕组,用带绝缘的铜导线绕成一个一个的线圈元件，嵌放在电枢铁心的槽中，各元件按一定的规律联结到相应的换向片上，全部这些元件就组成了电枢绕组。,电枢铁心装配图,(3)换向器,由许多换向片（由铜料组成）组成。换向片之间彼此以云母片相互绝缘，全部又以云母环对地绝缘。,换向器构造,（三）其它部分,电刷装置 轴承支撑 结构形式,（1）电刷装置,电刷：由石墨做成的导电块； 刷握（刷盒）； 刷杆支臂； 刷辨：将电动势或电流引出或引入电机，由细铜丝编成。,1刷握 2铜丝辫 3压紧弹簧 4电刷,（2）轴承支撑,中小电机：滚动轴承，固定
