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1、,电机与拖动基础及 MATLAB仿真 陈亚爱 周京华编著 李正熙主审,Page 2,本课程的章节和内容,绪 论 第1章 变压器 第2章 三相交流电动机 第3章 三相交流电动机的电力拖动 第4章 直流电机 第5章 直流电动机的电力拖动 第6章 驱动和控制微电机 第7章 电动机容量的选择,Page 3,第 3 章 三相交流电动机的电力拖动,本章内容,3.1 电力拖动系统基础,3.2 三相异步电动机的电力拖动,3.3 三相同步电动机的电力拖动,3.4 三相交流电动机的动态数学模型,3.5 实例（应用）,3.6 三相交流电动机电力拖动的仿真,Page 4,本章教学基本要求,1. 熟悉电力拖动系统运动方
2、程，掌握拖动转矩和负载转矩的概念。,2. 掌握典型负载转矩特性和三相异步电动机的机械特性。,3. 熟悉分析三相异步电动机各种运行状态的基本方法。,4. 掌握三相异步电动机的起动、制动原理和特性。,5. 了解三相交流电动机的调速方法。,6. 掌握同步电动机的起动方法，了解同步电动机的调速和制动方法。,7.了解同步和异步电动机的动态数学模型。,Page 5,本章教学基本要求,1三相异步电动机的机械特性。,2三相交流电动机的起动、制动和调速。,重点：,同步和异步电动机的动态数学模型。,难点：,Page 6,Page 7,提问,由三相交流电动机作为原动机拖动生产机械运转的一种 拖动方式。,什么是三相交
3、流电动机的电力拖动？有什么作用？,作用是将三相交流电能转换成机械能，拖动生产机械， 并完成一定工艺要求。,电力拖动系统由电动机、传动机构、电源、控制设备和生产机械这几部分组成，如图3-1所示。,Page 8,3.1电力拖动系统基础,图3-1 电力拖动系统示意图,传动机构,生产机械,控制系统,电动机,电 源,现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原 因是 ： 1. 电能的运输、分配、控制方便经济。 2. 电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能 很好的满足大多数生产机械的不同要求。 3. 电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远 距离操作等等。,3.1电力拖动系统基础
4、,Page 9,电力拖动系统有各种结构形式，最简单的是单轴电力拖动系统，即电动机直接与负载同轴，如图3-2所示。,Page 10,由牛顿第二定律可知，作直线运动的物体的运动方程为,1单轴电力拖动系统,图3-2 单轴电力拖动系统,式中，F1、F2为作用在物体m上的作用力和反作用力（N）；m为物体的质量（kg）；a为加速度， （m/s2）； 为惯性力（N）。,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,（3-1）,1单轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,对于作旋转运动的物体：,式中，T、TL为电动机的电磁转矩和负载转矩（Nm）；J为 旋转系统的转动惯量（Nms2）；W为
5、角速度（rad/s）； 为 角加速度（rad/s2）； 为惯性转矩或称动态转矩（Nm）。,（3-2）,Page 11,工程中，常用飞轮矩GD2表示旋转物体的惯性，则转动惯量J也可表示为,1单轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,图3-2 单轴电力拖动系统,式中，G为转动物体的重量（N）；r和D为惯性半径和直径（m）；g为重力加速度，g=9.8（m/s2）；GD2为飞轮矩（Nm2）。,用转速n代替角速度W，即W =2pn/60，则旋转物体运动方程的实用公式为,（3-4）,（3-3）,Page 12,1）当TTL，dn/dt0，系统加速运行； 2）当T=TL， dn/dt=
6、0，系统匀速运行； 3）当TTL， dn/dt0，系统减速运行。,1单轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,图3-2 单轴电力拖动系统,讨论,（3-4）,先确定转速n的正方向，习惯上设n顺时针为正，若电磁转矩T的方向与n方向相同时，T前取正号，相反则取负号；若负载转矩TL的方向与转速n的正方向相反时，TL前取正号，相同则取负号；惯性转矩 的大小及方向，由电磁转矩与负载转矩的代数和决定。,式（3-4）中转矩正方向的规定如下：,Page 13,2多轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,实际生产中，许多生产机械的转速往往与电动机的转速不同，电动机与生产
7、机械之间要加变速机构，形成了多轴系统，如图3-3所示。,图3-3 多轴电力拖动系统,工程上，往往用单轴系统去等效代替实际的多轴系统，等效的单轴系统其负载转矩和飞轮矩是实际负载转矩和各传动轴的飞轮矩折算到电动机轴上的折算值，折算的原则：折算前后系统传递的功率不变、系统的动能不变。,Page 14,I,若,T,P=T=常数,T CTI,导线截面大,铁磁材料多,若,T,节省材料,2多轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,工程上为了节省材料，电动机转速都较高，因为：,生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力拖动系统多为多轴拖动系统。,P=T=常
8、数,Page 15,Page 16,2多轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,分析多轴系统采用的方法： 用一个等效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为“折算”。 折算原则： 折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。 折算方向： 一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机，且电动机轴一般是高速，根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。,2多轴电力拖动系统,3.1.1运动方程式,3.1电力拖动系统基础,Page 17,Page 18,3.1.2生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,负载转矩特性是指： 生产机械的负载转矩TL与转速
9、n之间的关系，即 n=(TL)，简称负载特性。,Page 19,1恒转矩负载特性,3.1.2生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,恒转矩负载特性特点：负载转矩TL为常数，与转速n的大小无关。根据负载转矩与运动方向的关系，恒转矩负载特性又可分为反抗性恒转矩负载特性和位能性恒转矩负载特性。,（1）反抗性恒转矩负载特性,反抗性恒转矩负载特性特点：负载转矩TL的方向总是与转速n的方向相反，TL的作用方向总是阻碍系统运动的方向，如图3-4所示，特性在第、象限。属于此类负载的生产机械有：轧机、机床刀架平移机构等。,图3-4 反抗性恒转矩负载特性,Page 20,1恒转矩负载特性,3.1.2生产机
10、械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,（2）位能性恒转矩负载特性,位能性恒转矩负载特性特点：负载转矩TL的大小不变，方向固定，不随转速的变化而变化，如图3-5所示，特性在第、象限。属于此类负载的生产机械有：电梯、起重机等。,图3-5 位能性恒转矩负载特性图,1恒转矩负载特性,3.1.2生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,当转速n=0时，外加转矩不 足以使系统运动。根据作用力 与反作用力原理，这时反抗力 负载转矩大小和方向取决于外 加转矩的大小和方向。即与外 加转矩大小相等，方向相反。 负载转矩特性应与横轴重合。,Page 21,Page 22,2风机、泵类负载转矩特性,3.1.
11、2生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,风机、泵类负载转矩特性的特点：负载转矩TL与转速平方成正比，即TLn2，特性如图3-6所示。属于此类负载的生产机械有：各种泵类、通风机、鼓风机等。,图3-6 风机、泵类负载转矩特性,3恒功率负载转矩特性,恒功率负载转矩特性的特点：负载功率PL不随转速n而变化，负载转矩TL与转速n成反比关系，即有PL=常数、TL1/n，特性如图3-7所示。属于此类负载的生产机械有：金属切削类机床等。,图3-7 恒功率负载转矩特性,3.1.2生产机械的负载转矩特性,3.1电力拖动系统基础,需指出，实际负载可能是上述单一类型，也可能是几种典型负载转矩特性的综合，应视
12、情况具体分析。,Page 23,3.1.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,当 T=TL ，n=f(T)与 n=f(TL)有交点称静态平衡，这是稳定运行的必要条件，即T=TL是平衡稳定运行的一个必要条件。,在电力拖动中，为使问题简化忽略T0 ，即T00，T T2=TL,Page 24,答：1）要看系统出现干扰后在新条件下能否平衡。 2）干扰消失后，能否回到原来的平衡点。 如果能满足以上两条件，即为稳定运行。,问：有了交点是否平衡了即为稳定运行?,3.1.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,Page 25,图3-8 电力拖动
13、系统稳定平衡状态,3.1.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,系统原工作在平衡点A，这时电网电压向下波动，从 UN 降到U，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点。,负载转矩TL 没变，则 UNIaTTTL ，破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系统沿BA特性减速，使得nEaIaT到A点, TA=TL达到新的平衡状态。,Page 26,图3-8 电力拖动系统稳定平衡状态,3.1.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,扰动消失后，电压从 U回升到 U，(U=UN)IaTTTL 从A点过渡到C点， TL 没变，
14、 TTL系统加速。,说明：当UUN ，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡(A点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点(A点)，所以能稳定运行。,nEaIaT 系统沿CA特性加速到A点，n=nN时， T=TL ，达到原来平衡点A。,Page 27,对于恒转矩负载，如果电动机的机械特性呈下垂曲线，系统是稳定的；反之，则不稳定。 对于非恒转矩负载，如果电动机机械特性的硬度小于负载特性的硬度，该系统就能稳定运行。,3.1.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,1稳定运行的概念,Page 28,平衡稳定运行的充要条件为： 1）电动机机械特性与负载特性必须相交，即交点处T=TL ； 2
15、）在交点处有,3.1.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.1电力拖动系统基础,2系统稳定运行的条件,Page 29,3.2.1异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率以 及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差 率的关系，即n=(T)或s=(T)。,三相异步电动机的机械特性可用函数表示，也可用曲 线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参 数表达式和实用表达式。,Page 30,电磁转矩为：,3.2.1异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（1）物理表达式,因此，异步电动机的物理表达式为,（3-5）,Page 31,3.2.1异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（1）物理表达式,为异步机的转矩系数；,为转子电流折算值；,为转子功率因数。,Page 32,3.2.1异步电动机的机械特性,3.2三相异步电动机的电力拖动,1异步电动机机械特性的三种表达式,（1）物理表达式,物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主 磁通m以及转子电流有功分量I2cosj2之间的关 系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下 的转矩大小和性质。,Page 33,3.2.1异步电动机的机械特性,3.2
