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1、电气传动及控制基础电气传动及控制基础廖晓钟廖晓钟第第1 1章章 电气传动基础电气传动基础 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 1.1 电气传动的动力学基础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1.1.1.1 1.1 基本运动方程式
2、基本运动方程式（1.1.1 1）图图1.1 1.1 电气传动系统电气传动系统 如如图图所所示示, , 电电动动机机带带动动工工作作机机械械的的电电气气传传动动系系统统的的运运动动规规律律取取决决于于电电机机的的输输出出转转矩矩和和负负载载转转矩矩之之间间的的关关系系, , 并并符符合合刚刚体体旋旋转转的运动定律的运动定律 , ,即式即式(1.1)(1.1)1.1.1.1 1.1 基本运动方程式基本运动方程式（1.1.2 2）省略空载转矩时，旋转运动方程式如省略空载转矩时，旋转运动方程式如(1.2)(1.2)所示。所示。T Te e电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩( (N*mN*m) )T TL
3、 L负载转矩负载转矩( (N*mN*m) )J J拖动系统折算到电动机轴上的总转动惯量拖动系统折算到电动机轴上的总转动惯量(kg(kg*m*m) ) 电动机的角速度电动机的角速度(rad/(rad/s s) )（1.41.4）1.1.1.1 1.1 基本运动方程式基本运动方程式当转动惯量为常数时，式（）可以简化为当转动惯量为常数时，式（）可以简化为（1.1.3 3） 工程计算中，往往不用转动惯量工程计算中，往往不用转动惯量J J，而用飞轮矩，而用飞轮矩 ，两者之间的关系如式（），两者之间的关系如式（）式中：式中：1.1.1.1 1.1 基本运动方程式基本运动方程式当当T Te eT TL L
4、时，时，d /dd /d 0 0，系统加速系统加速当当T Te eT TL L 时，时，d /dd /d 0 0，系统减速系统减速当当T Te eT TL L 时，系统处于加速或减速运动状态（动态）时，系统处于加速或减速运动状态（动态）当当T Te e= = T TL L 时，系统以恒速运动，即稳态运动。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稳态时，电动机的电磁转矩大小由工作机械即电动电动机的负载转矩所决定机的负载转矩所决定。（1.1.5 5）式（）的实用表达式如式（）所示式（）的实用表达式如式（）所示1.1.1.1 1.1 基本运动方程式基本运动方程式规定转
5、矩的正方向规定转矩的正方向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。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。同时为负，相反时为正。图图1.2 1.2 轴端图轴端图 1.1.2 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算转矩、飞轮矩的折算实际的电气传动系统中实际的电气传动系统中, ,在电机与工作机械之间往在电机与工作机械之间往往要经过多轴传动，如图所示。往要经过多轴传动，如图所示。图图1.3 1.3 多轴传动系统多轴传动系
6、统(a)(a)双轴传动系统双轴传动系统;(b);(b)起重传动系统起重传动系统 1.1.2 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算转矩、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：于工作机械的负载功率加上传动机构中的损耗，则：1 1 1 1转矩的折算转矩的折算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）（用于直线运动负载） （用于旋转运动负载）（用于旋转运动负载）式中式中 传动效率，传动效率， 11 主动轴与从动轴的转速比，主动轴与从动
7、轴的转速比， 1.1.2 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算转矩、飞轮矩的折算 2 2 2 2飞轮矩的折算（旋转负载飞轮矩的折算（旋转负载飞轮矩的折算（旋转负载飞轮矩的折算（旋转负载） 按照能量守恒按照能量守恒 等效转动惯量和飞轮矩为等效转动惯量和飞轮矩为（1.1.6 6）（1.1.7 7）（1.1.8 8） 1.1.2 1.1.2 转矩、飞轮矩的折算转矩、飞轮矩的折算3.3.3.3.飞轮矩的折算（直线负载飞轮矩的折算（直线负载飞轮矩的折算（直线负载飞轮矩的折算（直线负载） 按照能量守恒按照能量守恒等效转动惯量和飞轮矩为等效转动惯量和飞轮矩为（1.1.9 9）（1.1.1010）（1.1.1111
8、）1 1 1 1电动机机械特性电动机机械特性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电动机的机械特性是指电动机的转速 和电磁和电磁转矩转矩 之间的关系，表示为之间的关系，表示为 = = 。 图图1.4 1.4 电机的机械特性电机的机械特性 2 2 2 2负载转矩特性负载转矩特性负载转矩特性负载转矩特性 工作机械的负载转矩工作机械的负载转矩 与转速与转速 的关系的关系 = = 即为负载转矩特性。即为负载转矩特性。 （1 1 1 1）恒转矩负载特性）恒转矩负载特性）恒转矩负载特性）恒转矩负载特性 图图1.5 1.5 恒转矩负载转矩特性恒转矩负载转矩特性（a a）反抗性）反抗性
9、 （b b）位能性）位能性（2 2 2 2）通风机负载特性（曲线）通风机负载特性（曲线）通风机负载特性（曲线）通风机负载特性（曲线1 1 1 1） （3 3 3 3）恒功率负载转矩特性（曲线）恒功率负载转矩特性（曲线）恒功率负载转矩特性（曲线）恒功率负载转矩特性（曲线2 2 2 2）图图1.6 1.6 通风机和恒功率负载转矩特性通风机和恒功率负载转矩特性 3 3 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分析电气传动的运行 问题可以将电动机的问题可以将电动机的 机械特性和工作机械机械特性和工作机械 的负载转
10、矩特性画在的负载转矩特性画在 同一个坐标图上。同一个坐标图上。 图图1.7 1.7 机械特性与负载特性的配合机械特性与负载特性的配合电气传动系统稳定运行条件电气传动系统稳定运行条件 特特性性 和和特特性性 有有交交点点，并并且且在在该该交交点点对对应应的的转转速速之之上上保保证证 ，而而在在该该交交点点对对应应的转速之下则要求的转速之下则要求 。图图1.8 1.8 机械特性与负载特性配合的两种情况机械特性与负载特性配合的两种情况（a a）稳定）稳定 （b b）不稳定）不稳定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 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
11、性及运行方法 1.2.1 1.2.1 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 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 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 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 1.2.5 1.2.5 直
12、流他励电动机的动态特性直流他励电动机的动态特性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 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直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类 图图1.9 1.9 直流电机按励磁方式分类直流电机按励磁方式分类（a a）他励式（）他励式（b b）并励式（）并励式（c c）串励式（）串励式（d d）复励式）复励式 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 1 1 1调速的性能指标调速的性能指标调速的性能指标调速的性能指标 (1) (1) 静差率静差率 电动机运行在某一机械特性上时，额定负载下转速降电
13、动机运行在某一机械特性上时，额定负载下转速降 与理想空载转速与理想空载转速 之比，称为之比，称为静差率静差率，常用百，常用百分数表示分数表示 (2) (2) 调速范围调速范围 调速范围调速范围指工作机械要求的最高转速指工作机械要求的最高转速 和最低转速和最低转速 之比之比 （1.1.1212）（1.1.1313） 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调速范围和静差率的关系调速范围和静差率的关系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调速系统最低速时的静差率为因为因为所以所以（1.1.1414）（1.1.1515）（1.1.1616） 1
14、.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（3 3 3 3）调速的平滑性调速的平滑性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。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，称为性越好；当调速级数达无穷多时，称为无级无级调速调速，即，即转速连续可调转速连续可调。2 2 2 2调速方法调速方法调速方法调速方法（1.1.1717） 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图图1.10 1.10 三种调速方法的机械特性三种调速方法的机械特性（a
15、 a）调节电枢电压）调节电枢电压U U （b b）调节励磁磁通）调节励磁磁通 （c c）调节电枢附加电阻）调节电枢附加电阻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直流他励电动机启动时应该先建立磁场，再加电直流他励电动机启动时应该先建立磁场，再加电枢电压。枢电压。1 1 1 1. . . .电枢串电阻启动电枢串电阻启动电枢串电阻启动电枢串电阻启动 2 2 2 2. . . .降压启动降压启动降压启动降压启动3.3.3.3.启动速度和平稳性启动速度和平稳性启动速度和平稳性启动速度和平稳性 图图1.11 1.11 电枢串电阻启动电枢串电阻启动 1.2.4 1.2.4 直流他励
16、电动机的制动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电磁转矩与转速方向相反 回馈制动回馈制动 能耗制动能耗制动 反接制动反接制动1 1 1 1回馈制动回馈制动回馈制动回馈制动图图1.12 1.12 回馈制动特性回馈制动特性 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 2 2能耗制动能耗制动 图图1.13 1.13 电阻能耗制动电阻能耗制动（a)a)线路；（线路；（b)b)机械特性机械特性 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 3 3反接制动（电源反接）反接制动（电源反接） 图图1.14 1.14 电源反接的反接制动电源反接的反接制动（a)a)线路；（线路；（b)b)机械特性机械特性 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 3 3反接制动（转速反向反接制动（转速反向） 图图1.15 1.15 转速反向的反接制动转速反向的反接制动（a)a)线路；（线路；（b)b)机械特性机械特性 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 电动机运行状态总结电动机运行状态总结电
