第1章：电力拖动系统的基础
第一章电力拖动系统的动力学基础.
d T TL J dt
d T TL J dt
T：电磁转矩,电动机产生的拖动转矩； TL：负载转矩,N.m ：电动机角速度,rad/s
在工程计算中,常用n代替表示系统速度, =2n/60
J：电动机轴上的总转动惯量，kg.m2
G D GD J m ( ) g 2 4g
'
（2）考虑传动机构的损耗，在折算公式中引入传动效
率c 。由于功率传送是有方向的，因此引入效率c 时
必须注意：要因功率传送方向的不同而不同。现分两
种情况讨论：
a. 电动机工作在电动状态，此时由电动机带动 工作机构，功率由电动机向工作机构传送，传动损耗
由电动机承担，即电动机发出的功率比生产机械消耗
nb GD1
j2
2
nf GDL
2
2
TL’ 生产机械
T
电动机
n GDeq
等效负载
TL
M
T
j1
1
JM
J1
J l
工作 机构
J
折算
T1
l
M
负载
j2
Tl
T Tl
折算思路：以电动机为研究对象，把各负载转矩和 系统飞轮力矩折算到电动机轴上，变多轴拖动系统为 单轴拖动系统； 折算原则：保持系统传递的功率和系统储存的动能 不变。
（3）根据运动方程式判断电力拖动系统的几 种运动状态： dn 0 T=TL dt T>TL T<TL
dn 0 dt
dn 0 dt
dn 0, n 常数(或0），系统稳定运转或 当 T TL 0, dt 停转，视运动初始状态而定；这种运动状态称为稳定运 转状态或静态，简称稳态。
第01章-电力拖动控制系统的基本结构与组成
(1) 直流调速系统——采用直流电动机作为系统驱
动器，相应的电能变换器则需选用直流变换器，比如： 可控整流器、直流斩波器等； (2) 交流调速系统——采用交流电动机作为系统驱 动器，相应的电能变换器则需选用交流变换器，比如：
交流调压器、各种变频器等。
-8-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成 2．位臵控制系统
-29-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成 三相同步电动机的工作原理是：
当定子对称绕组通以三相对称电流时，定子绕组就
会产生圆形旋转磁场，其旋转速度为同步转速n0。如果 转子励磁绕组也通以直流励磁电流，就在转子中产生相 应的磁极，其极对数与定子旋转磁场的极对数相同，且 保持磁场恒定不变。在两个磁场的共同作用下，转子被
由此而来。通常把同步转速n0和转子转速n之差称为转差，
转子转速 （1-3） 同步转速
-23-
n0 n s n0
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成 异步电动机按其转子构造又可分为笼型转子异步电
动机和绕线转子异步电动机，可以根据实际应用要求选
择电动机。 根据异步电动机的转速方程
60 fs n 1 s np
统角度，任何自动控制系统的核心都是控制方法的研究
和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。根据 生产工艺要求，研发或选择适当的的控制方法或策略是 实现电力传动系统自动控制主要问题。
-13-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成
1.2 电动机的主要类型
1.2.1 直流电动机 1.2.2 交流电动机
-4-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成
电源 控制指令 控制器 变流器 电动机 负载
传感器 图1-1 电力传动自动控制系统的基本结构
第1章(电力拖动控制系统)__华科__马志源
b)
( )
根据功率相等原则： T FV
（2）运动质量m的折算
根据动能相等原则，系统储存的动能相等。
例，把电机轴的旋转动能折算为直线运动动能后，两者相等： 得直线运动质量为：
mM J M ( ) 2 V
1 1 2 J M mM V 2 2 2
总拖动质量m是电动汽车总质量加上旋转部分的折算值 总拖动质量为：
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 n f (T ) 负载机械特性 n f (Tl ) 机械特性 固有机械特性 电动机机械特性 n f (T ) 人为机械特性
转速n 、转矩T都有正、负值 ,要选定参考正方向。
2. 运行状态： 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：
的实用形式为
GD2 dn T T 375 dt
375具有加速度量纲
GD2 4gJ 称为飞轮矩 ( N m2 )
1.1.4 速度控制的本质是对转矩的控制
一、由运动方程式 J
d dt
可知：
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 T>Tl 时，dΩ/dt>0，电力拖动系统处在加速（或反向减速）状态 。
电力拖动控制系统
华中科技大学电气学院电机及控制系 • 讲课教师：黄声华，王双红 87542626转8103（O） • 办公地点：电机楼－前楼103 • Email： Shhuang51@wshs.hust.edcn 上课时间：周二7-8，周四5-6 • 上课地点：西十二S210
M
负载
T1
电力拖动基础知识
电力拖动基础知识电力拖动基础知识引言电力拖动是指利用电动机将动力传递给装置或机械的一种技术。
它在现代工业中起着至关重要的作用，广泛应用于各个行业。
本文将介绍电力拖动的基础知识，包括电动机的工作原理、电力传动系统的组成以及一些常见的应用。
一、电动机的工作原理电动机是电力拖动的核心部件，它将电能转换为机械能，通过轴向动力输出。
电动机的工作原理主要基于电磁感应和洛伦兹力。
1. 电磁感应电磁感应是电动机实现转动的基本原理。
当电流通过电动机的线圈时，会在线圈周围产生磁场。
根据法拉第电磁感应定律，当磁场改变时，会在线圈中产生感应电动势。
这个电动势会与电源电压产生差异，导致电流流经线圈。
差异越大，电流越大。
2. 洛伦兹力电动机实现转动的另一个原理是洛伦兹力。
当线圈中有电流通过时，它在磁场中受到力的作用。
根据右手定则，电流方向与磁场方向之间的关系将决定所受力的方向。
由于线圈的结构，导线受到力的方向相同，这将产生一个力矩，使电机开始旋转。
二、电力传动系统的组成电力传动系统是电力拖动的基础，它由电动机、传动装置和负载组成，各部分通过轴连接。
1. 电动机电动机是传动系统的动力源，它的类型有很多种。
常见的电动机包括直流电动机、交流异步电动机和交流同步电动机。
不同类型的电动机有不同的应用领域和工作原理。
2. 传动装置传动装置用于将电动机的转速和转矩传递给负载。
常见的传动装置包括齿轮传动、皮带传动和链传动。
通过不同的传动装置，可以实现不同的转速和转矩要求。
3. 负载负载是电力传动系统中的目标设备或机械。
它可以是任何需要动力传递的装置，如机床、输送带和风扇。
负载的特点和要求将决定电动机和传动装置的选择。
三、常见的电力拖动应用电力拖动在工业中的应用广泛，以下是一些常见的应用领域：1. 工业生产线工业生产线通常需要大量的电力来驱动各种设备和机械。
电力拖动被广泛应用于各个环节，如输送链、旋转装置和起重机。
2. 交通运输交通运输中的电力拖动主要应用于轨道交通和电动汽车。
电力拖动与控制
第一章 电力拖动系统的动力学基础1-1 什么是电力拖动系统?它包括那几部分？都起什么作用？举例说明．答：由原动机带动生产机械运转称为拖动。
用各种电动机作为原动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务的拖动方式，称为电力拖动。
电力拖动系统，一般由电动机、机械传动机构、生产机械的工作机构、控制设备和电源五部分组成。
其中，电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械的工作机构执行某一生产任务；机械传动机构用来传递机械能；控制设备则用来控制电动机的运动；电源的作用是向电动机和其他电气设备供电。
1-2 电力拖动系统运动方式中T ，T n 及n 的正方向是如何规定的？如何表示它的实际方向？ 答：设转速n 对观察者而言逆时针为正，则转矩T 与n 的正方向相同为正；负载转矩T L 与n 的正方向相反为正。
与正方向相同取正，否则取反。
1-3 试说明GD ２的概念 答：J=gGD 42即工程中常用表示转动惯量的飞轮惯量。
1-4 从运动方程式中如何看出系统是处于加速、减速、稳速或静止等运动状态？ 答: 当L T T >时，0>dt dn ，系统加速；当L T T <时，0<dt dn ，系统减速。
当L T T = 时，0=dt dn ，转速不变，系统以恒定的转速运行，或者静止不动。
1-5 多轴电力拖动系统为什么要折算为等效单轴系统？答: 多轴电力拖动系统，不同轴上有不同的转动惯量和转速，也有相应的反映电动机拖动的转矩及反映工作机构工作的阻转矩，这种系统比单轴拖动系统复杂，计算较为困难，为了简化计算，一般采用折算的办法，把多轴电力拖动系统折算为等小的单轴系统。
1-6 把多轴电力拖动系统折算为等效单轴系统时负载转矩按什么原则折算？各轴的飞轮力 矩按什么原则折算？答:功率相等原则;能量守恒原则.1-7 什么是动态转矩？它与电动机负载转矩有什么区别？答:动态转矩是指转矩是时间的函数.而负载转矩通常是转速的函数.1-8 负载的机械特性有那几种类性？各有什么特点？答：恒转矩负载特性：与n 无关，总是恒值；恒功率负载特性：与n 成反比例变化；通风机负载特性：与n 2成正比例变化。
电力拖动基础总结
d nN 100 % n0 nN 100 %
n0
n0
3) 调速范围D与静差率d之间的关系
到充分利用的情况下，在 调速过程中轴上所能输出 的功率和转矩
D nmax nmax
nm a x
nm a x
nmaxd
nm in
n0 ΔnN
n0
(1
ΔnN n0
)
ΔnN (1 d ) d
ΔnN (1 d )
s (n0 n) / n0
n f (cos2 )
I2
E2
R2 s
2
X
2 2
s (n0 n) / n0
n f (I2 )
T CTJm I2 cos2
n f (T )
2020/6/5
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
➢ 三相异步电动机机械特性的三种表达式
2) 参数表达式
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
➢ 三相异步电动机各种运转状态
1) 电动运转状态
• 电动运转状态的特点是电 动机转矩的方向与旋转的 方向相同，机械特性落在 第一与第三象限。
• 电动状态时，电动机从电 网吸收电能，转换成机械 能带动负载。
2020/6/5
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
2020/6/5
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
➢ 三相异步电动机各种运转状态
2) 制动运转状态 • 反接制动－定子两相反接的反接制动
– 这时转差率s为：
s n0 () n() > 1 n0 ()
2020/6/5
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
第一篇电力拖动基础
sn0()n() >1 n0
2024/9/2
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
➢ 三相异步电动机各种运转状态
• 制动运转状态 • 反接制动－定子两相反接的反接制动
– 这时转差率s为：
sn0()n() >1 n0()
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第三章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
2024/9/2
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第二章 直流电动机的电力拖动
➢ 他励直流电动机的制动
分类 – 机械制动 — 电磁制动器，即机械抱闸； –• 电能气耗制制动动 — 能耗制动、反接制动、回馈制动（再生制动）
nC R eaC T Rz2TRC a e RzIa
2024/9/2
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第二章 直流电动机的电力拖动
➢ 他励直流电动机的制动 n • 能耗制动
2）额定工作点B ，特点：n = nN（s=sN），T = TN，I1 = IN ；
3）同步转速点H ，特点：n= n0（s = 0），T=0， I1 = I0 ；
4）最大转矩点P和P′ – 电动状态最大转矩点P，特点：T=Tm，s = sm，
对应书中式(10-16) 、(10-17) 中的正号； – 回馈制动最大转矩点P’，特点：T=Tm’，s=
➢ 根据异步电动机的技术数据计算其参数
• 异步电动机的技术数据 • 一般可查到下列技术数据：
1）额定功率 PN （kW）；
2）额定定子线电压 U1N（V）；
3）额定定子线电流 I1N （A）； 4）额定转速nN（r/min）；
nCUeCeCRT2 T
2024/9/2
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第二章 直流电动机的电力拖动
电力拖动基础电机及电力拖动系统(直流部分)魏炳贵
在磁场作用下，N极性下导体
直流电动机是将电能转变 ab受力方向从右向左，S 极下导
成机械能的旋转机械。
体cd受力方向从左向右。该电磁
把电刷A、B接到直流电源 力形成逆时针方向的电磁转矩。
上，电刷A接正极，电刷B接负 当电磁转矩大于阻转矩时，电机
极。此时电枢线圈中将电流流过 转子逆时针方向旋转。
。
第二节电力拖动系统运动方程式
二.电力拖动系统组成 电机：直流，交流（同步，异步） 工作机构：生产设备 控制机构：各种控制器（PLC,单片机等） 传动机构：减速机
二.电力拖动系统的运动方程式
1.方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状 态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴 上的各种转矩。
参数:(注意参考方向）
T:电磁转矩
令U=UN, Φ=ΦN, RS=0 得固有机械特性曲线：
(1)理想空载转速： T=0, n=n0=UN/CeΦN
(2)额定转速： T=TN, n=nN=n0-△nN
(3)固有特性：n=n0-ßt, ß=Ra/(CeCtΦN2) ß大=> △nN上升=>曲线陡=>特性软，反之特性硬 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有 机械特性是硬特性。
第一节 他励直流电动机的起动
一·起动要求分析 定义：电动机通电后开始旋转且转速不断 增加，最终达到稳定状态的过程。
要求：起动时间短->加速度大->电磁转矩大 -> 电枢电流大->换向困难，火花大，产生机械撞 击。 加额定电压后，起动瞬间的起动转矩和起动电 流分别为：
起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很 小，所以起动电流和起动转矩将达很大值。起动时间和起动电 流要达到平衡。
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图1-3 多轴拖动系统 （a）旋转运动 （b）直线运动
11
1.2.1负载转矩的折算
负载转矩是静态转矩，可根据静态功率守恒原 则进行折算。
对于旋转运动，如图1.3（a）所示，当系统匀 速运动时，生产机械的负载功率为
PL TLL
式中，TL ——生产机械的负载转矩；
电机拖动与控制
第1章 电力拖动系统的基础
1
第一章：电力拖动系统的基础
§1.1 ：电力拖动系统的概述
• 电力拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。 包括：电动机、传动机构、控制设备三个基本环节。
• 电力拖动系统框图如下：
电源
控制设备
电动机
传动机构
生产机构
2
电力拖动系统的运行状态分：静态和动态 静态：稳定运行状态或稳态（静止或匀速，系统
4
在旋转运动中，系统的运动方程式为：
T TL
J
d dt
T:电动机的电磁转矩，N.m； TL:生产机械的负载转矩， N .m ； J:转动部分的转动惯量，kg.m2； Ω:转动部分的机械角速度，rad/s；
5
在工程计算中，常用n代替 表示系统速度， 用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性。
J =m2=(G/g)(D2 )/4=GD2/4g
m：系统转动部分的质量，Kg； G：系统转动部分的重量，N； ：系统转动部分的转动半径，m ； D ：系统转动部分的转动直径，m ； g ：重力加速度=9.81m/s2
6
运动方程的实用形式为： GD 2 dn
T TL = 375 dt
系统旋转运动的三种状态
1）当T＞TL时，转速变化率 dn / dt ＞0，则拖动系统加 速运行；
j1 ——电动机轴与中间传动轴之间的速比， j1 M / 1 ； jL ——电动机轴与生产机械之间的速比， jL M / L ； M 、 1 、 L ——电动机轴、中间传动轴、生产机械轴上的角速度。
16
转动惯量和飞轮转矩的折算
2.折算到电动机轴上的总飞轮转矩为
3.实际工程GDZ2
GDM2
GD12 j12
2）当T＜TL时，转速变化率dn / dt 0，则拖动系统减 速运行；
3）当T = TL时，转速变化率dn / dt = 0，则拖动系统处 于稳态运行状态。
7
1.1.2 ：电力拖动系统中转速和转矩的正方向
在应用运动方程式时，必须首先按电动机惯例规定转 速和各种转矩的正方向。当某转速或转矩为正值时， 其实际方向与正方向相同；当它们为负值时，其实际 方向与正方向相反。
拖动系统的运动方程式
TM
TL
GDZ2 375
dnM dt
构中的损耗由生产机械的负载来承担，于
是有 TLM FC
或
TL
9.55C Fv
nM
15
1.2.2 转动惯量和飞轮转矩的折算
根据动能守恒原则进行折算 一.旋转运动 1.折算到电动机轴上的总转动惯量为
JZ
JM
J1 j12
JL jL2
JM 、 J1 、 J L ——电动机轴、中间传动轴、生产机械轴上的转动惯量；
3
1.1.1 ：电力拖动系统运动方程式
电力拖动系统的运动方程式实质上是牛顿第二定律 表达式的应用形式。 在直线运动中，系统的运动方程式为：
F
FL
m dv dt
F:作用在直线运动部件上的托动力，N； FL:作用在直线运动部件上的阻力， N； v:直线运动部件的线速度，m/s； m:直线运动部件的质量，kg；
它反映在电动机轴上的机械功率为
PL F
PM TLM 式中，TL ——负载力 F 在电动机轴上产生的负载转矩。
14
负载转矩的折算
如果是电动机拖动生产机械旋转或移动，则
传动机构中的损耗应由电动机承担，根据
功率平衡关系，有
得出 TL
9.55Fv
CnM
TLM
Fv
C
又因 ω 2 n
60
如果是生产机械拖动电动机旋转，则传动机
13
负载转矩的折算
于是可得折算到电动机轴上的负载转矩为
TL
TLL CM
TL C j
式中，C ——电动机拖动生产机械运动时的传动效率； j ——传动机构的速比， j M /L
对于直线运动，如图 1.3（b）所示的卷扬机构就是一例。若生产机械直线运动部件的负载力为 F，运动
速度为 ，则所需的机械率为
处于平衡状态）； 动态：也称暂态或过渡状态，即不稳定运行状态； 按连接分：单轴拖动系统和多轴拖动系统 单轴拖动系统：电动机与生产机械的工作机构之
间采用直接连接。最简单、最基本的拖动系统， 只有一个负载转矩和一个转动惯量，数学模型简 单。 多轴拖动系统：电动机通过各种传动机构变速后 与生产机械的工作机构之间相连接。经过转速和 转动惯量的“折算”即可等效成单轴拖动系统
1）电磁转矩T的正方向与转速n的正方向相同。即认为电 磁转矩是驱动转矩。
2）负载总转矩TL 的正方向与转速n 的正方向相反。即 认为负载总转矩是阻碍转矩。
3）至于负载转矩T2和空载转矩T0均属于负载总转矩TL的 组成部分，其正方向应该与TL相同，即与转速方向相 反。
8
电力拖动系统机械负载的转矩特性
GDL2 jL2
JZ
JM
JL jL2
GDZ2
GDM2
GDL2 jL2
δ 1.11.25
17
转动惯量和飞轮转矩的折算
二.直线运动 1.总转动惯量
JZ
JM
J1 j12
JL jL2
2
m
M2
2.总飞轮转矩为
GDZ2
GDM2
GD12 j12
GD2L jL2
G v2 365 nM2
总结：将所求得的 TL 、GDZ2 代入式（1.5）多轴
L ——生产机械的旋转角速度
12
负载转矩的折算
设 TL 折算到电动机轴上的负载转矩为TL ，则电动机轴上的负载功率为 PM TLM
式中，M ——电动机转轴的角速度。 考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率C 来表示，即
C
PL PM
TLL TLM
式中， PL——输出功率； PM ——输入功率。
9
1.2 负载转矩、转动惯量和飞 轮转矩的折算
许多生产机械要求低速运转，而电动机一般具 有较高的额定转速。这样，电动机与生产机械 之间就得装设减速机构，为列出这个系统的运 动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯 量或直线运动部分的质量都折算到某一根轴上， 一般折算到电动机轴上，即折算成最简单的典 型单轴系统。