电气传动自动控制系统第1章

电力传动自动控制系统2013-03-30

第1章电力传动系统基础

1.1 电力传动系统的目的、要求和分类

主要讨论电力传动系统的基本概念及其发展概况。

一．电力传动及其基本组成

1．传动

以原动机带动生产机械运行，完成一定的生产任务。

古代动力的来源是人力、畜力。后来出现了借助于风力、水力传动的生产机械。再以后，发明了热机(蒸汽机、内燃机、柴油机)，就以高温蒸汽为动力。直到十九世纪出现了电能，就以电能为动力带动生产机械，从此，人类从繁重的体力劳动中解放出来。

气动、液压传动、电动(电力传动或电气传动)

电力传动

以电动机作为原动机，带动生产机械运行。

早期的机械能来源于水力、蒸汽。比如，水车、蒸汽机车等。电、电机出现以后，由于电能具有变换、传输、分配、使用和控制都非常方便、经济，而且易于大量生产、集中管理和实现自动控制的优点，就由电力传动代替了水力和蒸汽。在现代工业生产中，大量的生产机械采用电力传动，电力传动极为普遍，约占80%。如机床、汽车、电车等。

2．电力传动系统的基本组成

电力传动系统是电气与机械综合的系统。由以下四部分组成：

1)电动机及其供电电源——把电能转换成机械能

2)传动机构——把机械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配

3)工作机构——完成生产工艺任务(或称为执行机构)

4)电气控制装置——控制系统按照生产工艺的要求来工作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。

工作机械的运动形式是多种多样的。车床的主轴做旋转运动，龙门刨床的工作台做直线往复运动，吊车的卷扬机构做上下直线运动，冲剪床的执行机构做简谐运动。在电力传动系统中，原动机是电动机，一般做旋转运动。通过传动机构可获得各种不同形式的运动。

以车床为例的电力传动系统如图1-1所示。

图1-1 车床的电力传动系统示意图

绘成方框图如图1-2所示。

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图1-2 电力传动系统方框图

随着生产的发展，生产工艺对电力传动系统在准确性、快速性、经济性、先进性等方面提出愈来愈高的要求，因此，需要不断地进行改进和完善电气控制设备，使电力传动自动化得到不断发展。(普通机床的数控改造，即改造为数控机床，即为一例。) 二．电力传动的类型与发展概况

1．电力传动的类型

1)成组传动

由一台电动机通过一根长轴(俗称“天轴”)传动全车间的一组生产机械。从电动机到各个生产机械的能量传递以及在各生产机械之间的能量分配完全用机械方法，靠天轴及机械传动系统来实现。电动机远离生产机械，车间里有大量的天轴、长皮带和皮带轮等。能量传递过程中的损耗大，效率低，灰尘大，劳动条件与卫生条件很差，而且不安全，易出事故。另外，一旦电动机出现故障停机，成组的生产机械将停车，全车间就停产。所以，成组传动是最初的一种陈旧落后的电力传动方式。

2)单机传动：单电动机传动

由一台电动机单独传动一台生产机械。这样，电动机与生产机械在结构上配合密切，可以用电气方法调节每台生产机械的转速，从而进一步简化机械结构，提高生产效率，而且易于实现生产机械运转的全部自动化。但是，一台生产机械往往又具有几个不同的运动。例如，车床，就有刀架的横向移动，纵向移动和主轴的转动。单电动机传动方式不便于各种运动的分别调节，而且使传动机构复杂化。

3)多机传动：多电动机传动

由多台电动机分别传动一台生产机械的各个运动部分。即每一个执行机构用单独的电动机传动。这样，生产机械的机械结构大为简化，克服了单机传动的缺点。

综上所述，电力传动系统的发展，也是按照由低级到高级、由简单到复杂的一般规律，从最初的成组传动，经过单电动机传动发展为现代电力传动的基本形式——多电动机传动。

按照电力传动系统中所用电动机种类的不同，电力传动系统又可分为直流电力传动系统和交流电力传动系统两大类。直流电力传动系统以直流电动机为原动机，交流电力传动系统以交流电动机(包括异步电动机和同步电动机)为原动机。

2．电力传动系统的发展概况

交、直流两大电力传动系统。在电力传动系统发展史上，一直是二者互为补充、相辅相成、交替发展。(十九世纪三十年代有了直流电，十九世纪末出现交流电) 直流电力传动系统具有较好的技术性能，如起动性能和调速性能很好。因此，直流传动在对起动、制动、正反转、调速等有较高要求的场合应用得很广泛。目前，直流电力传动系统已基本完善，处于繁盛的阶段。

但是，直流电机与交流电机相比，有两方面的缺点：

首先，直流电机在单机容量、电压等级、转速等方面不如交流电机高，见表1-1。

表1-1 直流电动机与交流电动机性能对比

单机容量 电压 转速

直流电动机 1,400kW 1,000V 3,000r/min

交流电动机 几万到几十万kW 6,000～10,000V

几万到几十万(r/min) 其次，直流电动机结构复杂、价格较贵、维护困难，安装环境有一定限制(不能用于恶劣环境，如有爆炸气体及尘埃的场合)。

由于以上直流电动机的缺点，使得直流传动在很多场合受到限制。而交流电动机在以上几方面都优于直流电动机，并且考虑到电能的产生及输送多为交流电能，所以交流电力传动系统收到人们的重视。

在电力传动发展史上，交流电动机的速度调节曾经被认为是相当困难的(整流、逆变中所用器件问题)。近年来，由于电力电子器件及计算机控制技术的发展，给交流调速开辟了广阔的前景。因而，近年来，交流电力传动系统已成为世界电力传动研究的中心课题，其技术也日趋成熟，处于扩大应用、系列化的新阶段。

三．本课程的性质、任务和内容

《电力传动自动控制系统》是一门专业课。电力传动技术横跨电机学、电力电子技术、微电子技术、自动控制理论和计算机控制技术等学科，并融合了生产设备及工艺流程等内容。

通过本课程的学习，使学生掌握电力传动的基本运转性能、电动机选择等必须的基本理论知识，并掌握其基本计算方法及实验技能，同时为今后学习《电力传动自动控制系统》等专业课以及以后的专业设计(包括课程设计和毕业设计)准备必要的理论基础。

1.2 电力传动系统的运动方程式

正确拟定和应用运动方程式是研究电力传动系统的基础。电力传动系统是多种多样的，在推导运动方程式时，首先从最简单的电力传动系统来分析。最简单的电力传动系统是电动机的转轴与生产机械的工作机构直接相连，工作机构是电动机的负载，这种简单系统称为单轴电力传动系统。其中电动机与负载为一个轴、同一转速，如图1-1所示。 J L Ω T L

图1-1 单轴电力传动系统 大部分电动机所做的运动为旋转运动。根据力学中的刚体转动定律单轴电力传动系统的转动方程式为

dt d J T T L Ω=- (1-1) 式中

T ——电动机的转矩，单位为牛·米(N ·m)；

T L ——工作机构(负载)的转矩，单位为牛·米(N ·m)；

J ——系统的转动惯量，单位为千克·米2(kg ·m 2)；

Ω——电动机的角速度，单位为弧度/秒(rad/s)； t ——时间，单位为秒(s)；