第二章 机电传动系统动力学基础

1、邓星钟邓星钟 主编主编 电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。有变压器和旋转电机。两种方法归纳如下：两种方法归纳如下： 电机电机变压器变压器直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机交流电机交流电机控制电机控制电机同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电机异步电机异步发电机异步发电机异步电动机异步电

2、动机概述概述 要求掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运要求掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分行性能、分析计算及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。 电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法

3、。4)4)本课程的特点及学习方法本课程的特点及学习方法 电力拖动系统一般由电动机、生产机械的工作机构、传电力拖动系统一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源五大部分组成。动机构、控制设备及电源五大部分组成。 电力拖动系统中有的部件作电力拖动系统中有的部件作直线运动直线运动、有的部件作、有的部件作旋转旋转运动。运动。采用古典动力学来分析。采用古典动力学来分析。电源电源控制设备控制设备电动机电动机传动和工作机构传动和工作机构 电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成一定的电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务生产任务根据动量守恒定律：根据动量守恒定律： MLd

4、TTJd t23 7 5MLG Dd nTTd t电动机电动机生产机械生产机械TMnTLT0轴轴TMTLn电力拖动系统正方向的规定：电力拖动系统正方向的规定： 轴轴TMTLn 先规定旋转方向为正方向，先规定旋转方向为正方向，转速转速 n 的正方向一般选实际转向。的正方向一般选实际转向。 规定规定 规定规定。 在工程计算中，常用在工程计算中，常用 n 代替代替 表示系统速度，用飞轮矩表示系统速度，用飞轮矩GD2代替代替 J 表示系统机械惯性表示系统机械惯性dtdJTTLM gGDDgGmJn42 602222 dtdnGDTTLM3752)( ,2)( ,)( ,)( ,)( ,2mNGDmDN

5、Gmkgm工程上看成整体转动部分的飞轮矩转动部分的惯性直径转动部分的重量转动部分的惯量半径转动部分的质量dtdnGDTTTLMd3752 讨论讨论:1)当当Td=0时时, 系统系统2)当当Td0时时, 系统为动态系统为动态: (1) Td0, dn/dt = a0, 系统加速，系统加速， (2) Td0, dn/dt = a0, 系统减速，系统减速，因此因此: TM ，TL有大小，有方向。有大小，有方向。nTMTLnTMTL2375MLG DdnTTdt2375MLGD dnTTdt2375MLGD dnTTdt 由运动方程看，要能提升由运动方程看，要能提升重物，必须有重物，必须有TMTL，系

6、统系统才有提升加速度。才有提升加速度。 由运动方程看：电动机转矩由运动方程看：电动机转矩为负，也是制动转矩为负，也是制动转矩,系统减速系统减速提升，直至停止。提升，直至停止。图图(a)2375MLGD dnTTdt2375MLGD dnTTdt图图(b)(a) 旋转运动旋转运动 (b) 直线运动直线运动 21 :1jjnnjj TjTTTTPLLMLLMLLLLMLL 为为系系统统的的速速比比TM M等效负载等效负载电动机电动机TL电动机电动机工作机构工作机构TM Mj11j22 2TL L 1/LLCTT 21: C传传动动效效率率转矩的耗损：转矩的耗损：)11( CLLCLTjTjTT 注

7、意：当注意：当M为拖动性为拖动性，由电动机提供；由电动机提供；当当M为制动性为制动性， 由负载提供。由负载提供。 MLLLCTT 考虑各级效率时：考虑各级效率时：cLLMLTT jTTTcLLMcLL 22112221.212121LLMMMZJJJJ gGDDgGmJn ZM4260/2222 22112.21LLMMZjJjJJJ TM MGDZ2等效负载等效负载电动机电动机TL电动机电动机工作机构工作机构TM Mj11j22 2TL LGDM2GD12GDL2 122112221.212121LLMMZJJJJ 22221121122222111.11.LLMLMLMMMZjJjjJjJ

8、JJJJJJ 222221222121.22LLMZjGDjjGDjGDGDGD 11 Mj LMLj 22212122LLMZjGDjGDGDGD TM GDZ 2等效负载等效负载电动机电动机TL电动机电动机工作机构工作机构TM j11j22 2TL LGDM2GD12GDL2 1222L 1 MGDGDGD、式式中中：），（），（ min/ N :rvF度度工工作作机机构构直直线线运运动动的的速速工工作作机机构构的的直直线线作作用用力力其其中中Fv：PL 切削功率切削功率cnFvncFvcFvTcFvTMMMLL 55. 9260 折折算算前前后后功功率率不不变变总质量总质量m电动机电动机

9、刨刀刨刀TMnFTM J等效负载等效负载电动机电动机TLvTM MGD2等效负载等效负载电动机电动机TL电动机电动机滚筒滚筒TM Mj11j22 2 GDM2GD12GDL2 1mv提升运动：电动机为电动状态提升运动：电动机为电动状态下降运动：电动机为发电状态下降运动：电动机为发电状态（1 1）提升运动：方法同平移运动）提升运动：方法同平移运动MLncFvT 55. 9 平移平移MZMLncvGncmgvT 55.955.9 提提升升（2 2）下降运动）下降运动55.9cnvGTMZL cvGvGvGcvGZZZZ 下下降降提提升升cc 12 下降时降时的传动效提升和下降的传动损耗相同提升和下

10、降的传动损耗相同重物质量重物质量重物质量重物质量2.2.飞轮矩的折算飞轮矩的折算gGmngGDJngGDJmvZMMZZMZMZ 602 4602421212122222， 总质量总质量m电动机电动机刨刀刨刀TMnFTM MJZ等效负载等效负载电动机电动机TLv222211MLLMZvmjJjJJJ 旋转部分的折算旋转部分的折算直线部分的折算直线部分的折算（2 2）飞轮矩的折算）飞轮矩的折算 42gGDJ 因因：2222212122365MLLMZnGvjGDjGDGDGD 得得：旋转部分的折算旋转部分的折算直线部分的折算直线部分的折算222211MLLMZvmjJjJJJ 22187.4GD

11、Nm222245GDNm223735GDNm12500 /nr m21000 /nr m3500 /nr m/1132.33MMcMcnTT jTNmn13222222221233( )()3675nZnnGDGDGDGDNmn/123.5( /)375LMLZdnTTr m sGDdt负载的机械特性指：负载的机械特性指：)(LTfn 这类生产机械的转矩这类生产机械的转矩TL的大小不随转速的大小不随转速n的变化而改变。的变化而改变。1. 1. 反抗性恒转矩负载机械特性反抗性恒转矩负载机械特性转矩总是阻碍运动的转矩总是阻碍运动的反抗性负载反抗性负载当转动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。当转

12、动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。nT0TL-TL2、位能性恒转矩负载的机械特性、位能性恒转矩负载的机械特性TL电动机轴电动机轴TMn特点：绝对值大小恒定；作用方向与特点：绝对值大小恒定；作用方向与n无关，不变。无关，不变。nT0TL二、恒功率负载机械特性二、恒功率负载机械特性nTL0负载转矩与转速成反比关系负载转矩与转速成反比关系TL=K/n负载功率负载功率: LTP 2它与它与n无关，称恒功率负载。无关，称恒功率负载。三、泵类负载机械特性三、泵类负载机械特性变转矩类负载转矩基本上与转速成平方关系负载转矩基本上与转速成平方关系TL=kn2。负载属于反抗性负载负载属于反抗性负载四、电力拖

13、动系统稳定运行条件四、电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。的。nAMTLTAn0在在 点点,系统平衡系统平衡ALMTT An扰动使转速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速

14、由 上升到上升到 ， ，扰动消失，系，扰动消失，系统减速，回到统减速，回到 点运行。点运行。AAnAnLMTT nAMTLTAn0An 扰动使转速由扰动使转速由 下降到下降到 ，扰动消失，系统加速，回到扰动消失，系统加速，回到 点运点运行。行。AAnAn LMTT nAMTLTAn0电机的机械特性：电机的机械特性：n=f(TM） 负载的机械特性：负载的机械特性：n=f(TL） 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：nBemTLTBn0在 点，系统平衡BLMTT 1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在LMTT Bn 扰动使转速由 下降到 ，系统将一直减速，不可能回到 点运行

15、。BBnBn LMTT nBMT2TBn0Bn扰动使转速由 上升到 ，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到 点运行。BnBnLMTT nBMTLTBn02.充分条件: 在交点 处满足 。或者说，在交点的转速是上升时 ,在交点的转速是下降时 。LMTT dndTdndTLM LMTT LMTT 例例1, 试判别右图所示三相异试判别右图所示三相异步电动机特性曲线与恒转矩步电动机特性曲线与恒转矩负载特性曲线组成系统的稳负载特性曲线组成系统的稳定平衡点定平衡点.分析分析: 由机电传动系统稳定判由机电传动系统稳定判据的两个条件，分别判别图据的两个条件，分别判别图中中a点和点和b点是否满足稳定运点是否

16、满足稳定运行的条件。行的条件。nbTMTLn1. 意义：为机电传动提供控制原则，设计出完善的自动控制线 路。2. 过渡过程的基本规律：机电传动系统参数，如转速，转矩，电流等对时间的变化规律。3. 举例: 1) 龙门刨床的工作台：它在工作中经常需要起动、制动、反转、调速，要求过渡过程尽量快，以提高生产率。 2) 电梯：要求起动，制动平滑，速度变化不能过大，以保证安全和舒适。3) 印刷机：要求限制加速度的大小，以保证生产出合格产品。1. 机电传动系统产生过渡过程的原因机电传动系统产生过渡过程的原因 外部原因外部原因:系统的转矩关系被破坏系统的转矩关系被破坏; 内部原因内部原因:系统中存在有贮能的惯

17、性元件系统中存在有贮能的惯性元件.2.机电传动系统产生过渡过程的惯性机电传动系统产生过渡过程的惯性 1) 机械惯性机械惯性: 反映在转动惯量或飞轮转矩上反映在转动惯量或飞轮转矩上，使转速不能突变使转速不能突变。 2)电磁惯性电磁惯性: 反映在电感上反映在电感上，如直流电动机有机电时间常数和电如直流电动机有机电时间常数和电 气时间常数气时间常数。 3)热惯性热惯性: 反映在温度上反映在温度上。（比较慢不考虑）。（比较慢不考虑） 一般情况下一般情况下,只考虑机械惯性只考虑机械惯性 1、机电传动系统的机电时间常数：mstmTnGD02375mtsenn/1mtLstLMeTTTT/)(mtLstLa

18、eIIII/)( 2、只考虑机械惯性时，系统过渡过程的运动规律为 : 1) 起动时起动时: t=0，TM=Tst 动态转矩动态转矩Td最大最大，转速迅速上升转速迅速上升。 2) 稳态稳态: TM=TL,n=ns，工程上认为工程上认为， 当当: m)53( 转速已达到稳态转速转速已达到稳态转速，过过渡过程结束渡过程结束。l1.机电时间常数的表达式 stmTnGD02375表示机电时间常数的几何意义22375temKKRGD表示机电时间常数的物理意义(交流异步电动机和直流他激及并激电动机拖动系统)2.机电时间常数是机电传动系统中的重要参数，直接影响系统 过渡过程的快慢。 大，则过渡过程进行得慢 ; 小，则 过 渡过程进行得快。1. 过渡过程时间过渡