第2章_电力拖动系统动力学

1、天津职业技术师范大学2.4 电力传动系统稳定运行条件电力传动系统稳定运行条件重点重点2.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式重点重点2.2 负载转矩和飞轮矩的折算负载转矩和飞轮矩的折算了解了解2.2.1 旋转运动旋转运动2.2.2 平移运动平移运动2.2.3 升降运动升降运动折算中最难折算中最难2.3 电力传动系统的负载特性电力传动系统的负载特性重点重点2.3.1 恒转矩负载特性恒转矩负载特性2.3.2 通风机与泵类的负载特性通风机与泵类的负载特性2.3.3 恒功率负载特性恒功率负载特性天津职业技术师范大学2.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式v1电力拖动系统

2、运动形式的种类电力拖动系统运动形式的种类 生产机械种类繁多，运动形式也各不相同生产机械种类繁多，运动形式也各不相同 电力拖动系统：电力拖动系统：v单轴（重点介绍）单轴（重点介绍）v多轴（可折算成单轴）多轴（可折算成单轴） 运动形式：运动形式：v旋转运动旋转运动v直线运动：平移运动、升降运动直线运动：平移运动、升降运动 天津职业技术师范大学四种典型的电力拖动系统四种典型的电力拖动系统U+电动机电动机TTLn负载负载1）单轴旋转拖动系统）单轴旋转拖动系统2）多轴旋转拖动系统）多轴旋转拖动系统3）多轴旋转加平移运动的拖动系统）多轴旋转加平移运动的拖动系统4）多轴旋转加升降运动的拖动系统）多轴旋转加升

3、降运动的拖动系统21GD22GD23GD24GD2gGDMndTngTgi1i21indMndnjvzGzFgMG1G2vgnd天津职业技术师范大学2.2.单轴电力拖动系统的组成单轴电力拖动系统的组成T T电磁转矩，电磁转矩，N Nm mn n 电机转速，电机转速，r/minr/minT TL L负载转矩，负载转矩，N Nm mv工作过程：工作过程：l电动机电动机M通过联轴器与生产机械相连通过联轴器与生产机械相连l由电动机由电动机M产生输出转矩产生输出转矩Tl用来克服负载转矩用来克服负载转矩TLl拖动生产机械拖动生产机械l并以同一角速度并以同一角速度（或转速（或转速n）旋转）旋转v特点：特点：

4、l拖动系统的负载与电动机轴直接相连拖动系统的负载与电动机轴直接相连l负载的转速与电动机的转速相同，即：负载的转速与电动机的转速相同，即：l nL n（或（或L ）天津职业技术师范大学3单轴拖动系统运动方程式单轴拖动系统运动方程式v1）运动方程的公式）运动方程的公式l牛顿第二定律牛顿第二定律l根据运动形式不同而不同：根据运动形式不同而不同：v直线运动：平移运动、升降运动直线运动：平移运动、升降运动v旋转运动：旋转运动：U+电动机电动机TTLn负载负载madtdvmFF21LTT 图图1.1 单轴旋转单轴旋转 拖动系统图拖动系统图) 11 ( dtdJ天津职业技术师范大学1）运动方程的公式）运动方

5、程的公式v式中，式中，T 电动机的电磁转矩，电动机的电磁转矩，NmTL负载转矩，负载转矩，Nm（TTL）系统的动态转矩或加速转矩，系统的动态转矩或加速转矩，NmJ 旋转系统的转动惯量，旋转系统的转动惯量，Nms2 转子旋转转子旋转机械角速度机械角速度，rad/s 转子旋转转子旋转机械角加速度机械角加速度，rad/s2) 11 ( dtdJTTLdtd天津职业技术师范大学2）运动方程的实用公式）运动方程的实用公式v转动惯量转动惯量 J 是是物理学物理学中常用的物理量中常用的物理量v工程上工程上l常用常用飞轮矩飞轮矩 GD2 代替代替转动惯量转动惯量 J 来表示系统的机械惯性来表示系统的机械惯性l

6、常用常用转速转速 n 代替代替角速度角速度 来表示系统转动速度来表示系统转动速度l它们之间的关系为：它们之间的关系为：2mJ )31 (602ngG22 D)21 (42gGD)11( dtdJTTL天津职业技术师范大学v式中，式中，m 系统转动部分的质量，系统转动部分的质量，kgG 系统转动部分的重力，系统转动部分的重力，Ng 重力加速度，一般取重力加速度，一般取9.8m/s2 系统转动部分的系统转动部分的转动惯性半径转动惯性半径，mD 系统转动部分的系统转动部分的转动惯性直径转动惯性直径，mn 电动机转速，电动机转速，r/min或或rpm)31 (602n)21 (42222gGDDgGm

7、J天津职业技术师范大学v分别将式分别将式(1-2)和和(1-3)代入运动方程式代入运动方程式(1-1)v即可得到运动方程的实用公式即可得到运动方程的实用公式 式中，式中，GD2 系统系统转动部分转动部分的飞轮矩，的飞轮矩，Nm2) 11 ( dtdJTTL)21 (422gGDmJ)31 (602ndtdJTTLgGD42dtdn602)41 (3752dtdnGDdtdngGD26042天津职业技术师范大学v电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式v注意：注意：lGD2可由产品样本或机械手册上查出可由产品样本或机械手册上查出l系数系数 375 = 4g602 是个是个有单位有单位的系

8、数，单位为的系数，单位为m/minslD为系统转动部分的为系统转动部分的转动惯性直径转动惯性直径)41 (3752dtdnGDTTL天津职业技术师范大学3）系统旋转运动的三种状态）系统旋转运动的三种状态dtdnGDTTL3752LTT LTT LTT 0dtdn0dtdn0dtdn因此，（因此，（TTL）被称为系统的动态转矩或加速转矩）被称为系统的动态转矩或加速转矩天津职业技术师范大学4）运动方程式中各量参考方向（即规定的正方向）运动方程式中各量参考方向（即规定的正方向）v首先规定首先规定转速转速n的的正方向正方向l电动机处于电动机处于电动电动状态时的旋转方向状态时的旋转方向v然后确定各转矩的

9、正、负号然后确定各转矩的正、负号l电磁转矩电磁转矩T：l与转速与转速n的的正方向相同正方向相同时为正，时为正，相反相反时为负时为负l负载转矩负载转矩TL：l与转速与转速n的的正方向相反正方向相反时为正，时为正，相同相同时为负时为负l惯性转矩惯性转矩(TTL)：由由T和和TL的代数和决定的代数和决定nTTLU+电动机TTLn负载图1.1 单轴旋转 拖动系统图方向 ？天津职业技术师范大学讨论：讨论： 起重机作升降运动时，电磁转矩起重机作升降运动时，电磁转矩T、负载转矩负载转矩TL的正、负号？的正、负号？v首先规定首先规定n的正方向的正方向v然后确定各转矩的正、负号然后确定各转矩的正、负号提升重物时

10、提升重物时vnL 0vT与与n的的正方向正方向相同相同vTL与与n的的正方向正方向相反相反下放重物时下放重物时vnL 0nL 0nL 0TTLT特点特点相同相同相反相反0 T0LT0 T0LT0T0T相同相同相反相反n的正方向的正方向相反相反相相同同nL00LTTnL00LTTTL大小恒定不变大小恒定不变TL方向固定不变方向固定不变TT负载负载特性特性曲线曲线位于第位于第象限象限位于第位于第象限象限 TL阻碍阻碍运动运动是是制动性制动性转矩转矩 TL帮助帮助运动运动是是拖动性拖动性转矩转矩T：摩擦性转矩，总与运动方向：摩擦性转矩，总与运动方向相反相反天津职业技术师范大学位能性恒转矩负载应用场合

11、：位能性恒转矩负载应用场合：v电梯电梯v提升机提升机v起重机起重机v卷扬机卷扬机天津职业技术师范大学思考：思考： 反抗性恒转矩负载，与反抗性恒转矩负载，与位能性恒转矩负载的区别位能性恒转矩负载的区别GvF = GGvF = GnL TTLTTLnLTT天津职业技术师范大学2.3.2 2.3.2 通风机与泵类负载特性通风机与泵类负载特性 特点：特点：负载转矩与转速平方成正负载转矩与转速平方成正比，即有：比，即有： 例如水泵，油泵等，如图所示，例如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦转矩后虚线是在考虑了轴承上的摩擦转矩后得出的实际鼓风机负载转矩。得出的实际鼓风机负载转矩。 图2.7

12、通风机、泵类 负载特性曲线2LLnkT2LLnT 天津职业技术师范大学通风机与泵类负载应用场合：通风机与泵类负载应用场合：v通风机：通风机：鼓风机或吹风机鼓风机或吹风机例如，燃煤锅炉入口例如，燃煤锅炉入口引风机或抽风机引风机或抽风机例如，燃煤锅炉出口例如，燃煤锅炉出口v泵类：泵类：水泵水泵油泵油泵天津职业技术师范大学2.3.3 2.3.3 恒功率负载特性恒功率负载特性nTLn=f(TL)0恒功率负载转矩特性v特点：特点：负载转矩与转速成负载转矩与转速成反比反比，即，即其中，其中，k为比例系数，为比例系数，常数常数v此时负载功率为此时负载功率为LnkT LLLTP602LLnT602LLnnk2

13、60k常数55. 9kn 从上式可以看出：从上式可以看出：n当转速变化时，当转速变化时，负载功率负载功率保持保持不变不变n故称之为故称之为恒功率恒功率负载特性负载特性顾名思义顾名思义天津职业技术师范大学恒功率负载应用场合：恒功率负载应用场合：v机床的切削加工机床的切削加工粗粗加工时，需要较加工时，需要较大大吃刀量和较吃刀量和较低低速度速度精精加工时，需要较加工时，需要较小小吃刀量和较吃刀量和较高高速度速度v轧钢机轧制钢板轧钢机轧制钢板工件工件小小，需要，需要高高速度速度小小转矩转矩工件工件大大，需要，需要低低速度速度大大转矩转矩v从生产加工工艺要求的总体看从生产加工工艺要求的总体看负载的负载的

14、转速与转矩之积为常数转速与转矩之积为常数恒功率恒功率负载特性负载特性天津职业技术师范大学电力拖动系统的负载特性传动机构电动机生产机械负载特性 摩擦恒转矩l生产流水线l起重行走速度nT负载转矩 位能恒转矩l电梯l起重机提升 恒功率 （速度越低，速度越低， 负载转矩越大）负载转矩越大）l机床l开卷机/收卷机 变转矩 （速度越低，负载速度越低，负载 转矩越小）转矩越小）l风机水泵负载转矩大小于与转速无关天津职业技术师范大学说说 明：明：v以上所述各种负载都是从实际负载中概括出来的典型以上所述各种负载都是从实际负载中概括出来的典型负载形式负载形式v实际的负载可能是实际的负载可能是以某种典型为主以某种典

15、型为主，或，或某几种典型的某几种典型的结合结合v例如例如通风机：主要是通风机：主要是泵类泵类负载特性，但是轴承摩擦又是负载特性，但是轴承摩擦又是反抗性恒反抗性恒转矩转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已负载特性，只是运行时后者数值较小而已起重机：在提升或下放重物时，主要是起重机：在提升或下放重物时，主要是位能性位能性恒转矩负载恒转矩负载v分析拖动系统时，负载转矩特性都作为分析拖动系统时，负载转矩特性都作为已知量已知量对待对待天津职业技术师范大学 电力拖动系统电力拖动系统稳定运行必要条件稳定运行必要条件： T=TT=TL L ，即工作机构转，即工作机构转矩特性矩特性 T TL Ln(n(恒转矩

16、负载、泵类负载、恒转矩负载恒转矩负载、泵类负载、恒转矩负载) )与电动与电动机机械特性机机械特性T Tn n 之间有交点。之间有交点。 电力拖动系统电力拖动系统稳定运行充分条件稳定运行充分条件：若系统有扰动，系统建：若系统有扰动，系统建立新的稳定工作点，干扰消失，重新回到原来的工作点，则立新的稳定工作点，干扰消失，重新回到原来的工作点，则系统稳定；否则系统不稳定。系统稳定；否则系统不稳定。 “扰动扰动”含义：含义：u一般是指电网电压的波动或负载的微小变化一般是指电网电压的波动或负载的微小变化天津职业技术师范大学AAn1n1BC11TnTBTLTC20电力拖动系统稳定运行分析天津职业技术师范大学0TTemnABB11天津职业技术师范大学u结论：结论：u对于拖动系统对于拖动系统u其工作点（平衡状态）稳定运行的其工作点（平衡状态）稳定运行的u充分必要充分必要条件