电力拖动动力学

1、1第第2 2章章 电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学凡是由电动机作为动力，拖动各类生产机械，完成一定的生产工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。电力拖动系统的组成：由电源、电动机、传动机构、生产机械和控制装置等部分组成。图图2.1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成2电力拖动类型1.成组拖动成组拖动 一台电动机拖动几个工作机构。一台电动机拖动几个工作机构。 条件：电机容量大（但容量得不到充分利用）。条件：电机容量大（但容量得不到充分利用）。 缺点：不安全、效率低。缺点：不安全、效率低。图图2.1.2 成组拖动系统成组拖动系统32.单电机拖动系统 一台电动机拖动一个工作机构。 优点：电机容

2、量利用充分且控制方便，用于各种机床图图2.1.3 单机拖动单机拖动3.多电机拖动系统 一个生产机械有多个工作机构，每个工作机构用一台电机拖动。 比如：龙门铣床4图图1.1.4 多电机拖动多电机拖动4.自动化电力拖动系统 多学科综合应用， 比如：自动恒定功率、自动调节转矩5一、单轴与多轴系统单轴系统6多轴系统7首先用简单的单轴电力拖动系统进行分析。首先用简单的单轴电力拖动系统进行分析。1、物理中的加速度和力二、 单轴电力拖动系统的旋转运动方程 外力是改变物体运动状况的原因)2/()/()()( ,)( ,smdtdvasmvkgmNLFNFdtdvmmaLFF，直线运动部件的加速度直线运动部件的

3、加速度，直线运动部件的线速度直线运动部件的线速度直线运动部件的质量，直线运动部件的质量，的阻力的阻力作用在直线运动部件上作用在直线运动部件上的拖动力的拖动力作用在直线运动部件上作用在直线运动部件上 82、 单轴电力拖动系统的旋转运动方程TTF电动机电动机生产机械nT0T：电机的电磁转矩TF：工作机构（负载）的转矩T0：空载转矩。由风阻、轴承摩擦等原因引起的损耗负载转矩TL=TF+T0一般地，TFT0，TLTF分析电力拖动系统时，负载转矩为TLn：电动机转速MTnLT9轴TTLndT TJLdtU类似加速度公式，对旋转体的加速度公式为：()TN m：拖动/电磁转矩，()LTN m：负载转矩，2(

4、)Jkg m：转动部件的转动惯量，式中：(/ )rad s：转动部件的转动角速度，2(/)drad sdt：转动部件的机械角加速度，10在工程中，常用n代替表示系统速度，用飞轮矩GD2代替J表示系统机械惯性g42GD22DgG2mJ 60/2 ndtdnGDdtdngGDLTT375260242 ()()()()22()mkgmGNDmGDN m：转动部分的质量，：转动部分的惯性半径，：转动部分的重量，：转动部分的惯性直径，：转动部分的飞轮矩，11三种运动状态：三种运动状态：运动方程的实用形式运动方程的实用形式 dtdnGDLTT3752减速减速加速加速静止或匀速静止或匀速稳态稳态 00375

5、2003752)(003752dtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTT具有加速度的量纲具有加速度的量纲，、转矩转矩375min/,22,strnmNGDmNLTT 12 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：运动方程式中转矩正、负号的规定（1 1）电磁转矩）电磁转矩 与转速与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。的正方向相同时为正，相反时为负。Tn（2 2）负载转矩）负载转矩 与转速与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。的正方向相同时为负，相反时为正。LTn（3 3）惯性转矩）惯性转矩 的大小和正负号由的大小和正负号由 和和 的

6、代数和决定。的代数和决定。TLTdtdnGD 3752轴TTLn13实际系统中，大多通过传动机构与负载连接。图示是二级齿轮减速。速比为j1、j2，效率为1、2，三根转轴的转速为n、n1、nf。可以采用单轴系统列3组方程，联立求解，太麻烦。折算成单轴系统计算。22 jTf11 j电动机电动机T、T0工作机构工作机构TfT fGDa2GDb2 12fGD14u 多轴系统多轴系统单轴系统单轴系统 将将其它轴上其它轴上的转矩、飞轮矩的转矩、飞轮矩折算折算到到电动机轴电动机轴上上T GDL2等效负载等效负载TL电动机电动机T、T0TL15等效负载等效负载TL一、旋转运动的转矩折算转矩折算的原则：转矩折算

7、的原则：系统传递的功率不变系统传递的功率不变1. 电动状态电动状态ffTLT jfTffTLT 电动机电动机T、T0工作机构工作机构Tf传动机构传动机构P LTP1ffTP 2 转矩的折算是按照转矩的折算是按照速比的反比进行的速比的反比进行的16发电制动状态：功率由工作机构电机2. 2. 发电制动状态发电制动状态转矩折算的原则：转矩折算的原则：系统传递的功率不变系统传递的功率不变.321321jjjjTTLff 转动机构总速比转动机构总速比转动机构总效率转动机构总效率到电机轴上的负载转矩到电机轴上的负载转矩工作轴的负载转矩折算工作轴的负载转矩折算工作轴的负载转矩工作轴的负载转矩工作轴角速度工作

8、轴角速度电机轴角速度电机轴角速度 ffTLT jfTLfTLT 发电机发电机T、T0工作机构工作机构TL传动机构传动机构P LTP1ffTP 2 17飞轮矩折算的原则：飞轮矩折算的原则：系统储藏的动能不变系统储藏的动能不变22222)60242142121n(gGDgGDJA 旋转物体动能公式：旋转物体动能公式：22222)60242142121n(gGDgGDJA 旋转物体动能公式：旋转物体动能公式：22222)60242142121n(gGDgGDJA 旋转物体动能公式：旋转物体动能公式：22222)60242142121n(gGDgGDJA 旋转物体动能公式：旋转物体动能公式：1、对负载

9、轴：、对负载轴：二、旋转运动的飞轮矩折算22421ffgGD 2212 4FGDg22 jTf11 j电动机电动机T、T0工作机构工作机构TfT fGDa2GDb2 12fGD18折算前后动能不变：折算前后动能不变：2222112 42 4fFfGDGDgg 222222ffFfGDGDGDj所以，飞轮矩的飞轮矩的折算是按折算是按照速比平照速比平方的反比方的反比进行的进行的2、对其它轴：、对其它轴：类似的类似的2222212bbBbGDGDGDj所以，折算到电动机转轴上的总飞轮矩：所以，折算到电动机转轴上的总飞轮矩：2222222112fbaGDGDGDGDjj j19222222221122

10、(1)=0.20.3fbaDDGDGDGDGDGDjj jGD式中电机转子飞轮矩，可从电机手册查出。当电机轴接小齿轮时，如有其它部件如抱闸， 加大些。一般地，传动机构为减速箱，一般地，传动机构为减速箱，ji1，飞轮矩平方反比后数值小，飞轮矩平方反比后数值小，是次要部分。而电动机转子是总飞轮矩的主要部分，故是次要部分。而电动机转子是总飞轮矩的主要部分，故P12 ：例2-1T nGDL2等效负载等效负载TL电动机电动机T、T0TL11 j电动机电动机T、T0工作机构工作机构TfT nnfGDa2GDb2nb2fGD22 j22222211fbf2FG14.5,G18.8,G120,0.910.93

11、85n2450 /min,n810 /min,n150 /min,1G;2TabfDN mDN mDN mN mrrrD如下图所示的电力拖动系统中，已知飞轮矩传动效率，转矩T，转速忽略电机空载转矩，求：（ ）折算到电动机轴上的系统总飞轮矩（ ）折算到电动机轴上的负载转矩。21三、平移运动的转矩与飞轮矩的折算总质量总质量mF电动机电动机刨刀刨刀TnVFTnJF等效负载等效负载电动机电动机TF1.1.转矩转矩的折算的折算FvP 切切削削功功率率60 9.552FvTFFvFvFvTFnn 折算前后功率不变R22总质量总质量mF电动机电动机刨刀刨刀TnVFTnJF等效负载等效负载电动机电动机TF2.

12、2.飞轮矩飞轮矩的折算的折算其它轴上的飞轮矩其它轴上的飞轮矩的折算按旋转运动的方法的折算按旋转运动的方法22111222222 460GDnFm vJFFg 222224365602G vfnGDgm vFFn折算前后动能不变：折算前后动能不变：例例2-22-2，P13P132324四、升降运动的转矩与飞轮矩的折算T nGD2等效负载等效负载电动机电动机TL提升运动：电机为电动状态；损耗提升运动：电机为电动状态；损耗/ /摩擦力由电机承担摩擦力由电机承担电动机电动机滚筒滚筒T nj11j22nfGDa2GDb2GDf2nbmv vR下降运动：电动机为发电状态；损耗下降运动：电动机为发电状态；损

13、耗/ /摩擦力由重力承担摩擦力由重力承担25（1 1）提升运动：）提升运动：1.1.转矩转矩的折算的折算（2 2）下降运动：）下降运动：nnjGRjGRnjGRLTnjGRLTGV9.55-GV9.55TGV9.55,GV9.55 或或若计入损耗则：若计入损耗则：（同平移）（同平移）或或 1-21-2-T-LT, jGRjGRjGRjGRjGRjGRjGR方向相反方向相反损耗与上升时大小相同损耗与上升时大小相同负载转矩折算值负载转矩折算值TfTTTfTT26飞轮矩的折算按动能不变原则，与平移时相同2.2.飞轮矩飞轮矩的折算：的折算：不论提升还是下降运动不论提升还是下降运动223652nvfGL

14、GD 平移平移223652nvfGLGD 提升提升，高高速速（如如：离离心心机机），低低速速；补补充充说说明明齿齿轮轮传传动动时时：111221 jjjZZnn27起重机提升机构传动系统28起重机传动机构示意图29多轴电力拖动系统简化总结 旋转运动（发发电电机机）（电电动动机机） jfTLTjfTLT 222jGDGDfL （下降）（下降）（上升或平移）（上升或平移） nFvnFvLTnFvLTnn55. 91-255. 955. 9 GV9.55-GV9.55T223652nvLGLGD 升降或平移运动30 例2-3 P15 例2-4 P16312.3 2.3 负载的转矩特性负载的转矩特性一

15、、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，也是负载的机械特性，简称负载特性。负载的转矩特性，也是负载的机械特性，简称负载特性。 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速与转速 无关的无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。nLT（1）反抗性恒转矩负载）反抗性恒转矩负载T TL Ln（2）位能性恒转矩负载）位能性恒转矩负载T TL LnTLnnTL轧钢机、造纸机、皮轧钢机、造纸机、皮带传输机、机床的刀带传输机、机床的刀架平移机构架平移机构TLnnTL电梯、卷扬机、起电梯、卷扬机、起重机等

16、提升类负载重机等提升类负载)(LTfn 总是阻碍运动提升，阻碍运动下降，帮助运动32二、恒功率负载特性二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即矩与转速的乘积为一常数，即 与与 成反比，特性曲线为一条双成反比，特性曲线为一条双曲线。曲线。nLTT TL Ln三、泵与风机类负载特性三、泵与风机类负载特性 负载的转矩负载的转矩 基本上与转基本上与转速速 的平方成正比。负载特性的平方成正比。负载特性为一条抛物线。为一条抛物线。LTnT TL Ln12TL0车床等生产机械车床等生产机械水泵、油泵及离水泵、油泵及离心式通风机心式通风机粗加工33四、 系

17、统稳定运行的条件 电力拖动系统的运动状态是由电动机的电磁转矩T和负载转矩TL共同决定的。电力拖动系统的运动状态：电力拖动系统的运动状态：减减速速加加速速静静止止或或匀匀速速稳稳态态 003752003752)(003752dtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTT当T=TL时， ，系统处于稳定状态。该点称为工作点。0 dtdn341、稳定运行的概念 当系统在某一工作点稳定运行时，扰动作用会导致系统的转速当系统在某一工作点稳定运行时，扰动作用会导致系统的转速发生变化。如果在扰动持续期间，系统能在新的条件下达到新的发生变化。如果在扰动持续期间，系统能在新的条件下达到新的平衡，在新的工作点稳速运行，而且在扰动消失后能够自动回到平衡，在新的工作点稳速运行，而且在扰动消失后能