第二章电力拖动系统的动力学基础.

1、 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程；工作机构的转矩和飞轮矩的折算折算及负载转矩特性。为介绍电力拖动的机械特性与过渡过程等内容准备必要的理论基础。 拖动：由原动机带动生产机械运转拖动：由原动机带动生产机械运转 电力拖动：以电动机拖动生产机械运转的拖电力拖动：以电动机拖动生产机械运转的拖动方式动方式 一般情况下，电力拖动系统由一般情况下，电力拖动系统由电动机电动机、生产生产机械的传动机构、工作机构、控制设备及电机械的传动机构、工作机构、控制设备及电源源 5 5 大部分组成。大部分组成。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系统示意图电力拖动系统示意图 在许多情况

2、下，电动机与工作机构之间在许多情况下，电动机与工作机构之间有传动机构。有传动机构。 通常把机械的通常把机械的传动机构传动机构及生产机械的及生产机械的工工作机构作机构称为称为 电力拖动系统中电动机带动负载的力学电力拖动系统中电动机带动负载的力学问题是我们要讨论的主要问题。问题是我们要讨论的主要问题。 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运动旋转运动。采用古典动力学来分。采用古典动力学来分析。析。一一. .运动方程式运动方程式1.1.直线运动时的运动方程式直线运动时的运动方程式F - -拖动力拖动力（N）；Fz - -阻力阻力（N N）；m(d

3、v/dt)-惯性力。惯性力。作直线运动的物体作直线运动的物体2.2.旋转运动时的方程式为：旋转运动时的方程式为：T - -电动机产生的拖动转矩电动机产生的拖动转矩(Nm)；Tz - -阻转矩（或称负载转矩）阻转矩（或称负载转矩）(Nm)；J(d/dt)-惯性转矩（或称加速转矩）。惯性转矩（或称加速转矩）。旋转运动的物体旋转运动的物体3.3.转动惯量转动惯量 J 表示为表示为: :m 与与 G - - 旋转部分的质量旋转部分的质量（kg）与重量与重量(N)； 与与 D - - 惯性半径与直径惯性半径与直径（m）；g = 9.81m/s2 - - 重力加速度。重力加速度。转动惯量转动惯量 J 的单

4、位为的单位为 kgm2或或N m2gGDDgGmJ42222实际计算中常将实际计算中常将 旋转运动方程式旋转运动方程式 化为另一化为另一种形式种形式即将角速度即将角速度 （rad/s）化成用每分钟转数化成用每分钟转数 n (r/min) 表示的形式表示的形式这样有旋转运动方程式的实用形式这样有旋转运动方程式的实用形式4.4.旋转运动方程式的实用形式旋转运动方程式的实用形式GD2 - - 称为飞轮矩称为飞轮矩（Nm2）5.5.电动机的工作状态电动机的工作状态l稳定运转状态稳定运转状态当当 T = TZ，dn/dt=0，n =常值，电动机常值，电动机静止或静止或等速旋转等速旋转l加速状态加速状态

5、当当 T TZ，dn/dt 0l减速状态减速状态 当当 T TZ，dn/dt 0) 或吸收的机械功率或吸收的机械功率 （ T 0) 或释放的机械功率或释放的机械功率 (TZ 0) 拖动系统动能拖动系统动能 的变化的变化dtdJTTZ)21(2JdtddtdJTTZ2.2 工作机构转矩、飞轮矩的折算工作机构转矩、飞轮矩的折算实际拖动系统的轴常是不止一根，这种系统实际拖动系统的轴常是不止一根，这种系统显然比一根轴的系统要复杂，计算起来也较显然比一根轴的系统要复杂，计算起来也较为困难；为困难；如要全面研究这个系统的问题，必须：如要全面研究这个系统的问题，必须： 对每根轴列出其相应的运动方程式；对每根

6、轴列出其相应的运动方程式；列出各轴间互相联系的方程式；列出各轴间互相联系的方程式；最后把这些方程式联系起来，全面地研究系最后把这些方程式联系起来，全面地研究系统的运动。统的运动。问题！这种方法研究系统太复杂！问题！这种方法研究系统太复杂！多轴系统到单轴的简化多轴系统到单轴的简化对电力拖动系统而言，通常把对电力拖动系统而言，通常把电动机轴作为电动机轴作为研究对象研究对象即可即可解决途径：解决途径：把实际的拖动系统等效为单轴系统把实际的拖动系统等效为单轴系统等效原则：等效原则：保持两个系统保持两个系统传送的功率传送的功率及及储存的动能储存的动能相同相同一一.工作机构转矩工作机构转矩 Tz的折算的折

7、算用电动机轴上的阻转矩用电动机轴上的阻转矩 Tz 来反映工作来反映工作机构轴上实际转矩机构轴上实际转矩 Tz的工作的工作折算的原则：折算的原则： 系统的系统的传送功率传送功率不变不变多轴系统到单轴的简化多轴系统到单轴的简化若不考虑中间传动机构的损耗若不考虑中间传动机构的损耗有如下关系：有如下关系：转速比，转速比，j = /Z = n/nz 解决问题的思路：解决问题的思路： 将传动机构各轴的转动惯量将传动机构各轴的转动惯量 J1 、J2 、J3 .及工作机构的转动惯量及工作机构的转动惯量 Jz 折算到电动机轴折算到电动机轴上，用电动机轴上一个等效的转动惯量上，用电动机轴上一个等效的转动惯量 J来

8、反映整个拖动系统中转速不同的各轴的转来反映整个拖动系统中转速不同的各轴的转动惯量动惯量二二. 飞轮矩的折算飞轮矩的折算折算原则：折算原则： 实际实际系统与等效系统系统与等效系统储存动能储存动能相等相等。有有下列下列关系：关系：考虑到考虑到 GD2 = 4gJ， = 2n/60，得得2.32.3 考虑传动机构损耗的简化方法考虑传动机构损耗的简化方法传动机构损耗的简化考虑方法可在折算公式中引传动机构损耗的简化考虑方法可在折算公式中引入传动效率入传动效率 c 一一.工作机构转矩工作机构转矩 Tz的简化折算的简化折算 1.电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态电动机带动工作机构，功率由电动机向工作机

9、构电动机带动工作机构，功率由电动机向工作机构传送传送传动损耗由电动机承担传动损耗由电动机承担电动机发出的功率比生产机构消耗的功率大电动机发出的功率比生产机构消耗的功率大2.电动机工作在发电制动状态电动机工作在发电制动状态l工作机构带动电动机，功率传送方向与电动状工作机构带动电动机，功率传送方向与电动状态时相反态时相反l传动损耗功率由工作机构承担传动损耗功率由工作机构承担l传送到电动机轴上的功率较工作机构轴上的功传送到电动机轴上的功率较工作机构轴上的功率小率小c 为传动机构总效率，在多级传动时，如为传动机构总效率，在多级传动时，如各级效率为各级效率为 c1、c2、c3.,则则 c 应为：应为：

10、c = c1 c2 c3. 每对齿轮（用滚动轴承）的满载效率为每对齿轮（用滚动轴承）的满载效率为 0.975 0.985；蜗轮蜗杆传动的满载效率为；蜗轮蜗杆传动的满载效率为 0.5 0.7 ，可由机械工程手册上查到。可由机械工程手册上查到。u 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 GD2等效负载等效负载电动机电动机TZ电动机电动机工作机构工作机构T j11j222TZ zGDd2GD12GDZ2 1二、二、旋转运动旋转运动的的转矩转矩折算折算转矩折算的原则：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czz

11、TzTjczTzczTzT1. 电动状态电动状态T GD2等效负载等效负载电动机电动机TZ电动机电动机工作机构工作机构T j11j222TZ zGDd2GD12GDZ2 1.321321jjjjTTczzz 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轴角速度电机轴角速度电机轴角速度 发电制动状态：功率由工作机构发电制动状态：功率由工作机构电机电机czzTzTcjzTczzTzT2. 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

12、变系统传递的功率不变三、三、旋转运动旋转运动的飞轮矩折算的飞轮矩折算飞轮矩折算的原则：飞轮矩折算的原则：系统储存的动能不变系统储存的动能不变221.21121221221zzJJdJJg42GD22DgG2mJ 60/2n221.21121221221zzJJdJJg42GD22DgG2mJ 60/2n21.22211121112.222211zjzJjjJjJdJzzJJJdJJ22.222122212122zjzGDjjGDjGDdGDGD四、平移运动的四、平移运动的转矩与飞轮矩转矩与飞轮矩的折算的折算总质量总质量mz电动机电动机刨刀刨刀TnVFT Jz等效负载等效负载电动机电动机TzFv

13、P 切削功率1.1.转矩转矩的折算的折算ncFvncFvcFvzTcFvzT55.9260 折算前后功率不变四、平移运动的转矩与飞轮矩的折算四、平移运动的转矩与飞轮矩的折算2.2.飞轮矩飞轮矩的折算的折算26024221221221ngzGDzJvzm223652602242nvzGnvzgmzGD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五、升降运动的五、升降运动的转矩与飞轮矩转矩与飞轮矩的折算的折算T GD2等效负载等效负载电动机电动机Tz电动机电动机滚筒滚筒T j11j222 zGDd2GD12GD22 1mv v提升运动：电动机为电动状态提升运动：电动

14、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(1).(1).转矩转矩的折算的折算ncFvzT55. 9平移ncvzGncmgvzT55. 955. 9提升2.2.下降运动下降运动55. 9cnvzGzTcvzGvzGvzGcvzG下降提升cccc12111当提升和下降的传动损耗相同当提升和下降的传动损耗相同飞轮矩的折算按动能不变原则飞轮矩的折算按动能不变原则(2).(2).飞轮矩飞轮矩的折算：不论提升还是下降运动的折算：不论提升还是下降运动223652nvzGzGD 平移223652nvzGzGD 提升2.42.4 生

15、产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性阻转矩（或称负载转矩）阻转矩（或称负载转矩）TZ 与转速与转速 n 的关的关系系 TZ=f(n)即为生产机械的即为生产机械的负载转矩特性负载转矩特性,分为三大类：分为三大类：l恒转矩负载恒转矩负载 反抗性恒转矩负载和位能性恒转反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载矩负载l通风机负载通风机负载l恒功率负载恒功率负载一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性特点：特点：负载转矩负载转矩 TZ 与转速与转速 n 无关。无关。即即当转速变化时，负载转矩当转速变化时，负载转矩 TZ 保持常值。保持常值。又可分为：又可分为：1.反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 反抗性恒转矩

16、负载的特点：反抗性恒转矩负载的特点：恒值转矩恒值转矩 Tz 总总是反对运动方向是反对运动方向 摩擦负载转矩，如金属的压延、机床的平摩擦负载转矩，如金属的压延、机床的平移机构等移机构等2.位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载l位能性恒转矩负载的特点：位能性恒转矩负载的特点：转矩转矩 Tz具有固具有固定的方向，不随转速方向改变而改变定的方向，不随转速方向改变而改变l如起重机类型负载中的重物如起重机类型负载中的重物位能性恒负载转矩位能性恒负载转矩二二. .通风机负载通风机负载 l特点：特点：负载转矩与转速有关，基本上与转负载转矩与转速有关，基本上与转速的平方成正比速的平方成正比，即，即 Tz = K n2l此类负载有通风机、水泵、油泵等。此类负载有通风机、水泵、油泵等。三三. .恒功率负载恒功率负载l车床在粗加工时，切削量大，切削阻力大，车床在粗加工时，切削量大，切削阻力大，开低速；精加工时，切削量小，切削力小，开低速；精加工时，切削量小，切削力小，开高速。开高速。l特点：特点：负载转矩基本上与转速成反比负载转矩基本上与转速成反比，即，即 负载转矩负载转矩Tz 与与 n 的特性曲线呈现恒功的特性曲线呈现恒功