第一章 电力拖动系统的动力学基础

1、 第1章电力拖动系统的动力学Dynamics of Electric Drive Systems本章教学基本要求本章教学基本要求1.了解电力拖动基本概念；了解电力拖动基本概念；2.熟悉电力拖动系统运动方程式；熟悉电力拖动系统运动方程式；3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。掌握拖动转矩和负载转矩的概念。重点：重点： 运动方程式和负载转矩。运动方程式和负载转矩。1.1典型生产机械的运动形式及转矩典型生产机械的运动形式及转矩1.1.1电力拖动系统的基本概念电力拖动系统的基本概念电力拖动电力拖动拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动拖动。 电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是

2、负电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电电力拖动力拖动。2.电力拖动系统：用电动机将电能转换成机械能，拖动电力拖动系统：用电动机将电能转换成机械能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统。生产机械，并完成一定工艺要求的系统。2.电力拖动系统组成电力拖动系统组成图图1-1 电力拖动系统电力拖动系统传动机构生产机械控制系统电动机电源采用电力拖动主要原因采用电力拖动主要原因 现代化生产中，多数生产机械都采用电现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是力拖动，主要原因是 ：1. 电能的运输、分配、控制方便经济。电

3、能的运输、分配、控制方便经济。2. 电动机的种类和规格很多，它们具有各种电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。械的不同要求。3. 电力拖动系统的操作和控制简便，可以实电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。现自动控制和远距离操作等等。1.1.2典型生产机械运动形式及转矩典型生产机械运动形式及转矩n电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可折算成单轴）。折算成单轴）。n运动形式：旋转、平移、升降。运动形式：旋转、平移、升降。n机械转矩形式：摩擦力产生、

4、重力产生。机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。n TT2M-电动机负载单轴电力拖动系统1.2单轴电力拖动系统运动方程式单轴电力拖动系统运动方程式n单轴：生产机械与电动机同轴，即单轴：生产机械与电动机同轴，即:n2.2.1 单轴电力拖动系统运动方程式单轴电力拖动系统运动方程式 由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在：由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在：LMLMnn或madtdvmFF21转动方程式转动方程式同理，对于作旋转运动的物体：同理，对于作旋转运动的物体： （1-1）J为电动机轴上总转动惯量单位为电动机轴上总转动惯量单位kgm2dtdJTTL实用公式实用公式n将运动方程式中，转动惯量将运动

5、方程式中，转动惯量 J 用飞轮矩用飞轮矩 GD2表示，角速度表示，角速度 用转速用转速 n 表示，表示，由于由于J与与GD2的关系为的关系为n （1-2）n所以所以n （1-3）gGDDgGmJ42222gLTdtdnGDTT3752说明说明分秒米单位 : 2604375gnGD2是一个整体，不是是一个整体，不是G与与D2 的乘积，的乘积， GD2 由产品样本或机械手册上查出。由产品样本或机械手册上查出。 GD2 中的中的 D 为回转直径，不是实际直径。为回转直径，不是实际直径。运动方程式的分析运动方程式的分析n 各转矩正方向的规定：各转矩正方向的规定：nn的正方向：顺时针；的正方向：顺时针；

6、nT的正方向：当的正方向：当T与与 n（+）相同时为正；）相同时为正；nTL的正方向：当的正方向：当TL 与与n（+）方向相反时为）方向相反时为正；正； n惯性转矩惯性转矩 Tg的方向：由的方向：由 T 与与 TL的代数和来的代数和来决定。决定。n （讨论）（讨论）各量表示法各量表示法上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示nT0TLnTTLa轴的剖面图轴的剖面图b直角坐标系直角坐标系转速转速n、 、转矩转矩T、 、负载转矩负载转矩TL的正方向的正方向1.3多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩折算折算n工程上为了节省材料，电动机转速都

7、较高。输出工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出功率一定时，即功率一定时，即P=T=常数，当常数，当 T ，由于，由于T=CTIa ，则，则 Ia 和和 ， Ia 导线粗；导线粗； 铁磁材料多。铁磁材料多。n 一般设计电动机速度高，通过提高一般设计电动机速度高，通过提高 降低降低 T , 节省材料。节省材料。n 生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力多动系统多二者之间必有减速装置，故一般电力多动系统多为多轴拖动系统。为多轴拖动系统。1.3.1多轴系统多轴系统n TM-电动机负载多轴电力拖动系统TL1.3.2多轴系

8、统折算多轴系统折算 分析多轴系统采用的方法是：用一个等分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为种方法称为“折算折算”。 折算原则折算原则：折算前后系统传递功率不：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。变，系统的动能不变。 折算方向折算方向：一般是从生产机械轴向电动：一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。则，高速轴上的负载转矩数值小。1.4负载的机

9、械特性负载的机械特性 负载的机械特性是指生产机械的转矩与负载的机械特性是指生产机械的转矩与转速之间的关系即：转速之间的关系即：n=f(TL)n2.4.1恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速小与转速n无关。无关。 恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能性负载特性。性负载特性。1.反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性n特点：恒值负载转矩特点：恒值负载转矩TL总是与转速总是与转速n的方向的方向相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。n 当正转时当正转时n为正，为正，

10、 TL与与n方向相反，应方向相反，应为正，即在第一象限为正，即在第一象限 n 当反转时当反转时n为负，为负， TL与与n方向相反，应方向相反，应为负，即在第三象限。为负，即在第三象限。反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 当转速当转速n=0时，外加时，外加转矩不足以使系统运动。转矩不足以使系统运动。根据作用力与根据作用力与 反作用力原反作用力原理，这时反抗力负载转矩理，这时反抗力负载转矩大小和方向取决于外加转大小和方向取决于外加转矩的大小和方向。即与外矩的大小和方向。即与外加转矩大小相等，方向相加转矩大小相等，方向相反。负载转矩特性应与横反。负载转矩特性应与横轴重合。例如轧机，机床轴重合。例如轧机

11、，机床刀架平移机构等。刀架平移机构等。nTn=f(TL)0-TLTL反抗性负载转矩特性2.位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性n特点：特点： TL的方向与的方向与n的方向无关。的方向无关。 TL具有具有固定不变的方向。固定不变的方向。n例如：起重机的提升机构，不论是提升重例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。下的，即重力产生的负载转矩方向固定。位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 例如：起重机的提升例如：起重机的提升机构，不论是提升重物机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的还是下放重物，

12、重力的作用总是方向朝下的。作用总是方向朝下的。即重力产生的负载转矩即重力产生的负载转矩方向固定不变，故在第方向固定不变，故在第一和第四象限。一和第四象限。nTn=f(TL)0TL位能性负载转矩特性1.4.2. 恒功率负载转矩特性恒功率负载转矩特性n特点：当转速特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。变化时，负载功率基本不变。n根据根据 n如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。n适用于金属切削车床。适用于金属切削车床。 nPPT260 22L常数LTP2nTL1恒功率负载转矩恒功率负载转矩n适用于金属切削车适用于金属切削车床。床。 粗加工时粗加工时，n 低，低，T 大；大； 精加工时，精加工时，n 高，高， T小。小。nTLn=f(TL)0恒功率负载转矩特性1.4.3风机泵类负载风机泵类负载n阻力与转速平方成正阻力与转速平方成正比，即有：比，即有：n如水泵，油泵等，如如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在考图所示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦转虑了轴承上的摩擦转矩后得出的实际鼓风矩后得出的实际鼓风机负载转矩。机负载转矩。 2L2 nTknTL或nTn=f(