电力拖动系统基础课件

电机与拖动基础

陈勇陈亚爱主编

蔡军罗萍向敏副主编电机与拖动基础

陈勇陈亚爱主编

蔡军罗萍向敏Page2第二章电力拖动系统基础Page2第二章Page3本章教学基本要求1.了解电力拖动系统的基本组成；2.掌握电力拖动系统运动方程式；3.熟悉转矩与飞轮矩的折算方法；4.掌握生产机械的负载转矩特性的分类；5.掌握电力拖动系统稳定运行的条件。Page3本章教学基本要求1.了解电力拖动系统的基本组成；Page4重点生产机械的负载转矩特性的分类；电力拖动系统稳定运行的条件。Page4重点Page52.1电力拖动系统运动方程式

电力拖动系统(electricalpowerdrivesystem)一般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和电源组成，如图2-1所示。图2-1电力拖动系统组成Page52.1电力拖动系统运动方程式Page62.1电力拖动系统运动方程式

图2-2所示为单轴电力拖动系统，图2-2中标注的物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁转矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转矩。

图2-2单轴电力拖动系统Page62.1电力拖动系统运动方程式Page7

如图2-2所示，单轴电力拖动系统中电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系用转动方程(rotationequation)来描述，为

（2-1）化简后得2.1电力拖动系统运动方程式Page7如图2-2所示，单轴电力拖动系统中电Page8讨论1.当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静止或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态。2．当T-TL>0,dn/dt>0,动转矩大于零时，电力拖动系统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。3．当T-TL<0,dn/dt<0,动转矩小于零时，电力拖动系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。

2.1电力拖动系统运动方程式Page8讨论2.1电力拖动系统运动方程式Page92.1电力拖动系统运动方程式

应注意：转矩不但有大小而且具有方向。转矩的方向由式（2-1）中取值的正负来判定。其规定如下：首先应规定(或假设)某一转速n旋转方向为正方向，则拖动转矩T的方向与所规定(或假定)的正方向相同时取正值。对于负载转矩TL，则当TL的方向与所规定(或假设)的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖动转矩T是负值,说明其实际方向与规定(或假设)正方向相反。而当负载转矩TL是负值，则说明其实际方向与规定(或假设)正方向相同。

Page92.1电力拖动系统运动方程式应注意：转Page102.1电力拖动系统运动方程式

同理,转速n也是具有方向。当实际旋转方向与所规定(或假设)的正方向相同时,n取正值，反之取负值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转速n的数值增加或减小来决定。

Page102.1电力拖动系统运动方程式同理,Page112.1电力拖动系统运动方程式图2-3多轴电力拖动系统为了简化多轴系统的分析计算，通常把负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴系统为单轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的结果完全一样。

Page112.1电力拖动系统运动方程式图2-3多轴电力拖Page122.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算

（2-2）

1．转矩的折算多轴电力拖动系统中，如果不考虑传动机构的损耗时，工作机构折算前的机械功率为TfΩf，折算后的机械功率为TFΩf，折算的原则是折算前后功率不变，因此有Page122.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为Page132.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算

2．飞轮矩的折算飞轮矩的大小是运动物体机械惯性大小的体现。旋转物体的动能大小为Page132.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为Page142.2多轴电力拖动系统的简化

图2-4刨床电力拖动示意图工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

1．转矩的折算

图2-4为刨床切削示意图，通过齿轮与齿条啮合，把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速度为v，刨刀作用在工件上的力为F，传动机构效率为h。

Page142.2多轴电力拖动系统的简化图2-4刨床Page152.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿轮半径，然后折算为TF=FR/jh。

Page152.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为平移运Page162.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

2．飞轮矩的折算设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为

折算到电动机轴上后的动能为

根据折算前后的动能不变原则，因此有

Page162.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为平移运Page172.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算

1．负载转矩折算

图2-5所示为一起重机示意图，电动机通过传动机构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重物的重力为G=mg，速比为j，重物提升时传动机构效率为h，卷筒半径为R，转速为nf，重物提升或下放时的速度为v，是个常数。Page172.2多轴电力拖动系统的简化工作机构作提升和Page182.2多轴电力拖动系统的简化

图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统(1）提升重物时负载转矩的折算

重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为Page182.2多轴电力拖动系统的简化图2-5工作机构Page192.2多轴电力拖动系统的简化

图2-6起重机的转矩关系(2)下放重物时负载转矩的折算

下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。Page192.2多轴电力拖动系统的简化图2-6起重Page202.3生产机械的负载转矩特性

生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关系TL=f(n)，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩特性(loadtorquecharacteristic)。实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。

Page202.3生产机械的负载转矩特性生产机械Page21恒转矩负载的转矩特性(a)实际特性(b)折算后特性

图2-8反抗性恒转矩负载转矩特性1)反抗性恒转矩负载这类负载的特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩，即：n<0时，T<0(常数)；n>0时，T>0(也是常数)，且的绝对值相等。

Page21恒转矩负载的转矩特性(a)实Page22恒转矩负载的转矩特性

(a)实际特性(b)折算后特性图2-9位能性恒转矩负载的转矩特性2)位能性恒转矩负载

这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，当时n>0，T>0，是阻碍运动的制动性转矩，当时n<0，T>0，是帮助运动的拖动性转矩，其转矩特性如图2-9所示，位于第Ⅰ、Ⅳ象限内。Page22恒转矩负载的转矩特性(a)实际特性Page23泵类负载的转矩特性图2-10泵类转矩负载的转矩特性2．泵类负载的转矩特性水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即TL∝n2，转矩持性如图2-10所示。Page23泵类负载的转矩特性图2-10泵类转矩负载的Page24恒功率负载的转矩特性图2-11恒功率转矩负载的转矩特性3．恒功率负载的转矩特性

负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率P=TΩ=常数，称之为恒功率负载。

Page24恒功率负载的转矩特性图2-11恒功率转矩负Page252.4电力拖动系统稳定运行的条件

所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到原来的平衡状态。

Page252.4电力拖动系统稳定运行的条件所Page262.4电力拖动系统稳定运行的条件

图2-12电动机机械特性与负载特性一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点，系统平衡，即T=TL；扰动使转速有微小增量，若转速由nA上升到n´A，T<TL；扰动消失后，系统减速，回到点A运行。同样，若扰动使转速由nA下降到n”A，T>TL；扰动消失，系统加速，能回到点A运行。

Page262.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-12Page272.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-13拖动系统稳定运行系统在点A能稳定运行如图2-12和图2-13。

Page272.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-13拖Page282.4电力拖动系统稳定运行的条件

图2-14拖动系统不稳定运行电动机的机械特性和生产机械的负载特性的任意配合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线如图2-14所示。

Page282.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-14Page292.4电力拖动系统稳定运行的条件T=TL仅是稳定运行的必要条件，但还不是充分条件。系统稳定运行的必要和充分的条件是：交点处T=TL,转速升高时T<TL，转速降低时T>TL，此点才是稳定运行的。或者说，在交点处，有

（2-10）

这才是稳定运行的充分必要条件。Page292.4电力拖动系统稳定运行的条件本章小结1运动方程式是分析研究电力拖动系统的基本公式，对于单轴电力拖动系统：

式中T为电动机轴上产生的电磁转矩；TL为电动机轴上的负载转矩，因为负载机械的工作机构折算到电动机轴上的负载转矩T2与电动机空载转矩T0之和为TL，由于一般T0

<<T2

，故通常近似认为TL

=

T2

；GD2是轴上的飞轮矩；dn/dt是该轴的转速变化率。应用此式时必须注意各量正方向的设定和各量自身的正负号。本章小结1运动方程式是分析研究电力拖动系统的本章小结2对于多轴电力拖动系统和既有旋转运动又有直线运动的系统，通常各量都要折算到电动机轴上，使系统变成等效的单轴系统。在用运动方程式进行分析计算时，应把工作机构的负载转矩或负载力折算成电动机轴上的负载转矩，把旋转部件的飞轮矩或直线运动部件的质量折算成电动机轴上的飞轮矩。折算负载转矩或负载力的原则是系统传递的功率不变；飞轮矩或质量折算的原则是系统贮存的动能不变。

本章小结2对于多轴电力拖动系统和既有旋转运动本章小结3生产机械特性与电动机机械持性画在同一直角坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系统的有力工具。电力拖动系统稳定运行的充要条件是负载机械特性与电动机机械特性有交点，且在交点处满足本章小结3生产机械特性与电动机机械持性画在同电机与拖动基础

陈勇陈亚爱主编

蔡军罗萍向敏副主编电机与拖动基础

陈勇陈亚爱主编

蔡军罗萍向敏Page34第二章电力拖动系统基础Page2第二章Page35本章教学基本要求1.了解电力拖动系统的基本组成；2.掌握电力拖动系统运动方程式；3.熟悉转矩与飞轮矩的折算方法；4.掌握生产机械的负载转矩特性的分类；5.掌握电力拖动系统稳定运行的条件。Page3本章教学基本要求1.了解电力拖动系统的基本组成；Page36重点生产机械的负载转矩特性的分类；电力拖动系统稳定运行的条件。Page4重点Page372.1电力拖动系统运动方程式

电力拖动系统(electricalpowerdrivesystem)一般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和电源组成，如图2-1所示。图2-1电力拖动系统组成Page52.1电力拖动系统运动方程式Page382.1电力拖动系统运动方程式

图2-2所示为单轴电力拖动系统，图2-2中标注的物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁转矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转矩。

图2-2单轴电力拖动系统Page62.1电力拖动系统运动方程式Page39

如图2-2所示，单轴电力拖动系统中电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系用转动方程(rotationequation)来描述，为

（2-1）化简后得2.1电力拖动系统运动方程式Page7如图2-2所示，单轴电力拖动系统中电Page40讨论1.当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静止或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态。2．当T-TL>0,dn/dt>0,动转矩大于零时，电力拖动系统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。3．当T-TL<0,dn/dt<0,动转矩小于零时，电力拖动系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。

2.1电力拖动系统运动方程式Page8讨论2.1电力拖动系统运动方程式Page412.1电力拖动系统运动方程式

应注意：转矩不但有大小而且具有方向。转矩的方向由式（2-1）中取值的正负来判定。其规定如下：首先应规定(或假设)某一转速n旋转方向为正方向，则拖动转矩T的方向与所规定(或假定)的正方向相同时取正值。对于负载转矩TL，则当TL的方向与所规定(或假设)的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖动转矩T是负值,说明其实际方向与规定(或假设)正方向相反。而当负载转矩TL是负值，则说明其实际方向与规定(或假设)正方向相同。

Page92.1电力拖动系统运动方程式应注意：转Page422.1电力拖动系统运动方程式

同理,转速n也是具有方向。当实际旋转方向与所规定(或假设)的正方向相同时,n取正值，反之取负值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转速n的数值增加或减小来决定。

Page102.1电力拖动系统运动方程式同理,Page432.1电力拖动系统运动方程式图2-3多轴电力拖动系统为了简化多轴系统的分析计算，通常把负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴系统为单轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的结果完全一样。

Page112.1电力拖动系统运动方程式图2-3多轴电力拖Page442.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算

（2-2）

1．转矩的折算多轴电力拖动系统中，如果不考虑传动机构的损耗时，工作机构折算前的机械功率为TfΩf，折算后的机械功率为TFΩf，折算的原则是折算前后功率不变，因此有Page122.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为Page452.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算

2．飞轮矩的折算飞轮矩的大小是运动物体机械惯性大小的体现。旋转物体的动能大小为Page132.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为Page462.2多轴电力拖动系统的简化

图2-4刨床电力拖动示意图工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

1．转矩的折算

图2-4为刨床切削示意图，通过齿轮与齿条啮合，把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速度为v，刨刀作用在工件上的力为F，传动机构效率为h。

Page142.2多轴电力拖动系统的简化图2-4刨床Page472.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿轮半径，然后折算为TF=FR/jh。

Page152.2多轴电力拖动系统的简化工作机构为平移运Page482.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

2．飞轮矩的折算设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为

折算到电动机轴上后的动能为

根据折算前后的动能不变原则，因此有

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工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算

1．负载转矩折算

图2-5所示为一起重机示意图，电动机通过传动机构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重物的重力为G=mg，速比为j，重物提升时传动机构效率为h，卷筒半径为R，转速为nf，重物提升或下放时的速度为v，是个常数。Page172.2多轴电力拖动系统的简化工作机构作提升和Page502.2多轴电力拖动系统的简化

图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统(1）提升重物时负载转矩的折算

重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为Page182.2多轴电力拖动系统的简化图2-5工作机构Page512.2多轴电力拖动系统的简化

图2-6起重机的转矩关系(2)下放重物时负载转矩的折算

下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。Page192.2多轴电力拖动系统的简化图2-6起重Page522.3生产机械的负载转矩特性

生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关系TL=f(n)，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩特性(loadtorquecharacteristic)。实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。

Page202.3生产机械的负载转矩特性生产机械Page53恒转矩负载的转矩特性(a)实际特性(b)折算后特性

图2-8反抗性恒转矩负载转矩特性1)反抗性恒转矩负载这类负载的特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩，即：n<0时，T<0(常数)；n>0时，T>0(也是常数)，且的绝对值相等。

Page21恒转矩负载的转矩特性(a)实Page54恒转矩负载的转矩特性

(a)实际特性(b)折算后特性图2-9位能性恒转矩负载的转矩特性2)位能性恒转矩负载

这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，当时n>0，T>0，是阻碍运动的制动性转矩，当时n<0，T>0，是帮助运动的拖动性转矩，其转矩特性如图2-9所示，位于第Ⅰ、Ⅳ象限内。Page22恒转矩负载的转矩特性(a)实际特性Page55泵类负载的转矩特性图2-10泵类转矩负载的转矩特性2．泵类负载的转矩特性水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即TL∝n2，转矩持性如图2-10所示。Page23泵类负载的转矩特性图2-10泵类转矩负载的Page56恒功率负载的转矩特性图2-11恒功率转矩负载的转矩特性3．恒功率负载的转矩特性

负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率P=TΩ=常数，称之为恒功率负载。

Page24恒功率负载的转矩特性图2-11恒功率转矩负Page572.4电力拖动系统稳定运行的条件

所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到原来的平衡状态。

Page252.4电力拖动系统稳定运行的条件所Page582.4电力拖动系统稳定运行的条件

图2-12电动机机械特性与负载特性一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点，系统平衡，即T=TL；扰动使转速有微小增量，若转速由nA上升到n´A，T<TL；扰动消失后，系统减速，回到点A运行。同样，若扰动使转速由nA下降到n”A，T>TL；扰动消失，系统加速，能回到点A运行。

Page262.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-12Page592.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-13拖动系统稳定运行系统在点A能稳定运行如图2-12和图2-13。

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