第八章电力拖动系统的动力学基础

第八章

电力拖动系统的动力学基础朱代祥第八章电力拖动系统的动力学基础1、电力拖动系统的运动方程式2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3、电动机和工作机构间速比可变的系统4、考虑传动机构损耗时的折算方法5、生产机械的负载转矩特性1、电力拖动系统的运动方程式电力拖动装置的组成电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成部分在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性1、电力拖动系统的运动方程式运动方程式单位为kg·m2对于旋转运动转动惯量式中m——旋转部分的质量（kg）；

G——旋转部分的重量（N）；

r——惯性半径（m）；

D——惯性直径（m）。1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性对于直线运动1、电力拖动系统的运动方程式将式中：GD2=4gJ称为飞轮惯量（N·m2）。代入得：和T=TZ时，dn/dt=0,电动机静止或等速旋转；T>TZ时，dn/dt>0,电动机处于加速状态；T<TZ时，dn/dt<0,电动机处于减速状态。1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性1、电力拖动系统的运动方程式运动方程式中转矩的符号运动方程式的一般形式规定某一转动方向为参考（正）方向，电磁转矩T：与参考方向一致取正，反之取负；阻转矩Tz：与参考方向一致取负，反之取正。1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性1、电力拖动系统的运动方程式各种形状旋转体转动惯量的计算1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性两种情况：旋转体通过物体重心；旋转体不通过物体重心旋转体通过物体中心：式中—该物体某个组成部分的质量的中心到旋转—该部分轴的距离注：对于连续分布的物体：1、电力拖动系统的运动方程式旋转体不通过物体中心：1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性其转动惯量是它围绕着不通过其中心的任意轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身中心且平行于该任意轴线旋转的转动惯量之和。如：转动惯量：L—两个平行转轴间的距离m—该部分的质量式中：2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：工作机构转矩，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ´的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性等效折算图传动图2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩TZ´的折算折算的原则是系统的传送功率不变式中，j——电动机轴与工作机构轴间的转速比，即如果传动机构为多级齿轮或带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积，即1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ´的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性2、工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算工作机构直线线作用力的折折算根据传送功率率不变1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算2.1工作作机构转矩TZ´的折算2.2工作作机构直线作作用力折算2.3传动动与工作机构构飞轮惯量的的折算2.4工作机构直线线运动质量折折算2.5例题题3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生产机械械的负载转矩矩特性2、工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算传动机构与工工作机构飞轮轮惯量折算1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算2.1工作作机构转矩TZ´的折算2.2工作作机构直线作作用力折算2.3传动动与工作机构构飞轮惯量的的折算2.4工作机构直线线运动质量折折算2.5例题题3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生产机械械的负载转矩矩特性2、工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算工作机构直线线运动质量的的折算折算的原则是是转动惯量JZ´中及质量mZ中储存的动能能相等，即1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算2.1工作作机构转矩TZ´的折算2.2工作作机构直线作作用力折算2.3传动动与工作机构构飞轮惯量的的折算2.4工作机构直线线运动质量折折算2.5例题题3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生产机械械的负载转矩矩特性例：刨床传动系统统如图所示。。若电动机M的转速为为n=420r/min，其其转子（或电电枢）的飞轮轮惯量GDd2=110.5N·m2，工作台重G1=12050N，工件重重G2=17650N。各齿轮轮齿数及飞轮轮惯量见表。。齿轮8的节节距t8=25.13mm。求求刨床拖动系系统在电动机机轴上总的飞飞轮惯量。2、工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算2.1工作作机构转矩TZ´的折算2.2工作作机构直线作作用力折算2.3传动动与工作机构构飞轮惯量的的折算2.4工作机构直直线运动质质量折算2.5例例题3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法5.生产机机械的负载载转矩特性性例：刨床传动系系统如图所所示。若电电动机M的的转速为为n=420r/min，其转子子（或电枢枢）的飞轮轮惯量GDd2=110.5N·m2，工作台重重G1=12050N，工工件重G2=17650N。各各齿轮齿数数及飞轮惯惯量见表。。齿轮8的的节距t8=25.13mm。。求刨床床拖动系统统在电动机机轴上总的的飞轮惯量量。2、工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算解：1）旋转部部分齿轮号12345678齿数Z2055306430783066飞轮惯量4.1220.19.8128.418.641.224.563.75例：刨床传动系系统如图所所示。若电电动机M的的转速为为n=420r/min，其转子子（或电枢枢）的飞轮轮惯量GDd2=110.5N·m2，工作台重重G1=12050N，工工件重G2=17650N。各各齿轮齿数数及飞轮惯惯量见表。。齿轮8的的节距t8=25.13mm。。求刨床床拖动系统统在电动机机轴上总的的飞轮惯量量。2、工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算2）直线运运动部分齿轮8转速速工作台速度度2、工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3）刨床拖动系系统在电机机轴上总的的飞轮惯量量1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算2.1工工作机构转转矩TZ´的折算2.2工工作机构直直线作用力力折算2.3传传动与工作作机构飞轮轮惯量的折折算2.4工作机构直直线运动质质量折算2.5例例题3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法5.生产机机械的负载载转矩特性性3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统曲柄机构运运动示意图图：1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法5.生产机机械的负载载转矩特性性静阻力反映在电动机轴上阻转矩为：式中：—作用在电动机轴上的阻转矩—速比，大小可变3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统mZ在电动机轴轴上的加速速（动态））转矩TaZ：1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法5.生产机机械的负载载转矩特性性令：JZ—质量mz在电动机轴轴上反映的的转动惯量量，其值可可变求导3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统考虑变换机机构有速比比不变的传传动机构，，折算到电电动机轴上上全部加速速（动态））转矩为：J—折算到到电机轴上上的总转动动惯量（因上式前两项为常量）将上两式代入得：因此，对于于速比可变变系统，其其运动方程程式为：或速比不变系系统，J=常量，上上式为：3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统曲柄机构运运动示意图图：将折算到电动机轴上的阻转矩为：式中：—曲柄轴的阻转矩—曲柄轴速比与工作机构直线速度间速比—曲柄角速度j—电动机轴到曲柄轴间角速度比由，则上式变为：3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统即曲柄机构构电动机轴轴上的运动动方程式为为：1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法5.生产机机械的负载载转矩特性性4、考虑传传动机构损损耗时的折折算方法考虑传动机机构损耗的的简化方法法工作机构转转矩TZ’的简化折算算电动机工作作在电动状状态1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法4.1考虑传动机机构损耗简简化方法4.2考虑传动机机构损耗准准确方法5.生产机机械的负载载转矩特性性电动机工作作在发电制制动状态使用多级传传动时4、考虑传传动机构损损耗时的折折算方法工作机构直直线作用力力的简化折折算电动机工作作在电动状状态电动机工作作在发电制动状态在提升与下下放时传动动损耗相等等的条件下下，下放传传动效率与与提升传动动效率之间间有下列关关系1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法4.1考虑传动机机构损耗简简化方法4.2考虑传动机机构损耗准准确方法5.生产机机械的负载载转矩特性性4、考虑传传动机构损损耗时的折折算方法考虑传动机机构损耗的的较准确方方法电力拖动系系统处于稳稳定运转状状态折算到电动动机轴上的的阻转矩Tz0—不考虑传传动损耗时时折算到电电动机轴上上的阻转矩矩（负载转转矩）ΔT—由于传动动机构的摩摩擦所引起起的附加转转矩1.电力拖拖动系统运运动方程式式2.工作机机构转矩、、力、飞轮轮矩和质量量的折算3.电动机机和工作机机构间速比比可变的系系统4.考虑传传动机构损损耗时的折折算方法4.1考虑传动机机构损耗简简化方法4.2考虑传动机机构损耗准准确方法5.生产机机械的负载载转矩特性性4、考虑传传动机构损损耗时的折折算方法提升时下放时其中T0：空载时时的摩擦擦转矩；；DT0：负载转转矩TZ0引起的附附加摩擦擦转矩；；c:摩擦擦系数。。DTN：额定负负载下传传动机构构总摩擦擦附加转转矩；1.电力力拖动系系统运动动方程式式2.工作作机构转转矩、力力、飞轮轮矩和质质量的折折算3.电动动机和工工作机构构间速比比可变的的系统4.考虑虑传动机机构损耗耗时的折折算方法法4.1考虑传动动机构损损耗简化化方法4.2考虑传动动机构损损耗准确确方法5.生产产机械的的负载转转矩特性性4、考虑虑传动机机构损耗耗时的折折算方法法电力拖动动系统处处于加速速运转状状态电力拖动动系统处处于加速速运转状状态时，，附加摩擦擦转矩DT0不能认为为与TZ0成正比，，因为此此时通过过传动机机构除了了TZ0外，还有有惯性转转矩。惯性转矩矩从系统统的一个个区段传传送到另另一个区区段时，，要发生生变化。。在加速运运转状态态下，计计算附加加摩擦转转矩时，，除考虑虑阻转矩矩外，还还必须考考虑传动动机构的的惯性转转矩。1.电力力拖动系系统运动动方程式式2.工作作机构转转矩、力力、飞轮轮矩和质质量的折折算3.电动动机和工工作机构构间速比比可变的的系统4.考虑虑传动机机构损耗耗时的折折算方法法4.1考虑传动动机构损损耗简化化方法4.2考虑传动动机构损损耗准确确方法5.生产产机械的的负载转转矩特性性4、考虑虑传动机机构损耗耗时的折折算方法法以下图的的等效拖拖动系统统为例ΔTi－第i个部件的的总摩擦擦转矩T0i－第i个部件的的空载摩摩擦转矩矩Ti－进入第i个传动机构的的转矩1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法第i个部件的总摩摩擦转矩传送到第i+1个部件的转矩矩1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法第一个部件的的转矩（即为电动机转矩）传送到第二个个部件上的转转矩1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法传送到第三个个部件上的转转矩1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法传送到第四个个部件上的转转矩1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法传送到最后第第（m＋1）个部件上的的转矩为1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法工作轴的转矩矩为可整理成如下下的形式1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性4、考虑传动动机构损耗时时的折算方法法与以下电动机机轴上的转矩矩式相比较其中1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法4.1考虑传动机构构损耗简化方方法4.2考虑传动机构构损耗准确方方法5.生产机械械的负载转矩矩特性5、生产机械械的负载转矩矩特性定义：在运动方程式式中，阻转矩矩（或称负载载转矩）Tz与转速n的关系Tz=f(n)即为生产机械械的负载转矩矩特性。分类大多数生产机机械的负载转转矩特性可归归纳为三种类类型：恒转矩矩负载、风机机负载、恒功功率负载。1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生产机械械的负载转矩矩特性5.1恒转转矩负载特性性5.2风机负载特性性5.3恒功功率负载特性性5、生产机械械的负载转矩矩特性电机顺时针旋旋转时，n为正。转矩TZ与旋转方向相相反，应取正正；电机逆时针旋旋转时，n为负。转矩TZ与旋转方向相相反，应取负负。恒转矩负载特特性反抗性恒转矩矩负载：负载转矩方方向总是与旋旋转方向相反反。假设顺时针为为参考方向1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生产机械械的负载转矩矩特性5.1恒转转矩负载特性性5.2风机负载特性性5.3恒功功率负载特性性5、生产机械械的负载转矩矩特性恒转矩负载特特性位能性恒转矩矩负载：负载转矩方方向固定。电机顺时针旋旋转时，n为正。转矩TZ与旋转方向相相反，应取正正；电机逆时针旋旋转时，n为负。转矩TZ与旋转方向相相同，应取正正。1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生产机械械的负载转矩矩特性5.1恒转转矩负载特性性5.2风机负载特性性5.3恒功功率负载特性性5、生产机械械的负载转矩矩特性通风机负载特特性通风机负载的的转矩与转速速大小有关，，基本上与转转速的平方成成正比，为为反抗性负载载。属于通风机负负载的生产机机械有离心式式通风机、水水泵、油泵等等，其中空气气、水、油等等介质对机器器叶片的阻力力基本上和转转速的平方成成正比。1.电力拖动动系统运动方方程式2.工作机构构转矩、力、、飞轮矩和质质量的折算3.电动机和和工作机构间间速比可变的的系统4.考虑传动动机构损耗时时的折算方法法5.生生产机机械的的负载载转矩矩特性性5.1恒恒转矩矩负载载特性性5.2风机负负载特特性5.3恒恒功率率负载载特性性5、生生产机机械的的负载载转矩矩特性性恒功率率负载载特性性负载转转矩基基本上上与转转速成成反比比，切切削功功率基基本不不变。。功率恒恒定时时，n与Tz成反比比；如车床床，切切削量量大时时，开开低速速；切切削量量小时时，开开高速速；以以保证证电机机输出出功率率恒定定。1.电电力拖拖动系系统运运动方方程式式2.工工作机机构转转矩、、力、、飞轮轮矩和和质量量的折折算3.电电动机机和工工作机机构间间速比比可变变的系系统4.考考虑传传动机机构损损耗时时的折折算方方法5.生生产机机械