第2章电力拖动系统的动力学基础

上海海事大学轮机工程系第2章电力拖动系统

的动力学基础2.1电力拖动系统的组成2.2典型生产机械的运动形式2.3电力拖动系统的运动方程2.4多轴旋转系统的折算船舶电机与拖动基础返回主页2.5电力拖动系统稳定运行条件上海海事大学轮机工程系2.1电力拖动系统的组成

拖动：原动机带动生产机械运动。电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。1.电力拖动系统的组成电动机传动机构工作机构控制设备电源2.电力拖动系统的优点(1)电能易于生产、传输、分配。(2)电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满足各种生产机械的不同要求。第2章电力拖动系统的动力学基础上海海事大学轮机工程系(3)电动机损耗小、效率高、具有较大的短时过载能力。(4)电力拖动系统容易控制、操作简单、便于实现自动化。3.应用举例精密机床、重型铣床、初轧机、高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵……2.1电力拖动系统的组成上海海事大学轮机工程系2.2典型生产机械的运动形式一、单轴旋转系统电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件均以同一转速旋转。二、多轴旋转系统第2章电力拖动系统的动力学基础电动机工作机构电动机工作机构上海海事大学轮机工程系三、多轴旋转运动加平移运动系统四、多轴旋转运动加升降运动系统2.2典型生产机械的运动形式电动机

工作机构

电动机

G上海海事大学轮机工程系2.3电力拖动系统的运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程T2－TL=Jdd

t※

J——转动惯量（kg·m2）

——旋转角加速度（rad/s2）

——惯性转矩（N·m）

T2=T－T0※电动状态时，T0与T

方向相反，T2＞0，T0＞0。制动状态下放重物时，T0与T

方向相同，T2＞0，T0＜0。第2章电力拖动系统的动力学基础dd

tJdd

t

电动状态T2T0

制动状态下放重物T2T0

正方向上海海事大学轮机工程系2.3电力拖动系统的运动方程式T－TL=Jdd

t忽略T0，则飞轮矩(N·m2)因为

J=m2Gg=D2（）2GD24g=旋转部分的质量（kg）回转半径(m)2n60T2－TL=GD2

d4g

d

t回转直径(m)※对于均匀实心圆柱体，与几何半径R的关系为R2==GD2

dn375d

tGD2

dn375d

tT2－TL=上海海事大学轮机工程系2.3电力拖动系统的运动方程式GD2

dn375d

tT－TL=忽略T0，有

当T2＞TL时，→n

dnd

t＞0→加速的瞬态过程。

当T2=TL时，dnd

t=0稳定运行。

当T2＜TL时，→n

dnd

t＜0→减速的瞬态过程。n=0n=

常数上海海事大学轮机工程系负载吸收的功率1.T2＞0，电动机输出机械功率2.T2

＜0，电动机输入机械功率二、单轴电力拖动系统的功率平衡方程T2

－TL

=Jdd

t（）=dd

tJ

212电动机输出的功率系统动能P2－PL=Jdd

t2.3电力拖动系统的运动方程式即T2

与Ω方向相同。

——电动状态。即T2

与Ω方向相反。

——制动状态。

电动状态1T2TL

制动状态1T2TL电动状态2T2TL制动状态2T2TL上海海事大学轮机工程系3.TL

＞0，负载从电动机吸收机械功率。4.TL

＜0，负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。5.P2＞PL，6.P2＜PL，

Ω和n不能突变，

即系统不可能具有无穷大的功率。2.3电力拖动系统的运动方程式

即TL

与Ω方向相反。即TL与Ω方向相同。，加速状态，

，减速状态，否则J→∞

dd

t

电动状态1T2TL

制动状态1T2TL电动状态2T2TL制动状态2T2TL系统动能增加。系统动能减少。上海海事大学轮机工程系2.4多轴旋转系统的折算z1z4z5z2z3z6效等一、等效负载转矩等效（折算）原则：机械功率不变。

TL=Tm

tΩm

ΩL=Tmjt第2章电力拖动系统的动力学基础电动机工作机构nTLn1n2nmTm电动机等效负载nTLTLΩt=TmΩm

传动机构的效率传动机构的转速比上海海事大学轮机工程系

传动机构的总转速比

j=j1·j2·jmΩΩmj=nnm=

1※j1=nn1=1

2j2=n1n2=2

m

jm

=n2nm=2.4多轴旋转系统的折算

常见传动机构的转速比的计算公式：(1)齿轮传动n1n2j=z2z1=(2)皮带轮传动n1n2j=D2D1=(3)蜗轮蜗杆传动n1n2j=z2z1=齿轮的齿数皮带轮的直径蜗轮的齿数蜗杆的头数上海海事大学轮机工程系二、等效转动惯量（飞轮矩）等效（折算）原则：动能不变。设各部分的转动惯量为：12JΩ2

=12JR

2

12J11212JmΩm22.4多轴旋转系统的折算nTLn1n2z1z4z5z2z3z6电动机工作机构nmTmJRJ1J2Jm＋＋12J222

＋J

=JR＋J1＋J2＋Jm

n1nnmn222n2nJ

=JR＋J1＋J2＋Jm

Ω1ΩΩmΩ22

2Ω2Ω上海海事大学轮机工程系如果在电动机和工作机构之间总共还有n

根中间轴，则:j=j1j2···jnjm或:GD2=4gJ2.4多轴旋转系统的折算J2j1j2J

=JR＋

＋

＋J1j1222Jmj1j2jm222J2j1j2

=JR＋

＋

＋J1j1222Jmj

2J

=JR＋J1＋J2＋···＋Jn

＋Jm

n1nnnn2222n2nnmnJ2

(j1j2)J

=JR＋

＋＋···＋

＋J1j122Jn(j1j2···jn

)2Jmj

2上海海事大学轮机工程系

目的将平移作用力Fm

折算为等效转矩TL

。将平移运动的质量m折算为等效J或GD2

。一、等效负载转矩等效（折算）原则：机械功率不变。

TLt=Fmvm2.5平移运动系统的折算vmFm

作用力

平移速度第2章电力拖动系统的动力学基础432n1工件(m)刨刀齿条齿轮

电动机输出的机械功率

切削功率TL=FmvmtΩ=Fmvmtn602上海海事大学轮机工程系二、等效转动惯量（飞轮矩）等效（折算）原则：动能不变。1.平移运动折算成旋转运动2.5平移运动系统的折算vmFm

作用力

平移速度432n1工件(m)刨刀齿条齿轮12JmΩ2

=12m

vm

2Jm

=m

vm

Ω22Gmgvm

n2Jm

=

60222

=9.3Gm

vm

n22上海海事大学轮机工程系2.等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩2.5平移运动系统的折算12JΩ2

=12JR

2

12J112＋＋12J222

＋12m

vm

212JΩ2

=JR

2＋J112＋J222＋JmΩ212121212J

=JR＋J1＋J2＋Jm

Ω1Ω22Ω2ΩJ

=JR＋J1＋J2＋Jm

n1n22n2n

一般公式：J2

(j1j2)J

=JR＋

＋＋···＋

＋JmJ1j122Jn(j1j2···jn

)2上海海事大学轮机工程系2.6电力拖动系统的稳定运行一、负载的机械特性

n=f(TL)

转速和转矩的参考方向：OTLn+TL－TL1.恒转矩负载特性(1)反抗性恒转矩负载nT(T2)TL(T0)由摩擦力产生的。当

n＞0，TL＞0。当

n＜0，TL＜0。如机床平移机构、压延设备等。上海海事大学轮机工程系上海海事大学轮机工程系OTLnOTLn(2)位能性恒转矩负载

由重力作用产生的。当

n＞0，TL＞0。当

n＜0，TL＞0。如起重机的提升机构和矿井卷扬机等。2.恒功率负载特性

TL

n=常数。

如机床的主轴系统等。

TL∝1n上海海事大学轮机工程系3.通风机负载特性OTLn

TL∝n2

TL

的方向始终与n的方向相反。

如通风机、水泵、油泵等。实际的通风机负载OTLnT0TL=T0＋kn2

实际的机床平移机构OTLn上海海事大学轮机工程系上海海事大学轮机工程系二、稳定运行上海海事大学轮机工程系工作点：在电动机的机械特性与负载的机械特性的交点上。稳定运行:即：T－TL=0运动方程:T－TL=JdΩd

tT－TL＞0→加速T－TL＜0→减速n=常数过渡过程:上海海事大学轮机工程系上海海事大学轮机工程系n0TnOTLab

干扰使TL

a

点:T＜TLn

→Ta'→a'点。→a

点。→n

→T

干扰过后T＞TL→T=TL7.2电力拖动系统稳定运行上海海事大学轮机工程系上海海事大学轮机工程系n0TnOTLaba"

干扰使TL

a

点:T＜TLn

→T

→a'点。干扰过后T＞TL→n

→T

→T=TL→a

点。

干扰使TL

n

T＞TL→T

→a"

点。→T=TL干扰过后T＜TL

→n

→T

→T=TL→a

点。上海海事大学轮机工程系上海海事大学轮机工程系n0