第二章机电传动系统的动力学基础演示文稿

第二章机电传动系统的动力学基础演示文稿当前1页，总共42页。优选第二章机电传动系统的动力学基础当前2页，总共42页。1.机电传动发展的概况1)成组拖动一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差.2)单台电动机拖动一台电动机---一台设备当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了生产工艺要求.3)多台电动机拖动一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化.举例:龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架,

横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.当前3页，总共42页。2.电气控制系统的发展概况1)继电器-接触器控制系统能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制;

结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差.2)连续控制方式和自动控制系统

20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电动机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统;

控制简单,可靠性高,连续控制,拖动性能好.当前4页，总共42页。电气控制系统的发展概况3)可编程序控制器(PLC)

是继电器常规控制技术与微机技术的结合,是一台按开关量输入的工业控制专用计算机;

具有逻辑运算功能,定时/计数功能,数字运算功能,通信功能.4)计算机数字控制系统

1952年美国出现第一台数控铣床,1958年出现加工中心,20世纪70年代CNC应用于数控机床和加工中心,80年代出现了柔性制造系统(FNS);

提高了生产机械的通用性和效率,实现机械加工全盘自动化.当前5页，总共42页。3.本课程的性质和任务1)课程性质该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课,是机电一体化人才所需电知识的驱体.2)课程内容全书11章，取前2-5章共4章内容：(1)机电传动系统的动力学基础和过渡过程;(2)直流电机的工作原理及特性;(3)交流电动机的工作原理及特性;(4)控制电动机.当前6页，总共42页。

电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。两种方法归纳如下：电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机概述当前7页，总共42页。3)课程学习任务

要求掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。

电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。4)本课程的特点及学习方法当前8页，总共42页。参考教材:

1.《电机与拖动基础》清华大学出版社李发海主编

2.《电机及电力拖动》机械工业出版社周定颐主编当前9页，总共42页。第2章机电传动系统的动力学基础掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分析机电传动系统的运动状态;了解多轴拖动系统中转矩,转动惯量和飞轮转矩的折算方法;了解几种典型生产机械的机械特性;

掌握机电传动系统稳定运行的条件；了解决传动系统的过渡过程。当前10页，总共42页。

电力拖动系统一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源五大部分组成。

电力拖动系统中有的部件作直线运动、有的部件作旋转运动。采用古典动力学来分析。电源控制设备电动机传动和工作机构

电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务当前11页，总共42页。§2.1机电传动系统的运动方程式1.单轴机电传动系统运动方程式:根据动量守恒定律：

定义式工程计算式电动机生产机械TMnTLT0轴TMTLn当前12页，总共42页。电力拖动系统正方向的规定：轴TMTLn

先规定旋转方向为正方向，转速n的正方向一般选实际转向。

规定与n方向相同的TM为正,与n方向相反的TL为正

规定与n方向相反的TM为负,与n方向相同的TL为负。当前13页，总共42页。

在工程计算中，常用

n

代替

表示系统速度，用飞轮矩GD2代替

J表示系统机械惯性当前14页，总共42页。2.系统动态转矩Td

讨论:1)当Td=0时,系统称之为稳态或静态.2)当Td≠0时,系统为动态:(1)Td＞0,dn/dt=a＞0,系统加速，

(2)Td＜0,dn/dt=a＜0,系统减速，称之为动态因此:TM，TL有大小，有方向。令系统动态转矩:当前15页，总共42页。举例

例1:列出下图系统的运动方程式,并说明运动状态.nTMTLnTM＞TL

解:TM与n反向为负，TL与n反向为正,运动方程如下式；状态为减速。当前16页，总共42页。例2:提升重物过程如右图示,写出运动方程式.解:(a)中，提升重物，TM为正，

TL为正，运动方程式为:(b)中，仍为提升重物，但TM为负，

TL为正,运动方程式为:思考题:试分析图(a)和图(b)系统的运动状态.当前17页，总共42页。

由运动方程看，要能提升重物，必须有TM>TL，系统才有提升加速度。

由运动方程看：电动机转矩为负，也是制动转矩,系统减速提升，直至停止。思考题图(a)图(b)当前18页，总共42页。§2.2转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算

实际拖动系统一般是多轴传动系统，该系统的运动方程式，是将其转矩等折算到一根轴上，再按前面的方法列出运动方程式。折算时，可以折算到电动机轴上(高速轴)，也可以折算至低速轴上。(a)旋转运动(b)直线运动当前19页，总共42页。一、三轴旋转运动折算至电动机轴上1.负载转矩的折算转矩折算的原则：系统传递的功率不变TMM等效负载电动机TL电动机工作机构TMMj1η1j2η2TL´L1当前20页，总共42页。转矩的耗损：注意：当ＴM为拖动性，ΔＴ由电动机提供；

当ＴM为制动性，ΔＴ由负载提供。

考虑各级效率时：当前21页，总共42页。飞轮矩折算的原则：系统储藏的动能不变2.转动惯量和飞轮转矩的折算TMMGDZ2等效负载电动机TL电动机工作机构TMMj1η1j2η2TL´LGDM2GD12GDL21当前22页，总共42页。当前23页，总共42页。TMGDZ2等效负载电动机TL电动机工作机构TMj1η1j2η2TL´LGDM2GD12GDL21

分别为电动机轴，中间传动轴，生产机械轴上的飞轮转矩。当前24页，总共42页。总质量mｚ电动机刨刀TMnFTMJＺ等效负载电动机TL二、三轴直线运动折算到电动机轴上1.负载转矩的折算转矩折算的原则：系统传递的功率不变1）平移运动当前25页，总共42页。2）升降运动TMMGD2等效负载电动机TL电动机滚筒TMMj1η1j2η2ｚGDM2GD12GDL21mv提升运动：电动机为电动状态下降运动：电动机为发电状态当前26页，总共42页。（1）提升运动：方法同平移运动（2）下降运动提升和下降的传动损耗相同重物质量重物质量当前27页，总共42页。2.转动惯量和飞轮矩的折算总质量m电动机刨刀TMnFTMMJZ等效负载电动机TL（1）转动惯量的折算飞轮矩折算的原则：系统储藏的动能不变

旋转部分的折算直线部分的折算当前28页，总共42页。（2）飞轮矩的折算旋转部分的折算直线部分的折算当前29页，总共42页。计算举例例:机电传动系统如下图(a)所示。已知每根轴的飞轮转矩和转速，负载转矩为98Nm2，电动机拖动转矩29.4Nm2，传动效率0.9，求生产机械轴上的加速度是多少?当前30页，总共42页。

由公式可得生产机械轴上的加速度为：解:这是折算到低速轴当前31页，总共42页。负载的机械特性指：一、恒转矩负载机械特性——TL大小不变这类生产机械的转矩TL的大小不随转速n的变化而改变。1.反抗性恒转矩负载机械特性转矩总是阻碍运动的——反抗性负载当转动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。nT0TL-TL§2.3生产机械的机械特性例：皮带运输机机床进给运动.当前32页，总共42页。2、位能性恒转矩负载的机械特性TL电动机轴TMn特点：绝对值大小恒定；作用方向与n无关，不变。nT0TL当前33页，总共42页。二、恒功率负载机械特性nTL0负载转矩与转速成反比关系TL=K/n负载功率:它与n无关，称恒功率负载。例:球磨机,

碎石机,

机床的主运动.当前34页，总共42页。三、泵类负载机械特性——变转矩类负载转矩基本上与转速成平方关系TL=kn2。负载属于反抗性负载例:水泵,

通风机.

风机,水泵电动机的容量占工业用户总用电量的70%.当前35页，总共42页。四、电力拖动系统稳定运行条件

处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在点,系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由上升到，，扰动消失，系统减速，回到点运行。扰动使转速由下降到，扰动消失，系统加速，回到点运行。电机的机械特性：n=f(TM）负载的机械特性：n=f(TL）当前36页，总共42页。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在点，系统平衡1.必要条件:

电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在扰动使转速由下降到，系统将一直减速，不可能回到点运行。扰动使转速由上升到，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到Ｂ点运行。2.充分条件:

在交点处满足。或者说，在交点的转速是上升时,在交点的转速是下降时。当前37页，总共42页。稳定运行判别举例例1,

试判别右图所示三相异步电动机特性曲线与恒转矩负载特性曲线组成系统的稳定平衡点.分析:

由机电传动系统稳定判据的两个条件，分别判别图中a点和b点是否满足稳定运行的条件。当前38页，总共42页。

解:1)有交点a和b;2)对于a点,当转速小于a点对应的转速时,电动机aˊ的转矩大于负载转矩,a点是平衡点;

对于b点,当转速小于b点对应的转速时,电动机b"的转矩小于负载转矩,b点不是平衡点.

当前39页，总共42页。稳定判别举例例2右图中b点是不是稳定平衡点?为什么?解:b点是平衡工作点.1)两条曲线有交点b;2)当转速大于b点对应的转速时:

即在b点上方作一条虚线,与这两条曲线有交点，nbTMTLnTL>TM∴