电拖第八章电力拖动系统的动力学基础

电拖第八章电力拖动系统的动力学基础1第一页，共二十四页，编辑于2023年，星期一第八章电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的组成电力拖动系统是由电动机拖动生产机械的系统，生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、工作机构(生产机械)和电源5部分组成。电动机控制设备电源传动机构工作机构第一节电力拖动系统的运动方程式2第二页，共二十四页，编辑于2023年，星期一电动机——作为原动机，将电能转变为机械能。工作机构——用于完成特定工作任务。电源——提供电能(发电机、输变电设备等)控制设备——控制电动机的运动，由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机、可编程序控制器等组成，从而对生产机械的运动实现自动控制。传动机构——用于变速或改变运动形式。大多数拖动系统中都有传动部分。3第三页，共二十四页，编辑于2023年，星期一

电力拖动系统是由电动机拖动并通过传动机构带动生产机械运转的一个动力学整体，它所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不相同，运动形式也有多种，但从动力学的角度看，它们都服从动力学的统一规律，因此，需要找出它们普遍的运动规律，进行分析。首先研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。4第四页，共二十四页，编辑于2023年，星期一一、运动方程式(N.m)2.旋转运动方程式1.直线运动方程式(N)阻力拖动力质量加速度阻转矩拖动转矩转动惯量角加速度合力合转矩5第五页，共二十四页，编辑于2023年，星期一3.电力拖动系统运动方程式(实用形式)转动惯量J可表示为

(kg.m2)角速度Ω可表示为

(r/min)将J、Ω代入旋转运动方程式，得(N.m)

其中,GD2称为飞轮矩(N.m2)，为一个整体物理量，反映了转动体的惯性大小。6第六页，共二十四页，编辑于2023年，星期一1)当T=Tz，dn/dt=0时,系统处于静止或恒速运行状态，即处于稳态。

2)当T＞Tz，dn/dt＞0时,系统处于加速运行状态，即处于暂态(动态)。

3)当T＜Tz，dn/dt＜0时,系统处于减速运行状态，即处于暂态(动态)。

电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在转轴上的各种转矩。4.电力拖动系统的三种工作状态7第七页，共二十四页，编辑于2023年，星期一二、运动方程式中转矩转速正负号的规定(惯例)

运动方程式中的T、Tz、n

等均为具有方向的物理量，建立方程时必须确定其正方向，即决定其值的正负。

随着生产机械负载类型和工作状况的不同，电动机的运行状态将发生变化，即作用在电动机转轴上的电磁转矩（拖动转矩）和负载转矩（阻转矩）的大小和方向都可能发生变化。因此运动方程式中转矩和转速是带有正、负号的代数量。在应用运动方程式时，必须考虑转矩、转速的正负号。

8第八页，共二十四页，编辑于2023年，星期一

首先确定某一旋转方向为转速正方向，规定：（1）转速的方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。

（2）电磁转矩Tem(即拖动转矩T)与规定转速正方向相同时为正，相反时为负。（3）负载转矩Tz

(已定义为阻转矩)与规定转速正方向相同为负，相反为正。（4）加速转矩的大小和正负号由Tem和Tz的代数和决定。dtdnGD3752转矩转速正负号的规定：9第九页，共二十四页，编辑于2023年，星期一第二节工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算一、单轴与多轴系统电动机与生产机械同轴联接的系统称为单轴系统TzTJΩ

对单轴系统的运动可直接利用电力拖动系统运动方程式进行分析计算。10第十页，共二十四页，编辑于2023年，星期一在多轴系统中，各轴上的转矩、转速、转动惯量或飞轮矩等都不同且又互有联系。另外还有一些工作机构是作直线运动。需要对每根轴分别写出运动方程式及各轴间相互关系的方程式，并根据传动功率相等的原则联系，联立求解。显然这是较复杂的。实际拖动系统中,许多生产机械与电动机之问有若干级传动机构，称为多轴系统。11第十一页，共二十四页，编辑于2023年，星期一对电力拖动系统来说，一般不需要详细研究系统中每根轴的问题，对工作机构的具体运动一般也不直接进行分析计算。通常只把电动机轴作为研究对象。即采用折算法，将实际的多轴系统等效为单轴系统。Tz’TzTT(a)JdΩJzΩzJ2Ω2J1Ω1JΩ(b)(a)实际多轴系统(b)等效单轴系统图8-2

电力拖动系统示意图电动机轴电动机轴负载轴负载轴负载轴上负载12第十二页，共二十四页，编辑于2023年，星期一折算原则：

1.系统传递功率不变(损耗在效率中考虑)。2.折算前后系统动能不变。对电动机轴而言，折算前后的两个系统是等效的。把实际的多轴系统或存在直线运动形式的系统等效为单轴系统，需要将工作机构受到的阻转矩或阻力折算到电动机轴上，各级传动机构的摩擦损耗等通常也需要折算到电动机轴上。系统中各轴上的转动惯量或飞轮矩及作直线运动的质量等也要折算到电动机轴上。13第十三页，共二十四页，编辑于2023年，星期一二、工作机构转矩的折算zT，由系统传递功率不变得：j—转速比，j=Ω/Ωz=n/nz不考虑损耗，14第十四页，共二十四页，编辑于2023年，星期一三、工作机构直线作用力的折算由系统传递功率不变得：不考虑损耗，图8-3起重机示意图vzFzGzTzΩ15第十五页，共二十四页，编辑于2023年，星期一四、传动机构与工作机构飞轮矩的折算由系统动能不变得：即：将：代入上式16第十六页，共二十四页，编辑于2023年，星期一五、工作机构直线运动质量的折算由系统动能不变直线运动的动能：电机轴上的动能：得：将：代入上式17第十七页，共二十四页，编辑于2023年，星期一

折算后，一个可能有多级传动机构和有多种运动形式的实际拖动系统就可以采用单轴系统的分析计算方法。在以后本书中提到的拖动系统都可认为是经过折算的单轴系统。

一个可能有多级传动机构和有多种运动形式的多轴拖动系统，可分别折算转动和直线运动部分的飞轮矩，其代数和即为电机轴上等效飞轮矩。单轴系统：负载转矩即电机轴上转矩。负载转速即电机轴的转速。18第十八页，共二十四页，编辑于2023年，星期一第四节生产机械的负载转矩特性生产机械工作机构的负载转矩Tz与转速n的关系Tz=f(n)称为负载机械特性，也称为负载转矩特性。

生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。负载转矩特性表示了负载转矩随转速变化规律。

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。但经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。19第十九页，共二十四页，编辑于2023年，星期一一、恒转矩负载特性转速n变化时，负载转矩Tz的大小不变。不考虑n、Tz

的方向时，Tz=常数。根据恒负载转矩的方向特点又分为反抗性和位能性负载两种。1.反抗性恒转矩负载特性Tz的大小不变；Tz的的方向始终与运动方向相反。特点：Tzn-n0图8-6反抗性恒转矩负载特性根据转动方程式里对n、Tz正负符号的规定，当n＞0时，Tz＞0，而n＜0时，Tz＜0，即n,Tz同号。20第二十页，共二十四页，编辑于2023年，星期一2.位能性恒转矩负载特性Tzn-n0图8-7位能性恒转矩负载特性Tz的大小，方向均不变。与转速大小、方向无关。特点：

负载转矩是由重力作用产生。随着转速方向的变化，可能是制动转矩即阻转矩，也可以是拖动转矩。21第二十一页，共二十四页，编辑于2023年，星期一二、通风机类负载特性负载转矩Tz的大小基本与转速n的平方成正比，即Tz=kn2。通风机类负载属于反抗性负载。即

n,Tz同号。特点：Tz-n0n图8-8通风机类负载特性22第二十二页，共二十四页，编辑于2023年，星期一三、恒功率负载特性Tzn-n0图8-9恒功率负载特性负载转矩Tz的大小与转速n成反比，即Tz=k/n。

恒功率负载属于反抗性负载。即

n,Tz同号。特点：负载功率为常数：23第二十三页，共二十四页，编辑于2023年，星期一应该指出，以上3类