机电传动系统的静态与动态特性

1、2.1 研究机电传动系统静态与动态 特性的意义 2.2 机电传动系统的运动方程式 2.3 典型生产机械的负载特性 2.4 负载转矩、转动惯量和飞轮转矩 的折算 2.5 机电传动系统的过渡过程 2.6 机电传动系统稳定运行的条件,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.1 研究机电传动系统静态与动态特性的意义,定义 静态特性：电动机的电磁转矩和生产机械速度之间的关系。 动态特性：系统从一种稳定状态变化到另一种稳定状态时在过渡过程中的特性。 研究意义 分析如何缩短过渡过程，提高生产效率； 改善机电传动系统的运行情况，使设备安全 运行。,第 2 章 机

2、电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,单轴机电拖动系统的组成,单轴机电传动系统的运动方程式,TM电动机产生的转矩，Nm TL负载转矩，Nm J转动惯量，kgm2 v角速度，rad/s t时间，s,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,i：组成刚体的第i个小质点的质量。 i：第i个小质点到转动轴的距离。,这个与物体转动难易有关的量，和在平移运动中的质量相似，我们称为转动惯量或称惯性矩，其大小和物体的形状、质量及转动轴有关。 分散质点组成的物体，其转动惯量为：,

3、第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,D惯性直径，m GD2飞轮转矩，Nm2 r惯性半径，m n转速，r/min,运动方程式的实用形式,推导：,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,转矩平衡方程式,结论：电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩TL（即静态转矩）和动态转矩Td之和所平衡。,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,传动系统的状态 转矩的正方向 转矩的性质,启动时,制动时,拖动转矩 TM与n同向,制动转矩TM与n反向,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性

4、2.2 机电传动系统的运动方程式,制动转矩TL与n反向,制动转矩TL与n反向,例2-1 TM与TL符号和性质的判定。,例2-2,各图中，TM、TL、n均为实际方向，试回答： 1.列出系统的运动方程式； 2.说明系统运行的状态（加速还是减速）。,解：,拖动转矩,制动转矩,拖动转矩,制动转矩,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,加速,减速,减速,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.2 机电传动系统的运动方程式,作业,题2.3,生产机械的机械特性定义 电动机轴上的负载转矩和转速之间的关系，即n=f(TL)。,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性

5、2.3 机电传动系统的负载特性,类型： （a）反抗转矩 （b）位能转矩,原因： 摩擦、非弹性体的 重力、弹性体的 压缩、拉伸与扭转 压缩、拉伸与扭转 方向： T与n的方向恒为相反 T的方向恒定与n无关,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.3 机电传动系统的负载特性,2.3.1 恒转矩型机械特性,2.3.2 离心式通风机型机械特性 2.3.3 直线型机械特性 2.3.4 恒功率型机械特性,离心式通风机型,恒功率型,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.3 机电传动系统的负载特性,直线型,实际通风机,摩擦转矩,离心式鼓风机、水泵,端面切削,模拟负载用他励直流发电机,第 2 章 机

6、电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴机电拖动系统的组成,生产机械 （低速）,电动机 （高速）,减速机构,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴机电拖动系统的组成,(a) 旋转运动,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴机电拖动系统的组成,(b) 直线运动,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,需将转矩、转动惯量或质量都折算 到某一根轴上，一般选电动机轴,根据单轴机电拖动系统的运动方程式,a.旋转运动,第 2 章 机电传动

7、系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,2.4.1 负载转矩的折算,结论,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,b.直线运动,2.4.1 负载转矩的折算,结论,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,电动机拖动生产机械,生产机械拖动电动机,b.直线运动,2.4.1 负载转矩的折算,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,a.旋转运动,2.4.2 转动惯量和飞轮转矩的折算,电机轴、中间轴、负载轴上的转动惯量 电动机轴与中间传动轴之间的速比 电机轴与

8、负载轴之间的速度比 电机轴、中间轴、负载轴上的角速度,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,a.旋转运动,2.4.2 转动惯量和飞轮转矩的折算,电机轴、中间轴、生产机械轴上的飞轮转矩,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,b.直线运动,2.4.2 转动惯量和飞轮转矩的折算,多轴拖动系统的运动方程式,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,例2-3,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,解：（1）负载转矩的折算,第 2 章

9、机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,解：（2）飞轮转矩的折算,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,解：（2）飞轮转矩的折算,依据经验公式近似计算,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,作业,题2.4,机电传动系统的两种运行状态,静态（稳态）动态转矩为零 动态（暂态）启动、制动、反向、调速,机电传动系统的过渡过程定义,系统由一个稳态变化到另一个稳态的变化过程,第 2 章 机电传动系统的静态与动

10、态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,为满足生产机械对机电传动系统过渡过程的各种要求，必须研究转速、转矩、电流对时间的变化规律，才能正确地选择机电传动装置，设计控制电路，以求改善产品质量，提高生产率和减轻劳动强度。,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,过渡过程的分析 机电传动系统的过渡过程形成的原因,外因,内因,机械惯性：,电磁惯性：,热惯性：,反映在J或GD2上，使n不能突变,反映在电感上，使Ia和F不能突变,反映在温度上，使温度不能突变,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性

11、 2.5 机电传动系统的过渡过程,机电传动系统运动方程式,代入式(2.4)得,取机电时间常数：,利用相似三角形原理有,可得,直流他励电动机，TL=常数,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,一阶线性常系数非齐次微分方程 全解,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,以上三式分别是当TL =常数，n =f(TM)是线性关系时过渡过程的动态特性，仅考虑机械惯性的过渡过程 n、TM 、Ia 都是按指数规律变化的,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.

12、5 机电传动系统的过渡过程,应用举例：启动时,当t=0时，n=0，TM=Tst，加速度最大。 当TM=TL时，达到稳态转速ns 。 实际上当t=(35)tm，就可以认为TM=TL，n=ns。,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,应用举例：停车时,电动机从 ni开始自由停车过程中，转速也是按指数规律变化的。,如图所示： tm在数值上等于转速n以t=0时的加速度直线上升到ns所需的时间； tm是n从0加速到0.632 ns所经历的时间； tm越小，过渡过程越快。,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程 机电时间常数,第 2 章

13、 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,机电时间常数的几种表达式,几何表达式：,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,机电时间常数的几种表达式,物理表达式：,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,加快机电传动系统过渡过程的方法 过渡过程时间,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,加快机电传动系统过渡过程的方法 减少系统GD2,1.采用两台电动机同轴运动 例如：龙门刨床的刨台 一台46kW、580r/min，GD2=216Nm2 两台23kW、600r/min，GD

14、2=92Nm2 * 2,2.采用小惯量直流电机（电枢细长， Tst/GD2大）,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.5 机电传动系统的过渡过程,加快机电传动系统过渡过程的方法 增加动态转矩Td,1.采用直流力矩电动机（Tmax/GD2大） 2.控制使启动过程中平均启动电流越大，则启动越快,充满系数K越接近1时越优,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.6 机电传动系统稳定运行的条件,电动机的机械特性：,TM=f(n) 曲线，即驱动转矩和转速的函数关系,生产机械的机械特性：,TL=f(n) 曲线，即负载转矩和转速的函数关系,当电动机作为生产机械的原动机时，两个函数中的n为同一个

15、参数。,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.6 机电传动系统稳定运行的条件,系统应能以一定速度匀速运行,系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）而使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度,由运动方程式,可知：,要使速度匀速不变，则 TM= TL,机电系统稳定运行的含义：,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.6 机电传动系统稳定运行的条件,a点是稳定平衡点 b点不是,系统稳定运行的必要充分条件,例2-4 判断下图b点是否是系统的稳定平衡点？,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.6 机电传动系统稳定运行的条件,解：系统中有交叉点 当n时（n1），TMTL 故b点是平衡稳定点,n1,n2,n,第 2 章 机电传动系统的静态与动态特性 2.6 机电传动系统稳定运行的条件,判断系统稳定运行点的条件,1、电动机的机械特性曲线与生产机械的机械特性曲线有交点。 2、当转速大于平衡点对应的转速时，TMTL 。,基本要求 1. 掌握机电传动系统的运动方程式，并学会用它来分析与判 别机电传动系统的运行状态； 2. 了解在多轴拖动系统中为了列出系统的运动方程式，必须 将转矩等进行折算，掌握其折算的基本原则和方法； 3. 了解几种典型生产机械的机械特性 ； 4. 掌握机电传动系统稳定运行的