電機與拖動2電力拖動系統(tǒng)動力學

1、 第二章電力拖動系統(tǒng)動力學Dynamics of Electric Drive Systems2.1 電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程式2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)簡化2.3 負載轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件本章教學基本要求本章教學基本要求1.了解電力拖動基本概念；了解電力拖動基本概念；2.熟悉電力拖動系統(tǒng)運動方程式；熟悉電力拖動系統(tǒng)運動方程式；3.掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的概念。掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的概念。重點：重點： 運動方程式和負載轉(zhuǎn)矩。運動方程式和負載轉(zhuǎn)矩。2.1 電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程式電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程式 2.1.1 電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動系統(tǒng)的基本概念n電力拖動電力拖動拖動拖動：

2、原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)叫：原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)叫拖動拖動。 電力拖動電力拖動：電動機作為原動機，生產(chǎn)機械是負：電動機作為原動機，生產(chǎn)機械是負載，電動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的拖動方式稱載，電動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的拖動方式稱電電力拖動力拖動。n電力拖動系統(tǒng)電力拖動系統(tǒng)：用電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，拖：用電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，拖動生產(chǎn)機械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)。動生產(chǎn)機械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)。n 電力拖動系統(tǒng)組成電力拖動系統(tǒng)組成圖圖2.1 電力拖動系統(tǒng)組成電力拖動系統(tǒng)組成傳動機構(gòu)生產(chǎn)機械控制設(shè)備電動機電源n 采用電力拖動主要原因采用電力拖動主要原因 現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電現(xiàn)代

3、化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電力拖動，主要原因是力拖動，主要原因是 ：1. 電能的運輸、分配、控制方便經(jīng)濟。電能的運輸、分配、控制方便經(jīng)濟。2. 電動機的種類和規(guī)格很多，它們具有各種電動機的種類和規(guī)格很多，它們具有各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機械的不同要求。械的不同要求。3. 電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實現(xiàn)自動控制和遠距離操作等等?，F(xiàn)自動控制和遠距離操作等等。2.1.2 單軸系統(tǒng)的運動方程式n電動機的軸和工作機構(gòu)不經(jīng)傳動機構(gòu)直接相連，工作機構(gòu)為電動機的負載。n由牛頓第二定律可知0TTTdtdJTTFLL2

4、22224 2DgGmJmNGDgGD飛輪慣量或飛輪轉(zhuǎn)矩dtdJTTL轉(zhuǎn)速變化過程中出現(xiàn)的慣性轉(zhuǎn)矩J :電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量Kgm2d /dt 動態(tài)角速度的變化率，一般用轉(zhuǎn)速的變化率dn/dt表示，由于=2n/602604g375 3752其中：則運動方程式dtdnGDTTL注意：常數(shù)375 中包含重力加速度g，具有重力加速度的單位：m/（min s）2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)簡化多軸電力拖動系統(tǒng)簡化n工程上為了節(jié)省材料，電動機轉(zhuǎn)速都較高。輸出工程上為了節(jié)省材料，電動機轉(zhuǎn)速都較高。輸出功率一定時，即功率一定時，即P=T=常數(shù)，當常數(shù)，當 T ，由于，由于T=CTIa ，則，則 Ia 和和 ， I

5、a 導線粗；導線粗； 鐵磁材料多。鐵磁材料多。n 一般設(shè)計電動機速度高，通過提高一般設(shè)計電動機速度高，通過提高 降低降低 T , 節(jié)省材料。節(jié)省材料。n 生產(chǎn)機械要求低速，而電動機設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，生產(chǎn)機械要求低速，而電動機設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，二者之間必有減速裝置，故一般電力多動系統(tǒng)多二者之間必有減速裝置，故一般電力多動系統(tǒng)多為多軸拖動系統(tǒng)。為多軸拖動系統(tǒng)。n 多軸系統(tǒng)多軸系統(tǒng)n TM-電動機負載多軸電力拖動系統(tǒng)TL 分析上面系統(tǒng)時，要對每個軸列寫轉(zhuǎn)動方程式，比較麻煩，因此需要簡化，把多軸系統(tǒng)簡化成單軸系統(tǒng)。n 折算原則和方向折算原則和方向 分析多軸系統(tǒng)采用的方法是：用一個等分析多軸系統(tǒng)采用的方法是

6、：用一個等效的單軸系統(tǒng)代替原來實際的多軸系統(tǒng)。這效的單軸系統(tǒng)代替原來實際的多軸系統(tǒng)。這種方法稱為種方法稱為“折算折算”。 折算原則折算原則：折算前后系統(tǒng)傳遞功率不：折算前后系統(tǒng)傳遞功率不變，系統(tǒng)的動能不變。變，系統(tǒng)的動能不變。 折算方向折算方向：一般是從生產(chǎn)機械軸向電動：一般是從生產(chǎn)機械軸向電動機軸折算。原因是研究對象是電動機。且電機軸折算。原因是研究對象是電動機。且電動機軸一般是高速。根據(jù)傳送功率不變的原動機軸一般是高速。根據(jù)傳送功率不變的原則，高速軸上的負載轉(zhuǎn)矩數(shù)值小。則，高速軸上的負載轉(zhuǎn)矩數(shù)值小。2.2.1 工作機構(gòu)為轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩工作機構(gòu)為轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算的折算1 轉(zhuǎn)矩

7、的折算2 飛輪矩的折算飛輪矩的折算22260242121ngGDJ2222602421602421ngGDngGDFff222jGDGDfF2122jGDGDbB旋轉(zhuǎn)物體的動能折算前后動能不變因此同理有：n飛輪矩的折算續(xù)飛輪矩的折算續(xù)221221222jjGDjGDGDGDfba3 . 02 . 0122DGDGD總飛輪矩一般形式轉(zhuǎn)子本身的飛輪矩是主要部分，為簡化計算，可用下式估算22221221222jGDjjGDjGDGDGDfcban例題例題2-1已知GDa2=14.5Nm2， GDb2=18.8Nm2， GDf2=120Nm2，1=0.91，2=0.93，Tf=85Nm，n=2450r

8、/min，nb=810r/min， nf=150r/min，忽略空載轉(zhuǎn)矩，求 折算到電機軸上的GD2折算到電機軸上的TFn 例題例題2-1續(xù)續(xù)222222ffbbannGDnnGDGDGDmN 17150245012081024508 .185 .1422解mNnnTjTTfffF15. 693. 091. 0150245085212.2.2 工作機構(gòu)為平動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩工作機構(gòu)為平動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算的折算FRTfjFRjTTfF602nTTFvFF1 轉(zhuǎn)矩的折算通常給的數(shù)據(jù)是F和v，而不是RnFvnFvTF55. 9602nFvTF55. 9考慮效率有：2 飛輪矩的折算飛輪矩的折算2

9、2260242121ngGDJF22260242121ngGDvgGFf222365nvGGDfF平移物體的動能折算前后動能不變因此其它軸的折算與前述相同222121vgGvmff折算后的動能n例題例題2-2已知F=104N，V=0.7m/s，GDD2=100Nm2， =0.81，n=1450r/min 折算到電機軸上的TF 估算系統(tǒng)的GD2不切削時，工作臺及工件方向加速，電動機以500r/(mins)恒加速度運行，計算此時系統(tǒng)的動轉(zhuǎn)矩絕對值n 例題例題2-2續(xù)續(xù)mNnFvTF92.5681. 014507 . 01055. 955. 942221201002 . 11mNGDGDD解mNdt

10、dnGDTTTL1605003751203752已知F=104N，V=0.7m/s，GDD2=100Nm2， =0.81，n=1450r/min折算到電機軸上的TF估算系統(tǒng)的GD2 不切削時，工作臺及工件方向加速，電動機以500r/(mins)恒加速度運行，計算此時系統(tǒng)的動轉(zhuǎn)矩絕對值2.2.3 工作機構(gòu)提升或下放運動時，轉(zhuǎn)矩工作機構(gòu)提升或下放運動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算與飛輪矩的折算jGRjTTfFjGRjGRT1 轉(zhuǎn)矩的折算傳動機構(gòu)損耗轉(zhuǎn)矩（1）提升時（2）下放時，不考慮損耗如下式，且方向不變jGRjTTfFn 起重機的轉(zhuǎn)矩關(guān)系起重機的轉(zhuǎn)矩關(guān)系jGRjGRjGRjGRjGRTjGRTTF12T

11、jGRT（1）提升時（2）下放時下放時效率與上升時效率的關(guān)系122 飛輪矩的折算與平動相同飛輪矩的折算與平動相同n例題例題2-3已知j=34，=0.83，R=0.11m，空鉤重量G0=1470N， G=8820N， GDD2=10Nm2， 當提升速度V=0.4m/s時，求 電機轉(zhuǎn)速 忽略空載轉(zhuǎn)矩時電動機所帶的負載轉(zhuǎn)矩以V=0.4m/s下放重物時，電動機的負載轉(zhuǎn)矩n 例題例題2-3續(xù)續(xù)min/5 .11803411. 024 . 060260rjRvjnnfmNjRGGTTF11.4083. 03411. 0882014700解已知j=34，=0.83，R=0.11m，空鉤重量G0=1470N，

12、 G=8820N， GDD2=10Nm2， 當提升速度V=0.4m/s時，求 電機轉(zhuǎn)速 忽略空載轉(zhuǎn)矩時電動機所帶的負載轉(zhuǎn)矩以V=0.4m/s下放重物時，電動機的負載轉(zhuǎn)矩n 例題例題2-3續(xù)續(xù)7952. 083. 01212mNjRGGTTF47.267952. 03411. 0882014700解：已知j=34，=0.83，R=0.11m，空鉤重量G0=1470N， G=8820N， GDD2=10Nm2， 當提升速度V=0.4m/s時，求 電機轉(zhuǎn)速 忽略空載轉(zhuǎn)矩時電動機所帶的負載轉(zhuǎn)矩以V=0.4m/s下放重物時，電動機的負載轉(zhuǎn)矩n例題例題2-4j1，1j3，3j2，2GDd2GDc2GDb2

13、GDa2dGG0vn例題例題2-4續(xù)續(xù)已知PN=20kW，nN=950r/min，j1=3，j2=3.5， j3=4，各級=0.95， GDa2=123Nm2， GDb2=49Nm2， GDc2=40Nm2， GDd2=465Nm2，d=0.6m，空鉤重量G0=1962N， G=49050N，忽略電機空載損耗，忽略鋼絲繩重量，忽略滑輪傳遞損耗，求： 以V=0.3m/s提升重物時，負載（重物及吊鉤）轉(zhuǎn)矩、卷筒轉(zhuǎn)速、電機輸出轉(zhuǎn)矩及電機轉(zhuǎn)速 負載及系統(tǒng)的飛輪矩（折算到電動機軸上）以a=0.1m/s2提升重物時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩n 例題例題2-4續(xù)續(xù)mNdGGTf8 .765126 . 0219624

14、90502210min/1 .196 . 014. 33 . 0260260rdvnf卷筒轉(zhuǎn)速mNjTTTfF5 .21295. 045 . 338 .765132解 以V=0.3m/s提升重物時，負載（重物及吊鉤）轉(zhuǎn)矩、卷筒轉(zhuǎn)速、電機輸出轉(zhuǎn)矩及電機轉(zhuǎn)速min/2 .8021 .1945 . 33rjnnfn 例題例題2-4續(xù)續(xù)22222026 . 22 .8023 . 0196249050365365mNnvGGGDF 223222122221221222FdcbaGDjjjGDjjGDjGDGDGD22227 .1316 . 245 . 334655 . 3340349123mN 解 負載

15、及系統(tǒng)的飛輪矩（折算到電動機軸上）n 例題例題2-4續(xù)續(xù)321260jjjdvjnnfajjjdjjjdvdtddtdn321321120120srmin/4 .2671 . 045 . 336 . 0120解 以a=0.1m/s2提升重物時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩mNdtdnGDTTF4 .3064 .2673757 .1315 .21237522.3 負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件條件 負載的轉(zhuǎn)矩特性是指生產(chǎn)機械工作機構(gòu)負載的轉(zhuǎn)矩特性是指生產(chǎn)機械工作機構(gòu)的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：n=f(TL)n1 恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特

16、性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性 恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大小與轉(zhuǎn)速小與轉(zhuǎn)速n無關(guān)。無關(guān)。 恒轉(zhuǎn)矩負載分：反抗性負載特性和位能恒轉(zhuǎn)矩負載分：反抗性負載特性和位能性負載特性。性負載特性。2.3.1 負載的轉(zhuǎn)矩特性負載的轉(zhuǎn)矩特性（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性n特點：恒值負載轉(zhuǎn)矩特點：恒值負載轉(zhuǎn)矩TL總是與轉(zhuǎn)速總是與轉(zhuǎn)速n的方向的方向相反，即作用方向總是阻礙運動的方向。相反，即作用方向總是阻礙運動的方向。制動性轉(zhuǎn)矩制動性轉(zhuǎn)矩n 當正轉(zhuǎn)時當正轉(zhuǎn)時n為正，為正， TL與與n方向相反，應(yīng)方向相反，應(yīng)為正，即在第一象限為正，即在第一象限 n 當反轉(zhuǎn)時當反轉(zhuǎn)時n

17、為負，為負， TL與與n方向相反，應(yīng)方向相反，應(yīng)為負，即在第三象限。為負，即在第三象限。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性）位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性n特點：特點： TL的方向與的方向與n的方向無關(guān)。的方向無關(guān)。 TL具有具有固定不變的方向。固定不變的方向。n例如：起重機的提升機構(gòu)，不論是提升重例如：起重機的提升機構(gòu)，不論是提升重物還是下放重物，重力的作用總是方向朝物還是下放重物，重力的作用總是方向朝下的，即重力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩方向固定。下的，即重力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩方向固定。位能性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載2. 風機泵類負載風機泵類負載n阻力與轉(zhuǎn)速平方成正阻力與轉(zhuǎn)速平方成正比，即

18、有：比，即有：n如水泵，油泵等，如如水泵，油泵等，如圖所示，虛線是在考圖所示，虛線是在考慮了軸承上的摩擦轉(zhuǎn)慮了軸承上的摩擦轉(zhuǎn)矩后得出的實際鼓風矩后得出的實際鼓風機負載轉(zhuǎn)矩。機負載轉(zhuǎn)矩。 2L2 nTknTL或nTn=f(TL)0位能性負載轉(zhuǎn)矩特性3. 恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性n特點：當轉(zhuǎn)速特點：當轉(zhuǎn)速n變化時，負載功率基本不變。變化時，負載功率基本不變。n根據(jù)根據(jù) n如車床的主軸機構(gòu)和軋鋼機的主傳動。如車床的主軸機構(gòu)和軋鋼機的主傳動。n適用于金屬切削車床。適用于金屬切削車床。 nPPT260 22L常數(shù)LTP2nTL1恒功率負載轉(zhuǎn)矩恒功率負載轉(zhuǎn)矩n適用于金屬切削車適用于金屬切削車床。床。 粗加工時粗加工時，n 低，低，T 大；大； 精加工時，精加工時，n 高，高， T小。小。nTLn=f(TL)0恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性2.3.2 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件n穩(wěn)定運行經(jīng)過一定的加減速過程后，最終能進入均速運行狀態(tài)均速運行中，外來干擾引起運行速度變化，干擾消除后，系統(tǒng)能恢復到原來的運行速度繼續(xù)均速運行。 當電動機的轉(zhuǎn)矩TTL時，系統(tǒng)加速；反之，系