第2章電力拖動系統(tǒng)基礎2課件

Page1第二章電力拖動系統(tǒng)基礎Page2本章教學基本要求1.了解電力拖動系統(tǒng)的基本組成；2.掌握電力拖動系統(tǒng)運動方程式；3.熟悉轉矩與飛輪矩的折算方法；4.掌握生產機械的負載轉矩特性的分類；5.掌握電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。重點

生產機械的負載轉矩特性的分類；電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。Page32.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式

電力拖動：是指以電動機為原動機使生產機械產生運動，完成一定的生產任務。電力拖動系統(tǒng)一般是由電動機、生產機械的傳動機構、控制設備和電源組成，如圖所示。圖2-1電力拖動系統(tǒng)組成傳遞動力，實現(xiàn)速度和運動方向的變換。Page42.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式圖2-2單軸電力拖動系統(tǒng)最簡單的電力拖動系統(tǒng)使電動機轉軸與生產機械的工作機構直接相連（單軸電力拖動系統(tǒng)），電動機與負載同一個軸，同一轉速。圖中標注的物理量主要有：電動機的轉速n，電動機電磁轉矩T，電動機空載轉矩T0，工作機構（負載）的轉矩TL。

通常稱為負載轉矩

正方向規(guī)定中，若轉速、電磁轉矩、負載轉矩都為正值，那么電磁轉矩是拖動性質的轉矩，負載轉矩是制動性質的轉矩。電動機負載運行時，一般情況下TF》T0，可以忽略T0，認為TL=TFTf為工作機構轉矩Page5

如圖所示，單軸電力拖動系統(tǒng)中電磁轉矩、負載轉矩與轉速變化的關系用轉動方程來描述，為

化簡后得(動轉距)2.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式圖2-2單軸電力拖動系統(tǒng)Page6討論1.當T-TL=0,dn/dt=0則,n=0或n=常數(shù),即電動機靜止或恒速旋轉。電力拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，簡稱穩(wěn)態(tài)。2．當T-TL>0,dn/dt>0,動轉矩大于零時，電力拖動系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于過渡過程或稱動態(tài)。3．當T-TL<0,dn/dt<0,動轉矩小于零時，電力拖動系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，也處于過渡過程或動態(tài)。

2.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式應注意：轉矩不但有大小而且具有方向。轉矩的方向由取值的正負來判定Page72.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式其規(guī)定如下：首先應規(guī)定(或假設)某一轉速n旋轉方向為正方向，則拖動轉矩T的方向與所規(guī)定(或假定)的正方向相同時取正值。對于負載轉矩TL，則當TL的方向與所規(guī)定(或假設)的正方向相同時取負值，反之取正值。如果計算得出拖動轉矩T是負值,說明其實際方向與規(guī)定(或假設)正方向相反。而當負載轉矩TL是負值，則說明其實際方向與規(guī)定(或假設)正方向相同。

同理,轉速n也是具有方向。當實際旋轉方向與所規(guī)定(或假設)的正方向相同時,n取正值，反之取負值。當轉速變化時，電力拖動系統(tǒng)是處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)，也要由轉速變化的方向來決定而不是由轉速的數(shù)值增加或減小來決定。

Page82.1電力拖動系統(tǒng)運動方程式

為了簡化多軸系統(tǒng)的分析計算，通常把負載轉矩與系統(tǒng)飛輪矩折算到電動機軸上來，變多軸系統(tǒng)為單軸系統(tǒng)，列寫一個轉動方程式進行計算，其結果與聯(lián)立求解多個方程式的結果完全一樣。

三軸兩級齒輪減速機構Page92.2多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

工作機構為轉動情況時轉矩與飛輪矩的折算

1．轉矩的折算多軸電力拖動系統(tǒng)中，如果不考慮傳動機構的損耗時，工作機構折算前的機械功率為TfΩf，折算后的機械功率為TFΩf，折算的原則是折算前后功率不變，因此有轉矩按轉速的反比折算2．飛輪矩的折算飛輪矩的大小是運動物體機械慣性大小的體現(xiàn)。旋轉物體的動能大小為飛輪矩按轉速的平方反比折算實際工作中為了減少折算的麻煩往往采用下式估算系統(tǒng)的總飛輪矩：例2-1已知飛輪矩GDa2=15Nm2,GDb2=18.8Nm2,GDf2=110Nm2,傳動效率n1=0.91,n2=0.90,轉矩Tf=88Nm,轉速n=2450r/min.nb=900r/min.nf=250r/min.忽略電動機空載轉矩。求（1）折算到電動機軸上的系統(tǒng)總飛輪矩GD2，折算到電動機軸上的負載轉矩TF。解（1）系統(tǒng)總飛輪矩（2）負載轉矩Page112.2多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

圖2-4刨床電力拖動示意圖工作機構為平移運動時轉矩與飛輪矩的折算

1．轉矩的折算下圖為刨床切削示意圖，通過齒輪與齒條嚙合，把旋轉運動變成直線運動。切削時工件與工作臺的速度為v，刨刀作用在工件上的力為F，傳動機構效率為h。

計算負載轉矩折算值時，可以先計算作用在傳動機構轉速為nf的軸上的轉矩FR，R為與齒條嚙合的齒輪半徑，然后折算為TF=FR/jh。

Page122.2多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

工作機構為平移運動時轉矩與飛輪矩的折算

2．飛輪矩的折算設作平移運動部分的物體總重為Gf=mfg，其動能為

折算到電動機軸上后的動能為

根據(jù)折算前后的動能不變原則，因此有

例2-2某機床電力拖動系統(tǒng)，已知切削力F=10000N，工作臺與工件運動速度V=0.8m/s,傳動機構總效率n=0.91,交流電機轉速n=1450r/min,電動機的飛輪矩GD2=200Nm2,求(1)切削時折算到電動機軸上的負載轉矩(2)估算系統(tǒng)的總飛輪矩(3)不切削時工作臺及工件反向加速，電動機以dn/dt=480r/min.s恒加速運行，計算此時系統(tǒng)的動轉矩絕對值切削功率為P=FV=10000*0.8=8000（w）折算后負載轉矩解：（1）切削時折算到電動機軸上的負載轉矩計算：（2）估算系統(tǒng)的總飛輪矩（3）不切削時工作臺及工件反向加速，系統(tǒng)的動轉矩絕對值Page142.2多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

圖2-5工作機構運動為升降的電力拖動系統(tǒng)(1）提升重物時負載轉矩的折算重物對卷筒軸的負載轉矩GR，折算到電動機軸上的負載轉矩為工作機構作提升和下放重物運動時，轉矩與飛輪矩的折算

1．負載轉矩折算

圖所示為一起重機示意圖，電動機通過傳動機構（減速箱）拖動一卷筒，纏在卷筒上的鋼絲繩懸掛一重物，重物的重力為G=mg，速比為j，重物提升時傳動機構效率為h，卷筒半徑為R，轉速為nf，重物提升或下放時的速度為v，是個常數(shù)。傳動機構損耗的轉矩

電動機負擔傳動機構損耗Page152.2多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化

圖2-6起重機的轉矩關系(2)下放重物時負載轉矩的折算

下放重物時，重物對卷筒軸的負載轉矩大小仍為GR，不計傳動機構損耗時，折算到電動機軸上的負載轉矩也仍為GR/j，負載轉矩的方向也不變。下放重物時，負載負擔了轉矩損耗△T提升重物時，電動機負擔了轉矩損耗△T，電磁轉矩為電磁轉矩為恒轉矩負載的轉矩特性1)反抗性恒轉矩負載

生產機械工作機構的負載轉矩TL與轉速n之間的關系TL=f(n)，稱之為負載機械特性,也稱為負載的轉矩特性

實際生產機械品種繁多,其工作機構的負載機械特性也各不相同。經過統(tǒng)計分析，可歸納為下列三種典型的負載機械特性。

恒轉矩負載的轉矩特性所謂恒轉矩負載是指生產機械的負載轉矩的大小不隨轉速而改變的負載。

比如皮帶運輸機、軋鋼機、起重機提升下放重物按負載轉矩與轉速之間的關系又分為反抗性負載和位能性負載兩種。這類負載的特點是工作機構轉矩的絕對值大小是恒定不變的，Page17恒轉矩負載的轉矩特性

(a)實際特性(b)折算后特性

圖2-8反抗性恒轉矩負載轉矩特性皮帶運輸機、機床的刀架平移和行走機構等由摩擦力產生轉矩的機械，都是反抗性恒轉矩負載

轉矩的性質是阻礙運動的制動性轉矩，即：n<0時，T<0(常數(shù))；n>0時，T>0(也是常數(shù))，且TL（工作機構的負載轉矩）的絕對值相等。其轉矩特性如圖所示，位于第Ⅰ、Ⅲ象限內。

折算到電動機軸上的負載轉矩TL，損耗轉矩△T折算到電動機軸上的負載轉矩特性Page18恒轉矩負載的轉矩特性

(a)實際特性(b)折算后特性圖位能性恒轉矩負載的轉矩特性2)位能性恒轉矩負載

這類負載的特點是工作機構的轉矩絕對值大小是恒定的，而且方向不變，當時n>0，T>0，是阻礙運動的制動性轉矩，當時n<0，T>0，是幫助運動的拖動性轉矩，其轉矩特性如圖所示，位于第Ⅰ、Ⅳ象限內。起重機提升下放重物就屬于位能性恒轉矩負載

Page19泵類負載的轉矩特性圖2-10泵類轉矩負載的轉矩特性2．泵類負載的轉矩特性水泵、油泵、通風機和螺旋槳等，其轉矩的大小與轉速的平方成正比，即TL∝n2，Page20恒功率負載的轉矩特性圖2-11恒功率轉矩負載的轉矩特性（雙曲線）

3．恒功率負載的轉矩特性

車床進行切削加工，具體到每次切削的切削轉矩都是恒轉矩負載。但是當我們考慮精加工時，需要較小吃刀量和較高速度；粗加工時，需要較大吃刀量和較低速度，這種加工工藝要求，體現(xiàn)為負載的轉速與轉矩之積為常數(shù)，即機械功率常數(shù)負載的轉速與轉矩之積為是常數(shù)，即機械功率P=TΩ=常數(shù)，稱之為恒功率負載。軋鋼機軋制鋼板時，工件小需要高速度低轉矩，工件大需要低速度高轉矩，這種工藝要求的負載也是恒功率負載。Page212.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件圖2-13拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行從電力轉動系統(tǒng)轉動方程式知道，系統(tǒng)穩(wěn)定運行即恒速不變的必要條件是動轉矩為零，即n不變，T=TL,為了分析方便，往往把電動機機械特性與負載轉矩特性畫在同一個坐標平面上。系統(tǒng)在點A能穩(wěn)定運行。

是一臺他勵直流電動機的機械特性是恒轉矩負載轉矩特性兩條特性曲線的交點A滿足動轉矩為零這個條件，稱為工作點從轉動方程分析，電力拖動系統(tǒng)運行在工作點上。就是穩(wěn)定運行狀態(tài)。但是，實際運行的電力拖動系統(tǒng)，經常會出現(xiàn)一些小的干擾，比如電源電壓或負載轉矩波動等。這樣就存在下面的問題：系統(tǒng)在工作點上穩(wěn)定運行時，若突然出現(xiàn)了干擾，該系統(tǒng)是否仍能夠穩(wěn)定運行？待干擾消失后，該系統(tǒng)是否仍能夠回到原來工作點上繼續(xù)穩(wěn)定運行?Page222.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

圖2-12電動機機械特性與負載特性

一臺他勵直流電動機拖動恒轉矩負載運行在A點，系統(tǒng)平衡，即T=TL；擾動使轉速有微小增量，若轉速由nA上升到n′A，T<TL；擾動消失后，系統(tǒng)減速，回到點A運行。同樣，若擾動使轉速由nA下降到n”A，T>TL；擾動消失，系統(tǒng)加速，能回到點A運行。

所謂穩(wěn)定運行，是指電力拖動系統(tǒng)在某種擾動作用下雖偏離原平衡狀態(tài)，但能在新的條件下達到新的平衡，或者當外界擾動消失后系統(tǒng)仍能恢復到原來的平衡狀態(tài)。

Page232.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

圖2-14拖動系統(tǒng)不穩(wěn)定運行電動機的機械特性和生產機械的負載特性的任意配合，有時會使拖動系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。例如一臺電動機具有上翹的機械特性，拖動一恒轉矩負載，其特性曲線如圖所示。

曲線l和1’為他勵直流電動機特定情況下的機械特性，當電磁轉矩較大時，轉速不但沒有下降反而隨T增加而增大，機械特性上翹。

曲線1對應著額定電壓曲線1’是電壓略有下降時的特性曲線2為恒轉矩負載轉矩特性。

當他勵直流電動機拖動恒轉矩負載運行時，若運行在電動機機械特性1與負載轉矩特性2的交點A上，轉速則為nA。但是，若出現(xiàn)干擾，如電源電壓向下波動，電壓降低的瞬間，電動機的機械特性由曲線1突變?yōu)榍€1‘，而這時轉速nA不能突變，這樣一來，電磁轉矩為TB，負載轉矩仍為TA，破壞了轉矩平衡關系，動轉矩>0，系統(tǒng)開始加速。在加速過程中，電動機的電磁轉矩沿著機械特性曲線1’，隨著n升高而加大，但負載轉矩始終不變。繼續(xù)使動轉距上升，轉速n上升得越來超快。直到系統(tǒng)轉速過高，毀壞電動機為止。也就是說，系統(tǒng)不能在原來交點A的附近繼續(xù)穩(wěn)定運行，那么A點的運行情況就不屬于穩(wěn)定運行之列。干擾是經常出現(xiàn)的，因此，這個電力拖動系統(tǒng)就不會穩(wěn)定運行在圖中所示的A點上。Page242.4電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件也就是說T=TL僅是穩(wěn)定運行的必要條件，但還不是充分條件。要想穩(wěn)定運行，還需要電動機與負載的兩條特性在交點T＝TL處配合得好。對于一個電力拖動系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要和充分的條件是：交點處T=TL,轉速升高時T<TL，轉速降低時T>TL，此點才是穩(wěn)定運行的?；蛘哒f，在交點處，有