第二章 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

電機(jī)原理及拖動(dòng)主講人：方煒安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院第二章電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形式及轉(zhuǎn)矩1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算234負(fù)載的機(jī)械特性電力拖動(dòng):以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的拖動(dòng)方式。電力拖動(dòng)系統(tǒng):由電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)備以及電源等五部分組成的綜合機(jī)電裝置。2.1典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形式及轉(zhuǎn)矩電源電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)控制設(shè)備典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形式和轉(zhuǎn)矩（一）運(yùn)動(dòng)形式1、單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)特征：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與負(fù)載軸通過聯(lián)軸器連接在一起。所有運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部分均以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。如通風(fēng)機(jī)。2、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)特征：各軸轉(zhuǎn)速不同，主軸轉(zhuǎn)速比電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過皮帶輪和減速機(jī)與主軸相連接。如車床。3、多軸旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)特征：負(fù)載既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有平移運(yùn)動(dòng)。如起重機(jī)的起重小車。4、多軸旋轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)特征：負(fù)載既有旋轉(zhuǎn)又有升降運(yùn)動(dòng)。如起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)。（二）生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩性質(zhì)兩種類型：1、摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩---反抗性轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)---轉(zhuǎn)矩方向總是與旋轉(zhuǎn)方向相反。

2、重力作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩---位能性轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)---作用方向與生產(chǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析主要研究作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之間的關(guān)系n=f(T).分析方法：先對單軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出一般規(guī)律對多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，則通過折算等效成單軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)后再運(yùn)用單軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)律。2.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方程式單軸系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)軸直接聯(lián)結(jié)生產(chǎn)機(jī)械1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式TT0TmTTl各物理量正方向電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)機(jī)械Jm2.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方程式1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式根據(jù)力學(xué)知單軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式：轉(zhuǎn)矩單位為N.m;J為Kgm2;Ω為rad/s。該式是研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)。在工程計(jì)算中，常用n代替Ω；用飛輪力矩GD2代替J。(2-1)2.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方程式1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式m----轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，kg;G----轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力，N；ρ----轉(zhuǎn)動(dòng)部分的回轉(zhuǎn)半徑，m;D----回轉(zhuǎn)直徑，m;g----重力加速度，取g=9.81m/s2運(yùn)動(dòng)方程式變?yōu)閷?shí)用形式:加速減速勻速或停止2.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方程式1單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式如何判斷正負(fù)值？——選定和的參考方向規(guī)定n及T的參考方向:對觀察者而言逆時(shí)針為正,反之為負(fù).TL的參考方向:-----------順-----------------.(2-3)2.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方程式2電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及飛輪力矩式(2-1)(2-3)分析時(shí)需要知道負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還需要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者飛輪力矩飛輪慣量GD2GDR2（電機(jī)轉(zhuǎn)子部分）

GDm2(生產(chǎn)機(jī)械部分）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JJ=mρ2ρ----查表實(shí)際計(jì)算時(shí)由GD2=4gJ=4gmρ2=4Gρ2

求出J或GD22.2電力拖動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方程式3功率平衡方程式運(yùn)動(dòng)方程式兩端同乗Ω即得功率平衡方程式判斷電動(dòng)機(jī)是輸出機(jī)械功率還是從拖動(dòng)系統(tǒng)中吸收功率，完全取決于電磁轉(zhuǎn)矩T和速度Ω的方向。

T與Ω同方向時(shí)TΩ>0,電動(dòng)機(jī)輸出功率;T與Ω反方向時(shí)TΩ<0,電動(dòng)機(jī)從旋轉(zhuǎn)的拖動(dòng)系統(tǒng)中

吸收機(jī)械功率.TL與Ω反方向時(shí)TLΩ>0,生產(chǎn)機(jī)械從拖動(dòng)系統(tǒng)中吸收能量;反之表示放出機(jī)械功率給系統(tǒng).2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算在實(shí)際生產(chǎn)中：

(1)工藝要求拖動(dòng)系統(tǒng)有著比較低的轉(zhuǎn)速；

(2)電機(jī)制造中為了合理使用材料，一般制成額定轉(zhuǎn)速比較高的旋轉(zhuǎn)電機(jī)；在電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械中加設(shè)減速機(jī)構(gòu)，如齒輪減速箱、傳動(dòng)帶等，因此多軸拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和飛輪力矩的折算是必須的。2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算1多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算等效負(fù)載GD2eqTΩTmeq電動(dòng)機(jī)GDR2TΩj1j2ΩmTmGDm2GD12生產(chǎn)機(jī)械電動(dòng)機(jī)Ω1折算的原則：保持折算前后系統(tǒng)傳遞的功率不變。設(shè)折算前多軸系統(tǒng)中負(fù)載功率為

折算后等效單軸系統(tǒng)的功率為為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳速比實(shí)際中考慮傳動(dòng)效率：(一)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算1多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算折算的原則：折算前后系統(tǒng)總動(dòng)能不變。

(二)飛輪力矩的折算得單軸系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上式兩邊同乗以4g得折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪力矩2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算1多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算(二)飛輪力矩的折算n個(gè)中間軸:主體部分所占比重小故有估算公式：2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算1多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算(二)飛輪力矩的折算多軸系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上時(shí)的等效單軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式可寫成：2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算2平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算橋式起重機(jī)的起重小車、龍門刨床等，其工作機(jī)構(gòu)作平移運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)刨刀工件FmTnT0Teqnm電動(dòng)機(jī)vm2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算2平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算(一)阻力Fm的折算Fm反映到電動(dòng)機(jī)軸上，表現(xiàn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmeq,電動(dòng)機(jī)軸上的切削功率為TmeqΩ。不考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗時(shí)，可得考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗時(shí)Fm為平移部件的阻力，單位為N2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算2平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的折算(二)平移運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的折算折算原則：折算前后系統(tǒng)貯存動(dòng)能不變。折算到電動(dòng)機(jī)軸上后，等效飛輪力矩為GD2meq,其動(dòng)能為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能為:令上兩式相等：2.3多軸拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩/飛輪力矩的折算3工作機(jī)構(gòu)為升降運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩與飛輪力矩的折算等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩和等效飛輪力矩TnT0Tmnmvm2R等效負(fù)載NTeq2.4負(fù)載的機(jī)械特性1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(一)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載負(fù)載的機(jī)械特性：生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。Tmnm0特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩由摩擦力產(chǎn)生的，它的絕對值大小不變，但作用方向總是與旋轉(zhuǎn)方向相反，是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2.4負(fù)載的機(jī)械特性1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(二)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特點(diǎn)：由重力作用產(chǎn)生，是工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩絕對值大小恒定不變，而且作用方向也保持不變。