第一章電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎(chǔ)

第一章電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎(chǔ)第一頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第1頁，共59頁。單軸電力拖動系統(tǒng)：電動機轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機械工作機構(gòu)直接相連，工作機構(gòu)是電動機的負載；多軸電力拖動系統(tǒng)：電動機與工作機構(gòu)之間還有傳動機構(gòu)。第二頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第2頁，共59頁。生產(chǎn)機械與電動機同軸，即:二、電力拖動系統(tǒng)的運動方程式以單軸電力系統(tǒng)為例：第三頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第3頁，共59頁。1.物理量及單位n:電動機轉(zhuǎn)速T:電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TL:阻轉(zhuǎn)矩第四頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第4頁，共59頁。2.運動方程式（2）運動方程（根據(jù)力學中剛體轉(zhuǎn)動定律）：（1）正方向的規(guī)定：先規(guī)定轉(zhuǎn)速n的正方向作為參考方向（一般逆時針）電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與n的正方向相同，為正負載轉(zhuǎn)矩TL的方向與n的正方向相反，為正第五頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第5頁，共59頁。T：電磁轉(zhuǎn)矩,電動機產(chǎn)生的拖動轉(zhuǎn)矩；

TL：負載轉(zhuǎn)矩,N.mJ：電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2

：電動機角速度,rad/s在工程計算中,常用n代替表示系統(tǒng)速度,=2n/60第六頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第6頁，共59頁。M：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，KgG：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力，N：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動半徑，mD：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動直徑，mg：重力加速度用飛輪力矩GD2代替J表示系統(tǒng)機械慣性第七頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第7頁，共59頁。所以：T=TLT>TLT<TLGD2：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的飛輪力矩（kg.m2)375有單位的系數(shù)m/（min×s），具有加速度量綱（3）根據(jù)運動方程式判斷電力拖動系統(tǒng)的幾種運動狀態(tài)：

第八頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第8頁，共59頁。當常數(shù)(或0），系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)，視運動初始狀態(tài)而定；這種運動狀態(tài)稱為穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)或靜態(tài)，簡稱穩(wěn)態(tài)。當不斷降低，系統(tǒng)減速運轉(zhuǎn)。當不斷增加，系統(tǒng)加速運轉(zhuǎn)；這兩種情況，系統(tǒng)的運動都處在過渡過程之中，稱為動態(tài)或過渡狀態(tài)。第九頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第9頁，共59頁。3.運動方程式中轉(zhuǎn)矩的正負號分析運動方程式寫成下列一般形式,式中的T及TL應(yīng)帶有正、負號。

TLTL第十頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第10頁，共59頁。1.轉(zhuǎn)矩T方向如果與n所規(guī)定的正方向相同,T前取正號，相反時取負號；2.阻轉(zhuǎn)矩TL方向如果與所規(guī)定的n旋轉(zhuǎn)正方向相反,TL

前取正號，相同時取負號3.

dn/dt的大小及正負符號

由轉(zhuǎn)矩T及阻轉(zhuǎn)矩TL的代數(shù)和來決定2公式中T與TL

前帶有的正負符號，作如下規(guī)定：預先規(guī)定某一旋轉(zhuǎn)方向為n的正方向，則第十一頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第11頁，共59頁。舉例：第十二頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第12頁，共59頁。第二節(jié)工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算單軸系統(tǒng)：電動機和工作機構(gòu)直接相連，工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)速等于電動機的轉(zhuǎn)速電動機輸出功率一定時，即P=TΩ=常數(shù)，如果Ω↓→T↑，由于T=CTΦIa

，則Ia↑和Φ↑，Ia↑→導線粗；Φ↑→鐵磁材料多。所以一般設(shè)計電動機速度高，通過提高電動機速度Ω→降低T,節(jié)省材料。生產(chǎn)機械要求低速，而電動機設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，二者之間要有減速裝置，故一般電力拖動系統(tǒng)多為多軸拖動系統(tǒng)。第十三頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第13頁，共59頁。

多軸系統(tǒng)：實際拖動系統(tǒng)的軸常常不止一根，如圖，采用3根軸，將電動機的轉(zhuǎn)速n變換為工作機械需要的轉(zhuǎn)速nLnL電動機生產(chǎn)機械Tj1TL’nbGDdGD1GDL2n22nf第十四頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第14頁，共59頁。j2電動機生產(chǎn)機械Tj1TL’nbGDdGD1GDL2n22nfnTGDeq等效負載電動機TL2分析多軸系統(tǒng)采用的方法是：用一個等效的單軸系統(tǒng)代替原來實際的多軸系統(tǒng)。這種方法稱為“折算”。第十五頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第15頁，共59頁。折算折算思路：以電動機為研究對象，把各負載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)飛輪力矩折算到電動機軸上，變多軸拖動系統(tǒng)為單軸拖動系統(tǒng)；折算原則：保持系統(tǒng)傳遞的功率和系統(tǒng)儲存的動能不變。第十六頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第16頁，共59頁。一、旋轉(zhuǎn)運動時轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算

1.轉(zhuǎn)矩的折算（1）若不考慮損耗，工作機構(gòu)折算前的機械功率為，折算后的機械功率為折算的原則是折算前后的功率不變，所以，第十七頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第17頁，共59頁。第十八頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第18頁，共59頁。（2）考慮傳動機構(gòu)的損耗，在折算公式中引入傳動效率c

。由于功率傳送是有方向的，因此引入效率c

時必須注意：要因功率傳送方向的不同而不同。現(xiàn)分兩種情況討論：

a.電動機工作在電動狀態(tài)，此時由電動機帶動工作機構(gòu)，功率由電動機向工作機構(gòu)傳送，傳動損耗由電動機承擔，即電動機發(fā)出的功率比生產(chǎn)機械消耗的功率大。根據(jù)功率不變原則，應(yīng)有第十九頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第19頁，共59頁。b.電動機工作在發(fā)電制動狀態(tài)，此時由工作機構(gòu)帶動電動機，功率傳送方向由工作機構(gòu)向電動機傳送。因而傳動損耗由工作機構(gòu)承擔，根據(jù)功率不變原則，有對于系統(tǒng)有多級齒輪或皮帶輪變速的情況，設(shè)已知各級速比為j1，j2，…，jn，則總的速比為各級速比之積，即在多級傳動時，如果已知各級的傳遞效率為：c1，c2，…，

cn，則總效率

c

應(yīng)為各級效率之積，即第二十頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第20頁，共59頁。多軸轉(zhuǎn)動慣量對運動過程的影響直接反映在各軸轉(zhuǎn)動慣量所儲存的動能上，因此，折算原則是：折算前后系統(tǒng)的動能不變，即有從式可知，折算到單軸拖動系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量J等于折算前拖動系統(tǒng)每一根軸的轉(zhuǎn)動慣量除以該軸對電動機軸傳動比jL

的平方之和。當傳動比jL

較大時，該軸的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上后，其數(shù)值占整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的比重就很小。2．飛輪矩的折算第二十一頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第21頁，共59頁。根據(jù)式表示的GD2=4gJ

的關(guān)系，可以相應(yīng)地得到折算到電動機軸上的等效飛輪轉(zhuǎn)矩同理，由前面式子的結(jié)果可以推廣到多軸電力拖動系統(tǒng)中。設(shè)多軸電力拖動系統(tǒng)有多根中間傳動軸，則折算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量J和飛輪矩GD2為第二十二頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第22頁，共59頁。在一般情況下，電動機的轉(zhuǎn)子本身的飛輪矩占比重最大，傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)的飛輪矩的折算值比重不大，所以實際工作中往往用下面的經(jīng)驗公式：式中，為小于1的系數(shù)，一般取

=0.2~0.3。第二十三頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第23頁，共59頁。FV工件刨刀nfTnTFT0二、平移運動時轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算說明：工件和工作臺的運動速度V與切削力F方向相反第二十四頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第24頁，共59頁。1.轉(zhuǎn)矩的計算折算原則：功率不變折算前直線運動部件的靜態(tài)功率PL為折算后等效拖動系統(tǒng)的靜態(tài)功率P’L

為（1）不考慮傳動系統(tǒng)的功率損耗第二十五頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第25頁，共59頁。

2）電動機工作在發(fā)電制動狀態(tài)，此時工作機構(gòu)帶動電動機。根據(jù)功率平衡關(guān)系，有1）電動機工作在電動狀態(tài)，此時由電動機帶動工作機構(gòu)。折算前直線運動部件的靜態(tài)功率PL為（2）考慮傳動系統(tǒng)的功率損耗第二十六頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第26頁，共59頁。2.飛輪矩的折算折算原則：動能不變第二十七頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第27頁，共59頁。說明：是直線運動部分折算到電動機軸上的飛輪矩，如果中間還有其他傳動機構(gòu)，則系統(tǒng)的總飛輪矩為：第二十八頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第28頁，共59頁。在運動方程式中，負載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系TL=f（n）即為生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性。負載轉(zhuǎn)矩TL的大小與多種因素有關(guān)。以車床主軸為例，當車床切削工件時，主軸轉(zhuǎn)矩和切削速度、切削量大小、工件直徑、工件材料及刀具類型等都有密切關(guān)系。大多數(shù)生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性可歸納為下列三種類型。一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性所謂恒轉(zhuǎn)矩負載特性，就是指負載轉(zhuǎn)矩TL

大小為一定值，與轉(zhuǎn)速n無關(guān)的特性。恒轉(zhuǎn)矩負載特性又可分為反抗性負載特性和位能性負載特性兩種：第三節(jié)生產(chǎn)機械的典型負載轉(zhuǎn)矩特性第二十九頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第29頁，共59頁。

1．反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性特點:恒值轉(zhuǎn)矩TL總是反對運動的方向。正負符號的規(guī)定，當正轉(zhuǎn)時，n為正，轉(zhuǎn)矩TL為反向，應(yīng)取正號，即為+TL；而反轉(zhuǎn)時，n為負．轉(zhuǎn)矩TL為正向，應(yīng)變?yōu)?TL。顯然，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性應(yīng)畫在第一、三象限屬于這類特性的負載有皮帶運輸、機床的刀架平移機構(gòu)、摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的機械等。第三十頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第30頁，共59頁。特點：轉(zhuǎn)矩TL具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變；不論重物提升（n為正）或下放（n為負），負載轉(zhuǎn)矩TL始終為正，特性畫在第一與第四象限內(nèi)，表示恒值特性的直線是連續(xù)的。提升時轉(zhuǎn)矩TL反對提升；下放時，TL卻幫助下放，這是位能性負載的特點。

2．位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性第三十一頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第31頁，共59頁。二、恒功率負載特性有些生產(chǎn)機械，比如車床，在粗加工時，切削量大，切削阻力大，此時開低速；在精加工時，切削量小，切削阻力小，往往開高速。因此，在不同轉(zhuǎn)速下，負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，即由于負載功率PL=TL

，

=2n/60，即PL=TL2n/60=TL

n/9.55，再代入式，可得PL=k/9.55為常數(shù)，表示在不同轉(zhuǎn)速下，電力拖動系統(tǒng)的功率保持不變，負載轉(zhuǎn)矩TL與n的持性曲線呈現(xiàn)恒功率的性質(zhì)，如圖所示。第三十二頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第32頁，共59頁。

三、通風機負載特性通風機負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即：通風機負載特性如圖所示，圖中只在第一象限畫了轉(zhuǎn)速正向時的特性，鑒于通風機負載是反抗性的，當轉(zhuǎn)速反向（n為負）時，TL是負值，第三象限中應(yīng)有與第一象限特性對稱的曲線。第三十三頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第33頁，共59頁。

四、實際生產(chǎn)機械的負載特性實際生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。例如，實際通風機除了主要是通風機負載特性外，由于其軸承上還有一定的摩擦轉(zhuǎn)矩T0，因而實際通風機負載特性應(yīng)為：其特性曲線如圖所示:第三十四頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第34頁，共59頁。而實際的起貨機的負載特性如圖所示，除了位能負載特性外，還應(yīng)考慮起貨機傳動機構(gòu)等部件的摩擦轉(zhuǎn)矩。第三十五頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第35頁，共59頁。第四節(jié)電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件通過前兩節(jié)的分析，可知電力拖動系統(tǒng)是由電動機與負載兩部分組成的；通常把電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為機械特性，用數(shù)學形式表示n=f（T），也可以畫成機械特性曲線。本節(jié)將先從電動機一般機械特性與生產(chǎn)機械的負載特性的相互關(guān)系著手分析電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行問題。第三十六頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第36頁，共59頁。一.他勵直流電動機的機械特性復習：直流電動機的物理模型和工作原理第三十七頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第37頁，共59頁。1.機械特性定義他勵直流電動機的機械特性：是指電樞電壓、勵磁電流、電樞總電阻均為恒值的條件下，電動機轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系曲線：n=f（T）（一）固有機械特性第三十八頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第38頁，共59頁。電磁轉(zhuǎn)矩：感應(yīng)電動勢：電樞回路電勢平衡式：2.機械特性的一般表達式：第三十九頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第39頁，共59頁。當電樞電流較大時，由于飽和的影響，產(chǎn)生去磁作用。磁通降低，轉(zhuǎn)速就要回升，機械特性在負載大時呈上翹現(xiàn)象；為了避免上翹，往往在主磁極上加一個匝數(shù)很少的串勵繞組，其磁動勢可以抵消電樞反應(yīng)的去磁作用；機械特性和沒有電樞反應(yīng)的電動機相同。電樞反應(yīng)對機械特性的影響第四十頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第40頁，共59頁。3、固有機械特性（1）直流電動機在電樞電壓、勵磁電壓均為額定值，電樞外串電阻為零時所得的機械特性稱為固有機械特性。（2）表達式：第四十一頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第41頁，共59頁。固有機械特性的主要特點為：1）T越大，n越小，機械特性呈向下傾斜的直線。因為斜率

較小，轉(zhuǎn)速變化較小，所以又稱為硬特性。2）T=0時，n=n0是理想空載轉(zhuǎn)速，這時Ia=0，UN

=Ea

。3）電動機起動時n=0，感應(yīng)電動勢Ea=0，這時電樞電流為起動電流,Ia=Ist=UN/Ra；電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩Te=Tst=CTΦIst；4）因為電樞電阻Ra很小，在額定電壓的作用下，起動電流Ist將非常大，遠遠超過電動機所允許的最大電流，會燒壞換向器，因此直流電機一般不允許全電壓直接起動。第四十二頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第42頁，共59頁。5）電動機帶負載后的額定速降n0－nN

一般為5%第四十三頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第43頁，共59頁。6）當T>Ts時，n<0，機械特性在第四象限；7）當T<0，n>n0，這種情況是電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速方向相反，轉(zhuǎn)矩由拖動變成制動，這時Ia<0綜上所述：他勵直流電動機的固有機械特性是一條較硬的直線，跨三個象限。第四十四頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第44頁，共59頁。（二）人為機械特性由公式可知，當改變電動機的參數(shù)電樞電壓Ua、勵磁電流If

、電樞外接電阻RS，可改變電動機的機械特性，這種人為改變參數(shù)引起的機械特性又稱人為機械特性。第四十五頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第45頁，共59頁。1.電樞串聯(lián)電阻RS時的人為機械特性

他勵直流電動機固有機械特性電樞串聯(lián)電阻時的人為機械特性保持電樞回路電壓Ua，勵磁電流If不變，改變電樞回路的串接電阻R電動機的理想空載轉(zhuǎn)速n0

不變，但機械特性的斜率

增大，特性曲線傾斜度增加串入電阻越大，曲線越傾斜第四十六頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第46頁，共59頁。2.改變電樞電壓時的人為機械特性電壓不同時的人為機械特性電動機勵磁電流為額定值，使每極磁通為N并保持不變，電樞回路不外接電阻，減小電動機的電樞電壓Ua,n0減小,不變,可得到一條與固有機械特性平行的人為機械特性第四十七頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第47頁，共59頁。3.減弱勵磁磁通時的人為機械特性

21F>F>FN降低勵磁電壓或在勵磁回路串接電阻R

，使勵磁電流If

減小，由于磁通與勵磁電流在額定磁通以下時基本成正比，所以主極磁通減小。第四十八頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第48頁，共59頁。（三）、機械特性的繪制1.固有機械特性的繪制其中固有機械特性是一條直線，只要求出線上兩個點的數(shù)據(jù)，就可繪出這條直線。一般選擇理想空載點及額定運行點兩點較為方便。理想空載點:IN，UN及nN

為已知，Ra

可以估算額定運行點:第四十九頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第49頁，共59頁。2.人為機械特性的繪制各種人為機械特性的計算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)值代入相應(yīng)的人為機械特性方程式即可。[例1－3]一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：繪制其固有機械特性曲線。

解：理想空載點額定點第五十頁，編輯于星期六：二十三點五十五分。第50頁，共59頁。(2)電樞回路外串