第二章機(jī)電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)

第二章機(jī)電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第1章概述

機(jī)電傳動的發(fā)展概況;

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況;“電機(jī)與拖動”課程的性質(zhì)和任務(wù).第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一1.機(jī)電傳動發(fā)展的概況1)成組拖動一臺電動機(jī)---一根天軸---一組生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備機(jī)構(gòu)復(fù)雜,損耗大,效率低,工作可靠性差.2)單臺電動機(jī)拖動一臺電動機(jī)---一臺設(shè)備當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備運動部件較多時,機(jī)構(gòu)仍復(fù)雜,滿足不了生產(chǎn)工藝要求.3)多臺電動機(jī)拖動一臺專門的電動機(jī)---同一臺設(shè)備的每一個運動部件機(jī)構(gòu)簡單,控制靈活,便于生產(chǎn)機(jī)械的自動化.舉例:龍門刨床的刨臺,左垂直刀架,右垂直刀架,側(cè)刀架,

橫梁,夾緊機(jī)構(gòu),都是分別由一臺電動機(jī)拖動的.第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)能對控制對象實現(xiàn)起動,制動,有級調(diào)速控制;

結(jié)構(gòu)簡單,動作可靠;控制速度慢,控制精度差.2)連續(xù)控制方式和自動控制系統(tǒng)

20世紀(jì)30年代的電機(jī)放大機(jī)控制,40-50年代的磁放大器控制和水銀整流器控制,1958年以后的晶閘管-直流電動機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng),80年代以來的新型電力電子元件-交流電動機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng);

控制簡單,可靠性高,連續(xù)控制,拖動性能好.第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況3)可編程序控制器(PLC)

是繼電器常規(guī)控制技術(shù)與微機(jī)技術(shù)的結(jié)合,是一臺按開關(guān)量輸入的工業(yè)控制專用計算機(jī);

具有邏輯運算功能,定時/計數(shù)功能,數(shù)字運算功能,通信功能.4)計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

1952年美國出現(xiàn)第一臺數(shù)控銑床,1958年出現(xiàn)加工中心,20世紀(jì)70年代CNC應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心,80年代出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)(FNS);

提高了生產(chǎn)機(jī)械的通用性和效率,實現(xiàn)機(jī)械加工全盤自動化.第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一3.本課程的性質(zhì)和任務(wù)1)課程性質(zhì)該課程是機(jī)械類專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,是機(jī)電一體化人才所需電知識的驅(qū)體.2)課程內(nèi)容全書11章，取前2-5章共4章內(nèi)容：(1)機(jī)電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)和過渡過程;(2)直流電機(jī)的工作原理及特性;(3)交流電動機(jī)的工作原理及特性;(4)控制電動機(jī).第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理工作的機(jī)械。電機(jī)常用的分類方式有兩種：一是按功能分，有發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器和控制電機(jī)四大類；二是按電機(jī)結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。兩種方法歸納如下：電機(jī)變壓器直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)交流電機(jī)控制電機(jī)同步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動機(jī)異步電機(jī)異步發(fā)電機(jī)異步電動機(jī)概述第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一3)課程學(xué)習(xí)任務(wù)

要求掌握電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算及試驗方法，培養(yǎng)在電機(jī)及電力拖動方面分析和解決問題的能力，為今后學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

電機(jī)及拖動是一門理論性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，同時又具有專業(yè)課的性質(zhì)，涉及的基礎(chǔ)理論和實際知識面廣，是電磁學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科知識的綜合。用理論分析電機(jī)及拖動的實際問題時，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點和分析方法。掌握基本理論的同時，還要注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算方法。4)本課程的特點及學(xué)習(xí)方法第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一參考教材:

1.《電機(jī)與拖動基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社李發(fā)海主編

2.《電機(jī)及電力拖動》機(jī)械工業(yè)出版社周定頤主編第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第2章機(jī)電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)掌握機(jī)電傳動系統(tǒng)的運動方程式,用它來分析機(jī)電傳動系統(tǒng)的運動狀態(tài);了解多軸拖動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算方法;了解幾種典型生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性;

掌握機(jī)電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件；了解決傳動系統(tǒng)的過渡過程。第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

電力拖動系統(tǒng)一般由電動機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備及電源五大部分組成。

電力拖動系統(tǒng)中有的部件作直線運動、有的部件作旋轉(zhuǎn)運動。采用古典動力學(xué)來分析。電源控制設(shè)備電動機(jī)傳動和工作機(jī)構(gòu)

電力拖動是用電動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運動，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一§2.1機(jī)電傳動系統(tǒng)的運動方程式1.單軸機(jī)電傳動系統(tǒng)運動方程式:根據(jù)動量守恒定律：

定義式工程計算式電動機(jī)生產(chǎn)機(jī)械TMnTLT0軸TMTLn第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一電力拖動系統(tǒng)正方向的規(guī)定：軸TMTLn

先規(guī)定旋轉(zhuǎn)方向為正方向，轉(zhuǎn)速n的正方向一般選實際轉(zhuǎn)向。

規(guī)定與n方向相同的TM為正,與n方向相反的TL為正

規(guī)定與n方向相反的TM為負(fù),與n方向相同的TL為負(fù)。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

在工程計算中，常用

n

代替

表示系統(tǒng)速度，用飛輪矩GD2代替

J表示系統(tǒng)機(jī)械慣性第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2.系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩Td

討論:1)當(dāng)Td=0時,系統(tǒng)稱之為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài).2)當(dāng)Td≠0時,系統(tǒng)為動態(tài):(1)Td＞0,dn/dt=a＞0,系統(tǒng)加速，

(2)Td＜0,dn/dt=a＜0,系統(tǒng)減速，稱之為動態(tài)因此:TM，TL有大小，有方向。令系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩:第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一舉例

例1:列出下圖系統(tǒng)的運動方程式,并說明運動狀態(tài).nTMTLnTM＞TL

解:TM與n反向為負(fù)，TL與n反向為正,運動方程如下式；狀態(tài)為減速。第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一例2:提升重物過程如右圖示,寫出運動方程式.解:(a)中，提升重物，TM為正，

TL為正，運動方程式為:(b)中，仍為提升重物，但TM為負(fù)，

TL為正,運動方程式為:思考題:試分析圖(a)和圖(b)系統(tǒng)的運動狀態(tài).第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

由運動方程看，要能提升重物，必須有TM>TL，系統(tǒng)才有提升加速度。

由運動方程看：電動機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，也是制動轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)減速提升，直至停止。思考題圖(a)圖(b)第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一§2.2轉(zhuǎn)矩.轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算

實際拖動系統(tǒng)一般是多軸傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運動方程式，是將其轉(zhuǎn)矩等折算到一根軸上，再按前面的方法列出運動方程式。折算時，可以折算到電動機(jī)軸上(高速軸)，也可以折算至低速軸上。(a)旋轉(zhuǎn)運動(b)直線運動第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一一、三軸旋轉(zhuǎn)運動折算至電動機(jī)軸上1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變TMM等效負(fù)載電動機(jī)TL電動機(jī)工作機(jī)構(gòu)TMMj1η1j2η2TL′L1第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一轉(zhuǎn)矩的耗損：注意：當(dāng)ＴM為拖動性，ΔＴ由電動機(jī)提供；

當(dāng)ＴM為制動性，ΔＴ由負(fù)載提供。

考慮各級效率時：第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一飛輪矩折算的原則：系統(tǒng)儲藏的動能不變2.轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算TMMGDZ2等效負(fù)載電動機(jī)TL電動機(jī)工作機(jī)構(gòu)TMMj1η1j2η2TL′LGDM2GD12GDL21第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一TMGDZ2等效負(fù)載電動機(jī)TL電動機(jī)工作機(jī)構(gòu)TMj1η1j2η2TL′LGDM2GD12GDL21

分別為電動機(jī)軸，中間傳動軸，生產(chǎn)機(jī)械軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩。第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一總質(zhì)量mｚ電動機(jī)刨刀TMnFTMJＺ等效負(fù)載電動機(jī)TL二、三軸直線運動折算到電動機(jī)軸上1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變1）平移運動第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2）升降運動TMMGD2等效負(fù)載電動機(jī)TL電動機(jī)滾筒TMMj1η1j2η2ｚGDM2GD12GDL21mv提升運動：電動機(jī)為電動狀態(tài)下降運動：電動機(jī)為發(fā)電狀態(tài)第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一（1）提升運動：方法同平移運動（2）下降運動提升和下降的傳動損耗相同重物質(zhì)量重物質(zhì)量第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2.轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩的折算總質(zhì)量m電動機(jī)刨刀TMnFTMMJZ等效負(fù)載電動機(jī)TL（1）轉(zhuǎn)動慣量的折算飛輪矩折算的原則：系統(tǒng)儲藏的動能不變

旋轉(zhuǎn)部分的折算直線部分的折算第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一（2）飛輪矩的折算旋轉(zhuǎn)部分的折算直線部分的折算第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一計算舉例例:機(jī)電傳動系統(tǒng)如下圖(a)所示。已知每根軸的飛輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為98Nm2，電動機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩29.4Nm2，傳動效率0.9，求生產(chǎn)機(jī)械軸上的加速度是多少?第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

由公式可得生產(chǎn)機(jī)械軸上的加速度為：解:這是折算到低速軸第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一負(fù)載的機(jī)械特性指：一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性——TL大小不變這類生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩TL的大小不隨轉(zhuǎn)速n的變化而改變。1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩總是阻礙運動的——反抗性負(fù)載當(dāng)轉(zhuǎn)動方向改變時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變。nT0TL-TL§2.3生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性例：皮帶運輸機(jī)機(jī)床進(jìn)給運動.第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一2、位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性TL電動機(jī)軸TMn特點：絕對值大小恒定；作用方向與n無關(guān)，不變。nT0TL第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一二、恒功率負(fù)載機(jī)械特性nTL0負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系TL=K/n負(fù)載功率:它與n無關(guān)，稱恒功率負(fù)載。例:球磨機(jī),

碎石機(jī),

機(jī)床的主運動.第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一三、泵類負(fù)載機(jī)械特性——變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系TL=kn2。負(fù)載屬于反抗性負(fù)載例:水泵,

通風(fēng)機(jī).

風(fēng)機(jī),水泵電動機(jī)的容量占工業(yè)用戶總用電量的70%.第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一四、電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件

處于某一轉(zhuǎn)速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者當(dāng)擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。在點,系統(tǒng)平衡擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由上升到，，擾動消失，系統(tǒng)減速，回到點運行。擾動使轉(zhuǎn)速由下降到，擾動消失，系統(tǒng)加速，回到點運行。電機(jī)的機(jī)械特性：n=f(TM）負(fù)載的機(jī)械特性：n=f(TL）第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是：在點，系統(tǒng)平衡1.必要條件:

電動機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點,即存在擾動使轉(zhuǎn)速由下降到，系統(tǒng)將一直減速，不可能回到點運行。擾動使轉(zhuǎn)速由上升到，即使擾動消失，系統(tǒng)也將一直加速，不能回到Ｂ點運行。2.充分條件:

在交點處滿足?；蛘哒f，在交點的轉(zhuǎn)速是上升時,在交點的轉(zhuǎn)速是下降時。第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一穩(wěn)定運行判別舉例例1,

試判別右圖所示三相異步電動機(jī)特性曲線與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線組成系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點.分析:

由機(jī)電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)的兩個條件，分別判別圖中a點和b點是否滿足穩(wěn)定運行的條件。第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一

解:1)有交點a和b;2)對于a點,當(dāng)轉(zhuǎn)速小于a點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時,電動機(jī)aˊ的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,a點是平衡點;

對于b點,當(dāng)轉(zhuǎn)速小于b點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時,電動機(jī)b"的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,b點不是平衡點.

第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一穩(wěn)定判別舉例例2右圖中b點是不是穩(wěn)定平衡點?為什么?解:b點是平衡工作點.1)兩條曲線有交點b;2)當(dāng)轉(zhuǎn)速大于b點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時:

即在b點上方作一條虛線,與這兩條曲線有交點，nbTMTLnTL>TM∴b點是平衡工作點

其中:與負(fù)載特性曲線的交點TL位于與電動機(jī)特性曲線交點TM的右側(cè).第四十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期一1.意義：為機(jī)電傳動提供控制原則，設(shè)計出完善的自動控制線路。2.過渡過程的基本規(guī)律：機(jī)電傳動系統(tǒng)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，電流等對時間的變化規(guī)律。3.舉例:1)