轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩.ppt

,電氣傳動(dòng)及控制基礎(chǔ),廖曉鐘,第1章 電氣傳動(dòng)基礎(chǔ),1.1 電氣傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 1.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法 1.3 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法,1.1 電氣傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),1.1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程式 1.1.2 轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算 1.1.3 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,1.1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程式,（1.1）,圖1.1 電氣傳動(dòng)系統(tǒng),如圖1.1所示, 電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作機(jī)械的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系, 并符合剛體旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)定律 ,即式(1.1),1.1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程式,（1.2）,省略空載轉(zhuǎn)矩時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程式如(1.2)所示。,Te電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(N*m),TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N*m),J拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg*m),電動(dòng)機(jī)的角速度(rad/s),（1.4）,1.1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程式,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為常數(shù)時(shí)，式（1.2）可以簡(jiǎn)化為,（1.3）,工程計(jì)算中，往往不用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，而用飛輪矩 ，兩者之間的關(guān)系如式（1.4）,式中：,1.1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程式,當(dāng)TeTL 時(shí)，d /d 0，系統(tǒng)加速 當(dāng)TeTL 時(shí)，d /d 0，系統(tǒng)減速 當(dāng)TeTL 時(shí)，系統(tǒng)處于加速或減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（動(dòng)態(tài)） 當(dāng)Te= TL 時(shí)，系統(tǒng)以恒速運(yùn)動(dòng)，即穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大小由工作機(jī)械即電動(dòng) 機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定。,（1.5）,式（1.2）的實(shí)用表達(dá)式如式（1.5）所示,1.1.1 基本運(yùn)動(dòng)方程式,規(guī)定轉(zhuǎn)矩的正方向 電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與所設(shè)定電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的正方向相同時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。 負(fù)載轉(zhuǎn)矩與所設(shè)定電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的正方向相同時(shí)為負(fù)，相反時(shí)為正。,圖1.2 軸端圖,1.1.2 轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算,實(shí)際的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中,在電機(jī)與工作機(jī)械之間往往要經(jīng)過(guò)多軸傳動(dòng)，如圖1.3所示。,圖1.3 多軸傳動(dòng)系統(tǒng) (a)雙軸傳動(dòng)系統(tǒng);(b)起重傳動(dòng)系統(tǒng),1.1.2 轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算,按照能量守恒，折算到電機(jī)軸上的負(fù)載功率應(yīng)等于工作機(jī)械的負(fù)載功率加上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的損耗，則：,1轉(zhuǎn)矩的折算,兩種運(yùn)動(dòng)負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為,（用于直線運(yùn)動(dòng)負(fù)載）,（用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)負(fù)載）,式中 傳動(dòng)效率， 1 主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速比，,1.1.2 轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算,2飛輪矩的折算（旋轉(zhuǎn)負(fù)載） 按照能量守恒 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩為,（1.6）,（1.7）,（1.8）,1.1.2 轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算,3.飛輪矩的折算（直線負(fù)載） 按照能量守恒 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩為,（1.9）,（1.10）,（1.11）,1電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 和電磁轉(zhuǎn)矩 之間的關(guān)系，表示為 = 。,圖1.4 電機(jī)的機(jī)械特性,1.1.3電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,2負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 工作機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的關(guān)系 = 即為負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。 （1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,圖1.5 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 （a）反抗性 （b）位能性,1.1.3電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,（2）通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性（曲線1） （3）恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性（曲線2）,圖1.6 通風(fēng)機(jī)和恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,1.1.3電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,3電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件 分析電氣傳動(dòng)的運(yùn)行 問(wèn)題可以將電動(dòng)機(jī)的 機(jī)械特性和工作機(jī)械 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性畫(huà)在 同一個(gè)坐標(biāo)圖上。,圖1.7 機(jī)械特性與負(fù)載特性的配合,1.1.3電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,電氣傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件,特性 和特性 有交點(diǎn)，并且在該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上保證 ，而在該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之下則要求 。,1.1.3電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,圖1.8 機(jī)械特性與負(fù)載特性配合的兩種情況 （a）穩(wěn)定 （b）不穩(wěn)定,1.1.3電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,電氣傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件,1.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法,1.2.1 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1.2.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 1.2.3 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,1.2.1 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類,圖1.9 直流電機(jī)按勵(lì)磁方式分類 （a）他勵(lì)式（b）并勵(lì)式（c）串勵(lì)式（d）復(fù)勵(lì)式,1.2.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,1調(diào)速的性能指標(biāo) (1) 靜差率 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在某一機(jī)械特性上時(shí)，額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速降 與理想空載轉(zhuǎn)速 之比，稱為靜差率，常用百分?jǐn)?shù)表示 (2) 調(diào)速范圍 調(diào)速范圍指工作機(jī)械要求的最高轉(zhuǎn)速 和最低轉(zhuǎn)速 之比,（1.12）,（1.13）,1.2.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,調(diào)速范圍和靜差率的關(guān)系,調(diào)速系統(tǒng)最低速時(shí)的靜差率為,因?yàn)?所以,（1.14）,（1.15）,（1.16）,1.2.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,（3）調(diào)速的平滑性 通常用兩個(gè)相鄰調(diào)速級(jí)的轉(zhuǎn)速比來(lái)衡量。在一定調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速級(jí)數(shù)越多，則平滑性越好；當(dāng)調(diào)速級(jí)數(shù)達(dá)無(wú)窮多時(shí)，稱為無(wú)級(jí)調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。,2調(diào)速方法,（1.17）,1.2.2 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,圖1.10 三種調(diào)速方法的機(jī)械特性 （a）調(diào)節(jié)電樞電壓U （b）調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通 （c）調(diào)節(jié)電樞附加電阻,1.2.3 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng),直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)應(yīng)該先建立磁場(chǎng)，再加電 樞電壓。 1.電樞串電阻啟動(dòng) 2.降壓?jiǎn)?dòng) 3.啟動(dòng)速度和平穩(wěn)性,圖1.11 電樞串電阻啟動(dòng),1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)： 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反,回饋制動(dòng) 能耗制動(dòng) 反接制動(dòng),1回饋制動(dòng),圖1.12 回饋制動(dòng)特性,1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),2能耗制動(dòng),圖1.13 電阻能耗制動(dòng) （a)線路；（b)機(jī)械特性,1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),3反接制動(dòng)（電源反接）,圖1.14 電源反接的反接制動(dòng) （a)線路；（b)機(jī)械特性,1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),3反接制動(dòng)（轉(zhuǎn)速反向）,圖1.15 轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng) （a)線路；（b)機(jī)械特性,1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)總結(jié)：,1.電動(dòng)機(jī)有電動(dòng)和制動(dòng)兩種 運(yùn)行狀態(tài)，它們的機(jī)械特 性可用統(tǒng)一形式的方程式 表示。 2.可在 - 平面的四個(gè)象限內(nèi)畫(huà)出各種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性 。,圖1.17 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),（1.18）,1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),例1.2,1.思路 2.注意的問(wèn)題： 機(jī)械特性 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速的正和負(fù) 電動(dòng)和制動(dòng),圖1.18 轉(zhuǎn)速特性,（1.19）,1.2.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性 1直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)分析 過(guò)渡過(guò)程 動(dòng)態(tài)特性,1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,1直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)分析,（1.20）,（1.21）,（1.22）,（1.23）,描繪出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的三要素： 初始值、穩(wěn)態(tài)值和系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù),1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,2直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)特性,圖1.19 啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性 （a)機(jī)械特性；(b)Te(t)曲線；(c)n(t)曲線,1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)動(dòng)態(tài)特性,能耗制動(dòng) 電源反接制動(dòng) （位能負(fù)載） 電源反接制動(dòng) （反抗性負(fù)載）,1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,圖1.20 能耗制動(dòng)機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)特性 （a)機(jī)械特性；(b)Te(t)曲線；(c)n(t)曲線,能耗制動(dòng),1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,電源反接制動(dòng)（位能負(fù)載）,圖1.21 位能性負(fù)載反接制動(dòng)特性 （a)機(jī)械特性；(b)n(t)曲線；(c)I(t)曲線,1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,電源反接制動(dòng) （反抗性負(fù)載）,圖1.22 反抗性負(fù)載反接制動(dòng)特性 （a)機(jī)械特性；(b)n(t)曲線；(c)I(t)曲線,1.2.5 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,1.3 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及運(yùn)行方法,1.3.1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 1.3.3 異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 1.3.4 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),1.3.1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,機(jī)械特性推導(dǎo) 同步角速度 轉(zhuǎn)差率 電磁功率 轉(zhuǎn)子電流 則電磁轉(zhuǎn)矩,（1.27）,（1.28）,（1.29）,（1.30）,（1.31）,圖1.23 異步電機(jī)等值電路和相量圖 （a)等值電路；(b)相量圖,1.3.1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,1.3.1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,機(jī)械特性分析 最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率為 最大電磁轉(zhuǎn)矩為,圖1.24 異步電機(jī)機(jī)械特性,（1.32）,（1.33）,（1.34）,1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,根據(jù)轉(zhuǎn)差率的定義 異步調(diào)速方法,圖1.25 異步電機(jī)調(diào)速方式,變轉(zhuǎn)差率,變極對(duì)數(shù)（籠型轉(zhuǎn)子）,變頻,交-交變頻,交-直-交變頻,調(diào)定子電壓,調(diào)轉(zhuǎn)子電路電阻（繞線轉(zhuǎn)子）,串級(jí)調(diào)速（繞線轉(zhuǎn)子）,而,1改變定子電壓調(diào)速,圖1.26 改變定子電壓調(diào)速 (a)線路；(b)機(jī)械特性,1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,1改變定子電壓調(diào)速,圖1.27 高轉(zhuǎn)子電阻電機(jī)在不同電壓下的機(jī)械特性,1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,2改變轉(zhuǎn)子電路電阻調(diào)速,圖1.28 改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速 (a)線路；(b)機(jī)械特性,1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,3變極調(diào)速,圖1.29 變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性,1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,4變頻調(diào)速,圖1.30 變頻調(diào)速時(shí)的特性 (a)機(jī)械特性；（b)保持Tem為常數(shù)的Us-fs關(guān)系,1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,1.3.3 異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng),1.降壓?jiǎn)?dòng) 定子回路串電阻或電抗器啟動(dòng) 調(diào)壓器啟動(dòng) Y-啟動(dòng) 轉(zhuǎn)子串附加電阻 2.升頻啟動(dòng),圖1.31 轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng) (a)線路；(b)啟動(dòng)特性,1.3.4 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),1再生制動(dòng) 2反接制動(dòng) 3直流能耗制動(dòng),1再生制動(dòng),圖1.32 異步電機(jī)的再生制動(dòng),1.3.4 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),2反接制動(dòng),定子三相電源中的任意兩根電源線對(duì)調(diào)，使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向,圖中（1）曲線表示。 在轉(zhuǎn)子電路中串接附加電阻,圖中（2）曲線表示。,圖1.33 異步電機(jī)的反接制動(dòng),1.3.4 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),3直流能耗制動(dòng),圖1.34 異步電機(jī)的直流制動(dòng) （a)線路；(b)制動(dòng)特性,1.3.4 異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),復(fù)習(xí)思考題1,1.什么叫制動(dòng)狀態(tài)? 什么叫電動(dòng)狀態(tài)? 2.電氣傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的值由什么決定？ 3.如何判斷電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行？ 4.電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性由哪三要素決定？寫(xiě)出動(dòng)態(tài)方程式，寫(xiě)出制動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性方程式。,復(fù)習(xí)思考題1,5.他勵(lì)直流電機(jī)額定參數(shù)為220V