李發(fā)海電機與拖動基礎(chǔ)第四版第二章

1、 第二章第二章 電力拖動系統(tǒng)的動力學電力拖動系統(tǒng)的動力學2.1 2.1 電力拖動系統(tǒng)傳動方程式電力拖動系統(tǒng)傳動方程式 電力拖動系統(tǒng)一般是由電動機、生產(chǎn)機械的傳動機構(gòu)、工作機 構(gòu)、控制設備和電源組成 。如圖2.1所示。 圖2.1 電力系統(tǒng)的組成 最簡單的電力拖動系統(tǒng)是單軸電力拖動系統(tǒng)，電動機與負載為 同一軸，同一轉(zhuǎn)速。圖 2.2 為同軸電力拖動系統(tǒng)。圖中所示的 物理量有：n為電動機轉(zhuǎn)速； T為電動機電磁轉(zhuǎn)矩； 為電動0T機空載轉(zhuǎn)矩； 為工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩。 為負載轉(zhuǎn)矩。分析電力系統(tǒng)通時，所指負載轉(zhuǎn)矩就是 。通常 ，認為 = 。圖中轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）, 轉(zhuǎn)矩的單位為牛米（N M）。 用轉(zhuǎn)

2、動方程式來描繪圖 2.2 中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系時，有： 0TFTFTFTLTFTLT圖2.2 單軸電力拖動系統(tǒng)式中：其中：m 為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，單位為 ; G 為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力，單位為N ; 為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量半徑，單位為 m； D 為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量直徑，單位為 m； g 為重力加速度，一般取 g=9.80 m / 將上兩式代入轉(zhuǎn)動方程，化簡后得：2s（2-1）式中：GD 為轉(zhuǎn)動部分的飛輪矩，單位為N; 系數(shù)375為有單位的系數(shù)，單位為m/min s; 轉(zhuǎn)矩的單位為Nm ，轉(zhuǎn)速的單位為r/min 。 （2-1）式為電力拖動中常用的轉(zhuǎn)動方程式， 稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩等于零時

3、，系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)恒速運行；動態(tài)轉(zhuǎn)矩不等于零時，系統(tǒng)處于變速過渡過程中。2.2 2.2 多軸電力拖動電力簡化多軸電力拖動電力簡化 圖2.3 電力拖動系統(tǒng)的簡化 當傳動機構(gòu)帶有減速齒輪箱時，形成多軸拖動系統(tǒng)。如圖 2.3 (a) 所示。為了簡化多軸系統(tǒng)的分析計算，通常把負載轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)飛輪矩折算到電動機軸上來，變多軸為單軸系統(tǒng)。2.2.1 2.2.1 工作機構(gòu)為轉(zhuǎn)動情況時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算工作機構(gòu)為轉(zhuǎn)動情況時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算 1. 1. 轉(zhuǎn)矩折算轉(zhuǎn)矩折算 按折算前后功率不變的原則，有（2-2）式中: 為工作機構(gòu)轉(zhuǎn)軸的角速度； 為電動機轉(zhuǎn)軸的角速度； 為工作機構(gòu)的負載轉(zhuǎn)矩； 為工作機構(gòu)的負載轉(zhuǎn)矩折算

4、到電機軸上的折算值； 為傳動系統(tǒng)的總速比。圖 2.3（a）系統(tǒng)中 。 (2-2) 說明，轉(zhuǎn)矩按速比的反比來折算。 若考慮到傳動機構(gòu)的效率，則有 為傳動機構(gòu)效率。在圖2.3 所示系統(tǒng)中，（2-3） 式（2-2）與式（2-3）的差為 2. 2. 飛輪矩折算飛輪矩折算 旋轉(zhuǎn)物體的動能大小為 式中 為飛輪矩。 按折算前后轉(zhuǎn)軸動能不變的原則，對圖2.3（a）有（為傳動機構(gòu)損耗轉(zhuǎn)矩） 化簡得 （2-4） 飛輪比的折算是按照速比平方的反比進行的。 同理，將 軸折合到電機軸的飛輪矩為 （2-5） 則整個電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的總飛輪矩為： 考慮到傳動機構(gòu)的飛輪矩遠比電機轉(zhuǎn)子的飛輪矩小，常用以 下公式估算總

5、飛輪矩。式中： 是電動機轉(zhuǎn)子的飛輪矩，為系數(shù)，=0.20.32.2.2 2.2.2 工作機構(gòu)為平移運動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算工作機構(gòu)為平移運動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算 1. 1. 轉(zhuǎn)矩折算轉(zhuǎn)矩折算2GD 切削時的切削功率為： P = F v 而切削力反應到電動機上轉(zhuǎn) 矩為：圖2.4 刨床典禮拖動示意圖 不考慮損耗時，按功率不變的折算原則，有 可推得： （2-6） 計入傳動系統(tǒng)損耗，則 （2-7） 兩式之差 為傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)矩損耗，由電動機負擔。 2. 飛輪矩折算飛輪矩折算 按照折算前后動能不變的原則，有 等式左邊為平移物體的動能，等式右邊為折算到電機軸上 的動能。最后求得 傳動機構(gòu)中其他軸的 的折算

6、與前述相同。2.2.3 2.2.3 工作機構(gòu)作提升和下放重物運動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算工作機構(gòu)作提升和下放重物運動時，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算 1. 1. 負載轉(zhuǎn)矩的折算負載轉(zhuǎn)矩的折算 （1）提升重物時負載轉(zhuǎn)矩的折算 不計入損耗，折算到電動機軸上的 負載轉(zhuǎn)矩為 計入損耗，折算到電動機軸上的負 載轉(zhuǎn)矩為 傳動機構(gòu)的損耗轉(zhuǎn)矩為圖2.5 升降勻動的店里拖動系統(tǒng) 2. 2. 下放重物時負載轉(zhuǎn)矩的折算下放重物時負載轉(zhuǎn)矩的折算 不計入損耗時，下放重物折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩仍為 但 的歸屬發(fā)生了變化。 損耗轉(zhuǎn)矩是摩擦性的，其方向永遠和轉(zhuǎn)動方向相反。由圖2.6可知： 提升時電動機負擔了 折算轉(zhuǎn)矩為 下放時，負載

7、負擔了 折算轉(zhuǎn)矩為 圖2.6 起重機轉(zhuǎn)矩關(guān)系（a）提升重物（b）下放重物 即 若用效率下放轉(zhuǎn)矩損耗，則有 為重物下放時傳動機構(gòu)的效率。 2.3 負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 2.3.12.3.1負載的轉(zhuǎn)矩特性負載的轉(zhuǎn)矩特性 1. 恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性 （1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特點： 0 時， 0 (常數(shù))， 0 時， 0 時， 0；制動性轉(zhuǎn)矩 0；拖動性轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩絕對值大小恒定，方向 不變 ，如圖2.9 （a）。 圖2.9（b為考慮傳動機構(gòu)損耗后，折算到軸上的轉(zhuǎn)矩特性。fTfTfnfn 圖2.9 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性（a）實際特性 （b）折算后特性 2.泵類負載的轉(zhuǎn)矩特性 特

8、點：轉(zhuǎn)矩大小與轉(zhuǎn)速平方成正比。特性如圖2.10所示。 3. 恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性 因生產(chǎn)工藝要求，加工過程中，負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之乘積需保持常數(shù)的負載稱之為恒功率負載。如圖2.11 所示。 圖 2.10 泵類負載轉(zhuǎn)矩特性 圖 2.11 恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性 2.3.2 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件系統(tǒng)穩(wěn)定運行（恒速不變）的必要條件是動轉(zhuǎn)矩為零。 即 T = (忽略空載轉(zhuǎn)矩)。在圖2.12中兩條曲線的交點A滿足該LT條件，A點稱為工作點。 當干擾出現(xiàn)時，系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行？干擾消失后，系統(tǒng)能否回到原來的工作點上繼續(xù)運行？能則為穩(wěn)定系統(tǒng)，否則為不穩(wěn)能則為穩(wěn)定系統(tǒng)，否則為不穩(wěn)定系統(tǒng)。定系統(tǒng)。圖2.13為直流電動機拖動泵類負載運行的情況。 （1）出現(xiàn)干擾，電壓降低：機械特性從曲線1變?yōu)?，而工作點由 A、B 到 。且穩(wěn)定在 。 圖2.12 系統(tǒng)穩(wěn)定運行工作點 圖2.13 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行分析1AAA（2） 干擾消失，電壓恢復到原值：機械特性仍回到曲線 1，工作點由 、C 回到A，并在A點繼續(xù)穩(wěn)定運行。 圖2.14 為不