電力拖動(dòng)第一章

1、電力拖動(dòng)與控制第一章第一章電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的 動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩轉(zhuǎn)矩及飛輪矩 的折算的折算生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性主要內(nèi)容主要內(nèi)容原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)稱(chēng)為拖動(dòng)。用各種電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)的拖動(dòng)方式，稱(chēng)為電力拖動(dòng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)，一般由電動(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)、控制設(shè)備和電源五部分組成。 圖1-1 電力拖動(dòng)系統(tǒng)示意圖 要研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)，不僅要研究電動(dòng)機(jī)自身的運(yùn)行性能，還要研究電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)

2、方程式。 第一節(jié)第一節(jié) 單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 電動(dòng)機(jī)輸出軸直接拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)。 （a） 單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng) （b） 各量的參考方向 圖 1-2 單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)及各量的參考方向 根據(jù)力學(xué)中剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律得到單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 : dtdJTTLT 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(Nm) J 電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2) TL 電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm) 在實(shí)際的電力拖動(dòng)工程中則采用飛輪慣量（即飛輪矩）GD2代替轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J ；用轉(zhuǎn)速 n代替角速度。n與的關(guān)系為 260n dtd602=dtdn則 J與GD2之間的關(guān)系為：222()24G D

3、GDJmgg m 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量（） G 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力（N） 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的回轉(zhuǎn)半徑（m） D 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的回轉(zhuǎn)直徑（m） g 重力加速度，可取g = 9.81m/s由此可得： GD2系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總飛輪矩(Nm2)具有加速度量綱的系數(shù)dtdnGDTTL3752375=4g60/ 2 ndtdnTTL, 0, 0 常數(shù)(或0），系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)，視運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)而定。ndtdnTTL, 0, 0 不斷增加，系統(tǒng)加速運(yùn)轉(zhuǎn)；ndtdnTTL, 0, 0 不斷降低，系統(tǒng)減速運(yùn)轉(zhuǎn)。穩(wěn)態(tài)：動(dòng)態(tài)： 注意：式中的T、TL及n都是有方向的。在規(guī)定了n的方向后，T與n的方向一致時(shí)為正，TL與n的方向

4、相反時(shí)為正。 在代入具體數(shù)值時(shí)，如果其實(shí)際方向與規(guī)定的正方向相同，就用正數(shù)，否則應(yīng)當(dāng)用負(fù)數(shù)。 第二節(jié)第二節(jié) 多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛 輪矩的折算輪矩的折算 多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，就是在電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)構(gòu)之間增設(shè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。 一般采用折算的辦法，把多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)，然后按單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式來(lái)分析。 注意：在使用單軸運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行分析時(shí),式中的TL應(yīng)是折算后的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmeq , GD2是折算后系統(tǒng)總的等效飛輪矩 GDeq2。 （a） 傳動(dòng)圖 （b） 等效折算圖 圖 1-3 多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)示意圖 本節(jié)重點(diǎn)研究負(fù)載轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的具體折算方法。

5、折算的原則： 按照能量守恒定律，系統(tǒng)在折算前和折算后應(yīng)具有相等的機(jī)械功率和動(dòng)能。設(shè)工作機(jī)構(gòu)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Tm1. 1. 轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩的折算功率為: Pm= Tmm折算后的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Tmeq對(duì)應(yīng)角速度為：m=2nm / 60折算后的對(duì)應(yīng)角速度為：一、工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算一、工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算 圖1-4 某電力拖動(dòng)系統(tǒng)示意圖而折算后的功率為: Pmeq=Tmeq根據(jù)功率不變?cè)瓌t有: Tm m= Tmeq則: mmmmeqTTTj電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速比:mmnjn 多級(jí)傳動(dòng),傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比之積,傳動(dòng) 效率為各級(jí)傳動(dòng)效率之積,即: 考慮了傳動(dòng)損耗后,功率關(guān)系變?yōu)?m

6、meqTTj123jj j j123 2.2.飛輪矩的折算飛輪矩的折算 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的飛輪矩為GDd2(Jd) ,主軸和工件的飛輪矩為GDm2(Jm) ,則旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)能為:2222211222121212121mmdJJJJJA222221222222211212111dmmGDGDGDGDGDjj jj j j 設(shè)各軸的角速度為: 12m, 折算原則：折算前后系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能不變因此可采用以下公式估算系統(tǒng)的飛輪矩：22(1)dGDGD 一般情況下，在系統(tǒng)總飛輪矩中，電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪矩占的比重最大，其次是工作機(jī)構(gòu)上飛輪矩的折算值，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各種飛輪矩的折算值占的比重最小。 GDd2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛

7、輪矩,可從產(chǎn)品目錄中查閱 =0.20.3 二、工作機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算二、工作機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算( (一一) ) 平移運(yùn)動(dòng)平移運(yùn)動(dòng)圖1-5 工作機(jī)構(gòu)作平移運(yùn)動(dòng)示意圖1. 1. 轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩的折算2220.50.54(260)eqG g vGDgn9.55260meqFvFvTFvnn 考慮到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗：2. 2. 飛輪矩的折算飛輪矩的折算根據(jù)折算前后動(dòng)能不變的原則：所以：22224(260)365eqGDGvnGv n( (二二) ) 升降運(yùn)動(dòng)升降運(yùn)動(dòng)圖1-6 起重機(jī)示意圖1. 1. 轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩的折算m eqTG Rj12 上升重物時(shí)設(shè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率為 ：2.2

8、.飛輪矩的折算與平移相同飛輪矩的折算與平移相同 可證明： 下降重物時(shí)設(shè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率為：m e qG RTj例例1-11-1：某電力拖動(dòng)系統(tǒng)如圖1-4所示。已知飛輪矩 ， ， ，傳動(dòng)效率 ， ，轉(zhuǎn)矩 ，轉(zhuǎn)速 , , ，忽略電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩，試求：（1）折算到電動(dòng)機(jī)軸上的系統(tǒng)總飛輪矩（2）折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩10.912214.5N mdGD 22118.8N mGD 22m120N mGD 20.9385N mmT 2450 /minnr1810 /minnr150 /minmnrmeqT2GD解：解： （1）系統(tǒng)總飛輪矩 222222212222118.812014.5N mN mN m

9、24502450810150mdmGDGDGDGDnnnn222214.5N m2.055N m0.45N m17.005N m（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩1285N m6.15N m24500.91 0.93150mmeqmTTnn 例例1-21-2： 某刨床電力拖動(dòng)系統(tǒng)如圖1-5所示。已知切削力 ，工作臺(tái)與工件運(yùn)動(dòng)速度 ，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總效率 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ，電動(dòng)機(jī)的飛輪矩 ,試求： 10000NF 0.7m/sv 0.811450 / minnr22100N mGD （1）切削時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；（2）估算系統(tǒng)總的飛輪矩；（3）不切削時(shí)，工作臺(tái)及工件反向加速，電動(dòng)機(jī)以 恒加速度運(yùn)行，計(jì)算此時(shí)系統(tǒng)的

10、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值。2500/dnmsdt 切削時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （2）估算系統(tǒng)總的飛輪矩2221.2120N meqdGDGD70009.559.55N m56.92N m1450 0.81meqFvTn解：（1）切削功率7000WPFv（3）不切削時(shí)（ ），工作臺(tái)與工件 反向加速時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩絕對(duì)值 2160N m375meqGD dnTTdt0m eqT 第三節(jié) 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性是指生產(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，即 n=f(TL) 。 典型的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有恒轉(zhuǎn)矩特性、恒功率特性和通風(fēng)機(jī)型特性三種。 TL大小不變，但作用方向總是與運(yùn)動(dòng)方向 n相反

11、，是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)矩。 一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 1.1.反抗性反抗性( (又稱(chēng)摩擦性又稱(chēng)摩擦性) )恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 從反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)可知，當(dāng)n為正向時(shí)，TL亦為正（按規(guī)定, 以反對(duì)正向運(yùn)動(dòng)的方向作為T(mén)L的正方向）；當(dāng)n為負(fù)向時(shí),TL也改變方向，變?yōu)樨?fù)值。 特性如圖1-7。圖1-7 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 圖1-8 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 這種負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由重力作用產(chǎn)生的。 特點(diǎn)：TL大小不變,而且作用方向也保持不變。 如果以提升作為運(yùn)動(dòng)的正方向，則n為正向時(shí)，TL反對(duì)運(yùn)動(dòng)，也為正值；當(dāng)下放重物，n 為負(fù)向時(shí)，TL的方向不變，仍為正，表明這時(shí)TL是幫助運(yùn)動(dòng)的，成為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 特性如圖1-8。 2. 2. 位能