第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)

1、 第1章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)Dynamics of Electric Drive Systems本章教學(xué)基本要求本章教學(xué)基本要求1.了解電力拖動基本概念；了解電力拖動基本概念；2.熟悉電力拖動系統(tǒng)運動方程式；熟悉電力拖動系統(tǒng)運動方程式；3.掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的概念。掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的概念。重點：重點： 運動方程式和負載轉(zhuǎn)矩。運動方程式和負載轉(zhuǎn)矩。1.1典型生產(chǎn)機械的運動形式及轉(zhuǎn)矩典型生產(chǎn)機械的運動形式及轉(zhuǎn)矩1.1.1電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動電力拖動拖動：原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)叫拖動：原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)叫拖動拖動。 電力拖動：電動機作為原動機，生產(chǎn)機械是

2、負電力拖動：電動機作為原動機，生產(chǎn)機械是負載，電動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的拖動方式稱載，電動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的拖動方式稱電電力拖動力拖動。2.電力拖動系統(tǒng)：用電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，拖動電力拖動系統(tǒng)：用電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，拖動生產(chǎn)機械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)。生產(chǎn)機械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)。2.電力拖動系統(tǒng)組成電力拖動系統(tǒng)組成圖圖1-1 電力拖動系統(tǒng)電力拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)生產(chǎn)機械控制系統(tǒng)電動機電源采用電力拖動主要原因采用電力拖動主要原因 現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機械都采用電力拖動，主要原因是力拖動，主要原因是 ：1. 電能的運輸、分配、控制方便經(jīng)濟。電

3、能的運輸、分配、控制方便經(jīng)濟。2. 電動機的種類和規(guī)格很多，它們具有各種電動機的種類和規(guī)格很多，它們具有各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機械的不同要求。械的不同要求。3. 電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實現(xiàn)自動控制和遠距離操作等等?，F(xiàn)自動控制和遠距離操作等等。1.1.2典型生產(chǎn)機械運動形式及轉(zhuǎn)矩典型生產(chǎn)機械運動形式及轉(zhuǎn)矩n電力拖動系統(tǒng)：單軸（重點介紹）、多軸（可電力拖動系統(tǒng)：單軸（重點介紹）、多軸（可折算成單軸）。折算成單軸）。n運動形式：旋轉(zhuǎn)、平移、升降。運動形式：旋轉(zhuǎn)、平移、升降。n機械轉(zhuǎn)矩形式：摩擦力產(chǎn)生、

4、重力產(chǎn)生。機械轉(zhuǎn)矩形式：摩擦力產(chǎn)生、重力產(chǎn)生。n TT2M-電動機負載單軸電力拖動系統(tǒng)1.2單軸電力拖動系統(tǒng)運動方程式單軸電力拖動系統(tǒng)運動方程式n單軸：生產(chǎn)機械與電動機同軸，即單軸：生產(chǎn)機械與電動機同軸，即:n2.2.1 單軸電力拖動系統(tǒng)運動方程式單軸電力拖動系統(tǒng)運動方程式 由牛頓第二定律知作直線運動的物體存在：由牛頓第二定律知作直線運動的物體存在：LMLMnn或madtdvmFF21轉(zhuǎn)動方程式轉(zhuǎn)動方程式同理，對于作旋轉(zhuǎn)運動的物體：同理，對于作旋轉(zhuǎn)運動的物體： （1-1）J為電動機軸上總轉(zhuǎn)動慣量單位為電動機軸上總轉(zhuǎn)動慣量單位kgm2dtdJTTL實用公式實用公式n將運動方程式中，轉(zhuǎn)動慣量將運動

5、方程式中，轉(zhuǎn)動慣量 J 用飛輪矩用飛輪矩 GD2表示，角速度表示，角速度 用轉(zhuǎn)速用轉(zhuǎn)速 n 表示，表示，由于由于J與與GD2的關(guān)系為的關(guān)系為n （1-2）n所以所以n （1-3）gGDDgGmJ42222gLTdtdnGDTT3752說明說明分秒米單位 : 2604375gnGD2是一個整體，不是是一個整體，不是G與與D2 的乘積，的乘積， GD2 由產(chǎn)品樣本或機械手冊上查出。由產(chǎn)品樣本或機械手冊上查出。 GD2 中的中的 D 為回轉(zhuǎn)直徑，不是實際直徑。為回轉(zhuǎn)直徑，不是實際直徑。運動方程式的分析運動方程式的分析n 各轉(zhuǎn)矩正方向的規(guī)定：各轉(zhuǎn)矩正方向的規(guī)定：nn的正方向：順時針；的正方向：順時針；

6、nT的正方向：當(dāng)?shù)恼较颍寒?dāng)T與與 n（+）相同時為正；）相同時為正；nTL的正方向：當(dāng)?shù)恼较颍寒?dāng)TL 與與n（+）方向相反時為）方向相反時為正；正； n慣性轉(zhuǎn)矩慣性轉(zhuǎn)矩 Tg的方向：由的方向：由 T 與與 TL的代數(shù)和來的代數(shù)和來決定。決定。n （討論）（討論）各量表示法各量表示法上述各量可用軸的剖面圖或直角坐標系來表示上述各量可用軸的剖面圖或直角坐標系來表示nT0TLnTTLa軸的剖面圖軸的剖面圖b直角坐標系直角坐標系轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n、 、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T、 、負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩TL的正方向的正方向1.3多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩折算折算n工程上為了節(jié)省材料，電動機轉(zhuǎn)速都

7、較高。輸出工程上為了節(jié)省材料，電動機轉(zhuǎn)速都較高。輸出功率一定時，即功率一定時，即P=T=常數(shù)，當(dāng)常數(shù)，當(dāng) T ，由于，由于T=CTIa ，則，則 Ia 和和 ， Ia 導(dǎo)線粗；導(dǎo)線粗； 鐵磁材料多。鐵磁材料多。n 一般設(shè)計電動機速度高，通過提高一般設(shè)計電動機速度高，通過提高 降低降低 T , 節(jié)省材料。節(jié)省材料。n 生產(chǎn)機械要求低速，而電動機設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，生產(chǎn)機械要求低速，而電動機設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，二者之間必有減速裝置，故一般電力多動系統(tǒng)多二者之間必有減速裝置，故一般電力多動系統(tǒng)多為多軸拖動系統(tǒng)。為多軸拖動系統(tǒng)。1.3.1多軸系統(tǒng)多軸系統(tǒng)n TM-電動機負載多軸電力拖動系統(tǒng)TL1.3.2多軸系

8、統(tǒng)折算多軸系統(tǒng)折算 分析多軸系統(tǒng)采用的方法是：用一個等分析多軸系統(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)。這種方法稱為種方法稱為“折算折算”。 折算原則折算原則：折算前后系統(tǒng)傳遞功率不：折算前后系統(tǒng)傳遞功率不變，系統(tǒng)的動能不變。變，系統(tǒng)的動能不變。 折算方向折算方向：一般是從生產(chǎn)機械軸向電動：一般是從生產(chǎn)機械軸向電動機軸折算。原因是研究對象是電動機。且電機軸折算。原因是研究對象是電動機。且電動機軸一般是高速。根據(jù)傳送功率不變的原動機軸一般是高速。根據(jù)傳送功率不變的原則，高速軸上的負載轉(zhuǎn)矩數(shù)值小。則，高速軸上的負載轉(zhuǎn)矩數(shù)值小。1.4負載的機

9、械特性負載的機械特性 負載的機械特性是指生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩與負載的機械特性是指生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：n=f(TL)n2.4.1恒轉(zhuǎn)矩負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大小與轉(zhuǎn)速小與轉(zhuǎn)速n無關(guān)。無關(guān)。 恒轉(zhuǎn)矩負載分：反抗性負載特性和位能恒轉(zhuǎn)矩負載分：反抗性負載特性和位能性負載特性。性負載特性。1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性n特點：恒值負載轉(zhuǎn)矩特點：恒值負載轉(zhuǎn)矩TL總是與轉(zhuǎn)速總是與轉(zhuǎn)速n的方向的方向相反，即作用方向總是阻礙運動的方向。相反，即作用方向總是阻礙運動的方向。n 當(dāng)正轉(zhuǎn)時當(dāng)正轉(zhuǎn)時n為正，為正，

10、 TL與與n方向相反，應(yīng)方向相反，應(yīng)為正，即在第一象限為正，即在第一象限 n 當(dāng)反轉(zhuǎn)時當(dāng)反轉(zhuǎn)時n為負，為負， TL與與n方向相反，應(yīng)方向相反，應(yīng)為負，即在第三象限。為負，即在第三象限。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載 當(dāng)轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時，外加時，外加轉(zhuǎn)矩不足以使系統(tǒng)運動。轉(zhuǎn)矩不足以使系統(tǒng)運動。根據(jù)作用力與根據(jù)作用力與 反作用力原反作用力原理，這時反抗力負載轉(zhuǎn)矩理，這時反抗力負載轉(zhuǎn)矩大小和方向取決于外加轉(zhuǎn)大小和方向取決于外加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。即與外矩的大小和方向。即與外加轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相加轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反。負載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與橫反。負載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與橫軸重合。例如軋機，機床軸重合。例如軋機

11、，機床刀架平移機構(gòu)等。刀架平移機構(gòu)等。nTn=f(TL)0-TLTL反抗性負載轉(zhuǎn)矩特性2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性n特點：特點： TL的方向與的方向與n的方向無關(guān)。的方向無關(guān)。 TL具有具有固定不變的方向。固定不變的方向。n例如：起重機的提升機構(gòu)，不論是提升重例如：起重機的提升機構(gòu)，不論是提升重物還是下放重物，重力的作用總是方向朝物還是下放重物，重力的作用總是方向朝下的，即重力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩方向固定。下的，即重力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩方向固定。位能性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載 例如：起重機的提升例如：起重機的提升機構(gòu)，不論是提升重物機構(gòu)，不論是提升重物還是下放重物，重力的還是下放重物，

12、重力的作用總是方向朝下的。作用總是方向朝下的。即重力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩即重力產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩方向固定不變，故在第方向固定不變，故在第一和第四象限。一和第四象限。nTn=f(TL)0TL位能性負載轉(zhuǎn)矩特性1.4.2. 恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性n特點：當(dāng)轉(zhuǎn)速特點：當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時，負載功率基本不變。變化時，負載功率基本不變。n根據(jù)根據(jù) n如車床的主軸機構(gòu)和軋鋼機的主傳動。如車床的主軸機構(gòu)和軋鋼機的主傳動。n適用于金屬切削車床。適用于金屬切削車床。 nPPT260 22L常數(shù)LTP2nTL1恒功率負載轉(zhuǎn)矩恒功率負載轉(zhuǎn)矩n適用于金屬切削車適用于金屬切削車床。床。 粗加工時粗加工時，n 低，低，T 大；大； 精加工時，精加工時，n 高，高， T小。小。nTLn=f(TL)0恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性1.4.3風(fēng)機泵類負載風(fēng)機泵類負載n阻力與轉(zhuǎn)速平方成正阻力與轉(zhuǎn)速平方成正比，即有：比，即有：n如水泵，油泵等，如如水泵，油泵等，如圖所示，虛線是在考圖所示，虛線是在考慮了軸承上的摩擦轉(zhuǎn)慮了軸承上的摩擦轉(zhuǎn)矩后得出的實際鼓風(fēng)矩后得出的實際鼓風(fēng)機負載轉(zhuǎn)矩。機負載轉(zhuǎn)矩。 2L2 nTknTL或nTn=f(