第二章-機電傳動系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、教材：機電傳動控制鄧星鐘 主編電 機 與 拖 動第1章 概述 機電傳動的發(fā)展概況; 電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況; “電機與拖動”課程的性質(zhì)和任務(wù).1.機電傳動發(fā)展的概況1) 成組拖動 一臺電動機-一根天軸-一組生產(chǎn)機械設(shè)備 機構(gòu)復(fù)雜,損耗大,效率低,工作可靠性差.2) 單臺電動機拖動 一臺電動機-一臺設(shè)備 當(dāng)生產(chǎn)機械設(shè)備運動部件較多時,機構(gòu)仍復(fù)雜,滿足不了生產(chǎn)工藝要求.3) 多臺電動機拖動 一臺專門的電動機-同一臺設(shè)備的每一個運動部件 機構(gòu)簡單,控制靈活,便于生產(chǎn)機械的自動化.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,夾緊機構(gòu),都是分別由一臺電動機拖動的.2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)

2、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30年代的電機放大機控制,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.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; 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) 計算機數(shù)字控制系

3、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70年代CNC應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心,80年代出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)(FNS); 提高了生產(chǎn)機械的通用性和效率,實現(xiàn)機械加工全盤自動化.3. 本課程的性質(zhì)和任務(wù)1) 課程性質(zhì) 該課程是機械類專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,是機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)機電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)和過渡過程;(2)直流電機的工作原理及特性;(3)交流電動機的工作原理及特性;(4) 控制電動機. 電機是利用電磁感應(yīng)原理工作的機械。 電機常用的分類方式有兩種：一是按功能分，有發(fā)電機、電動機、變

4、壓器和控制電機四大類；二是按電機結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機。兩種方法歸納如下： 電機變壓器直流電機直流發(fā)電機直流電動機交流電機控制電機同步電機同步發(fā)電機同步電動機異步電機異步發(fā)電機異步電動機概述3) 課程學(xué)習(xí)任務(wù) 要求掌握電機的基本結(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)。 電機及拖動是一門理論性很強的技術(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。用理論分析電機及拖動的實際問題時，必須結(jié)合電機的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點和分析方法。掌握

5、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)方法參考教材: 1.電機與拖動基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社 李發(fā)海主編 2. 電機及電力拖動機械工業(yè)出版社 周定頤主編 第2章 機電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)掌握機電傳動系統(tǒng)的運動方程式,用它來分析機電傳動系統(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)機械的機械特性; 掌握機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件； 了解決傳動系統(tǒng)的過渡過程。 電力拖動系統(tǒng)一般由電動機、生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)、傳動機構(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

6、設(shè)備電動機傳動和工作機構(gòu) 電力拖動是用電動機帶動生產(chǎn)機械運動，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)2.1 機電傳動系統(tǒng)的運動方程式1.單軸機電傳動系統(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生產(chǎn)機械TMnTLT0軸TMTLn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,與n方向相同的TL為負。 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)機械慣性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)Td0時,

7、系統(tǒng)為動態(tài): (1) Td0, dn/dt = a0, 系統(tǒng)加速， (2) Td0, dn/dt = a0, 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: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).nTMTLnTMTL 解: TM與n反向為負，TL與n反向為正, 運動方程如下式； 狀態(tài)為減速。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， 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). 由運動方程看，要能提升重物，必須有TMTL

8、，系統(tǒng)才有提升加速度。 由運動方程看：電動機轉(zhuǎn)矩為負，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)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) 直線運動一、三軸旋轉(zhuǎn)運動折算至電動機軸上1. 負載轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變TMM等效負載電動機TL電動機工作機構(gòu)TMMj11j22TLL1轉(zhuǎn)矩的耗損：注意：當(dāng)M為拖動性，由電動機提供；當(dāng)M為制動性， 由負載提供。 考慮各級效率時

9、：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等效負載電動機TL電動機工作機構(gòu)TMMj11j22TLLGDM2GD12GDL21TMGDZ 2等效負載電動機TL電動機工作機構(gòu)TMj11j22TLLGDM2GD12GDL21 分別為電動機軸，中間傳動軸，生 產(chǎn)機械軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩?？傎|(zhì)量m電動機刨刀TMnFTMJ等效負載電動機TL二、三軸直線運動折算到電動機軸上1.負載轉(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2）升降運動TMMGD2等效負載電動機TL電動機滾筒TMMj11j22GDM2GD12GDL21mv提升運動：電動機為電動狀態(tài)下降運動：電動機

10、為發(fā)電狀態(tài)（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2.轉(zhuǎn)動慣量和飛輪矩的折算總質(zhì)量m電動機刨刀TMnFTMMJZ等效負載電動機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（2）飛輪矩的折算旋轉(zhuǎn)部分的折算直線部分的折算計算舉例例: 機電傳動系統(tǒng)如下圖(a)所示。已知每根軸的飛輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，負載轉(zhuǎn)矩為98Nm2，電動機拖動轉(zhuǎn)矩29.4Nm2，傳動效率0.9，求生產(chǎn)機械軸上的加速度是多少? 由公式可得生產(chǎn)機械軸上的加速度為：解: 這是折算到低速軸負載的機械特性指：一、恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性TL大小不變這類生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)

11、矩TL的大小不隨轉(zhuǎn)速n的變化而改變。1. 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性轉(zhuǎn)矩總是阻礙運動的反抗性負載當(dāng)轉(zhuǎn)動方向改變時，負載轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變。nT0TL-TL2.3 生產(chǎn)機械的機械特性例：皮帶運輸機 機床進給運動.2、位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的機械特性TL電動機軸TMn特點：絕對值大小恒定；作用方向與n無關(guān)，不變。nT0TL二、恒功率負載機械特性nTL0負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系TL=K/n負載功率:它與n無關(guān)，稱恒功率負載。例: 球磨機, 碎石機, 機床的主運動.三、泵類負載機械特性變轉(zhuǎn)矩類負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系TL=kn2。負載屬于反抗性負載例: 水泵, 通風(fēng)機. 風(fēng)機,水泵電動機的容量占工業(yè)用

12、戶總用電量的70%.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。電機的機械特性：n=f(TM） 負載的機械特性：n=f(TL） 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: 電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性有交點,即存在擾

13、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 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 。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特性曲線與恒轉(zhuǎn)矩負載特性曲線組成系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點.分析: 由機電傳動系統(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。 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a的轉(zhuǎn)矩大于負載轉(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b的轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩,b點不

14、是平衡點. 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:與負載特性曲線的交點TL位于與電動機特性曲線交點TM的右側(cè).1. 意義：為機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) 龍門刨床的工作臺：它在工作中經(jīng)常需要起動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速，要求過渡過程盡量快，以提高生產(chǎn)率。 2) 電梯：要求起動，制動平滑，速度

15、變化不能過大，以保證安全和舒適。3) 印刷機：要求限制加速度的大小，以保證生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。2.5 機電傳動系統(tǒng)的過渡過程一、機電傳動系統(tǒng)過渡過程的分析1. 機電傳動系統(tǒng)產(chǎn)生過渡過程的原因 外部原因:系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系被破壞; 內(nèi)部原因:系統(tǒng)中存在有貯能的慣性元件.2.機電傳動系統(tǒng)產(chǎn)生過渡過程的慣性 1) 機械慣性: 反映在轉(zhuǎn)動慣量或飛輪轉(zhuǎn)矩上，使轉(zhuǎn)速不能突變。 2)電磁慣性: 反映在電感上，如直流電動機有機電時間常數(shù)和電 氣時間常數(shù)。 3)熱慣性: 反映在溫度上。（比較慢不考慮） 一般情況下,只考慮機械慣性二、 基本方程式 1、機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)： 2、只考慮機械慣性時，系統(tǒng)過渡過程的運動規(guī)律為 : 三、起動時過渡過程曲線1) 起動時: t=0，TM=Tst 動態(tài)轉(zhuǎn)矩Td最大，轉(zhuǎn)速迅速上升。 2) 穩(wěn)態(tài): TM=TL,n=ns，工程上認為， 當(dāng): 轉(zhuǎn)速已達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，過渡過程結(jié)束。四、機電時間常數(shù)的物理意義1.機電時間常數(shù)的表達式 表示機電時間常數(shù)的幾何意義表示機電時間常數(shù)的物理意義(交流異步電動機和直流他激及并激電動機拖動系統(tǒng))2.機電時間常數(shù)是機電傳動系統(tǒng)中的