電力拖動與控制第一章

1、電力拖動與控制 孟祥麗什么是電氣傳動？電力拖動與控制第一章電力拖動系統(tǒng)的 動力學基礎(chǔ)電力拖動的發(fā)展概況電力拖動的發(fā)展 簡單復雜 低級高級 成組拖動單電機拖動多電機拖動 直流電機拖動交流電機拖動技術(shù)的支撐條件 新型電機 大功率半導體器件：MOSFET、IGBT、IPM 計算機技術(shù) 新的控制理論和方法電氣傳動系統(tǒng)基本分類電動機通常是根據(jù)生產(chǎn)機械的工作要求來選用，主要有 直流電動機 異步電動機 同步電動機直流電動機為動力的拖動系統(tǒng)稱為直流電力拖動系統(tǒng)，簡稱直流拖動系統(tǒng)交流電動機為動力的拖動系統(tǒng)稱為交流電力拖動系統(tǒng)，簡稱交流拖動系統(tǒng)。單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩 的折算生產(chǎn)機

2、械的負載轉(zhuǎn)矩特性主要內(nèi)容原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)稱為拖動。用各種電動機作為原動機帶動生產(chǎn)機械運動，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)的拖動方式，稱為電力拖動。電力拖動系統(tǒng)，一般由電動機、機械傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)、控制設(shè)備和電源五部分組成。 圖1-1 電力拖動系統(tǒng)示意圖 要研究電力拖動系統(tǒng)，不僅要研究電動機自身的運行性能，還要研究電動機和負載之間的運動規(guī)律電力拖動系統(tǒng)的運動方程式。 電動機及電源：把電能轉(zhuǎn)換成機械能；傳動機構(gòu)：將機械能轉(zhuǎn)換成所需要的運動形式并進行傳遞與分配；執(zhí)行機構(gòu)：完成生產(chǎn)工藝任務(wù)；電氣控制裝置：控制系統(tǒng)按著生產(chǎn)工藝的要求來動作，并對系統(tǒng)進行保護和自動控制。第一節(jié) 單軸電力拖動系統(tǒng)的運

3、動方程式 電動機輸出軸直接拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)單軸電力拖動系統(tǒng)。 （a） 單軸電力拖動系統(tǒng) （b） 各量的參考方向 圖 1-2 單軸電力拖動系統(tǒng)及各量的參考方向 根據(jù)力學中剛體轉(zhuǎn)動定律得到單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 : T 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩(Nm) J 電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量(kgm2) TL 電動機的負載轉(zhuǎn)矩(Nm) 在實際的電力拖動工程中則采用飛輪慣量（即飛輪矩）GD2代替轉(zhuǎn)動慣量J ；用轉(zhuǎn)速 n代替角速度。n與的關(guān)系為 =則 J與GD2之間的關(guān)系為： m 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（） G 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力（N） 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)半徑（m） D 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)直徑（m） g 重力加速

4、度，可取g = 9.81m/s由此可得： GD2系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的總飛輪矩(Nm2)具有加速度量綱的系數(shù) 常數(shù)(或0），系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)，視運動初始狀態(tài)而定。 不斷增加，系統(tǒng)加速過度過程 不斷降低，系統(tǒng)減速過度過程穩(wěn)態(tài)：動態(tài)：電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n 的正方向相同負載轉(zhuǎn)矩TL的正方向與轉(zhuǎn)速n的正方向相反。第二節(jié) 多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛 輪矩的折算 多軸電力拖動系統(tǒng)，就是在電動機與工作機構(gòu)之間增設(shè)傳動機構(gòu)的系統(tǒng)。 一般采用折算的辦法，把多軸電力拖動系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)，然后按單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式來分析。 （a） 傳動圖 （b） 等效折算圖 注意：在使用單軸運動方程式進行分析時,式中

5、的TL應(yīng)是折算后的等效負載轉(zhuǎn)矩Tmeq , GD2是折算后系統(tǒng)總的等效飛輪矩 GDeq2。 本節(jié)重點研究負載轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的具體折算方法。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)具有相等的機械功率和動能。設(shè)工作機構(gòu)負載轉(zhuǎn)矩為：Tm1. 轉(zhuǎn)矩的折算功率為: Pm= Tmm折算后的負載轉(zhuǎn)矩為：Tmeq對應(yīng)角速度為：m=2nm / 60折算后的對應(yīng)角速度為：一、工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算 圖1-4 某電力拖動系統(tǒng)示意圖而折算后的功率為: Pmeq=Tmeq根據(jù)功率不變原則有: Tm m= Tmeq則: 電動機與工作機構(gòu)轉(zhuǎn)速比: 多級傳動,傳動比為各級傳動比之積,傳動 效率為各級傳

6、動效率之積,即: 考慮了傳動損耗后,功率關(guān)系變?yōu)?2.飛輪矩的折算 電動機轉(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)物體的動能為: 設(shè)各軸的角速度為: 折算原則：折算前后系統(tǒng)儲存的動能不變因此可采用以下公式估算系統(tǒng)的飛輪矩： 一般情況下，在系統(tǒng)總飛輪矩中，電動機軸上的飛輪矩占的比重最大，其次是工作機構(gòu)上飛輪矩的折算值，傳動機構(gòu)中各種飛輪矩的折算值占的比重最小。 GDd2 電動機轉(zhuǎn)子飛輪矩,可從產(chǎn)品目錄中查閱 =0.20.3 二、工作機構(gòu)直線運動轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算(一) 平移運動圖1-5 工作機構(gòu)作平移運動示意圖1. 轉(zhuǎn)矩的折算考慮到傳動機構(gòu)的損耗：2. 飛

7、輪矩的折算根據(jù)折算前后動能不變的原則：所以：(二) 升降運動圖1-6 起重機示意圖1. 轉(zhuǎn)矩的折算上升重物時設(shè)傳動機構(gòu)的效率為 ：2.飛輪矩的折算與平移相同 可證明： 下降重物時設(shè)傳動機構(gòu)的效率為：例1-1：某電力拖動系統(tǒng)如圖1-4所示。已知飛輪矩 ， ， ，傳動效率 ， ，轉(zhuǎn)矩 ，轉(zhuǎn)速 , , ，忽略電動機空載轉(zhuǎn)矩，試求：（1）折算到電動機軸上的系統(tǒng)總飛輪矩（2）折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩解： （1）系統(tǒng)總飛輪矩 （2）負載轉(zhuǎn)矩例1-2： 某刨床電力拖動系統(tǒng)如圖1-5所示。已知切削力 ，工作臺與工件運動速度 ，傳動機構(gòu)總效率 ，電動機轉(zhuǎn)速 ，電動機的飛輪矩 ,試求： （1）切削時折算到電動機

8、軸上的負載轉(zhuǎn)矩；（2）估算系統(tǒng)總的飛輪矩；（3）不切削時，工作臺及工件反向加速，電動機以 恒加速度運行，計算此時系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩絕對值。 切削時折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩 （2）估算系統(tǒng)總的飛輪矩解：（1）切削功率（3）不切削時（ ），工作臺與工件 反向加速時，系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩絕對值 第三節(jié) 生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性第三節(jié) 生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性 考慮到運動方程式中，TL前已有負號，所以?。?負載轉(zhuǎn)矩與運動正方向相反的為正， 負載轉(zhuǎn)矩與運動正方向相同的為負。負載轉(zhuǎn)矩特性是指生產(chǎn)機械工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，即 n=f(TL) 。 典型的負載轉(zhuǎn)矩特性有恒轉(zhuǎn)矩特性、恒功率特性和通風機型特性三種。 TL大小不變，但作用方向總是與運動方向 n相反，是阻礙運動的制動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩。 一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性 1.反抗性(又稱摩擦性)恒轉(zhuǎn)矩負載 從反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的特點可知，當n為正向時，TL亦為正（按規(guī)定, 以反對正向運動的方向作為TL的正方向）；當n為負向時,TL也改變方向，變?yōu)樨撝怠?特性如圖1-7。圖1-7 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 圖1-8 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 這種負載轉(zhuǎn)矩是由重力作用產(chǎn)生的。 特點：TL大小不變,而且作用方向也保持不變。 如果以提升作為運動的正方向，則n為正向時，TL反對運動，也為正值；當下放重物，n 為負向時，TL的方向不變，仍為正，表明這時TL是幫助運動的，成為拖動