電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

第二章

電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化2.1

電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式凡是由電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，拖動(dòng)各類生產(chǎn)機(jī)械，完成一定的生產(chǎn)工藝要求的系統(tǒng)，都稱為電力拖動(dòng)系統(tǒng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械、電源和控制裝置五部分組成。2.1

電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)直接相連，工作機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。其中，T為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

T0為電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩；

TF為工作機(jī)構(gòu)（負(fù)載）的轉(zhuǎn)矩

TL=TF+T0，一般情況下，單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可用下式表示：2.1

電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式其中，為飛輪慣量或飛輪矩；單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可用下式表示：（T-TL）稱為動(dòng)轉(zhuǎn)矩。動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于零，系統(tǒng)處于恒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行；動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于零，系統(tǒng)處于加速過渡過程；動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于零，系統(tǒng)處于減速過渡過程。利用公式變換得：

多軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)，即把負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf折算到電動(dòng)機(jī)軸上變成TF，看成等效負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；把系統(tǒng)各軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上變成一個(gè)總飛輪轉(zhuǎn)矩GD2TnGD2等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TF電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)Tnj1η1j2η2TfnfGDa2GDb2GDf2nb2.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式

折算原則：保持系統(tǒng)的功率傳遞關(guān)系及系統(tǒng)的儲(chǔ)存動(dòng)能不變。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算：從已知實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf求出等效的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TF飛輪矩的折算：從已知的各軸上的飛輪矩，求出系統(tǒng)的總飛輪矩GD2TnGD2等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TF電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)Tnj1η1j2η2TfnfGDa2GDb2GDf2nb2.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式單軸系統(tǒng)多軸系統(tǒng)一、工作機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算1、轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變2.1多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化若考慮到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，根據(jù)功率不變的原則，可得：考慮到傳動(dòng)效率前后，轉(zhuǎn)矩折合值之差為：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總效率，等于各級(jí)傳動(dòng)效率乘積，即傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總的速比，等于各級(jí)速比的乘積，即2、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的飛輪矩折算飛輪矩折算的原則：系統(tǒng)儲(chǔ)藏的動(dòng)能不變旋轉(zhuǎn)物體動(dòng)能公式：工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的飛輪矩為，動(dòng)能為：折合到電動(dòng)機(jī)軸上以后的飛輪矩為，折算后動(dòng)能為根據(jù)折算前后動(dòng)能不變的原則：2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化由上面分析的結(jié)果可以得到整個(gè)電力系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總飛輪轉(zhuǎn)矩，也就是簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸的飛輪矩，為：寫成一般形式：為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般采用下面的估算公式

是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的飛輪矩。一般?。?.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化二、平移運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算總質(zhì)量mL電動(dòng)機(jī)刨刀TFnVFTJF等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TF1.轉(zhuǎn)矩的折算R切削功率：電動(dòng)機(jī)軸上功率為：若不考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗，根據(jù)功率不變的原則，有：若考慮傳動(dòng)損耗，則：2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化2.飛輪矩的折算其它軸上的飛輪矩的折算按旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方法作平移運(yùn)動(dòng)部分的物體總重為：其動(dòng)能為：折算到電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)能為：折算前后的動(dòng)能不變，因此：2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化車床主傳動(dòng)三、升降運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算TGD2等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TF電動(dòng)機(jī)滾筒Tj1η1j2η2LGDM2GD12GD221mv提升運(yùn)動(dòng)：電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)；下降運(yùn)動(dòng)：電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化1.提升運(yùn)動(dòng)：方法同平移運(yùn)動(dòng)(1).轉(zhuǎn)矩的折算不考慮損耗，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗的轉(zhuǎn)矩：2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化2.下降運(yùn)動(dòng)下放重物時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，即為但提升和下放重物時(shí)損耗轉(zhuǎn)矩的大小相等但方向相反，因此，提升重物時(shí)由電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)損耗轉(zhuǎn)矩即：下放重物時(shí)，負(fù)載負(fù)擔(dān)了損耗轉(zhuǎn)矩，即：若用效率表示下放重物時(shí)考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗，則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化2、飛輪矩的折算按動(dòng)能不變?cè)瓌t飛輪矩的折算：不論提升還是下降運(yùn)動(dòng)為下放重物時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，與提升同一重物，兩者之間的關(guān)系為：2.2多軸電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性一、負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性是指生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：n=f(TL)1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大小與轉(zhuǎn)速n無關(guān)。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)：

恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tf總是與轉(zhuǎn)速nf的方向相反，即作用方向總是阻礙運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)nf為正，Tf與nf方向相反，應(yīng)為正，即在第一象限；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)nf為負(fù)，Tf與nf方向相反，應(yīng)為負(fù)，即在第三象限；

當(dāng)轉(zhuǎn)速nf=0時(shí)，外加轉(zhuǎn)矩不足以使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)作用力與反作用力原理，這時(shí)反抗力負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小和方向取決于外加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。即與外加轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與橫軸重合。例如軋機(jī)，機(jī)床刀架平移機(jī)構(gòu)等。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(a)實(shí)際特性(b)折算后的特性2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

特點(diǎn)：

Tf的方向與nf的方向無關(guān)。Tf具有固定不變的方向。例如：起重機(jī)的提升機(jī)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下的，即重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向固定。例如：起重機(jī)的提升機(jī)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下的。即重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向固定不變，故在第一和第四象限。2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性(a)實(shí)際特性(b)折算后的特性2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性2、風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性特性：轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性3.恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性特點(diǎn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，負(fù)載功率基本不變。根據(jù)：如車床的主軸機(jī)構(gòu)和軋鋼機(jī)的主傳動(dòng)。適用于金屬切削車床。

恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性2.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件1、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件：動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，即：

n不變，T=TL如右圖，曲線1為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，曲線2是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線，TL=TF+T0，由于T0可忽略，因此，可認(rèn)為TL=TF。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，滿足T=TL，兩條特性曲線的交點(diǎn)A此條件，稱為穩(wěn)定工作點(diǎn)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件2、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行分析

某電力拖動(dòng)系統(tǒng)原來處于平衡狀態(tài)，由于受到某種擾動(dòng)，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(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者當(dāng)擾動(dòng)消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運(yùn)行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定平衡狀態(tài)，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。說明：他勵(lì)直流電機(jī)拖動(dòng)泵類負(fù)載運(yùn)行，曲線1是額定電壓時(shí)的機(jī)械特性，曲線是電壓降低時(shí)的機(jī)械特性，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)時(shí)，2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件2、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行分析

轉(zhuǎn)速為nA，轉(zhuǎn)矩為TA，若突然出現(xiàn)干擾，導(dǎo)致電壓下降，系統(tǒng)如何變化呢？由兩個(gè)過程發(fā)生：（1）電磁過渡過程：電壓降低，轉(zhuǎn)子電流變化，電磁轉(zhuǎn)矩要改變機(jī)械特性從曲線1變成曲線，因?yàn)檗D(zhuǎn)子回路由電感存在，此變化需要過程。（2）機(jī)械過渡過程：機(jī)械特性改變，電磁轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化為，因?yàn)橛袡C(jī)械慣性及飛輪矩的存在，此變化也需要一個(gè)過程。2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件2、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行分析

相比較而言，電磁過程很快，分析時(shí)可忽略，認(rèn)為在電壓改變的瞬間，由此引起的轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩也瞬間完成，但轉(zhuǎn)速n不能突變。2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件3、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件如圖曲線1和為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特定情況下的機(jī)械特性，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩變大時(shí)，轉(zhuǎn)速不但沒有下降反而隨T增大而上翹，曲線1為額定電壓是的機(jī)械特性曲線，為電壓略有下降時(shí)的機(jī)械特性，當(dāng)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行時(shí)，曲線1和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性2的交點(diǎn)A穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為na。若電壓向下波動(dòng)，曲線1變?yōu)榍€，轉(zhuǎn)速不能突變，電磁轉(zhuǎn)矩為TB，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍為TA，2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件3、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件此時(shí)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（TB-TA）>0，則，系統(tǒng)開始加速，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩沿著曲線隨著n的升高而增大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)速越來越快，從而毀壞電動(dòng)機(jī)。因此，A點(diǎn)就不屬于穩(wěn)定點(diǎn)。綜上所述，可以得到電力