第二章 電力拖動系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)

第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)典型生產(chǎn)機(jī)械化的運(yùn)動形式及轉(zhuǎn)矩一、電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動:以電動機(jī)為原動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的拖動方式.電力拖動系統(tǒng):由電動機(jī)、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)、電動機(jī)的控制設(shè)備以及電源等五部分組成的綜合機(jī)電裝置。電源電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)控制設(shè)備本章首先介紹電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式，然后介紹電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性，最后主要研究他勵電動機(jī)應(yīng)用的四大問題——起動、反轉(zhuǎn)、制動、調(diào)速二、典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動形式和轉(zhuǎn)矩（一）運(yùn)動形式1、單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)特征：電動機(jī)的轉(zhuǎn)子與負(fù)載軸通過聯(lián)軸器連接在一起。所有運(yùn)動運(yùn)動部分均以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。如通風(fēng)機(jī)。2、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)特征：各軸轉(zhuǎn)速不同，主軸轉(zhuǎn)速比電動機(jī)轉(zhuǎn)速低。電動機(jī)轉(zhuǎn)子通過皮帶輪和減速機(jī)與主軸相連接。如車床。3、多軸旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動系統(tǒng)特征：負(fù)載既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又有平移運(yùn)動。如起重機(jī)的起重小車。4、多軸旋轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動系統(tǒng)特征：負(fù)載既有旋轉(zhuǎn)又有升降運(yùn)動。如起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)。（二）生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩性質(zhì)兩種類型：1、摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩---反抗性轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)---轉(zhuǎn)矩方向總是與旋轉(zhuǎn)方向相反。2、重力作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩---位能性轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)---作用方向與生產(chǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律的分析主要研究作用在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化之間的關(guān)系n=f(T).分析方法：先對單軸運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出一般規(guī)律對多軸運(yùn)動系統(tǒng)，則通過折算等效成單軸運(yùn)動系統(tǒng)后再運(yùn)用單軸運(yùn)動系統(tǒng)的規(guī)律。第二節(jié)電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式電力拖動系統(tǒng)中所用的電機(jī)種類很多，生產(chǎn)機(jī)械的性質(zhì)也各不相同。因此，需要找出它們普遍的運(yùn)動規(guī)律，予以分析。從動力學(xué)的角度看，它們都服從動力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。所以，我們首先研究電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)，建立電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式。一、單軸電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式單軸電力拖動系統(tǒng)，就是電動機(jī)輸出軸直接拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。熟悉的直線運(yùn)動方程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程物體的飛輪力矩，它是一個整體物理量，反映轉(zhuǎn)動體的慣性

轉(zhuǎn)矩單位為Nm;J為Kgm2;Ω為rad/s

該式是研究電力拖動系統(tǒng)各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)。在工程計(jì)算中，常用n代替Ω；用飛輪力矩GD2代替J。其關(guān)系為m----轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，kg;G----轉(zhuǎn)動部分的重力，N；ρ----轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)半徑，m;D----回轉(zhuǎn)直徑，m;g----重力加速度，取g=9.81m/s2運(yùn)動方程式變?yōu)閷?shí)用形式GD2總飛輪慣量T-TL=Td為動態(tài)轉(zhuǎn)矩

二、電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)分析一個電力拖動系統(tǒng)處于靜態(tài)（靜止不動或勻速）還是動態(tài)（加速或減速），都可以從運(yùn)動方程式來判定，當(dāng)電力拖動系統(tǒng)的正向運(yùn)動狀態(tài)時分析如下：1).當(dāng)Ｔ＝ＴL時，dn/dt=0，則n＝0或n＝常數(shù)，即電力拖動系統(tǒng)處于靜止不動或勻速運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)。2).當(dāng)ＴＴL時，dn/dt

0，電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過渡過程中。3).當(dāng)TTL時，dn/dt

0，電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也是過渡過程。例2-1分析下圖中電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)。解：設(shè)a圖為正向運(yùn)動，T幫助正向運(yùn)動為正，TL反對正向運(yùn)動為正，且T<TL，所以運(yùn)動方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于正向減速狀態(tài)。

設(shè)b圖為反向運(yùn)動，T幫助反向運(yùn)動為負(fù)，TL幫助反向運(yùn)動為正，且數(shù)值上T=TL，所以運(yùn)動方程式中：-T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于反向加速狀態(tài)。三、功率平衡方程式運(yùn)動方程式兩端同乗Ω即得功率平衡方程式判斷電動機(jī)是輸出機(jī)械功率還是從拖動系統(tǒng)中吸收功率，完全取決于電磁轉(zhuǎn)矩T和速度Ω的方向。T與Ω同方向時TΩ>0,電動機(jī)輸出功率;T與Ω反方向時TΩ<0,電動機(jī)從旋轉(zhuǎn)的拖動系統(tǒng)中

吸收機(jī)械功率.TL與Ω反方向時TLΩ>0,生產(chǎn)機(jī)械從拖動系統(tǒng)中吸收能量;反之表示放出機(jī)械功率給系統(tǒng).第三節(jié)多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算一、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及飛輪力矩的折算（一）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算折算的原則：保持折算前后系統(tǒng)傳遞的功率不變。設(shè)折算前多軸系統(tǒng)中負(fù)載功率為TmΩm,

折算后等效單軸系統(tǒng)的功率為TmeqΩ則有TmΩm=TmeqΩ故Tmeq等效負(fù)載GD2eqTΩTmeq電動機(jī)GDR2TΩj1j2ΩmTmGDm2GD12生產(chǎn)機(jī)械電動機(jī)Ω1j=Ω/Ωm=n/nm----傳動機(jī)構(gòu)的總速比。j為各級速比積。j=j1j2實(shí)際中考慮傳動效率ηc時：

ηc為各級傳動效率之積（二）飛輪力矩的折算折算原則：折算前后系統(tǒng)總動能不變。方程式得單軸系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量Jeq,即

上式兩邊同乗以4g得折算到電動機(jī)軸上的飛輪力矩GD2eq，即兩個中間軸:

n個中間軸:主體部分占比重很小故有估算公式

δ=1.1---1.25

多軸系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上時的等效單軸系統(tǒng)的運(yùn)動方程式可寫成TL=T0+Tmeq二、平移運(yùn)動系統(tǒng)的折算橋式起重機(jī)的起重小車、龍門刨床等，其工作機(jī)構(gòu)作平移運(yùn)動。工作臺刨刀工件FmTnT0Teqnm電動機(jī)vm（一）阻力Fm的折算折算原則：折算前后功率不變。切削時切削功率為Pm=Fmvm

Fm反映到電動機(jī)軸上，表現(xiàn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmeq,電動機(jī)軸上的切削功率為TmeqΩ。不考慮傳動機(jī)構(gòu)的損耗時，可得TmeqΩ=Fmvm

考慮傳動機(jī)構(gòu)的損耗時Fm為平移部件的阻力，單位為N二、平移運(yùn)動部件質(zhì)量的折算折算原則：折算前后系統(tǒng)貯存動能不變。運(yùn)動部件的動能為折算到電動機(jī)軸上后，等效飛輪力矩為GD2meq,其動能為另上二式相等得

注意：求總飛輪力矩時還需計(jì)算傳動機(jī)構(gòu)各旋轉(zhuǎn)軸飛輪力矩的折算值。方法與多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)飛輪力矩折算方法同。三、工作機(jī)構(gòu)為升降運(yùn)動時轉(zhuǎn)矩與飛輪力矩的折算等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩和等效飛輪力矩TnT0Tmnmvm2R等效負(fù)載NTeq[例題2-2]在傳動機(jī)構(gòu)為齒輪變速的電力傳動系統(tǒng)中，已知工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩Tg為240Nm,轉(zhuǎn)速ng為128r/min；速比i1=2.4，i2=3.2傳動效率η1=0.94,η2=0.92;飛輪矩=6.4Nm2，=1.2Nm2

=2.6Nm2，=1.4Nm2，=2.8Nm2，=25Nm2；忽略電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩。求:（1）折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；（2）電動機(jī)軸上系統(tǒng)總飛輪矩。解：（1）折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩總傳動效率總速比負(fù)載轉(zhuǎn)矩i1i2ngnd電動機(jī)（2）電動機(jī)軸上系統(tǒng)總飛輪矩總飛輪矩：負(fù)載飛輪矩：第四節(jié)負(fù)載的機(jī)械特性不同生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速n變化規(guī)律不同，用負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性來表征，即n=f(TL)。各種生產(chǎn)機(jī)械的特性大致可分為以下三種類型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

恒功率負(fù)載特性

通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性TL=常數(shù)，與轉(zhuǎn)速n無關(guān)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動的方向相反，總是阻礙電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如軋鋼機(jī)、機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)、電力機(jī)車等。當(dāng)下放重物時負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，促使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)