電力拖動的動力學(xué)基礎(chǔ)

電力拖動的動力學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一§2.1電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式一、電力拖動系統(tǒng)的組成

電力拖動是用電動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)。電力拖動系統(tǒng)的組成:電動機(jī)工作機(jī)構(gòu)電源傳動機(jī)構(gòu)控制設(shè)備第二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式n電動機(jī)生產(chǎn)機(jī)械TTFT0TL軸Tn單軸電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程以電動機(jī)的軸為研究對象，電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的軸受力如圖示。第三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一電力拖動系統(tǒng)正方向的規(guī)定：先規(guī)定轉(zhuǎn)速n的正方向，然后規(guī)定:電磁轉(zhuǎn)矩的正方向與n的正方向相同，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的正方向與n的正方向相反。第四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的軸受力如圖示，由力學(xué)定律可知,其必須遵守下列方程式:

軸TLLTnT：電磁轉(zhuǎn)矩；TL：負(fù)載轉(zhuǎn)矩,N.mJ：電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2

：電動機(jī)角速度,rad/s在工程計(jì)算中,常用n代替表示系統(tǒng)速度,用飛輪力矩GD2代替J表示系統(tǒng)機(jī)械慣性第五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一功率平衡方程

得出功率平衡方程

第六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

=2n/60M：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，KgG：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重量，N

：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動半徑，mD：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動直徑，mg：重力加速度=9.8m/s第七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一所以：T－TL=0T－TL>0

T－TL<0GD2：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的總飛輪慣量（飛輪矩）系數(shù)375具有m/min.s量綱(T－TL):稱為動轉(zhuǎn)矩第八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的三種狀態(tài)系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)，即瞬態(tài)（暫態(tài)）過程系統(tǒng)處于減速運(yùn)行狀態(tài)，即瞬態(tài)（暫態(tài)）過程第九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一三.運(yùn)動方程式中轉(zhuǎn)矩的正負(fù)號分析應(yīng)用運(yùn)動方程式，通常以電動機(jī)軸為研究對象運(yùn)動方程式寫成下列一般形式

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中的轉(zhuǎn)矩(上圖)對公式中T與TL

前帶有的正負(fù)符號，作如下規(guī)定：預(yù)先規(guī)定某一旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?，則TLTL第十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一1.轉(zhuǎn)矩T方向如果與所規(guī)定的旋轉(zhuǎn)正方向相同

T前取正號，相反時(shí)取負(fù)號；2.阻轉(zhuǎn)矩TL方向如果與所規(guī)定的旋轉(zhuǎn)正方向相同時(shí)

TL前取負(fù)號，相反時(shí)取正號3.加速轉(zhuǎn)矩（GD/375）(dn/dt)的大小及正負(fù)符號

由轉(zhuǎn)矩T及阻轉(zhuǎn)矩TL的代數(shù)和來決定2第十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一TnTLa)-T-n-TLb)n-T-TLc)第十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一例如:規(guī)定轉(zhuǎn)速順時(shí)針為正,逆時(shí)針為負(fù),電磁轉(zhuǎn)矩的正方向與轉(zhuǎn)速正方向相同,負(fù)載轉(zhuǎn)矩的正方向與轉(zhuǎn)速正方向相反.圖a中,T,nTL都為正.所以:第十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一§2.2多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算

實(shí)際拖動系統(tǒng)的軸常是不止一根，這種系統(tǒng)顯然比一根軸的系統(tǒng)要復(fù)雜，計(jì)算起來也較為困難。如要全面研究這個(gè)系統(tǒng)的問題，必須對每根軸列出其相應(yīng)的運(yùn)動方程式；列出各軸間互相聯(lián)系的方程式；最后把這些方程式聯(lián)系起來，全面地研究系統(tǒng)的運(yùn)動。

第十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一問題！這種方法研究這個(gè)系統(tǒng)太復(fù)雜。對電力拖動系統(tǒng)而言，通常把電動機(jī)軸作為研究對象即可解決途徑：把實(shí)際的拖動系統(tǒng)等效為單軸系統(tǒng)

等效原則：等效折算的原則是保持兩個(gè)系統(tǒng)傳送的功率及儲存的動能相同第十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一j2電動機(jī)生產(chǎn)機(jī)械Tj1TfnbGDaGDbGDf22n22nfnTGDeq等效負(fù)載電動機(jī)TF2第十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一一、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的折算

（一）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算若不考慮損耗，工作機(jī)構(gòu)折算前的機(jī)械功率為，折算后的機(jī)械功率為折算的原則是折算前后的功率不變，所以，第十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一若考慮傳動機(jī)構(gòu)的效率，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算值還要加大，為第十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一（二）飛輪矩的折算旋轉(zhuǎn)物體的動能大小為根據(jù)折算前后系統(tǒng)動能不變的原則第二十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一折算到電動機(jī)軸上總飛輪矩為第二十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一電動機(jī)生產(chǎn)機(jī)械Tj1TfnbGDaGDbGDf22n22nfj2第二十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一n2GD1GD2GD322n122n3第二十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、平移運(yùn)動系統(tǒng)的折算FV工件刨刀nfTnTLT0第三十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一(一)阻力F的計(jì)算第三十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一(二）平移運(yùn)動部件質(zhì)量的折算第三十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一FV工件刨刀16732485電動機(jī)第三十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一三、升降運(yùn)動系統(tǒng)的折算nVTG第四十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一（一）提升重物時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算重物作用在卷筒上，卷筒上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為GR.不計(jì)損耗時(shí)，折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為第四十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一（二）下放重物時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算提升重物下放重物nVTGnVTG第四十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第四十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性指：n=f(TL)關(guān)系一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)矩分為：摩擦阻力產(chǎn)生的和重力作用產(chǎn)生的。摩擦阻力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為反抗性轉(zhuǎn)矩，其作用方向與n相反，為制動轉(zhuǎn)矩。重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為位能性轉(zhuǎn)矩，其作用方向與n無關(guān)，提升時(shí)為制動轉(zhuǎn)矩；下放時(shí)為拖動轉(zhuǎn)矩。§3.3負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

第四十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一1、反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩由摩擦力產(chǎn)生，其特點(diǎn)：大小恒定（與n無關(guān)）；作用方向與運(yùn)動方向相反。nTL0TL-TL如金屬的壓延、機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)等第四十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

2、位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

負(fù)載轉(zhuǎn)矩由重力產(chǎn)生其特點(diǎn)：絕對值大小恒定；作用方向與n無關(guān)，不變。提升時(shí)：n>0,TL>0阻轉(zhuǎn)矩下放時(shí)：n<0,TL>0拖動轉(zhuǎn)矩nTL0TLTLT電動機(jī)軸n如起重類型負(fù)載中的重物。

第四十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第四十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、風(fēng)機(jī)負(fù)載機(jī)械特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系TL=kn風(fēng)力發(fā)電機(jī)2此類負(fù)載有通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等。

nTL0第四十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一三、恒功率負(fù)載機(jī)械特性

負(fù)載功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速基本上成反比關(guān)系TL=k/n車床在粗加工時(shí)，切削量大，切削阻力大，開低速；精加工時(shí)，切削量小，切削力小，開高速。第四十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一典型生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動形式和轉(zhuǎn)矩

1、離心式風(fēng)機(jī)單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=kn22、車床主軸傳動系統(tǒng)多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與n無關(guān)3、平移傳動系統(tǒng)多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與n無關(guān)4、提升傳動系統(tǒng)多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與n無關(guān)第五十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一風(fēng)機(jī)起動機(jī)典型生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動形式及轉(zhuǎn)矩第五十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一皮帶運(yùn)輸機(jī)電力機(jī)車第五十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

穩(wěn)定運(yùn)行必須滿足T=TL，且能抗干擾。0nTn0TLA

判斷電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的條件：1）電動機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性有交點(diǎn)；2）在交點(diǎn)處必須滿足:電動機(jī)生產(chǎn)機(jī)械TnTLL第五十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一TTL0nDCAU=U2TBTDBnC=nDU=U1nA=nB第五十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一為了分析電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題，將電動機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性曲線畫在同一張坐標(biāo)圖上，如圖所示。圖（a）和圖（b）表示了電動機(jī)的兩種不同的機(jī)械特性。（a）穩(wěn)定運(yùn)行（b）不穩(wěn)定運(yùn)行電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件第五十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

根據(jù)運(yùn)動方程式，當(dāng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩等于總負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，即為一恒定值，說明系統(tǒng)在一個(gè)轉(zhuǎn)速（勻速）下穩(wěn)定運(yùn)行，請大家來看圖（a），系統(tǒng)原來運(yùn)行在電動機(jī)機(jī)械特性曲線1和負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)A處。假設(shè)由于受外界因素的擾動，例如電網(wǎng)電壓波動，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高,機(jī)械特性由曲線1轉(zhuǎn)為曲線2，擾動作用使原來平衡狀態(tài)受到了破壞，但由于系統(tǒng)慣性的影響，轉(zhuǎn)速還來不及變化，電動機(jī)的工作點(diǎn)瞬間從A點(diǎn)變到B點(diǎn)。這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩將大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速將沿機(jī)械特性曲線2由B點(diǎn)增加到C點(diǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也逐漸減小，最后在C點(diǎn)得到新的平衡，在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)擾動消失后，電網(wǎng)電壓恢復(fù)到原來值,機(jī)械特性由曲線2恢復(fù)到原機(jī)械特性曲線1，同理，電動機(jī)的特性由C點(diǎn)瞬間過渡到D點(diǎn)，D點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，故轉(zhuǎn)速下降，最后恢復(fù)到原來穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)A，所以A點(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。第五十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

反之，如果電網(wǎng)電壓波動使電網(wǎng)電壓偏低，機(jī)械特性曲線由曲線1轉(zhuǎn)為曲線3，則瞬間工作點(diǎn)將轉(zhuǎn)到點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速將由點(diǎn)降低到點(diǎn)，在點(diǎn)取得新的平衡；而當(dāng)擾動消失后，工作點(diǎn)將又恢復(fù)到原工作點(diǎn)A。這種情況我們就稱為系統(tǒng)在A點(diǎn)能穩(wěn)定運(yùn)行，而圖（b）則是一種不穩(wěn)定運(yùn)行的情況，讀者可自己分析。由以上分析，可得出如下結(jié)論：若兩條特性曲線有交點(diǎn)（必要條件），且在工作點(diǎn)上滿足

（1）在處

（充分條件）則系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，式（1）即為穩(wěn)定運(yùn)行條件。對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,