电机与电力拖动第二章电力拖动系统的动力学基础.pptx

第二章第二章 电力拖动系统的电力拖动系统的 动力学基础动力学基础 本章主要介绍电力拖动系统的 运动方程；工作机构的转矩和飞轮 矩的折算及负载转矩特性。为介绍 电力拖动的机械特性与过渡过程等 内容准备必要的理论基础。 2.12.1 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程 拖动：由原动机带动生产机械运转 电力拖动：以电动机拖动生产机械运转的拖 动方式 一般情况下，电力拖动系统由电动机、生产 机械的传动机构、工作机构、控制设备及电 源 5 大部分组成。 电电源 控制设备设备电动电动 机传动传动 和工作机构 电力拖动系统示意图 在许多情况下，电动机与工作机构之间 有传动机构。 通常把机械的传动机构及生产机械的工 作机构称为电动机的机械负载。电动机的机械负载。 电力拖动系统中电动机带动负载的力学 问题是我们要讨论的主要问题。 电力拖动系统中有的部件作直线运动、 有的部件作旋转运动。采用古典动力学来分 析。 一.运动方程式 1.直线运动时的运动方程式 F -拖动力（N）； Fz -阻力（N）； m(dv/dt)-惯性力。 作直线运动的物体 2.旋转运动时的方程式为： T -电动机产生的拖动转矩(Nm)； Tz -阻转矩（或称负载转矩）(Nm)； J(d/dt)-惯性转矩（或称加速转矩）。 旋转运动的物体 3.转动惯量 J 表示为: m 与 G - 旋转部分的质量（kg）与重量(N) ； 与 D - 惯性半径与直径（m）； g = 9.81m/s2 - 重力加速度。 转动惯量 J 的单位为 kgm2或N m2 实际计算中常将 旋转运动方程式 化为另一 种形式 即将角速度 （rad/s）化成用每分钟转数 n (r/min) 表示的形式 这样有旋转运动方程式的实用形式 4.旋转运动方程式的实用形式 GD2 - 称为飞轮矩（Nm2） 5.电动机的工作状态 l稳定运转状态 当 T = TZ，dn/dt=0，n =常值，电动机静止或 等速旋转 l加速状态 当 T TZ，dn/dt 0 l减速状态 当 T 0) 或吸收的机械功率 （ T 0) 或释释放的机械功率 (TZ 0) 拖动动系统动统动 能 的变变化 2.2 工作机构转矩、飞轮矩的折算 实际拖动系统的轴常是不止一根，这种系统 显然比一根轴的系统要复杂，计算起来也较 为困难； 如要全面研究这个系统的问题，必须： 对每根轴列出其相应的运动方程式； 列出各轴间互相联系的方程式； 最后把这些方程式联系起来，全面地研究系 统的运动。 问题！这种方法研究系统太复杂！ 多轴系统到单轴的简化 对电力拖动系统而言，通常把电动机轴作为 研究对象即可 解决途径： 把实际的拖动系统等效为单轴系统 等效原则： 保持两个系统传送的功率及储存的动能相同 一.工作机构转矩 Tz的折算 用电动机轴上的阻转矩 Tz 来反映工作 机构轴上实际转矩 Tz的工作 折算的原则： 系统的传送功率不变 多轴系统到单轴的简化 若不考虑中间传动机构的损耗 有如下关系： 转速比，j = /Z = n/nz 解决问题的思路： 将传动机构各轴的转动惯量 J1 、J2 、J3 . 及工作机构的转动惯量 Jz 折算到电动机轴 上，用电动机轴上一个等效的转动惯量 J 来反映整个拖动系统中转速不同的各轴的转 动惯量 二. 飞轮矩的折算 折算原则： 必须以实际系统与等效系统储存动能相等 为原则 得下列关系： 考虑到 GD2 = 4gJ， = 2n/60，得 2.3 考虑传动机构损耗的简化方法 传动机构损耗的简化考虑方法可在折算公式中引 入传动效率 c 一.工作机构转矩 Tz的简化折算 1.电动机工作在电动状态 电动机带动工作机构，功率由电动机向工作机构 传送 传动损耗由电动机承担 电动机发出的功率比生产机构消耗的功率大 2.电动机工作在发电制动状态 l工作机构带动电动机，功率传送方向与电动状态 时相反 l传动损耗功率由工作机构承担 l传送到电动机轴上的功率较工作机构轴上的功率 小 c 为传动机构总效率，在多级传动时，如 各级效率为 c1、c2、c3.,则 c 应为： c = c1 c2 c3. 每对齿轮（用滚动轴承）的满载效率为 0.975 0.985；蜗轮蜗杆传动的满载效率为 0.5 0.7 ，可由机械工程手册上查到。 u 多轴轴系统统单轴单轴 系统统 将其它轴轴上的转转矩、飞轮飞轮 矩折算到电动电动 机轴轴 上 T GD2 等效负载负载电动电动 机 TZ 电动电动 机 工作机构 T j11 j22 TZ z GDd2 GD12 GDZ2 1 二、旋转运动的转矩折算 转矩折算的原则：系统传递的功率不变 1. 电动状态 T GD2 等效负载负载电动电动 机 TZ 电动电动 机 工作机构 T j11 j22 TZ z GDd2 GD12 GDZ2 1 . . 321 321 jjjj T T c z z z =- =- - - - - 转动机构总速比 转动机构总效率 到电机轴上的负载转矩工作轴的负载转矩折算 工作轴的负载转矩 工作轴角速度 电机轴角速度 hhhh 发电制动状态：功率由工作机构电机 2. 发电制动状态 转矩折算的原则：系统传递的功率不变 三、旋转运动的飞轮矩折算 飞轮矩折算的原则：系统储存的动能不变 四、平移运动的转矩与飞轮矩的折算 总质总质 量mz 电动电动 机 刨刀 T n VF T Jz 等效负载负载电动电动 机 Tz 1.转矩的折算 四、平移运动的转矩与飞轮矩的折算 2.飞轮矩的折算 其它轴上的飞轮矩的折算按旋转运动的方法 五、升降运动的转矩与飞轮矩的折算 T GD2 等效负载负载电动电动 机 Tz 电动电动 机 滚滚筒 T j11 j22 z GDd2 GD12 GD22 1 m v 提升运动：电动机为电动状态 下降运动：电动机为发电状态 1.提升运动：方法同平移运动 (1).转矩的折算 2.下降运动 当提升和下降的传动损耗相同 飞轮矩的折算按动能不变原则 (2).飞轮矩的折算：不论提升还是下降运动 2.4 生产机械的负载转矩特性 阻转矩（或称负载转矩）TZ 与转速 n 的关 系 TZ=f(n) 即为生产机械的负载转矩特性,分为三大类 ： l恒转矩负载 反抗性恒转矩负载和位能性恒转 矩负载 l通风机负载 l恒功率负载 一、恒转矩负载特性 特点：负载转矩 TZ 与转速 n 无关。即 当转速变化时，负载转矩 TZ 保持常值。 又可分为： 1.反抗性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载的特点：恒值转矩 Tz 总 是反对运动方向 摩擦负载转矩，如金属的压延、机床的平 移机构等 2.位能性恒转矩负载 l位能性恒转矩负载的特点：转矩 Tz具有固 定的方向，不随转速方向改变而改变 l如起重机类型负载中的重物 位能性恒负载转矩 二.通风机负载 l特点：负载转矩与转速有关，基本上与转 速的平方成正比，即 Tz = K n2 l此类负载有通风机、水泵、油泵等。 三.恒功率负载 l车床在粗加工时，切削量大，切削阻力大 ，开低速；精加工时，切削量小，切削力 小，开高速。 l特点：负载转矩基本上与转速成反比，即 负载转矩Tz 与 n 的特性曲线呈现恒功 率的性质。 负载转矩的大小 与速度无关，但 其方向始终与转 向相反 Tm n 0 四.负载的机械特性 反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载 恒功率负载