电力拖动系统的动力学基础(ppt 43页).ppt

第八章电力拖动系统的动力学基础,朱代祥,第八章电力拖动系统的动力学基础,1、电力拖动系统的运动方程式2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3、电动机和工作机构间速比可变的系统4、考虑传动机构损耗时的折算方法5、生产机械的负载转矩特性,1、电力拖动系统的运动方程式,电力拖动装置的组成电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成部分,在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构,1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,1、电力拖动系统的运动方程式,运动方程式,单位为kgm2,对于旋转运动,转动惯量,式中m旋转部分的质量（kg）；G旋转部分的重量（N）；r惯性半径（m）；D惯性直径（m）。,1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,对于直线运动,1、电力拖动系统的运动方程式,将,式中：GD2=4gJ称为飞轮惯量（Nm2）。,代入,得：,和,T=TZ时，dn/dt=0,电动机静止或等速旋转；TTZ时，dn/dt0,电动机处于加速状态；TTZ时，dn/dt0,电动机处于减速状态。,1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,1、电力拖动系统的运动方程式,运动方程式中转矩的符号运动方程式的一般形式,规定某一转动方向为参考（正）方向，电磁转矩T：与参考方向一致取正，反之取负；阻转矩Tz：与参考方向一致取负，反之取正。,1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,1、电力拖动系统的运动方程式,各种形状旋转体转动惯量的计算,1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,两种情况：旋转体通过物体重心；旋转体不通过物体重心,旋转体通过物体中心：,注：对于连续分布的物体：,1、电力拖动系统的运动方程式,旋转体不通过物体中心：,1.电力拖动系统运动方程式1.1电力拖动装置的组成1.2运动方程式1.3运动方程式中转矩的符号1.4各种形状旋转体转动惯量的计算2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,其转动惯量是它围绕着不通过其中心的任意轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身中心且平行于该任意轴线旋转的转动惯量之和。,如：,转动惯量：,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：工作机构转矩，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,等效折算图,传动图,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,工作机构转矩TZ的折算折算的原则是系统的传送功率不变,式中，j电动机轴与工作机构轴间的转速比，即,如果传动机构为多级齿轮或带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积，即,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,工作机构直线作用力的折算,根据传送功率不变,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,传动机构与工作机构飞轮惯量折算,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,工作机构直线运动质量的折算折算的原则是转动惯量JZ中及质量mZ中储存的动能相等，即,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,例：刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n=420r/min，其转子（或电枢）的飞轮惯量GDd2=110.5Nm2，工作台重G1=12050N，工件重G2=17650N。各齿轮齿数及飞轮惯量见表。齿轮8的节距t8=25.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮惯量。,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,例：刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n=420r/min，其转子（或电枢）的飞轮惯量GDd2=110.5Nm2，工作台重G1=12050N，工件重G2=17650N。各齿轮齿数及飞轮惯量见表。齿轮8的节距t8=25.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮惯量。,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,解：1）旋转部分,例：刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n=420r/min，其转子（或电枢）的飞轮惯量GDd2=110.5Nm2，工作台重G1=12050N，工件重G2=17650N。各齿轮齿数及飞轮惯量见表。齿轮8的节距t8=25.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮惯量。,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,2）直线运动部分齿轮8转速,工作台速度,2、工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算,3）刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算2.1工作机构转矩TZ的折算2.2工作机构直线作用力折算2.3传动与工作机构飞轮惯量的折算2.4工作机构直线运动质量折算2.5例题3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,3.电动机和工作机构间速比可变的系统,曲柄机构运动示意图：,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,3.电动机和工作机构间速比可变的系统,mZ在电动机轴上的加速（动态）转矩TaZ：,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,令：,JZ质量mz在电动机轴上反映的转动惯量，其值可变,3.电动机和工作机构间速比可变的系统,考虑变换机构有速比不变的传动机构，折算到电动机轴上全部加速（动态）转矩为：,J折算到电机轴上的总转动惯量,（因上式前两项为常量）,因此，对于速比可变系统，其运动方程式为：,或,速比不变系统，J=常量，上式为：,3.电动机和工作机构间速比可变的系统,曲柄机构运动示意图：,曲柄角速度,j电动机轴到曲柄轴间角速度比,3.电动机和工作机构间速比可变的系统,即曲柄机构电动机轴上的运动方程式为：,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,考虑传动机构损耗的简化方法工作机构转矩TZ的简化折算电动机工作在电动状态,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,电动机工作在发电制动状态,使用多级传动时,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,工作机构直线作用力的简化折算电动机工作在电动状态,电动机工作在发电制动状态,在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率与提升传动效率之间有下列关系,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,考虑传动机构损耗的较准确方法电力拖动系统处于稳定运转状态折算到电动机轴上的阻转矩,Tz0不考虑传动损耗时折算到电动机轴上的阻转矩（负载转矩）T由于传动机构的摩擦所引起的附加转矩,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,提升时,下放时,其中,T0：空载时的摩擦转矩；DT0：负载转矩TZ0引起的附加摩擦转矩；c:摩擦系数。,DTN：额定负载下传动机构总摩擦附加转矩；,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,电力拖动系统处于加速运转状态电力拖动系统处于加速运转状态时，附加摩擦转矩DT0不能认为与TZ0成正比，因为此时通过传动机构除了TZ0外，还有惯性转矩。惯性转矩从系统的一个区段传送到另一个区段时，要发生变化。在加速运转状态下，计算附加摩擦转矩时，除考虑阻转矩外，还必须考虑传动机构的惯性转矩。,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,以下图的等效拖动系统为例,Ti第i个部件的总摩擦转矩T0i第i个部件的空载摩擦转矩Ti进入第i个传动机构的转矩,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,第i个部件的总摩擦转矩,传送到第i+1个部件的转矩,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,第一个部件的转矩,（即为电动机转矩）,传送到第二个部件上的转矩,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,传送到第三个部件上的转矩,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,传送到第四个部件上的转矩,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,传送到最后第（m1）个部件上的转矩为,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,工作轴的转矩为,可整理成如下的形式,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,4、考虑传动机构损耗时的折算方法,与以下电动机轴上的转矩式相比较,其中,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法4.1考虑传动机构损耗简化方法4.2考虑传动机构损耗准确方法5.生产机械的负载转矩特性,5、生产机械的负载转矩特性,定义：在运动方程式中，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。分类大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为三种类型：恒转矩负载、风机负载、恒功率负载。,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性5.1恒转矩负载特性5.2风机负载特性5.3恒功率负载特性,5、生产机械的负载转矩特性,电机顺时针旋转时，n为正。转矩TZ与旋转方向相反，应取正；电机逆时针旋转时，n为负。转矩TZ与旋转方向相反，应取负。,恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载：负载转矩方向总是与旋转方向相反。假设顺时针为参考方向,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性5.1恒转矩负载特性5.2风机负载特性5.3恒功率负载特性,5、生产机械的负载转矩特性,恒转矩负载特性位能性恒转矩负载：负载转矩方向固定。,电机顺时针旋转时，n为正。转矩TZ与旋转方向相反，应取正；电机逆时针旋转时，n为负。转矩TZ与旋转方向相同，应取正。,1.电力拖动系统运动方程式2.工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算3.电动机和工作机构间速比可变的系统4.考虑传动机构损耗时的折算方法5.生产机械的负载转矩特性5.1恒转矩负载特性5.2风机负载特性5.3恒功率负载特性,5、生产机械的负载转矩特性,通风机负载特性通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比，为反抗性负载。,属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，