第二章电力拖动系统的动力学基础

1、第2章 电力拖动系统的动力学基础 传动：动力的传递。功率的传递。能量的传递。 气体传动 汽缸、气阀、气体管路、气源； 特点：干净、力矩较小、噪音小 应用：食品、药品、包装行业 液体传动 液缸、液压阀、液压管路、液压泵、液压马达； 特点：力矩大，有油污 应用：轮船、大型压机 电力传动 电机、电缆、电源、 特点：传送距离更远、调速性能更好 国民经济各行各业第2章 电力拖动系统的动力学基础 交通工具 运输工具2.2 电力拖动系统的运动方程式 2.2.12.2.1电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成 原动机带动生产机械运动称为拖动，因此，当使用电动机为原动机拖动生产机械，我们称为电力拖动。 组成 电力

2、拖动系统由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、电动机的控制设备以及电源等五部分组成，如图2-1所示。通常把生产机械的传动机构及工作机构称为电动机的机械负载。图2-1 电力拖动系统的组成 第2章 电力拖动系统的动力学基础 2.2 电力拖动系统的运动方程式 (2)电力拖动系统的优点 1.电能易于生产、传输、分配。 2.电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满足各种生产机械的不同要求。 3.电动机损耗小、效率高、具有较大的短时过载能力。 4.电力拖动系统容易控制、操作简单、 便于实现自动化。(3)应用举例 精密机床、重型铣床、高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵 第2章 电力拖动系统的动力学基础 第

3、2章 电力拖动系统的动力学基础2.2 电力拖动系统的运动方程式2.2.22.2.2典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式(1)单轴电力拖动系统 在生产实践中，生产机械的结构和运动形式是多种多样的，其电力拖动系统也有多种类型，最简单的系统是电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连，工作机构是电动机的负载，这种系统称为单轴电力拖动系统，电动机与负载同一根轴，同一转速图2-2所示。 图2-2 单轴电力拖动系统 第2章 电力拖动系统的动力学基础2.2 电力拖动系统的运动方程式(3)多轴旋转运动加平移运动系统 图2-4 多轴旋转运动加平移运动系统框图 第2章 电力拖动系统的动力学基础第2章 电力拖动

4、系统的动力学基础第2章 电力拖动系统的动力学基础2.2 电力拖动系统的运动方程式2.2.32.2.3电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式(1)单轴电力拖动系统的运动方程 电力拖动系统是由电动机拖动并通过传动机构带动生产机械运转的一个动力学整体，它所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不相同，但从动力学的角度看，它们都服从动力学的统一规律，因此，需要找出它们普遍的运动规律，进行分析。首先研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。 根据牛顿第二定律，物体做直线运动时，作用在物体上的拖动力总是与阻力以及速度变化时产生的惯性力所平衡，其运动方程式为 tvmFFddL第2章

5、电力拖动系统的动力学基础2.2 电力拖动系统的运动方程式 电力拖动系统运动方程式描述了系统的转动运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。与直线运动时相似，做旋转运动的拖动系统运动平衡方程式根据如图2-6给出的系统可写出 图2-6 单轴电力拖动系统 dtdJTTLem转动惯量J可用下式表示 工程实际计算中常用的运动方程式如下，这里 g42g222GDDGmJdtdnGDTT3752Lem602 n 式中 为转动物体的飞轮矩（Nm2）， ，它是电动机飞轮矩和生产机械飞轮矩之和，为一个整体的物理量，反映了转动体的惯性大小。2GDgJGD42 (2)运动方程式中转矩正、负号的规定

6、在电力拖动系统中，随着生产机械负载类型和工作状况的不同，电动机转轴上的电磁转矩（拖动转矩） 和负载转矩（阻转矩） 的大小和方向都可能发生变化。因此运动方程式中的转矩都是带有正、负号的代数量。因此须考虑转矩转速正负号，一般规定如下。 1.首先选定顺时针或逆时针中的某一个方向为规定正方向，一般以电动机处于电动状态时的旋转方向为规定正方向。2.转速的方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。3.电磁转矩方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。4.负载转矩与规定正方向相反时为正，相同时为负，如图2-7所示。B。 BemTLT图2-7 正方向规定 2.2 电力拖动系统的运动方程式 系统旋转运动的三种状态1

7、.当 或 时，系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2.当 或 时，系统处于加速运行状态，即处于动态。3.当 或 时，系统处于减速运行状态，即处于动态。 由此可知，系统在稳定运行时，一旦受到外界的干扰，平衡被打破，转速将会变化。对于一个稳定系统来说，要求具有恢复平衡状态的能力。 LemTT0dtdnLemTT0dtdnLemTT0dtdn2.3 多轴电力拖动系统的简化 实际中电动机大多转速较高，而生产机械的工作速度低。因此，生产机械大多是电动机通过传动装置与工作机构相连。常见的传动装置如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆、皮带轮等。因此在电动机和工作机构之间要经过多根轴传动，所以电力拖动系统较多为多轴电

8、力拖动系统。 研究多轴电力拖动系统原则：不需要详细研究每根轴的问题，而只把电动机的轴作为研究对象即可。为简单起见，采用折算的办法，即将实际的多轴拖动系统等效为单轴拖动系统。2.3 多轴电力拖动系统的简化2.3.12.3.1多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算(1)负载转矩的折算 为了简化多轴系统的分析计算，通常采用折算的方法，把多轴系统折算成等效的单轴系统，如图2-8图所示。然后按单轴电力拖动系统的运动方程式分析。折算的原则是保持系统的功率传递关系及系统贮存的动能不变。 图2-8 所示为多轴电力拖动系统折算成单轴系统 (a)多轴系统 (b)等效单轴系统2.3多轴电力拖动系统的简化 负载转矩折算

9、的原则是，保持折算前后系统传递的功率不变。关于中间传动机构的传动损耗，将在传动效率 中考虑。下面分两种情况讨论。 电动机工作在电动状态时，根据折算前后功率不变的原则有 ffLTTjTnnTTTfffffL 为工作机构负载实际转矩， 为工作机构旋转角速度， 为工作机构负载转矩折算到 电动机轴上的负载转矩， 为电动机轴上角速度， 为电动机轴上转速，为工作机构轴上转速，为电动机转轴与工作机构转轴之间的总传动比， ，在多级传动机构中为各级传动比之积， 。2.3多轴电力拖动系统的简化fTfLTnfn；j21ff/jjnnj 321jjjj式中： 式中 为传动机构的总效率，为各级传动效率之积如电动机工作在

10、制动状态，电动机产生的电磁转矩为制动转矩，此时能量由工作机构向电动机传送，传动损耗由工作机构承担，则有 2.3多轴电力拖动系统的简化；若考虑传动机构的传动效率，负载转矩的折算值还要加大，为 jTTLf 321ffLTTjTnnTTTfffffL2.3 多轴电力拖动系统的简化(2)飞轮矩的折算 飞轮矩的大小是旋转物体机械惯性大小的体现。旋转物体的动能大小为 222)602(42121ngGDJ 对于图2.8所示的系统，根据折算前后系统贮存动能不变的原则，有 2f2f2b2b22a22)602(421)602(421)602(421)602(421ngGDngGDngGDngGD2.3 多轴电力拖

11、动系统的简化由此可得折算到电动机轴上总飞轮矩为 2212f212b2a2f2f2b2b2a2)/(/)/(1)/(1jjGDjGDGDnnGDnnGDGDGD写成一般形式为 22f2212c212b2a2/)/(/jGDjjGDjGDGDGD第2章 电力拖动系统的动力学基础2aGD2fGD2c2bGDGD 、为电动机轴飞轮矩，包括电动机转子飞轮矩及同轴齿轮 飞轮矩；为工作机构飞轮矩与同轴齿轮飞轮矩之和； 为传动机构各级传动轴两端齿轮飞轮矩之和。在工程中，常用下式进行近似计算22)1 (MGDGD2.3.22.3.2平移运动系统的折算平移运动系统的折算 在生产实际中，有部分生产机械的工作机构作平

12、移运动，如龙门刨床等。图2-9为龙门刨床传动机构示意图。2.3多轴电力拖动系统的简化第2章 电力拖动系统的动力学基础图2-9 龙门刨床传动机构示意图 2.3 多轴电力拖动系统的简化(1)阻力 的折算 F龙门刨床切削时的切削功率为 FvP 若不考虑传动机构的传动损耗，根据折算前后功率不变的原则，有 TFvLnFvnFvFvTL55. 960/2考虑传动系统传动损耗后， nFvTL55. 9第2章 电力拖动系统的动力学基础2.2多轴电力拖动系统的简化(2)平移运动部件质量的折算 为便于研究与计算，把平移运动部件的质量 折算成电动机轴上的等效飞轮矩 。运动部件的动能为 2f2f2121vgGvmfm

13、2fGD折算到电动机轴上后的动能为22f2f)602(42121ngGDJ第2章 电力拖动系统的动力学基础折算前后的动能不变，因此 22f2f)602(42121ngGDvgG22f22f2f365)60/2(4nvGnvGGD2.3多轴电力拖动系统的简化2.3.3升降运动系统的折算 桥式起重机提升机构、电梯、矿井卷扬机等的工作机构均作升降运动。升降与平移虽同属直线运动，但它与重力作用有关。图2-10为桥式起重机提升机构传动系统示意图。电动机通过传动机构带动卷简，半径为R，转速为 。缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重力为 G=mg，重物提升和下放的速度为v ，传动比为j，传动机构效率为 fn图2

14、-10 起重机提升机构传动系统示意图 第2章 电力拖动系统的动力学基础2.3 多轴电力拖动系统的简化(1)提升重物时负载转矩的折算 重物作用在卷筒上，卷筒轴上的负载转矩为GR。不计传动损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为 jGRTL 考虑传动损耗时折算到电动机轴上负载转矩为 nGvjGRTL55. 9 提升重物时传动机构损耗的转矩为 11jGRjGRjGRT第2章 电力拖动系统的动力学基础2.3 多轴电力拖动系统的简化(2)下放重物时负载转矩的折算 下放重物时，卷简轴上的负载转矩仍为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩仍是GR/j，负载转矩方向也不变。但它却成为拖动转矩，带着电

15、动机反转，电动机的电磁转矩变成制动转矩，阻碍系统运动。这时如考虑传动机构损耗， 应由负载承担。如果提升和下放同一重物时 近似地看成不变，那么，下放重物时折算到电动机轴上的负载转矩为： TT1211jGRjGRjGRTjGRTL第2章 电力拖动系统的动力学基础设下放重物时传动效率为 ，则有 jGRTL比较上两式可见 122.4负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行条件 2.4.12.4.1恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩大小不随转速变化，这种特性称为恒转矩负载特性。据负载转矩的方向特点分为反抗性和位能性负载两种。（1）反抗性恒转矩负载 反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩的大小不变

16、，负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转，当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，始终是阻转矩。图2-11 反抗性恒转矩负载特性 第2章 电力拖动系统的动力学基础2.4 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行条件（2）位能性恒转矩负载 这种负载的特点是负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升重物时，负载转矩为阻转矩，其作用方向与电动机旋转方向相反，当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。负载特性如图2-12所示。 图2-12 位能性恒转矩负载特性 第2章 电力拖动系统的动力学基础2.4 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行条件图2-13 恒功率负载特性曲线 第2章 电力拖动系统的动力学基础2.4 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行条件2.4.32.4.3通风机型负载特性通风机型负载特性 通风机型负载的方向特点是属于反抗性负载；大小特点是负载转矩的大小与转速的平方成正比，即2LKnT 负载特性曲线如图2-14所示。 图2-14 通风机负载特性曲线 第2章 电力拖动系统的动力学基础2.4负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行条件2