郝用兴主编华中科技大学出版社第二版机电传动控制课件第2章

1、2.1 研究机电传动系统静态与动态特性的意义研究机电传动系统静态与动态特性的意义2.2 机电传动系统的机电传动系统的动力学方程式动力学方程式2.3 典型生产机械的负载特性典型生产机械的负载特性2.4 负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算方法负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算方法2.5 机电传动系统的过渡过程机电传动系统的过渡过程2.6 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件静态（稳态）和动态（暂态）两种运行状态。静态（稳态）和动态（暂态）两种运行状态。 静态是指系统以恒速运转的状态，其动态转矩为零；动态静态是指系统以恒速运转的状态，其动态转矩为零；动态是指系统的速度处于变化之中的状

2、态，存在动态转矩。是指系统的速度处于变化之中的状态，存在动态转矩。机电传动系统的静态特性是系统静态运行时电动机的机电传动系统的静态特性是系统静态运行时电动机的电磁转矩和生产机械速度之间的关系电磁转矩和生产机械速度之间的关系 ；机电传动系统的动态特性是指系统从一种稳定状机电传动系统的动态特性是指系统从一种稳定状态变化到另一种稳定状态时在过渡过程中的特性。态变化到另一种稳定状态时在过渡过程中的特性。当机电传动系统处于启动、制动、反转、调速或当机电传动系统处于启动、制动、反转、调速或负载转矩发生变化等运转状态时，电磁转矩和转负载转矩发生变化等运转状态时，电磁转矩和转速就要随之变化，即系统处于动态运行

3、。速就要随之变化，即系统处于动态运行。 2.1 研究机电传动系统静态与动态特性的意义研究机电传动系统静态与动态特性的意义 1.可以分析如何缩短过渡过程的时间，可以分析如何缩短过渡过程的时间，从而提高生产率；从而提高生产率；2.可以研究如何改善机电传动系统的运行可以研究如何改善机电传动系统的运行情况，使设备安全运行情况，使设备安全运行 研究机电传动系统静态与动态特性的意义研究机电传动系统静态与动态特性的意义 2.2 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式T： 电动机产生的电磁转矩电动机产生的电磁转矩TL：生产机械产生的负载转矩生产机械产生的负载转矩 J： 转动惯量转动惯量: 角速度角速

4、度LdTTJdt 2.2.1 单轴机电传动系统的运动方程 2.2.2单轴机电传动系统的实用动力学方程 飞轮转矩 是一个整体物理量，量纲为 2375LGD dnTTdt2GD2N m 214GDJg260n 224DJmm2.2.3 动态转矩动态转矩 系统处于动态时，系统中必然存在一个动态转矩 系统的转矩平衡方程：即 2375DGD dnTdtDLTTTLDTTT 2.2.4 动力学方程式中符号的约定动力学方程式中符号的约定设电动机某一转动方向的转速设电动机某一转动方向的转速n为正，则为正，则在运动方程式中作如下约定：电动机电在运动方程式中作如下约定：电动机电磁转矩磁转矩T与转速与转速n方向一致

5、为正；负载转方向一致为正；负载转矩矩 与转速方向与转速方向n相反为正。相反为正。LT 例例2-1 如图所示起重机在提升重物，试判断起重机在启动和制动时电动机转矩和负载转矩的符号。设重物提升时电动机旋转的方向n为正方向。与与n方向一致时取正号，方向一致时取正号，与与n方向相反时取正号。方向相反时取正号。符号约定：设符号约定：设n为正为正 若若TM与与n符号相同（同为符号相同（同为正或同为负），则表示正或同为负），则表示TM的作的作用方向与用方向与n相同，相同， TM为拖动转为拖动转矩；如左图矩；如左图a中的中的TM 若若TM与与n符号相反，则表符号相反，则表示示T的作用方向与的作用方向与n相反，

6、相反，TM为为制动转矩；如左图制动转矩；如左图b中的中的TM 若若TL与与n符号相同（同为正符号相同（同为正或同为负），则表示或同为负），则表示TL的作用的作用方向与方向与n相反，相反，TL为制动转矩；为制动转矩；如左图如左图a,b中的中的TL 若若TL与与n符号相反，则表示符号相反，则表示TL的作用方向与的作用方向与n相同，相同，TL为拖为拖动转矩。如下放重物时的动转矩。如下放重物时的TL2.3 典型生产机械的负载特性典型生产机械的负载特性2.3.1 2.3.1 恒转矩型负载的机械特性恒转矩型负载的机械特性 1. 1. 反抗转矩负载反抗转矩负载反抗转矩也称摩擦转矩，这类负载的转矩大小不变，但

7、反抗转矩也称摩擦转矩，这类负载的转矩大小不变，但方向恒与运动方向相反，总是阻碍系统的运动。方向恒与运动方向相反，总是阻碍系统的运动。 一般将电动机轴上的负载转矩和转速之间的函数关系称为一般将电动机轴上的负载转矩和转速之间的函数关系称为生产机械的机械特性（负载特性）。生产机械的机械特性（负载特性）。 2 2位能转矩负载位能转矩负载 这类负载的大小不变，作用方向与运动方向无关。这类负载的大小不变，作用方向与运动方向无关。 起重机的提升机构、矿井提升机构起重机的提升机构、矿井提升机构 2.3.2 2.3.2 通风机型负载的机械特性通风机型负载的机械特性 这类负载转矩的大小与速度的平方成正比，这类负载

8、转矩的大小与速度的平方成正比，即即 2LTCn图2-4 离心机型负载的机械特性 2.3.3 恒功率型负载的机械特性恒功率型负载的机械特性 这类负载转矩的大小与转速成反比， 即 LKTn 图2-5恒功率型负载的机械特性 2.4 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算折算方法折算方法：折算到电动机轴上。：折算到电动机轴上。转换原则转换原则：折算前后能量关系或功率关系上保持不变。：折算前后能量关系或功率关系上保持不变。 2.4.1 负载转矩的折算负载转矩的折算 由于负载转矩是静态转矩，可以根据功率守恒原则进行折算。LLLLcMcTTTj1、旋转运动、旋转运动生产机械的负载功率生

9、产机械的负载功率PL1电动机轴上的负载功率电动机轴上的负载功率PM传动效率由电机承担，则传动效率由电机承担，则折算到电动机轴上的负载转折算到电动机轴上的负载转矩矩TL1111/,LLLMLMLMLMLLPTPTPPTTjj2、直线运动、直线运动生产机械的负载功率生产机械的负载功率PL1电动机轴上的负载功率电动机轴上的负载功率PM若传动效率由电机承担，则若传动效率由电机承担，则折算到电动机轴上的负载转矩折算到电动机轴上的负载转矩TL112/,609.55LMLMMLMMLMPF vPTnPPF vTn2.4.2 转动惯量和飞轮转矩的折算转动惯量和飞轮转矩的折算1.旋转运动 折算到电动机轴上的总的

10、转动惯量为： 1221LZMLJJJJjj22221221LZMLGDGDGDGDjj折算到电动机轴上的总的飞轮转矩为 在实际工程中为了计算方便，多用适当加大电动机轴在实际工程中为了计算方便，多用适当加大电动机轴上的转动惯量上的转动惯量 或飞轮转矩或飞轮转矩 的方法来考虑中的方法来考虑中间传动机构的转动惯量或飞轮转矩的影响，于是有：间传动机构的转动惯量或飞轮转矩的影响，于是有： MJ2MGD2LZMLJJJj2222LZMLGDGDGDj221.151.25ZMZMJJGDGD实用公式实用公式: 2.直线运动 折算到电动机轴上的总转动惯量或总飞轮转矩分别为： 212221LZMLMJJvJJm

11、jj2222212221365LZMLGDGDGvGDGDjjn214GDJg260n 多轴拖动系统的运动方程式： 2375ZLGD dnTTdt 当机电传动系统中电动机的电磁转矩或负当机电传动系统中电动机的电磁转矩或负载转矩发生变化时，系统就要从一个稳定的运载转矩发生变化时，系统就要从一个稳定的运转状态变化到另一个稳定的运转状态，这个变转状态变化到另一个稳定的运转状态，这个变化过程称为过渡过程。电动机在启动、制动、化过程称为过渡过程。电动机在启动、制动、反转、调速或负载突变等情况下，都将经历过反转、调速或负载突变等情况下，都将经历过渡过程。渡过程。2.5 2.5 机电传动系统的过渡过程机电传

12、动系统的过渡过程2.5.1 2.5.1 机电传动系统的过渡过程时机电传动系统的过渡过程时间间1221()375375snzzsnDDGDGDdntnnTT 可知，机电传动系统的过渡过程时间与可知，机电传动系统的过渡过程时间与飞轮转矩和动态转矩有关。飞轮转矩和动态转矩有关。2( )375zDGD dnd tT2375ZLGD dnTTdt 转速、电枢电流、转矩都是按指数规转速、电枢电流、转矩都是按指数规律变化的。而机电时间常数与转动惯律变化的。而机电时间常数与转动惯量、电阻及磁通等物理量有关。量、电阻及磁通等物理量有关。()mtsstsnnnn e22375memNGD RK K对于直流他励电动

13、机 ()mtLstLTTTT e()mtaLstLIIIIe2.5.2 机电传动系统中的惯性机电传动系统中的惯性 机电传动系统之所以产生过渡过程，机电传动系统之所以产生过渡过程，是因为存在各种惯性：是因为存在各种惯性： （1）机械惯性：它反映在转动惯量和飞轮转）机械惯性：它反映在转动惯量和飞轮转矩上，使转速矩上，使转速 不能突变。不能突变。 （2）电磁惯性：它反映在电感上，分别使电）电磁惯性：它反映在电感上，分别使电枢电流和励磁磁通不能突变。枢电流和励磁磁通不能突变。 （3）热惯性：它反映在温度上，使温度不能）热惯性：它反映在温度上，使温度不能突变。突变。 （1）机械惯性：转动惯量和飞轮转矩

14、（2）电磁惯性：电感 （3）热惯性：温度 机电传动系统中只需考虑机械惯性，即在过渡过程中只有转速是不能突变的，而电枢电流和转矩都可以突变。 在整个机电过渡过程中，这三种惯性在系统中在整个机电过渡过程中，这三种惯性在系统中虽然会互相影响，如，电机发热时，电阻会变虽然会互相影响，如，电机发热时，电阻会变化，从而引起电流和磁通的变化。但是由于热化，从而引起电流和磁通的变化。但是由于热惯性较大，温度变化较慢，一般可不予考虑；惯性较大，温度变化较慢，一般可不予考虑；在有些情况下，电机中不串接电感，电磁惯性在有些情况下，电机中不串接电感，电磁惯性影响也不大。因此，机电传动系统中只需考虑影响也不大。因此，机

15、电传动系统中只需考虑机械惯性，即在过渡过程中只有转速是不能突机械惯性，即在过渡过程中只有转速是不能突变的，而电枢电流和转矩都可以突变。变的，而电枢电流和转矩都可以突变。 1减少飞轮转矩 2加大动态转矩2.5.3 2.5.3 加快过渡过程的方法加快过渡过程的方法 2.6 2.6 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件 系统的稳定运行包含两重含义：系统的稳定运行包含两重含义： 一是系统能以一定的速度匀速运转；一是系统能以一定的速度匀速运转； 二是系统受到某种外部干扰（如电压波动、负载二是系统受到某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）后，速度稍有变化，会离开平衡位转矩波动等）后，速

16、度稍有变化，会离开平衡位置，但在新的条件下可达到新平衡；或在干扰消置，但在新的条件下可达到新平衡；或在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。除后系统能恢复到原来的运行速度。 判断系统稳定运行点的条件是：判断系统稳定运行点的条件是： A.A.电动机的机械特性曲线与生产机械的机械特性曲线电动机的机械特性曲线与生产机械的机械特性曲线有交点；即电动机轴上的拖动转矩和折算到电动机轴有交点；即电动机轴上的拖动转矩和折算到电动机轴上的负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。上的负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。 B.B.当转速大于平衡点对应的转速时，有：当转速大于平衡点对应的转速时，有： 当转速小于平衡点对应的转速时，有当转速小于平衡点对应的转速时，有 。 只有满足上述两个条件的平衡点，才是拖动系统的稳只有满足上述两个条件的平衡点，才是拖动系统的稳定平衡点，即只有这样的特性配合，系统在受到外界定平衡点，即只有这样的特性配合，