第八章电力拖动系统的动力学基础

1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式重庆大学自动化学院重庆大学自动化学院2第八章第八章 电力拖动系统电力拖动系统的动力学基础的动力学基础3第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 第二节第二节 工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量折算工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量折算第三节第三节 考虑传动机构损耗时的折算方法考虑传动机构损耗时的折算方法第四节第四节 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 主要内容主要内容4本章要求本章要求掌握掌握电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成根据运动方程式，根据运动方程式，熟练分析熟练分析电动机的运动状态电动机的运动状态掌握掌握运动

2、转矩的正负号分析运动转矩的正负号分析理解理解各种旋转体转动惯量的计算方法各种旋转体转动惯量的计算方法掌握掌握工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算方法工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算方法掌握掌握考虑传动机构损耗时的简化折算方法考虑传动机构损耗时的简化折算方法熟练掌握熟练掌握生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性5第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 拖动拖动应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产任务。一定的生产任务。电力拖动电力拖动以电动机为原动机，按照以电动机为原动机，按照生产任务生产任务的要求的要求来

3、拖动生产机械。来拖动生产机械。 电力拖动装置的组成电力拖动装置的组成电动机、工作机构、控制设备电动机、工作机构、控制设备及电源等及电源等 注：注：在许多情况下，电动机与工作机构之间有在许多情况下，电动机与工作机构之间有传动机构传动机构，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生产机械的工作机构 第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、单轴系统运动方程式一、单轴系统运动方程式 单轴系统：电机轴直接与生产机械相连。单轴系统：电机轴直接与生产机械相连。 特征：电机转速与负载转速相同。特征：电机转速

4、与负载转速相同。 所有变量均在一个轴上。所有变量均在一个轴上。67单轴系统运动方程式单轴系统运动方程式n对于直线运动对于直线运动 tvmFFzddn对于旋转运动对于旋转运动 tJTTzddF拖动力（拖动力（N）Fz阻力（阻力（N） m(dv/dt)惯性力（惯性力（N）T拖转矩（拖转矩（Nm）Tz阻转矩（阻转矩（Nm ）J转动惯量（转动惯量（kgm2）J(d/dt)惯性转矩惯性转矩(Nm)第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 工程实用式工程实用式J-GD2（飞轮矩）（飞轮矩）-n89 m与与G旋转部分的质量旋转部分的质量（kg）与重量（）与重量（N） 与与D惯性半径与直

5、径（惯性半径与直径（m） g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2 n转动惯量转动惯量 gGDmJ42222d60375 dznGDnTTt GD2飞轮惯量（飞轮惯量（Nm2），），GD2=4gJ T=Tz，dn/dt=0：静止或等速旋转，处于稳定运转状态。：静止或等速旋转，处于稳定运转状态。TTz，dn/dt0 0 ：加速状态，处于过渡过程中。：加速状态，处于过渡过程中。TTz，dn/dt0 0 ：减速状态，处于：减速状态，处于过渡过程中。过渡过程中。电动机的三种运动状态电动机的三种运动状态第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 10电动机轴上的拖动转矩电动机轴

6、上的拖动转矩T和阻转矩和阻转矩Tz与电动机类型、运转与电动机类型、运转状态、生产机械负载类型有关，运动方程式的一般形式为：状态、生产机械负载类型有关，运动方程式的一般形式为：转矩正负号规定转矩正负号规定以某个转动方向为正方向，则转矩以某个转动方向为正方向，则转矩T 正向取正，反向取负；阻转矩正向取正，反向取负；阻转矩Tz 正向取负，反向取正。正向取负，反向取正。 加速转矩的大小及正负加速转矩的大小及正负由转矩由转矩T及阻转矩及阻转矩Tz的代数和来决的代数和来决定。定。二、运动方程式中转矩的正负符号分析二、运动方程式中转矩的正负符号分析tnGDTTzdd375)(2第一节第一节 电力拖动系统的运

7、动方程式电力拖动系统的运动方程式 11两种情况：两种情况： 旋转轴通过该物体的重心旋转轴通过该物体的重心 mi该物体某个组成部分的质量该物体某个组成部分的质量 rimi的重心到旋转轴的距离的重心到旋转轴的距离 对质量连续分布的物体用定积分计算对质量连续分布的物体用定积分计算:三、各种形状旋转体转动惯量的计算三、各种形状旋转体转动惯量的计算iikimrJ212VJr dm第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 12旋转轴为不通过该物体的重心的任意轴旋转轴为不通过该物体的重心的任意轴 该旋转物体的转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意该旋转物体的转动惯量是它围绕着不通过其重心

8、的任意转轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身重心且转轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身重心且平行于该任平行于该任意轴线意轴线旋转的转动惯量之和。旋转的转动惯量之和。2mLJJ第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 13四、多轴系统的运动方程式四、多轴系统的运动方程式 多轴系统：电机输出轴与生产负载轴通过多轴系统：电机输出轴与生产负载轴通过中间传动轴才连接起来中间传动轴才连接起来 特征：电机转速与负载转速不同。特征：电机转速与负载转速不同。 为什么需要多轴系统。为什么需要多轴系统。大部分拖动系统均为多轴系统大部分拖动系统均为多轴系统一般电机转速均较高一般电机转速均较高一般生产机

9、械要求的转速较低一般生产机械要求的转速较低14在相同的功率下，转速越高在相同的功率下，转速越高-输出的转矩输出的转矩越小越小-所需的电枢电流越小所需的电枢电流越小-电枢绕组电枢绕组的截面积越小的截面积越小-电机成本越低，而且电机电机成本越低，而且电机的体积越小。的体积越小。所以电机的额定转速一般较高。所以电机的额定转速一般较高。15电机的额定转速的大小还受什么因素的影电机的额定转速的大小还受什么因素的影响？响？转速与电机参数和电势电压有关，在相同转速与电机参数和电势电压有关，在相同的电枢电压和磁场下，极对数越多，则转的电枢电压和磁场下，极对数越多，则转速越低。速越低。1617zT电动机轴电动机

10、轴如何分析多轴运动系统的运动状态？如何分析多轴运动系统的运动状态？对每一个轴进行运动分析对每一个轴进行运动分析将多轴系统转化为单轴系统将多轴系统转化为单轴系统18由于多轴传动机构各轴之间转速的关系固由于多轴传动机构各轴之间转速的关系固定，因此转矩关系也是固定的，因此可以定，因此转矩关系也是固定的，因此可以将任何一个轴上的变量转换到其他轴上。将任何一个轴上的变量转换到其他轴上。运动方程式与转矩、飞轮矩、直线作用力运动方程式与转矩、飞轮矩、直线作用力、质量有关、质量有关19多轴转化为单轴运动，需要做什么处理？多轴转化为单轴运动，需要做什么处理？转矩的处理、力的处理、飞轮矩的处理、转矩的处理、力的处

11、理、飞轮矩的处理、质量的处理。质量的处理。20讨论讨论需要确定：以哪个轴作为分析轴？需要确定：以哪个轴作为分析轴？如何折算不同轴之间的变量？如何折算不同轴之间的变量？21折算的依据？折算的依据？对整个传动系统而言，其主要作用是传递对整个传动系统而言，其主要作用是传递能量，因此折算前后整个系统的能量是不能量，因此折算前后整个系统的能量是不变的。变的。系统需要消耗功率；折算前后系统的功率系统需要消耗功率；折算前后系统的功率不变。不变。有转速，系统就有动能；因此折算前后系有转速，系统就有动能；因此折算前后系统的动能是不变的；统的动能是不变的；2223第二节第二节 工作机构转矩、力、工作机构转矩、力、

12、飞轮惯量和质量的折算飞轮惯量和质量的折算为什么要折算为什么要折算实际拖动系统的轴通常是多轴，为了分实际拖动系统的轴通常是多轴，为了分析的方便，需要将实际的拖动系统等效为单轴系统。析的方便，需要将实际的拖动系统等效为单轴系统。折算的原则折算的原则保持折算前后两个系统传送的功率及储存保持折算前后两个系统传送的功率及储存的动能相同。的动能相同。需要折算的参量需要折算的参量工作机构转矩工作机构转矩Tz，系统中各轴（除电，系统中各轴（除电动机轴外）的动机轴外）的转动惯量转动惯量Ji，进行，进行直线运动的质量直线运动的质量mz及运动及运动所需克服的所需克服的阻力阻力Fz。24第二节第二节 工作机构转矩、力

13、、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算飞轮惯量和质量的折算zT电动机轴电动机轴2525l折算的原则折算的原则系统的传送功率不变，暂不考虑功率损失系统的传送功率不变，暂不考虑功率损失lj电动机轴与工作机构轴间的转速比电动机轴与工作机构轴间的转速比lTZ折算到电动机轴上的阻转矩折算到电动机轴上的阻转矩lTz工作机构转矩工作机构转矩l对于电动机和工作机构之间存在多级变速的情况，总对于电动机和工作机构之间存在多级变速的情况，总的速比为各级速比的乘积的速比为各级速比的乘积j=j1*j2*一、工作机构转矩一、工作机构转矩Tz的折算的折算 zzzTTzzzzTTTj zznnj/26第二节第二节 工作机构

14、转矩、力、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算飞轮惯量和质量的折算2727二、工作机构直线作用力的折算二、工作机构直线作用力的折算 zzzvFTnvFTzzz55. 960/2 n折算的原则折算的原则系统的传送功率不变，暂不考虑功率损失系统的传送功率不变，暂不考虑功率损失 第二节第二节 工作机构转矩、力、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算飞轮惯量和质量的折算28三、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算三、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算 2222211221111122222dzzJJJJJ 2222211/zzdJJJJJ222222212122/zzdnnGDnnGDnnGDGDGDn为

15、了反映各轴转动惯量对运动过程的影响，将传动机构各轴为了反映各轴转动惯量对运动过程的影响，将传动机构各轴的转动惯量及工作机构的转动惯量折算到电动机轴上。的转动惯量及工作机构的转动惯量折算到电动机轴上。n各轴转动惯量对运动过程的影响直接反映在各轴转动惯量对运动过程的影响直接反映在各轴转动惯量所各轴转动惯量所储存的动能上储存的动能上。n折算的原则折算的原则系统储存的动能不变。系统储存的动能不变。 第二节第二节 工作机构转矩、力、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算飞轮惯量和质量的折算29四、工作机构直线运动质量的折算四、工作机构直线运动质量的折算为反映直线运动质量对系统运动的影响，将直线运动质量为

16、反映直线运动质量对系统运动的影响，将直线运动质量折算为电动机转轴上的转动惯量。折算为电动机转轴上的转动惯量。折算的原则折算的原则转动惯量中及质量中储存的动能相等，即转动惯量中及质量中储存的动能相等，即2222zzzvJm用飞轮惯量表示，则有用飞轮惯量表示，则有222365zzzG vGDn60/2 ngGmzz/365)/60(224zzGDJg第二节第二节 工作机构转矩、力、工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算飞轮惯量和质量的折算小结小结在不考虑损耗的情况下，根据功率不变和在不考虑损耗的情况下，根据功率不变和动能不变即可实现变量的折算。动能不变即可实现变量的折算。若考虑功率的损耗，则折算过

17、程会有什么若考虑功率的损耗，则折算过程会有什么变化？变化？30显然，在考虑功率损耗时，主要需要分析显然，在考虑功率损耗时，主要需要分析所损耗的功率是由谁承担；是电机承担还所损耗的功率是由谁承担；是电机承担还是负载承担。是负载承担。哪些情况下，损耗功率由电机承担：电机哪些情况下，损耗功率由电机承担：电机处于电动运行状态处于电动运行状态哪些情况下，损耗功率由负载承担：电机哪些情况下，损耗功率由负载承担：电机处于发电运行状态处于发电运行状态31不论是电机承担损耗功率还是负载承担损不论是电机承担损耗功率还是负载承担损耗功率，在转速相同的情况下，传动机构耗功率，在转速相同的情况下，传动机构所消耗的功率是

18、否都一样？所消耗的功率是否都一样？在考虑功率损耗时，动能的守恒是否受影在考虑功率损耗时，动能的守恒是否受影响。响。3233一、考虑传动机构损耗的简化方法一、考虑传动机构损耗的简化方法对工作机构转矩及力进行折算时，在折算公式中对工作机构转矩及力进行折算时，在折算公式中引入引入传动效率传动效率c c传送功率时，需要考虑传送功率时，需要考虑功率的传送方向功率的传送方向电动机工作在电动机工作在电动状态电动状态电动机工作在电动机工作在发电制动状态发电制动状态第三节第三节 考虑传动机构损耗时的折算考虑传动机构损耗时的折算34zT电动机轴电动机轴35czzzTT/zzzczcTTTj 第三节第三节 考虑传动

19、机构损耗时的折算考虑传动机构损耗时的折算电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态功率传送方向功率传送方向电动机电动机工作机构工作机构电动机发出的功率电动机发出的功率工作机工作机构消耗的功率构消耗的功率，传动损耗，传动损耗由电动机承担由电动机承担1.工作机构转矩工作机构转矩 的简化折算的简化折算zT zczzTT36电动机工作在发电制动状态电动机工作在发电制动状态 功率传送方向功率传送方向工作机构工作机构电动机电动机 电动机吸收的功率电动机吸收的功率工作机构消耗的功率工作机构消耗的功率，传动损耗由，传动损耗由电动机承担电动机承担2. 工作机构直线作用力的简化折算工作机构直线作用力的简化折算zcz

20、zTF vczzznvFT55. 9第三节第三节 考虑传动机构损耗时的折算考虑传动机构损耗时的折算39电动机工作在发电制动状态，下放重物电动机工作在发电制动状态，下放重物 功率传送方向功率传送方向工作机构工作机构电动机，传动损耗由工电动机，传动损耗由工作机构承担作机构承担 电动机吸收的功率电动机吸收的功率工作机构发出的功率，工作机构发出的功率，传动损耗由传动损耗由工作机构承担工作机构承担czzznvFT55. 9czzzvFT第三节第三节 考虑传动机构损耗时的折算考虑传动机构损耗时的折算40在在提升与下放时传动损耗相等提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率的条件下，下放传动效率c c与

21、提升传动效率与提升传动效率c c之间的关系之间的关系当当c c0.5 0.50.5时，电动机工作在电动状态，损耗功率由电动时，电动机工作在电动状态，损耗功率由电动机承担机承担cc12应用分析应用分析吊车在空钩状态下，其传动机构的提升效吊车在空钩状态下，其传动机构的提升效率是大于率是大于0.5吗？吗？吊车在负载下，其传动机构的提升效率是吊车在负载下，其传动机构的提升效率是大于大于0.5吗？吗？今后在设计起重装置时特别需要注意能量今后在设计起重装置时特别需要注意能量的消耗。的消耗。4142第四节第四节 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性负载转矩特性负载转矩特性在运动方程式中，生产机械的负

22、载转矩在运动方程式中，生产机械的负载转矩Tz 与转速与转速n 之间的关系之间的关系Tz=f (n) 。 反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性 恒转矩负载特性恒转矩负载特性类型类型 通风机负载特性通风机负载特性 位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性 恒功率负载特性恒功率负载特性43恒转矩负载特性恒转矩负载特性负载转矩负载转矩Tz 与转速与转速n 大小大小无关的特性无关的特性 反抗性恒转矩负载特性的特点反抗性恒转矩负载特性的特点转矩转矩Tz 总与运动方总与运动方向相反，位于一三象限（金属压延机构、机床平移机向相反，位于一三象限（金属压延机构、机床平移机构等）构等） 位能性恒转矩负载特性的特点位能性恒转矩负载特性的特点转矩转矩Tz具有固定的方具有固定的方向，由拖动某