第2章电力拖动系统基础2课件

Page1第二章电力拖动系统基础Page2本章教学基本要求1.了解电力拖动系统的基本组成；2.掌握电力拖动系统运动方程式；3.熟悉转矩与飞轮矩的折算方法；4.掌握生产机械的负载转矩特性的分类；5.掌握电力拖动系统稳定运行的条件。重点

生产机械的负载转矩特性的分类；电力拖动系统稳定运行的条件。Page32.1电力拖动系统运动方程式

电力拖动：是指以电动机为原动机使生产机械产生运动，完成一定的生产任务。电力拖动系统一般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和电源组成，如图所示。图2-1电力拖动系统组成传递动力，实现速度和运动方向的变换。Page42.1电力拖动系统运动方程式图2-2单轴电力拖动系统最简单的电力拖动系统使电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连（单轴电力拖动系统），电动机与负载同一个轴，同一转速。图中标注的物理量主要有：电动机的转速n，电动机电磁转矩T，电动机空载转矩T0，工作机构（负载）的转矩TL。

通常称为负载转矩

正方向规定中，若转速、电磁转矩、负载转矩都为正值，那么电磁转矩是拖动性质的转矩，负载转矩是制动性质的转矩。电动机负载运行时，一般情况下TF》T0，可以忽略T0，认为TL=TFTf为工作机构转矩Page5

如图所示，单轴电力拖动系统中电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系用转动方程来描述，为

化简后得(动转距)2.1电力拖动系统运动方程式图2-2单轴电力拖动系统Page6讨论1.当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静止或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态。2．当T-TL>0,dn/dt>0,动转矩大于零时，电力拖动系统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。3．当T-TL<0,dn/dt<0,动转矩小于零时，电力拖动系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。

2.1电力拖动系统运动方程式应注意：转矩不但有大小而且具有方向。转矩的方向由取值的正负来判定Page72.1电力拖动系统运动方程式其规定如下：首先应规定(或假设)某一转速n旋转方向为正方向，则拖动转矩T的方向与所规定(或假定)的正方向相同时取正值。对于负载转矩TL，则当TL的方向与所规定(或假设)的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖动转矩T是负值,说明其实际方向与规定(或假设)正方向相反。而当负载转矩TL是负值，则说明其实际方向与规定(或假设)正方向相同。

同理,转速n也是具有方向。当实际旋转方向与所规定(或假设)的正方向相同时,n取正值，反之取负值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转速的数值增加或减小来决定。

Page82.1电力拖动系统运动方程式

为了简化多轴系统的分析计算，通常把负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴系统为单轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的结果完全一样。

三轴两级齿轮减速机构Page92.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算

1．转矩的折算多轴电力拖动系统中，如果不考虑传动机构的损耗时，工作机构折算前的机械功率为TfΩf，折算后的机械功率为TFΩf，折算的原则是折算前后功率不变，因此有转矩按转速的反比折算2．飞轮矩的折算飞轮矩的大小是运动物体机械惯性大小的体现。旋转物体的动能大小为飞轮矩按转速的平方反比折算实际工作中为了减少折算的麻烦往往采用下式估算系统的总飞轮矩：例2-1已知飞轮矩GDa2=15Nm2,GDb2=18.8Nm2,GDf2=110Nm2,传动效率n1=0.91,n2=0.90,转矩Tf=88Nm,转速n=2450r/min.nb=900r/min.nf=250r/min.忽略电动机空载转矩。求（1）折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2，折算到电动机轴上的负载转矩TF。解（1）系统总飞轮矩（2）负载转矩Page112.2多轴电力拖动系统的简化

图2-4刨床电力拖动示意图工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

1．转矩的折算下图为刨床切削示意图，通过齿轮与齿条啮合，把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速度为v，刨刀作用在工件上的力为F，传动机构效率为h。

计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿轮半径，然后折算为TF=FR/jh。

Page122.2多轴电力拖动系统的简化

工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算

2．飞轮矩的折算设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为

折算到电动机轴上后的动能为

根据折算前后的动能不变原则，因此有

例2-2某机床电力拖动系统，已知切削力F=10000N，工作台与工件运动速度V=0.8m/s,传动机构总效率n=0.91,交流电机转速n=1450r/min,电动机的飞轮矩GD2=200Nm2,求(1)切削时折算到电动机轴上的负载转矩(2)估算系统的总飞轮矩(3)不切削时工作台及工件反向加速，电动机以dn/dt=480r/min.s恒加速运行，计算此时系统的动转矩绝对值切削功率为P=FV=10000*0.8=8000（w）折算后负载转矩解：（1）切削时折算到电动机轴上的负载转矩计算：（2）估算系统的总飞轮矩（3）不切削时工作台及工件反向加速，系统的动转矩绝对值Page142.2多轴电力拖动系统的简化

图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统(1）提升重物时负载转矩的折算重物对卷筒轴的负载转矩GR，折算到电动机轴上的负载转矩为工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算

1．负载转矩折算

图所示为一起重机示意图，电动机通过传动机构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重物的重力为G=mg，速比为j，重物提升时传动机构效率为h，卷筒半径为R，转速为nf，重物提升或下放时的速度为v，是个常数。传动机构损耗的转矩

电动机负担传动机构损耗Page152.2多轴电力拖动系统的简化

图2-6起重机的转矩关系(2)下放重物时负载转矩的折算

下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。下放重物时，负载负担了转矩损耗△T提升重物时，电动机负担了转矩损耗△T，电磁转矩为电磁转矩为恒转矩负载的转矩特性1)反抗性恒转矩负载

生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关系TL=f(n)，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩特性

实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。

恒转矩负载的转矩特性所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩的大小不随转速而改变的负载。

比如皮带运输机、轧钢机、起重机提升下放重物按负载转矩与转速之间的关系又分为反抗性负载和位能性负载两种。这类负载的特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，Page17恒转矩负载的转矩特性

(a)实际特性(b)折算后特性

图2-8反抗性恒转矩负载转矩特性皮带运输机、机床的刀架平移和行走机构等由摩擦力产生转矩的机械，都是反抗性恒转矩负载

转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩，即：n<0时，T<0(常数)；n>0时，T>0(也是常数)，且TL（工作机构的负载转矩）的绝对值相等。其转矩特性如图所示，位于第Ⅰ、Ⅲ象限内。

折算到电动机轴上的负载转矩TL，损耗转矩△T折算到电动机轴上的负载转矩特性Page18恒转矩负载的转矩特性

(a)实际特性(b)折算后特性图位能性恒转矩负载的转矩特性2)位能性恒转矩负载

这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，当时n>0，T>0，是阻碍运动的制动性转矩，当时n<0，T>0，是帮助运动的拖动性转矩，其转矩特性如图所示，位于第Ⅰ、Ⅳ象限内。起重机提升下放重物就属于位能性恒转矩负载

Page19泵类负载的转矩特性图2-10泵类转矩负载的转矩特性2．泵类负载的转矩特性水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即TL∝n2，Page20恒功率负载的转矩特性图2-11恒功率转矩负载的转矩特性（双曲线）

3．恒功率负载的转矩特性

车床进行切削加工，具体到每次切削的切削转矩都是恒转矩负载。但是当我们考虑精加工时，需要较小吃刀量和较高速度；粗加工时，需要较大吃刀量和较低速度，这种加工工艺要求，体现为负载的转速与转矩之积为常数，即机械功率常数负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率P=TΩ=常数，称之为恒功率负载。轧钢机轧制钢板时，工件小需要高速度低转矩，工件大需要低速度高转矩，这种工艺要求的负载也是恒功率负载。Page212.4电力拖动系统稳定运行的条件图2-13拖动系统稳定运行从电力转动系统转动方程式知道，系统稳定运行即恒速不变的必要条件是动转矩为零，即n不变，T=TL,为了分析方便，往往把电动机机械特性与负载转矩特性画在同一个坐标平面上。系统在点A能稳定运行。

是一台他励直流电动机的机械特性是恒转矩负载转矩特性两条特性曲线的交点A满足动转矩为零这个条件，称为工作点从转动方程分析，电力拖动系统运行在工作点上。就是稳定运行状态。但是，实际运行的电力拖动系统，经常会出现一些小的干扰，比如电源电压或负载转矩波动等。这样就存在下面的问题：系统在工作点上稳定运行时，若突然出现了干扰，该系统是否仍能够稳定运行？待干扰消失后，该系统是否仍能够回到原来工作点上继续稳定运行?Page222.4电力拖动系统稳定运行的条件

图2-12电动机机械特性与负载特性

一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点，系统平衡，即T=TL；扰动使转速有微小增量，若转速由nA上升到n´A，T<TL；扰动消失后，系统减速，回到点A运行。同样，若扰动使转速由nA下降到n”A，T>TL；扰动消失，系统加速，能回到点A运行。

所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到原来的平衡状态。

Page232.4电力拖动系统稳定运行的条件

图2-14拖动系统不稳定运行电动机的机械特性和生产机械的负载特性的任意配合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线如图所示。

曲线l和1’为他励直流电动机特定情况下的机械特性，当电磁转矩较大时，转速不但没有下降反而随T增加而增大，机械特性上翘。

曲线1对应着额定电压曲线1’是电压略有下降时的特性曲线2为恒转矩负载转矩特性。

当他励直流电动机拖动恒转矩负载运行时，若运行在电动机机械特性1与负载转矩特性2的交点A上，转速则为nA。但是，若出现干扰，如电源电压向下波动，电压降低的瞬间，电动机的机械特性由曲线1突变为曲线1‘，而这时转速nA不能突变，这样一来，电磁转矩为TB，负载转矩仍为TA，破坏了转矩平衡关系，动转矩>0，系统开始加速。在加速过程中，电动机的电磁转矩沿着机械特性曲线1’，随着n升高而加大，但负载转矩始终不变。继续使动转距上升，转速n上升得越来超快。直到系统转速过高，毁坏电动机为止。也就是说，系统不能在原来交点A的附近继续稳定运行，那么A点的运行情况就不属于稳定运行之列。干扰是经常出现的，因此，这个电力拖动系统就不会稳定运行在图中所示的A点上。Page242.4电力拖动系统稳定运行的条件也就是说T=TL仅是稳定运行的必要条件，但还不是充分条件。要想稳定运行，还需要电动机与负载的两条特性在交点T＝TL处配合得好。对于一个电力拖动系统，系统稳定运行的必要和充分的条件是：交点处T=TL,转速升高时T<TL，转速降低时T>TL，此点才是稳定运行的。或者说，在交点处，有