电机及拖动基础北方工业大学四

电机与拖动基础

Page2第二章电力拖动系统基础Page3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。Page4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。Page52.1电力拖动系统运动方程式

电力拖动系统(electricalpowerdrivesystem)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2-1所示。图2-1电力拖动系统组成Page62.1电力拖动系统运动方程式

图2-2所示为单轴电力拖动系统，图2-2中标注的物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁转矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转矩。

图2-2单轴电力拖动系统Page7

如图2-2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(rotationequation)来描述，为

（2-1）化简后得2.1电力拖动系统运动方程式Page8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Page92.1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。转矩的方向由式（2-1）中取值的正负来判定。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。

Page102.1电力拖动系统运动方程式

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n的数值增加或减小来决定。

Page112.1电电力拖动动系统运运动方程程式图2-3多轴电力力拖动系系统为了简化化多轴系系统的分分析计算算，通常常把负载载转矩与与系统飞飞轮矩折折算到电电动机轴轴上来，，变多轴轴系统为为单轴系系统，列列写一个个转动方方程式进进行计算算，其结结果与联联立求解解多个方方程式的的结果完完全一样样。Page122.2多多轴电力力拖动系系统的简简化工作机构构为转动动情况时时转矩与与飞轮矩矩的折算算（2-2）1．转矩矩的折算算多轴电力力拖动系系统中，，如果不不考虑传传动机构构的损耗耗时，工工作机构构折算前前的机械械功率为为TfΩf，折算后的的机械功功率为TFΩf，折算的的原则是是折算前前后功率率不变，，因此有有Page132.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化工作机机构为为转动动情况况时转转矩与与飞轮轮矩的的折算算2．飞飞轮矩矩的折折算飞轮矩矩的大大小是是运动动物体体机械械惯性性大小小的体体现。。旋转转物体体的动动能大大小为为Page142.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化图2-4刨床电电力拖拖动示示意图图工作机机构为为平移移运动动时转转矩与与飞轮轮矩的的折算算1．转转矩的的折算算图2-4为为刨床床切削削示意意图，，通过过齿轮轮与齿齿条啮啮合，，把旋旋转运运动变变成直直线运运动。。切削削时工工件与与工作作台的的速度度为v，刨刀作作用在在工件件上的的力为为F，传动机机构效效率为为h。Page152.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化工作机机构为为平移移运动动时转转矩与与飞轮轮矩的的折算算计算负负载转转矩折折算值值时，，可以以先计计算作作用在在传动动机构转转速为为nf的轴上上的转转矩FR，，R为与齿齿条啮啮合的的齿轮半径径，然然后折折算为为TF=FR/jh。Page162.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化工作机机构为为平移移运动动时转转矩与与飞轮轮矩的的折算算2．飞飞轮矩矩的折折算设作平平移运运动部部分的的物体体总重重为Gf=mfg，其动能能为折算到到电动动机轴轴上后后的动动能为为根据折折算前前后的的动能能不变变原则则，因因此有有Page172.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化工作机机构作作提升升和下下放重重物运运动时时，转转矩与与飞轮轮矩的的折算算1．负负载转转矩折折算图2-5所所示为为一起起重机机示意意图，，电动动机通通过传传动机机构（（减速速箱））拖动动一卷卷筒，，缠在在卷筒筒上的的钢丝丝绳悬悬挂一一重物物，重重物的的重力力为G=mg，速比为为j，重物提提升时时传动动机构构效率率为h，卷筒半半径为为R，转速为为nf，重物提提升或或下放放时的的速度度为v，是个常常数。。Page182.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化图2-5工作机机构运运动为为升降降的电电力拖拖动系系统(1））提升升重物物时负负载转转矩的的折算算重物对对卷筒筒轴的的负载载转矩矩为GR，不计传传动机机构损损耗时时，折折算到到电动动机轴轴上的的负载载转矩矩为Page192.2多轴轴电力力拖动动系统统的简简化图2-6起重机机的转转矩关关系(2)下放放重物物时负负载转转矩的的折算算下放重重物时时，重重物对对卷筒筒轴的的负载载转矩矩大小小仍为为GR，不计传传动机机构损损耗时时，折折算到到电动动机轴轴上的的负载载转矩矩也仍仍为GR/j，负载转转矩的的方向向也不不变。。Page202.3生产产机械械的负负载转转矩特特性生产机机械工工作机机构的的负载载转矩矩TL与转速速n之间的的关系系TL=f(n)，称之之为负负载机机械特特性,也称称为负负载的的转矩矩特性性(loadtorquecharacteristic)。实际生生产机机械品品种繁繁多,其工工作机机构的的负载载机械械特性性也各各不相相同。。经过过统计计分析析，可可归纳纳为下下列三三种典典型的的负载载机械械特性性。Page21恒转矩矩负载载的转转矩特特性(a)实际特特性(b)折算后后特性性图2-8反抗性性恒转转矩负负载转转矩特特性1)反反抗性性恒转转矩负负载这类负负载的的特点点是工工作机机构转转矩的的绝对对值大大小是是恒定定不变变的，，转矩矩的性性质是是阻碍碍运动动的制制动性性转矩矩，即即：n<0时，T<0(常数)；n>0时，T>0(也是常常数)，且且的的绝绝对值值相等等。Page22恒转矩矩负载载的转转矩特特性(a)实际特特性(b)折算后后特性性图2-9位能性性恒转转矩负负载的的转矩矩特性性2)位位能性性恒转转矩负负载这类负负载的的特点点是工工作机机构的的转矩矩绝对对值大大小是是恒定定的，，而且且方向向不变变，当当时n>0，，T>0，是阻碍碍运动动的制制动性性转矩矩，当当时n<0，，T>0，是帮助助运动的的拖动动性转转矩，，其转矩矩特性性如图图2-9所示，，位于于第ⅠⅠ、Ⅳ象限限内。。Page23泵类负负载的的转矩矩特性性图2-10泵类转转矩负负载的的转矩矩特性性2．泵泵类负负载的的转矩矩特性性水泵、、油泵泵、通通风机机和螺螺旋桨桨等，，其转转矩的的大小小与转转速的的平方方成正正比，，即TL∝n2，转矩持持性如如图2-10所示。。Page24恒功率率负载载的转转矩特特性图2-11恒功率率转矩矩负载载的转转矩特特性3．恒恒功率率负载载的转转矩特特性负载的的转速速与转转矩之之积为为是常常数，，即机机械功功率P=TΩ=常数，，称之之为恒恒功率率负载载。Page252.4电力力拖动动系统统稳定定运行行的条条件所谓稳稳定运运行，，是指指电力力拖动动系统统在某某种扰扰动作用下下虽偏偏离原原平衡衡状态态，但但能在在新的的条件件下达达到新的平平衡，，或者者当外外界扰扰动消消失后后系统统仍能能恢复复到原来的的平衡衡状态态。Page262.4电力力拖动动系统统稳定定运行行的条条件图2-12电动机机机械械特性性与负负载特特性一台他他励直直流电电动机机拖动动恒转转矩负负载运运行在在A点，系系统平平衡，即T=TL；扰动使使转速速有微微小增增量，，若转转速由由nA上升到到n´A，T<TL；扰动消消失后后，系系统减减速，，回到到点A运行。。同样样，若若扰动动使转转速由由nA下降到到n”A，T>TL；扰动消消失，，系统统加速速，能能回到到点A运行。。Page272.4电力力拖动动系统统稳定定运行行的条条件图2-13拖动系系统稳稳定运运行系统在在点A能稳定定运行行如图图2-12和图图2-13。Page282.4电力力拖动动系统统稳定定运行行的条条件图2-14拖动系系统不不稳定定运行行电动机机的机机械特特性和和生产产机械械的负负载特特性的的任意意配合合，有有时会会使拖拖动系系统不不能稳稳定运运行。。例如如一台台电动动机具具有上上翘的的机械械特性性，拖拖动一一恒转转矩负负载，，其特特性曲曲线如如图2-14所示。。Page292.4电力力拖动动系统统稳定定运行行的条条件T=TL仅是稳稳定运运行的的必要要条件件，但但还不不是充充分条条件。。系统统稳定定运行行的必必要和和充分分的条条件是是：交交点处处T=TL,转速速升高高时T<TL，转速速降低低时T>TL，此点点才是是稳定定运行行的。。或者者说，，在交交点处处，有有（2-10）这才是是稳定定运行行的充充分必必要条条件。。本章小小结1运动方方程式式是分分析研研究电电力拖拖动系系统的的基本本公式，对对于单单轴电电力拖拖动系系统：：式中T为电动动机轴轴上产产生的的电磁磁转矩矩；TL为电动动机轴轴上的负负载转转矩，，因为为负载载机械械的工工作机机构折折算到到电动机轴轴上的的负载载转矩矩T2与电动机机空载载转矩矩