2机电传动动力学的基础.ppt

1、第二章,机电传动系统的动力学基础,掌握机电传动系统的运动方程式及多轴拖动系统中转矩的折算方法；学会分析机电传动系统的运行状态。,本章内容不仅适用于直流电机拖动，也适用于交流电机拖动，是电力拖动系统的基础。,本章重点,1、单轴机电传动系统的组成,2.1机电传动系统的运动方程式,电动机M通过连接件直接与生产机械相连，由电动机M产生输出转矩TM，用来克服负载转矩TL，带动生产机械以角速度（或速度n）进行运动。,电动机,电动机的驱动对象,连接件,系统结构图,转距方向,2.1机电传动系统的运动方程式,在机电系统中，TM、TL、（或n)之间的函数关系称为运动方程式。,根据动力学原理，TM、TL、（或n)之

2、间的函数关系如下：,运动方程式,TM电动机的输出转矩（N.m）;,TL单轴传动系统的负载转矩（N.m）;,J单轴传动系统的转动惯量（kg.m2）;,单轴传动系统的角速度（rad/s）；,t时间（s）。,2、单轴机电传动系统的运动方程式,2.1机电传动系统的运动方程式,在实际工程中，常用转速n代替，用飞轮转矩GD2代替转动惯量J，即,运动方程式的实用形式,转矩平衡方程式,动态转矩,2.1机电传动系统的运动方程式,根据运动方程式可知，运动系统有两种不同的运动状态：,即,，为常数，传动系统以恒速运动。,TM=TL时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。,即,传动系统加速运动。,即,传动系统减速运

3、动。,TMTL时传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为动态。,3、传动系统的状态,稳态（TM=TL）,动态（TMTL）,2.1机电传动系统的运动方程式,4、TM和TL的参考方向及符号,因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以（或n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。,当TM的实际作用方向与n的方向相同时，取与n相同的符号；,TM的符号与性质,当TM的实际作用方向与n的方向相反时，取与n相反的符号；,当TM的实际作用方向与n的方向相同（符号相同）时，TM为拖动转距，否则为制动转距。,当TL的实际作用方向与n的方向相同时，取与n相反的符号；,TL的符号与性质,当TL的实际作用方向与n

4、的方向相反时，取与n相同的符号；,当TL的实际作用方向与n的方向相同（符号相反）时，TL为拖动转距，否则为制动转距。,2.1机电传动系统的运动方程式,例：如图所示电动机拖动重物上升和下降。,设重物上升时速度n的符号为正，下降时n的符号为负。,当重物上升时：TM为正，TL为正。其运动方程式为：,因此重物上升时，TM为拖动转矩，TL为制动转矩。,当重物下降时：TM为正，TL为正。其运动方程式为：,即：,因此重物下降时，TM为制动转矩，TL为拖动转矩。,2.2负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴拖动系统等效折算为单轴系统。,电动机通过减速机构（如减速

5、齿轮箱、蜗轮蜗杆等）与生产机械相连，如图所示：,折算的原则是：折算前的多轴系统同折算后的单轴系统在能量关系上或功率关系上保持不变。,2.2负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1.负载转矩的折算,折算原则：功率守恒,a)对于旋转运动（如右图）：,当系统匀速运动时，生产机械的负载功率为：,设折算到电动机轴上的负载转矩为TL，则电动机轴上的负载功率为：,则传动效率为：,因此，折算到电动机轴上的负载转矩为：,2.2负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,b)对于直线运动（如右图）：,若生产机械运动部件的负载力为，运动速度为v，则所需的机械功率为：,它反映在电动机轴上的机械功率为：,如果是电动机拖动生产机械

6、旋转或移动，则传动机构中的损耗应由电动机承担，则有,因此，折算到电动机轴上的负载转矩为：,2.2负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,如果是生产机械拖动电动机旋转，则传动机构中的损耗应由生产机械来承担，则有,因此，折算到电动机轴上的负载转矩为：,2.2负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,2.转动惯量的折算,折算原则：动能守恒,设传动系统有m个转动件和n个平动件组成，转动件的转动惯量和角速度分别为Ji和i，平动件的质量和速度分别为mj和vj，系统总的动能为：,折算到电机轴上时，系统总动能为：,根据动能守恒：E2=E1,2.2负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,忽略中间传动机构的转动惯量,2.2负载

7、转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,3.飞轮转矩的折算,依据转动惯量与飞轮转矩的关系，得到折算到电机轴上的总的飞轮转矩为：,则多轴拖动系统的运动方程式为：,2.3机电传动系统的负载特性,在同一轴上，负载转矩和转速之间的函数关系，称为机电传动系统的负载特性，也就是生产机械的负载特性，也称为生产机械的机械特性。,1.恒转矩型负载特性,恒转矩型负载特性的特点是负载转矩为常数，根据其特点可分为反抗性转矩和位能性转矩两种。,2.3机电传动系统的负载特性,转矩大小恒定不变；,反抗性恒转矩负载,反抗性转矩也称摩擦转矩，是由摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩。,作用方向始终与速度n的方向相反，

8、当n的方向发生变化时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。,2.3机电传动系统的负载特性,位能性恒转矩负载,位能性转矩是由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩。,转矩大小恒定不变；,作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动，而在另一方向促进运动。,不难理解，在运动方程式中，反抗性转矩TL的符号总是与n相同；位能性转矩TL的符号则有时与n相同，有时与n相反。,2.3机电传动系统的负载特性,2.离心式通风机型负载特性,离心式通风机型负载是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩TL与速度n的平方成正比，即：,直线型负载的

9、负载转矩TL与速度n的大小成正比，即：,3.直线型负载特性,2.3机电传动系统的负载特性,4.恒功率型负载特性,恒功率型机械特性的负载转矩TL的大小与速度n的大小成反比，即其中：C为常数。,2.4机电传动系统稳定运行的条件,1.机电传动系统稳定运行的含义,系统应能以一定速度匀速运行；,系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。,必要条件：生产机械的机械特性曲线与电动机的机械特性曲线有交点，即TMTL。充分条件：扰动消除后仍能回到原来的平衡点。,2.机电传动系统稳定运行的条件,分析举例,a、b两点是否为稳定平衡点？,a点：

10、,当负载突然增加后,当负载波动消除后,故a点为系统的稳定平衡点。,同理b点不是稳定平衡点。,异步电动机的机械特性,生产机械的机械特性,交点a,交点b,2.4机电传动系统稳定运行的条件,2.4机电传动系统稳定运行的条件,稳定运行的充要条件是：,生产机械的机械特性曲线与电动机的机械特性曲线有交点；在平衡点对应的转速之上应保证TMTL。,2.4机电传动系统稳定运行的条件,如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点b，即拖动系统有一个平衡点。b点符合稳定运行的条件，因此b点为是稳定平衡点。此系统能在b点稳定运行。,第二章小结,1）掌握依据机电传动系统，写出其运动方程；2）对于多轴系统，要学会根据功率守恒和动能守恒，将负载转矩和转动惯量进行等效转换；3）掌握机械特性的概念，了解常见生产机械的几种机械特性；4）掌握机电传动系统稳定运行的条件；5）学会正确判定稳定平衡点。,练习题,1.机电系统稳定运行的必要条件是电动机的输出转矩和负载转矩a.大小相等b.方向相反c.大小相等，方向相反d.无法确定2.某机电系统中，电动机输出转矩大于负载转矩，则系统正处于a.加速b.减速c.匀速d.不确定