第1章电力拖动系统的动力学基础.ppt

1、第1章 电力拖动系统的动力学基础,1.1 电力拖动系统的组成,1.2 典型生产机械的运动形式,1.3 电力拖动系统的运动方程,1.4 多轴旋转系统的折算,1.5 平移运动系统的折算,1.6 升降运动系统的折算,返回主页,电机与拖动,1.1 电力拖动系统的组成,拖动：原动机带动生产机械运动。 电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。 1. 电力拖动系统的组成,电动机,2. 电力拖动系统的优点 (1) 电能易于生产、传输、分配。 (2) 电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满 足各种生产机械的不同要求。,第1 章 电力拖动系统的动力学基础,(3) 电动机损耗小、效率高、具有较大的短时 过载能力。

2、,(4) 电力拖动系统容易控制、操作简单、 便于实现自动化。 3. 应用举例 精密机床、重型铣床、 初轧机、 高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵,1.1 电力拖动系统的组成,1.2 典型生产机械的运动形式,1. 单轴旋转系统 电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件 均以同一转速旋转。,2. 多轴旋转系统,第1章 电力拖动系统的动力学基础,3. 多轴旋转运动加平移运动系统,4. 多轴旋转运动加升降运动系统,1.2 典型生产机械的运动形式,1.3 电力拖动系统的运动方程式,1. 单轴电力拖动系统的运动方程, J 转动惯量（kgm2） 旋转角加速度（rad/s2） 惯性转矩（Nm） T2 = TT

3、0 电动状态时，T0 与 T 方向相反，T20，T00。 制动状态下放重物时，T0 与 T 方向相同，T20，T00。,第1 章 电力拖动系统的动力学基础,电动状态,制动状态下放重物,正方向,1.3 电力拖动系统的运动方程式,忽略 T0 ，则,因为 J = m 2,旋转部分的 质量（kg）,回转半径 (m),回转直径 (m), 对于均匀实心圆柱体， 与几何半径 R 的关系为,1.3 电力拖动系统的运动方程式,忽略 T0 ，有,当 T2TL 时，,n ,加速的暂态过程。,当 T2 = TL 时，,稳定运行。,当 T2TL 时，,n,减速的暂态过程。,负载吸收 的功率,(1) T2 0 ， 电动机

4、输出机械功率 (2) T2 0 ， 电动机输入机械功率,2. 单轴电力拖动系统的功率平衡方程,电动机输 出的功率,系统动能,1.3 电力拖动系统的运动方程式,即 T2 与 方向相同。 电动状态。 即 T2 与 方向相反。 制动状态。,(3) TL 0， 负载从电动机吸收机械功率。 (4) TL 0， 负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。 (5) P2PL， (6) P2PL， 和 n 不能突变， 即系统不可能具有无穷大的功率。,1.3 电力拖动系统的运动方程式,即 TL 与 方向相反。 即 TL与 方向相同。 ，加速状态， ，减速状态，,系统动能增加。 系统动能减少。,1.4 多轴旋转系统的

5、折算,z1 z4 z5,z2 z3 z6,1. 等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。,第1 章 电力拖动系统的动力学基础,TLt = Tmm,传动机构的效率,传动机构的转速比,传动机构的总转速比 j = j1 j2 jm,1.4 多轴旋转系统的折算,常见传动机构的转速 比的计算公式： (1) 齿轮传动,(2) 皮带轮传动,(3) 蜗轮蜗杆传动,2. 等效转动惯量（飞轮矩）,等效（折算）原则：动能不变。 设各部分的转动惯量为：,1.4 多轴旋转系统的折算,JR,J1,J2,Jm,如果在电动机和工作机构之间总共还有 n 根中间轴， 则: j = j1 j2 jn jm,或:,GD2 =

6、4gJ,1.4 多轴旋转系统的折算,1.4 多轴旋转系统的折算,【例 1.1】 某车床电力拖动系统，传动机构为齿轮组（如图示），经两级减速后拖动车床的主轴，已知 n = 1 440 r/min ，切削力 F = 2 000 N，工件直径 d = 150 mm，各齿轮的齿数为 z1 = 15，z2 = 30，z3 = 30，z4 = 45，各部分的转动惯量 JR = 0.076 5 kgm2，J1 = 0.051 kgm2，Jm = 0.063 7 kgm2 。传动机构的传动效率 t = 0.9。求：(1) 切削功率 Pm 和切削转矩 Tm ； (2) 折算成单轴系统后的等效 TL、JL 和 G

7、D2 。 解： (1) 切削功率 Pm 和切削转矩 Tm,j = j1 jm = 21.5 = 3,(2) 折算成单轴系统后的等效 TL、JL 和 GD2,GD2 = 4gJ,= 49.810.096 3 Nm2 = 3.78 Nm2,目的 将平移作用力 Fm 折算为等效转矩 TL 。 将平移运动的质量 m 折算为等效 J 或 GD2 。 1. 等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。 TL t = Fmvm,1.5 平移运动系统的折算,作用力,平移速度,第1 章 电力拖动系统的动力学基础,电动机输出 的机械功率,切削功率,2. 等效转动惯量（飞轮矩） 等效（折算）原则：动能不变。 (1

8、) 平移运动折算成旋转运动,1.5 平移运动系统的折算,(2) 等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩,1.5 平移运动系统的折算,一般公式：,【例 1.2】 有一大型车床，传动机构如图示。已知： 刀架重： Gm = 1 500 N 移动速度：vm= 0.3 m/s 刀架与导轨之间的摩擦系数： = 0.1 电动机： n = 500 r/min， JM = 2.55 kgm2 齿轮1：z1 = 20，Jz1 = 0.102 kgm2 齿轮2：z2 = 50，Jz2 = 0.51 kgm2 齿轮3：z3 = 30，Jz3 = 0.255 kgm2 齿轮4：z4 = 60，Jz4 = 0.765 kgm2

9、传动机构：t = 0.8 求: 电动机轴上的等效 TL 和 J 。,解: (1) 等效TL 平移作用力 Fm = Gm = 0.11 500 N = 150 N,1.5 平移运动系统的折算,1.5 平移运动系统的折算,(2) 等效转动惯量J,JR = JMJz1 J1 = Jz2Jz3 J2 = Jz4,= (2.550.102) kgm2 = 2.652 kgm2 = (0.510.255) kgm2 = 0.765 kgm2 = 0.765 kgm2,= 0.005 02 kgm2,= 2.652 kgm2,1.5 平移运动系统的折算,电动机输出 的机械功率PL,工作机构的 机械功率Pm,

10、1.6 升降运动系统的折算,目的 将 Gm 折算为等效 TL。 将 m 折算为等效 J。 1. 等效负载转矩（升降力的折算） TL t = Gmvm,第1 章 电力拖动系统的动力学基础,提升重物时，Gm 是阻力，电动机工作在电动 状态，PLPm ；下放重物时，Gm 是动力， 电动机工作在制动状态，PLPm 。,传动效率：,1.6 升降运动系统的折算,则提升时 t1 ，下放时 t1。 2. 等效转动惯量（升降质量的折算） (1) 升降运动折算成旋转运动,(2) 等效单轴系统的转动惯量,第三节 生产机械的负载转矩特性,在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz 与转速 n 的关系 Tz=f(n)

11、即为生产机械的负载转矩特性,分为三大类,恒转矩负载的特点是负载转矩 Tz 与转速 n 无关，即当转速变化时，负载转矩 Tz 保持常值。又可分为： 1.反抗性,一、恒转矩负载特性,摩擦负载转矩,反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒值转矩 Tz 总是反对运动方向如金属的压延、机床的平移机构等,2.位能性,位能性恒转矩负载特性的特点是 转矩 Tz 具有固定的方向 不随转速方向改变而改变 如起重类型负载中的重物。,位能性负载转矩负载,二.通风机负载 通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比，即 Tz = K n2,此类负载有通风机、水泵、油泵等,三.恒功率负载,车床在粗加工时，切削量大，切

12、削阻力大，开低速；精加工时，切削量小，切削力小，开高速。负载转矩基本上与转速成正比，即,负载转矩 Tz 与 n 的特性曲线呈现恒功率的性质。,四.实际负载特性,实际生产机械的负载转矩特性是以上几种典型特性的综合。,1.实际通风机负载,实际通风机负载(图8 10）,2.机床刀架的平移,+ Ua ,+ Uf ,他 励,并 励,串 励,复 励,直流电动机按励磁方式分类,第四节电力拖动系统稳定运行的条件,一、他励直流电动机的机械特性 当 Ua、Ra、If = 常数时： n = f (T ),= n0 T = n0n,理想空 载转速, 机械特性的硬度,1. 固有特性,n0,N,nN,TN,M,nM,TM

13、,N 点：额定状态。 M 点：临界状态。 2. 人为特性 (1) 增加电枢电路电阻 时的人为特性,n0,Ra Ra,(RaRr) , , ,即机械特性变软。,(2) 降低电枢电压时的人为特性,n0,n0,Ua,n0,但、 不变,机械特性的硬度不变。,Ua Ua,(3) 减小励磁电流时的人为特性,n0,n0,If If,If ,n0 , 、 ,机械特性变软。,【例1.4.1】 一台他励直流电动机， PN = 10 kW， UaN = 220 V，IaN = 210 A，nN = 750 r/min ，求 (1) 固有特性；(2) 固有特性的斜率和硬度 。 解： (1) 固有特性 忽略 T0 ，则

14、,连接 n0 和 N ( TN，nN ) 两点即可得到固有特性。 (2) 固有特性的斜率和硬度 E = CE nN,= 0.254750 V = 190.5 V,二. 拖动系统稳定运行条件,工作点：,在电动机的机械特性与负载 的机械特性的交点上。,稳定运行:,即：TTL = 0,运动方程:,TTL 0,加速,TTL 0,减速,n = 常数,过渡过程:,a,干扰使 TL ,a 点:,n , T ,a, a点。, a 点。,n ,T ,干扰过后 TTL,T = TL,a,a,干扰使 TL ,a 点:,n T a点。,干扰过后 TTL n T T = TL a 点。,干扰使 TL ,T , a 点。

15、,T = TL,干扰过后 TTL, n , T ,T = TL a 点。,b 点:,干扰使 TL ,n n = 0,堵转。,T ,干扰过后 T TL ，不能运行。,b,b 点:,干扰使 TL n T n n = 0 堵转。,干扰过后 T TL ，不能运行。,干扰使 TL ,T , b 点。, n ,b,干扰过后 TTL,n T , a 点。,稳定运行的充分条件:,稳定运行点,不稳定 运行点,电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：,1、必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性开发利用在有交点，即存在：,2、充分条件：在交点处满足于：,电动机的自适应负载能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动 调整这种能力称为自适应负载能力。,自适应负载能力是电动机 区别于其他动力机械的重要 特点。 如:柴油机当负载增加时， 必须由操作者加大油门， 才能带动新的负载。,a 点TL,新的平衡,a点,a,TTL0,n,I2,T,I1P1,传 动 机 构,第1