第二章电力拖动系统的动力学(上交).ppt

1、第二章电力拖动系统的动力学Dynamics of Electric Drive Systems,本章教学基本要求,1.了解电力拖动基本概念； 2.熟悉电力拖动系统运动方程式； 3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。 重点： 运动方程式和负载转矩。,2.1典型生产机械的运动形式及转矩,2.1.1电力拖动系统的基本概念 1.电力拖动 拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动。 电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负 载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电 力拖动。 2.电力拖动系统：用电动机将电能转换成机械能，拖动 生产机械，并完成一定工艺要求的系统。,2.电力拖动系统组成,图2-1 电力拖动系统,采用

2、电力拖动主要原因,现代化生产中，多数生产机械都采用电 力拖动，主要原因是 ： 1. 电能的运输、分配、控制方便经济。 2. 电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。 3. 电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。,2.1.2典型生产机械运动形式及转矩,电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可折 算成单轴）。 运动形式：旋转、平移、升降。 机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。,2.2单轴电力拖动系统运动方程式,单轴：生产机械与电动机同轴，即: 2.2.1 单轴电力拖动系统运动方程式 由牛顿第二定律可知作直线运动的物体存在：,转

3、动方程式,同理，对于作旋转运动的物体： （2-1） J为电动机轴上总转动惯量单位kgm2,实用公式,将运动方程式中，转动惯量 J 用飞轮矩 GD2表示，角速度 用转速 n 表示，由于J与 GD2的关系为 （2-2） 所以 （2-3）,说明,GD2是一个整体，不是G与D2 的乘积， GD2 由产品样本或机械手册上查出。 GD2 中 的 D 为回转直径，不是实际直径。关于 或 D 的物理概念可参见课本。,运动方程式的分析,各转矩正方向的规定： n的正方向：假设为顺时针； T的正方向：当T与 n（+）相同时为正； TL的正方向：当TL 与n（+）方向相反时为 正； 惯性转矩 Tg的方向：由 T 与

4、TL的代数和来决 定。,各量表示法,上述各量可用轴的剖面图(a)或直角坐标系 来表示(b)，如下图所示。,2.3多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩折算,工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输 出功率一定时，即P=T=常数，当 T ， 由于T=CTIa ，则 Ia 和 ， Ia 导线 粗； 铁磁材料多。 一般设计电动机速度高，通过提高 降低 T , 节省材料。 生产机械要求低速，而电动机设计的转速较 高，二者之间必有减速装置，故一般电力拖动系统 多为多轴拖动系统。,2.3.1多轴系统,2.3.2多轴系统折算,分析多轴系统采用的方法是：用一个等 效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这 种方法称为“折算

5、”。 折算原则：折算前后系统传递功率不 变，系统的动能不变。 折算方向：一般是从生产机械轴向电动 机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电 动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原 则，高速轴上的负载转矩数值小。,2.4负载的机械特性,负载的机械特性是指生产机械的转矩与 转速之间的关系即：n=f(TL) 2.4.1恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大 小与转速n无关。 恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能 性负载特性。,1.反抗性恒转矩负载特性,特点：恒值负载转矩TL总是与转速n的方向相 反，即作用方向总是阻碍运动方向。 当正转时n为正， TL与n方向相反，应为 正，即在第一象限 当反

6、转时n为负， TL与n方向相反，应为 负，即在第三象限。,反抗性恒转矩负载,当转速n=0时，外加 转矩不足以使系统运动。 根据作用力与 反作用力原 理，这时反抗力负载转矩 大小和方向取决于外加转 矩的大小和方向。即与外 加转矩大小相等，方向相 反。负载转矩特性应与横 轴重合。例如轧机，机床 刀架平移机构等。,2.位能性恒转矩负载特性,特点： TL的方向与n的方向无关。 TL具有固 定不变的方向。 例如：起重机的提升机构，不论是提升重物 还是下放重物，重力的作用总是方向朝下 的，即重力产生的负载转矩方向固定。,位能性恒转矩负载,例如：起重机的提升 机构，不论是提升重物 还是下放重物，重力的 作用

7、总是方向朝下的。 即重力产生的负载转矩 方向固定不变，故在第 一和第四象限。,2.4.2. 恒功率负载转矩特性,特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。 根据 例如：车床的主轴机构和轧钢机的主传动。,恒功率负载转矩,适用金属切削车 床。 粗加工时，n 低，T 大； 精加工 时，n 高， T小。,2.4.3风机泵类负载,阻力与转速平方成 正比，即有： 如水泵，油泵等， 如图所示，虚线是在考 虑了轴承上的摩擦转矩 后得出的实际鼓风机负 载转矩。,.电力拖动系统稳定运行的条件,稳定运行的概念：当 T=TL ， n=f(T)与 n=f(TL) 有交点称静态平衡，这是稳定运行的必要条件 T=TL是平衡稳

8、定运行的一个必要条件。在电力 拖动中，为使问 题简化均忽略即 T00,T=T2=TL 。,问题,问：有了交点是否平衡了即为稳定运行? 答:(1)要看系统出现干扰后在新的条件下 能否平衡。(2)干扰消失后，能否回到原 来的平衡点。如果能满足以上两条件， 即为稳定运行。,例1.电网电压波动,分析,系统原工作在平衡点A，这时电网电压 向下波动，从 UN 降到U，在此瞬间由于机械 惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点。 负载转矩TL 没变，则 UNIaTTTL 破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系 统沿BA特性减速，nEaIaT到 A点, TA=TL达到新的平衡状态。,电压扰动消失后分析,在扰动

9、消失后， U1 (U=UN)IaTTTL 从B点过渡到C点， TL 没变， TTL系统加速。 nEaIaT 系统沿CA特性加速到A点， n=nN时， T=TL ，达到原来平衡点A。 说明： 当UUN ，负载不变时，他励直流电动机能达到 新的平衡(A点)，在干扰消失后，能回到原来的平衡点 (A点)，所以能稳定运行。,讨论稳定运行示意图,平衡稳定运行充要条件,平衡稳定运行的充要条件为： 1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在 交点处T=TL 处，实现了转矩平衡。 2.在交点处有,本章小结,电力拖动系统由电动机、传动机构、生 产机械、控制设备等组成，它的运行状态与 电动机机械特性及负载特性有关。电动机的 典型负载