1、电力拖动试谈电力拖动系统的动力学基础第1页n1 电力拖动系统在国民经济中应用n 在当代化工业生产和交通运输、科学研究等很多领域，绝大部分生产机械都是采取电动机作为原动机来拖动；n比如，各类机床设备、起重设备、电动车和纺织机械等。n电动机拖动生产机械运动系统称为电力拖动系统也称为电气传动系统。绪绪 论论2试谈电力拖动系统的动力学基础第2页n生产过程中完成加工、搬运等各项工作机械，统称为生产机械，比如，机床、泵、起重机、轧钢机和电机车等。n电动机及其控制设备以及生产机械组成成套装置，称为电力拖动装置，或电力拖动系统。n电动机是生产机械原动机。n然而，在一些情况下，电动机也起制动作用，把机械能转换成
2、电能，此时，我们称电动机运行在电磁制动状态。绪绪 论论3试谈电力拖动系统的动力学基础第3页n2、电力拖动系统发展n 电力拖动发展，大致上经历了成组拖动、单机拖动和多机拖动三个阶段。n成组拖动是用一台电动机拖动一根主轴，再由传动带或绳索分别拖动几台生产机械。效率很低，已不采取。n一台电动机拖动一台生产机械，从而降低了中间传动机构，提升了效率，并可充分利用电动机调速性能来满足生产机械工艺要求。绪绪 论论4试谈电力拖动系统的动力学基础第4页n当代化生产机械，大都采取多电动机拖动运动机构这种较复杂拖动方式，即用一台电动机来拖动生产机械中某一个部件。n因为采取多机拖动方式易于实现自动化生产，因n此，在当
3、代化电力拖动系统中大都采取多电动机拖动方式。n伴随电力电子技术快速发展和微计算机广泛应用使得多电动机拖动系统进入了一个新阶段。绪绪 论论5试谈电力拖动系统的动力学基础第5页n 电力拖动系统分类和特点n分直流电力拖动系统和交流电力拖动系统。n以直流电动机作为原动机称为直流电力拖动系统；n以交流电动机作为原动机称为交流电力拖动系统。绪绪 论论6试谈电力拖动系统的动力学基础第6页n直流电力拖动系统优点：n含有起动转矩大、可在较大范围内实现速度平滑调整和易于控制等。n直流电力拖动系统缺点：n直流电动机含有换向器和电刷装置，限制了电动机向高速和大容量方而发展，而且也不能直接用于易燃、易爆等工业场所。绪绪
4、 论论7试谈电力拖动系统的动力学基础第7页n对于交流电力拖动系统，因为交流异步电动机含有结构简单、维修方便，且能在环境条件较恶劣场所下运行，所以交流电力拖动系统在工农业生产中得到广泛应用。n不过，因为交流电力拖动在调速性能等指标上还不能完全赶上直流电力拖动，所以，在要求很高调速系统中，交流电力拖动仍受到一定限制。绪绪 论论8试谈电力拖动系统的动力学基础第8页n主要内容：n电力拖动系统运动方程式，电力拖动系统组成，电力拖动系统运动方程式，运动方程中各物理量正负号标注要求，工作机构转矩和飞轮矩折算，旋转运动，平移运动，升降运动，生产机械经典负载转矩特征，恒转矩负载特征，恒功率负载特征，通风机型负载
5、特征，传动损耗和传动效率。n重点与难点n工作机构转矩和飞轮矩折算第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础9试谈电力拖动系统的动力学基础第9页n1.1 电力拖动系统运动方程式n 1.1.1 电力施动系统组成 n 电力拖动系统是由电动机、生产机械、传动机构、控制设备和电源等五大部分组成。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础10试谈电力拖动系统的动力学基础第10页n1.1.2 电力拖动系统运动方程式n1.1.2.1 直线运动方程 依据牛顿第二定律，质点运动方程式为n fman f作用在质点上全部外力协力；n m质点质量；n a质点加速度。n 第一章第一章 电力
6、拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础11试谈电力拖动系统的动力学基础第11页n 在电力拖动装置中，有很多部件是做直线运动，比如起重机吊钩、机床工作台、电梯升降室以及直线电动机等。这些部件直线运动能够看作是刚体直线运动，而刚体直线运动方程式与质点运动方程式含有相同形式。n从电力拖动过程考虑，可把作用在直线运动部件上外力分为拖动力和静负载力两部分。于n是，可得出直线运动方程式第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础12试谈电力拖动系统的动力学基础第12页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础13试谈电力拖动系统的动力学基础第13页n 1.1.2.2 单轴旋
7、转系统运动方程式 n在电力拖动系统中，存在着大量绕固定轴旋转部件，比如旋转电动机、齿轮和各种做旋转运动工作机构等。n依据物理学中刚体转动定律来分济和描述这些旋转部件运动规律。n首先来分析经典单轴旋转系统。n所谓单轴旋转系统是指，在电力拖动装置中没有传动机构，n其运动系统只有同一个转速旋转系统，通常简称为单轴系统.第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础14试谈电力拖动系统的动力学基础第14页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础15试谈电力拖动系统的动力学基础第15页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础16试谈电力拖动系统的动力学基础
8、第16页n可将旋转工作机械等效为一实圆柱体，于是上式中转动惯量J可用下式表示第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础17试谈电力拖动系统的动力学基础第17页n 在式中，GD2称为飞轮矩(Nm2)。它是实际工程中用来描述旋转物体惯性物理量。GD2看成是一个不可分整体符号。n 因为在实际工程上是用转速n而不是用角速度愿来描述电视转速，所以，还需把式化成工程上实用形式。现将2n60代入式，可得实用电力拖动系统运动方程式第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础18试谈电力拖动系统的动力学基础第18页n 由式，电动机工作状态可由运动方程表示出来。当MML时n0或n常值
9、，即电动机静止或等速旋转，拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态；n当M ML时，n0，电动机加速;n当M ML时，n0，电动机减速。不论加速还是减速，因为拖动系统运动均处于过渡过程之中，所以称之为动态.第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础19试谈电力拖动系统的动力学基础第19页n 1.1.3 运动方程中各物理量正负号标注要求n 通常，在确定运动方程中各量正方向时，往往以电动机转速n为参考。首先确定M正方向。转速正方向选取是任意，顺时针方向或逆时针方向均可定义为正方向。n在实际工程上，习惯于把提升装置提升重物时转速方向定义为正方向；把机床对应于进给切削方向转速定义为正方向。一
10、旦转速正方向确定下来，转矩正方向可按以下则确定：第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础20试谈电力拖动系统的动力学基础第20页n(1)电动机(电磁)转矩M正方向与转速正方向相同n(2)静负载转矩ML正方向与转速正方向相反。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础21试谈电力拖动系统的动力学基础第21页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础22试谈电力拖动系统的动力学基础第22页n1.2 工作机构转矩和飞轮矩折算n在实际拖动系统中，电动机轴往往不与工作机构轴直接连接，而是经过传动机构与工作机构轴连接，方便实现电动机转速与工作机构转速匹配。
11、因为这类拖动系统含有两根或两根以上不一样转速轴，所以称为多袖旋转系统，简称多袖系统。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础23试谈电力拖动系统的动力学基础第23页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础24试谈电力拖动系统的动力学基础第24页n图给出了一个三轴拖动系统及其等效单轴拖动系统。该拖动系统传动机构为两级齿轮减速机构，其减速比分别为j1、j2，传动效率分别为1、2，三根转轴转速分别为n,n1,nm，三根轴上转矩和飞轮矩也不相同。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础25试谈电力拖动系统的动力学基础第25页n 1.2.1 旋转运动
12、n 在实际生产中有许多生产机械工作机构运动属于旋转运动。n介绍旋转运动时转矩和飞轮矩折算。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础26试谈电力拖动系统的动力学基础第26页27试谈电力拖动系统的动力学基础第27页n 实际上，在多轴拖动系统机械功率传递过程中，传动机构存在功率损耗，即传动损耗。这部分损耗是由电动机负担，所以，电动机输出机械功率比生产机械消耗功率大。这部分损耗能够用传动机构效率c来描述。于是，有第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础28试谈电力拖动系统的动力学基础第28页n电动机轴与工作机构轴转速比j为总转速比，在多级传动机构中应为各级转速比之积
13、，即jj1j2；n传动效率c 也一样是传动机构总效率，为各级传动效率之积，即c 1 2 。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础29试谈电力拖动系统的动力学基础第29页n 1.2.1.2 飞轮矩折算 n飞轮矩大小是旋转工作机构机械惯性表达。旋转体动能为专1/2 J2，如令J代表多轴系统折算成单轴系统后等效转动惯量，依据折算前后系统贮存动能不变标准，有第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础30试谈电力拖动系统的动力学基础第30页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础31试谈电力拖动系统的动力学基础第31页n 1.2.2平移运动n 在实际
14、生产中。有相当一部分生产机械工作机构作平移运动，比如龙门刨床工作台。因为平移运动属于直线运动，所以，其转矩和飞轮矩折算公式与上述旋转运动有所不一样。图给出了刨床传动示意图。n平移运动转矩折算和飞轮矩折算。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础32试谈电力拖动系统的动力学基础第32页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础33试谈电力拖动系统的动力学基础第33页34试谈电力拖动系统的动力学基础第34页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础35试谈电力拖动系统的动力学基础第35页n 1.2.3升降运动n 有些生产机械工作机构是作升降运动，如
15、起重机和电梯等。即使升降运动和平移运动同属于直线运动，但它含有不一样于平移运动特点。现以图所表示起重机提升机构为例来进行讨论。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础36试谈电力拖动系统的动力学基础第36页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础37试谈电力拖动系统的动力学基础第37页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础38试谈电力拖动系统的动力学基础第38页n 2下放重物 n 下放重物时，重物对卷筒釉负载转矩大小仍为GR及。在不计传动机构损耗时，折算到电动机釉上负载转矩仍可用上式描述。但在下放重物时，是重物(负载)带动电动机，重力作用
16、拉着整个系统反方向运动。此 时，电动机电磁转矩起制动作用，即妨碍系统运动。这时，假如考虑传动机构损耗，很显著，这部分损耗是由负载来负担。于是如仍用传动机构效率来描述传动机构损耗话，则下放重物时折算到电动机袖上负载转矩应为第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础39试谈电力拖动系统的动力学基础第39页n 1.2.3.2 飞轮矩折算 n因为升降运动和平移运动同届于直线运动，所以，升降运动飞轮矩折算与平移运动飞轮矩折算方法相同。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础40试谈电力拖动系统的动力学基础第40页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础
17、41试谈电力拖动系统的动力学基础第41页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础42试谈电力拖动系统的动力学基础第42页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础43试谈电力拖动系统的动力学基础第43页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础44试谈电力拖动系统的动力学基础第44页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础45试谈电力拖动系统的动力学基础第45页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础46试谈电力拖动系统的动力学基础第46页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础47试谈电力
18、拖动系统的动力学基础第47页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础48试谈电力拖动系统的动力学基础第48页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础49试谈电力拖动系统的动力学基础第49页n1.3 生产机械经典负载转矩特征n分析电力拖动系统动力学关系，必须了解静负裁转矩，而静负裁转矩是由生产机械决定。n为了方便分析问题，通常按照生产机械负载转矩与转速关系将生产机械进行分类。n依据统计，大多数生产机械负载转矩特征可归纳为:恒转矩负载特征、恒功率负载转矩特征和通风机型负裁特征三大类。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础50试谈电力拖动系统的
19、动力学基础第50页n1.3.1 恒转短负载特征n所谓恒转短负载特征是指负载转矩ML与转速n无关特征，即当转速改变时，负裁转矩ML保持常值。n恒转矩负裁可深入分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负裁两大类。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础51试谈电力拖动系统的动力学基础第51页n 1.3.1.1 反抗性值转矩负载 n反抗性值转矩负裁特征特点是恒值转矩ML总是与运动方向相反。n对于反抗性恒转矩负裁，当转速n为正向时，ML也为正向，当n为负方向时，ML也改变方向，变为负值，如图所表示。n反抗性恒转矩负载转矩特征应画在第I象限和第象限内。n压延机构、机床平移机构和电车平道行驶等
20、。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础52试谈电力拖动系统的动力学基础第52页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础53试谈电力拖动系统的动力学基础第53页n1.3.1.2 位能性恒转矩负载 n静负裁转矩方向不随转速方向改变而改变负裁称为位能性恒转矩负裁，如起重机提升装置中由重物产生静负载就是位能性负裁。如图所表示n不论提升重物(n正)或是下放重物n为负)，负裁转矩一直是反方向，即ML一直为正，特征画在第I象限和第象限内，表示特征直线是连续。n注意：提升时，转矩ML是反对提升，下放时，ML却是帮助下放。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动
21、力学基础54试谈电力拖动系统的动力学基础第54页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础55试谈电力拖动系统的动力学基础第55页n1.3.2 恒功率负载特征n负载功率PL为一常值，负裁转矩ML与转速n成反比负裁称为恒功率负载。n如机床在加工工件过程中，初加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速，精加工时，切削量小，往往开高速。所以，在不一样转速下，负裁转矩基本上与转速成反比，即MLK/n，其切削功率PL 为n 第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础56试谈电力拖动系统的动力学基础第56页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础57试谈电力
22、拖动系统的动力学基础第57页n 1.3.3 通风机型负载特征n静负载转矩基本上与转速二次方成正比改变负裁称为通风机型负载，这类负裁转短与转速关系可描述为:n MLa+bn2n式中，a表示轴承摩擦转矩nb是负载转矩中随速度改变部分百分比系数，对于确定生产机械来说a和b都是常量。通风机型负裁特征如图所表示。n通风机负裁生产机械有：通风机、水泵、油泵等。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础58试谈电力拖动系统的动力学基础第58页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础59试谈电力拖动系统的动力学基础第59页n1.4 传动损耗和传动效率n 1.4.1 传动损耗功
23、率和传动损耗转矩n 通常，传动机构工作时，因为存在摩擦、钢绳弯曲或皮带弯曲等原因，在传动机构上将损耗掉一部分被传递功率，存在着传动损耗。n 在生产机械中，齿轮是应用最为普遍一个传动机构。齿轮工作时，齿轮啮合处等部分存在损耗功率，在每根轴上存在损耗转矩。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础60试谈电力拖动系统的动力学基础第60页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础61试谈电力拖动系统的动力学基础第61页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础62试谈电力拖动系统的动力学基础第62页n 1.4.2 传动效率与输出转矩关系n 在工程计算中
24、，传动损耗是用传动效率来描述，而传动效率与传动机构结构型式、装配情况、润滑条件以及负载大小相关。一旦传动机构本身条件确定，则传动机构效率便仅取决于负载大小。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础63试谈电力拖动系统的动力学基础第63页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础64试谈电力拖动系统的动力学基础第64页n上式表明了传动效率与输出转矩MLn关系，其描绘效率曲线如图所表示。nN表示额定效率，是输出转矩为额定n值时效率，由上式得第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础65试谈电力拖动系统的动力学基础第65页第一章第一章 电力拖动系统动
25、力学基础电力拖动系统动力学基础66试谈电力拖动系统的动力学基础第66页n1.4.3 提升装置传动效率确实定方法n提升装置传动机构普通由齿轮和卷简钢绳组成，传动效率等于齿轮效率与卷简钢绳效率乘积。效率曲线仍符合图所描述规律，只是把横坐标输出转矩相对值换成起重量相对值便可。起重量相对值等于起重量G与最大起重量GN之比。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础67试谈电力拖动系统的动力学基础第67页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础68试谈电力拖动系统的动力学基础第68页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础69试谈电力拖动系统的动力学基
26、础第69页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础70试谈电力拖动系统的动力学基础第70页n 本章介绍了电力拖动动力学基础。n研究电力拖动系统静态特征和过渡过程所必备基础知识，最基本是牛顿第二运动定律和能量守恒定律。n依据上述定律得出直线运动方程和旋转运动方程，揭示了动负载力(转矩)和力(转矩)动态平衡关系。n在运动方程式中，转矩是有方向量，用转矩前面正负号表示。我们把与转速方向相同转矩称为驱动转矩，把与转速方向相反转矩称为阻转矩。电动机负载一样既能够是消耗功率，也能够是提供功率。小小 结结71试谈电力拖动系统的动力学基础第71页n驱动转矩、负载转矩和系统转速三者之间关系，当
27、电动机转矩同静负载转矩相平衡时，运动系统处于稳态(静态)，当电动机转矩与静负载转矩不平衡时，运动系统处于动态，电动机转矩同静负载转矩与动负载转矩代数和相平衡。n 实际电力拖动系统多数是较复杂多轴系统，或是现有旋转运动又有直线运动复合运动系统，通常要把这些系统等效成经典单轴拖动系统。将负载转矩和飞轮矩向电动机轴上进行折算。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础72试谈电力拖动系统的动力学基础第72页n 在工程计算时，传动损耗是用传动效率来考虑。传动效率定义为传动机构输出功率与输入功串之比。n 生产机械种类很多，通常按照生产机械负载转矩与转速关系将生产机械分为恒转短负载、恒功率负载相通风机型负载三大类。第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础73试谈电力拖动系统的动力学基础第73页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础74试谈电力拖动系统的动力学基础第74页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础75试谈电力拖动系统的动力学基础第75页第一章第一章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础76试谈电力拖动系统的动力学基础第76页
