电力拖动基础-课件-孙克军ppt.ppt

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1、1 本章主要介绍电力拖动系统的构成、本章主要介绍电力拖动系统的构成、电力拖动系统的运动方程式、生产机械的电力拖动系统的运动方程式、生产机械的负载转矩特性以及电力拖动系统稳定运行负载转矩特性以及电力拖动系统稳定运行的条件。的条件。2 .电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成电力拖动系统电力拖动系统，是指以电动机作为原动机拖动生产机械完是指以电动机作为原动机拖动生产机械完成一定工艺要求的系统。电力拖动系统通常由电动机、传成一定工艺要求的系统。电力拖动系统通常由电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源等动机构、生产机械、控制设备和电源等5 5部分组成。部分组成。 图1-1电力拖动系统组成框图在许多情

2、况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构给生产机械的工作机构 31.2 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式2.1.1 2.1.1 单轴系统的运动方程式单轴系统的运动方程式 图1-2单轴电力拖动系统 图中：图中：eT为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩 n为电动机的转速为电动机的转速 LT为负载转矩为负载转矩 ( (注意注意: :20LTTT) )4224GDJmg 根据刚体转动定律根据刚

3、体转动定律 ，可写出单轴系统的运动方程式：，可写出单轴系统的运动方程式：dtdJTTLe 式中式中: :J J _转动部分的转动惯量转动部分的转动惯量 , (, (包括电动机的转包括电动机的转动惯量和生产机械的转动惯量，单位为动惯量和生产机械的转动惯量，单位为kg.mkg.m2 2 ) ) _为电动机的机械角速度为电动机的机械角速度(单位为单位为rad/s)。 2GD在工程中，系统的惯性作用常用飞轮矩在工程中，系统的惯性作用常用飞轮矩 来表示来表示为电动机转子与生产机械转动部分的飞轮矩之和为电动机转子与生产机械转动部分的飞轮矩之和 （单位：（单位：Nm2) )2GD5(2)如果从产品目录中查出

4、的飞轮矩的单位是如果从产品目录中查出的飞轮矩的单位是2kgm,则需乘以则需乘以9.89.8。260n 又因为又因为所以所以, 单轴系统运动方程式的实用形式：单轴系统运动方程式的实用形式：dtdnGDTTLe3752注意：注意：(1)GD(1)GD2 2是表征转动系统惯性的完整概念，不能简单地理是表征转动系统惯性的完整概念，不能简单地理解为两者的乘积。解为两者的乘积。6由运动方程式可知，系统有的由运动方程式可知，系统有的三种运行状态三种运行状态1)1)当当 时时 时时, ,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态，即处运行状态，即处于稳态。于稳态。0dtdnLeTT 2)2)当当 时时

5、时时, ,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于暂态。运行状态，即处于暂态。0dtdnLeTT 3)3)当当 时时 时时, ,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于暂态。运行状态，即处于暂态。0dtdnLeTT 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，而系统的电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，而系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。7注意：注意：运动方程式针对的是单轴拖动系统，对于运动方程式针对的是单轴拖动系统，对于多轴拖动系统，多轴拖动系统，要将多轴系统等效为一单轴系统要将多轴系统等效为一单轴系统 。运动方程式中转矩正

6、、负号的规定运动方程式中转矩正、负号的规定 首先确定电动机某一电动状态时转速的方向为系统旋转正首先确定电动机某一电动状态时转速的方向为系统旋转正方向，然后规定：方向，然后规定：（1 1）电磁转矩）电磁转矩 与转速与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。的正方向相同时为正，相反时为负。neT（2 2）负载转矩）负载转矩 与转速与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。的正方向相同时为负，相反时为正。nLT82.1.2 2.1.2 多轴电力拖动系统的等效多轴电力拖动系统的等效 图1-3多轴电力拖动系统 9折算原则：折算原则：折算前后系统所传送的功率及所储存的动能不折算前后系统所传送的功率及所储存的动

7、能不变。变。折算包括：折算包括：负载转矩的折算和飞轮矩的折算负载转矩的折算和飞轮矩的折算负载转矩的折算是从系统已知的实际负载转矩计算出负载转矩的折算是从系统已知的实际负载转矩计算出折算到电动机轴上的等效负载转矩。折算到电动机轴上的等效负载转矩。飞轮矩的折算是从已知的各传动轴上的飞轮矩计算飞轮矩的折算是从已知的各传动轴上的飞轮矩计算出折算到电动轴上的总飞轮矩。出折算到电动轴上的总飞轮矩。由于这两种折算随生产机械工作机构运动形式的不由于这两种折算随生产机械工作机构运动形式的不同而不同，下面分三种情况来进行讨论。同而不同，下面分三种情况来进行讨论。10 (1)(1)负载转矩的折算负载转矩的折算1.

8、.工作机构旋转运动时转矩与飞轮矩的折算工作机构旋转运动时转矩与飞轮矩的折算 Ln，转速为，转速为 设图设图1-3a)1-3a)中工作机构中工作机构的实的实际负载转矩为际负载转矩为 LT相应的角速度相应的角速度 2/60LLn ，则工作机构的功率则工作机构的功率LPLLLPT (1-5) 设折算到电动机轴上的负载转矩为设折算到电动机轴上的负载转矩为 LT，电动机轴的转速为电动机轴的转速为 n，相应的角速度为，相应的角速度为，则折算到电动机轴上的功率为则折算到电动机轴上的功率为 PL为为LLPT(1-6) 11若忽略传动机构的功率损耗，按照折算前、后功率不若忽略传动机构的功率损耗，按照折算前、后功

9、率不变的原则，于是有变的原则，于是有 (1-8) LLLLLPTPT (1-7) 则折算后的负载转矩则折算后的负载转矩LT为：为： LLLLLLnTTTTnj式中，式中， /LLjn n ，为传动机构的总转速比。，为传动机构的总转速比。 在多级传动机构中，它等于各级传动轴转速比的乘积，即在多级传动机构中，它等于各级传动轴转速比的乘积，即 12njjjj12实际上，在机械功率的传递过程中，传动机构存在着功实际上，在机械功率的传递过程中，传动机构存在着功率损耗，称为传动损耗。率损耗，称为传动损耗。传动损耗可以用传动机构的效率传动损耗可以用传动机构的效率来描述。来描述。 传动损耗到底是由电动机承担还

10、是由生产机械承担，取决于传动损耗到底是由电动机承担还是由生产机械承担，取决于功率传递的方向。功率传递的方向。当电动机工作在电动状态时当电动机工作在电动状态时，功率传递方向是从电动机流向，功率传递方向是从电动机流向生产机械，传动损耗由电动机承担。此时，按照折算前、后传递生产机械，传动损耗由电动机承担。此时，按照折算前、后传递功率不变的原则，折算后的负载转矩为：功率不变的原则，折算后的负载转矩为：LLLLTTTj(1-10)(1-10) 13当电动机工作在发电制动状态时当电动机工作在发电制动状态时，功率传递方向是由生产机，功率传递方向是由生产机械流向电动机，此时传动损耗由生产机械承担。按照折算前、

11、后械流向电动机，此时传动损耗由生产机械承担。按照折算前、后传递功率不变的原则，折算后的负载转矩为：传递功率不变的原则，折算后的负载转矩为：(1-12)(1-12) LLLLTTTj注意，式注意，式(1-10) (1-10) 和式和式(1-12)(1-12)中，中，为传动机构的总效率。为传动机构的总效率。 14 （2）飞轮矩的折算 设图设图1-3a)1-3a)中电动机轴上的转动惯量为中电动机轴上的转动惯量为 dJ第二根轴的转动惯量为第二根轴的转动惯量为 1J工作机构转轴工作机构转轴的转动惯量为的转动惯量为 LJ折算到电动机轴上的等效转动惯量为折算到电动机轴上的等效转动惯量为 J按照折算前后系统储

12、存动能不变的原则，有：按照折算前后系统储存动能不变的原则，有： 22221111112222dLLJJJJ 所以，折算后的等效转动惯量所以，折算后的等效转动惯量J为：为：12211 2()LdJJJJjj j15式中，式中，代入上式，可得到等效的单轴飞轮矩代入上式，可得到等效的单轴飞轮矩GD2 为：为：将将24G DJg222212211 2()LdGDGDGDGDjj j (1-16) 是电动机转子的飞轮矩与装在该轴上的齿轮飞轮矩之和；是电动机转子的飞轮矩与装在该轴上的齿轮飞轮矩之和； 2dGD21GD为第二根轴上两个齿轮飞轮矩之和；为第二根轴上两个齿轮飞轮矩之和； 2LGD为第三根轴上工作

13、机构飞轮矩与该轴齿轮飞轮矩之和。为第三根轴上工作机构飞轮矩与该轴齿轮飞轮矩之和。 由式由式(1-16)(1-16)可知，各级飞轮矩折算到电动机轴上时，应可知，各级飞轮矩折算到电动机轴上时，应除以电动机与该级之间转速比的平方。因此，飞轮矩折算的除以电动机与该级之间转速比的平方。因此，飞轮矩折算的一般形式为：一般形式为：222222123222211 21 23()()LdGDGDGDGDGDGDjj jj j jj162.工作机构平移运动时转矩与飞轮矩的折算图图1-4 龙门刨床传动机构示意图龙门刨床传动机构示意图 17 (1)(1)负载转矩的折算负载转矩的折算设切削时图设切削时图1-41-4中工

14、作台与工件的平移速度为中工作台与工件的平移速度为v( (单位为单位为m/s) ,) ,工作机构做平移运动时受到的阻力（切削力）工作机构做平移运动时受到的阻力（切削力）F F为为( (单位为单位为N)N)，则切削功率，则切削功率( (单位为单位为W)W)为为 PFv依据折算前、后功率不变的原则，若不考虑传动损耗，则有：依据折算前、后功率不变的原则，若不考虑传动损耗，则有：LFvT 于是，于是，9.552/60LFvFvFvTnn当考虑传动损耗时当考虑传动损耗时, , 9.55LFvTn18 (2)(2)飞轮矩的折算飞轮矩的折算 设平移物体折算至电动机轴上的转动惯量为设平移物体折算至电动机轴上的转

15、动惯量为 于是，平移物体折算到电动机轴上的飞轮矩为：于是，平移物体折算到电动机轴上的飞轮矩为： 设设作平移运动的物体总质量为作平移运动的物体总质量为Lm，其重量，其重量 LLGm g，所产生的动能为，所产生的动能为 221122LLGm vvgLJ，则：，则： 221122LLm vJ222365LLG vGDn193.工作机构做升降运动时转矩与飞轮矩的折算工作机构做升降运动时转矩与飞轮矩的折算 图图1-5 起重机电力拖动示意图起重机电力拖动示意图20 (1)(1)负载转矩的折算负载转矩的折算由于负载转矩的折算与功率传递方向密切相关，因由于负载转矩的折算与功率传递方向密切相关，因此，提升重物和

16、下放重物时负载转矩的折算值不同，需此，提升重物和下放重物时负载转矩的折算值不同，需分别进行分析。分别进行分析。 假设重物的重量为假设重物的重量为G=mg，提升重物和下放重物时的速，提升重物和下放重物时的速度均为度均为v，卷筒半径为，卷筒半径为R，总转速比为，总转速比为j。当考虑传动损耗时当考虑传动损耗时, , 提升重物提升重物 提升重物时，作用在卷筒轴上的负载转矩为提升重物时，作用在卷筒轴上的负载转矩为GR,若不计传动若不计传动机构损耗机构损耗,则折算到电动机轴上的负载转矩则折算到电动机轴上的负载转矩TL为：为：LGRTjccLnGvjGRT55. 921当考虑传动损耗时当考虑传动损耗时, ,

17、 下放重物下放重物 下放重物时，作用在卷筒轴上的负载转矩仍为下放重物时，作用在卷筒轴上的负载转矩仍为GR，若不计传动若不计传动机构损耗，则折算到电动机轴上的负载转矩机构损耗，则折算到电动机轴上的负载转矩TL仍为：仍为：LGRTjccLnGvjGRT55. 9cc12当对同一重物提升和下放时，可认为传动机构的损耗相等，则当对同一重物提升和下放时，可认为传动机构的损耗相等，则 22 (2)(2)飞轮矩的折算飞轮矩的折算由于升降运动和平移运动都属于直线运动，所以其飞轮矩的由于升降运动和平移运动都属于直线运动，所以其飞轮矩的折算方法与平移运动相同。折算方法与平移运动相同。 例例1-21-2 由电动机与

18、卷扬机组成的拖动系统如图由电动机与卷扬机组成的拖动系统如图1-51-5所示。设重物所示。设重物G=5000NG=5000N，当电动机的转速为，当电动机的转速为1000 / minnr时，重物的上升速度时，重物的上升速度为为 2/vm s，电动机转子的转动惯量为，电动机转子的转动惯量为 224 .78mNGDd， 卷筒直径卷筒直径 0.5FDm， 卷筒的转动惯量卷筒的转动惯量 2248.74mNGDF， 减速机构的转动惯量和钢绳质量可以忽略不计，传动机构的效率减速机构的转动惯量和钢绳质量可以忽略不计，传动机构的效率 c0.95。试求：。试求： (1)(1)使重物匀速上升时电动机转子轴上的输出转矩

19、；使重物匀速上升时电动机转子轴上的输出转矩；(2)(2)整个系统整个系统折算到电动机轴上的总飞轮矩；折算到电动机轴上的总飞轮矩；(3) (3) 使重物以使重物以m/s2的加速度上升的加速度上升时电动机转子轴上的输出转矩。时电动机转子轴上的输出转矩。 23解：解：(1) (1) 当重物匀速上升时，电动机转子轴上的输出转矩与折当重物匀速上升时，电动机转子轴上的输出转矩与折算到电动机轴上的负载转矩相等。按照功率传递方向，于是有算到电动机轴上的负载转矩相等。按照功率传递方向，于是有500029.559.55100.510000.95LcGvTNmn(2) (2) 根据题意，卷筒的转速为根据题意，卷筒的

20、转速为6060276.43 / min0.5FFvnrD由于传动机构的总转速比由于传动机构的总转速比j为为084.1343.761000Fnnj24所以折算到电动机转子轴上的总飞轮矩为：所以折算到电动机转子轴上的总飞轮矩为：222222222236574.485000278.436513.084100086.135FdGDGvGDGDjnNm(3) (3) 考虑到电动机的转速与提升重物速度之间的关系考虑到电动机的转速与提升重物速度之间的关系60FFvnn jjD于是电动机的加速度与提升重物时的加速度之间的关系为于是电动机的加速度与提升重物时的加速度之间的关系为 60LFdnjadtD25 因此

21、，当重物以因此，当重物以m/s2的加速度上升时电动机转子的加速度上升时电动机转子轴上的输出转矩为：轴上的输出转矩为： 226037537586.13560100.513.084 13750.5215.35LLLFGD dnGDTTTjadtDNm26 1.3 负载的机械特性负载的机械特性 n = f (TL) 转速和转矩的参考方向：转速和转矩的参考方向： OTLn+TLTL1. 恒转矩负载特性恒转矩负载特性(1) 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 nTe TL由摩擦力产生的。由摩擦力产生的。当当 n0， TL0。 当当 n 0，TL0。 如机床平移机构、如机床平移机构、 压延设备等。压延设备等

22、。27OTLnOTLn(2) 位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 由重力作用产生的。由重力作用产生的。 当当 n0， TL0。 当当 n 0，TL0。 如起重机的提升机构如起重机的提升机构 和矿井卷扬机等。和矿井卷扬机等。2. 恒功率负载特性恒功率负载特性 TL n = 常数。常数。 如机床的主轴系统等。如机床的主轴系统等。 TL1n283. 通风机负载特性通风机负载特性 OTLn TLn2 TL 的方向始终与的方向始终与 n 的方向相反。的方向相反。 如通风机、水泵、油泵等。如通风机、水泵、油泵等。实际的通风机负载实际的通风机负载OTLnT0TL = T0k n2实际的机床平移机构实际的机床平

23、移机构OTLn291.4 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件工作点：工作点： 在电动机的机械特性与负载在电动机的机械特性与负载的机械特性的交点上。的机械特性的交点上。稳定运行稳定运行:即：即：TeTL = 0运动方程运动方程:TeTL= J d d tTeTL 0加速加速TeTL 0减速减速n = 常数常数过渡过程过渡过程:30n0TnOTLab 干扰使干扰使 TL a 点点:Te TL n Te a a点。点。 a 点。点。 n Te 干扰过后干扰过后 TeTL Te= TL 31n0TnOTLaba 干扰使干扰使 TL a 点点:Te TL n Te a点。点。 干扰过后

24、干扰过后 TeTL n T e Te = TL a 点。点。 干扰使干扰使 TL n TTLTe a 点。点。 Te = TL干扰过后干扰过后 TeTL n Te Te = TL a 点。点。 32n0TnOabTLb 点点: 干扰使干扰使 TL n n = 0 堵转。堵转。 Te n Te TL干扰过后干扰过后 Te TL ，不能运行。，不能运行。 b33n0TnOabTLb 点点: 干扰使干扰使 TL n Te n n = 0 堵转。堵转。 TeTL干扰过后干扰过后 Te TL ，不能运行。（不能回到，不能运行。（不能回到b点）点） 干扰使干扰使 TL n TeTLTe b 点。点。 n

25、b干扰过后干扰过后 TeTL n T a 点（不能回到点（不能回到b点）。点）。 34 稳定运行的充分条件稳定运行的充分条件:dTedndTLdnn0TnOabTL 稳定运行点稳定运行点 不稳定不稳定 运行点运行点 35n0TnO 电动机的自适应负载能力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。调整这种能力称为自适应负载能力。 自适应负载能力自适应负载能力是是电动机电动机区别于其他动力机械的重要区别于其他动力机械的重要特点。特点。 如如: :柴油机当负载增加时，柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。才能带动新的负载。a 点点TL 新的平衡新的平衡 TL a点点aaTeTL0n I2 Te I1 P1 36练练 习习 题题* 以教师画勾的题为准。以教师画勾的题为准。