电力拖动系统基础课件

新编电气与电子信息类本科规划教材新编电气与电子信息类本科规划教材电机与拖动基础陈陈 勇勇 陈亚爱陈亚爱 主编主编蔡军蔡军 罗萍罗萍 向敏向敏 副主编副主编电电机与拖机与拖动动基基础础陈陈 勇勇 陈亚爱陈亚爱 主主编编蔡蔡军军 罗罗萍萍 向敏向敏电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 2第第 二二 章章 电电 力力 拖拖 动动 系系 统统 基基 础础 Page 2第第 二二 章章 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 3本章教学基本要求本章教学基本要求1.了解电力拖动系统的基本组成；了解电力拖动系统的基本组成；2.掌握电力拖动系统运动方程式；掌握电力拖动系统运动方程式；3.熟悉转矩与飞轮矩的折算方法；熟悉转矩与飞轮矩的折算方法；4.掌握生产机械的负载转矩特性的分类；掌握生产机械的负载转矩特性的分类；5.掌握电力拖动系统稳定运行的条件。掌握电力拖动系统稳定运行的条件。Page 3本章教学基本要求本章教学基本要求1.了解了解电电力拖力拖动动系系统统的基本的基本组组成；成；电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 4重点重点 生产机械的负载转矩特性的分类；生产机械的负载转矩特性的分类；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。Page 4重点重点电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 52.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式 电力拖动系统电力拖动系统(electrical power drive system)一一般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和电源组成，如图电源组成，如图2-1所示。所示。图图2-1电力拖动系统组成电力拖动系统组成Page 52.1电电力拖力拖动动系系统统运运动动方程式方程式 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 62.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式 图图2-2所示为单轴电力拖动系统，图所示为单轴电力拖动系统，图2-2中标注的中标注的物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁转物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁转矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转矩。矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转矩。图图2-2单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统Page 62.1电电力拖力拖动动系系统统运运动动方程式方程式 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 7 如如图图2-2所所示示，单单轴轴电电力力拖拖动动系系统统中中电电磁磁转转矩矩、负负载载转转矩矩与与转转速速变变化化的的关关系系用用转转动动方方程程(rotation equation)来描述，为来描述，为 （2-1）化简后得化简后得2.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式Page 7 如如图图2-2所示，所示，单轴电单轴电力拖力拖动动系系统统中中电电电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 8讨论讨论1.1.当当T-TL=0,dn/dt=0则则,n=0或或n=常数常数,即电动机静止即电动机静止或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态。稳态。2 2当当T-TL0,dn/dt0,动转矩大于零时，电力拖动系动转矩大于零时，电力拖动系统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。3 3当当T-TL0,dn/dt0,动转矩小于零时，电力拖动动转矩小于零时，电力拖动系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。2.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式Page 8讨论讨论2.1电电力拖力拖动动系系统统运运动动方程式方程式电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 92.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式 应应注注意意：转转矩矩不不但但有有大大小小而而且且具具有有方方向向。转转矩矩的的方方向由式（向由式（2-1）中取值的正负来判定。其规定如下：）中取值的正负来判定。其规定如下：首先应规定首先应规定(或假设或假设)某一转速某一转速n旋转方向为正方向，旋转方向为正方向，则拖动转矩则拖动转矩T的方向与所规定的方向与所规定(或假定或假定)的正方向相同时的正方向相同时取正值。取正值。对于负载转矩对于负载转矩TL，则当，则当TL的方向与所规定的方向与所规定(或假设或假设)的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖动转矩动转矩T是负值是负值,说明其实际方向与规定说明其实际方向与规定(或假设或假设)正方向正方向相反。而当负载转矩相反。而当负载转矩TL是负值，则说明其实际方向与规是负值，则说明其实际方向与规定定(或假设或假设)正方向相同。正方向相同。Page 92.1电电力拖力拖动动系系统统运运动动方程式方程式 应应注意：注意：转转电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 102.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式 同理同理,转速转速n也是具有方向。当实际旋转方向与也是具有方向。当实际旋转方向与 所规定所规定(或假设或假设)的正方向相同时的正方向相同时,n取正值，反之取负取正值，反之取负值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转速速n的数值增加或减小来决定。的数值增加或减小来决定。Page 102.1电电力拖力拖动动系系统统运运动动方程式方程式 同理同理,电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 112.12.1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式图图2-3多轴电力拖动系统多轴电力拖动系统 为为了了简简化化多多轴轴系系统统的的分分析析计计算算，通通常常把把负负载载转转矩矩与与系系统统飞飞轮轮矩矩折折算算到到电电动动机机轴轴上上来来，变变多多轴轴系系统统为为单单轴轴系系统统，列列写写一一个个转转动动方方程程式式进进行行计计算算，其其结结果果与与联联立求解多个方程式的结果完全一样。立求解多个方程式的结果完全一样。Page 112.1电电力拖力拖动动系系统统运运动动方程式方程式图图2-3多多轴电轴电力拖力拖电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 122.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算（2-2）1 1转矩的折算转矩的折算 多多轴轴电电力力拖拖动动系系统统中中，如如果果不不考考虑虑传传动动机机构构的的损损耗耗时时，工工作作机机构构折折算算前前的的机机械械功功率率为为Tff，折折算算后后的的机机械械功功率率为为TFf，折折算算的的原原则则是是折折算算前前后功率不变，因此有后功率不变，因此有Page 122.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 工作机构工作机构为为电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 132.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算 2飞轮矩的折算飞轮矩的折算 飞飞轮轮矩矩的的大大小小是是运运动动物物体体机机械械惯惯性性大大小小的的体体现现。旋旋转物体的动能大小为转物体的动能大小为Page 132.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 工作机构工作机构为为电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 142.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 图图2-4 刨床电力拖动示意图刨床电力拖动示意图工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 1转矩的折算转矩的折算 图图2-4为刨床切削示意图，通过齿轮与齿条啮合，为刨床切削示意图，通过齿轮与齿条啮合，把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速度为度为v，刨刀作用在工件上的力为刨刀作用在工件上的力为F，传动机构效率为传动机构效率为h h。Page 142.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 图图2-4 刨床刨床电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 152.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动机构转速为机构转速为nf的轴上的转矩的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿为与齿条啮合的齿轮半径，然后折算为轮半径，然后折算为T TF=FR/jh h。Page 152.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 工作机构工作机构为为平移运平移运电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 162.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 2 2飞轮矩的折算飞轮矩的折算设作平移运动部分的物体总重为设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为其动能为 折算到电动机轴上后的动能为折算到电动机轴上后的动能为 根据折算前后的动能不变原则，因此有根据折算前后的动能不变原则，因此有 Page 162.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 工作机构工作机构为为平移运平移运电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 172.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算折算 1 1负载转矩折算负载转矩折算 图图2-5所所示示为为一一起起重重机机示示意意图图，电电动动机机通通过过传传动动机机构构（减减速速箱箱）拖拖动动一一卷卷筒筒，缠缠在在卷卷筒筒上上的的钢钢丝丝绳绳悬悬挂挂一一重重物物，重重物物的的重重力力为为G=mg，速速比比为为j，重重物物提提升升时时传传动动机机构构效效率率为为h h，卷卷筒筒半半径径为为R，转转速速为为nf，重重物物提提升或下放时的速度为升或下放时的速度为v，是个常数。是个常数。Page 172.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 工作机构作提升和工作机构作提升和电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 182.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 图图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统工作机构运动为升降的电力拖动系统(1(1）提升重物时负载转矩的折算）提升重物时负载转矩的折算 重物对卷筒轴的负载转矩为重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为Page 182.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 图图2-5工作机构工作机构电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 192.22.2多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化 图图2-6 起重机的转矩关系起重机的转矩关系(2)(2)下放重物时负载转矩的折算下放重物时负载转矩的折算 下下放放重重物物时时，重重物物对对卷卷筒筒轴轴的的负负载载转转矩矩大大小小仍仍为为GR，不不计计传传动动机机构构损损耗耗时时，折折算算到到电电动动机机轴轴上上的的负负载载转矩也仍为转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。负载转矩的方向也不变。Page 192.2多多轴电轴电力拖力拖动动系系统统的的简简化化 图图2-6 起重起重电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 202.32.3生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 生产机械工作机构的负载转矩生产机械工作机构的负载转矩TL与转速与转速n之间的关之间的关系系TL=f(n)，称之为负载机械特性，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩也称为负载的转矩特性特性(load torque characteristic)。实际生产机械品种繁多实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特其工作机构的负载机械特性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。型的负载机械特性。Page 202.3生生产产机械的机械的负载转负载转矩特性矩特性 生生产产机械机械电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 21恒转矩负载的转矩特性恒转矩负载的转矩特性 (a)实际特性实际特性 (b)折算后特性折算后特性 图图2-8 反抗性恒转矩负载转矩特性反抗性恒转矩负载转矩特性1)1)反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 这类负载的特点是工作机构转矩的绝对值大小是这类负载的特点是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩，即：恒定不变的，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩，即：n0时，时，T0时，时，T0(也是常数也是常数)，且，且 的的绝对值相等。绝对值相等。Page 21恒恒转转矩矩负载负载的的转转矩特性矩特性 (a)实实电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 22恒转矩负载的转矩特性恒转矩负载的转矩特性(a)实际特性实际特性 (b)折算后特性折算后特性图图2-9位能性恒转矩负载的转矩特性位能性恒转矩负载的转矩特性2)位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载 这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，当时定的，而且方向不变，当时n0，T0，是阻碍运动的是阻碍运动的制动性转矩，当时制动性转矩，当时n0，是帮助是帮助运动的拖动性转矩，运动的拖动性转矩，其转矩特性如图其转矩特性如图2-92-9所示，位于第所示，位于第、象限内。象限内。Page 22恒恒转转矩矩负载负载的的转转矩特性矩特性(a)实际实际特性特性 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 23泵类负载的转矩特性泵类负载的转矩特性 图图2-10 泵类转矩负载的转矩特性泵类转矩负载的转矩特性2 2泵类负载的转矩特性泵类负载的转矩特性 水水泵泵、油油泵泵、通通风风机机和和螺螺旋旋桨桨等等，其其转转矩矩的的大大小小与与转转速速的的平平方方成成正正比比，即即TLn2，转转矩矩持持性性如如图图2-10所所示。示。Page 23泵类负载泵类负载的的转转矩特性矩特性 图图2-10 泵类转泵类转矩矩负载负载的的电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 24恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性 图图2-11 恒功率转矩负载的转矩特性恒功率转矩负载的转矩特性3 3恒功率负载的转矩特性恒功率负载的转矩特性 负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率P=T=常数，称之为恒功率负载。常数，称之为恒功率负载。Page 24恒功率恒功率负载负载的的转转矩特性矩特性 图图2-11 恒功率恒功率转转矩矩负负电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 252.42.4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 所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到原来的平衡状态。原来的平衡状态。Page 252.4电电力拖力拖动动系系统稳统稳定运行的条件定运行的条件 所所电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 262.42.4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 图图2-12 电动机机械特性与负载特性电动机机械特性与负载特性 一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点，点，系统平衡系统平衡，即即T=TL；扰动使转速有微小增量，若转速扰动使转速有微小增量，若转速由由nA上升到上升到nA，TTL；扰动消失，系统加速，能回到点扰动消失，系统加速，能回到点A运行。运行。Page 262.4电电力拖力拖动动系系统稳统稳定运行的条件定运行的条件 图图2-12 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 272.42.4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图图2-13 拖动系统稳定运行拖动系统稳定运行 系统在点系统在点A能稳定运行如图能稳定运行如图2-12和图和图2-13。Page 272.4电电力拖力拖动动系系统稳统稳定运行的条件定运行的条件图图2-13 拖拖电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 282.42.4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 图图2-14 拖动系统不稳定运行拖动系统不稳定运行 电动机的机械特性和生产机械的负载特性的任意配电动机的机械特性和生产机械的负载特性的任意配合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线如图如图2-14所示。所示。Page 282.4电电力拖力拖动动系系统稳统稳定运行的条件定运行的条件 图图2-14 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础Page 292.42.4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 T=TL仅仅是是稳稳定定运运行行的的必必要要条条件件，但但还还不不是是充充分分条条件件。系系统统稳稳定定运运行行的的必必要要和和充充分分的的条条件件是是：交交点点处处T=TL,转转速速升升高高时时TTL，此此点才是稳定运行的。或者说，在交点处，有点才是稳定运行的。或者说，在交点处，有 （2-10）这才是稳定运行的充分必要条件。这才是稳定运行的充分必要条件。Page 292.4电电力拖力拖动动系系统稳统稳定运行的条件定运行的条件 电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础本章小结本章小结1 1 运动方程式是分析研究电力拖动系统的基本公运动方程式是分析研究电力拖动系统的基本公式，对于单轴电力拖动系统：式，对于单轴电力拖动系统：式中式中T为电动机轴上产生的电磁转矩；为电动机轴上产生的电磁转矩；TL为电动机轴为电动机轴上的负载转矩，因为负载机械的工作机构折算到电上的负载转矩，因为负载机械的工作机构折算到电动机轴上的负载转矩动机轴上的负载转矩T2与与电动机空载转矩电动机空载转矩T0之和为之和为TL，由于一般，由于一般T0 T2，故通常近似认为，故通常近似认为TL=T2；GD2是轴上的飞轮矩；是轴上的飞轮矩；dn/dt是该轴的转速变化率。应是该轴的转速变化率。应用此式时必须注意各量正方向的设定和各量自身的用此式时必须注意各量正方向的设定和各量自身的正负号。正负号。本章小本章小结结1 运运动动方程式是分析研究方程式是分析研究电电力拖力拖动动系系统统的的电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础本章小结本章小结2 2 对于多轴电力拖动系统和既有旋转运动又有直对于多轴电力拖动系统和既有旋转运动又有直线运动的系统，通常各量都要折算到电动机轴上，线运动的系统，通常各量都要折算到电动机轴上，使系统变成等效的单轴系统。使系统变成等效的单轴系统。在用运动方程式进行分析计算时，应把工作机在用运动方程式进行分析计算时，应把工作机构的负载转矩或负载力折算成电动机轴上的负载转构的负载转矩或负载力折算成电动机轴上的负载转矩，把旋转部件的飞轮矩或直线运动部件的质量折矩，把旋转部件的飞轮矩或直线运动部件的质量折算成电动机轴上的飞轮矩。折算负载转矩或负载力算成电动机轴上的飞轮矩。折算负载转矩或负载力的原则是系统传递的功率不变；飞轮矩或质量折算的原则是系统传递的功率不变；飞轮矩或质量折算的原则是系统贮存的动能不变。的原则是系统贮存的动能不变。本章小本章小结结2 对对于多于多轴电轴电力拖力拖动动系系统统和既有旋和既有旋转转运运动动电机与拖动基础电机与拖动基础第二章第二章 电力拖动系统基础电力拖动系统基础本章小结本章小结3 3 生产机械特性与电动机机械持性画在同一直角生产机械特性与电动机机械持性画在同一直角坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系统的有力坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系统的有力工具。电力拖动系统稳定运行的充要条件是负载机工具。电力拖动系统稳定运行的充要条件是负载机械特性与电动机机械特性有交点，且在交点处满足械特性与电动机机械特性有交点，且在交点处满足本章小本章小结结3 生生产产机械特性与机械特性与电动电动机机械持性画在同机机械持性画在同