第1章电力拖动系统的动力学基础课件

LFChun 制作 第第1章章 电力拖动系统电力拖动系统的动力学基础的动力学基础1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成1.2 典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式1.3 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算1.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算返回主页返回主页电机与拖动电机与拖动1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成 拖动：原动机带动生产机械运动。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。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力拖动系统的组成电动机电动机传动机构传动机构工作机构工作机构控制设备控制设备电源电源2.电力拖动系统的优点电力拖动系统的优点(1)电能易于生产、传输、分配。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。足各种生产机械的不同要求。第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础(3)电动机损耗小、效率高、具有较大的短时电动机损耗小、效率高、具有较大的短时 过载能力。过载能力。(4)电力拖动系统容易控制、操作简单、电力拖动系统容易控制、操作简单、便于实现自动化。便于实现自动化。3.应用举例应用举例 精密机床、重型铣床、精密机床、重型铣床、初轧机、初轧机、高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成1.2 典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式1.单轴旋转系统单轴旋转系统 电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件 均以同一转速旋转。均以同一转速旋转。2.多轴旋转系统多轴旋转系统 第第1章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础电动机电动机工作机构工作机构电动机电动机工作机构工作机构3.多轴旋转运动加平移运动系统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典型生产机械的运动形式电动机电动机 工作机构工作机构 电动机电动机 G1.3 电力拖动系统的运动方程式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单轴电力拖动系统的运动方程 T2TL=Jd d t J 转动惯量（转动惯量（kgm2）旋转角加速度（旋转角加速度（rad/s2）惯性转矩（惯性转矩（Nm）T2=TT0 电动状态时，电动状态时，T0 与与 T 方向相反，方向相反，T20，T00。制动状态下放重物时，制动状态下放重物时，T0 与与 T 方向相同，方向相同，T20，T00。第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础d d tJd d t 电动状态电动状态 T2T0 制动状态下放重物制动状态下放重物 T2T0 正方向正方向 1.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式TTL=Jd d t忽略忽略 T0，则，则 飞轮矩飞轮矩(Nm2)因为因为 J=m 2 Gg=D2（）2GD24g=旋转部分的旋转部分的质量（质量（kg）回转半径回转半径(m)2 n60T2TL=GD2 d 4g d t 回转直径回转直径(m)对于均匀实心圆柱体，对于均匀实心圆柱体，与几何半径与几何半径 R 的关系为的关系为 R 2 =GD2 dn375 d tGD2 dn375 d tT2TL=1.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式GD2 dn375 d tTTL=忽略忽略 T0，有，有 当当 T2TL 时，时，n dnd t0 加速的暂态过程。加速的暂态过程。当当 T2=TL 时，时，dnd t=0 稳定运行。稳定运行。当当 T2TL 时，时，n dnd t0 减速的暂态过程。减速的暂态过程。n=0n=常数常数负载吸收负载吸收的功率的功率(1)T2 0，电动机输出机械功率电动机输出机械功率(2)T2 0，电动机输入机械功率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单轴电力拖动系统的功率平衡方程 T2 TL =J d d t（）=dd tJ 212电动机输电动机输出的功率出的功率系统动能系统动能P2PL =J d d t1.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式即即 T2 与与 方向相同。方向相同。电动状态。电动状态。即即 T2 与与 方向相反。方向相反。制动状态。制动状态。电动状态电动状态1 T2TL 制动状态制动状态1 T2TL电动状态电动状态2T2TL制动状态制动状态2T2TL(3)TL 0，负载从电动机吸收机械功率。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）。负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。(5)P2PL，(6)P2PL，和和 n 不能突变，不能突变，即系统不可能具有无穷大的功率。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电力拖动系统的运动方程式 即即 TL 与与 方向相反。方向相反。即即 TL与与 方向相同。方向相同。，加速状态，加速状态，减速状态，减速状态，否则否则 J d d t 电动状态电动状态1 T2TL 制动状态制动状态1 T2TL电动状态电动状态2T2TL制动状态制动状态2T2TL系统动能增加。系统动能增加。系统动能减少。系统动能减少。1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算z1 z4 z5 z2 z3 z6 效效等等1.等效负载转矩等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。等效（折算）原则：机械功率不变。TL=Tm tm L=Tmj t第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础电动机电动机工作机构工作机构nTLn1n2nmTm电动机电动机等效负载等效负载nTLTL t=Tmm 传动机构传动机构的效率的效率传动机构传动机构的转速比的转速比 传动机构的总转速比传动机构的总转速比 j=j1 j2 jmmj=nnm=1 j1=nn1=1 2 j2=n1n2=2 m jm=n2nm=1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算 常见传动机构的转速常见传动机构的转速 比的计算公式：比的计算公式：(1)齿轮传动齿轮传动n1n2j=z2z1=(2)皮带轮传动皮带轮传动 n1n2j=D2D1=(3)蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动 n1n2j=z2z1=齿轮的齿数齿轮的齿数 皮带轮的直径皮带轮的直径 蜗轮的齿数蜗轮的齿数 蜗杆的头数蜗杆的头数 2.等效转动惯量（飞轮矩）等效转动惯量（飞轮矩）等效（折算）原则：动能不变。等效（折算）原则：动能不变。设各部分的转动惯量为：设各部分的转动惯量为：12J2=12JR 2 12J1 1212Jmm2 1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算nTLn1n2z1 z4 z5 z2 z3 z6 电动机电动机工作机构工作机构nmTmJRJ1J2Jm12J2 22 J=JRJ1 J2 Jm 1m2 2 2 2J=JRJ1 J2 Jm n1nnmn2 2 2 n2n如果在电动机和工作机构之间总共还有如果在电动机和工作机构之间总共还有 n 根中间轴，根中间轴，则则:j=j1 j2 jn jm或或:GD2=4gJ 1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算J2 j1 j2 J=JR J1j12 22Jm j1 j2 jm2 2 2 J2 j1 j2 =JR J1j12 22Jm j 2 J=JRJ1 J2 Jn Jm n1nnnn2 2 2 2 n2nnmnJ2(j1 j2)J=JR J1j12 2Jn(j1 j2 jn)2 Jm j 2 1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算 【例例 1.1】某车床电力拖动系统，传动机构为齿轮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，切削力 F=2 000 N，工件直径，工件直径 d=150 mm，各齿轮的齿数为，各齿轮的齿数为 z1=15，z2=30，z3=30，z4=45，各部分的转动惯量，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。传动机构的传动效率 t=0.9。求：。求：(1)切削功率切削功率 Pm 和切削转矩和切削转矩 Tm；(2)折算成单折算成单轴系统后的等效轴系统后的等效 TL、JL 和和 GD2。解：解：(1)切削功率切削功率 Pm 和切削转矩和切削转矩 Tmn JR n1J1z1 z4 z2 z3 电动机电动机车床车床nm Jm z2z1j2=2 3015z4z3jm=1.5 4530j=j1 jm=21.5=3 njnm=r/min=480 r/min 1 4403 d nm60Pm=F 3.140.1548060=2 000 W=7.536 kW TN=2 60Pmnm=Nm=150 Nm 60 23.14 7 536 480(2)折算成单轴系统后的等效折算成单轴系统后的等效 TL、JL 和和 GD2 TL=Tmj t=Nm=55.56 Nm 150 30.9 J=JR J1j12Jm j 2 =0.076 5 kgm2 =0.096 3 kgm2 0.051220.063 7 32()GD2=4gJ=49.810.096 3 Nm2 =3.78 Nm2 目的目的 将平移作用力将平移作用力 Fm 折算为等效转矩折算为等效转矩 TL。将平移运动的质量将平移运动的质量 m 折算为等效折算为等效 J 或或 GD2。1.等效负载转矩等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。等效（折算）原则：机械功率不变。TL t=Fmvm1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础432n1工件工件(m)刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 电动机输出电动机输出 的机械功率的机械功率 切削功率切削功率 TL=Fmvm t=Fmvm t n602 2.等效转动惯量（飞轮矩）等效转动惯量（飞轮矩）等效（折算）原则：动能不变。等效（折算）原则：动能不变。(1)平移运动折算成旋转运动平移运动折算成旋转运动1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 432n1工件工件(m)刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 12Jm2 =12m vm 2 Jm=m vm 22 Gmg vm n2Jm=602 2 2 =9.3 Gm vm n22(2)等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩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平移运动系统的折算12J2=12JR 2 12J1 1212J2 22 12m vm 2 12J2=JR 2 J1 12 J2 22 Jm2 12121212J=JRJ1 J2 Jm 12 2 2J=JRJ1 J2 Jm n1n2 2 n2n 一般公式：一般公式：J2(j1 j2)J=JR Jm J1j12 2Jn(j1 j2 jn)2 【例例 1.2】有一大型车床，传动有一大型车床，传动机构如图示。已知：机构如图示。已知：刀架重：刀架重：Gm=1 500 N 移动速度：移动速度：vm=0.3 m/s刀架与导轨之间的摩擦系数：刀架与导轨之间的摩擦系数：=0.1电动机：电动机：n=500 r/min，JM=2.55 kgm2齿轮齿轮1：z1=20，Jz1=0.102 kgm2齿轮齿轮2：z2=50，Jz2=0.51 kgm2齿轮齿轮3：z3=30，Jz3=0.255 kgm2齿轮齿轮4：z4=60，Jz4=0.765 kgm2传动机构：传动机构：t=0.8求求:电动机轴上的等效电动机轴上的等效 TL 和和 J 。解解:(1)等效等效TL 平移作用力平移作用力 Fm=Gm =0.11 500 N =150 NvmFm432n1工件工件(m)刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算TL=Fmvm t n602 =Nm=1.075 Nm 60 6.28 1500.3 0.8500(2)等效转动惯量等效转动惯量J z2 z1 j1=50 20 =2.5 z4 z3 j2=60 30 =2 JR=JMJz1 J1=Jz2Jz3 J2=Jz4 =(2.550.102)kgm2=2.652 kgm2 =(0.510.255)kgm2=0.765 kgm2 =0.765 kgm2 Jm=9.3 Gm vm n22 =9.3 kgm2 1 5000.32 5002=0.005 02 kgm2 J2(j1 j2)J=JR Jm J1j12 20.765(2.52)2 =2.652 0.005 02 kgm2 0.7652.52=2.652 kgm2 1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算 电动机输出电动机输出 的机械功率的机械功率PL 工作机构的工作机构的 机械功率机械功率Pm 1.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 目的目的 将将 Gm 折算为等效折算为等效 TL。将将 m 折算为等效折算为等效 J。1.等效负载转矩（升降力的折算）等效负载转矩（升降力的折算）TL t=Gmvm第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础Gm电动机电动机 vmz2 z1z4 z3 提升重物时，提升重物时，Gm 是阻力，电动机工作在电动是阻力，电动机工作在电动 状态，状态，PLPm；下放重物时，；下放重物时，Gm 是动力，是动力，电动机工作在制动状态，电动机工作在制动状态，PLPm。TL=Gmvm t=Gmvm t n602 传动效率：传动效率：1.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 t=100%Pm PL则提升时则提升时 t1，下放时，下放时 t1。2.等效转动惯量（升降质量的折算）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升降运动折算成旋转运动12Jm2 =12m vm 2 Jm=m vm 22 =9.3 Gm vm n22(2)等效单轴系统的转动惯量等效单轴系统的转动惯量J2(j1 j2)J=JR Jm J1j12 2Jn(j1 j2 jn)2 第三节第三节 生产机械的负载转矩特性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)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：1.1.反抗性反抗性一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性摩擦负载转矩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2.2.位能性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位能性负载转矩负载二二.通风机负载通风机负载 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、油泵等三三.恒功率负载恒功率负载车床在粗加工时，切削量大，切削阻力大，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。四四.实际负载特性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。1.1.实际通风机负载实际通风机负载实际通风机负载实际通风机负载(图图8 108 10）2.2.机床刀架的平移机床刀架的平移MIf+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI第四节电力拖动系统稳定运行的条件第四节电力拖动系统稳定运行的条件n=Ua CE Ra CECT2 T 一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性当当 Ua、Ra、If=常数时：常数时：n=f(T)=n0 T=n0n理想空理想空载转速载转速=dndTRaCECT2=1 机械特性的硬度机械特性的硬度1.固有特性固有特性 OTnn0Nn=f(T)UaN,IfN,RanNTNMnMTM N 点：额定状态。点：额定状态。M 点：临界状态。点：临界状态。2.人为特性人为特性(1)增加电枢电路电阻增加电枢电路电阻 时的人为特性时的人为特性 n=TUNCENRaRr CECTN2 OTnn0RaRa(RaRr)即机械特性变软。即机械特性变软。(2)降低电枢电压时的人为特性降低电枢电压时的人为特性n=Ua CEN Ra CECTN2 T n0n0Uan0 但但、不变不变机械特性的硬度不变。机械特性的硬度不变。OTnUaUa(3)减小励磁电流时的人为特性减小励磁电流时的人为特性n=UN CE Ra CECT2 T OTnn0n0IfIfIf n0 、机械特性变软。机械特性变软。【例例1.4.1】一台他励直流电动机，一台他励直流电动机，PN=10 kW，UaN=220 V，IaN=210 A，nN=750 r/min，求，求(1)固有特固有特性；性；(2)固有特性的斜率和硬度固有特性的斜率和硬度。解：解：(1)固有特性固有特性忽略忽略 T0，则，则509.55210=2.426 TNIaNCT=2200.254=r/min=866.25 r/min 602 PNnNTN=606.2840103750=Nm=509.55 Nm 2 60CE=CT 6.2860=2.426=0.254 UaNCE n0=连接连接 n0 和和 N(TN，nN)两点即可得到固有特性。两点即可得到固有特性。(2)固有特性的斜率和硬度固有特性的斜率和硬度 E=CE nN UaNE IaNRa=0.254750 V=190.5 V =1 RaCECT2 =220190.5 210=0.14 0.14 2.4260.254=0.228 10.228=4.39 二二.拖动系统稳定运行条件拖动系统稳定运行条件工作点：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：TTL=0运动方程运动方程:TTL=Jdd tTTL 0加速加速TTL 0减速减速n=常数常数过渡过程过渡过程:n0TnOTLab 干扰使干扰使 TL a 点点:TTL n T a a点。点。a 点。点。n T 干扰过后干扰过后 TTL T=TL n0TnOTLaba 干扰使干扰使 TL a 点点:TTL n T a点。点。干扰过后干扰过后 TTL n T T=TL a 点。点。干扰使干扰使 TL n TTLT a 点。点。T=TL干扰过后干扰过后 TTL n T T=TL a 点。点。n0TnOabTLb 点点:干扰使干扰使 TL n n=0 堵转。堵转。T n TTL干扰过后干扰过后 T TL，不能运行。，不能运行。bn0TnOabTLb 点点:干扰使干扰使 TL n T n n=0 堵转。堵转。TTL干扰过后干扰过后 T TL，不能运行。，不能运行。干扰使干扰使 TL n TTLT b 点。点。n b干扰过后干扰过后 TTL n T a 点。点。稳定运行的充分条件稳定运行的充分条件:dTdndTLdnn0TnOabTL 稳定运行点稳定运行点 不稳定不稳定 运行点运行点 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件电力拖动系统稳定运行的充分必要条件：1、必要条件：、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、充分条件：在交点处满足于：或者说在交点的转速以上存在：在交点的转速以下存在：n0TnO 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aaTTL0n I2 T I1 P1 传传 动动 机机 构构第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 W 系列螺旋平面减速电机系列螺旋平面减速电机第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 S 系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速电机系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速电机第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 R 系列斜齿轮减速电机系列斜齿轮减速电机第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 K 系列斜齿轮伞齿轮减速电机系列斜齿轮伞齿轮减速电机第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 F 系列平行轴斜齿轮减速机系列平行轴斜齿轮减速机第第1 章章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的动力学基础 更多的图片更多的图片 p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日