电力拖动与控制基础-绪论课件

电力拖动与控制电力拖动与控制什么是电气传动？什么是电气传动？电力拖动与控制第一章第一章电力拖动系统的电力拖动系统的 动力学基础动力学基础电力拖动与控制第一章电力拖动系统的 动力学基础电力拖动的发展概况电力拖动的发展 简单复杂 低级高级 成组拖动单电机拖动多电机拖动 直流电机拖动交流电机拖动技术的支撑条件 新型电机 大功率半导体器件：MOSFET、IGBT、IPM 计算机技术 新的控制理论和方法电力拖动的发展概况电气传动系统基本分类电动机通常是根据生产机械的工作要求来选用，主要有 直流电动机 异步电动机 同步电动机直流电动机为动力的拖动系统称为直流电力拖动系统，简称直流拖动系统交流电动机为动力的拖动系统称为交流电力拖动系统，简称交流拖动系统。电气传动系统基本分类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多轴电力拖动系统多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩转矩及飞轮矩 的折算的折算生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性主要内容主要内容单轴电力拖动系统的运动方程主要内容原动机带动生产机械运转称为拖动。用各种电动机作为原动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务的拖动方式，称为电力拖动。电力拖动系统，一般由电动机、机械传动机构、生产机械的工作机构、控制设备和电源五部分组成。原动机带动生产机械运转称为拖动。图1-1 电力拖动系统示意图 要研究电力拖动系统，不仅要研究电动机自身的运行性能，还要研究电动机和负载之间的运动规律电力拖动系统的运动方程式。图1-1 电力拖动系统示意图 要研究电力拖o电动机及电源：把电能转换成机械能；o传动机构：将机械能转换成所需要的运动形式并进行传递与分配；o执行机构：完成生产工艺任务；o电气控制装置：控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统进行保护和自动控制。电动机及电源：把电能转换成机械能；第一节第一节 单轴电力拖动系统的运动方程式单轴电力拖动系统的运动方程式 电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统单轴电力拖动系统。（a）单轴电力拖动系统 （b）各量的参考方向 图 1-2 单轴电力拖动系统及各量的参考方向第一节 单轴电力拖动系统的运动方程式 电动机输出轴直 根据力学中刚体转动定律得到单轴电力拖动系统的运动方程式:T 电动机的电磁转矩(Nm)J 电动机轴上的总转动惯量(kgm2)TL 电动机的负载转矩(Nm)根据力学中刚体转动定律得到单轴电力拖T 电动机的电磁转 在实际的电力拖动工程中则采用飞轮惯量（即飞轮矩）GD2代替转动惯量J；用转速 n代替角速度。n与的关系为=则 在实际的电力拖动工程中则采用飞轮惯量（即飞轮矩）GD2代替 J与GD2之间的关系为：m 系统转动部分的质量（）G 系统转动部分的重力（N）系统转动部分的回转半径（m）D 系统转动部分的回转直径（m）g 重力加速度，可取g=9.81m/s J与GD2之间的关系为：m 系统转动部分的质量（）由此可得：GD2系统转动部分的总飞轮矩(Nm2)具有加速度量纲的系数由此可得：GD2系统转动部分的总飞轮矩(Nm2)具有 常数(或0），系统稳定运转或停转，视运动初始状态而定。不断增加，系统加速过度过程 不断降低，系统减速过度过程稳态：动态：电磁转矩T的正方向与转速n 的正方向相同负载转矩TL的正方向与转速n的正方向相反。电磁转矩T的正方向与转速n 的正方向相同第二节第二节 多轴电力拖动系统转矩及飞多轴电力拖动系统转矩及飞 轮矩的折算轮矩的折算 多轴电力拖动系统，就是在电动机与工作机构之间增设传动机构的系统。一般采用折算的办法，把多轴电力拖动系统折算为等效的单轴系统，然后按单轴电力拖动系统的运动方程式来分析。第二节 多轴电力拖动系统转矩及飞 轮矩的折算 多轴电力（a）传动图 （b）等效折算图 注意：在使用单轴运动方程式进行分析时,式中的TL应是折算后的等效负载转矩Tmeq,GD2是折算后系统总的等效飞轮矩 GDeq2。（a）传动图 （b）等效折算图 注 本节重点研究负载转矩和飞轮矩的具体折算方法。折算的原则：按照能量守恒定律，系统在折算前和折算后应具有相等的机械功率和动能。本节重点研究负载转矩和飞轮矩的具体折算方法。折算的原设工作机构负载转矩为：Tm1.1.转矩的折算转矩的折算功率为:Pm=Tmm折算后的负载转矩为：Tmeq对应角速度为：m=2nm/60折算后的对应角速度为：一、工作机构旋转运动转矩和飞轮矩的折算一、工作机构旋转运动转矩和飞轮矩的折算设工作机构负载转矩为：Tm1.转矩的折算功率为:Pm=图1-4 某电力拖动系统示意图 图1-4 某电力拖动系统示意图而折算后的功率为:Pmeq=Tmeq根据功率不变原则有:Tm m=Tmeq则:电动机与工作机构转速比:而折算后的功率为:Pmeq=Tmeq根据功率不变原则有:多级传动,传动比为各级传动比之积,传动 效率为各级传动效率之积,即:考虑了传动损耗后,功率关系变为:多级传动,传动比为各级传动比之积,传动 考虑了2.2.飞轮矩的折算飞轮矩的折算 电动机转子的飞轮矩为GDd2(Jd),主轴和工件的飞轮矩为GDm2(Jm),则旋转物体的动能为:设各轴的角速度为:折算原则：折算前后系统储存的动能不变2.飞轮矩的折算 电动机转子的飞轮矩为GDd2(Jd),因此可采用以下公式估算系统的飞轮矩：一般情况下，在系统总飞轮矩中，电动机轴上的飞轮矩占的比重最大，其次是工作机构上飞轮矩的折算值，传动机构中各种飞轮矩的折算值占的比重最小。GDd2 电动机转子飞轮矩,可从产品目录中查阅=0.20.3 因此可采用以下公式估算系统的飞轮矩：一般情况下，在系统总 二、工作机构直线运动转矩与飞轮矩的折算二、工作机构直线运动转矩与飞轮矩的折算(一一)平移运动平移运动图1-5 工作机构作平移运动示意图 二、工作机构直线运动转矩与飞轮矩的折算(一)平移运动图11.1.转矩的折算转矩的折算考虑到传动机构的损耗：2.2.飞轮矩的折算飞轮矩的折算根据折算前后动能不变的原则：所以：1.转矩的折算考虑到传动机构的损耗：2.飞轮矩的折算根据(二二)升降运动升降运动图1-6 起重机示意图(二)升降运动图1-6 起重机示意图1.1.转矩的折算转矩的折算上升重物时设传动机构的效率为：2.2.飞轮矩的折算与平移相同飞轮矩的折算与平移相同 可证明：下降重物时设传动机构的效率为：1.转矩的折算上升重物时设传动机构的效率为：2.飞轮矩例例1-11-1：某电力拖动系统如图1-4所示。已知飞轮矩 ，传动效率 ，转矩 ，转速 ,，忽略电动机空载转矩，试求：（1）折算到电动机轴上的系统总飞轮矩（2）折算到电动机轴上的负载转矩例1-1：某电力拖动系统如图1-4所示。已知电力拖动与控制基础-绪论课件解：解：（1）系统总飞轮矩 解：（1）系统总飞轮矩（2）负载转矩（2）负载转矩例例1-21-2：某刨床电力拖动系统如图1-5所示。已知切削力 ，工作台与工件运动速度 ，传动机构总效率 ，电动机转速 ，电动机的飞轮矩 ,试求：例1-2：某刨床电力拖动系统如图1-5所示。（1）切削时折算到电动机轴上的负载转矩；（2）估算系统总的飞轮矩；（3）不切削时，工作台及工件反向加速，电动机以 恒加速度运行，计算此时系统的动态转矩绝对值。（1）切削时折算到电动机轴上的负载转矩；切削时折算到电动机轴上的负载转矩 （2）估算系统总的飞轮矩解：（1）切削功率 切削时折算到电动机轴上的负载转矩解：（1）切削功率（3）不切削时（），工作台与工件 反向加速时，系统动态转矩绝对值 （3）不切削时（），工作台与工件第三节 生产机械的负载转矩特性第三节 生产机械的负载转矩特性第三节 生产机械的负载转矩特性 考虑到运动方程式中，TL前已有负号，所以取：负载转矩与运动正方向相反的为正，负载转矩与运动正方向相同的为负。负载转矩特性是指生产机械工作机构的转矩与转速之间的函数关系，即 n=f(TL)。典型的负载转矩特性有恒转矩特性、恒功率特性和通风机型特性三种。第三节 生产机械的负载转矩特性 考虑到运动方程式中，TL TL大小不变，但作用方向总是与运动方向 n相反，是阻碍运动的制动性质转矩。一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性 1.1.反抗性反抗性(又称摩擦性又称摩擦性)恒转矩负载恒转矩负载 从反抗性恒转矩负载的特点可知，当n为正向时，TL亦为正（按规定,以反对正向运动的方向作为TL的正方向）；当n为负向时,TL也改变方向，变为负值。特性如图1-7。TL大小不变，但作用方向总是与运动方向一、恒转矩负载特性图1-7 反抗性恒转矩负载特性 图1-8 位能性恒转矩负载特性 图1-7 反抗性恒转矩负载特性 图1-8 位能性恒转矩负载特 这种负载转矩是由重力作用产生的。特点：TL大小不变,而且作用方向也保持不变。如果以提升作为运动的正方向，则n为正向时，TL反对运动，也为正值；当下放重物，n 为负向时，TL的方向不变，仍为正，表明这时TL是帮助运动的，成为拖动转矩。特性如图1-8。2.2.位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性 这种负载转矩是由重力作用产生的。2.位能性恒转矩负载特二、恒功率负载特性二、恒功率负载特性 在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比。即：图1-9 恒功率负载特性 特性如图1-9。二、恒功率负载特性 在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反三、通风机型负载特性三、通风机型负载特性负载特性为一条抛物线，特性如图1-10。图1-10 风机泵类负载特性实线为理论波形，虚线为实际波形。三、通风机型负载特性负载特性为一条抛物线，特性如图1-10。