电机及拖动

第八章电力拖动系统动力学基础内容提要研究电力拖动系统动力学的目的是为介绍电力花动的机械特性与过渡过程等内容准备必要的理论基拙。第一节及第二节分析运动方程式，对方程式中各参数(力、转拒、质量和飞轮惯量等)的折算方法进行分析研究;第三节介绍了电动机和工作机构!'}速比可变系统的有关问题;第四节中讨论考虑传动机构损耗的简化折算方法与较准确的折其方法;最后，在第五节中将介绍几种典型生产机械的负载转矩特性。第一节电力拖动系统的运动方程式“拖动”就是应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产任务。而用各种电动机作为原动机的拖动方式称为“电力拖动”。一般情况下，电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源四个组成部分，如图8-1所示。电动机把电能转换成机械动力，用以拖动生产机械的某一工作机构。工作机构是生产机械为执行某一任务的机械部分。控制设备是由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机等组成的，用以控制电动机的运动，从而对工作机构的运动实现自动控制。为了向电动机及一些电气控制设备供电，在电力拖动系统中必须设有电源部分。需要指出的是，在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而是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给生产机械的工作机构。下面研究电力拖动系统中电动机带动负载的力学问题。一、运动方程式电动机在电力拖动系统中作直线运动(如直线电动机)或旋转运动时，由力学定律可知，必须遵循下列两个基本的运动方程式:对于直线运动，方程式为dvmdtZFF式中F—拖动力(N);zF—阻力(N);dvmdt惯性力如果质量m的单位为kg，速度v的单位为m/s，时间t的单位为S，则惯性力的单位F.zF相同，为N。与直线运动时相似，旋转运动的方程式为式中T电动机产生的拖动转矩zT阻转矩(或称负载转矩)dJdt惯性转矩(或称加速转矩)。转动惯量J可用下式表示:kg·m2式中m与G旋转部分的质量(kg)与重量(N);与D惯性半径与惯性直径(m};g重力加速度，g=9.81m/s这样，由式(8-3)可见，转动惯量J的单位为kg·m2运动方程式(8一2)的形式不够实用，在实际计算中常把它化为另一种形式。在式(8-2)中，如将角速度(rail/s)化成用每分钟转数n(r/min)表示的形式Ω=2πn/60并把式(8一3)代入，即得式(8一2)的实用形式:2zGDdnT-T=375dt式中2GD飞轮惯量2Nm，2GD=4gJ。必须指出，式(8一4)中的数字375是具有加速度量纲的，式(8一4)中各物理量在前述的指定单位时此式才成立。电动机电枢(或转子)及其他转动部件的飞轮惯量2GD的数值可由相应的产品目录中查到，但是其单位目前有时仍然用2kgm，表示。.为了转化成国际单位制，可将查到的数据乘以9.81，就可换算成2Nm的单位。电动机的工作状态可由运动方程式表示出来。分析式(g.}}可知:①T=Tz,=0,则n=0或n=常数，稳定状态，即电动机静止或等速旋转，电力拖动系统处于稳定运转状态下。②TTz,0，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。③TTz,0，电力拖动系统处于减速状态，也是处于过渡过程中。dTTJdztgGDmJ422dtdndtdndtdn二、运动方程式中转矩的正负符号分析应用运动方程式，通常以电动机轴为研究对象。由于电动机类型及运转状态的不同，及生产机械负载类型的不同，电动机轴上的拖动转矩T及阻转矩zT不仅大小不同，方向也是变化的。因此，运动方程式可写成下列一般形式:(8一5)式（8一5)中转矩T与zT前均带有正负符号，一般可作如下规定:如果预先规定某一旋转方向(如顺时针方向)为正方向，则转矩T的方向如果与所规定的正方向相同，式(8一5)中T前带正号，相反时带负号。而阻转矩zT在式(8-5)中己带有总的负号，因此其正负号的规定恰恰与转矩T的规定相反，即阻转矩Tz的方向如果与所规定的旋转正方向相同时，Tz前取负号，相反时则取正号。而在反转方向(如逆时针方向)，则转矩T如果与反转的方向相同时取负号，相反时则取正号;阻转矩双如果与反转的方向相同时取正号，相反时则取负号。上面的规定也可归纳为:转矩T正向取正，反向取负;阻转矩Tz正向取负，反向取正。加速转矩的大小及正负符号由转矩T及阻转矩Tz的代数和来决定。三、各种形状旋转体转动惯量的计算通常，电动机转子以及生产机械的旋转部件大多数都是圆往体，但是，也有非圆柱体的部件。特别是近年来随着制造业自动化程度的提高，焊接、喷涂、装配和上下料等各种类型的机器人越来越广泛地应用于生产第一线。这一类生产机械的转动惯量是机器人控制系统中极其重要的参数。图8-2之所示的是一个典型的3自由度机械臂的示意图。可以看到，对于第一个自由度的驱动电动机1M而言，它的转动部件包括后面几节机械臂后，就不再是圆柱体了，它的转动惯量随着后面几个自由度的驱动电动机23M.M输出角度的变化而变化。旋转体的转动惯量是机器人动力学系统数学模型中的重要参数，如果对这个参数的计算不准确，误差过大，则会导致机器人控制系统的性能降低，甚至导致控制系统不稳定。因此，我们有必要计算出各种形状旋转体的转动惯量。计算旋转物体的转动惯量分两种情况，一种是旋转轴通过该物体的重心;另一种是旋转轴不通过该物体的重心。(1旋转轴通过该物体的重心时，转动惯量可以按以下公式计算:式中im—该物体某个组成部分的质量;ir—该部分im的重心到旋转轴的距离。对质量连续分布的物体用相应的定积分计算:tnGDTTzdd375)(2iikimrJ21J=∫vr2dm(2)旋转轴为不通过该物体重心的任意轴时，该旋转物体的转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意转轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身重心且平行于该任意轴线旋转的转动惯量'J之和。如图8一3所示的一个旋转物体，它围绕某个不通过其重心的任意转轴旋转的转动惯量为2mL它围绕穿过自身重心且平行于一该任意轴的转轴旋转的转动惯量为'J。这时，该物体总的转动惯量为•J=J'+Ml2式中m—该物体的质量;L—两个平行转轴之间的距离。根据以上方法，可以推导出几种常见的旋转物体转动惯量的计算方法如下:(l)以为半径，以0为旋转轴线，质量为二的旋转小球(小球自身的半径与p相比充分小)的转动惯量为(参见图8_4J=mρ2(2)以1为外径，以2为内径，以圆环柱体自身的中轴线0为旋转轴线，质量为。的圆环体的转动惯量为(参见图8一5)(3)以为半径，以圆柱体自身的中轴线o为旋转轴线，质量为。的圆柱体的转动惯量为(参见图8石))(22221mJ(4)长度为L宽度为d，质量为m的长方体(参见图8-7),以垂直穿越其两个侧面(平行于另外4个侧面)并且通过其自身重心的轴线O为旋转轴线，其转动惯量为如果宽度d与长度L相比充分小，即dL，则可以按下式计算:(5)长方体的质量为。，以O为旋转轴线(参见图8一8)的转动惯量为6)圆锥体的质量为。，围绕自身中轴线旋转，如图乐9所示，其转动惯量为7)圆柱体〔圆杆)，转轴垂直于圆杆的轴线且穿过它的重心，如图}r}所示，则其转动惯量为(8)圆柱体(圆杆)，转轴垂直于圆杆的轴线且距离圆杆一端的距离为d，如图8-11所示，则其转动惯量为22mJ)(1222dLmJ)(3212221mJ212LmJ23.0mrJ)3(1222rLmJ)121234(12222ddLrLmJ当d=0时.即转轴紧靠圆杆一端.则有22(43)12mJLr而当rL时，则有22(33)3mJLdLd当d=O且rL时，则有23mJL在计算出旋转部件的转动惯量以后，可以代人式(8-3)中换算成飞轮惯量GD2(GD2=4gJ)。[例8-1]有一个环形飞轮，由一个长方体支架，如图S-1所示。它的内环直径为D.sm外环直径为1.Zrn,圆环体质量为60kg，长方体的质量为25}g，求出它的飞轮惯量圆环体转动惯量22222211260(+=0.6+0.4kgm=15.6kgm22mJ）（）长方体转动惯量22222250.8J1.3331212mLkgmkgm总的转动惯量21216.933JJJkgm总的飞轮惯量222449.816.933663.774GDgJNmNm第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算实际拖动系统的轴常常不止一根，如图$-13a所示，图中采用4根轴，将电动机角速度变成符合工作机构需要的角速度在不同的轴上各有其本身的转动惯量及转速;也有相应的反映电动机拖动的转矩及反映工作机构工作的阻转矩。这种系统显然比一根轴的系统要复杂，计算起来也较为困难。要全面研究这个系统的问题，必须对每根轴列出其相应的运动方程式，还要列出各轴间互相联系的方程式，最后把这些方程式联系起来，才能全面地研究系统的运动。用这种方法研究是比较复杂的。就电力拖动系统而言，一般不须详细研究每根轴的问题，通常只要把电动机轴作为研究对象即可。为此，我们引入折算的概念，把实际的拖动系统等效为单轴系统，折算的原则是保持两个系统传送的功率及储存的动能相同。这样，只要研究一根轴，如图8-13}中所示的电动机轴，即可解决整个拖动系统的问题，研究方法大为简化。以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为:工作机构转矩=a系统巾各轴(除电动机轴外)的转动惯量.}1,.J},.}_。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量rn:及运动所需克服的阻力F二折算到电动机轴上去。一、工作机构转矩的析算如图8-13a,b所示，用电动机轴上的阻转矩Tz来反映工作机构轴上的转矩的工作。折算的原则是系统的传送功率不变，暂时先不考虑中间传动机构的损耗。按传送功率不变的原则，应有如下的关系:式中j—电动机轴与工作机构轴间的转速比传动机构如系多级齿轮或带轮变速，且已知每级速比为1J、2J、3J、…，则总的速比j应为各级速比的乘积在一般设备上，.电动机多数是高转速的，而工作机构轴多数是低转速的，故j1。在有些设备上，如高速离心机等，电动机的转速比工作机构轴的转速低，这时j1。二、工作机构直线作用力的折算某些生产机械具有直线运动的工作机构，如起重机的提升机构，其钢绳以力Fz吊质量为的重物zG，以速度。:等速上升或下降，示意图如图8-14所示。另外，如刨床工作台带动工件前进，以某一切削速度进行切削，也是直线运动机构的一例。无论是钢绳拉力或刨床切削力都将在电动机轴上反映一个阻转矩爪，折算原则与上zTzTzzzTTjTTTzzzzzznnj//321jjjj述相同，也是以传送功率不变，同样传动损耗暂不考虑。今以图8-13为例，介绍折算方法。折算时根据传送功率不变，可写出如下关系:TzΩ=Fzvz把电动机角速度,(rad/s)换算成以r/min为单位，则Ω=2πn/60，上式变成式中Fz—工作机构直线作用力(N);vz—重物提升速度(m/s);Tz—力Fz折算为.电动机轴上的阻转矩(N.m);9.55—单位换算系数，609.552三、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算在类似图8-lea所示的多轴系统中，必须将传动机构各轴的转动惯量j1,j2、j3、…及工作机构的转动惯量折算到电动机轴上，用电动机轴上一个等效的转动惯量J(或飞轮惯量2GD)来反映整个拖动系统转速不同的各轴的转动惯量(或飞轮惯量)的影响。各轴转动惯量对运动过程的影响直接反映在各轴转动惯量所储存的动能上，因此折算必须以实际系统与等效系统储存动能相等为原则。当各轴的角速度为、,1，,2,,3,、一z时，得到下列关系:把式(8一23)化成用飞轮惯量GD2}·rn)及转速nr/min表示的形式，考虑到GD2=4gJ，Ω=2πn/60，得一般情况下，在系统总的飞轮惯量中，占最大比重的是电动机轴上的飞轮惯量，其次是工作机构轴上的飞轮惯量的折算值，占比重较小的是传动机构各轴上的飞轮