电机拖动基础第2章

1第二章电力拖动系统动力学2.1电力拖动系统转动方程式2.2多轴电力拖动系统的简化2.3负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件2电源控制设备电动机传动机构工作机构nTMTLIaU电动机负载为了抓住本质，首先用简单的单轴电力拖动系统进行分析。电动机与负载为同一个轴，同一转速。2.1电力拖动系统转动方程式凡是由电动机作为动力，拖动各类生产机械，完成一定的生产工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。电力拖动系统一般由电动机、传动机构、工作机构、电源和控制设备五部分组成。单位名称单位符号电动机转速—n转/分r/min电动机电磁转矩—T牛·米N·m电动机空载转矩—T0（空载损耗，转子风阻和轴承摩擦）工作机构转矩—TF负载转矩TF+T0=TL3多轴系统单轴系统41.直线运动方程式外力是改变物体运动状况的原因dtdvmmaLFF电力拖动系统的运动方程)2/()/()()(,)(,smdtdvasmvkgmNLFNF，直线运动部件的加速度，直线运动部件的线速度直线运动部件的质量，的阻力作用在直线运动部件上的拖动力作用在直线运动部件上52.单轴系统的旋转运动方程式电动机工作机构TnTFT0轴TTLndtdJLTT)2/()/()2()(,)(,sraddtdsradmkgJmNLTmNT度，转动部件的机械角加速，转动部件的机械角速度转动部件的转动惯量，负载转矩拖动转矩单轴：工作机构与电动机同轴，同一转速6在工程计算中，常用n代替表示系统转动速度，用飞轮矩GD2代替J表示系统机械惯性。g42GD22DgG2mJ60/2ndtdnGDLTT3752)2(,,2)(,2/8.9g)(,)(,)(,mNGDmDsmgNGmkgm工程上看成整体转动部分的飞轮矩转动部分的惯性直径重力加速度，转动部分的重量转动部分的惯量半径转动部分的质量实用公式7电力拖动系统的运动状态：）具有加速度的量纲（，、转矩smgstrnmNGDmNLTTdtdnGDLTTmin/2604375min/,22,3752减速加速静止或匀速稳态003752003752)(003752dtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTT动转矩8nnnTTL00电力拖动系统正方向的规定运动方程可写成电动机工作机构TnTFT0轴TTLn式中的正、负的规定：以某一旋转方向的转速n为参考方向，电动机拖动转矩T与n同向时取正号，反向时取负号；负载转矩TL与n同向时取负号，反向时取正号。动转矩的大小和正负号由T与TL的代数和来决定。转速n的正方向一般选实际转向。dtdnGDLTT3752)(9电动机工作机构nnnjj112212Tf电动机工作机构nTF3.多轴系统一般设计电动机转速较高：通过提高Ω→降低T,节省材料。输出功率一定时，即P=TΩ=常数，当Ω↓→T↑，由于T=CTΦIa，则Ia↑和Φ↑，Ia↑→导线粗；Φ↑→铁磁材料多。生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力拖动系统多为多轴拖动系统。每根轴上的转矩，飞轮矩都不一样。对多个转动方程式联立求解。简化？10多轴系统折算分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为“折算”。折算原则：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。折算方向：一般是从生产机械轴向电动机轴折算。折算内容：把负载转矩Tf折算到电动机轴上变为等效的负载转矩TF；把系统各轴上的飞轮矩折算到电动机轴上变为总飞轮矩GD2。112.2多轴电力拖动系统的简化将其它轴上的转矩、飞轮矩折算到电动机轴上TnGD2等效负载电动机TF电动机工作机构Tnj1η1j2η2TfnfGDa2GDb2GDf2nb工作机构的运动形式：旋转、平移、升降。122.2.1工作机构旋转运动时的折算1.转矩折算nf原则：折算前后系统传递的功率不变TGD2等效负载电动机TF电动机工作机构Tj1η1j2η2TffGDa2GDb2GDf2bFffTTjTnnTTTfffffFnnbΩf为工作机构转轴的角速度Ω为电动机轴的角速度；Tf为工作机构的实际负载转矩TF为工作机构负载转矩折算到电动机轴上的折算值j=n/nf，写成一般形式为j＝j1j2j3…，等于各级速比乘积转矩按照速比的反比来折算13FffTT考虑传动机构的效率时转矩的折算η为传动机构总效率，等于各级传动效率乘积，η＝η1η2η3…。原则：折算前后系统传递的功率不变jTnnTTTfffffF传动机构转矩损耗jTjTTff－负载由电动机拖着转，电磁转矩为拖动性转矩，传动机构的转矩损耗由电动机负担（提供）。142.旋转运动时的飞轮矩折算飞轮矩折算的原则：折算前后该转轴的动能不变222)60242121n(gGDJΩ旋转物体动能公式：2222FBAGDGDGDGD222122122jjGDjGDGDfbaTnGD2等效负载电动机TF电动机工作机构Tnj1η1j2η2TfnfGDa2GDb2GDf2nb22F2f2f602πn4gGD21602πn4gGD21222jGDGDfF飞轮矩按照速比平方的反比进行折算222221221222jGDjjGDjGDGDGDfcba一般形式：一般nni，i122)1(DGDGDGD2D为电动机转子的飞轮矩15例题2.1图2.3(a)所示的电力拖动系统中，已知飞轮矩GDa2=14.5N.m2,GDb2=18.8N.m2,GDf2=120N.m2,传动效率η1=0.91,η2=0.93,转矩Tf=85N.m,转速n=2450r/min,nb=810r/min,nf=150r/min,忽略电动机空载转矩，求：(1)折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2；(2)折算到电动机轴上的负载转矩TF。解：（1）系统总飞轮矩（2）负载转矩222222222.17150245012081024508.185.14)()(mNnnGDnnGDGDGDffbbamNjTTfF.15.693.091.01502450852116车床主传动17原则：折算前后的功率不变折算前的切削功率：折算后的功率：2.2.2平移运动的转矩与飞轮矩的折算总质量mf电动机刨刀TnVFTGDF等效负载电动机TF1.转矩的折算FvPnFvnFvFvTF55.9260齿条的作用使旋转运动变成直线运动n――v，T――FFTP考虑到传动机构的效率nFvnFvT55.955.9－刨床传动机构的转矩损耗由电动机负担（提供）182.飞轮矩的折算其它轴上的飞轮矩的折算按旋转运动的方法总质量mf电动机刨刀TnVFTGDF等效负载电动机TF平移运动时物体的动能222121vgGvmff折算到电动机转轴上的动能22602421ngGDF折算前后动能不变22260242121ngGDvgGFf原则：折算前后的动能不变22222365)602(4nvGnvGGDffF222221221222jGDjjGDjGDGDGDfcba19起重机提升机构传动系统202.2.3升降运动时的转矩与飞轮矩的折算TGD2等效负载电动机TF电动机卷筒Tj1η1j2η2FGDa2GD12GDf21mv设重物的重力为G=mg，卷筒的半径为R，转速为nf，重物提升和下放的速度为v，速比为j，传动机构效率为η21（1）提升运动：1.负载转矩的折算jGRTF方法②同平移运动方法①重物对卷筒轴的负载转矩为GR，折算的负载转矩为考虑损耗时传动机构的损耗转矩jGRjGRT－jGRTF提升重物时由电动机负担nGvnmgvnFvTF55.955.955.922重物对卷筒轴的负载转矩仍为GR，不考虑损耗时，折算的负载转矩大小和方向与提升时一致。1.负载转矩的折算（2）下放运动jGRTF传动机构的损耗转矩△T是摩擦性的，其作用方向与转速方向相反。T/jfTnTna提升重物b下放重物TTT/jfTjGRTTjGRT')12()(jGRjGRjGRjGRjGRTF提升运动：电动机为电动状态下放运动：电动机为制动状态（负载拖动电机转）电动机负载飞轮矩的折算按动能不变原则，不论提升还是下放重物，与平移运动时相同：2.飞轮矩的折算：22222365)602(4nvGnvGGDffF222221221222jGDjjGDjGDGDGDfcba总飞轮矩23起重机传动机构示意图24负载转矩传动机构损耗转矩飞轮矩旋转电动机负担平移电动机负担升降提升电动机负担下放负载负担jTTfF222jGDGDfFnFvTF55.9222365nvGGDfFnGvjGRTF55.9222365nvGGDfF)12(jGRTjGRTFjTTfF222221221222jGDjjGDjGDGDGDfcbanFvTF55.9jTjTTff－nFvnFvT55.955.9－三种运动方式下折算的总结表j=n/nf，写成一般形式为j＝j1j2j3…η为传动机构总效率η＝η1η2η3…jGRjGRT－nGvjGRTF55.9jGRjGRT－nGvjGRTF55.9TjGRTTjGRTTjGRTTjGRT-25作业4思考题：2.1~2.526Tf/j2.3负载的转矩性质与电力拖动系统稳定运行的条件2.3.1负载的转矩特性1.恒转矩负载转矩特性这类生产机械的转矩Tf的大小恒定，不随转速n的变化而改变。可分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。（1）反抗性恒转矩负载特点：恒值负载转矩Tf总是与转速n的方向相反，即作用方向总是阻碍运动的方向，为制动性转矩。nfT0Tf-Tf)(ffTfn皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构当n0正转时，Tf与n方向相反，应为正，即在第一象限;当n0反转时，Tf与n方向相反，应为负，即在第三象限。-Tf/j△T△TTFTFn27当n0正转提升重物时，Tf与n方向相反，应为正，即在第一象限，为制动性转矩;当n0反转下放重物时，Tf与n方向相同，应为正，即在第四象限，为拖动性转矩。当n0正转提升重物时，TF与n方向相反，应为正，即在第一象限，为制动性转矩;当n0反转下放重物时，TF与n方向相同，应为正，即在第四象限，为拖动性转矩。（2）位能性恒转矩负载Tf电动机轴Tn特点：Tf的方向与n的方向无关。Tf具有固定不变的方向。nfT0起重机不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。Tf/j△T△TTFTFnTf282.泵类负载转矩特性——变转矩类特点：负载转矩基本上与转速成平方关系TF∝n2。水泵、油泵、通风机和螺旋桨。nT0TFTf/j3.恒功率负载转矩特性特点：负载转矩与转速成反比TF=K/n负载功率与n无关，称恒功率负载。.55.9602ConstKnTTPFFFn0TF轧钢机轧制钢板。车床切削粗加工时n低，T大；精加工时，n高，T小。车床切削加工的总体看是恒功率负载，但具体到每次加工却还是恒转矩负载。292.3.2电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统的运动状态是由电动机的电磁转矩T和负载转矩TL共同决定的。电力拖动系统的运动状态：减速加速静止或匀速稳态003752003752)(003752dtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTTdtdndtdnGDLTT电动机的机械特性