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第二章电力拖动系统动力学本讲稿第一页，共二十二页第一节第一节 单轴电力拖动系统运动方程式单轴电力拖动系统运动方程式教学要求：1、单轴电力拖动系统运动方程式、单轴电力拖动系统运动方程式2、各量的物理意义和正方向的规定、各量的物理意义和正方向的规定3、负载转矩、负载转矩返回总目录本章目录下一节下一章本讲稿第二页，共二十二页单轴电力拖动系统运动方程式单轴电力拖动系统运动方程式 凡是以电动机将电能转换成机械能，拖动生产机械，并凡是以电动机将电能转换成机械能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。所谓完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。所谓单轴电力拖动系统，就是电动机出轴直接拖动生产机械单轴电力拖动系统，就是电动机出轴直接拖动生产机械运转的系统。运转的系统。传动机构传动机构生产机械生产机械控制系统控制系统电动机电动机电源电源本讲稿第三页，共二十二页采用电力拖动主要原因采用电力拖动主要原因 现代化生产中，多数生产机械都采用电现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是力拖动，主要原因是：1.电能的运输、分配、控制方便经济。电能的运输、分配、控制方便经济。2.电动机的种类和规格很多，它们具有各种电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。械的不同要求。3.电力拖动系统的操作和控制简便，可以实电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。现自动控制和远距离操作等等。本讲稿第四页，共二十二页单轴电力拖动系统运动方程式单轴电力拖动系统运动方程式电动机负载运动方程式：MD Mfz=JDd Dd t这里，JD 是电动机轴上所有转动体的转动惯量，单位N.m.s2 D 是电动机轴上的角速度，单位rad/s实用公式实用公式实用公式实用公式：MD Mfz=GDD2375d nd t这里，GDD2是旋转体的飞轮矩，单位N.m2，JD=GDD24g返回本讲稿第五页，共二十二页说明说明“375”具有加速度量纲。具有加速度量纲。GD2是一个整体，不是是一个整体，不是G与与D2 的乘积，的乘积，GD2 由产品样本或机械手册上查出。由产品样本或机械手册上查出。GD2 中的中的 D 为为回转直径，不是实际直径。回转直径，不是实际直径。关于关于 或或 D 的物理的物理概念可参见课本第概念可参见课本第4页。页。本讲稿第六页，共二十二页各量正方向的规定各量正方向的规定 正方向的规定：转速正方向的规定：转速n对观察者顺时针为正，转矩对观察者顺时针为正，转矩M与与n的正方的正方向相同为正，负载转矩向相同为正，负载转矩Mfz与与n的正方向相反为正。的正方向相反为正。说明：当说明：当 M=Mfz，dn/dt=0，系统处于静态，系统处于静态，n=0或或n=常数，即系统静常数，即系统静止或以恒定转速运行。止或以恒定转速运行。当当 MMfz，dn/dt0，n随着时间随着时间t的增加而增加，即系统处的增加而增加，即系统处于加速。于加速。当当 MMfz，dn/dt0，系统处于匀加速运动状态。，系统处于匀加速运动状态。当当 M Mfz=常数常数 常数常数0，系统处于匀减速运动状态。，系统处于匀减速运动状态。返回本讲稿第七页，共二十二页各量表示法各量表示法上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示MMfzMfzM本讲稿第八页，共二十二页负载转矩负载转矩 负载的机械特性是指生产机械的转矩与负载的机械特性是指生产机械的转矩与转速之间的关系即：转速之间的关系即：n=f(Mfz)恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速小与转速n无关。无关。恒转矩负载分：反抗性恒转矩负载和位恒转矩负载分：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。能性恒转矩负载。本讲稿第九页，共二十二页1.反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性特点：恒值负载转矩特点：恒值负载转矩Mfz总是与转速总是与转速n的方向的方向相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。当正转时当正转时n为正，为正，Mfz与与n方向相反，应为正，方向相反，应为正，即在第一象限。即在第一象限。当反转时当反转时n为负，为负，Mfz与与n方向相反，应为负，方向相反，应为负，即在第三象限。即在第三象限。本讲稿第十页，共二十二页反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载 当转速当转速n=0时，外加时，外加转矩不足以使系统运动。转矩不足以使系统运动。根据作用力与根据作用力与 反作用力原反作用力原理，这时反抗性负载转矩理，这时反抗性负载转矩大小和方向取决于外加转大小和方向取决于外加转矩的大小和方向。即与外矩的大小和方向。即与外加转矩大小相等，方向相加转矩大小相等，方向相反。负载转矩特性应与横反。负载转矩特性应与横轴重合。例如轧机，机床轴重合。例如轧机，机床刀架平移机构等。刀架平移机构等。Mn=f（Mfz）Mfz-Mfz本讲稿第十一页，共二十二页2.位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性特点：特点：Mfz的方向与的方向与n的方向无关。的方向无关。Mfz具有具有固定不变的方向。固定不变的方向。例如：起重机的提升机构，例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。负载转矩方向固定。n=f（Mfz）MfzM本讲稿第十二页，共二十二页恒功率负载转矩特性恒功率负载转矩特性特点：当转速特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。变化时，负载功率基本不变。根据根据 如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。适用于金属切削车床。适用于金属切削车床。n=f（Mfz）Mfz本讲稿第十三页，共二十二页风机泵类负载风机泵类负载阻力与转速平方成正比，阻力与转速平方成正比，即有：即有：如水泵，油泵等，如图所如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在考虑了轴承示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦转矩后得出的实上的摩擦转矩后得出的实际鼓风机负载转矩。际鼓风机负载转矩。本讲稿第十四页，共二十二页负载转矩总结负载转矩总结在电力拖动系统中，负载转矩特性是指在电力拖动系统中，负载转矩特性是指Mfz与与n的关系，有几种类的关系，有几种类型。型。1、恒转矩负载特性、恒转矩负载特性（Mfz与与n无关，无关，Mfz保持常数）保持常数）（1）反抗性恒转矩负载 （2）位能性恒转矩负载0nMfz0nMfznMfznMfz提升重物放下重物2、恒功率负载特性（、恒功率负载特性（Mfz1/n）3、风机类负载特性（、风机类负载特性（Mfz=Kn2）0Mfzn0Mfzn返回本讲稿第十五页，共二十二页第二节第二节 多轴电力拖动系统运动方程式多轴电力拖动系统运动方程式教学要求：教学要求：1、生产实践中多为多轴电力拖动系统、生产实践中多为多轴电力拖动系统2、负载转矩的折算、负载转矩的折算3、工作机构直线作用力的折算、工作机构直线作用力的折算4、转动惯量即飞轮矩的折算、转动惯量即飞轮矩的折算 返回总目录本章目录下一节下一章上一节本讲稿第十六页，共二十二页生产实践中多为多轴电力拖动系统生产实践中多为多轴电力拖动系统工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出功率一工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出功率一定时，即定时，即P=M=常数，当常数，当 M ，由于，由于M=CmIs，则，则 Is 和和 ，Is 导线粗；导线粗；铁磁材料多。铁磁材料多。一般设计电动机速度高，通过提高一般设计电动机速度高，通过提高 降低降低 M,节节省材料。省材料。生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力系统多为多轴拖动系统。间必有减速装置，故一般电力系统多为多轴拖动系统。本讲稿第十七页，共二十二页 研究多轴电力拖动系统的方法：采用折算的方法，将研究多轴电力拖动系统的方法：采用折算的方法，将多轴折算成单轴，即将转动惯量（或飞轮矩）和负载转多轴折算成单轴，即将转动惯量（或飞轮矩）和负载转矩折算到一根轴上（一般多向电动机轴进行折算），然矩折算到一根轴上（一般多向电动机轴进行折算），然后再分析其运行情况。后再分析其运行情况。MD，n，DMfz，nfz，fz123465nn1n2nfz电动机轴电动机轴电动机轴电动机轴第一根轴第一根轴第一根轴第一根轴第二根轴第二根轴第二根轴第二根轴负载轴负载轴负载轴负载轴电动机折折算算折算原则折算原则：折算前后系统传递功率不变，系统的动能：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。不变。返回本讲稿第十八页，共二十二页负载转矩的折算负载转矩的折算折算原则：折算前后系统传送的功率不变。当电动机处于电动状态时（传动机构的损耗由电动机承担）：Mdx=Mfzjc1（这里，c为传动机构的效率，j为系统的传速比）j=DfzD1122fznn1n1n2n2nfzZ2Z1Z4Z3Z6Z5=j1 j2 jfz当电动机处于制动状态时（传动机构的损耗由负载承担）：Mdx=Mfz jc返回本讲稿第十九页，共二十二页工作机构直线作用力的折算工作机构直线作用力的折算在提升机构中（位能性恒转矩负载），已知直线力Ffz的情况：电动机FfzvfzGfz两种处理方法：1）Mfz=Ffz（卷筒半径与钢绳半径之和），再按负载转矩公式折算。2）将Ffz直接进行折算：折算公式：当电动机工作在电动状态（提升重物）时Mdx=9.55n cFfzvfz（这里，n为电动机轴上的转速）当电动机工作在制动状态（下放重物）时Mdx=9.55nFfzvfz c返回本讲稿第二十页，共二十二页转动惯量即飞轮矩的折算转动惯量即飞轮矩的折算MD，n，DMfz，nfz，fz123465nn1n2nfzmfz折算分两部分：1）各级齿轮和卷筒的转动惯量（转动部分）2）做直线运动的重物质量的折算（直线部分）转动惯量的折算原则是折算前后系统储存的动能不变。1）转动部分转动惯量即飞轮矩的折算公式：GDdx2=GDD2+GD12 +GD22 +GDfz21j121j12 j221j12 j22 jfz22）直线运动部件质量的折算公式：GDdx2=375Gfz（）2nvfz返回本讲稿第二十一页，共二十二页第三节第三节 传动机构的损耗和效率传动机构的损耗和效率教学要求（本节内容一般了解）：1、传动机构效率c的定义 c=2、多级齿轮传动效率的计算：c=c1 c2 c3 cn （多级齿轮传动机构的总效率是各级齿轮传动效率的乘积）3、提升机构传动效率的确定：c =2-（c 按齿轮传动效率方法计算）返回总目录本章目录下一章上一节PscPsrPscPsc+pMscMsc+MMscMsrc1本讲稿第二十二页，共二十二页