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电拖第八章电力拖动系统的动力学基础1第1页，本讲稿共24页第八章 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成 电力拖动系统是由电动机拖动生产机械的系统，电力拖动系统是由电动机拖动生产机械的系统，生产机械称为电动机的负载。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、工作机构构、工作机构(生产机械生产机械)和电源和电源5部分组成。部分组成。电动机电动机控制设备控制设备电电 源源传动机构传动机构工作机构工作机构第一节第一节 电力拖动系统电力拖动系统的的运动方程式运动方程式2第2页，本讲稿共24页电动机电动机作为原动机，将电能转变为机械能。作为原动机，将电能转变为机械能。工作机构工作机构用于完成特定工作任务。用于完成特定工作任务。电源电源提供电能提供电能(发电机、输变电设备等发电机、输变电设备等)控制设备控制设备控制电动机的运动，由各种控制电机、控制电动机的运动，由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机、可编程序控电器、自动化元件及工业控制计算机、可编程序控制器等组成，从而对生产机械的运动实现自动控制。制器等组成，从而对生产机械的运动实现自动控制。传动机构传动机构用于变速或改变运动形式。大多数拖动用于变速或改变运动形式。大多数拖动系统中都有传动部分。系统中都有传动部分。3第3页，本讲稿共24页 电力拖动系统是由电动机拖动并通过传动机电力拖动系统是由电动机拖动并通过传动机构带动生产机械运转的构带动生产机械运转的一个动力学整体一个动力学整体，它所用，它所用的的电动机种类很多，生产机械的性质也各不相电动机种类很多，生产机械的性质也各不相同，运动形式也有多种同，运动形式也有多种，但从动力学的角度看，但从动力学的角度看，它们都它们都服从动力学的统一规律服从动力学的统一规律，因此，需要找，因此，需要找出它们普遍的运动规律，进行分析。首先研究出它们普遍的运动规律，进行分析。首先研究电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的动力学，建立电力拖动系统的运电力拖动系统的运动方程式动方程式。4第4页，本讲稿共24页一、一、运动方程式运动方程式(N.m)2.2.旋转运动方程式旋转运动方程式1.1.直线运动方程式直线运动方程式(N)阻力阻力拖动力拖动力质量质量加速度加速度阻转矩阻转矩拖动转矩拖动转矩转动惯量转动惯量角加速度角加速度合力合力合转矩合转矩5第5页，本讲稿共24页3.3.电力拖动系统电力拖动系统运动方程式运动方程式(实用形式实用形式)转动惯量转动惯量J可表示为可表示为(kg.m2)角速度角速度可表示为可表示为(r/min)将将J J、代入旋转运动方程式，得代入旋转运动方程式，得(N.m)其中其中,GD2称为称为飞轮矩飞轮矩(N.m2)，为一个，为一个整体物理量整体物理量，反映了转动体的惯性大小。反映了转动体的惯性大小。6第6页，本讲稿共24页1)1)当当T=TT=Tz z，dn/dt=0 dn/dt=0 时时,系统处于系统处于静止静止或或恒速恒速运行状态，即运行状态，即处于处于稳态稳态。2)2)当当T TT Tz z，dn/dtdn/dt0 0 时时,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于运行状态，即处于暂态暂态(动态动态)。3)3)当当T TT Tz z，dn/dtdn/dt0 0 时时,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于运行状态，即处于暂态暂态(动态动态)。电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在转轴上的各种转矩动状态取决于作用在转轴上的各种转矩。4.4.电力拖动系统的三种工作状态电力拖动系统的三种工作状态7第7页，本讲稿共24页二、二、运动方程式中转矩运动方程式中转矩转速转速正负号的规定正负号的规定(惯例惯例)运动方程式中的运动方程式中的T T、T Tz z、n n 等均为具有方向的物理量，等均为具有方向的物理量，建立方程时必须确定其正方向，即建立方程时必须确定其正方向，即决定其值的正负决定其值的正负。随着生产机械负载类型和工作状况的不同，电动机随着生产机械负载类型和工作状况的不同，电动机的运行状态将发生变化，即作用在电动机转轴上的电的运行状态将发生变化，即作用在电动机转轴上的电磁转矩（拖动转矩）和负载转矩（阻转矩）的大小和磁转矩（拖动转矩）和负载转矩（阻转矩）的大小和方向都可能发生变化。因此方向都可能发生变化。因此运动方程式中转矩和转速运动方程式中转矩和转速是带有正、负号的代数量是带有正、负号的代数量。在应用运动方程式时，必。在应用运动方程式时，必须考虑转矩、转速的正负号。须考虑转矩、转速的正负号。8第8页，本讲稿共24页 首先确定首先确定某一旋转方向为某一旋转方向为转速正方向转速正方向，规定：，规定：（1）转速的方向与规定正方向相同时）转速的方向与规定正方向相同时为正，相反时为负。为正，相反时为负。（2 2）电磁转矩）电磁转矩T Tem em(即拖动转矩即拖动转矩T T)与与规规定定转速正方向相同时为正，相反时为负。转速正方向相同时为正，相反时为负。（3 3）负载转矩）负载转矩T Tz z (已定义为阻转矩已定义为阻转矩)与与规定规定转速正方向相同为负，相反为正。转速正方向相同为负，相反为正。（4 4）加速转矩）加速转矩 的大小和正负号的大小和正负号由由T Temem和和T Tz z的代数和决定。的代数和决定。dtdnGD3752转矩转速正负号的规转矩转速正负号的规定：定：9第9页，本讲稿共24页第二节第二节 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算一、单轴与多轴系统一、单轴与多轴系统电动机与生产机械同轴联接的系统称为电动机与生产机械同轴联接的系统称为单轴系统单轴系统TzTJ 对单轴系统的运动可直接利用对单轴系统的运动可直接利用电力拖动系统运动方程电力拖动系统运动方程式式进行分析计算。进行分析计算。10第10页，本讲稿共24页在在多多轴轴系系统统中中，各各轴轴上上的的转转矩矩、转转速速、转转动动惯惯量量或或飞飞轮轮矩矩等等都都不不同同且且又又互互有有联联系系。另另外外还还有有一一些些工工作作机机构构是是作作直直线线运运动动。需需要要对对每每根根轴轴分分别别写写出出运运动动方方程程式式及及各各轴轴间间相相互互关关系系的的方方程程式式，并并根根据传动功率相等的原则联系，联立求解。显然这是较复杂的。据传动功率相等的原则联系，联立求解。显然这是较复杂的。实际拖动系统中实际拖动系统中,许多生产机械与电动机之问有若干级传许多生产机械与电动机之问有若干级传动机构，称为动机构，称为多轴系统多轴系统。11第11页，本讲稿共24页 对电力拖动系统来说，一般不需要详细研究系统中每对电力拖动系统来说，一般不需要详细研究系统中每根轴的问题，对工作机构的具体运动一般也不直接进行根轴的问题，对工作机构的具体运动一般也不直接进行分析计算。通常分析计算。通常只把电动机轴作为研究对象只把电动机轴作为研究对象。即采用即采用折算法折算法，将实际的多轴系统，将实际的多轴系统等效等效为单轴系统。为单轴系统。TzTzTT(a)JdJzzJ22J11J(b)(a)实际多轴系统实际多轴系统 (b)等效单轴系统等效单轴系统图图8-28-2 电力拖动系统示意图电力拖动系统示意图电动机轴电动机轴电动机轴电动机轴负载轴负载轴负载轴负载轴负载负载轴上轴上负载负载12第12页，本讲稿共24页折算原则：折算原则：1.系统传递功率不变系统传递功率不变(损耗在效率中考虑损耗在效率中考虑)。2.折算前后系统动能不变。折算前后系统动能不变。对电动机轴而言，折算前后的两个系统是等效的。对电动机轴而言，折算前后的两个系统是等效的。把实际的多轴系统或存在直线运动形式的系统等效把实际的多轴系统或存在直线运动形式的系统等效为单轴系统，需要将工作机构受到的为单轴系统，需要将工作机构受到的阻转矩阻转矩或或阻力阻力折折算到电动机轴上，各级传动机构的算到电动机轴上，各级传动机构的摩擦损耗等摩擦损耗等通常通常也需要折算到电动机轴上。系统中各轴上的也需要折算到电动机轴上。系统中各轴上的转动惯转动惯量量或或飞轮矩飞轮矩及作直线运动的及作直线运动的质量质量等也要折算到电动机等也要折算到电动机轴上。轴上。13第13页，本讲稿共24页二、工作机构转矩二、工作机构转矩 的折算的折算zT，由系统传递功率不变由系统传递功率不变得：得：j转速比，转速比，j=/z=n/nz不考虑损耗，不考虑损耗，14第14页，本讲稿共24页三、工作机构直线作用力的折算三、工作机构直线作用力的折算 由系统传递功率由系统传递功率不变不变得：得：不考虑损耗，不考虑损耗，图图8-3 8-3 起重机示意图起重机示意图vzFzGzTz15第15页，本讲稿共24页四、传动机构与工作机构飞轮矩的折算四、传动机构与工作机构飞轮矩的折算由系统动能不变由系统动能不变得：得：即：即：将：将：代入上式代入上式16第16页，本讲稿共24页五、工作机构直线运动质量的折算五、工作机构直线运动质量的折算由系统动能不变由系统动能不变直线运动的动能：直线运动的动能：电机轴上的动能：电机轴上的动能：得：得：将：将：代入上式代入上式17第17页，本讲稿共24页 折折算算后后，一一个个可可能能有有多多级级传传动动机机构构和和有有多多种种运运动动形形式式的的实实际际拖拖动动系系统统就就可可以以采采用用单单轴轴系系统统的的分分析析计计算算方方法法。在在以以后后本本书中提到的拖动系统都可认为是经过折算的书中提到的拖动系统都可认为是经过折算的单轴系统单轴系统。一个可能有多级传动机构和有多种运动形式的多一个可能有多级传动机构和有多种运动形式的多轴拖动系统，可轴拖动系统，可分别折算分别折算转动和直线运动部分的飞轮转动和直线运动部分的飞轮矩，其代数和即为电机轴上等效飞轮矩。矩，其代数和即为电机轴上等效飞轮矩。单轴系统：负载转矩即电机轴上转矩。负载转速即电单轴系统：负载转矩即电机轴上转矩。负载转速即电机轴的转速。机轴的转速。18第18页，本讲稿共24页第四节第四节 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 生产机械工作机构的负载转矩生产机械工作机构的负载转矩T Tz z与转速与转速n n的关系的关系T Tz z=f(n)=f(n)称为称为负载机械特性负载机械特性，也称为，也称为负载转矩特性负载转矩特性。生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。负载负载转矩特性转矩特性表示了负载转矩随转速变化表示了负载转矩随转速变化规律规律。生生产产机机械械品品种种繁繁多多，其其工工作作机机构构的的负负载载机机械械特特性性也也各各不不相相同同。但但经经过过统统计计分分析析，可可归归纳纳为为下下列列三三种种典典型型的负载机械特性的负载机械特性。19第19页，本讲稿共24页一、一、恒转矩负载特性恒转矩负载特性转速转速n n 变化时，变化时，负载转矩负载转矩Tz的大小不变。的大小不变。不考虑不考虑n n、T Tz z 的方向时，的方向时，Tz=Tz=常数常数。根据恒负载转矩的方向特点又分为反抗性和位能性根据恒负载转矩的方向特点又分为反抗性和位能性负载两种。负载两种。1.1.反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性 Tz的大小不变；的大小不变；Tz的的方向始终与的的方向始终与 运动方向相反。运动方向相反。特点：特点：T Tz zn-n0图图8-6 8-6 反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性 根据转动方程式里对根据转动方程式里对n、Tz正负符号的规定，当正负符号的规定，当n0时，时，Tz0，而，而n0时，时，Tz0，即，即 n,Tz 同号同号。20第20页，本讲稿共24页2.2.位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性T Tz zn-n0图图8-7 8-7 位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性 Tz的大小，方向均不变。的大小，方向均不变。与转速大小、方向无关与转速大小、方向无关。特点：特点：负载转矩是由重力作用负载转矩是由重力作用产生。随着转速方向的变产生。随着转速方向的变化，可能是制动转矩即阻化，可能是制动转矩即阻转矩，也可以是拖动转矩。转矩，也可以是拖动转矩。21第21页，本讲稿共24页二、通风机类二、通风机类负载特性负载特性 负载转矩负载转矩Tz的大小的大小基本与转速基本与转速n的平方成的平方成正比，即正比，即Tz=kn2。通风机类通风机类负载负载属于属于反抗性负载。即反抗性负载。即 n,Tz 同号同号。特点：特点：T Tz z-n0 0n图图8-8 8-8 通风机类负载特性通风机类负载特性22第22页，本讲稿共24页三、恒功率三、恒功率负载特性负载特性T Tz zn-n0 0图图8-9 8-9 恒功率负载特性恒功率负载特性 负载转矩负载转矩Tz的大的大小与转速小与转速n 成反比，成反比，即即Tz=k/n。恒功率负载属于恒功率负载属于反抗性负载。即反抗性负载。即 n,Tn,Tz z 同号同号。特点：特点：负载负载功率功率为常数为常数：23第23页，本讲稿共24页 应该指出，以上应该指出，以上3类是典型类是典型的负载特性，实际生产机械的的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的负载特性常为几种类型负载的相近或综合。例如实际相近或综合。例如实际通风机通风机负载，负载，电动机所受到的除电动机所受到的除通风通风机机负载转矩外，还有克服系统负载转矩外，还有克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩应是上述两个转矩之和。转矩应是上述两个转矩之和。图图8-10 8-10 实际的通风实际的通风 机负载特性机负载特性 (T (Tz1z1+T+Tz2z2)T Tz z0 0nTz1Tz2Tz24第24页，本讲稿共24页