2 电力拖动系统动力学(电机与拖动基础).ppt

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1、2.1 电力拖动系统转动方程式电力拖动系统转动方程式2.3 负载转矩特性与电力拖动系统稳负载转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件定运行的条件第第 2 章章 电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学2.2 多轴电力拖动系统简化多轴电力拖动系统简化 一、电力拖动系统的基本概念一、电力拖动系统的基本概念 1.电力拖动电力拖动 拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动。拖动：原动机带动生产机械运转叫拖动。电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是电力拖动：电动机作为原动机，生产机械是负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称负载，电动机带动生产机械运转的拖动方式称电力拖动。电力拖动。2.2.电力拖动系统：用电动机将电

2、能转换成机械电力拖动系统：用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能，拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统。统。2.1 电力拖动系统转动方程式电力拖动系统转动方程式上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节3.3.电力拖动系统组成电力拖动系统组成电力拖动系统示意图电力拖动系统示意图传动机构生产机械控制系统电动机电源上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节4.4.典型生产机械运动形式及转矩典型生产机械运动形式及转矩电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可折算电力拖动系统：单轴（重点介绍）、多轴（可折算成单轴）。成单轴）。运动形式：旋转、平移、升降。运动形式：旋

3、转、平移、升降。机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。机械转矩形式：摩擦力产生、重力产生。电动机电动机 负载负载单轴电力拖动系统单轴电力拖动系统上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节二、单轴电力拖动系统转动方程式二、单轴电力拖动系统转动方程式单轴：生产机械与电动机同轴，即单轴：生产机械与电动机同轴，即: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 由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在：由牛顿第二定律知作直线运动的物体存在：上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节转动方程式转动方程式同理，对于作旋转运动的物体：同理，对于作旋转运动的物体：J J为电动机轴上总转动惯量单位为电动

4、机轴上总转动惯量单位kgkgmm2 2上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节 将运动方程式中，转动惯量将运动方程式中，转动惯量 J J 用飞轮矩用飞轮矩 GDGD2 2表示，角速度表示，角速度 用转速用转速 n n 表示，由于表示，由于J J与与GDGD2 2的的关系为关系为 所以所以 上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节说明说明:GDGD2 2是一个整体，不是是一个整体，不是G G与与D D2 2 的乘积，的乘积，GDGD2 2 由由产品样本或机械手册上查出。产品样本或机械手册上查出。GDGD2 2 中的中的 D D 为回转为回转直径，不是实际直径。直径，不是实际直径。上一

5、页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节转动方程式的分析转动方程式的分析 各转矩正方向的规定：各转矩正方向的规定：n n的正方向：顺时针；的正方向：顺时针；T T的正方向：当的正方向：当T T与与 n n（+）相同时为正；）相同时为正；T TL L的正方向：当的正方向：当T TL L 与与n n（+）方向相反时正；）方向相反时正；惯性转矩惯性转矩 T Tg g的方向：由的方向：由 T T 与与 T TL L的代数和来的代数和来决定。决定。上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节一、多轴系统一、多轴系统电动机电动机 负载负载多轴电力拖动系统多轴电力拖动系统2.2 多轴电力拖动系统简化多轴

6、电力拖动系统简化上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节上一上一节节二、多轴系统折算二、多轴系统折算 分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的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。这种方法称单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为为“折算折算”。折算原则折算原则：折算前后系统传递功率不变，系：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。统的动能不变。折算方向折算方向：一般是从生产机械轴向电动机轴：一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机。且电动机轴一折算。原因是研究对象是电动机。且电动机轴一般是高速。根据传送功率不变的原则，高速轴上般是高速

7、。根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。的负载转矩数值小。上一页上一页下一页下一页返返 回回下一下一节节上一上一节节 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 n=f f(T TL L)一、恒转矩负载特性一、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 n无关。无关。恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能性负载特性。性负载特性。2.3 负载转矩特性与电力拖动系统稳定负载转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件运行的条件上一页上一页下一

8、页下一页返返 回回上一上一节节1.1.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T TL L总是与转速总是与转速n 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 n为正，为正，T TL L与与n 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 n为负，为负，T TL L与与n 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。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节 当转速当转速n n=0=0时，外加时，外加转矩不足以使系统运动。转矩不足以使

9、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，这时反抗力负载转矩理，这时反抗力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。反抗性负载转矩特性反抗性负载转矩特性上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节2.2.位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性 特点：特点：T TL L的方向与的方向与n n的方向无关。的方向无关。T TL L具有具有固定不变的方向。固定不变的

10、方向。例如：起重机的提升机构，不论是提升重例如：起重机的提升机构，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，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。即重力产生的负载转矩方向固定。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节 例如：起重机的例如：起重机的提升机构，不论是提提升机构，不论是提升重物还是下放重物，升重物还是下放重物，重力的作用总是方向重力的作用总是方向朝下的。即重力产生朝下的。即重力产生的负载转矩方向固定的负载转矩方向固定不变，故在第一和第不变，故在第一和第四象限。四象限。位能性恒转矩负载转矩特性位能性恒转矩负载转矩特性上一页上一页下一页

11、下一页返返 回回上一上一节节二、恒功率负载转矩特性二、恒功率负载转矩特性特点：当转速特点：当转速n 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。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节 适用于金属切削车适用于金属切削车床。床。粗加工时，粗加工时，n n低，低，T T大；大；精加工时，精加工时，n n高，高，T T小。小。恒功率负载转矩特性恒功率负载转矩特性上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节三、通风机负载转矩特性三、通风机负载转矩特性 阻力与转速平方阻

12、力与转速平方成正比，即有：成正比，即有：如水泵，油泵等，如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在如图所示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦考虑了轴承上的摩擦转矩后得出的实际鼓转矩后得出的实际鼓风机负载转矩。风机负载转矩。恒功率负载转矩特性恒功率负载转矩特性上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节四、四、电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 电电力力拖拖动动系系统统由由于于受受到到外外界界某某种种短短时时的的扰扰动动离离开开了了原原平平衡衡状状态态，当当外外界界的的扰扰动动消消失失后后，系系统统能能恢恢复复到到原原来来的的转转速速，或或在在新新的的条条件件下下达达到到新新平平衡衡状状态

13、态，电电力力拖拖动动就就称称该该系系统统能能稳稳定定运运行行，否否则则就称为不稳定运行。就称为不稳定运行。为为了了使使系系统统能能稳稳定定运运行行，电电动动机机的的机机械械特特性性和和负负载载的的转转矩矩特特性性必必须须配配合合得得当当，这这就就是是电电力力拖拖动系统稳定运行的条件。动系统稳定运行的条件。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节 将电动机的机械特性和负载的转矩特性曲将电动机的机械特性和负载的转矩特性曲线画在同一张坐标图上，如图所示。图（线画在同一张坐标图上，如图所示。图（a a）和和图（图（b b）表示了电动机的两种不同的机械特性。表示了电动机的两种不同的机械特性。（a

14、a）稳定运行稳定运行 （b b）不稳定运行不稳定运行 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节 根据运动方程式，当电动机的电磁转矩根据运动方程式，当电动机的电磁转矩 等等于总负载转矩于总负载转矩 时，时，即即 为一恒定为一恒定值，说明系统在一个转速（匀速）下稳定运行。值，说明系统在一个转速（匀速）下稳定运行。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节分析分析 系统原工作在平衡点系统原工作在平衡点A A，这时电网电压，这时电网电压向下波动，从向下波动，从 U UN N 降到降到U U，在此瞬间由于机械，在此瞬间由于机械惯性，转速来不及变

15、化，从惯性，转速来不及变化，从A A点过渡到点过渡到B B点。点。负载转矩负载转矩T TL L 没变，则没变，则 U UN NI Ia aT TT T T TL L破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系破坏了原来的平衡状态。这时系统要减速，系统沿统沿BABA特性减速，特性减速，n nE Ea aI Ia aT T到到AA点点,T TAA=T TL L达到新的平衡状态。达到新的平衡状态。上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节nT0 0TLAD Dnn=f(T)n=f(TL)D DTLD DT 探讨稳定运行条件的示意图探讨稳定运行条件的示意图上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节 （充充分分条条件件）则则系系统统能能稳稳定定运运行行，上上式式即即为为稳定运行条件。对恒转矩负载稳定运行条件。对恒转矩负载,则则 ，即即电电磁磁转转矩矩的的变变化化与与转转速速的的变变化化要要异异号号,图图示示则则为为电电动动机机的的机机械械特特性性曲曲线线应应是是往下倾斜的。往下倾斜的。结论：若两条特性曲线有交点（必要条件），结论：若两条特性曲线有交点（必要条件），且在工作点上满足且在工作点上满足 在在 处处 上一页上一页下一页下一页返返 回回上一上一节节