第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ).

1、 本章主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程；工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算折算及負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。為介紹電力拖動的機(jī)械特性與過渡過程等內(nèi)容準(zhǔn)備必要的理論基礎(chǔ)。 拖動：由原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)拖動：由原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn) 電力拖動：以電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的拖電力拖動：以電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的拖動方式動方式 一般情況下，電力拖動系統(tǒng)由一般情況下，電力拖動系統(tǒng)由電動機(jī)電動機(jī)、生產(chǎn)生產(chǎn)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備及電機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備及電源源 5 5 大部分組成。大部分組成。電源電源控制設(shè)備控制設(shè)備電動機(jī)電動機(jī)傳動和工作機(jī)構(gòu)傳動和工作機(jī)構(gòu)電力拖動系統(tǒng)示意圖電力拖動系統(tǒng)示意圖 在許多情況

2、下，電動機(jī)與工作機(jī)構(gòu)之間在許多情況下，電動機(jī)與工作機(jī)構(gòu)之間有傳動機(jī)構(gòu)。有傳動機(jī)構(gòu)。 通常把機(jī)械的通常把機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)機(jī)械的及生產(chǎn)機(jī)械的工工作機(jī)構(gòu)作機(jī)構(gòu)稱為稱為 電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)帶動負(fù)載的力學(xué)電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)帶動負(fù)載的力學(xué)問題是我們要討論的主要問題。問題是我們要討論的主要問題。 電力拖動系統(tǒng)中有的部件作電力拖動系統(tǒng)中有的部件作直線運(yùn)動直線運(yùn)動、有的部件作有的部件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。采用古典動力學(xué)來分。采用古典動力學(xué)來分析。析。一一. .運(yùn)動方程式運(yùn)動方程式1.1.直線運(yùn)動時的運(yùn)動方程式直線運(yùn)動時的運(yùn)動方程式F - -拖動力拖動力（N）；Fz - -阻力阻力（N N）；m(d

3、v/dt)-慣性力。慣性力。作直線運(yùn)動的物體作直線運(yùn)動的物體2.2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時的方程式為：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時的方程式為：T - -電動機(jī)產(chǎn)生的拖動轉(zhuǎn)矩電動機(jī)產(chǎn)生的拖動轉(zhuǎn)矩(Nm)；Tz - -阻轉(zhuǎn)矩（或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩）阻轉(zhuǎn)矩（或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩）(Nm)；J(d/dt)-慣性轉(zhuǎn)矩（或稱加速轉(zhuǎn)矩）。慣性轉(zhuǎn)矩（或稱加速轉(zhuǎn)矩）。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體3.3.轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量 J 表示為表示為: :m 與與 G - - 旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量（kg）與重量與重量(N)； 與與 D - - 慣性半徑與直徑慣性半徑與直徑（m）；g = 9.81m/s2 - - 重力加速度。重力加速度。轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量 J 的單

4、位為的單位為 kgm2或或N m2gGDDgGmJ42222實(shí)際計(jì)算中常將實(shí)際計(jì)算中常將 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式 化為另一化為另一種形式種形式即將角速度即將角速度 （rad/s）化成用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)化成用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) n (r/min) 表示的形式表示的形式這樣有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式的實(shí)用形式這樣有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式的實(shí)用形式4.4.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式的實(shí)用形式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程式的實(shí)用形式GD2 - - 稱為飛輪矩稱為飛輪矩（Nm2）5.5.電動機(jī)的工作狀態(tài)電動機(jī)的工作狀態(tài)l穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)當(dāng)當(dāng) T = TZ，dn/dt=0，n =常值，電動機(jī)常值，電動機(jī)靜止或靜止或等速旋轉(zhuǎn)等速旋轉(zhuǎn)l加速狀態(tài)加速狀態(tài)

5、當(dāng)當(dāng) T TZ，dn/dt 0l減速狀態(tài)減速狀態(tài) 當(dāng)當(dāng) T TZ，dn/dt 0) 或吸收的機(jī)械功率或吸收的機(jī)械功率 （ T 0) 或釋放的機(jī)械功率或釋放的機(jī)械功率 (TZ 0) 拖動系統(tǒng)動能拖動系統(tǒng)動能 的變化的變化dtdJTTZ)21(2JdtddtdJTTZ2.2 工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的折算實(shí)際拖動系統(tǒng)的軸常是不止一根，這種系統(tǒng)實(shí)際拖動系統(tǒng)的軸常是不止一根，這種系統(tǒng)顯然比一根軸的系統(tǒng)要復(fù)雜，計(jì)算起來也較顯然比一根軸的系統(tǒng)要復(fù)雜，計(jì)算起來也較為困難；為困難；如要全面研究這個系統(tǒng)的問題，必須：如要全面研究這個系統(tǒng)的問題，必須： 對每根軸列出其相應(yīng)的運(yùn)動方程式；對每根

6、軸列出其相應(yīng)的運(yùn)動方程式；列出各軸間互相聯(lián)系的方程式；列出各軸間互相聯(lián)系的方程式；最后把這些方程式聯(lián)系起來，全面地研究系最后把這些方程式聯(lián)系起來，全面地研究系統(tǒng)的運(yùn)動。統(tǒng)的運(yùn)動。問題！這種方法研究系統(tǒng)太復(fù)雜！問題！這種方法研究系統(tǒng)太復(fù)雜！多軸系統(tǒng)到單軸的簡化多軸系統(tǒng)到單軸的簡化對電力拖動系統(tǒng)而言，通常把對電力拖動系統(tǒng)而言，通常把電動機(jī)軸作為電動機(jī)軸作為研究對象研究對象即可即可解決途徑：解決途徑：把實(shí)際的拖動系統(tǒng)等效為單軸系統(tǒng)把實(shí)際的拖動系統(tǒng)等效為單軸系統(tǒng)等效原則：等效原則：保持兩個系統(tǒng)保持兩個系統(tǒng)傳送的功率傳送的功率及及儲存的動能儲存的動能相同相同一一.工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩 Tz的折算的折

7、算用電動機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩用電動機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩 Tz 來反映工作來反映工作機(jī)構(gòu)軸上實(shí)際轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)軸上實(shí)際轉(zhuǎn)矩 Tz的工作的工作折算的原則：折算的原則： 系統(tǒng)的系統(tǒng)的傳送功率傳送功率不變不變多軸系統(tǒng)到單軸的簡化多軸系統(tǒng)到單軸的簡化若不考慮中間傳動機(jī)構(gòu)的損耗若不考慮中間傳動機(jī)構(gòu)的損耗有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：轉(zhuǎn)速比，轉(zhuǎn)速比，j = /Z = n/nz 解決問題的思路：解決問題的思路： 將傳動機(jī)構(gòu)各軸的轉(zhuǎn)動慣量將傳動機(jī)構(gòu)各軸的轉(zhuǎn)動慣量 J1 、J2 、J3 .及工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量及工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量 Jz 折算到電動機(jī)軸折算到電動機(jī)軸上，用電動機(jī)軸上一個等效的轉(zhuǎn)動慣量上，用電動機(jī)軸上一個等效的轉(zhuǎn)動慣量 J來

8、反映整個拖動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速不同的各軸的轉(zhuǎn)來反映整個拖動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速不同的各軸的轉(zhuǎn)動慣量動慣量二二. 飛輪矩的折算飛輪矩的折算折算原則：折算原則： 實(shí)際實(shí)際系統(tǒng)與等效系統(tǒng)系統(tǒng)與等效系統(tǒng)儲存動能儲存動能相等相等。有有下列下列關(guān)系：關(guān)系：考慮到考慮到 GD2 = 4gJ， = 2n/60，得得2.32.3 考慮傳動機(jī)構(gòu)損耗的簡化方法考慮傳動機(jī)構(gòu)損耗的簡化方法傳動機(jī)構(gòu)損耗的簡化考慮方法可在折算公式中引傳動機(jī)構(gòu)損耗的簡化考慮方法可在折算公式中引入傳動效率入傳動效率 c 一一.工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩 Tz的簡化折算的簡化折算 1.電動機(jī)工作在電動狀態(tài)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)電動機(jī)帶動工作機(jī)構(gòu)，功率由電動機(jī)向工作機(jī)

9、構(gòu)電動機(jī)帶動工作機(jī)構(gòu)，功率由電動機(jī)向工作機(jī)構(gòu)傳送傳送傳動損耗由電動機(jī)承擔(dān)傳動損耗由電動機(jī)承擔(dān)電動機(jī)發(fā)出的功率比生產(chǎn)機(jī)構(gòu)消耗的功率大電動機(jī)發(fā)出的功率比生產(chǎn)機(jī)構(gòu)消耗的功率大2.電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)l工作機(jī)構(gòu)帶動電動機(jī)，功率傳送方向與電動狀工作機(jī)構(gòu)帶動電動機(jī)，功率傳送方向與電動狀態(tài)時相反態(tài)時相反l傳動損耗功率由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)傳動損耗功率由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)l傳送到電動機(jī)軸上的功率較工作機(jī)構(gòu)軸上的功傳送到電動機(jī)軸上的功率較工作機(jī)構(gòu)軸上的功率小率小c 為傳動機(jī)構(gòu)總效率，在多級傳動時，如為傳動機(jī)構(gòu)總效率，在多級傳動時，如各級效率為各級效率為 c1、c2、c3.,則則 c 應(yīng)為：應(yīng)為：

10、c = c1 c2 c3. 每對齒輪（用滾動軸承）的滿載效率為每對齒輪（用滾動軸承）的滿載效率為 0.975 0.985；蝸輪蝸桿傳動的滿載效率為；蝸輪蝸桿傳動的滿載效率為 0.5 0.7 ，可由機(jī)械工程手冊上查到?？捎蓹C(jī)械工程手冊上查到。u 多軸系統(tǒng)多軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng)單軸系統(tǒng) 將將其它軸上其它軸上的轉(zhuǎn)矩、飛輪矩的轉(zhuǎn)矩、飛輪矩折算折算到到電動機(jī)軸電動機(jī)軸上上T GD2等效負(fù)載等效負(fù)載電動機(jī)電動機(jī)TZ電動機(jī)電動機(jī)工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)T j11j222TZ zGDd2GD12GDZ2 1二、二、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩折算折算轉(zhuǎn)矩折算的原則：轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變系統(tǒng)傳遞的功率不變czz

11、TzTjczTzczTzT1. 電動狀態(tài)電動狀態(tài)T GD2等效負(fù)載等效負(fù)載電動機(jī)電動機(jī)TZ電動機(jī)電動機(jī)工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)T j11j222TZ zGDd2GD12GDZ2 1.321321jjjjTTczzz 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)總速比轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)總速比轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)總效率轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)總效率到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩工作軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算工作軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算工作軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩工作軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩工作軸角速度工作軸角速度電機(jī)軸角速度電機(jī)軸角速度 發(fā)電制動狀態(tài)：功率由工作機(jī)構(gòu)發(fā)電制動狀態(tài)：功率由工作機(jī)構(gòu)電機(jī)電機(jī)czzTzTcjzTczzTzT2. 發(fā)電制動狀態(tài)發(fā)電制動狀態(tài)轉(zhuǎn)矩折算的原則：轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不

12、變系統(tǒng)傳遞的功率不變?nèi)?、三、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的飛輪矩折算的飛輪矩折算飛輪矩折算的原則：飛輪矩折算的原則：系統(tǒng)儲存的動能不變系統(tǒng)儲存的動能不變221.21121221221zzJJdJJg42GD22DgG2mJ 60/2n221.21121221221zzJJdJJg42GD22DgG2mJ 60/2n21.22211121112.222211zjzJjjJjJdJzzJJJdJJ22.222122212122zjzGDjjGDjGDdGDGD四、平移運(yùn)動的四、平移運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩與飛輪矩轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算的折算總質(zhì)量總質(zhì)量mz電動機(jī)電動機(jī)刨刀刨刀TnVFT Jz等效負(fù)載等效負(fù)載電動機(jī)電動機(jī)TzFv

13、P 切削功率1.1.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩的折算的折算ncFvncFvcFvzTcFvzT55.9260 折算前后功率不變四、平移運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算四、平移運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算2.2.飛輪矩飛輪矩的折算的折算26024221221221ngzGDzJvzm223652602242nvzGnvzgmzGD其它軸上的飛輪矩其它軸上的飛輪矩的折算按旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方法的折算按旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的方法五、升降運(yùn)動的五、升降運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩與飛輪矩轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算的折算T GD2等效負(fù)載等效負(fù)載電動機(jī)電動機(jī)Tz電動機(jī)電動機(jī)滾筒滾筒T j11j222 zGDd2GD12GD22 1mv v提升運(yùn)動：電動機(jī)為電動狀態(tài)提升運(yùn)動：電動

14、機(jī)為電動狀態(tài)下降運(yùn)動：電動機(jī)為發(fā)電狀態(tài)下降運(yùn)動：電動機(jī)為發(fā)電狀態(tài)1.1.提升運(yùn)動：方法同平移運(yùn)動提升運(yùn)動：方法同平移運(yùn)動(1).(1).轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩的折算的折算ncFvzT55. 9平移ncvzGncmgvzT55. 955. 9提升2.2.下降運(yùn)動下降運(yùn)動55. 9cnvzGzTcvzGvzGvzGcvzG下降提升cccc12111當(dāng)提升和下降的傳動損耗相同當(dāng)提升和下降的傳動損耗相同飛輪矩的折算按動能不變原則飛輪矩的折算按動能不變原則(2).(2).飛輪矩飛輪矩的折算：不論提升還是下降運(yùn)動的折算：不論提升還是下降運(yùn)動223652nvzGzGD 平移223652nvzGzGD 提升2.42.4 生

15、產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性阻轉(zhuǎn)矩（或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩）阻轉(zhuǎn)矩（或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩）TZ 與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速 n 的關(guān)的關(guān)系系 TZ=f(n)即為生產(chǎn)機(jī)械的即為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性,分為三大類：分為三大類：l恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載矩負(fù)載l通風(fēng)機(jī)負(fù)載通風(fēng)機(jī)負(fù)載l恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)：特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TZ 與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速 n 無關(guān)。無關(guān)。即即當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TZ 保持常值。保持常值。又可分為：又可分為：1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 反抗性恒轉(zhuǎn)矩

16、負(fù)載的特點(diǎn)：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)：恒值轉(zhuǎn)矩恒值轉(zhuǎn)矩 Tz 總總是反對運(yùn)動方向是反對運(yùn)動方向 摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如金屬的壓延、機(jī)床的平摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如金屬的壓延、機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)等移機(jī)構(gòu)等2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載l位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)：位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩 Tz具有固具有固定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變定的方向，不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變l如起重機(jī)類型負(fù)載中的重物如起重機(jī)類型負(fù)載中的重物位能性恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩位能性恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩二二. .通風(fēng)機(jī)負(fù)載通風(fēng)機(jī)負(fù)載 l特點(diǎn)：特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比速的平方成正比，即，即 Tz = K n2l此類負(fù)載有通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等。此類負(fù)載有通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等。三三. .恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載l車床在粗加工時，切削量大，切削阻力大，車床在粗加工時，切削量大，切削阻力大，開低速；精加工時，切削量小，切削力小，開低速；精加工時，切削量小，切削力小，開高速。開高速。l特點(diǎn)：特點(diǎn)：負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，即，即 負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz 與與 n 的特性曲線呈現(xiàn)恒功的特性曲線呈現(xiàn)恒功