第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)

1、 第1章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)Dynamics of Electric Drive Systems本章教學(xué)基本要求本章教學(xué)基本要求1.了解電力拖動基本概念；了解電力拖動基本概念；2.熟悉電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式；熟悉電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式；3.掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的概念。掌握拖動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的概念。重點(diǎn)：重點(diǎn)： 運(yùn)動方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動方程式和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。1.1典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動形式及轉(zhuǎn)矩典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動形式及轉(zhuǎn)矩1.1.1電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動電力拖動拖動：原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)叫拖動：原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)叫拖動拖動。 電力拖動：電動機(jī)作為原動機(jī)，生產(chǎn)機(jī)械是

2、負(fù)電力拖動：電動機(jī)作為原動機(jī)，生產(chǎn)機(jī)械是負(fù)載，電動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的拖動方式稱載，電動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的拖動方式稱電電力拖動力拖動。2.電力拖動系統(tǒng)：用電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，拖動電力拖動系統(tǒng)：用電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，拖動生產(chǎn)機(jī)械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)。生產(chǎn)機(jī)械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)。2.電力拖動系統(tǒng)組成電力拖動系統(tǒng)組成圖圖1-1 電力拖動系統(tǒng)電力拖動系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)生產(chǎn)機(jī)械控制系統(tǒng)電動機(jī)電源采用電力拖動主要原因采用電力拖動主要原因 現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用電現(xiàn)代化生產(chǎn)中，多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用電力拖動，主要原因是力拖動，主要原因是 ：1. 電能的運(yùn)輸、分配、控制方便經(jīng)濟(jì)。電

3、能的運(yùn)輸、分配、控制方便經(jīng)濟(jì)。2. 電動機(jī)的種類和規(guī)格很多，它們具有各種電動機(jī)的種類和規(guī)格很多，它們具有各種各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)各樣的特性，能很好的滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的不同要求。械的不同要求。3. 電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實電力拖動系統(tǒng)的操作和控制簡便，可以實現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操作等等。現(xiàn)自動控制和遠(yuǎn)距離操作等等。1.1.2典型生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動形式及轉(zhuǎn)矩典型生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動形式及轉(zhuǎn)矩n電力拖動系統(tǒng)：單軸（重點(diǎn)介紹）、多軸（可電力拖動系統(tǒng)：單軸（重點(diǎn)介紹）、多軸（可折算成單軸）。折算成單軸）。n運(yùn)動形式：旋轉(zhuǎn)、平移、升降。運(yùn)動形式：旋轉(zhuǎn)、平移、升降。n機(jī)械轉(zhuǎn)矩形式：摩擦力產(chǎn)生、

4、重力產(chǎn)生。機(jī)械轉(zhuǎn)矩形式：摩擦力產(chǎn)生、重力產(chǎn)生。n TT2M-電動機(jī)負(fù)載單軸電力拖動系統(tǒng)1.2單軸電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式單軸電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式n單軸：生產(chǎn)機(jī)械與電動機(jī)同軸，即單軸：生產(chǎn)機(jī)械與電動機(jī)同軸，即:n2.2.1 單軸電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式單軸電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式 由牛頓第二定律知作直線運(yùn)動的物體存在：由牛頓第二定律知作直線運(yùn)動的物體存在：LMLMnn或madtdvmFF21轉(zhuǎn)動方程式轉(zhuǎn)動方程式同理，對于作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體：同理，對于作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體： （1-1）J為電動機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動慣量單位為電動機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動慣量單位kgm2dtdJTTL實用公式實用公式n將運(yùn)動方程式中，轉(zhuǎn)動慣量將運(yùn)動

5、方程式中，轉(zhuǎn)動慣量 J 用飛輪矩用飛輪矩 GD2表示，角速度表示，角速度 用轉(zhuǎn)速用轉(zhuǎn)速 n 表示，表示，由于由于J與與GD2的關(guān)系為的關(guān)系為n （1-2）n所以所以n （1-3）gGDDgGmJ42222gLTdtdnGDTT3752說明說明分秒米單位 : 2604375gnGD2是一個整體，不是是一個整體，不是G與與D2 的乘積，的乘積， GD2 由產(chǎn)品樣本或機(jī)械手冊上查出。由產(chǎn)品樣本或機(jī)械手冊上查出。 GD2 中的中的 D 為回轉(zhuǎn)直徑，不是實際直徑。為回轉(zhuǎn)直徑，不是實際直徑。運(yùn)動方程式的分析運(yùn)動方程式的分析n 各轉(zhuǎn)矩正方向的規(guī)定：各轉(zhuǎn)矩正方向的規(guī)定：nn的正方向：順時針；的正方向：順時針；

6、nT的正方向：當(dāng)?shù)恼较颍寒?dāng)T與與 n（+）相同時為正；）相同時為正；nTL的正方向：當(dāng)?shù)恼较颍寒?dāng)TL 與與n（+）方向相反時為）方向相反時為正；正； n慣性轉(zhuǎn)矩慣性轉(zhuǎn)矩 Tg的方向：由的方向：由 T 與與 TL的代數(shù)和來的代數(shù)和來決定。決定。n （討論）（討論）各量表示法各量表示法上述各量可用軸的剖面圖或直角坐標(biāo)系來表示上述各量可用軸的剖面圖或直角坐標(biāo)系來表示nT0TLnTTLa軸的剖面圖軸的剖面圖b直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n、 、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T、 、負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的正方向的正方向1.3多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩折算折算n工程上為了節(jié)省材料，電動機(jī)轉(zhuǎn)速都

7、較高。輸出工程上為了節(jié)省材料，電動機(jī)轉(zhuǎn)速都較高。輸出功率一定時，即功率一定時，即P=T=常數(shù)，當(dāng)常數(shù)，當(dāng) T ，由于，由于T=CTIa ，則，則 Ia 和和 ， Ia 導(dǎo)線粗；導(dǎo)線粗； 鐵磁材料多。鐵磁材料多。n 一般設(shè)計電動機(jī)速度高，通過提高一般設(shè)計電動機(jī)速度高，通過提高 降低降低 T , 節(jié)省材料。節(jié)省材料。n 生產(chǎn)機(jī)械要求低速，而電動機(jī)設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，生產(chǎn)機(jī)械要求低速，而電動機(jī)設(shè)計的轉(zhuǎn)速較高，二者之間必有減速裝置，故一般電力多動系統(tǒng)多二者之間必有減速裝置，故一般電力多動系統(tǒng)多為多軸拖動系統(tǒng)。為多軸拖動系統(tǒng)。1.3.1多軸系統(tǒng)多軸系統(tǒng)n TM-電動機(jī)負(fù)載多軸電力拖動系統(tǒng)TL1.3.2多軸系

8、統(tǒng)折算多軸系統(tǒng)折算 分析多軸系統(tǒng)采用的方法是：用一個等分析多軸系統(tǒng)采用的方法是：用一個等效的單軸系統(tǒng)代替原來實際的多軸系統(tǒng)。這效的單軸系統(tǒng)代替原來實際的多軸系統(tǒng)。這種方法稱為種方法稱為“折算折算”。 折算原則折算原則：折算前后系統(tǒng)傳遞功率不：折算前后系統(tǒng)傳遞功率不變，系統(tǒng)的動能不變。變，系統(tǒng)的動能不變。 折算方向折算方向：一般是從生產(chǎn)機(jī)械軸向電動：一般是從生產(chǎn)機(jī)械軸向電動機(jī)軸折算。原因是研究對象是電動機(jī)。且電機(jī)軸折算。原因是研究對象是電動機(jī)。且電動機(jī)軸一般是高速。根據(jù)傳送功率不變的原動機(jī)軸一般是高速。根據(jù)傳送功率不變的原則，高速軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩數(shù)值小。則，高速軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩數(shù)值小。1.4負(fù)載的機(jī)

9、械特性負(fù)載的機(jī)械特性 負(fù)載的機(jī)械特性是指生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的機(jī)械特性是指生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系即：n=f(TL)n2.4.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，其大小與轉(zhuǎn)速小與轉(zhuǎn)速n無關(guān)。無關(guān)。 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載分：反抗性負(fù)載特性和位能恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載分：反抗性負(fù)載特性和位能性負(fù)載特性。性負(fù)載特性。1.反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n特點(diǎn)：恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)：恒值負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL總是與轉(zhuǎn)速總是與轉(zhuǎn)速n的方向的方向相反，即作用方向總是阻礙運(yùn)動的方向。相反，即作用方向總是阻礙運(yùn)動的方向。n 當(dāng)正轉(zhuǎn)時當(dāng)正轉(zhuǎn)時n為正，為正，

10、 TL與與n方向相反，應(yīng)方向相反，應(yīng)為正，即在第一象限為正，即在第一象限 n 當(dāng)反轉(zhuǎn)時當(dāng)反轉(zhuǎn)時n為負(fù)，為負(fù)， TL與與n方向相反，應(yīng)方向相反，應(yīng)為負(fù)，即在第三象限。為負(fù)，即在第三象限。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 當(dāng)轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時，外加時，外加轉(zhuǎn)矩不足以使系統(tǒng)運(yùn)動。轉(zhuǎn)矩不足以使系統(tǒng)運(yùn)動。根據(jù)作用力與根據(jù)作用力與 反作用力原反作用力原理，這時反抗力負(fù)載轉(zhuǎn)矩理，這時反抗力負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小和方向取決于外加轉(zhuǎn)大小和方向取決于外加轉(zhuǎn)矩的大小和方向。即與外矩的大小和方向。即與外加轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相加轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與橫反。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)與橫軸重合。例如軋機(jī)，機(jī)床軸重合。例如軋機(jī)

11、，機(jī)床刀架平移機(jī)構(gòu)等。刀架平移機(jī)構(gòu)等。nTn=f(TL)0-TLTL反抗性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性2.位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n特點(diǎn)：特點(diǎn)： TL的方向與的方向與n的方向無關(guān)。的方向無關(guān)。 TL具有具有固定不變的方向。固定不變的方向。n例如：起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)，不論是提升重例如：起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)，不論是提升重物還是下放重物，重力的作用總是方向朝物還是下放重物，重力的作用總是方向朝下的，即重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向固定。下的，即重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向固定。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 例如：起重機(jī)的提升例如：起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)，不論是提升重物機(jī)構(gòu)，不論是提升重物還是下放重物，重力的還是下放重物，

12、重力的作用總是方向朝下的。作用總是方向朝下的。即重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩即重力產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向固定不變，故在第方向固定不變，故在第一和第四象限。一和第四象限。nTn=f(TL)0TL位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.4.2. 恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n特點(diǎn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速特點(diǎn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時，負(fù)載功率基本不變。變化時，負(fù)載功率基本不變。n根據(jù)根據(jù) n如車床的主軸機(jī)構(gòu)和軋鋼機(jī)的主傳動。如車床的主軸機(jī)構(gòu)和軋鋼機(jī)的主傳動。n適用于金屬切削車床。適用于金屬切削車床。 nPPT260 22L常數(shù)LTP2nTL1恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩n適用于金屬切削車適用于金屬切削車床。床。 粗加工時粗加工時，n 低，低，T 大；大； 精加工時，精加工時，n 高，高， T小。小。nTLn=f(TL)0恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.4.3風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載n阻力與轉(zhuǎn)速平方成正阻力與轉(zhuǎn)速平方成正比，即有：比，即有：n如水泵，油泵等，如如水泵，油泵等，如圖所示，虛線是在考圖所示，虛線是在考慮了軸承上的摩擦轉(zhuǎn)慮了軸承上的摩擦轉(zhuǎn)矩后得出的實際鼓風(fēng)矩后得出的實際鼓風(fēng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 2L2 nTknTL或nTn=f(