第二章电力拖动系统动力学教案.doc

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1、第二章 电力拖动系统动力学电力拖动就是应用电动机驱动生产机械运动，以完成一定的生产任务。 一般情况下，电力拖动系统可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成部分，如图21所示。电动机把电能转换成机械动力，用以拖动生产机械的某工作机构，工作机构是生产机械为执行某一任务的机械部分。控制设备是由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机等组成的，用以控制电动机的运动，从而对工作机构的运动实现自动控制。为了向电动机及一些电气控制设备供电，在电力拖动系统中还设有电源。 要指出的是，在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传动机构，它把电动机的转动经过中间变速或变换运动方式后再传给

2、生产机械的工作机构。图21 电力拖动系统组成2.1 电力拖动系统运动方程2.1.1 电力拖动系统运动方程图22为一单轴电力拖动系统，电动机在电力拖动系统中作旋转运动时，必须遵循下列基本的运动方程式。图22 单轴电力拖动系统旋转运动的方程式为 （22）式中，为电动机产生的拖动转矩()；为负载转矩( )；为惯性转矩(或称动转矩)，为转动惯量可用下式表示 （23）式中，、分别为旋转部分的质量()与重量()；、分别为转动惯性半径与直径()；为重力加速度,；的单位为。 需要说明的是，式（22）中忽略了电动机本身的损耗转矩，认为电动机产生的电磁转矩全部用来拖动负载。这一点将在以后的内容详细介绍。在实际计算

3、中常用式（22）的另一种形式。即将角速度 (的单位为，的单位为)代入式（22）得运动方程式实用形式： （24）式中，为飞轮矩()，；系数是具有加速度量纲的系数。电动机的转子及其他转动部件的飞轮矩的数值可由相应的产品目录中查到，但是应注意将单位化成国际单位制（乘以）。电动机的工作状态可由运动方程式表示出来。分析式（24）可见（1） 当，则常值，电力拖动系统处于稳定运转状态；（2） 当，电力拖动系统处于加速过渡过程状态中；(3) 当，电力拖动系统处于减速过渡过程状态中。 2.1.1 运动方程式中转矩的符号分析 应用运动方程式，通常以电动机轴为研究对象。由于电动机运转状态的不同以及生产机械负载类型的

4、不同，电动机轴上的拖动转矩及负载转矩不仅大小不同，方向也是变化的。运动方程式可写成下列一般形式： （25）式（25）中拖动转矩及负载转矩前均带有正负符号，并作如下规定：如设定电力拖动系统的正方向，则拖动转矩的方向如果与所设定的正方向相同，前带正号，相反时带负号。在式（25）中，由于负载转矩前已带有负号，因此其正负号的规定恰与拖动转矩的规定相反。即当负载转矩的方向与设定的旋转正方向相同时，负载转矩前取负号，相反时则取正号。本书的计算中，均规定电力拖动系统的正向电动机转向为系统的正方向。不太通顺上面的规定也可归纳为：拖动转矩与规定正向相同取正，相反取负；负载转矩与规定正向相同取负，相反取正。 惯性

5、转矩的大小及正负符号由拖动转矩及负载转矩的代数和来决定。2.2 复杂电力拖动系统的简化实际拖动系统的传动轴常是多根，如图23（a）所示，图中采用三个轴把电动机角速度变成符合于工作机构需要的角速度。在不同的轴上各有其本身的转动惯量及转速，也有相应的反映电动机拖动的拖动转矩及反映工作机构工作的负载转矩。通常只要把电动机轴作为研究对象即可。因此，需要进行折算，即把实际的拖动系统等效为单轴系统。折算的原则是：保持折算前后系统传送的功率及储存的动能不变。这样图23（a）所示的多轴系统就折算为图23（b）所示的单轴拖动系统，分析计算大为简化。如图23（a）中所示电力拖动系统中，以电动机轴为折算对象，需要折

6、算的参量为：工作机构转矩，传动机构的转动惯量，工作机构的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所得克服的阻力折算到电动机轴上去。 （a） （b)图23 电力拖动系统示意图 （a）传动图； （b）等效折算图2.2.1 工作机构为旋转运动的简化一、工作机构转矩的折算设一个两轴传动机构，如图24所示。折算前工作机构转矩为，折算前工作机构转轴的角速度为。折算到电动机转轴后工作机构转矩为，折算到电动机转轴的角速度为。折算的原则是系统的传送功率不变。图24 两轴系统的折算示意图若不考虑中间传动机构的损耗。按传送功率不变的原则，应有如下的关系： （27） （28）式中，为电

7、动机轴与工作机构轴间的转速比，。传动机构如系多轴齿轮或带轮变速，而已知每级速比为、，则总的转速比为各级速比的乘积，即 （29） 在一般设备上，电动机多数是高转速的，而工作机构轴是低转速的，故；在一些设备上，如高速离心机等，电动机的转速比工作机构轴的转速低，这时。若考虑中间传动机构的损耗，按传送功率不变的原则，应有如下的关系 （210）式中，为传动机构总效率，等于各级传动机构效率乘积，即 考虑中间传动机构的损耗，传动机构转矩损耗为 （211）在图23所示的电力拖动系统中，负载由电动机拖着转，电磁转矩为拖动性质转矩，由电动机负担。二、传动机构与工作机构转动惯量和飞轮矩的折算 在多轴系统中，必须将传

8、动机构各轴的转动惯量、及工作机构的转动惯量折算到电动机轴上，用电动机轴上一个等效的转动惯量(或飞轮矩)来反映整个拖动系统转速不同的各轴的转动惯量(或飞轮矩)的影响。各轴转动惯量对运动过程的影响直接反映在各轴转动惯量所储存的动能上，因此折算必须以实际系统与等效系统储存动能相等为原则。当各轴的角速度为、时，得下列关系： （212） （213）化成用飞轮矩及 ()表示的形式，考虑到 （214）一般情况下，在系统总的飞轮矩中，占最大比重的是电动机轴上的飞轮矩，其次是工作机构的上的飞轮矩的折算值，占比重较小的是传动机构各轴上的飞轮矩的折算值。在实际工作中，为了减少折算的麻烦，往往采用下式估算出系统的总飞

9、轮矩： （215）式中，为电动机轴上的飞轮矩；为若电动机轴上只有传动机构中第一级小齿轮时，若电动机轴上有其他部件如抱闸等，的数值需要加大。例21 图23所示的电力拖动系统中，已知电动机的飞轮矩，传动机构的飞轮矩，工作机构的飞轮矩，传动机构的效率，工作机构的转矩，转速，忽略电动机空载转矩，求：（1） 折算到电动机轴上的系统总飞轮矩；（2） 折算到电动机轴上的负载转矩。解：（1）折算到电动机轴上的系统总飞轮矩（2）折算到电动机轴上的负载转矩2.2.2 工作机构为直线运动的简化某些生产机械具有直线运动的工作机构，如起重机的提升机构，其钢绳以力吊质量为的重物，以速度等速上升或下降，如图25所示。 图2

10、5 起重机示意图另外，如刨床工作台带动工件前进，以某一切削速度进行切削，也是直线运动机构的例子。无论是钢绳拉力或刨床切削力都将在电动机轴上反映一个负载转矩，折算原则以传送功率不变。以图25为例，介绍折算方法。一、工作机构转矩的折算若不考虑传动损耗，折算时根据传送功率不变，可写出如下关系式 （216）把电动机角速度换算成转速，则 （217）式中，为工作机构直线作用力()；为重物提升速度()；为力折算为电动机轴上的阻转矩。若考虑传动损耗，折算时根据传送功率不变，可写出如下关系式 （218）式中，为传动机构总效率，等于各级传动机构效率乘积，即 。 当电动机提升重物时，传动机构损耗的转矩由电动机承担；

11、当下放重物时，传动机构损耗的转矩由负载承担；提升重物时传动机构的效率为，下放同一重物时传动机构的效率为，它们之间的关系为 （219）下放同一重物时电动机的负载转矩为 （220）二、工作机构质量的折算以图25为例，重物上升或下放中，在其质量中储存着动能。由于重物的直线运动由电动机带动，是整个系统的一部分，因此必须把速度()的质量折算到电动机轴上。用电动机的上的一个转动惯量为的转动体与之等效。折算的原则是转动惯量及质量中储存的动能相等，即 （221）把，代入化简可得： （222）例22 图25所示的起重机中，已知减速箱的速比，提升重物时效率，卷筒直径，空钩重量，所吊重物，电动机的飞轮矩，当提升速度

12、为时，求（1） 电动机的转速；（2） 忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩；（3） 以下放该重物时，电动机的负载转矩。解：（1）电动机的转速（2）忽略空载转矩时电动机所带的负载转矩（3）以下放该重物时，下放同一重物时传动机构的效率电动机的负载转矩2.3 电力拖动系统的负载特性在运动方程式中，负载转矩与转速的关系称为负载转矩特性。负载转矩的大小和多种因素有关。以车床主轴为例，当车床切削工件时切削速度、切削量大小、工件直径、工件材料及刀具类型等都有密切关系。大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为三种类型，恒转矩负载特性、恒功率负载特性和风机、泵类负载特性。2.3.1 恒转矩负载特性所谓恒转矩负载特性，

13、就是指负载转矩与负载转速无关的特性，当转速变化时，转矩保持常值。恒转矩负载特性多数是反抗性的，也有位能性的。反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒值转矩总是与运动方向相反。根据第二章第一节中对正负符号的规定，当正转时为正，转矩为反向，应取正号，即为（）；而反转时为负，转矩为正向，应变为（）；如图26所示。显然，反抗性恒转矩负载特性应在第一与第三象限内。皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构等由摩擦力产生转矩的机械，都是反抗性恒转矩负载。 位能性恒转矩负载特性则与反抗性恒转矩负载特性不同，它由拖动系统中某些具有位能的部件(如起重类型负载中的重物)造成。其特点是转矩具有固定的方向，不随转速方向改变

14、而改变。如图27所示，不论重物被提升(为正)或下放(为负)，负载转矩始终为反方向（）。特性在第一与第四象限内，表示恒值特性的直线是连续的。 没标 图26 反抗性恒转矩负载特性 图27 位能性恒转矩负载特性实际中的机床刀架等机构在平移时，负载的性质基本上是反抗性恒转矩负载，但从静止状态起动及当转速还很低时，由于润滑油没有散开，静摩擦系数较动摩擦系数大，摩擦阻力较大。另外，当传动机构在旋转时，有一些油或风的阻力，带通风机负载的性质，导致在转速较高时，负载转矩会略见增高。考虑到这些因素后，机床平移机构的实际负载特性如图28所示。图28 机床平移机构的实际负载特性2.3.2 恒功率负载特性一些机床，如

15、车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，切削力小，往往开高速。在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，切削功率基本不变，即 （222）式中，为常数；为负载(切削)功率()。可见，负载转矩与转速呈反比，切削功率基本不变，特性曲线呈恒功率的性质。恒功率负载特性如图29所示。从图中可以看出A点所对应的阴影面积与B点所对应的相等。 图29 恒功率负载特性 2.3.3 泵类负载特性风机、泵类负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比 （222）式中，为比例常数。 风机、泵类负载特性如图210所示。属于通风机负载的生产机械有通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油

16、等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。 图210 风机、泵类负载特性 图211 实际风机、泵类负载特性实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩，因而实际通风机负载特性为，如图211所示。除了上述几种类型的生产机城外，还有一些生产机械具有各自的负载特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的负载转矩随转角而变化；而球磨机，碎石机等生产机械，其负载转矩则随时间作无规律的随机变化等等。*2.3.4 电力拖动交通车辆的阻力曲线电力拖动的交通车辆是另一种典型的电力拖动系统。列车的运行阻力包括基本阻力和附加阻力

17、。一、基本阻力基本阻力主要由轴承摩擦阻力、车轮与钢轨耦合产生的滚动阻力和滑动阻力、车轮与钢轨的冲击与震动产生的阻力，空气阻力。由于构成基本阻力的因素很多，一般通过大量的试验确定对不同型号和编组的列车的经验公式近似表征列车的基本阻力。如城市轨道交通系统中的广州地铁列车基本阻力计算式为 （223）式中，为单位基本阻力，即每单位列车重量（）的基本阻力（），表示为()；为列车运行速度。当已知列车总重的数以后，不难计算列车的总基本阻力。基本阻力曲线如图212所示。 图212 列车基本阻力曲线图212中，纵坐标表示列车运行速度，横坐标表示阻力。 二、附加阻力 附加阻力是线路或隧道等原因形成的，包括坡道附加

18、阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。坡道附加阻力是当机车、车辆在坡道上运行时，其重力沿坡道方向的分力引起的；曲线附加阻力是因为机车、车辆通过曲线时，车轮和钢轨产生的摩擦引起的；隧道附加阻力是由隧道空气对机车、车辆产生额外阻力。其中曲线附加阻力和隧道附加阻力无论列车运行方向如何，其阻力值始终为正；坡道附加阻力在列车上坡时为正，下坡时为负。所以列车在长大下坡时的附加阻力可能会达到负值，如图213 所示。 图213 长大下坡时的单位附加阻力 三、合成阻力 合成阻力就是列车的总阻力，包括基本阻力和附加阻力。将图212和图213的阻力合成，可得合成阻力曲线如图214所示。 图214 列车的合成阻力曲线 从

19、图214可以看出，列车阻力可以为负值。这一阻力特性在城市无轨电车、城市轨道交通车辆和电力机车牵引的干线铁路车辆中常常可以遇到。2.4 电力拖动系统的稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行包含两重含义：一是系统应能以一定的转速匀速运转，二是系统受某种外部干扰(如电压波动、负载转矩波动等)使转速稍有变化时，应保证在干扰消除后，系统能恢复到原来的运行速度。为保证系统能以一定转速匀速运行必要条件是电动机轴上的拖动转矩和负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。在坐标平面上，这意味着电动机的机械特性曲线和生产机械的机械特性曲线必须有交点，如图215所示。图215 稳定工作点的判别 图中曲线1为异步电动机的机械特

20、性，曲线2为电动机拖动的生产机械的机械特性(恒转矩负载)。两特性曲线有和两个交点，两个交点是拖动系统的平衡点。负载的机械特性曲线与电动机特性存在交点只是保证系统稳定运行的必要条件还不是充分条件。下面判断点是否是稳定平衡点。先假设系统在点稳速运行，此时电机的电磁转矩等于负载转矩，即。当系统出现干扰，例如负载转矩突然从增加到时，使电机转矩小于负载转矩，即，电机转速由降为，电动机的转矩增加到，使得，电动机的运行点从点变为点。当干扰消除以后，负载转矩回到，这时，转速上升，从电动机的机械特性的段可看出，电机的电磁转矩又随的上升而减小，直至回到最初的稳定状态，到，系统重在点运行。可以看出，当干扰消除后，系

21、统重新回到原来的运行点。所以点是系统的稳定平衡点，即稳定工作点。而稳定平衡点的情况不同。当系统在点运行时，当系统出现干扰时，例如负载转矩突然升高到，电机转矩必然由上升到，转速由变为，电动机的运行点从点变为点。当干扰消除以后，转速上升，从电动机的机械特性的段可看出，而又随的上升而增加，电磁转矩更加大于负载转矩，电动机的转速还要上升，系统非但不能回到平衡点，而是远离平衡点。显然点不是稳定点。从以上分析可以总结出：电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：(1) 电动机机械特性曲线和生产机械的机械特性曲线有交点(即拖动系统的平衡点)，即； (2) 在平衡点所对应的转速之上应有，而在平衡点所对应的转速之下

22、，即 （224）小结本章主要研究电力拖动系统中电动机和生产机械之间的关系问题，具体体现在拖动转矩和负载转矩的关系上，用电力拖动运动方程式来表示，即 一个实际的电力拖动系统往往是多轴的，因此需要把传动机构、工作机构的转矩、力、飞轮矩和质量折算到电动机轴上，电动机和生产机械就成为同轴联接的系统，有着同样的转速。的方程式或曲线称为电动机的机械特性，的方程式或曲线则称为负载转矩特性。利用电动机的机械特性和负载的机械特性，可以清楚地分析电力拖动系统的各种运行状态。思 考 题1 如何从电力拖动运动方程式判断系统是处于加速、减速、稳速运行状态？2 已知某电动机的机械特性如图216中曲线1所示，请问该电机分别

23、与负载特性2、特性3、特性4这三种配合时，平衡点A、B、C、D中哪些是稳定的，哪些是不稳定的？图216 题2图3 电力拖动系统的负载特性有哪些?4 简述列车运行的速度阻力关系习 题1如图217所示的某车床电力拖动系统中，已知切削力，工件直径，电动机转速，减速箱的三级速比，各转轴的飞轮矩，总传动效率，求：（1） 切削功率；（2） 电动机输出功率（3） 系统总飞轮矩；（4） 忽略电动机空载转矩时，电动机电磁转矩；（5） 车床开车但未切削时，但电动机的加速度，忽略电动机空载转矩时，不忽略传动机构的转矩损耗，求电动机电磁转矩。 图217 题3图2 起重机的传动机构如图218所示，图中各部件的数据见表2

24、1，已知起吊速度为12m/min，起吊重物时传动机构效率。请计算：（1） 折算到电动机轴上的系统总飞轮矩；（2） 重物吊起及下放时折算到电动机轴上的总负载转矩、传动机构的转矩损耗；（3） 空钩吊起及下放时折算到电动机轴上的总负载转矩。图218 起重机的传动机 表21 起重机的传动机构各部件的数据编号名称齿数Z重力N直径/mm1电动机5.592蜗杆双头0.983齿轮152.944蜗轮3017.055卷筒98.005006齿轮65294.007导轮3.921508导轮3.92871509吊钩49010重物196003 某电力拖动系统，已知其速度曲线如图219所示，已知负载转矩,请画出电磁转矩的曲线。图219 题3图4某电力拖动系统如图220所示，直径，电动机转速如图所示，减速箱的速比，,请画出电动机电磁转矩的曲线。图220 题4图16