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1、第二章第二章 电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学2.1 电力拖动系统转动方程式电力拖动系统转动方程式2.2 多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化2.3 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件条件2.1电力拖动系统转动方程式电力拖动系统转动方程式一一.典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式1.单轴旋转系统单轴旋转系统2.多轴旋转系统多轴旋转系统电动机电动机工作机构工作机构电动机电动机工作机构工作机构3.多轴旋转运动加平移运动系统多轴旋转运动加平移运动系统4.多轴旋转运动加升降运动系统多轴旋转运动加升降运动系统电动机电动机 工作机构工作机构
2、 电动机电动机 G G二二.单轴电力拖动系统转动方程式单轴电力拖动系统转动方程式M负负载载电动机电动机T:电动机电磁转矩电动机电磁转矩(Nm)；TF:负载转矩负载转矩(Nm)n:电动机转速电动机转速(r/min)；T0:电动机空载转矩电动机空载转矩(Nm)T-TL：动转矩：动转矩(Nm)或惯性或惯性转矩、加速转矩转矩、加速转矩J：转动惯量：转动惯量(kgm2)：系统转动角速度：系统转动角速度(rad/s)参考正方向参考正方向M负负载载电动机电动机参考正方向参考正方向转矩与转速的方向问题转矩与转速的方向问题实际转矩和转速方向：实际转矩和转速方向：1.T与与n同向，代数上同正同负；同向，代数上同正
3、同负；T与与n反向，代数上一正一负。反向，代数上一正一负。2.TL与与n同向，代数上一正一负；同向，代数上一正一负；TL与与n反向，代数上同正同负。反向，代数上同正同负。实际转矩和转速方向：实际转矩和转速方向：1.转矩与转矩与n同向，则称为同向，则称为“拖动性拖动性”转矩转矩2.转矩与转矩与n反向，则称为反向，则称为“制动性制动性”转矩转矩又由：又由：m：系统转动部分的质量，：系统转动部分的质量，kgG：系统转动部分的重力，：系统转动部分的重力，N：系统转动部分的转动惯性半径，：系统转动部分的转动惯性半径，mD：系统转动部分的转动惯性直径，：系统转动部分的转动惯性直径，mg：重力加速度，：重力
4、加速度，m/s2GD2：系统转动部分的飞轮矩，：系统转动部分的飞轮矩，Nm2375：有单位的系数，：有单位的系数，m/mins由转动方程式可以分析系统运动状态：由转动方程式可以分析系统运动状态：T-TL=0：系统静止或恒速运行，稳态；：系统静止或恒速运行，稳态；T-TL0：系统加速运行，过渡过程；：系统加速运行，过渡过程；T-TL0：系统减速运行，过渡过程。：系统减速运行，过渡过程。电动机起动时，电磁转矩与负载转矩的关系？电动电动机起动时，电磁转矩与负载转矩的关系？电动机停车时，电磁转矩与负载转矩的关系？机停车时，电磁转矩与负载转矩的关系？2.2 多轴电力拖动系统的简化多轴电力拖动系统的简化n
5、问题：问题：全面分析多轴系统，必须列出每根轴的运动方全面分析多轴系统，必须列出每根轴的运动方程式及各轴相互联系的方程式，分析复杂。程式及各轴相互联系的方程式，分析复杂。n方法方法：通常把：通常把负载转矩负载转矩与与系统飞轮矩折算系统飞轮矩折算到电动机轴到电动机轴上来，变多轴系统为单轴系统。上来，变多轴系统为单轴系统。n折算的原则折算的原则是：是：保持系统的功率传递关系及系统的贮保持系统的功率传递关系及系统的贮存动能不变存动能不变。电动机电动机工作机构工作机构2.2.1 工作机构为转动情况时的折算工作机构为转动情况时的折算工作机构工作机构电动机电动机电动机电动机等效负载等效负载1.负载转矩的折算
6、负载转矩的折算保持功率传递关系不变保持功率传递关系不变(1)忽略传动机构的损耗，由折算前后功率不变，得：忽略传动机构的损耗，由折算前后功率不变，得：j=n/nf=j1j2j3为传动机构总的速比为传动机构总的速比(2)考虑传动机构的损耗时考虑传动机构的损耗时等效的传动机构的转矩损耗为：等效的传动机构的转矩损耗为：=123为传动机构总效率为传动机构总效率2.飞轮矩的折算飞轮矩的折算保持系统动能不变保持系统动能不变负载飞轮矩折算负载飞轮矩折算(转动部分转动部分飞轮矩折算飞轮矩折算)：系统转动部分动能表达式：系统转动部分动能表达式：总的飞轮矩的估算：总的飞轮矩的估算：GDD2为电动机转子的飞轮矩为电动
7、机转子的飞轮矩 电动机轴上只有传动机构中第一级小齿轮时，取电动机轴上只有传动机构中第一级小齿轮时，取=0.20.3，如果还有其它部件，则，如果还有其它部件，则的数值需要加大。的数值需要加大。保持系统储存的动能不变，则系统总飞轮矩为：保持系统储存的动能不变，则系统总飞轮矩为：1.电动机经过速比电动机经过速比 j=5 的减速器拖动工作机构，工作机构的的减速器拖动工作机构，工作机构的实际转矩为实际转矩为20Nm，飞轮矩为，飞轮矩为1Nm2，不计传动机构损耗，这，不计传动机构损耗，这算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩分别为多少？算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩分别为多少？2.恒速运行的电力拖动系
8、统中，已知电动机电磁转矩为恒速运行的电力拖动系统中，已知电动机电磁转矩为80Nm，忽略空载损耗，传动机构效率为，忽略空载损耗，传动机构效率为0.8，速比为，速比为10，未，未折算前实际的负载转矩应为多少？折算前实际的负载转矩应为多少？3.电力拖动系统中已知电动机转速为电力拖动系统中已知电动机转速为1000r/min，工作机构，工作机构转速为转速为100r/min，传动效率为，传动效率为0.9，工作机构未折算的实际，工作机构未折算的实际转矩为转矩为120Nm，电动机电磁转矩为，电动机电磁转矩为20Nm，忽略空载损耗，忽略空载损耗，系统是加速还是减速运行？系统是加速还是减速运行？2.2.2 工作机
9、构为平移运动时的折算工作机构为平移运动时的折算v vF F 作用力作用力 平移速度平移速度 4 43 32 2n n1 1工件工件 (m mf f)刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 电动机电动机等效负载等效负载1.负载转矩的折算负载转矩的折算考虑传动机构的损耗：考虑传动机构的损耗：2.负载飞轮矩的折算负载飞轮矩的折算2.2.3 工作机构做提升和下放重物运动时的折算工作机构做提升和下放重物运动时的折算G电动机电动机 v(a)把负载看作做平移运动的物体折算其飞轮矩；把负载看作做平移运动的物体折算其飞轮矩；(b)若已知卷筒直径，可把负载重力折算为施加在卷筒上若已知卷筒直径，可把负载重力折算为施加在卷筒上
10、的转矩，看作做旋转运动的物体来折算其转矩。的转矩，看作做旋转运动的物体来折算其转矩。(c)特殊问题：提升与下放时的传动效率不同特殊问题：提升与下放时的传动效率不同考虑传动损耗转矩时，提升和下放重物时转矩折算关系考虑传动损耗转矩时，提升和下放重物时转矩折算关系(1)提升重物时的转矩关系提升重物时的转矩关系(2)下放重物时的转矩关系下放重物时的转矩关系(1)传动机构损耗转矩传动机构损耗转矩 T 和电动机转轴空载损耗转矩和电动机转轴空载损耗转矩 T0均为摩擦性质的转矩，与转速均为摩擦性质的转矩，与转速 n 反向，为制动转矩；反向，为制动转矩；(2)提升重物时，提升重物时，Tf/j 与转速方向相反，为
11、制动转矩；与转速方向相反，为制动转矩；(3)下放重物时，下放重物时，Tf/j 与转速方向相同，为拖动转矩；与转速方向相同，为拖动转矩；(4)以同样的速度提升和下降重物时，传动机构的效率之以同样的速度提升和下降重物时，传动机构的效率之间的关系是间的关系是:结论：结论：例例1：某起重机的电力拖动系统如图所示。求：某起重机的电力拖动系统如图所示。求：1.以速度以速度v=0.3m/s提升重物时，负载（重物及钓钩）转矩、提升重物时，负载（重物及钓钩）转矩、卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速；卷筒转速、电动机输出转矩及电动机转速；2.负载及系统的飞轮矩（折算到电动机轴上）负载及系统的飞轮矩（折算到电动机
12、轴上）3.以加速度以加速度a=0.1m/s2提升重物时，电动机输出的转矩。提升重物时，电动机输出的转矩。电动机电动机解解:(1)负载转矩（未折合）：负载转矩（未折合）：卷筒转速：卷筒转速：电动机输出转矩折合值：电动机输出转矩折合值：电动机转速：电动机转速：(2)负载及系统的飞轮矩负载及系统的飞轮矩(3)以加速度以加速度a=0.1m/s2提升重物时，电动机输出的转矩提升重物时，电动机输出的转矩2.3 负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件负载的转矩特性与电力拖动系统稳定运行的条件2.3.1 负载的转矩特性负载的转矩特性2.3.2 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2.3.1
13、 负载的机械特性负载的机械特性 电动机负载电动机负载(生产机械生产机械)的转速与负载转矩的关系的转速与负载转矩的关系 n=f(TF)称为负载的机械特性，简称称为负载的机械特性，简称负载特性负载特性。一一.恒转矩负载特性恒转矩负载特性1.反抗性恒转矩负载：反抗性恒转矩负载：TF大小恒定不变，方向总与转速大小恒定不变，方向总与转速n方向相反，属于制动转矩，如摩擦性转矩。方向相反，属于制动转矩，如摩擦性转矩。2.位能性恒转矩负载：位能性恒转矩负载：TF大小、方向恒定不变，与转速无大小、方向恒定不变，与转速无关。当方向与关。当方向与n相同时，为拖动转矩，当方向与相同时，为拖动转矩，当方向与n相反时为相
14、反时为制动转矩，如起重机的提升机构和矿井卷扬机。制动转矩，如起重机的提升机构和矿井卷扬机。二二.风机泵类负载：风机泵类负载：TF n2，方向总与转速方向相反。如通风方向总与转速方向相反。如通风机、水泵、油泵等流体机械。机、水泵、油泵等流体机械。OTLn三三.恒功率负载：恒功率负载：TF n=常数。如各种机床的主传动等。常数。如各种机床的主传动等。OTLn稳定运行工作点稳定运行工作点：(1)T=TL；(2)当系统受到干扰时，电动机当系统受到干扰时，电动机转速会有变化，但在干扰消失后，仍能恢复到原来的工作点转速会有变化，但在干扰消失后，仍能恢复到原来的工作点运行。运行。2.3.1 电力拖动系统稳定
15、运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件稳定运行条件分析稳定运行条件分析：(1)若系统遇到瞬时干扰，使转速若系统遇到瞬时干扰，使转速 n 减小，即减小，即nTL，使得，使得 TTL，转速才能恢复；，转速才能恢复；(2)若系统遇到瞬时干扰，使转速若系统遇到瞬时干扰，使转速 n 增大，即增大，即n0，此时，此时，转矩的变化量必须转矩的变化量必须 TTL，使得，使得 TTL，转速才能恢复。，转速才能恢复。电力拖动系统工作点稳定运行的条件电力拖动系统工作点稳定运行的条件：A点稳定性分析：点稳定性分析：负载受到干扰负载受到干扰TL增大为增大为TL1干扰消失，恢复到干扰消失，恢复到TL在在A点满足：点满足：A
16、点为稳定运行点点为稳定运行点B点稳定性分析：点稳定性分析：负载受到干扰负载受到干扰TL增大为增大为TL1干扰消失，恢复到干扰消失，恢复到TL在在B点满足：点满足：B点为不稳定运行点点为不稳定运行点电动电动机机机械机械特性特性泵类泵类负载负载恒转矩负载恒转矩负载恒功率恒功率负载负载【思考题思考题2.4】电梯设计时，其传动机构的效率在上升时为电梯设计时，其传动机构的效率在上升时为0n磁饱和性磁饱和性常数常数n磁滞性磁滞性磁滞回线，磁滞回线，B(或或)的变化总是滞后于的变化总是滞后于H(或或I)问题问题1：电机和变压器铁心通常采用何种铁磁材料？属：电机和变压器铁心通常采用何种铁磁材料？属于软磁材料还
17、是硬磁材料？于软磁材料还是硬磁材料？问题问题2：当恒定磁通通过变压器铁心时，铁心是否会发：当恒定磁通通过变压器铁心时，铁心是否会发热？当交变磁通通过变压器铁心时，铁心是否会发热热？当交变磁通通过变压器铁心时，铁心是否会发热？为什么？为什么？电力拖动系统动力学分析电力拖动系统动力学分析电力拖动系统转动方程电力拖动系统转动方程：多轴电力拖动系统简化多轴电力拖动系统简化：将：将负载转矩负载转矩 和和飞轮矩飞轮矩 折合到折合到电动机轴上，转化为单轴电拖系统。电动机轴上，转化为单轴电拖系统。折合原则折合原则：保持：保持功率传递关系功率传递关系 和和系统动能系统动能 不变。不变。工作机构为转动情况时的折算
18、工作机构为转动情况时的折算工作机构工作机构电动机电动机电动机电动机等效负载等效负载第第2章章 电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学 小结小结1.利用转动方程式简单分析系统运行状态利用转动方程式简单分析系统运行状态2.负载的机械特性及其分类负载的机械特性及其分类3.根据根据电动机机械特性电动机机械特性和和负载机械特性负载机械特性判断系统稳定性判断系统稳定性(1)单轴系统；单轴系统；(2)多轴系统负载转矩和系统飞轮矩折多轴系统负载转矩和系统飞轮矩折算算转矩的基本分类转矩的基本分类n按转矩的性质按转矩的性质n拖动性转矩、制动性转矩拖动性转矩、制动性转矩n按转矩的提供者按转矩的提供者n电机提供的电磁转矩电机提供的电磁转矩 Tn负载提供的负载转矩负载提供的负载转矩 TF恒转矩负载、恒功率负载、风机泵类负载恒转矩负载、恒功率负载、风机泵类负载n空载损耗转矩空载损耗转矩 T0n传动损耗转矩传动损耗转矩 T