第七章-电气传动基础知识

7.1电气传动系统运动方程7.2负载机械特性与电机工作制7.3电气传动系统的稳定性7.4电动机调速的概念和指标2•传动——应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产任务。•电气传动——以电动机为原动机，按照生产任务的要求来拖动生产机械。•电气传动装置的组成——电动机、工作机构、控制设备及电源等在许多情况下，电动机与工作机构之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。§7.1电气传动系统的运动方程7.1.1运动方程tvmFFzddddemLMMJtgGDmJ422单位为kg·m2•对于旋转运动•转动惯量•式中m——旋转部分的质量（kg）;G——旋转部分的重量（N）;——惯性半径（m）;D——惯性直径（m）。•对于直线运动MemMnLMU将602n2d375demLGDnMMt式中：GD2=4gJ称为转动部分飞轮矩（N·m2）。•代入式（7-1）ddemLMMJtgGDmJ422•得：和ddemLMMJt（7-1）运动方程的实用形式：MM2375emLGDdndt系统旋转运动的三种状态1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。emLMM0dtdn2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。emLMM0dtdn3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。emLMM0dtdn常把或称为动负载转矩,把称为静负载转矩.dtdnGD2375emL()MMLM运动方程式中转矩的符号运动方程式的一般形式首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。emMn（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。LMn(3)惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。emMLMdtdnGD23752d()375demLGDnMMt7.1.2多轴电气传动系统的简化实际拖动系统的轴通常是多轴0,emMMfM二级齿轮减速装置：j1、j2为速度比；η1、η2为传动效率；三根转速不同的转轴，转速分别为n、nb、nf；8实际拖动系统的轴通常是多轴，为了分析的方便，需要将实际的拖动系统等效为单轴系统等效（折算）的原则——保持折算前后两个系统0,emMMfzMfzM2dxGD将其它轴上的转矩、飞轮矩折算到电动机轴上负载转矩折算：把负载转矩Mfz折算到电动机轴上变为Mdx。飞轮转矩折算：将系统各轴上的飞轮矩折算到电动机轴上变为一个总飞轮转矩GD2。一、旋转运动的转矩折算转矩折算的原则：系统传递的功率不变1.电动状态MemGD2等效负载电动机Mdx电动机工作机构Memj1、η1j2、η2MfzLGDM2GD12GDL21123123...fzfzdxdxdxMMnjnjjjj为主轴的角速度为电动机轴的角速度为主轴的实际负载转矩为主轴负载转矩折算到电动机轴上的折算值转动机构总效率，——电动机轴与工作机构轴间的转速比一般形式为：，各级转速比乘积当系统为齿轮传动时，转速比与齿数比关系：24135fzfzzzznjnzzz系统加速j1系统减速j1发电制动状态：功率由工作机构电机2.发电制动状态转矩折算的原则：系统传递的功率不变二、旋转运动的飞轮矩折算飞轮矩折算的原则：系统储藏的动能不变MemGD2等效负载电动机Mdx电动机工作机构Memj1、η1j2、η2MfzLGDM2GD12GDL21飞轮矩的折算值与速比的平方成反比通常ji1,电动机转子的飞轮转矩占主要部分221,0.2~0.3dxMGDGD估算系数三、平移运动的转矩与飞轮矩的折算总质量mL电动机刨刀MnVFMML等效负载电动机ML1.转矩的折算三、平移运动的转矩与飞轮矩的折算总质量mL电动机刨刀MnVFMML等效负载电动机ML2.飞轮矩的折算其它轴上的飞轮矩的折算按旋转运动的方法动能守恒四、升降运动的转矩与飞轮矩的折算MGD2等效负载电动机ML电动机滚筒Mj1、η1j2、η2LGDM2GD12GD221mv提升运动：电动机为电动状态下降运动：电动机为发电状态1.转矩的折算(1)提升运动：方法同平移运动电动机为电动状态根据功率不变原则，电动机轴上负载功率为dxFvM9.559.55()LdxGvmgvMNmnn传动机构损耗转矩，9.559.55()FvFvMNmnn(2)下降运动电动机为发电状态提升：zMMM下降：zMMMdxzMMM负载转矩折算值9.55dxFvMn12–在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率与提升传动效率之间有下列关系19证明如下：•提升与下放的传动损耗相等，由重物提升时，其值为：•当重物下放时：工作机构功率即为传动机构的输入功率P1；工作机构功率P1克服传动损耗功率ΔP后，向电动机轴上传送机械功率P2，即为传动机构的输出功率。有：11FvPFvFv211111122PPPFvFvFvP2112PP当η0.5（对应于轻载或空钩），P20，即输出机械功率以克服部分传动损耗功率，此时电动机不能发电，仍为电动状态20为反映直线运动质量对系统运动的影响，将直线运动质量mz折算为电动机转轴上的转动惯量Jz折算的原则——转动惯量Jz中与质量mz中储存的动能相等2222vJm用飞轮惯量表示，则有222365zzGvGDn2π60nzGmg260365π24zGDJg代入2.飞轮矩的折算§7.2负载机械特性与电机工作制分类–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、风机负载、恒功率负载。•在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Mfz与转速n的关系Mfz=f(n)或n=f(Mfz)，即为生产机械的负载转矩特性•n=f(M)的方程式和曲线称为电动机的机械特性——绘制在同一图上，是分析电气传动系统的重要工具。227.2.1恒转矩机械特性•恒转矩负载特性——负载转矩Mfz与转速n无关•反抗性恒转矩负载特性——特点：转矩Mfz总是反对运动的方向，位于一、三象限（如金属压延机构、机床平移机构等）nMfz–假设顺时针为参考方向–电机顺时针旋转时，n为正。转矩Mfz与旋转方向相反，应取正；–电机逆时针旋转时，n为负。转矩Mfz与旋转方向相反，应取负。•位能性恒转矩负载特性——特点：转矩Mfz具有固定的方向，位于一、四象限，由拖动系统中某些具有位能的部件造成（如起重机中的重物）nMfz–电机顺时针旋转时，n为正。转矩Mfz与旋转方向相反，应取正；–电机逆时针旋转时，n为负。转矩Mfz与旋转方向相同，应取正。24恒功率负载转矩特性——负载转矩基本上与转速成反比，切削（负载）功率Pz基本不变7.2.2恒功率负载特性fzKMn恒功率负载特性12609.559.55zfzfzfznPMMMnKK257.2.3通风机负载特性通风机负载特性——负载转矩与转速大小有关，基本上与转速的二次方成正比通风机负载特性属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。2fzMKn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。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应为20fzMMKn27机床平移机构实际的负载特性机床刀架等机构在平移时，负载性质基本上是恒转矩负载，但从静止状态起动或转速还很低时，摩擦系数比较大，摩擦阻力较大；另外当转速升高时，油或风的阻力带有一些风机负载特性，导致转速较高时，负载转矩Mfz会略微增大。7.2.4电机的工作制电机在运行时承受负载的情况，包括起动、制动、空载、断电停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序——电机的工作制各种工作制主要适用于电动机，S1、S2适用于发电机。§7.3电气传动系统稳定性7.3.1电气传动系统稳定运行分析•在生产机械运行时，电动机的机械特性与生产机械的负载转矩特性是同时存在的——为了分析电力拖动系统的运行，可以把二者画在同一坐标图上•两特性的交点称为系统的平衡点M1fzM2fzM32•当M与Mfz大小相等而方向相反时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态或静态•如负载变化，即M=Mfz1≠Mfz2，平衡状态被破坏，dn/dt≠0，拖动系统进入过渡过程状态•右图，内部物理过程分析：n↓Ea↓Ia↑M↑——稳态下电机发出转矩的大小由负载转矩的数值决定M1fzM2fzM33稳定运行的概念•稳定运行——拖动系统受到一定扰动后，能达到新的平衡；并当扰动消除后，能从新的平衡点回到原来的平衡点。•有平衡点即两特性有交点是稳定运行的必要条件•问题：有了交点是否就能稳定运行了呢？答：（1）首先，要看系统出现干扰后，在新的条件下能否平衡；（2）其次，干扰消失后，能否回到原来的平衡点。如果满足以上两个条件，即为稳定运行。34稳定运行的条件例1：电网电压波动nMn=f(Mz)0电力拖动系统稳定运行n0AA'BC曲线1(UN)曲线1'(U')MBMzMCn0'UNU'35分析•扰动出现后：1）A-B段：UN降到U’，U↓→Ia↓→M↓，此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A点过渡到B点；2）B-A’段：负载转矩Mz不变，M=MBMz破坏了原来的平衡状态，系统减速，n↓→Ea↓→Ia↑→M↑→系统沿BA’特性减速，到A’点时M=MA’=Mz达到新的平衡状态；•扰动消失后：3）A’-C段：U’回到UN，U↑→Ia↑→M↑，此瞬间由于机械惯性，转速来不及变化，从A’点过渡到C点；4）C-A段：负载转矩Mz不变，M=MCMz重新破坏了平衡状态，系统加速，n↑→Ea↑→Ia↓→M↓→系统沿CA特性加速，到A点时M=MA=Mz回到原来的平衡点A。•表明：当UUN，负载不变时，他励直流电动机能达到新的平衡（A’点）；在干扰消失后，能回到原来的平衡点（A点）——所以系统能稳定运行。36在B点：•n↑MMz继续加速•n↓MMz继续减速•系统没有恢复到原来转速nB的能力——所以在B点系统不能稳定运行。例2：电枢反应影响电枢反应影响下的不稳定运行——对于恒转矩负载，要稳定运行，需电动机具有向下倾斜的机械特性，如机械特性向上翘，便不能稳定运行37电力拖动系统稳定运行的充要条件：•必要条件——电动机的机械特性和生产机械的负载转矩特性有交点M=Mz•充分条件——在交点所对应的转速之上应保证MMz，转速之下应保证MMz电气传动的过渡过程一般分为两种：机械过渡过程——它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。电气、机械过渡过程——它同时考虑机械与电磁两种惯性。本课程只考虑机械过渡过程，即转速不能突变7.3.2电气传动系统稳定运行条件生产机械电动机TnTL系统稳定运行的必要条件：n不变，M=ML但不充分。电动机轴的M与n关系就是电动机的机械特性。Mn0MFn0A负载转矩特性电动机机械特性2375LGDdnMMdt7.3.2电气传动系统稳定运行条件电气传动系统运动方程：当有干扰时，系统能否稳定？当干扰消失后，能否回到原来的稳定状态？MBMA'MCBMn0n0AMAA'C7.3.2电气传动系统稳定运行条件稳定系统与不稳定系统比较Mn0n0MLMLMn0n0dM/dn0,dML/dn0,dM/dndML/dndM/dn0,dML/dn＝0,dM/dndML/dn7.3.2电气传动系统稳定运行条件nM0MLAnn=f(M)n=f(ML)MLM探讨稳定运行条件的示意图7.3.2电气传动系统稳定运行条件1、必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性开发利用在有交点，即存在：LMM2、充分条件：在交点处