课程开始及电力拖动系统的动力学基础

《电机拖动与控制技术》电气工程系郑诗程（博士）(合肥工业大学光伏发电中心)第一篇直流拖动控制系统引言电力拖动系统的动力学基础直流电机及其拖动闭环控制的直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法直流调速系统的数字控制可逆直流调速系统和位置随动系统第1章第2章第3章第4章*第5章第二篇交流拖动控制系统第1章异步电动机及其拖动闭环控制的异步电动机变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统第3章笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）*第2章*第4章*第5章绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统同步电动机变压变频调速系统第二篇交流拖动控制系统1.了解电力拖动基本概念；2.熟悉电力拖动系统运动方程式；3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。重点：运动方程式和负载转矩。引言.电力拖动系统的动力学基础第一节电力拖动系统的运动方程式电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成部分。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。采用电力拖动主要原因现代化生产中，多数生产机械都采用电力拖动，主要原因是：1.电能的运输、分配、控制方便经济。2.电动机的种类和规格很多，它们具有各种各样的特性，能很好的满足大多数生产机械的不同要求。3.电力拖动系统的操作和控制简便，可以实现自动控制和远距离操作等等。一、运动方程式对于直线运动tvmFFzdd对于旋转运动tJTTzdd式中m与G——旋转部分的质量（kg）与重量（N）ρ与D——惯性半径与直径（m）转动惯量gGDmJ422单位为2mkg602ntnGDTTzdd37522mN2GD式中称为飞轮惯量（），gJGD421、当zTT0ddtn电动机静止或等速旋转，电力拖动系统处于稳定运转状态下。2、当zTT0ddtn电力拖动系统处于加速状态3、当zTT0ddtn电力拖动系统处于减速状态二、运动方程式中转矩的正负符号分析运动方程式的一般形式tnGDTTzdd375)(2规定某个转动方向为正方向，则转矩T正向取正，反向取负；阻转矩Tz正向取负，反向取正。工程上为了节省材料，电动机转速都较高。输出功率一定时，即P=TΩ=常数，当Ω↓→T↑，由于T=CTΦIa，则Ia↑和Φ↑，Ia↑→导线粗；Φ↑→铁磁材料多。一般设计电动机速度高，通过提高Ω→降低T,节省材料。生产机械要求低速，而电动机设计的转速较高，二者之间必有减速装置，故一般电力多动系统多为多轴拖动系统。第二节工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：工作机构转矩，系统中各轴（除电动机轴外）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需克服的阻力折算到电动机轴上去。zT等效折算图传动图一、工作机构转矩的折算zT折算的原则是系统的传送功率不变zzzTTjTTTzzzz式中，j——电动机轴与工作机构轴间的转速比zznnj//如果传动机构为多级齿轮或带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积。321jjjj二、工作机构直线作用力的折算根据传送功率不变zzzvFTnvFTzzz55.960/π2n三、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算22221222121212121zzdJJJJJ2222211///zzdJJJJJ222222212122///zzdnnGDnnGDnnGDGDGD四、工作机构直线运动质量的折算折算的原则是转动惯量中及质量中储存的动能相等，即zJzm2222zzzvmJ222365)(nvGGDzzz有（因为，，，）gGDJzz4/260/π2ngGmzz/365)π/60(2N176502G[例8-1]刨床传动系统如图所示。若电动机M的转速为n=420r/min，其转子（或电枢）的飞轮惯量工作台重工件重22mN5.110dGDN120501G各齿轮齿数及飞轮惯量见表。齿轮8的节距t8=25.13mm。求刨床拖动系统在电动机轴上总的飞轮惯量。齿轮号12345678齿数Z2055306430783066飞轮惯量4.1220.109.8128.4018.6041.2024.5063.7522mN/GD解1）旋转部分2aGD2342122524212232221)/()/()/(zzzzGDGDzzGDGDGD2562342122726)/()/()/(zzzzzzGDGD27825623421228)/()/()/()/(zzzzzzzzGD2)20/55(81.910.2012.4(22)30/64()20/55(60.1840.28222)30/78()30/64()20/55(50.2420.41222222mN81.9mN))30/66()30/78()30/64()20/55(75.63齿轮8转速)/)(/)(/)(/(785634128zzzzzzzznnmin/r5.12min/r)30/66)(30/78)(30/64)(20/55(4202）直线运动部分工作台速度888ntzvm/s347.0m/min8.20m/min5.1202513.06622212)(365nvGGGDb2222mN35.7mN420347.0)1765012050(3653）刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量2222badGDGDGDGD22mN66.127mN)35.781.95.110(第三节考虑传动机构损耗时的折算方法一、考虑传动机构损耗的简化方法（一）工作机构转矩的简化折算zT1．电动机工作在电动状态czzzTT/jTTTczzczz2．电动机工作在发电制动状态czzzTTczzjTT使用多级传动时321cccc（二）工作机构直线作用力的简化折算1．电动机工作在电动状态czzzvFTczzznvFT55.92．电动机工作在发电制动状态czzznvFT55.9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。ccc12第四节生产机械的负载转矩特性在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz与转速n的关系Tz=f(n)即为生产机械的负载转矩特性。一、恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大小与转速n无关。恒转矩负载分：反抗性负载特性和位能性负载特性。1.反抗性恒转矩负载特性特点：恒值负载转矩TL总是与转速n的方向相反，即作用方向总是阻碍运动的方向。当正转时n为正，TL与n方向相反，应为正，即在第一象限当反转时n为负，TL与n方向相反，应为负，即在第三象限。当转速n=0时，外加转矩不足以使系统运动。根据作用力与反作用力原理，这时反抗力负载转矩大小和方向取决于外加转矩的大小和方向。即与外加转矩大小相等，方向相反。负载转矩特性应与横轴重合。例如轧机，机床刀架平移机构等。反抗性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的。即重力产生的负载转矩方向固定不变，故在第一和第四象限。2.位能性恒转矩负载特性二、通风机负载转矩特性通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比。为反抗性负载。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。2z2nTknTz或负载转矩基本上与转速成反比，切削功率基本不变。三、恒功率负载转矩特性常数zTP2nPPT26022znTz1特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。根据如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。适用于金属切削车床。恒功率负载特性实际通风机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应为20KnTTz机床平移机构实际的负载特性