电机拖动课件 第七章 电力拖动基础

第七章电力拖动基础•电力拖动是指用各种电动机作为原动机拖动生产机械运转的拖动方式。在现代化生产中大多数生产机械都采用电力拖动。•电力拖动历经了成组拖动、单机拖动和多机拖动三个阶段。•成组拖动：一台电动机拖动一根天轴，再经过传动带或绳索分别拖动几台机械。放映早期西方工业革命的电影中可见。•单机拖动：一台电动机拖动一台机械，各机构通过机械传动方式带动。•现代已发展到多机拖动，即用一台电动机来拖动生产机械的某一个运动部件（易于实现自动化生成和控制）。•电力拖动系统一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构。控制设备和电源等五部分组成。•有些简单的系统无•传动机构，如电风•扇等。•电动机作为原动机，将电能转变为机械能，通过传动机构带动生产机械的工作机构执行某一生产任务；控制设备由各种控制电器、自动化元件及工业控制计算机等组成，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；电源的作用是向电动机和其它电气设备供电。第一节电力拖动系统的动力学一、运动方程式•根据动力学理论，在单轴（只包含了一根轴）电动机拖动系统中，•用转矩表示的运动方程式为：•式中：M—电动机轴上的输出转矩，N·m；•ML—电动机轴上的负载静转矩，包括电动机的空载损耗转矩M0；•—惯性转矩（也称加速转矩）。•上式中的J为单轴旋转系统转动惯量：（kg·m2）•m与G—整个系统旋转部分的质量与重力，G＝mg（kg与N）；•r与D—系统旋转部分对旋转轴的回转半径，单位：m。•Ω—电动机轴的角速度，（rad/s）。•而所以有：602n•分析式:•式中：GD2＝4gJ为旋转部分的飞轮矩。（N·m2）•因为gJ的量纲为m/s2·kg·m2，而kg·m/s2相当于m·a，量纲为N。•的量纲为1/(min·s)。•的量纲为•所以数字375具有加速度的量纲，即m/(min·s)。•分析式可知电动机的工作状态如下：•l）当M＝ML，说明n＝0或n＝C。电动机静止或等速旋转，电力拖动系统处于某一稳定运转状态下;•2）当M＞ML，，电力拖动系统处于加速（过渡）状态;•3）当M＜ML，，电力拖动系统处于减速（过渡）状态。•式中的M与ML具有方向性，按是否与规定的正方向相同而采用正数或负数。dtdndtdnGD2smin1mN20dtdn0dtdn0dtdn•二、负载静转矩的归算•异步电动机的同步转速为•通常p不大于4，与此对应的同步转速为750r/min，很多机械的工作装置所需的转速低于此转速，因此，通常在电动机与工作机构之间，需要用传动装置来降低转速。因而在大多数的情况下，电动机和被拖动的工作机械并不直接连结在同一轴上，它们两者之间往往有齿轮、皮带等传动装置。故需要进行负载转矩的归算。•1．旋转运动静转矩的归算•右图中的各轴有不同的转速。在•应用运动方程式时，应该把所有•的转矩都归算到同一转轴上，通•常是归算到电动机的轴上。•归算的概念就是把实际的拖动系•统，等效为单轴系统。•归算的原则是：归算前后系统传•送的功率及储存的动能不变。pfn601•根据“归算前后系统传送的功率及储存的动能不变”的原则，•设传动机构的总效率为•则负载的功率折算到电动机轴上•的方法为：•式中为负载功率，•为电动机轴上的输出功率。•归算到电动机轴上的等效负载转矩为：•式中为电动机轴对工作机械轴的转速比。iLM•2．直线运动部分静转矩的归算•有些机械的工作机构作直线运动，如电梯、卷扬机、起重机和辊道等，需要把直线运动部分的静转矩归算为旋转运动中的等效转矩。•设FL为直线运动部分的静阻力（N）,FL＝GL，υL为提升速度（m/s），•则归算到电动机轴上的负载转矩为•因此而所以•η——提升传动效率；•n——电动机的转速（r/min）•30nM•若重力的作用反过来拖动电动机，使电动机处于发电制动状态（n＞n0或电动机停止供电），电动机的电磁转矩起转动作用，显然，系统传动的损耗应由负载承担，则归算到电动机轴上的负载转矩•为：•η’——下放传动效率。•如果系统提升重物与下降重物损耗的转矩相同，则有：•所以下放传动效率与提升传动效率之间的关系为：•nFnFnFnFLLLLLLLL55.955.955.955.9•三、飞轮矩的归算•在单轴电动机拖动系统中，曾有用转矩表示的运动方程•式中J为单轴旋转系统转动惯量。•在多轴传动系统中，必须把传动机构各轴（包括飞轮）的转动惯量及直线运动部分的质量归算到电动机轴上。•归算的原则同样是：归算前后系统所储存的动能不变。•1．旋转运动部分转动惯量的归算•设拖动系统中各旋转部分的转动惯量为JM、J1、J2、…、JL；各轴的角速度为ΩM、Ω1、Ω2、…、ΩL，令J为归算到电动机轴上的等效转动惯量，按照归算前后系统所储存的动能不变的原则，有：•因而•即•或•式中i1、i2、…、ΩL为电动机转轴对各转轴的转速比。•由将式•的两边乘以4g，则得归算后的等效飞轮矩为•可见，旋转部分任一元件的等效飞轮矩等于该元件对自己轴的飞轮矩除以归算轴对该元件轴的转速比的平方。•一般情况下，在总的飞轮矩GD2中，电动机转子本身飞轮矩所占的比重最大（因为转子直径、质量都较大），而传动机构飞轮矩的折算值所占的比重较小。因而可粗略的计算等效飞轮矩•系数δ一般取1.1～1.3。•为工作机构飞轮矩的折算值。2MGD•2．直线运动部分质量的归算•对具有直线运动部分的拖动系统，则需把直线运动物体的质量mL（kg）归算到电动机轴上，用电动机轴上的一个转动惯量为J’的旋转体与之等效。归算的原则仍是两者储存的动能相等，即•υL——直线运动速度（m/S），ΩM——电动机的机械角速度（rad/S）。•将•式中的365由求得。•由以上的讨论，就可以把多轴的拖动系统（可包括旋转运动和直线运动）归算成一个单轴拖动系统。这样，可以仅用一个运动方程式进行研究。•自学例7－1第二节负载的转矩特性及电力拖动系统稳定运行的条件一、负载转矩特性•生产机械的转速n与所相应的负载转矩ML的关系n＝f（ML）称作生产机械的负载转矩特性，简称负载转矩特性或负载特性。尽管负载有不同的种类，但可进行归纳分类，典型的负载转矩特性可分为三种：•（一）恒转矩负载特性•凡负载转矩ML的大小为一定值，而与转速n无关的负载称为恒转矩负载，而根据负载的方向是否与转向有关又可分为两类。•1．反抗性恒转矩负载特性•其特点是：恒定转矩ML总是阻止•电动机的运转，当电动机的旋轴•方向改变时，负载转矩的作用方•向也随之改变，永远是阻转矩。•属于这类特性的负载有金属的压•延和机床的平移机构，以及电车•在水平面上行走时的负载等等。•2．位能性恒转矩负载特性•这种负载特性的特点是负载转矩是由重力•作用所产生，其方向不因转速方向的改变•而改变。起重机是典型的代表。•（二）通风机负载特性•因为通风机、水泵、油泵等等机械中的•介质对机械叶片的阻力基本上和转速的•平方成正比，•所以这类负载转矩为•式中K——比例常数。•负载特性曲线为抛物线。•如果考虑摩擦阻力矩，则负载特性曲线为•ML020KnMMLL•（三）恒功率负载特性•负载PL为一定值，负载转矩基本上与转速成反比。•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。•因此这种负载特性符合恒功率负载特性，即•式中•恒功率负载特性曲线为双曲线的一个分支。实际生产机械的负载特性也可能是一种或几种典型特性的综合。•二、电力拖动系统稳定运行的条件•在直流电动机和交流异步电动机等章节中，分析了电动机的机械特性n＝f（M），前面又分析了生产机械的负载转矩特性•n＝f（ML），以及有关负载转矩的归算、飞轮矩的归算等内容，两种特性怎样配合才能保证电力拖动系统稳定运行即是下面将要讨论的内容。•（一）稳定运行的必要条件•所谓稳定运行，就是指电力拖动系统在某种扰动作用下，离开原来的平衡状态，但仍能在新的条件下达到新的平衡状态，或者在扰动消除后，又能恢复到原来的平衡状态。•是一种相对的稳定。•分析的方法，把n＝f（M）及n＝f（ML）画在同一坐标图上，然后分析其变化情况。•以他励直流电动机带动恒转矩负载时的运行情况进行分析。•图中直线1、2是对应负载转矩为ML1和ML2的恒转矩负载特性，直线3为他励直流电动机的机械特性。当负载转矩为ML1时，负载特性1和电动机机械特性曲线3相交于A点，此时M与ML1大小相等，方向相反，由式，拖动系统处于平衡状态，系统以nA的恒定转速转动。•如果负载突然增大，由ML1变为ML2，负载转矩特性由直线1变为直线2，由于系统的机械惯性比电磁惯性大得多，因此开始时转速n不能突变，仍为nA，由他励直流电动机电磁转矩的表达式直流电•机29.ppt电磁转矩还是由A点的转速nA决定，因而M＝ML1＜ML2，所以，拖•动系统处在减速过渡过程中，随着转速n的•下降，电磁转矩M增大，直到M＝MB＝ML2，•即变化到特性3与2的交点B处为止，减•速过程结束，系统达到新的平衡状态，•以转速nB在B点稳定运行。•此时nB＜nA。nRCCRUCMaMeaM20dtd•由此可见，平衡状态下电动机产生的电磁转矩大小是由负载转矩的数值所决定。•如果负载转矩ML太大，超出了电动机的机械特性以外，则系统不能正常运行。•所以电动机的机械特性与负载转矩特性具有交点，是拖动系统稳定运行的必要条件。•由下面的分析可知，该条件还不够充分。•（二）稳定运行的充分条件•充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某些干扰作用（如电网电压的波动，负载转矩的微小变化等），使原来转矩M与ML的平衡变成不平衡，引起电动机转速稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处的数值，电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的。•分别讨论电动机的机械特性n＝f（M）为向下倾斜和向上翘的两种情况下，系统是否稳定。•同样以他励直流电动机带动恒转矩负载ML时的运行情况进行分析。•系统原来稳定运行在交点A，如果出现瞬时扰动（如有机械突然•起动等），引起端电压突然降低，由式机•械特性就由2变为3，但因机械惯性的影响，使电动机转速nA不能突变，使工作点由A变到C，显然在特性3上，M=MC＜ML，则＜0，拖动系统减速，转速沿着特性3下降，直到B点稳定，此时n＝nB。nRCCRUCMaMeaM2dtdn•同样以他励直流电动机带动恒转矩负载ML时的运行情况进行分析。•系统原来稳定运行在交点A，如果出现瞬时扰动（如有机械突然•起动等），引起端电压突然降低，由式机•械特性就由2变为3，但因机械惯性的影响，使电动机转速nA不能•突变，使工作点便由A变到C，在特性3上，M=MC＜ML，则，•拖动系统减速，转速沿着特性3下降至nB时，MB=ML，系统稳定，此时n＝nB。•如果电压扰动消除，端电压恢复到•原来数值。于是机械特性由3变到2，•同样由于机械惯性影响，工作点由•B变到D，此时M=MD＞ML，•，系统加速运行，最后恢复到原来•的工作稳定点A。•电压突然升高的情况与此类似。nRCCRUCMaMeaM20dtd0dtd•如果机械特性向上翘，当电网电压突然降低时，这时转速不能突变，仍为nA，而电动机机械特性瞬时由特性2变到特性3，工作点由A变到B，在B点，则因M＞ML使系统加速，从特性3可见，n越增加，电磁转矩M就越大，系统达不到新的稳定工作点。因此在A点电力拖动系统不能稳定运行。•所以电力拖动系统稳定运行的必要、充分条件是：•1）系统电动机的机械特性n＝f（M）与负载转矩特性n＝f（ML）有交点。•所以电力拖动系统稳定运行的必要、充分条件是：•1）系统电动机的机械特性n＝f（M）与负载转矩特性n＝f（ML）有交点。•2）电动机的机械特性在n＝f（M）和n＝f（ML）的交点处所对应的转速之上应满足M＜ML，而在这转速之下应满足M＞ML，用数•学式来表示即：•第三节电力拖动系统的过渡过程•所谓过渡过程，是系统由一种称为稳定运行状态向另一种稳定运行