第八章电力拖动系统的动力学基础

单击此处编辑母版标题样式电机学及拖动基础重庆大学自动化学院2第八章电力拖动系统的动力学基础3•第一节电力拖动系统的运动方程式•第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量折算•第三节考虑传动机构损耗时的折算方法•第四节生产机械的负载转矩特性主要内容4第一节电力拖动系统的运动方程式•拖动——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。•电力拖动——以电动机为原动机，按照生产任务的要求来拖动生产机械。•电力拖动装置的组成——电动机、工作机构、控制设备及电源等注：在许多情况下，电动机与工作机构之间并不同轴，而是通过传动机构，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电电电电电电电电电电电电电电电电电5一、运动方程式对于直线运动：tvmFFzdd对于旋转运动：tJTTzdd•F——拖动力（N）•Fz——阻力（N）•m(dv/dt)——惯性力（N）•T——拖动转矩（N·m）•Tz——阻转矩或负载转矩（N·m）•J(dΩ/dt)——惯性转矩或加速转矩(N·m)•J——转动惯量（kg·m2）第一节电力拖动系统的运动方程式6•m——旋转部分质量（kg）•G——旋转部分重量（N）•ρ与D——惯性半径与直径（m）•g——重力加速度，g=9.81m/s2•GD2——飞轮惯量，GD2=4gJ转动惯量J、飞轮惯量GD2gGDmJ422260n•T=Tz，dn/dt=0：静止或等速旋转，处于稳定运转状态；•T＞Tz，dn/dt＞0：加速状态，处于过渡过程中；•T＜Tz，dn/dt＜0：减速状态，处于过渡过程中。电动机的三种运动状态：第一节电力拖动系统的运动方程式2d375dzdGDnTTJdtt7•电动机轴上的拖动转矩T和阻转矩Tz与电动机类型、运行状态、生产机械负载类型有关，运动方程式的一般形式为：•转矩正负号规定：以某个转动方向为正方向，则拖动转矩T正向取正、反向取负，阻转矩Tz反向取正、正向取负；加速转矩的大小及正负，由拖动转矩T及阻转矩Tz的代数和来决定。二、运动方程式中转矩的正负符号分析2d()375dzdGDnTTJdtt第一节电力拖动系统的运动方程式8第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算•为什么要折算：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•折算的原则：保持折算前后两个系统的传送功率及储存动能相同•需要折算的参量：旋转运动：工作机构转矩Tz′、除电动机轴外的各轴转动惯量Ji；直线运动：直线作用力Fz、直线运动质量mz。zT电动机轴9折算的原则——系统的传送功率不变（暂不考虑功率损失）•j——电动机轴与工作机构轴间的转速比•Tz——折算到电动机轴上的阻转矩•Tz′——工作机构转矩•对于电动机和工作机构之间存在多级变速的情况，总的速比为各级速比的乘积——j=j1*j2*…一、工作机构转矩Tz'的折算zzzTTzzzzTTTjzznjn第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算10二、工作机构直线作用力Fz的折算zzzvFTnvFTzzz55.92π60n折算的原则——系统的传送功率不变（暂不考虑功率损失）第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算11三、各轴转动惯量Ji（飞轮惯量GD2i）的折算2222211221111122222dzzJJJJJ1222212(/)(/)(/)zdzJJJJJ222222212122///zzdnnGDnnGDnnGDGDGD转动惯量对运动过程的影响直接反映在所储存的动能上；为了反映各轴转动惯量对运动过程的影响，将传动机构各轴及工作机构的转动惯量折算到电动机轴上折算的原则——系统储存的动能不变第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算12四、直线运动物体质量mz的折算•为反映直线运动质量对系统运动的影响，将直线运动质量折算为电动机轴上的转动惯量•折算的原则——系统储存的动能不变221122zzzJmv222365zzzGvGDn2π60nzzGmg24zzGDgJ第二节工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算22zzzmvJ13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。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）的飞轮惯量工件重22mN5.110dGDN120501G工作台重14齿轮号12345678齿数Z2055306430783066飞轮惯量4.1220.19.8128.4018.6041.2024.5063.7522mN/GD解1）旋转部分2aGD2342122524212232221)/()/()/(zzzzGDGDzzGDGDGD2562342122726)/()/()/(zzzzzzGDGD2282222214365879.81Nm(/)(/)(/)(/)GDzzzzzzzz15齿轮8转速82143658712.5r/min(/)(/)(/)(/)nnzzzzzzzz2）直线运动部分工作台速度88820.8m/min0.347m/svztn22221222365()365(1205017650)0.3477.35Nm420bGGvGDn3）刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量222222(110.59.817.35)Nm127.66NmdabGDGDGDGD16一、考虑传动机构损耗的简化方法对工作机构转矩、直线作用力进行折算时，考虑传动损耗的原则：•在折算中引入传动效率ηc，用传动效率表示传动损耗；•引入效率后，在传送功率时，需要考虑功率的传送方向•电动机工作在电动状态•电动机工作在发电制动状态第三节考虑传动机构损耗时的折算17czzzTT/zzzczcTTTj第三节考虑传动机构损耗时的折算1）电动机工作在电动状态•功率传送方向：电动机→工作机构•电动机发出的功率工作机构消耗的功率，传动损耗由电动机承担1.工作机构转矩的简化折算zTzczzTT182）电动机工作在发电制动状态•功率传送方向：工作机构→电动机•工作机构发出的功率电动机吸收的功率，传动损耗由工作机构承担3）使用多级传动时：czzzTTczzjTT321cccc第三节考虑传动机构损耗时的折算191）电动机工作在电动状态（提升重物）•功率传送方向：电动机→工作机构•电动机发出的功率工作机构消耗的功率，传动损耗由电动机承担2.工作机构直线作用力Fz的简化折算zczzTFvczzznvFT55.9第三节考虑传动机构损耗时的折算202）电动机工作在发电制动状态（下放重物）•功率传送方向：工作机构→电动机•工作机构发出的功率电动机吸收的功率，传动损耗由工作机构承担•在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率ηc′与提升传动效率ηc之间的关系•当ηc0.5时（对应于轻载或空钩），电动机仍然工作在电动状态（反向电动），损耗功率由工作机构和电动机共同承担czzznvFT55.9cc12czzzvFT第三节考虑传动机构损耗时的折算21第四节生产机械的负载转矩特性•负载转矩特性：生产机械的阻转矩Tz与转速n之间的关系Tz=f(n)或n=f(Tz)•机械特性：电动机的电磁转矩T与转速n之间的关系T=f(n)或n=f(T)——绘制在同一图上，是分析电力拖动系统最重要的工具。反抗性恒转矩负载特性恒转矩负载特性•类型通风机负载特性位能性恒转矩负载特性恒功率负载特性22•特点：负载转矩Tz与转速n大小无关•反抗性恒转矩负载特性——负载转矩Tz总与运动方向相反，位于一、三象限。通常由具有反抗性阻力的部件造成，如金属压延机构、机床平移机构等•位能性恒转矩负载特性——负载转矩Tz具有固定的方向，位于一、四象限。通常由某些具有位能的部件造成，如起重机中的重物一、恒转矩负载特性nTznTz第四节生产机械的负载转矩特性23•特点：负载转矩Tz基本上与转速n的二次方成正比•如离心式通风机、水泵、油泵等二、通风机负载特性2KnTz第四节生产机械的负载转矩特性24•特点：负载转矩Tz基本上与转速n成反比，而功率基本不变如切削车床等三、恒功率负载特性nKTz12609.559.55zzzznPTTTnKK第四节生产机械的负载转矩特性25实际通风机负载特性注：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第四节生产机械的负载转矩特性26本章要求•了解电力拖动系统的组成•掌握电力拖动系统的运动方程式，熟练分析电动机的运动状态，熟练分析各转矩的正负号•了解工作机构转矩、直线作用力、飞轮惯量和质量的折算方法，了解考虑传动损耗时的简化折算方法•熟练掌握生产机械的负载转矩特性27第八章结束