1、电力拖动,2,1 电力拖动系统在国民经济中的应用 在现代化工业生产和交通运输、科学研究等诸多领域，绝大部分生产机械都是采用电动机作为原动机来拖动； 例如，各类机床设备、起重设备、电动车和纺织机械等。 电动机拖动生产机械运动的系统称为电力拖动系统也称为电气传动系统。,绪 论,3,生产过程中完成加工、搬运等各项工作的机械，统称为生产机械，例如，机床、泵、起重机、轧钢机和电机车等。 电动机及其控制设备以及生产机械组成的成套装置，称为电力拖动装置，或电力拖动系统。 电动机是生产机械的原动机。 然而，在某些情况下，电动机也起制动作用，把机械能转换成电能，此时，我们称电动机运行在电磁制动状态。,绪 论,4
2、,2、电力拖动系统的发展 电力拖动的发展，大体上经历了成组拖动、单机拖动和多机拖动三个阶段。 成组拖动是用一台电动机拖动一根主轴，再由传动带或绳索分别拖动几台生产机械。效率很低，已不采用。 一台电动机拖动一台生产机械，从而减少了中间传动机构，提高了效率，并可充分利用电动机的调速性能来满足生产机械的工艺要求。,绪 论,5,现代化的生产机械，大都采用多电动机拖动运动机构这种较复杂的拖动方式，即用一台电动机来拖动生产机械中的某一个部件。 由于采用多机拖动方式易于实现自动化生产，因 此，在现代化的电力拖动系统中大都采用多电动机拖动方式。 随着电力电子技术的迅速发展和微计算机的广泛应用使得多电动机拖动系
3、统进入了一个新的阶段。,绪 论,6,电力拖动系统的分类和特点 分直流电力拖动系统和交流电力拖动系统。 以直流电动机作为原动机的称为直流电力拖动系统； 以交流电动机作为原动机的称为交流电力拖动系统。,绪 论,7,直流电力拖动系统优点： 具有起动转矩大、可在较大范围内实现速度的平滑调节和易于控制等。 直流电力拖动系统缺点： 直流电动机具有换向器和电刷装置，限制了电动机向高速和大容量方而发展，并且也不能直接用于易燃、易爆等工业场合。,绪 论,8,对于交流电力拖动系统，由于交流异步电动机具有结构简单、维修方便，且能在环境条件较恶劣的场合下运行，所以交流电力拖动系统在工农业生产中得到广泛的应用。 但是，
4、由于交流电力拖动在调速性能等指标上还不能完全赶上直流电力拖动，所以，在要求很高的调速系统中，交流电力拖动仍受到一定的限制。,绪 论,9,主要内容： 电力拖动系统的运动方程式，电力拖动系统的组成，电力拖动系统的运动方程式，运动方程中各物理量正负号的标注规定，工作机构的转矩和飞轮矩的折算，旋转运动，平移运动，升降运动，生产机械典型负载转矩特性，恒转矩负载特性，恒功率负载特性，通风机型负载特性，传动损耗和传动效率。 重点与难点 工作机构的转矩和飞轮矩的折算,第一章 电力拖动系统的动力学基础,10,1.1 电力拖动系统的运动方程式 1.1.1 电力施动系统的组成 电力拖动系统是由电动机、生产机械、传动
5、机构、控制设备和电源等五大部分组成。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,11,1.1.2 电力拖动系统的运动方程式 1.1.2.1 直线运动方程 根据牛顿第二定律，质点的运动方程式为 fma f作用在质点上的所有外力的合力； m质点的质量； a质点的加速度。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,12,在电力拖动装置中，有很多部件是做直线运动的，例如起重机的吊钩、机床的工作台、电梯的升降室以及直线电动机等。这些部件的直线运动可以看作是刚体的直线运动，而刚体的直线运动方程式与质点的运动方程式具有相同的形式。 从电力拖动过程考虑，可把作用在直线运动部件上的外力分为拖动力和静负载力两部分。于 是，可得出
6、直线运动方程式,第一章 电力拖动系统的动力学基础,13,第一章 电力拖动系统的动力学基础,14,1.1.2.2 单轴旋转系统的运动方程式 在电力拖动系统中，存在着大量的绕固定轴旋转的部件，例如旋转电动机、齿轮和各种做旋转运动的工作机构等。 根据物理学中的刚体转动定律来分济和描述这些旋转部件的运动规律。 首先来分析典型的单轴旋转系统。 所谓的单轴旋转系统是指，在电力拖动装置中没有传动机构， 其运动系统只有同一种转速的旋转系统，通常简称为单轴系统.,第一章 电力拖动系统的动力学基础,15,第一章 电力拖动系统的动力学基础,16,第一章 电力拖动系统的动力学基础,17,可将旋转工作机械等效为一实圆柱
7、体，于是上式中的转动惯量J可用下式表示,第一章 电力拖动系统的动力学基础,18,在式中，GD2称为飞轮矩(Nm2)。它是实际工程中用来描述旋转物体惯性的物理量。 GD2看成是一个不可分的整体符号。 由于在实际工程上是用转速n而不是用角速度愿来描述电视转速的，所以，还需把式化成工程上的实用形式。现将2n60代入式，可得实用的电力拖动系统的运动方程式,第一章 电力拖动系统的动力学基础,19,由式，电动机的工作状态可由运动方程表示出来。当M ML时n0或n常值，即电动机静止或等速旋转，拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态； 当M ML时，n0，电动机加速; 当M ML时，n0，电动机减速。不论加速还是
8、减速，由于拖动系统的运动均处于过渡过程之中，所以称之为动态.,第一章 电力拖动系统的动力学基础,20,1.1.3 运动方程中各物理量正负号的标注规定 通常，在确定运动方程中各量的正方向时，往往以电动机的转速n为参考。首先确定M的正方向。转速正方向的选取是任意的，顺时针方向或逆时针方向均可定义为正方向。 在实际工程上，习惯于把提升装置提升重物时的转速方向定义为正方向；把机床对应于进给切削方向的转速定义为正方向。一旦转速的正方向确定下来，转矩的正方向可按下列则确定：,第一章 电力拖动系统的动力学基础,21,(1)电动机(电磁)转矩M的正方向与转速的正方向相同 (2)静负载转矩ML的正方向与转速的正
9、方向相反。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,22,第一章 电力拖动系统的动力学基础,23,第一章 电力拖动系统的动力学基础,24,1.2 工作机构的转矩和飞轮矩的折算 在实际的拖动系统中，电动机的轴往往不与工作机构轴直接连接，而是通过传动机构与工作机构轴连接，以便实现电动机转速与工作机构转速的匹配。 这类拖动系统具有两根或两根以上不同转速的轴，所以称为多袖旋转系统，简称多袖系统。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,25,第一章 电力拖动系统的动力学基础,26,该拖动系统的传动机构为两级齿轮减速机构，其减速比分别为j1、j2，传动效率分别为1、 2，三根转轴的转速分别为n,n1,nm，三根轴上
10、的转矩和飞轮矩也不相同。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,27,1.2.1 旋转运动 在实际生产中有许多生产机械的工作机构的运动属于旋转运动。 旋转运动时转短和飞轮短的折算。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,28,29,30,实际上，在多轴拖动系统的机械功率传递过程中，传动机构存在功率损耗，即传动损耗。这部分损耗是由电动机承担的，因此，电动机输出的机械功率比生产机械消耗的功率大。这部分损耗可以用传动机构的效率c来描述。于是，有,第一章 电力拖动系统的动力学基础,31,电动机轴与工作机构轴的转速比j为总转速比，在多级传动机构中应为各级转速比之积，即jj1j2； 传动效率c 也同样是传动机构的
11、总效率，为各级传动效率之积，即c 1 2 。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,32,1.2.1.2 飞轮矩的折算 飞轮矩的大小是旋转工作机构机械惯性的体现。旋转体的动能为专1/2 J2，如令J代表多轴系统折算成单轴系统后的等效转动惯量，根据折算前后系统贮存动能不变的原则，有,第一章 电力拖动系统的动力学基础,33,第一章 电力拖动系统的动力学基础,34,1.2.2平移运动 在实际生产中。有相当一部分生产机械的工作机构作平移运动，例如龙门刨床工作台。 由于平移运动属于直线运动，因此，其转矩和飞轮矩的折算公式与上述旋转运动有所不同。 平移运动的转矩折算和飞轮矩折算。,第一章 电力拖动系统的动力学
12、基础,35,第一章 电力拖动系统的动力学基础,36,37,38,第一章 电力拖动系统的动力学基础,39,1.2.3升降运动 有些生产机械的工作机构是作升降运动的，如起重机和电梯等。虽然升降运动和平移运动同属于直线运动，但它具有不同于平移运动的特点。现以图所示的起重机提升机构为例来进行讨论。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,40,第一章 电力拖动系统的动力学基础,41,第一章 电力拖动系统的动力学基础,42,第一章 电力拖动系统的动力学基础,43,2下放重物 下放重物时，重物对卷筒釉的负载转矩大小仍为GR及。在不计传动机构损耗时，折算到电动机釉上的负载转矩仍可用上式描述。 但在下放重物时，是重
13、物(负载)带动电动机，重力作用拉着整个系统反方向运动。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,44,此时，电动机的电磁转矩起制动作用，即阻碍系统的运动。 如果考虑传动机构的损耗，很明显，这部分损耗是由负载来承担的。 下放重物时折算到电动机袖上的负载转矩应为,第一章 电力拖动系统的动力学基础,45,1.2.3.2 飞轮矩的折算 由于升降运动和平移运动同届于直线运动，所以，升降运动的飞轮矩折算与平移运动的飞轮矩折算方法相同。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,46,第一章 电力拖动系统的动力学基础,47,第一章 电力拖动系统的动力学基础,48,第一章 电力拖动系统的动力学基础,49,第一章 电力拖动系
14、统的动力学基础,50,第一章 电力拖动系统的动力学基础,51,第一章 电力拖动系统的动力学基础,52,第一章 电力拖动系统的动力学基础,53,第一章 电力拖动系统的动力学基础,54,第一章 电力拖动系统的动力学基础,55,1.3 生产机械典型负载转矩特性 分析电力拖动系统的动力学关系，必须了解静负裁转矩，而静负裁转矩是由生产机械决定的。 为了方便分析问题，通常按照生产机械负载转矩与转速的关系将生产机械进行分类。 根据统计，大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为:恒转矩负载特性、恒功率负载转矩特性和通风机型负裁特性三大类。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,56,1.3.1 恒转短负载特性 所谓恒
15、转短负载特性是指负载转矩ML与转速n无关的特性，即当转速变化时，负裁转矩ML保持常值。 恒转矩负裁可进一步分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负裁两大类。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,57,1.3.1.1 反抗性值转矩负载 反抗性值转矩负裁特性的特点是恒值转矩ML总是与运动方向相反。 对于反抗性恒转矩负裁，当转速n为正向时， ML也为正向，当n为负方向时， ML也改变方向，变为负值，如图所示。 反抗性恒转矩负载转矩特性应画在第I象限和第象限内。 压延机构、机床的平移机构和电车的平道行驶等。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,58,第一章 电力拖动系统的动力学基础,59,1.3.1.2 位能
16、性恒转矩负载 静负裁转矩的方向不随转速方向改变而改变的负裁称为位能性恒转矩负裁，如起重机提升装置中由重物产生的静负载就是位能性负裁。如图所示 不论提升重物(n正)或是下放重物n为负)，负裁转矩始终是反方向的，即ML始终为正，特性画在第I象限和第象限内，表示特性的直线是连续的。 注意：提升时，转矩ML是反对提升的，下放时， ML却是帮助下放的。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,60,第一章 电力拖动系统的动力学基础,61,1.3.2 恒功率负载特性 负载功率PL为一常值，负裁转矩ML与转速n成反比的负裁称为恒功率负载。 如机床在加工工件过程中，初加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速，精加工
17、时，切削量小，往往开高速。因此，在不同转速下，负裁转矩基本上与转速成反比，即MLK/n，其切削功率PL 为,第一章 电力拖动系统的动力学基础,62,第一章 电力拖动系统的动力学基础,63,1.3.3 通风机型负载特性 静负载转矩基本上与转速二次方成正比变化的负裁称为通风机型负载，这类负裁的转短与转速的关系可描述为: MLa + bn2 式中，a表示轴承摩擦转矩 b是负载转矩中随速度变化部分的比例系数，对于确定的生产机械来说a和b都是常量。通风机型负裁特性如图所示。 通风机负裁的生产机械有：通风机、水泵、油泵等。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,64,第一章 电力拖动系统的动力学基础,65,1
18、.4 传动损耗和传动效率 1.4.1 传动损耗功率和传动损耗转矩 通常，传动机构工作时，由于存在摩擦、钢绳弯曲或皮带弯曲等原因，在传动机构上将损耗掉一部分被传递的功率，存在着传动损耗。 在生产机械中，齿轮是应用最为普遍的一种传动机构。齿轮工作时，齿轮啮合处等部分存在损耗功率，在每根轴上存在损耗转矩。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,66,第一章 电力拖动系统的动力学基础,67,第一章 电力拖动系统的动力学基础,68,1.4.2 传动效率与输出转矩的关系 在工程计算中，传动损耗是用传动效率来描述的，而传动效率与传动机构的结构型式、装配情况、润滑条件以及负载的大小有关。一旦传动机构自身的条件确定
19、，则传动机构的效率便仅取决于负载的大小。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,69,第一章 电力拖动系统的动力学基础,70,上式表明了传动效率与输出转矩ML的 关系，其描绘的效率曲线如图所示。 N表示额定效率，是输出转矩为额定 值时的效率，由上式得,第一章 电力拖动系统的动力学基础,71,第一章 电力拖动系统的动力学基础,72,1.4.3 提升装置传动效率的确定方法 提升装置的传动机构一般由齿轮和卷简钢绳组成，传动效率等于齿轮效率与卷简钢绳效率的乘积。效率曲线仍符合图所描述的规律，只是把横坐标的输出转矩相对值换成起重量的相对值便可。起重量的相对值等于起重量G与最大起重量GN之比。,第一章 电力拖
20、动系统的动力学基础,73,第一章 电力拖动系统的动力学基础,74,第一章 电力拖动系统的动力学基础,75,第一章 电力拖动系统的动力学基础,76,本章介绍了电力拖动的动力学基础。 研究电力拖动系统的静态特性和过渡过程所必备的基础知识，最基本的是牛顿第二运动定律和能量守恒定律。 根据上述定律得出的直线运动方程和旋转运动方程，揭示了动负载力(转矩)和力(转矩)的动态平衡关系。 在运动方程式中，转矩是有方向的量，用转矩前面的正负号表示。我们把与转速方向相同的转矩称为驱动转矩，把与转速方向相反的转矩称为阻转矩。电动机的负载同样既可以是消耗功率的，也可以是提供功率的。,小 结,77,驱动转矩、负载转矩和
21、系统转速三者之间的关系，当电动机转矩同静负载转矩相平衡时，运动系统处于稳态(静态)，当电动机转矩与静负载转矩不平衡时，运动系统处于动态，电动机转矩同静负载转矩与动负载转矩的代数和相平衡。 实际的电力拖动系统多数是较复杂的多轴系统，或是既有旋转运动又有直线运动的复合运动系统，通常要把这些系统等效成典型的单轴拖动系统。将负载转矩和飞轮矩向电动机轴上进行折算。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,78,在工程计算时，传动损耗是用传动效率来考虑的。传动效率定义为传动机构的输出功率与输入功串之比。 生产机械的种类很多，通常按照生产机械负载转矩与转速的关系将生产机械分为恒转短负载、恒功率负载相通风机型负载三大类。,第一章 电力拖动系统的动力学基础,79,第一章 电力拖动系统的动力学基础,80,第一章 电力拖动系统的动力学基础,81,第一章 电力拖动系统的动力学基础,
