電機與拖動(電子科技大學)

1、第二章 電力拖動系統(tǒng)動力學,2.1 電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程式2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化2.3 負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件,2.1電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程式,一. 典型生產(chǎn)機械的運動形式,1. 單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),2. 多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),3. 多軸旋轉(zhuǎn)運動加平移運動系統(tǒng),4. 多軸旋轉(zhuǎn)運動加升降運動系統(tǒng),二. 單軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程式,T :電動機電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；TF :負載轉(zhuǎn)矩(N·m)n :電動

2、機轉(zhuǎn)速(r/min)；T0 :電動機空載轉(zhuǎn)矩(N·m),T-TL：動轉(zhuǎn)矩(N·m)或慣性轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩J：轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)Ω：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動角速度(rad/s),參考正方向,參考正方向,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向問題,實際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向：1.T與n同向，代數(shù)上同正同負；T與n反向，代數(shù)上一正一負。2.TL與n同向，代數(shù)上一正一負；TL與n反向，代數(shù)上同正同負。,實際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向：1. 轉(zhuǎn)矩與n同向，則稱為

3、“拖動性”轉(zhuǎn)矩2. 轉(zhuǎn)矩與n反向，則稱為“制動性”轉(zhuǎn)矩,,,又由：,m：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量，kgG：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力，Nρ ：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣性半徑，mD：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣性直徑，mg：重力加速度，m/s2,GD2：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的飛輪矩，N·m2375 ：有單位的系數(shù)，m/min·s,由轉(zhuǎn)動方程式可以分析系統(tǒng)運動狀態(tài)：,T-TL=0 ：系統(tǒng)靜止或恒速運行，穩(wěn)態(tài)；T-TL>0 ：系統(tǒng)加速運

4、行，過渡過程；T-TL<0 ：系統(tǒng)減速運行，過渡過程。,電動機起動時，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系？電動機停車時，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系？,2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化,問題：全面分析多軸系統(tǒng)，必須列出每根軸的運動方程式及各軸相互聯(lián)系的方程式，分析復雜。方法：通常把負載轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)飛輪矩折算到電動機軸上來，變多軸系統(tǒng)為單軸系統(tǒng)。折算的原則是：保持系統(tǒng)的功率傳遞關(guān)系及系統(tǒng)的貯存動能不變。,2.2.1 工作機構(gòu)為轉(zhuǎn)動情況時的折算,

5、1. 負載轉(zhuǎn)矩的折算——保持功率傳遞關(guān)系不變,(1) 忽略傳動機構(gòu)的損耗，由折算前后功率不變，得：,j=n/nf=j1j2j3…為傳動機構(gòu)總的速比,(2) 考慮傳動機構(gòu)的損耗時,等效的傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩損耗為：,η=η1η2η3…為傳動機構(gòu)總效率,2. 飛輪矩的折算——保持系統(tǒng)動能不變,負載飛輪矩折算(轉(zhuǎn)動部分飛輪矩折算)：,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分動能表達式：,總的飛輪矩的估算：,GDD2為電動機轉(zhuǎn)子的飛輪矩,電動機軸上只有傳動機構(gòu)中第一級小齒輪時，

6、取δ=0.2~0.3，如果還有其它部件，則δ的數(shù)值需要加大。,保持系統(tǒng)儲存的動能不變，則系統(tǒng)總飛輪矩為：,1.電動機經(jīng)過速比 j=5 的減速器拖動工作機構(gòu)，工作機構(gòu)的實際轉(zhuǎn)矩為20Nm，飛輪矩為1Nm2，不計傳動機構(gòu)損耗，這算到電動機軸上的工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩與飛輪矩分別為多少？2. 恒速運行的電力拖動系統(tǒng)中，已知電動機電磁轉(zhuǎn)矩為80Nm，忽略空載損耗，傳動機構(gòu)效率為0.8，速比為10，未折算前實際的負載轉(zhuǎn)矩應為多少？3.電力拖動系統(tǒng)中已知

7、電動機轉(zhuǎn)速為1000r/min，工作機構(gòu)轉(zhuǎn)速為100r/min，傳動效率為0.9，工作機構(gòu)未折算的實際轉(zhuǎn)矩為120Nm，電動機電磁轉(zhuǎn)矩為20Nm，忽略空載損耗，系統(tǒng)是加速還是減速運行？,2.2.2 工作機構(gòu)為平移運動時的折算,1.負載轉(zhuǎn)矩的折算,考慮傳動機構(gòu)的損耗：,2. 負載飛輪矩的折算,2.2.3 工作機構(gòu)做提升和下放重物運動時的折算,,(a) 把負載看作做平移運動的物體折算其飛輪矩；(b) 若已知卷筒直徑，可把負載重力折算為施加

8、在卷筒上的轉(zhuǎn)矩，看作做旋轉(zhuǎn)運動的物體來折算其轉(zhuǎn)矩。(c)特殊問題：提升與下放時的傳動效率不同,考慮傳動損耗轉(zhuǎn)矩時，提升和下放重物時轉(zhuǎn)矩折算關(guān)系,(1) 提升重物時的轉(zhuǎn)矩關(guān)系,(2) 下放重物時的轉(zhuǎn)矩關(guān)系,傳動機構(gòu)損耗轉(zhuǎn)矩 ΔT 和電動機轉(zhuǎn)軸空載損耗轉(zhuǎn)矩 T0均為摩擦性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速 n 反向，為制動轉(zhuǎn)矩；提升重物時，Tf/j 與轉(zhuǎn)速方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩；下放重物時，Tf/j 與轉(zhuǎn)速方向相同，為拖動轉(zhuǎn)矩；以同樣的速度提升和下降重

9、物時，傳動機構(gòu)的效率之間的關(guān)系是:,結(jié)論：,例1：某起重機的電力拖動系統(tǒng)如圖所示。求：1. 以速度v=0.3m/s提升重物時，負載（重物及釣鉤）轉(zhuǎn)矩、卷筒轉(zhuǎn)速、電動機輸出轉(zhuǎn)矩及電動機轉(zhuǎn)速；2. 負載及系統(tǒng)的飛輪矩（折算到電動機軸上）3. 以加速度a=0.1m/s2提升重物時，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩。,解:,(1) 負載轉(zhuǎn)矩（未折合）：,卷筒轉(zhuǎn)速：,電動機輸出轉(zhuǎn)矩折合值：,電動機轉(zhuǎn)速：,(2) 負載及系統(tǒng)的飛輪矩,,(3)以加速度a=0.

10、1m/s2提升重物時，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩,2.3 負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件,2.3.1 負載的轉(zhuǎn)矩特性2.3.2 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件,2.3.1 負載的機械特性,電動機負載(生產(chǎn)機械)的轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 n=f(TF)稱為負載的機械特性，簡稱負載特性。,一. 恒轉(zhuǎn)矩負載特性,1. 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載：TF大小恒定不變，方向總與轉(zhuǎn)速n方向相反，屬于制動轉(zhuǎn)矩，如摩擦性轉(zhuǎn)矩。,2. 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載：TF大小、

11、方向恒定不變，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。當方向與n相同時，為拖動轉(zhuǎn)矩，當方向與n相反時為制動轉(zhuǎn)矩，如起重機的提升機構(gòu)和礦井卷揚機。,二. 風機泵類負載：TF ∝n2，方向總與轉(zhuǎn)速方向相反。如通風機、水泵、油泵等流體機械。,三. 恒功率負載：TF n=常數(shù)。如各種機床的主傳動等。,穩(wěn)定運行工作點：(1)T=TL ；(2)當系統(tǒng)受到干擾時，電動機轉(zhuǎn)速會有變化，但在干擾消失后，仍能恢復到原來的工作點運行。,2.3.1 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件,穩(wěn)定運行條

12、件分析：(1) 若系統(tǒng)遇到瞬時干擾，使轉(zhuǎn)速 n 減小，即ΔnΔTL，使得 T>TL，轉(zhuǎn)速才能恢復；(2) 若系統(tǒng)遇到瞬時干擾，使轉(zhuǎn)速 n 增大，即Δn>0 ，此時，轉(zhuǎn)矩的變化量必須 ΔT<ΔTL，使得 T<TL ，轉(zhuǎn)速才能恢復。,電力拖動系統(tǒng)工作點穩(wěn)定運行的條件：,A點穩(wěn)定性分析：,負載受到干擾TL增大為TL1,干擾消失，恢復到TL,在A點滿足：,A點為穩(wěn)定運行點,B點穩(wěn)定性分析：,負載受到干擾TL增大為TL

13、1,干擾消失，恢復到TL,在B點滿足：,B點為不穩(wěn)定運行點,,,,,,,,電動機機械特性,泵類負載,恒轉(zhuǎn)矩負載,恒功率負載,【思考題2.4】電梯設計時，其傳動機構(gòu)的效率在上升時為η<0.5。請計算 η=0.4 的電梯下降時，其效率是多大？若上升時，負載轉(zhuǎn)矩的折算值 TF=15N﹒m，則下降時負載轉(zhuǎn)矩的折算值為多少？ΔT為多大？,解2.4：根據(jù)提升和下放重物時的轉(zhuǎn)矩關(guān)系特點,提升重物時：,下放重物時：,效率關(guān)系：,下放重物的效率：

14、,重物折合轉(zhuǎn)矩：,下放重物折合轉(zhuǎn)矩：,傳動機構(gòu)損耗轉(zhuǎn)矩：,穩(wěn)定恒速下放重物時的轉(zhuǎn)矩關(guān)系：,【思考題2.2】電動機拖動金屬切削機床切削金屬時，傳動機構(gòu)的損耗由電動機還是由負載負擔？【思考題2.3】起重機提升重物與下放重物時，傳動機構(gòu)損耗由電動機還是重物負擔？,,,,,,,,電動機機械特性,泵類負載,恒轉(zhuǎn)矩負載,恒功率負載,,,,,,,,鐵磁材料的特性 磁導率、磁滯曲線、磁滯損耗、渦流損耗、鐵損耗 基本電磁定律 安培環(huán)路定律、電

15、磁力定律、電磁感應定律 磁路基本定律 磁路歐姆定律、磁路基氏第一定律、磁路基氏第二定律,緒論小結(jié),鐵磁材料的基本特性,高導磁性——μ>>μ0磁飽和性——μ≠常數(shù)磁滯性——磁滯回線，B(或Φ)的變化總是滯后于H(或I),問題1：電機和變壓器鐵心通常采用何種鐵磁材料？屬于軟磁材料還是硬磁材料？,問題2：當恒定磁通通過變壓器鐵心時，鐵心是否會發(fā)熱？當交變磁通通過變壓器鐵心時，鐵心是否會發(fā)熱？為什么？,電力拖動系統(tǒng)動力學分析

16、,電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程：,多軸電力拖動系統(tǒng)簡化：將負載轉(zhuǎn)矩 和飛輪矩 折合到電動機軸上，轉(zhuǎn)化為單軸電拖系統(tǒng)。折合原則：保持功率傳遞關(guān)系 和系統(tǒng)動能 不變。,工作機構(gòu)為轉(zhuǎn)動情況時的折算,第2章 電力拖動系統(tǒng)動力學 小結(jié),1. 利用轉(zhuǎn)動方程式簡單分析系統(tǒng)運行狀態(tài),2. 負載的機械特性及其分類,3. 根據(jù)電動機機械特性和負載機械特性判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性,(1) 單軸系統(tǒng)；(2) 多軸系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)飛輪矩折算,轉(zhuǎn)矩的基本分類,按轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)拖動