第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)

1、第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ) 傳動：動力的傳遞。功率的傳遞。能量的傳遞。 氣體傳動 汽缸、氣閥、氣體管路、氣源； 特點(diǎn)：干凈、力矩較小、噪音小 應(yīng)用：食品、藥品、包裝行業(yè) 液體傳動 液缸、液壓閥、液壓管路、液壓泵、液壓馬達(dá)； 特點(diǎn)：力矩大，有油污 應(yīng)用：輪船、大型壓機(jī) 電力傳動 電機(jī)、電纜、電源、 特點(diǎn)：傳送距離更遠(yuǎn)、調(diào)速性能更好 國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ) 交通工具 運(yùn)輸工具2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式 2.2.12.2.1電力拖動系統(tǒng)的組成電力拖動系統(tǒng)的組成 原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動稱為拖動，因此，當(dāng)使用電動機(jī)為原動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械，我們稱為電力拖動。 組成 電力

2、拖動系統(tǒng)由電動機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、電動機(jī)的控制設(shè)備以及電源等五部分組成，如圖2-1所示。通常把生產(chǎn)機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)及工作機(jī)構(gòu)稱為電動機(jī)的機(jī)械負(fù)載。圖2-1 電力拖動系統(tǒng)的組成 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ) 2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式 (2)電力拖動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1.電能易于生產(chǎn)、傳輸、分配。 2.電動機(jī)類型多、規(guī)格全，具有各種特性，能滿足各種生產(chǎn)機(jī)械的不同要求。 3.電動機(jī)損耗小、效率高、具有較大的短時過載能力。 4.電力拖動系統(tǒng)容易控制、操作簡單、 便于實現(xiàn)自動化。(3)應(yīng)用舉例 精密機(jī)床、重型銑床、高速冷軋機(jī)、高速造紙機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ) 第

3、2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式2.2.22.2.2典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動形式典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動形式(1)單軸電力拖動系統(tǒng) 在生產(chǎn)實踐中，生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式是多種多樣的，其電力拖動系統(tǒng)也有多種類型，最簡單的系統(tǒng)是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)直接相連，工作機(jī)構(gòu)是電動機(jī)的負(fù)載，這種系統(tǒng)稱為單軸電力拖動系統(tǒng)，電動機(jī)與負(fù)載同一根軸，同一轉(zhuǎn)速圖2-2所示。 圖2-2 單軸電力拖動系統(tǒng) 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式(3)多軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加平移運(yùn)動系統(tǒng) 圖2-4 多軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加平移運(yùn)動系統(tǒng)框圖 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第2章 電力拖動

4、系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式2.2.32.2.3電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式(1)單軸電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程 電力拖動系統(tǒng)是由電動機(jī)拖動并通過傳動機(jī)構(gòu)帶動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的一個動力學(xué)整體，它所用的電動機(jī)種類很多，生產(chǎn)機(jī)械的性質(zhì)也各不相同，但從動力學(xué)的角度看，它們都服從動力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律，因此，需要找出它們普遍的運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)行分析。首先研究電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)，建立電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式。 根據(jù)牛頓第二定律，物體做直線運(yùn)動時，作用在物體上的拖動力總是與阻力以及速度變化時產(chǎn)生的慣性力所平衡，其運(yùn)動方程式為 tvmFFddL第2章

5、電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式 電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程式描述了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)取決于作用在原動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。與直線運(yùn)動時相似，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的拖動系統(tǒng)運(yùn)動平衡方程式根據(jù)如圖2-6給出的系統(tǒng)可寫出 圖2-6 單軸電力拖動系統(tǒng) dtdJTTLem轉(zhuǎn)動慣量J可用下式表示 工程實際計算中常用的運(yùn)動方程式如下，這里 g42g222GDDGmJdtdnGDTT3752Lem602 n 式中 為轉(zhuǎn)動物體的飛輪矩（Nm2）， ，它是電動機(jī)飛輪矩和生產(chǎn)機(jī)械飛輪矩之和，為一個整體的物理量，反映了轉(zhuǎn)動體的慣性大小。2GDgJGD42 (2)運(yùn)動方程式中轉(zhuǎn)矩正、負(fù)號的規(guī)定

6、在電力拖動系統(tǒng)中，隨著生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載類型和工作狀況的不同，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩（拖動轉(zhuǎn)矩） 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩） 的大小和方向都可能發(fā)生變化。因此運(yùn)動方程式中的轉(zhuǎn)矩都是帶有正、負(fù)號的代數(shù)量。因此須考慮轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速正負(fù)號，一般規(guī)定如下。 1.首先選定順時針或逆時針中的某一個方向為規(guī)定正方向，一般以電動機(jī)處于電動狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)方向為規(guī)定正方向。2.轉(zhuǎn)速的方向與規(guī)定正方向相同時為正，相反時為負(fù)。3.電磁轉(zhuǎn)矩方向與規(guī)定正方向相同時為正，相反時為負(fù)。4.負(fù)載轉(zhuǎn)矩與規(guī)定正方向相反時為正，相同時為負(fù)，如圖2-7所示。B。 BemTLT圖2-7 正方向規(guī)定 2.2 電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的三種狀態(tài)1

7、.當(dāng) 或 時，系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2.當(dāng) 或 時，系統(tǒng)處于加速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3.當(dāng) 或 時，系統(tǒng)處于減速運(yùn)行狀態(tài)，即處于動態(tài)。 由此可知，系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時，一旦受到外界的干擾，平衡被打破，轉(zhuǎn)速將會變化。對于一個穩(wěn)定系統(tǒng)來說，要求具有恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。 LemTT0dtdnLemTT0dtdnLemTT0dtdn2.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化 實際中電動機(jī)大多轉(zhuǎn)速較高，而生產(chǎn)機(jī)械的工作速度低。因此，生產(chǎn)機(jī)械大多是電動機(jī)通過傳動裝置與工作機(jī)構(gòu)相連。常見的傳動裝置如齒輪減速箱、蝸輪蝸桿、皮帶輪等。因此在電動機(jī)和工作機(jī)構(gòu)之間要經(jīng)過多根軸傳動，所以電力拖動系統(tǒng)較多為多軸電

8、力拖動系統(tǒng)。 研究多軸電力拖動系統(tǒng)原則：不需要詳細(xì)研究每根軸的問題，而只把電動機(jī)的軸作為研究對象即可。為簡單起見，采用折算的辦法，即將實際的多軸拖動系統(tǒng)等效為單軸拖動系統(tǒng)。2.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化2.3.12.3.1多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的折算多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的折算(1)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算 為了簡化多軸系統(tǒng)的分析計算，通常采用折算的方法，把多軸系統(tǒng)折算成等效的單軸系統(tǒng)，如圖2-8圖所示。然后按單軸電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程式分析。折算的原則是保持系統(tǒng)的功率傳遞關(guān)系及系統(tǒng)貯存的動能不變。 圖2-8 所示為多軸電力拖動系統(tǒng)折算成單軸系統(tǒng) (a)多軸系統(tǒng) (b)等效單軸系統(tǒng)2.3多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化 負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算

9、的原則是，保持折算前后系統(tǒng)傳遞的功率不變。關(guān)于中間傳動機(jī)構(gòu)的傳動損耗，將在傳動效率 中考慮。下面分兩種情況討論。 電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時，根據(jù)折算前后功率不變的原則有 ffLTTjTnnTTTfffffL 為工作機(jī)構(gòu)負(fù)載實際轉(zhuǎn)矩， 為工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角速度， 為工作機(jī)構(gòu)負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到 電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 為電動機(jī)軸上角速度， 為電動機(jī)軸上轉(zhuǎn)速，為工作機(jī)構(gòu)軸上轉(zhuǎn)速，為電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸之間的總傳動比， ，在多級傳動機(jī)構(gòu)中為各級傳動比之積， 。2.3多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化fTfLTnfn；j21ff/jjnnj 321jjjj式中： 式中 為傳動機(jī)構(gòu)的總效率，為各級傳動效率之積如電動機(jī)工作在

10、制動狀態(tài)，電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，此時能量由工作機(jī)構(gòu)向電動機(jī)傳送，傳動損耗由工作機(jī)構(gòu)承擔(dān)，則有 2.3多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化；若考慮傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算值還要加大，為 jTTLf 321ffLTTjTnnTTTfffffL2.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化(2)飛輪矩的折算 飛輪矩的大小是旋轉(zhuǎn)物體機(jī)械慣性大小的體現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)物體的動能大小為 222)602(42121ngGDJ 對于圖2.8所示的系統(tǒng)，根據(jù)折算前后系統(tǒng)貯存動能不變的原則，有 2f2f2b2b22a22)602(421)602(421)602(421)602(421ngGDngGDngGDngGD2.3 多軸電力拖

11、動系統(tǒng)的簡化由此可得折算到電動機(jī)軸上總飛輪矩為 2212f212b2a2f2f2b2b2a2)/(/)/(1)/(1jjGDjGDGDnnGDnnGDGDGD寫成一般形式為 22f2212c212b2a2/)/(/jGDjjGDjGDGDGD第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2aGD2fGD2c2bGDGD 、為電動機(jī)軸飛輪矩，包括電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪矩及同軸齒輪 飛輪矩；為工作機(jī)構(gòu)飛輪矩與同軸齒輪飛輪矩之和； 為傳動機(jī)構(gòu)各級傳動軸兩端齒輪飛輪矩之和。在工程中，常用下式進(jìn)行近似計算22)1 (MGDGD2.3.22.3.2平移運(yùn)動系統(tǒng)的折算平移運(yùn)動系統(tǒng)的折算 在生產(chǎn)實際中，有部分生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)作平

12、移運(yùn)動，如龍門刨床等。圖2-9為龍門刨床傳動機(jī)構(gòu)示意圖。2.3多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)圖2-9 龍門刨床傳動機(jī)構(gòu)示意圖 2.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化(1)阻力 的折算 F龍門刨床切削時的切削功率為 FvP 若不考慮傳動機(jī)構(gòu)的傳動損耗，根據(jù)折算前后功率不變的原則，有 TFvLnFvnFvFvTL55. 960/2考慮傳動系統(tǒng)傳動損耗后， nFvTL55. 9第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.2多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化(2)平移運(yùn)動部件質(zhì)量的折算 為便于研究與計算，把平移運(yùn)動部件的質(zhì)量 折算成電動機(jī)軸上的等效飛輪矩 。運(yùn)動部件的動能為 2f2f2121vgGvmfm

13、2fGD折算到電動機(jī)軸上后的動能為22f2f)602(42121ngGDJ第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)折算前后的動能不變，因此 22f2f)602(42121ngGDvgG22f22f2f365)60/2(4nvGnvGGD2.3多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化2.3.3升降運(yùn)動系統(tǒng)的折算 橋式起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)、電梯、礦井卷揚(yáng)機(jī)等的工作機(jī)構(gòu)均作升降運(yùn)動。升降與平移雖同屬直線運(yùn)動，但它與重力作用有關(guān)。圖2-10為橋式起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)示意圖。電動機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)帶動卷簡，半徑為R，轉(zhuǎn)速為 。纏在卷筒上的鋼絲繩懸掛一重物，重力為 G=mg，重物提升和下放的速度為v ，傳動比為j，傳動機(jī)構(gòu)效率為 fn圖2

14、-10 起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)示意圖 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化(1)提升重物時負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算 重物作用在卷筒上，卷筒軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為GR。不計傳動損耗時，折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 jGRTL 考慮傳動損耗時折算到電動機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 nGvjGRTL55. 9 提升重物時傳動機(jī)構(gòu)損耗的轉(zhuǎn)矩為 11jGRjGRjGRT第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化(2)下放重物時負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算 下放重物時，卷簡軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍為GR，不計傳動機(jī)構(gòu)損耗時，折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍是GR/j，負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向也不變。但它卻成為拖動轉(zhuǎn)矩，帶著電

15、動機(jī)反轉(zhuǎn)，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變成制動轉(zhuǎn)矩，阻礙系統(tǒng)運(yùn)動。這時如考慮傳動機(jī)構(gòu)損耗， 應(yīng)由負(fù)載承擔(dān)。如果提升和下放同一重物時 近似地看成不變，那么，下放重物時折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： TT1211jGRjGRjGRTjGRTL第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)設(shè)下放重物時傳動效率為 ，則有 jGRTL比較上兩式可見 122.4負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件 2.4.12.4.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小不隨轉(zhuǎn)速變化，這種特性稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向特點(diǎn)分為反抗性和位能性負(fù)載兩種。（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小不變

16、，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動的方向相反，總是阻礙電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向改變時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變，始終是阻轉(zhuǎn)矩。圖2-11 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.4 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 這種負(fù)載的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩由重力作用產(chǎn)生，不論生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動的方向變化與否，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小和方向始終不變。例如起重設(shè)備提升重物時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為阻轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，當(dāng)下放重物時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，促使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。負(fù)載特性如圖2-12所示。 圖2-12 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.4 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件圖2-13 恒功率負(fù)載特性曲線 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.4 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件2.4.32.4.3通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性 通風(fēng)機(jī)型負(fù)載的方向特點(diǎn)是屬于反抗性負(fù)載；大小特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即2LKnT 負(fù)載特性曲線如圖2-14所示。 圖2-14 通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性曲線 第2章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2.4負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件2