第二章-機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、教材：機(jī)電傳動(dòng)控制鄧星鐘 主編電 機(jī) 與 拖 動(dòng)第1章 概述 機(jī)電傳動(dòng)的發(fā)展概況; 電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況; “電機(jī)與拖動(dòng)”課程的性質(zhì)和任務(wù).1.機(jī)電傳動(dòng)發(fā)展的概況1) 成組拖動(dòng) 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)-一根天軸-一組生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備 機(jī)構(gòu)復(fù)雜,損耗大,效率低,工作可靠性差.2) 單臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)-一臺(tái)設(shè)備 當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí),機(jī)構(gòu)仍復(fù)雜,滿足不了生產(chǎn)工藝要求.3) 多臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) 一臺(tái)專門的電動(dòng)機(jī)-同一臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活,便于生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化.舉例: 龍門刨床的刨臺(tái),左垂直刀架,右垂直刀架,側(cè)刀架, 橫梁,夾緊機(jī)構(gòu),都是分別由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的.2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)

2、展概況1) 繼電器-接觸器控制系統(tǒng) 能對(duì)控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)起動(dòng),制動(dòng),有級(jí)調(diào)速控制; 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠;控制速度慢,控制精度差.2) 連續(xù)控制方式和自動(dòng)控制系統(tǒng) 20世紀(jì)30年代的電機(jī)放大機(jī)控制,40-50年代的磁放大器控制和水銀整流器控制,1958年以后的晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng),80年代以來的新型電力電子元件-交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng); 控制簡(jiǎn)單,可靠性高,連續(xù)控制,拖動(dòng)性能好.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展概況3) 可編程序控制器(PLC) 是繼電器常規(guī)控制技術(shù)與微機(jī)技術(shù)的結(jié)合,是一臺(tái)按開關(guān)量輸入的工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī); 具有邏輯運(yùn)算功能,定時(shí)/計(jì)數(shù)功能,數(shù)字運(yùn)算功能,通信功能.4) 計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系

3、統(tǒng) 1952年美國(guó)出現(xiàn)第一臺(tái)數(shù)控銑床,1958年出現(xiàn)加工中心,20世紀(jì)70年代CNC應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心,80年代出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)(FNS); 提高了生產(chǎn)機(jī)械的通用性和效率,實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工全盤自動(dòng)化.3. 本課程的性質(zhì)和任務(wù)1) 課程性質(zhì) 該課程是機(jī)械類專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課,是機(jī)電一體化人才所需電知識(shí)的驅(qū)體. 2) 課程內(nèi)容 全書11章，取前2-5章共4章內(nèi)容：(1)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和過渡過程;(2)直流電機(jī)的工作原理及特性;(3)交流電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性;(4) 控制電動(dòng)機(jī). 電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理工作的機(jī)械。 電機(jī)常用的分類方式有兩種：一是按功能分，有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變

4、壓器和控制電機(jī)四大類；二是按電機(jī)結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速分，有變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。兩種方法歸納如下： 電機(jī)變壓器直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)交流電機(jī)控制電機(jī)同步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)異步電機(jī)異步發(fā)電機(jī)異步電動(dòng)機(jī)概述3) 課程學(xué)習(xí)任務(wù) 要求掌握電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算及試驗(yàn)方法，培養(yǎng)在電機(jī)及電力拖動(dòng)方面分析和解決問題的能力，為今后學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 電機(jī)及拖動(dòng)是一門理論性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，同時(shí)又具有專業(yè)課的性質(zhì)，涉及的基礎(chǔ)理論和實(shí)際知識(shí)面廣，是電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等學(xué)科知識(shí)的綜合。用理論分析電機(jī)及拖動(dòng)的實(shí)際問題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，采用工程觀點(diǎn)和分析方法。掌握

5、基本理論的同時(shí)，還要注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作技能和計(jì)算方法。4)本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法參考教材: 1.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)清華大學(xué)出版社 李發(fā)海主編 2. 電機(jī)及電力拖動(dòng)機(jī)械工業(yè)出版社 周定頤主編 第2章 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式,用它來分析機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);了解多軸拖動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算方法;了解幾種典型生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性; 掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件； 了解決傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡過程。 電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備及電源五大部分組成。 電力拖動(dòng)系統(tǒng)中有的部件作直線運(yùn)動(dòng)、有的部件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。采用古典動(dòng)力學(xué)來分析。電源控制

6、設(shè)備電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和工作機(jī)構(gòu) 電力拖動(dòng)是用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)2.1 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式1.單軸機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式:根據(jù)動(dòng)量守恒定律： 定義式工程計(jì)算式電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)機(jī)械TMnTLT0軸TMTLn電力拖動(dòng)系統(tǒng)正方向的規(guī)定： 軸TMTLn 先規(guī)定旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?，轉(zhuǎn)速 n 的正方向一般選實(shí)際轉(zhuǎn)向。 規(guī)定與n方向相同的TM為正,與n方向相反的TL為正 規(guī)定與n方向相反的TM為負(fù),與n方向相同的TL為負(fù)。 在工程計(jì)算中，常用 n 代替 表示系統(tǒng)速度，用飛輪矩GD2代替 J 表示系統(tǒng)機(jī)械慣性2.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Td討論:1)當(dāng)Td=0時(shí), 系統(tǒng)稱之為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài).2)當(dāng)Td0時(shí),

7、系統(tǒng)為動(dòng)態(tài): (1) Td0, dn/dt = a0, 系統(tǒng)加速， (2) Td0, dn/dt = a0, 系統(tǒng)減速，稱之為動(dòng)態(tài)因此: TM ，TL有大小，有方向。令系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩:舉例 例1:列出下圖系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式,并說明運(yùn)動(dòng)狀態(tài).nTMTLnTMTL 解: TM與n反向?yàn)樨?fù)，TL與n反向?yàn)檎? 運(yùn)動(dòng)方程如下式； 狀態(tài)為減速。例2:提升重物過程如右圖示,寫出運(yùn)動(dòng)方程式.解 : (a)中，提升重物，TM為正， TL為正，運(yùn)動(dòng)方程式為:(b)中，仍為提升重物，但TM為負(fù)， TL為正, 運(yùn)動(dòng)方程式為:思考題 : 試分析圖(a)和圖(b)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài). 由運(yùn)動(dòng)方程看，要能提升重物，必須有TMTL

8、，系統(tǒng)才有提升加速度。 由運(yùn)動(dòng)方程看：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，也是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)減速提升，直至停止。思考題圖(a)圖(b)2.2轉(zhuǎn)矩.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算 實(shí)際拖動(dòng)系統(tǒng)一般是多軸傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，是將其轉(zhuǎn)矩等折算到一根軸上，再按前面的方法列出運(yùn)動(dòng)方程式。 折算時(shí)，可以折算到電動(dòng)機(jī)軸上(高速軸)，也可以折算至低速軸上。(a) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (b) 直線運(yùn)動(dòng)一、三軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)折算至電動(dòng)機(jī)軸上1. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變TMM等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TL電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)TMMj11j22TLL1轉(zhuǎn)矩的耗損：注意：當(dāng)M為拖動(dòng)性，由電動(dòng)機(jī)提供；當(dāng)M為制動(dòng)性， 由負(fù)載提供。 考慮各級(jí)效率時(shí)

9、：飛輪矩折算的原則：系統(tǒng)儲(chǔ)藏的動(dòng)能不變2.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算TMMGDZ2等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TL電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)TMMj11j22TLLGDM2GD12GDL21TMGDZ 2等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TL電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)TMj11j22TLLGDM2GD12GDL21 分別為電動(dòng)機(jī)軸，中間傳動(dòng)軸，生 產(chǎn)機(jī)械軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩?？傎|(zhì)量m電動(dòng)機(jī)刨刀TMnFTMJ等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TL二、三軸直線運(yùn)動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算轉(zhuǎn)矩折算的原則：系統(tǒng)傳遞的功率不變1）平移運(yùn)動(dòng)2）升降運(yùn)動(dòng)TMMGD2等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TL電動(dòng)機(jī)滾筒TMMj11j22GDM2GD12GDL21mv提升運(yùn)動(dòng)：電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)下降運(yùn)動(dòng)：電動(dòng)機(jī)

10、為發(fā)電狀態(tài)（1）提升運(yùn)動(dòng)：方法同平移運(yùn)動(dòng)（2）下降運(yùn)動(dòng)提升和下降的傳動(dòng)損耗相同重物質(zhì)量重物質(zhì)量2.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩的折算總質(zhì)量m電動(dòng)機(jī)刨刀TMnFTMMJZ等效負(fù)載電動(dòng)機(jī)TL（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算飛輪矩折算的原則：系統(tǒng)儲(chǔ)藏的動(dòng)能不變旋轉(zhuǎn)部分的折算直線部分的折算（2）飛輪矩的折算旋轉(zhuǎn)部分的折算直線部分的折算計(jì)算舉例例: 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)如下圖(a)所示。已知每根軸的飛輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為98Nm2，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩29.4Nm2，傳動(dòng)效率0.9，求生產(chǎn)機(jī)械軸上的加速度是多少? 由公式可得生產(chǎn)機(jī)械軸上的加速度為：解: 這是折算到低速軸負(fù)載的機(jī)械特性指：一、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性TL大小不變這類生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)

11、矩TL的大小不隨轉(zhuǎn)速n的變化而改變。1. 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩總是阻礙運(yùn)動(dòng)的反抗性負(fù)載當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變。nT0TL-TL2.3 生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性例：皮帶運(yùn)輸機(jī) 機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng).2、位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性TL電動(dòng)機(jī)軸TMn特點(diǎn)：絕對(duì)值大小恒定；作用方向與n無關(guān)，不變。nT0TL二、恒功率負(fù)載機(jī)械特性nTL0負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系TL=K/n負(fù)載功率:它與n無關(guān)，稱恒功率負(fù)載。例: 球磨機(jī), 碎石機(jī), 機(jī)床的主運(yùn)動(dòng).三、泵類負(fù)載機(jī)械特性變轉(zhuǎn)矩類負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系TL=kn2。負(fù)載屬于反抗性負(fù)載例: 水泵, 通風(fēng)機(jī). 風(fēng)機(jī),水泵電動(dòng)機(jī)的容量占工業(yè)用

12、戶總用電量的70%.四、電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件 處于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，由于受到某種擾動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者當(dāng)擾動(dòng)消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運(yùn)行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。在 點(diǎn),系統(tǒng)平衡擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由 上升到 ， ，擾動(dòng)消失，系統(tǒng)減速，回到 點(diǎn)運(yùn)行。擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速由 下降到 ，擾動(dòng)消失，系統(tǒng)加速，回到 點(diǎn)運(yùn)行。電機(jī)的機(jī)械特性：n=f(TM） 負(fù)載的機(jī)械特性：n=f(TL） 電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件是：在 點(diǎn)，系統(tǒng)平衡1.必要條件: 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點(diǎn),即存在擾

13、動(dòng)使轉(zhuǎn)速由 下降到 ，系統(tǒng)將一直減速，不可能回到 點(diǎn)運(yùn)行。擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速由 上升到 ，即使擾動(dòng)消失，系統(tǒng)也將一直加速，不能回到 點(diǎn)運(yùn)行。2.充分條件: 在交點(diǎn) 處滿足 。或者說，在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速是上升時(shí) ,在交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速是下降時(shí) 。穩(wěn)定運(yùn)行判別舉例例1, 試判別右圖所示三相異步電動(dòng)機(jī)特性曲線與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線組成系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn).分析: 由機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)的兩個(gè)條件，分別判別圖中a點(diǎn)和b點(diǎn)是否滿足穩(wěn)定運(yùn)行的條件。 解: 1)有交點(diǎn)a和b; 2)對(duì)于a點(diǎn), 當(dāng)轉(zhuǎn)速小于a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),電動(dòng)機(jī)a的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,a點(diǎn)是平衡點(diǎn); 對(duì)于b點(diǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)速小于b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),電動(dòng)機(jī)b的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,b點(diǎn)不

14、是平衡點(diǎn). 穩(wěn)定判別舉例例2 右圖中b點(diǎn)是不是穩(wěn)定平衡點(diǎn)?為什么?解:b點(diǎn)是平衡工作點(diǎn). 1)兩條曲線有交點(diǎn)b; 2)當(dāng)轉(zhuǎn)速大于b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí): 即在b點(diǎn)上方作一條虛線,與這兩條曲線有交點(diǎn)，nbTMTLnTL TM b點(diǎn)是平衡工作點(diǎn) 其中:與負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)TL位于與電動(dòng)機(jī)特性曲線交點(diǎn)TM的右側(cè).1. 意義：為機(jī)電傳動(dòng)提供控制原則，設(shè)計(jì)出完善的自動(dòng)控制線 路。2. 過渡過程的基本規(guī)律：機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，電流等對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律。3. 舉例: 1) 龍門刨床的工作臺(tái)：它在工作中經(jīng)常需要起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速，要求過渡過程盡量快，以提高生產(chǎn)率。 2) 電梯：要求起動(dòng)，制動(dòng)平滑，速度

15、變化不能過大，以保證安全和舒適。3) 印刷機(jī)：要求限制加速度的大小，以保證生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。2.5 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡過程一、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的分析1. 機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生過渡過程的原因 外部原因:系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系被破壞; 內(nèi)部原因:系統(tǒng)中存在有貯能的慣性元件.2.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生過渡過程的慣性 1) 機(jī)械慣性: 反映在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或飛輪轉(zhuǎn)矩上，使轉(zhuǎn)速不能突變。 2)電磁慣性: 反映在電感上，如直流電動(dòng)機(jī)有機(jī)電時(shí)間常數(shù)和電 氣時(shí)間常數(shù)。 3)熱慣性: 反映在溫度上。（比較慢不考慮） 一般情況下,只考慮機(jī)械慣性二、 基本方程式 1、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)： 2、只考慮機(jī)械慣性時(shí)，系統(tǒng)過渡過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為 : 三、起動(dòng)時(shí)過渡過程曲線1) 起動(dòng)時(shí): t=0，TM=Tst 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Td最大，轉(zhuǎn)速迅速上升。 2) 穩(wěn)態(tài): TM=TL,n=ns，工程上認(rèn)為， 當(dāng): 轉(zhuǎn)速已達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，過渡過程結(jié)束。四、機(jī)電時(shí)間常數(shù)的物理意義1.機(jī)電時(shí)間常數(shù)的表達(dá)式 表示機(jī)電時(shí)間常數(shù)的幾何意義表示機(jī)電時(shí)間常數(shù)的物理意義(交流異步電動(dòng)機(jī)和直流他激及并激電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng))2.機(jī)電時(shí)間常數(shù)是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中的