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1、电机与拖动基础陈 勇 陈亚爱 主编蔡军 罗萍 向敏 副主编,Page 2,第 二 章 电 力 拖 动 系 统 基 础,Page 3,本章教学基本要求,1.了解电力拖动系统的基本组成； 2. 掌握电力拖动系统运动方程式； 3. 熟悉转矩与飞轮矩的折算方法； 4. 掌握生产机械的负载转矩特性的分类； 5. 掌握电力拖动系统稳定运行的条件。,Page 4,重点,生产机械的负载转矩特性的分类； 电力拖动系统稳定运行的条件。,Page 5,2.1电力拖动系统运动方程式,电力拖动系统(electrical power drive system)一般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和电源组成，如图2
2、-1所示。,图2-1电力拖动系统组成,Page 6,2.1电力拖动系统运动方程式,图2-2所示为单轴电力拖动系统，图2-2中标注的物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁转矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转矩。,图2-2单轴电力拖动系统,Page 7,如图2-2所示，单轴电力拖动系统中电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系用转动方程(rotation equation)来描述，为 （2-1） 化简后得,2.1电力拖动系统运动方程式,Page 8,讨论 1. 当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静止 或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称 稳态。 2当T-T
3、L0, dn/dt0,动转矩大于零时，电力拖动系 统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。 3当T-TL0 , dn/dt0 ,动转矩小于零时，电力拖动 系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。,2.1电力拖动系统运动方程式,Page 9,2.1电力拖动系统运动方程式,应注意：转矩不但有大小而且具有方向。转矩的方向由式（2-1）中取值的正负来判定。其规定如下： 首先应规定(或假设)某一转速n旋转方向为正方向，则拖动转矩T的方向与所规定(或假定)的正方向相同时取正值。 对于负载转矩TL，则当TL的方向与所规定(或假设)的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖动转矩T是负值,说明其
4、实际方向与规定(或假设)正方向相反。而当负载转矩TL是负值，则说明其实际方向与规定(或假设)正方向相同。,Page 10,2.1电力拖动系统运动方程式,同理, 转速n也是具有方向。当实际旋转方向与 所规定(或假设)的正方向相同时,n取正值，反之取负 值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或 减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转 速n的数值增加或减小来决定。,Page 11,2.1电力拖动系统运动方程式,图2-3多轴电力拖动系统,为了简化多轴系统的分析计算，通常把负载转矩与系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴系统为单轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联立求解多个方程式的
5、结果完全一样。,Page 12,2.2多轴电力拖动系统的简化,工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算,（2-2）,1转矩的折算 多轴电力拖动系统中，如果不考虑传动机构的损耗时，工作机构折算前的机械功率为Tff，折算后的机械功率为TFf，折算的原则是折算前后功率不变，因此有,Page 13,2.2多轴电力拖动系统的简化,工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算,2飞轮矩的折算 飞轮矩的大小是运动物体机械惯性大小的体现。旋转物体的动能大小为,Page 14,2.2多轴电力拖动系统的简化,图2-4 刨床电力拖动示意图,工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算,1转矩的折算 图2-4为刨床切削示意图，通过
6、齿轮与齿条啮合，把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速度为v，刨刀作用在工件上的力为F，传动机构效率为h。,Page 15,2.2多轴电力拖动系统的简化,工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算,计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动 机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿 轮半径，然后折算为TF=FR/jh。,Page 16,2.2多轴电力拖动系统的简化,工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算,2飞轮矩的折算 设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为 折算到电动机轴上后的动能为 根据折算前后的动能不变原则，因此有,Page 17,2.2多轴电力拖动系统的简化,
7、工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的折算,1负载转矩折算 图2-5所示为一起重机示意图，电动机通过传动机构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬挂一重物，重物的重力为G=mg，速比为j，重物提升时传动机构效率为h，卷筒半径为R，转速为nf，重物提升或下放时的速度为v，是个常数。,Page 18,2.2多轴电力拖动系统的简化,图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统,(1）提升重物时负载转矩的折算 重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为,Page 19,2.2多轴电力拖动系统的简化,图2-6 起重机的转矩关系,(2)下放重物时负载转矩的折算
8、下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。,Page 20,2.3生产机械的负载转矩特性,生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关系TL=f(n) ，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩特性(load torque characteristic)。 实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典型的负载机械特性。,Page 21,恒转矩负载的转矩特性,(a)实际特性 (b)折算后特性 图2-8 反抗性恒转矩负载转矩特性,1)反抗性恒转矩负载 这类负载的特点
9、是工作机构转矩的绝对值大小是恒定不变的，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩，即：n0时，T0(也是常数)，且 的绝对值相等。,Page 22,恒转矩负载的转矩特性,(a)实际特性 (b)折算后特性 图2-9位能性恒转矩负载的转矩特性,2)位能性恒转矩负载 这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒定的，而且方向不变，当时n0，T0，是阻碍运动的制动性转矩，当时 n0，是帮助 运动的拖动性转矩， 其转矩特性如图2-9 所示，位于第、 象限内。,Page 23,泵类负载的转矩特性,图2-10 泵类转矩负载的转矩特性,2泵类负载的转矩特性 水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比
10、，即TLn2，转矩持性如图2-10所示。,Page 24,恒功率负载的转矩特性,图2-11 恒功率转矩负载的转矩特性,3恒功率负载的转矩特性,负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率P=T=常数，称之为恒功率负载。,Page 25,2.4电力拖动系统稳定运行的条件,所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动 作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到 新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到 原来的平衡状态。,Page 26,2.4电力拖动系统稳定运行的条件,图2-12 电动机机械特性与负载特性,一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点，系统平衡，即T=TL；扰动使转速有微小增量，若转速
11、由nA上升到nA， TTL；扰动消失，系统加速，能回到点A运行。,Page 27,2.4电力拖动系统稳定运行的条件,图2-13 拖动系统稳定运行,系统在点A能稳定运行如图2-12和图2-13。,Page 28,2.4电力拖动系统稳定运行的条件,图2-14 拖动系统不稳定运行,电动机的机械特性和生产机械的负载特性的任意配合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线如图2-14所示。,Page 29,2.4电力拖动系统稳定运行的条件,T=TL仅是稳定运行的必要条件，但还不是充分条件。系统稳定运行的必要和充分的条件是：交点处T=TL,转速升高时TT
12、L，此点才是稳定运行的。或者说，在交点处，有 （2-10） 这才是稳定运行的充分必要条件。,本章小结1,运动方程式是分析研究电力拖动系统的基本公 式，对于单轴电力拖动系统： 式中T为电动机轴上产生的电磁转矩；TL为电动机轴 上的负载转矩，因为负载机械的工作机构折算到电 动机轴上的负载转矩T2与电动机空载转矩T0之和为 TL ，由于一般T0 T2 ，故通常近似认为TL = T2 ； GD2是轴上的飞轮矩；dn/dt是该轴的转速变化率。应 用此式时必须注意各量正方向的设定和各量自身的 正负号。,本章小结2,对于多轴电力拖动系统和既有旋转运动又有直 线运动的系统，通常各量都要折算到电动机轴上， 使系统变成等效的单轴系统。 在用运动方程式进行分析计算时，应把工作机 构的负载转矩或负载力折算成电动机轴上的负载转 矩，把旋转部件的飞轮矩或直线运动部件的质量折 算成电动机轴上的飞轮矩。折算负载转矩或负载力 的原则是系统传递的功率不变；飞轮矩或质量折算 的原则是系统贮存的动能不变。,本章小结3,生产机械特性与电动机机械持性画在同一直角 坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系统的有力 工具。电力拖动系统稳定运行的充要条件是负载机 械特性与电动机机械特性有交点，且在交点处满足,
