《电机与拖动 教学课件 ppt 作者 刘玫 孙雨萍_ 第3章 直流电机拖动-机工20111017(最后版)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与拖动 教学课件 ppt 作者 刘玫 孙雨萍_ 第3章 直流电机拖动-机工20111017(最后版)（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.1 电力拖动系统的动力学基础; 3.2 各类生产机械的负载转矩特性； 3.3 电力拖动系统稳定运行的条件； 3.4 直流电力拖动系统的动态分析； 3.5 他励直流电动机的起动； 3.6 他励直流电动机的调速； 3.7 他励直流电动机的制动； 3.8 工程中的实例分析。,内容提要：,第3章 直流电动机的电力拖动,3.1电力拖动系统的动力学基础,3.1.1单轴电力拖动系统的运动方程式,直线运动：,由物理学知，质量为 的物体作直线运动时，当加在物体上的拖动力为 ，阻力为 ，速度为 时，在图3-1所示正方向下，描述此直线运动的方程式为,图3-1 直线运动系统,单轴电力拖动系统：,(3-1),图3-
2、2 单轴电力拖动系统,与直线运动相对应，转动惯量为 的钢体做定轴旋转运动时，当加在钢体上的拖动转矩为 ，阻转矩为 ，角速度为 时，在图3-2所示正方向下，描述旋转运动的的方程式为,在单轴电力拖动系统中，电动机直接与生产机械相连，构成了一个定轴旋转系统，其运行状态仍可用旋转方程式（3-1）来描述。,3.1.1单轴电力拖动系统的运动方程式,转动惯量 与飞轮惯量 的换算关系为,(3-2),(3-3),机械角速度 与转速 之间的关系为,旋转体的质量 ; 旋转体的惯性半径,将式（3-2）及（3-3）代入式（3-1），得,(3-4),3.1.1单轴电力拖动系统的运动方程式,说明： （1） 是表征整个旋转系
3、统的惯量的物理量，是一个符号，切不可将它割裂开而理解为 与 的乘积，通常称为飞轮惯量或飞轮距。单位为 。,(2) 当 时，忽略 ，这时 。,(3)运动参考向及转矩的符号规定： 首先取一正方向； 对转速而言， 与正方向一致规定为正，反之为负 ； 对于电磁转矩而言， 与正方向一致规定为正，反之为负； 对负载转矩而言， 与正方向一致规定为负，反之为正。,3.1.1单轴电力拖动系统的运动方程式,（1）若 时，则 =常值，系统稳态运行； （2）若 时，则 ，正向加速或反向减速； （3）若 时，则 ，正向减速或反向加速。,例：如右图所示， 为正向，当 （拖动转矩） （阻转矩）时， ，由运动方程式可知，系统
4、 加速运行。,电力拖动系统的几种运行状态：,3.1.1单轴电力拖动系统的运动方程式,问题的提出： 在工业企业中，为了满足工业过程的要求，在很多场合电机不直接和工作机构相联，而是中间通过一些减速机构，如齿轮箱、皮带轮、蜗轮蜗杆等，这样就构成了多轴系统。 为了简化计算，把多轴复杂系统等效成一个单轴简单系统，方法是把电机轴后面的传动机构和工作机构部分（如下图中虚线框部分所示）都折算到电机轴上，用一个等效负载来代替它，这样就可以用单轴系统的运动方程式来研究多轴系统，这时运动方程式为,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,3.1电力拖动系统的动力学基础,(a)等效前的实际多轴系统,(b)等效后的等效单
5、轴系统,发电制动运行状态的功率传递方向,电动机运行状态的功率传递方向,1、多轴旋转系统的折算（指工作机构作旋转运动）,等效系统需要折算的参量为： 等效负载转矩 及等效飞轮惯量,等效后系统的运动方程式为：,现将图3-3(a)中的多轴旋转系统折算成（b）中的等效单轴系统。,(a)等效前的实际多轴旋转系统,(b)等效后的单轴系统,图3-3多轴旋转运动系统的等效,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,（1）工作机构转矩 的折算,电动状态： 电动机驱动机械负载，传动机构的损耗是由电动机承担。 由图3-3可知:,折算前电机发出的功率为,折算后电机发出的功率为,作用在实际系统的负载轴上，把它折算到电机轴上
6、，用电动机轴上等效负载转矩 来代替。,折算原则：折算前后系统的传送功率不变，中间传动机构的损耗 在传动效率中考虑。,根据折算原则，折算前后电动机发出的功率相等，有,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,（3-5）,式中， 传动机构总的转速比； 、 电机轴和工作机构轴的机械角速度； 工作机构轴上的负载转矩； 传动机构的总效率。,从而得等效负载转矩为,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,生产机械驱动电动机，传动机构的损耗是由生产机械承担。,（3-6）,折算前电机得到的功率,折算后电机得到的功率,根据折算原则，可得折算后的等效负载转矩为：,关于效率的说明： 对于多级传动，总效率应为各级效率的乘
7、积; 常数，某一具体的生产机械，负载大小不同，效率也不相同， 一般轻载比满载低，近似取： （额定功率）。,发电制动状态：,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,根据折算原则，可得,将传动机构和工作机构的飞轮惯量都折算到电机轴上，用一个等效的飞轮惯量来代替。因为各轴转动惯量对运动的过程影响直接反应在各轴所储存的动能上，所以折算原则为：折算前后系统储存的动能不变。,折算后系统储存的动能为,折算前系统储存的动能为,（2）传动机构与工作机构飞轮惯量的折算,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,（3-7）,推广到一般系统，可得折算后的飞轮惯量为,将 及 代入上式，可得,（3-8）,式中， 第 轴的飞
8、轮惯量； 电机轴后第 轴的转速。,一般情况下，在系统总的飞轮惯量中，电机本身的飞轮惯量占主要部分，传动轴和工作机构轴上的飞轮惯量折算到电机轴上数值不大。,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,（1）静态力矩 的折算,图3-4 多轴直线运动系统的等效,2、直线运动系统的折算（指工作机构作直线运动）,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,(a)等效前的实际多轴系统,(b)等效后的单轴系统,物体提升,折算原则：折算前后系统传送功率不变。,当重物提升时，传动机构的损耗由电动机承担，电动机工作在电动状态， 由图3-4可得,需要折算的参量为:等效负载转矩 及等效系统总的飞轮惯量 。,式中， 物体上升时
9、传动机构的效率； 电机轴的机械角速度。,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,根据折算原则，有,从而可得,（3-10）,折算前电机发出的功率,折算后电机发出的功率,将 代入上式得,（3-11）,式中， 为重物下放时传动机构的效率，一般 ， 可以证明， 。,当重物下放时，电动机工作于制动状态，传动机构的损耗由工作机构 承担。,同理，根据折算原则，有,物体下放,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,（2）工作机构直线运动质量 的折算,将 、 及 代入上式，则有：,（3-11）,表征直线运动的惯性是用质量 来表示的。重物提升或下方时，在其质量 中储存着动能，是整个系统的一部分，因此必须把速度为
10、的质量 折算到电机轴上，用电机轴上一个转动惯量为 的转动体与之等效。 折算原则：转动惯量 中与质量 中储存的动能相等。,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,工作机构做直线运动时，其质量 中储存的动能为,折算到电机轴上的等效转动惯量 中储存的动能为,（3-12）,式中， 做直线运动的工作机构及吊钩的重量； 工作机构做直线运动的速度； 电机轴的转速； 为一常数。,（3-13）,3.1.2多轴电力拖动系统的运动方程式,等效系统的总飞轮惯量为：,综上所述，通过对系统的转矩（或作用力）和飞轮惯量的折算， 就可把一个多轴运动系统折算成一个单轴运动系统，从而可用单轴 系统的运动方程式分析实际多轴系统中电
11、动机的运行状况。,定义： 生产机械的负载转矩与转速之间的关系 即为 生产机械的负载转矩特性，它与电动机的机械特性相对应。,典型的负载特性为：恒转矩负载特性、通风机负载特性及恒功率负载特性。,3.2.1恒转矩负载特性,特点： 凡是负载转矩的大小不随转速的变化而变化的生产机械都具有恒转矩 负载特性。 根据负载转矩的方向是否随转速变化，恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。,3.2 各类生产机械的负载转矩特性,1、反抗性恒转矩负载特性,特点： 负载转矩的大小不随转速的变化而变化，但其方向总是与运动的方向相反。例:电机的空载转矩。 将负载特性画在平面坐标图上，根据3.1.1节负载转矩的符
12、号规定法，反抗性恒转矩负载特性在第和第象限，如图3-5a所示。,图3-6（a）反抗性恒转矩负载特性,3.2.1恒转矩负载特性,2、位能性恒转矩负载特性,特点： 负载转矩具有固定的大小和方向，即 的大小和方向改变时， 的大小和方向都不变。属于这一类的生产机械有起重机的提升和下放机构、高炉料车卷扬机构等。 位能性恒转矩负载特性在第和第象限，如图3-5b所示,图3-6 （b）位能性恒转矩负载特性,3.2.1恒转矩负载特性,图3-7通风机负载特性,3.2.3 恒功率负载特性,图3-8恒功率负载特性,3.2.2 通风机负载特性,特点: 负载转矩基本上和转速的平方成正比，即 例：通风机、水泵及油泵等，负载
13、转动时， 其中空气、水、油等介质对机器叶片的 阻力基本上和 成正比。,特点:负载转矩与转速n成反比。即,这时对应的负载功率为,例：机床加工,实际负载特性可能以某种典型负载为主的是几种典型特性的组合。如：实际的通风机转起来后，除了主要是通风机特性外（叶片阻力），其电机内部还有一定的摩擦等转矩，因而实际的通风机负载特性为,其特性曲线如图3-18所示。,3.2.4实际的负载特性,空载特性,通风机负载特性,实际通风机负载特性,And-6,3.3电力拖动系统稳定运行的条件,3.3.1电力拖动系统平衡运转的概念,定义： 由电力拖动系统的运动方程式 可知，当 时，为恒速，称这时电力拖动系统处于平衡运转状态。
14、 若将电动机的机械特性与负载的转矩特性绘制在同一坐标平面上，则两条曲线的交点必为电力拖动系统的平衡运转点（见下图中的A和 点）。,图3-10电力拖动系统的稳定运行,在交点处， 稳态运转 在交点之上， 系统减速 在交点之下， 系统加速 只有机械特性和负载特性的交点为平衡运转点。,3.3.2电力拖动系统稳定运行的概念,定义： 所谓稳定运行，是指电力拖动系统原来处于平衡运转状态，在某种干扰下，离开了原来的平衡状态，若系统有能力达到新的平衡运转点；或者当干扰消除后，能够回到原平衡状态点，就说系统原来处于稳定运行状态。,直至 ， 系统有能力达到新的稳态点， 所以A点是稳定运行点。,系统原在A点平衡运转 ， 突加干扰，假定 ，由于机械惯性，开始时， 不能突变， 不变， 不变， 不变，这时,图3-10电力拖动系统的稳定运行,例3-2： 用稳定运行的概念判断图3-9中的A点是否为稳定运行点？,3.3.2电力拖动系统稳定运行的概念,当干扰消除后， 直至 ，系统能够回到A点，所以A点是稳定运行点。,也可以用下半段定义判断A点是稳定运行点。,假定原状态 突加干扰 ，由于机械惯性转速不能突变，电磁转矩 也不变，这时 系统不能达到新的稳态运转
