顾绳谷_电机及拖动基础_第四版下_最全课件

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1、第一节 电力拖动系统的运动方程 “电力拖动”：以电动机作为原动机拖动机械设备运动的一种拖动方式，又称电气传动。 电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等四个组成 部分。 在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。,第八章 电力拖动系统动力学基础,一、运动方程式 力学方程： 直线运动： 旋转运动： J为转动惯量： 单位为 称为飞轮惯量（ ）， 式中 m与G旋转部分的质量（kg）与重量（N） 与D惯性半径与直径（m） 再由,由 分析： 1、当 、 ，电动机静止或等速旋转，电力拖动系统处于稳定 运

2、转状态下； 2、当 、 ，电力拖动系统处于加速状态； 3、当 、 ，电力拖动系统处于减速状态。,一、运动方程式中转矩的正负符号 运动方程式的一般形式 规定某个转动方向为正方向，则转矩T正向取正，反向取负；阻转矩 Tz正向取负，反向取正。,三、各种形状旋转体转动惯量的计算 1、旋转轴通过该物体的重心时，转动惯量可以按以下公式计算： 式中， 该物体某个组成部分的质量； 该部分 的重心到旋转轴的距离。 对质量连续分布的物体用相应的定积分计算： 2、旋转轴为不通过该物体重心的任意轴时， 这时该旋转物体的转动惯量是它围绕着不通 过其重心的任意转轴旋转的转动惯量与它围 绕穿过自身重心且平行于该任意轴线旋转

3、的 转动惯量之和 。,根据以上方法，可以推导出几种常见的旋转物体转动惯量的计算方法： 1、以为半径，以O为旋转轴线，质量为m的旋转小球（小球自身的半径与相比充分小）的转动惯量： 2、圆环柱体：,3、圆柱体自身的中轴线O为旋转轴线：,例：圆环柱体转体转动惯量 的推导 半径处的环形区域质量为： 根据 得：,4、长度为L，宽度为d，质量为m的长方体： 如果宽度d与长度L相比充分小， 则为： 5、长方体的质量为m，以O为旋转轴线：,6、旋转圆锥体： 7、圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的 轴线且穿过它的重心： 8、圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的 轴线且距离圆杆一端的距离为d：,第二节 工作机构转矩、力

4、、飞轮惯量和质量的折算,实际的拖动系统常常是多轴系统，一般按功率储能等效的远侧折算成单轴系统。 以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为：工作机构转矩 ，系统中各轴（除电动机轴外）的转动惯量。对于某些作直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去 。,一、工作机构转矩 的折算 按照传送功率不变： 式中， j电动机轴与工作机构轴间的转速比 如果传动机构为多级齿轮或带轮变速，则总的速比应为各级速比的乘积： 考虑传动机构损耗时：,二、工作机构直线作用力的折算 根据传送功率不变： 考虑传动机构损耗时：,在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动效率 与提升传动效

5、率之间有下列关系：,三、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算 根据储存动能等效： 由 将J、替换为n、 并化简得：,四、工作机构直线运动质量的折算 根据储存动能等效：,例：龙门刨传动结构如图，齿轮1与电机相连，已知切削力 ，速度 ，传动效率0.8，齿轮6节距20mm，电机电枢飞轮惯量 ，工作台与机床摩擦系数0.1。 （1）折算到电机轴上的总飞轮惯量和负载转矩； （2）切削时电机输出功率； （3）空载不切削，工作台有 加速度时的电机转矩。,解答 (1): 齿轮6的转速为： 根基各齿轮齿数比，要使齿轮6达到 ，电机转轴的输出转速需要为：,1、旋转部分的飞轮惯量：,2、直线运动部分飞轮惯量,所以总的飞轮

6、惯量为：,考虑到传动效率为0.8，初步负载转矩为：,（2）：削切功率：,（3）：工作台有 加速度，则齿轮6的加速度为 根据齿数比，电机轴（齿轮1）的加速度为：,空载时电机输出转矩： 在要求的加速度下的电机输出转矩,第三节 速比可变系统,曲柄传动机构是典型的速比可变系统，其特点是 是可变的。,曲柄传动机构的运动方程： 由,由,折算到电机轴上的转矩和转动惯量都是转子转角的函数，即：,或,即为变速比系统的运动方程。 也就是匀速旋转系统的运动方程： 的一般形式。,第四节 考虑传动机构损耗时的折算方法,二、考虑传动机构损耗的较准确方法 （一）电力拖动系统处于稳定运转状态下： 折算到电动机轴上的阻转矩 T

7、z0不考虑传动损耗时折算到电动机轴上的阻转矩 T 由于传动机构的摩擦所引起的附加转矩 下放时,等效拖动系统及系统中传送转矩的变化图,（二）电力拖动系统处于加速运转状态下 在这种情况下，附加摩擦转矩T0不能认为与Tz0成正比，因为此时传送通过传动机构，除了Tz0外，还有惯性转矩。惯性转矩从系统的一个区段传送到另一个区段时，要发生变化。 Ti 第i个部件的总摩擦转矩 T0i第i个部件的空载摩擦转矩 进入第i个传动机构的转矩,第一个部件的转矩 （即为电动机转矩 ）,传送到第二个部件上的转矩,传送到第三个部件上的转矩,传送到第四个部件上的转矩,传送到最后第（m1）个部件上的转矩为,工作轴的转矩为,可整

8、理成如下的形式,与以下电动机轴上的转矩式相比较,可得,第五节 生产机械的负载转矩特性,负载转矩特性：在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz与转速n 的关系Tz=f (n) 一、恒转矩负载特性,反抗性恒转矩负载特性,位能性恒转矩负载特性,二、通风机负载特性 通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比 。,三、恒功率负载特性 负载转矩基本上与转速成反比，切削功率基本不变 。,实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩，因而实际通风机负载特性应为：,实际通风机负载特性,机床平移机构实际的负载特性

9、,第九章 直流电动机的电力拖动,第一节 他励直流电动机的机械特性,电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T 的关系 n=f(T),一、机械特性方程式,理想空载转速,电动机实际空载转速,电动机带负载后的转速降,当电枢电流较大时，由于饱和的影响，产生去磁作用。磁通降低，转速就要回升，机械特性在负载大时呈上翘现象。,二、固有机械特性与人为机械特性,当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。,（一）电枢串联电阻时的人为机械特性,（二）改变电压时的人为机械特性,（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性,三、机械特性的绘制,（一）固有机械特性的绘制,（二）人为机械

10、特性的绘制,各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。,解,理想空载点,额定点,四、电力拖动稳定运行的条件,现在讨论：生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性这两种特性的配合问题。,在电力拖动运动方程式中已指出，当转矩T 与Tz 方向相反，大小相等而相互平衡时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态，或称静态,两种特性有交点仅是稳定运行的必要条件。稳定运行的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使

11、转速恢复到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。,第二节 他励直流电动机的起动,一、他励直流电动机的起动方法,如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍,二、他励直流电动机起动电阻的计算,（一）图解解析法,1绘制固有机械特性,2选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电流 I2 （或T1 与T2）,3画出分级起动特性图,（二）解析法,在b点,在c点,两级起动时,推广到m级起动的一般情况,称为起动电流比,各分段电阻如下 ：,则各级起动总电阻如下：,三、他励直流电动机起动的过渡过程,在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电

12、阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程 。,电力拖动系统中一般存在以下三种惯性： 1机械惯性 反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。 2电磁惯性 反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。 3热惯性 它使电动机的温度不能突变。,电力拖动的过渡过程一般分为两种： 1）机械过渡过程 它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。 2）电气一机械过渡过程 它同时考虑机械与电磁两种惯性。,（一）起动时的机械过渡过程,1电枢串固定电阻起动的过渡过程,

13、负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流,电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量,其解为,或,或,过渡过程开始时转速的起始值,求出过渡过程中某一段的时间,2电枢串多级电阻起动的过渡过程,他励电动机二级起动的电路及特性,第一级起动时,解：,设,=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s,3加快起动过程的途径,1）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性,2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形,（二）电枢电路电感对起动过程的影响,第二阶段，过

14、了tz 后，电动机开始加速，机械惯性与 电磁惯性同时存在,或,其中c1及c2积分常数，由初始条件决定,1）当 时，1和2为负实数,2）当 时，1和2为负共轭复数,式中,式中,第三节 他励直流电动机的制动,1）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2） 制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,一、能耗制动,能耗制动机械特性方程式,如果按最大制动电流不超 过来选择,则,当 时,能耗制动时间为,二、反接制动,反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。,（一）

15、转速反向的反接制动,上式表明， 与 两者之和消耗在电枢电路的电阻 上。,（二）电枢反接的反接制动,断开 和 ， 接通 和,最大电流也不超过,（三）电枢反接时的过渡过程,1反作用负载,2位能负载,三、回馈制动（或称再生制动）,（一）位能负载拖动电动机,这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率 后，大部分回馈给电网（ ），小部分变为电枢回路的铜耗 。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。,（二）他励电动机改变电枢电压调速,在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生 的情况，亦即出现了回馈制动状态。,例9-4一台他励直流电动机的数据如下：,（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放， ，求电动机反向下放转速。,（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放， 时，转速 ，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。,（3）电动机带动反作用负载，从 进行能耗制动，若其最