電機(jī)與拖動(dòng)(電子科技大學(xué))

1、第二章 電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),2.1 電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式2.2 多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的簡化2.3 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件,2.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式,一. 典型生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形式,1. 單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),2. 多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),3. 多軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加平移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),4. 多軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加升降運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),二. 單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程式,T :電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；TF :負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)n :電動(dòng)

2、機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；T0 :電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩(N·m),T-TL：動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N·m)或慣性轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩J：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)Ω：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s),參考正方向,參考正方向,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向問題,實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向：1.T與n同向，代數(shù)上同正同負(fù)；T與n反向，代數(shù)上一正一負(fù)。2.TL與n同向，代數(shù)上一正一負(fù)；TL與n反向，代數(shù)上同正同負(fù)。,實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向：1. 轉(zhuǎn)矩與n同向，則稱為

3、“拖動(dòng)性”轉(zhuǎn)矩2. 轉(zhuǎn)矩與n反向，則稱為“制動(dòng)性”轉(zhuǎn)矩,,,又由：,m：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量，kgG：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力，Nρ ：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性半徑，mD：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性直徑，mg：重力加速度，m/s2,GD2：系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的飛輪矩，N·m2375 ：有單位的系數(shù)，m/min·s,由轉(zhuǎn)動(dòng)方程式可以分析系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：,T-TL=0 ：系統(tǒng)靜止或恒速運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)；T-TL>0 ：系統(tǒng)加速運(yùn)

4、行，過渡過程；T-TL<0 ：系統(tǒng)減速運(yùn)行，過渡過程。,電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系？電動(dòng)機(jī)停車時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系？,2.2 多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的簡化,問題：全面分析多軸系統(tǒng)，必須列出每根軸的運(yùn)動(dòng)方程式及各軸相互聯(lián)系的方程式，分析復(fù)雜。方法：通常把負(fù)載轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)飛輪矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上來，變多軸系統(tǒng)為單軸系統(tǒng)。折算的原則是：保持系統(tǒng)的功率傳遞關(guān)系及系統(tǒng)的貯存動(dòng)能不變。,2.2.1 工作機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)情況時(shí)的折算,

5、1. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算——保持功率傳遞關(guān)系不變,(1) 忽略傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗，由折算前后功率不變，得：,j=n/nf=j1j2j3…為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總的速比,(2) 考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗時(shí),等效的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗為：,η=η1η2η3…為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總效率,2. 飛輪矩的折算——保持系統(tǒng)動(dòng)能不變,負(fù)載飛輪矩折算(轉(zhuǎn)動(dòng)部分飛輪矩折算)：,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分動(dòng)能表達(dá)式：,總的飛輪矩的估算：,GDD2為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的飛輪矩,電動(dòng)機(jī)軸上只有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中第一級(jí)小齒輪時(shí)，

6、取δ=0.2~0.3，如果還有其它部件，則δ的數(shù)值需要加大。,保持系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能不變，則系統(tǒng)總飛輪矩為：,1.電動(dòng)機(jī)經(jīng)過速比 j=5 的減速器拖動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，工作機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩為20Nm，飛輪矩為1Nm2，不計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗，這算到電動(dòng)機(jī)軸上的工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩與飛輪矩分別為多少？2. 恒速運(yùn)行的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，已知電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為80Nm，忽略空載損耗，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率為0.8，速比為10，未折算前實(shí)際的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為多少？3.電力拖動(dòng)系統(tǒng)中已知

7、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為100r/min，傳動(dòng)效率為0.9，工作機(jī)構(gòu)未折算的實(shí)際轉(zhuǎn)矩為120Nm，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為20Nm，忽略空載損耗，系統(tǒng)是加速還是減速運(yùn)行？,2.2.2 工作機(jī)構(gòu)為平移運(yùn)動(dòng)時(shí)的折算,1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算,考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗：,2. 負(fù)載飛輪矩的折算,2.2.3 工作機(jī)構(gòu)做提升和下放重物運(yùn)動(dòng)時(shí)的折算,,(a) 把負(fù)載看作做平移運(yùn)動(dòng)的物體折算其飛輪矩；(b) 若已知卷筒直徑，可把負(fù)載重力折算為施加

8、在卷筒上的轉(zhuǎn)矩，看作做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體來折算其轉(zhuǎn)矩。(c)特殊問題：提升與下放時(shí)的傳動(dòng)效率不同,考慮傳動(dòng)損耗轉(zhuǎn)矩時(shí)，提升和下放重物時(shí)轉(zhuǎn)矩折算關(guān)系,(1) 提升重物時(shí)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系,(2) 下放重物時(shí)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗轉(zhuǎn)矩 ΔT 和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸空載損耗轉(zhuǎn)矩 T0均為摩擦性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速 n 反向，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；提升重物時(shí)，Tf/j 與轉(zhuǎn)速方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；下放重物時(shí)，Tf/j 與轉(zhuǎn)速方向相同，為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；以同樣的速度提升和下降重

9、物時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率之間的關(guān)系是:,結(jié)論：,例1：某起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)如圖所示。求：1. 以速度v=0.3m/s提升重物時(shí)，負(fù)載（重物及釣鉤）轉(zhuǎn)矩、卷筒轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；2. 負(fù)載及系統(tǒng)的飛輪矩（折算到電動(dòng)機(jī)軸上）3. 以加速度a=0.1m/s2提升重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩。,解:,(1) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（未折合）：,卷筒轉(zhuǎn)速：,電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩折合值：,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：,(2) 負(fù)載及系統(tǒng)的飛輪矩,,(3)以加速度a=0.

10、1m/s2提升重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩,2.3 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件,2.3.1 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性2.3.2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件,2.3.1 負(fù)載的機(jī)械特性,電動(dòng)機(jī)負(fù)載(生產(chǎn)機(jī)械)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 n=f(TF)稱為負(fù)載的機(jī)械特性，簡稱負(fù)載特性。,一. 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,1. 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：TF大小恒定不變，方向總與轉(zhuǎn)速n方向相反，屬于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如摩擦性轉(zhuǎn)矩。,2. 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：TF大小、

11、方向恒定不變，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。當(dāng)方向與n相同時(shí)，為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)方向與n相反時(shí)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)和礦井卷揚(yáng)機(jī)。,二. 風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載：TF ∝n2，方向總與轉(zhuǎn)速方向相反。如通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等流體機(jī)械。,三. 恒功率負(fù)載：TF n=常數(shù)。如各種機(jī)床的主傳動(dòng)等。,穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)：(1)T=TL ；(2)當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)有變化，但在干擾消失后，仍能恢復(fù)到原來的工作點(diǎn)運(yùn)行。,2.3.1 電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件,穩(wěn)定運(yùn)行條

12、件分析：(1) 若系統(tǒng)遇到瞬時(shí)干擾，使轉(zhuǎn)速 n 減小，即ΔnΔTL，使得 T>TL，轉(zhuǎn)速才能恢復(fù)；(2) 若系統(tǒng)遇到瞬時(shí)干擾，使轉(zhuǎn)速 n 增大，即Δn>0 ，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化量必須 ΔT<ΔTL，使得 T<TL ，轉(zhuǎn)速才能恢復(fù)。,電力拖動(dòng)系統(tǒng)工作點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的條件：,A點(diǎn)穩(wěn)定性分析：,負(fù)載受到干擾TL增大為TL1,干擾消失，恢復(fù)到TL,在A點(diǎn)滿足：,A點(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn),B點(diǎn)穩(wěn)定性分析：,負(fù)載受到干擾TL增大為TL

13、1,干擾消失，恢復(fù)到TL,在B點(diǎn)滿足：,B點(diǎn)為不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn),,,,,,,,電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性,泵類負(fù)載,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,恒功率負(fù)載,【思考題2.4】電梯設(shè)計(jì)時(shí)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率在上升時(shí)為η<0.5。請(qǐng)計(jì)算 η=0.4 的電梯下降時(shí)，其效率是多大？若上升時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算值 TF=15N﹒m，則下降時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算值為多少？ΔT為多大？,解2.4：根據(jù)提升和下放重物時(shí)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系特點(diǎn),提升重物時(shí)：,下放重物時(shí)：,效率關(guān)系：,下放重物的效率：

14、,重物折合轉(zhuǎn)矩：,下放重物折合轉(zhuǎn)矩：,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗轉(zhuǎn)矩：,穩(wěn)定恒速下放重物時(shí)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系：,【思考題2.2】電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)金屬切削機(jī)床切削金屬時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗由電動(dòng)機(jī)還是由負(fù)載負(fù)擔(dān)？【思考題2.3】起重機(jī)提升重物與下放重物時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗由電動(dòng)機(jī)還是重物負(fù)擔(dān)？,,,,,,,,電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性,泵類負(fù)載,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,恒功率負(fù)載,,,,,,,,鐵磁材料的特性 磁導(dǎo)率、磁滯曲線、磁滯損耗、渦流損耗、鐵損耗 基本電磁定律 安培環(huán)路定律、電

15、磁力定律、電磁感應(yīng)定律 磁路基本定律 磁路歐姆定律、磁路基氏第一定律、磁路基氏第二定律,緒論小結(jié),鐵磁材料的基本特性,高導(dǎo)磁性——μ>>μ0磁飽和性——μ≠常數(shù)磁滯性——磁滯回線，B(或Φ)的變化總是滯后于H(或I),問題1：電機(jī)和變壓器鐵心通常采用何種鐵磁材料？屬于軟磁材料還是硬磁材料？,問題2：當(dāng)恒定磁通通過變壓器鐵心時(shí)，鐵心是否會(huì)發(fā)熱？當(dāng)交變磁通通過變壓器鐵心時(shí)，鐵心是否會(huì)發(fā)熱？為什么？,電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

16、,電力拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)方程：,多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)簡化：將負(fù)載轉(zhuǎn)矩 和飛輪矩 折合到電動(dòng)機(jī)軸上，轉(zhuǎn)化為單軸電拖系統(tǒng)。折合原則：保持功率傳遞關(guān)系 和系統(tǒng)動(dòng)能 不變。,工作機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)情況時(shí)的折算,第2章 電力拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 小結(jié),1. 利用轉(zhuǎn)動(dòng)方程式簡單分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),2. 負(fù)載的機(jī)械特性及其分類,3. 根據(jù)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和負(fù)載機(jī)械特性判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性,(1) 單軸系統(tǒng)；(2) 多軸系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)飛輪矩折算,轉(zhuǎn)矩的基本分類,按轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)拖動(dòng)