第8章 电力拖动系统动力学基础.ppt

黑龙江科技学院电力系统教研室,电力拖动基础,第8章电力拖动系统的动力学基础,8.2典型生产机械的运动形式,8.3电力拖动系统的运动方程,8.4多轴旋转系统的折算,8.5平移运动系统的折算,8.6升降运动系统的折算,8.7生产机械的负载转矩特性,8.1电力拖动系统的组成,本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性，对方程式中各参数的折算方法进行分析研究，为介绍电力拖动的机械特性与过渡过程等内容准备必要的理论基础。,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.1电力拖动系统的组成,拖动用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产任务。电力拖动用各种电动机作为原动机的拖动方式。,电动机,,,第8.1章电力拖动系统的组成,1.电力拖动系统的组成电力拖动系统由电动机、工作机构、控制设备及电源四个组成部分。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,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，它把电动机的旋转运动经过中间传动机构变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。,第8.1章电力拖动系统的组成,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,传动机构,,,第8.1章电力拖动系统的组成,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,蜗轮蜗杆小齿轮的每个轮齿可在分度圆柱面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮称为蜗轮。为了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样齿廓间为线接触，可传递较大的动力。,,,第8.1章电力拖动系统的组成,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,3电动机损耗小、效率高、具有较大的短时过载能力。,4电力拖动系统容易控制、操作简单、便于实现自动化。3.应用举例精密机床、重型铣床、初轧机、高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵,,,2.电力拖动系统的优点1电能易于生产、传输、分配。2电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满足各种生产机械的不同要求。,第8.1章电力拖动系统的组成,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.2典型生产机械的运动形式,1.单轴旋转系统电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件均以同一转速旋转。,2.多轴旋转系统,,,8.2典型生产机械的运动形式,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,3.多轴旋转运动加平移运动系统,4.多轴旋转运动加升降运动系统,,,8.2典型生产机械的运动形式,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.3电力拖动系统的运动方程式,单轴电力拖动系统的运动方程,※J转动惯量（kgm2）旋转角加速度（rad/s2）惯性转矩（Nm）※T电动机产生的拖动转矩，即电磁转矩（N﹒m）；※TZ静负载转矩，系统稳定运行（或d／dt＝０）时，负载体现出的阻力转矩（N﹒m）；,,,8.3电力拖动系统的运动方程式,以下分析，忽略空载转矩，如考虑，其方向和电机旋转方向相反。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,※电动状态时，T与n方向相同。,,,电动状态,,TZ,8.3电力拖动系统的运动方程式,制动状态下放重物,n,※制动状态下放重物时，T与n方向相反。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,8.3电力拖动系统的运动方程式,因为Jm2,旋转部分的质量（kg）,回转半径m,,,回转直径m,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.3电力拖动系统的运动方程式,,,当T＞TZ时，,→n,→加速的暂态过程。,当TTZ时，,稳定运行。,当T＜TZ时，,→n,→减速的暂态过程。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,负载吸收的功率,,1T＞0，电动机输出机械功率2T＜0，电动机输入机械功率,2.单轴电力拖动系统的功率平衡方程,,,,电动机输出的功率,系统动能,,,8.3电力拖动系统的运动方程式,即T与Ω方向相同。电动状态。即T与Ω方向相反。制动状态。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,3TZ＞0，负载从电动机吸收机械功率。4TZ＜0，负载释放机械功率给电动机。5P＞PZ，6P＜PZ，Ω和n不能突变，即系统不可能具有无穷大的功率。,,,8.3电力拖动系统的运动方程式,即TZ与Ω方向相反。即TZ与Ω方向相同。，加速状态，，减速状态，,系统动能增加。系统动能减少。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.3电力拖动系统的运动方程式,3．运动方程式中转矩的符号（对复杂运动系统）,规定某一转动方向（电动方向）为参考（正）方向;电磁转矩T与参考方向一致取正，反之取负；阻转矩TZ与参考方向一致取负，反之取正；,运动方程式的一般形式（T与TZ为无符号量）,返回目录页,惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.4多轴旋转系统的折算,z1z4z5,z2z3z6,8.4多轴旋转系统的折算,以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为工作机构转矩TZ，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。,,,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,1.等效负载转矩（静负载转矩折算）等效（折算）原则机械功率不变。,,,TZΩtTZΩZ,,传动机构的效率,传动机构的转速比,8.4多轴旋转系统的折算,返回目录页,1.电机工作在电动状态,2.电机工作在发电制动状态,黑龙江科技学院电力系统教研室,传动机构的总转速比jj1j2jZ,,,8.4多轴旋转系统的折算,常见传动机构的转速比的计算公式1齿轮传动,2皮带轮传动,3蜗轮蜗杆传动,,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,等效（折算）原则动能不变。设各部分的转动惯量为,,,8.4多轴旋转系统的折算,,Jd,J1,,J2,JZ,＋,＋,＋,返回目录页,2.等效转动惯量（动负载转矩折算）,黑龙江科技学院电力系统教研室,如果在电动机和工作机构之间总共还有n根中间轴，则jj1j2jnjZ,或,GD24gJ,,,8.4多轴旋转系统的折算,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.4多轴旋转系统的折算,【例10.4.1】某车床电力拖动系统，传动机构为齿轮组（如图示），经两级减速后拖动车床的主轴，已知n1440r/min，切削力F2000N，工件直径d150mm，各齿轮的齿数为z115，z230，z330，z445，各部分的转动惯量Jd0.0765kgm2，J10.051kgm2，JZ0.0637kgm2。传动机构的传动效率t0.9。求1切削功率PZ和切削转矩TZ；2折算成单轴系统后的等效TZ、J和GD2。解1切削功率Pm和切削转矩Tm,jj1jZ21.53,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.4多轴旋转系统的折算,2折算成单轴系统后的等效TZ、J和GD2,GD24gJ,49.810.0963Nm23.78Nm2,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.5平移运动系统的折算,8.5平移运动系统的折算,直线运动运动方程式（以下按电动机惯例讲解）,F由旋转电动机通过传动机构产生的，作用在拖动系统直线运动部件上的拖动力（N）；,静负载力，系统稳定运行（）时，负载体现的阻力（N）；,,,惯性力，由速度变化引起的加速力（N），质量的单位为kg，速度υ的单位为m/s，时间t的单位为s。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,目的将平移作用力Fm折算为等效转矩TZ（静转矩折算）。将平移运动的质量m折算为等效J或GD2（动转矩折算）。1.等效负载转矩（静转矩折算）等效（折算）原则机械功率不变。,,,8.5平移运动系统的折算,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.5平移运动系统的折算,返回目录页,,,TZtFmvm,作用力,平移速度,电动机输出的机械功率,切削功率,1.电机工作在电动状态时,2.电机工作在发电制动状态时TZFmvmt′,黑龙江科技学院电力系统教研室,2.等效转动惯量（飞轮矩）（动转矩折算）等效（折算）原则动能不变。1平移运动折算成旋转运动,,,8.5平移运动系统的折算,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,2等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩,,,8.5平移运动系统的折算,＋,＋,＋,一般公式,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,【例10.5.1】有一大型车床，传动机构如图示。已知刀架重Gm1500N移动速度vm0.3m/s刀架与导轨之间的摩擦系数0.1电动机n500r/min，JM2.55kgm2齿轮1z120，Jz10.102kgm2齿轮2z250，Jz20.51kgm2齿轮3z330，Jz30.255kgm2齿轮4z460，Jz40.765kgm2传动机构t0.8求电动机轴上的等效TZ和J。,解1等效TZ平移作用力FmGm0.11500N150N,,,,8.5平移运动系统的折算,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.5平移运动系统的折算,2等效转动惯量J,JdJM＋Jz1J1Jz2＋Jz3J2Jz4,2.55＋0.102kgm22.652kgm20.51＋0.255kgm20.765kgm20.765kgm2,0.00502kgm2,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,2.81kgm2,,,8.5平移运动系统的折算,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,电动机输出的机械功率PZ,工作机构的机械功率Pm,8.6升降运动系统的折算,目的将Gm折算为等效TZ。将m折算为等效J。1.等效负载转矩（升降力的折算，静折算）TZtGmvm,,,提升重物时，Gm是阻力，电动机工作在电动状态，PZ＞Pm；下放重物时，Gm是动力，电动机工作在制动状态，PZ＜Pm。,8.6升降运动系统的折算,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,传动效率,,,8.6升降运动系统的折算,则提升时t＜1，下放时t＞1。2.等效转动惯量（升降质量的折算，动折算）1升降运动折算成旋转运动（到电动机轴）,2等效单轴系统的转动惯量,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.7生产机械的负载转矩特性,,,8.7生产机械的负载转矩特性,定义在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz与转速n的关系Tzfn即为生产机械的负载转矩特性。分类大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为三种类型恒转矩负载、风机负载、恒功率负载。,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.7生产机械的负载转矩特性,1.恒转矩负载特性1）反抗性恒转矩负载负载转矩由摩擦力产生，其特点大小恒定与n无关；作用方向与运动方向相反。假设顺时针为参考方向,电机顺时针旋转时，n为正，转矩TZ为反向，应取正；电机逆时针旋转时，n为负，转矩TZ为正向，应取负。,返回目录页,,,,,n,,,,,,,-TZ,TZ,-n,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.7生产机械的负载转矩特性,2）位能性恒转矩负载负载转矩由重力产生其特点绝对值大小恒定；作用方向与n无关，不变。提升时TZ为阻转矩。下放时TZ为拖动转矩。,电机顺时针旋转时，n为正。转矩TZ与旋转方向相反，应取正；电机逆时针旋转时，n为负。转矩TZ与旋转方向相反，应取正。,返回目录页,,,,-n,,,,,,,TZ,TZ,n,,,提升重物,下放重物,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.7生产机械的负载转矩特性,2.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，为反抗性负载。,属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。,返回目录页,,,,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.7生产机械的负载转矩特性,3.恒功率负载特性负载转矩基本上与转速成反比，TZk/n，功率基本不变。,功率恒定时，n与Tz成反比；如车床，切削量大时，开低速；切削量小时，开高速；以保证电机输出功率恒定。,返回目录页,,,,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,8.7生产机械的负载转矩特性,4.实际负载特性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。,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,,,返回目录页,,,,黑龙江科技学院电力系统教研室,8.7生产机械的负载转矩特性,机床刀架等机构在平移时，负载性质基本上是恒转矩负载，但从静止状态起动或转速还很低时，摩擦系数比较大，摩擦阻力较大；另外当转速升高时，油或风的阻力带有一些风机负载特性，导致转速较高时，负载转矩Tz会略微增大。,,,,,,,返回目录页,黑龙江科技学院电力系统教研室,,,返回目录页,本章小结,１.电力拖动运动方程式２.工作机构力、飞轮惯量和质量的折算３.负载的转矩特性,同学们再见,,返回目录页,