电机学第二章电力拖动的动力学基础.ppt

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1、第2章电力拖动系统动力学,掌握拖动、电力拖动、负载机械特性、电力拖动系统的转动惯量、飞轮力矩、拖动转矩、阻转矩以及转矩正方向规定的基本概念。掌握电力拖动系统中研究的主要物理量。熟练掌握单轴电力拖动系统的运动方程式，并会利用其判断系统的工作状态。会将多轴电力拖动系统转矩及飞轮力矩等效成单轴系统。掌握典型的负载机械特性。,本章要求：,2.1电力拖动系统的运动方程式,一、电力拖动系统的组成 电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务。,电力拖动系统的组成:,二 电力拖动系统的运动方程式,n,单轴电力拖动系统的运动方程 以电动机的轴为研究对象，电动机运行时的轴受力如图示。,电力拖动系统正

2、方向的规定：先规定转速n的正方向，然后规定:电磁转矩的正方向与n的正方向相同，负载转矩的正方向与n的正方向相反。,电动机运行时的轴受力如图示，由力学定律可知,其必须遵守下列方程式:,T,n,T：电磁转矩；TL：负载转矩,N.m,J：电动机轴上的总转动惯量，kg.m2,：电动机角速度,rad/s,在工程计算中,常用n代替表示 系统速度,用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性,功率平衡方程,得出功率平衡方程,=2n/60M：系统转动部分的质量，KgG：系统转动部分的重量，N：系统转动部分的转动半径，mD：系统转动部分的转动直径，mg：重力加速度=9.8m/s,所以：,TTL=0TTL 0 TTL0

3、,GD2：系统转动部分的总飞轮惯量（飞轮矩）,系数375具有m/min.s量纲,(TTL):称为动转矩,系统旋转运动的三种状态,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态,系统处于加速运行状态，即瞬态（暂态）过程,系统处于减速运行状态，即瞬态（暂态）过程,三.运动方程式中转矩的正负号分析应用运动方程式，通常以电动机轴为研究对象运动方程式写成下列一般形式 旋转运动中的转矩(上图)对公式中 T 与 TL 前带有的正负符号，作如下规定：预先规定某一旋转方向为正方向，则,1.转矩T方向如果与所规定的旋转正方向相同 T 前取正号，相反时取负号；2.阻转矩TL方向如果与所规定的旋转正方向相同时 TL 前取负

4、号，相反时取正号 3.加速转矩（GD/375）(dn/dt)的大小及正负符号 由转矩 T 及阻转矩 TL的代数和来决定,2,T,-T,-n,-TL,b),n,-T,-TL,c),例如:规定转速顺时针为正,逆时针为负,电磁转矩的正方向与转速正方向相同,负载转矩的正方向与转速正方向相反.图a中,T,nTL都为正.所以:,2.2 多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩的折算,实际拖动系统的轴常是不止一根，这种系统显然比一根轴的系统要复杂，计算起来也较为困难。,如要全面研究这个系统的问题，必须对每根轴列出其相应的运动方程式；列出各轴间互相联系的方程式；最后把这些方程式联系起来，全面地研究系统的运动。,问题！这种

5、方法研究这个系统太复杂。对电 力拖动系统而言，通常把电动机轴作为研究对象即可解决途径：,把实际的拖动系统等效为单轴系统,等效原则：,等效折算的原则是保持两个系统传送的功率及储存的动能相同,j2,一、多轴旋转系统的折算（一）负载转矩的折算,若不考虑损耗，工作机构折算前的机械功率为，折算后的机械功率为折算的原则是折算前后的功率不变，所以，,若考虑传动机构的效率，负载转矩的折算值还要加大，为,（二）飞轮矩的折算,旋转物体的动能大小为根据折算前后系统动能不变的原则,折算到电动机轴上总飞轮矩为,二、平移运动系统的折算,(一)阻力F的计算,(二）平移运动部件质量的折算,三、升降运动系统的折算,（一）提升重

6、物时负载转矩的折算重物作用在卷筒上，卷筒上的负载转矩为GR.不计损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为,（二）下放重物时负载转矩的折算,提升重物,下放重物,负载的转矩特性指：n=f(TL)关系一、恒转矩负载机械特性生产机械转矩分为：摩擦阻力产生的和重力作用产生的。摩擦阻力产生的转矩为反抗性转矩，其作用方向与n相反，为制动转矩。重力产生的转矩为位能性转矩，其作用方向与n无关，提升时为制动转矩；下放时为拖动转矩。,3.3 负 载 的 转矩特 性,1、反抗性恒转矩负载特性 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。,如金属的压延、机床的平移机构等,2、位能性恒转矩负载

7、特性,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：n 0,TL 0阻转矩下放时：n0拖动转矩,TL,如起重类型负载中的重物。,二、风机负载机械特性,负载转矩与转速成平方关系TL=kn,风力发电机,2,此类负载有通风机、水泵、油泵等。,三、恒功率负载机械特性,负载功率,负载转矩与转速基本上成反比关系TL=k/n,车床在粗加工时，切削量大，切削阻力大，开低速；精加工时，切削量小，切削力小，开高速。,典型生产机械运动形式和转矩,1、离心式风机单轴旋转系统 负载转矩TL=kn22、车床主轴传动系统多轴旋转系统 负载转矩TL与n无关3、平移传动系统多轴旋转系统 负载转矩TL

8、与n无关4、提升传动系统多轴旋转系统 负载转矩TL与n无关,风机 起动机,典型生产机械运动形式及转矩,皮带运输机,电力机车,二 电力拖动系统稳定运行的条件,稳定运行必须满足T=TL，且能抗干扰。,判断电力拖动系统稳定工作点的条件：1）电动机的机械特性与负载机械特性有交点；2）在交点处必须满足:,n,TLL,为了分析电力拖动系统稳定运行的问题，将电动机的机械特性和负载的转矩特性曲线画在同一张坐标图上，如图所示。图（a）和图（b）表示了电动机的两种不同的机械特性。,（a）稳定运行（b）不稳定运行 电力拖动系统稳定运行条件,根据运动方程式，当电动机的电磁转矩 等于总负载转矩 时，即为一恒定值，说明系

9、统在一个转速（匀速）下稳定运行，请大家来看图（a），系统原来运行在电动机机械特性曲线1和负载特性曲线的交点A处。假设由于受外界因素的扰动，例如电网电压波动，当电网电压升高,机械特性由曲线1转为曲线2，扰动作用使原来平衡状态受到了破坏，但由于系统惯性的影响，转速还来不及变化，电动机的工作点瞬间从A点变到B点。这时电磁转矩将大于负载转矩，转速将沿机械特性曲线2,由B点增加到C点。随着转速的升高，电动机转矩也逐渐减小，最后在C点得到新的平衡，在一个较高的转速下稳定运行。当扰动消失后，电网电压恢复到原来值,机械特性由曲线2恢复到原机械特性曲线1，同理，电动机的特性由C点瞬间过渡到D点，D点的电磁转矩小

10、于负载转矩，故转速下降，最后恢复到原来稳定运行点A，所以A点为稳定运行点。,反之，如果电网电压波动使电网电压偏低，机械特性曲线由曲线1转为曲线3，则瞬间工作点将转到 点，电磁转矩小于负载转矩，转速将由 点降低到 点，在 点取得新的平衡；而当扰动消失后，工作点将又恢复到原工作点A。这种情况我们就称为系统在A点能稳定运行，而图（b）则是一种不稳定运行的情况，读者可自己分析。由以上分析，可得出如下结论：若两条特性曲线有交点（必要条件），且在工作点上满足（1）在 处,（充分条件）则系统能稳定运行，式（1）即为稳定运行条件。对恒转矩负载,则，即电磁转矩的变化与转速的变化要异号,图示则为电动机的机械特性曲线应是往下倾斜的。,显然在图（b）中的A点，因此不能稳定运行。同学们可以自行分析。,由于大多数负载转矩都是随转速的升高而增大或者保持恒值，因此只要电动机具有下降的机械特性，就能满足稳定运行的条件。一般来说，电动机如果具有上升的机械特性，运行是不稳定的，但若拖动某种特殊负载，如通风机负载，那么只要能满足式（1）的条件，系统仍能稳定运行。应当指出，式（1）所表示的电力拖动稳定运行的条件，不论对直流电动机还是交流电动机都是适用的，因而具有普遍意义。,直流电动机拖动3种负载的稳定性分析,电力拖动 系统 的不稳定运行,