1、電力拖動2n1 電力拖動系統(tǒng)在國民經(jīng)濟中的應用n 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸、科學研究等諸多領域，絕大部分生產(chǎn)機械都是采用電動機作為原動機來拖動；n例如，各類機床設備、起重設備、電動車和紡織機械等。n電動機拖動生產(chǎn)機械運動的系統(tǒng)稱為電力拖動系統(tǒng)也稱為電氣傳動系統(tǒng)。緒緒 論論3n生產(chǎn)過程中完成加工、搬運等各項工作的機械，統(tǒng)稱為生產(chǎn)機械，例如，機床、泵、起重機、軋鋼機和電機車等。n電動機及其控制設備以及生產(chǎn)機械組成的成套裝置，稱為電力拖動裝置，或電力拖動系統(tǒng)。n電動機是生產(chǎn)機械的原動機。n然而，在某些情況下，電動機也起制動作用，把機械能轉(zhuǎn)換成電能，此時，我們稱電動機運行在電磁制動狀態(tài)。緒緒 論論4

2、n2、電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展n 電力拖動的發(fā)展，大體上經(jīng)歷了成組拖動、單機拖動和多機拖動三個階段。n成組拖動是用一臺電動機拖動一根主軸，再由傳動帶或繩索分別拖動幾臺生產(chǎn)機械。效率很低，已不采用。n一臺電動機拖動一臺生產(chǎn)機械，從而減少了中間傳動機構(gòu)，提高了效率，并可充分利用電動機的調(diào)速性能來滿足生產(chǎn)機械的工藝要求。緒緒 論論5n現(xiàn)代化的生產(chǎn)機械，大都采用多電動機拖動運動機構(gòu)這種較復雜的拖動方式，即用一臺電動機來拖動生產(chǎn)機械中的某一個部件。n由于采用多機拖動方式易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，因n此，在現(xiàn)代化的電力拖動系統(tǒng)中大都采用多電動機拖動方式。n隨著電力電子技術的迅速發(fā)展和微計算機的廣泛應用使得多電動機拖動

3、系統(tǒng)進入了一個新的階段。緒緒 論論6n 電力拖動系統(tǒng)的分類和特點n分直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)。n以直流電動機作為原動機的稱為直流電力拖動系統(tǒng)；n以交流電動機作為原動機的稱為交流電力拖動系統(tǒng)。緒緒 論論7n直流電力拖動系統(tǒng)優(yōu)點：n具有起動轉(zhuǎn)矩大、可在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)速度的平滑調(diào)節(jié)和易于控制等。n直流電力拖動系統(tǒng)缺點：n直流電動機具有換向器和電刷裝置，限制了電動機向高速和大容量方而發(fā)展，并且也不能直接用于易燃、易爆等工業(yè)場合。緒緒 論論8n對于交流電力拖動系統(tǒng)，由于交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，且能在環(huán)境條件較惡劣的場合下運行，所以交流電力拖動系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用。n但

4、是，由于交流電力拖動在調(diào)速性能等指標上還不能完全趕上直流電力拖動，所以，在要求很高的調(diào)速系統(tǒng)中，交流電力拖動仍受到一定的限制。緒緒 論論9n主要內(nèi)容：n電力拖動系統(tǒng)的運動方程式，電力拖動系統(tǒng)的組成，電力拖動系統(tǒng)的運動方程式，運動方程中各物理量正負號的標注規(guī)定，工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算，旋轉(zhuǎn)運動，平移運動，升降運動，生產(chǎn)機械典型負載轉(zhuǎn)矩特性，恒轉(zhuǎn)矩負載特性，恒功率負載特性，通風機型負載特性，傳動損耗和傳動效率。n重點與難點n工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎10n1.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式n 1.1.1 電力施動系統(tǒng)的組成 n 電

5、力拖動系統(tǒng)是由電動機、生產(chǎn)機械、傳動機構(gòu)、控制設備和電源等五大部分組成。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎11n1.1.2 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式n1.1.2.1 直線運動方程 根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)點的運動方程式為n fman f作用在質(zhì)點上的所有外力的合力；n m質(zhì)點的質(zhì)量；n a質(zhì)點的加速度。n 第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎12n 在電力拖動裝置中，有很多部件是做直線運動的，例如起重機的吊鉤、機床的工作臺、電梯的升降室以及直線電動機等。這些部件的直線運動可以看作是剛體的直線運動，而剛體的直線運動方程式與質(zhì)點的運動方程式具有相同

6、的形式。n從電力拖動過程考慮，可把作用在直線運動部件上的外力分為拖動力和靜負載力兩部分。于n是，可得出直線運動方程式第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎13第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎14n 1.1.2.2 單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運動方程式 n在電力拖動系統(tǒng)中，存在著大量的繞固定軸旋轉(zhuǎn)的部件，例如旋轉(zhuǎn)電動機、齒輪和各種做旋轉(zhuǎn)運動的工作機構(gòu)等。n根據(jù)物理學中的剛體轉(zhuǎn)動定律來分濟和描述這些旋轉(zhuǎn)部件的運動規(guī)律。n首先來分析典型的單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。n所謂的單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是指，在電力拖動裝置中沒有傳動機構(gòu)，n其運動系統(tǒng)只有同一種轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，通常簡稱為單軸

7、系統(tǒng).第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎15第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎16第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎17n可將旋轉(zhuǎn)工作機械等效為一實圓柱體，于是上式中的轉(zhuǎn)動慣量J可用下式表示第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎18n 在式中，GD2稱為飛輪矩(Nm2)。它是實際工程中用來描述旋轉(zhuǎn)物體慣性的物理量。 GD2看成是一個不可分的整體符號。n 由于在實際工程上是用轉(zhuǎn)速n而不是用角速度愿來描述電視轉(zhuǎn)速的，所以，還需把式化成工程上的實用形式?，F(xiàn)將2n60代入式，可得實用的電力拖動系

8、統(tǒng)的運動方程式第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎19n 由式，電動機的工作狀態(tài)可由運動方程表示出來。當MML時n0或n常值，即電動機靜止或等速旋轉(zhuǎn)，拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，簡稱穩(wěn)態(tài)；n當M ML時，n0，電動機加速;n當M ML時，n0，電動機減速。不論加速還是減速，由于拖動系統(tǒng)的運動均處于過渡過程之中，所以稱之為動態(tài).第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎20n 1.1.3 運動方程中各物理量正負號的標注規(guī)定n 通常，在確定運動方程中各量的正方向時，往往以電動機的轉(zhuǎn)速n為參考。首先確定M的正方向。轉(zhuǎn)速正方向的選取是任意的，順時針方向或逆時

9、針方向均可定義為正方向。n在實際工程上，習慣于把提升裝置提升重物時的轉(zhuǎn)速方向定義為正方向；把機床對應于進給切削方向的轉(zhuǎn)速定義為正方向。一旦轉(zhuǎn)速的正方向確定下來，轉(zhuǎn)矩的正方向可按下列則確定：第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎21n(1)電動機(電磁)轉(zhuǎn)矩M的正方向與轉(zhuǎn)速的正方向相同n(2)靜負載轉(zhuǎn)矩ML的正方向與轉(zhuǎn)速的正方向相反。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎22第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎23第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎24n1.2 工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算n 在

10、實際的拖動系統(tǒng)中，電動機的軸往往不與工作機構(gòu)軸直接連接，而是通過傳動機構(gòu)與工作機構(gòu)軸連接，以便實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速與工作機構(gòu)轉(zhuǎn)速的匹配。n 這類拖動系統(tǒng)具有兩根或兩根以上不同轉(zhuǎn)速的軸，所以稱為多袖旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，簡稱多袖系統(tǒng)。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎25第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎26n該拖動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)為兩級齒輪減速機構(gòu)，其減速比分別為j1、j2，傳動效率分別為1、 2，三根轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速分別為n,n1,nm，三根軸上的轉(zhuǎn)矩和飛輪矩也不相同。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎27n 1.2.1 旋轉(zhuǎn)運動n

11、在實際生產(chǎn)中有許多生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)的運動屬于旋轉(zhuǎn)運動。n旋轉(zhuǎn)運動時轉(zhuǎn)短和飛輪短的折算。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎282930n 實際上，在多軸拖動系統(tǒng)的機械功率傳遞過程中，傳動機構(gòu)存在功率損耗，即傳動損耗。這部分損耗是由電動機承擔的，因此，電動機輸出的機械功率比生產(chǎn)機械消耗的功率大。這部分損耗可以用傳動機構(gòu)的效率c來描述。于是，有第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎31n電動機軸與工作機構(gòu)軸的轉(zhuǎn)速比j為總轉(zhuǎn)速比，在多級傳動機構(gòu)中應為各級轉(zhuǎn)速比之積，即jj1j2；n傳動效率c 也同樣是傳動機構(gòu)的總效率，為各級傳動效率之積，即c 1

12、2 。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎32n 1.2.1.2 飛輪矩的折算 n飛輪矩的大小是旋轉(zhuǎn)工作機構(gòu)機械慣性的體現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)體的動能為專1/2 J2，如令J代表多軸系統(tǒng)折算成單軸系統(tǒng)后的等效轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)折算前后系統(tǒng)貯存動能不變的原則，有第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎33第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎34n 1.2.2平移運動n 在實際生產(chǎn)中。有相當一部分生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)作平移運動，例如龍門刨床工作臺。n由于平移運動屬于直線運動，因此，其轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算公式與上述旋轉(zhuǎn)運動有所不同。n平移運動的轉(zhuǎn)矩

13、折算和飛輪矩折算。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎35第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎363738第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎39n 1.2.3升降運動n 有些生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)是作升降運動的，如起重機和電梯等。雖然升降運動和平移運動同屬于直線運動，但它具有不同于平移運動的特點?，F(xiàn)以圖所示的起重機提升機構(gòu)為例來進行討論。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎40第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎41第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的

14、動力學基礎42第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎43n 2下放重物 n 下放重物時，重物對卷筒釉的負載轉(zhuǎn)矩大小仍為GR及。在不計傳動機構(gòu)損耗時，折算到電動機釉上的負載轉(zhuǎn)矩仍可用上式描述。n 但在下放重物時，是重物(負載)帶動電動機，重力作用拉著整個系統(tǒng)反方向運動。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎44n此時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用，即阻礙系統(tǒng)的運動。n如果考慮傳動機構(gòu)的損耗，很明顯，這部分損耗是由負載來承擔的。n下放重物時折算到電動機袖上的負載轉(zhuǎn)矩應為第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎45n 1.2.3.2

15、 飛輪矩的折算 n由于升降運動和平移運動同屆于直線運動，所以，升降運動的飛輪矩折算與平移運動的飛輪矩折算方法相同。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎46第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎47第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎48第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎49第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎50第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎51第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎52第一章第一章 電力拖動系

16、統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎53第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎54第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎55n1.3 生產(chǎn)機械典型負載轉(zhuǎn)矩特性n分析電力拖動系統(tǒng)的動力學關系，必須了解靜負裁轉(zhuǎn)矩，而靜負裁轉(zhuǎn)矩是由生產(chǎn)機械決定的。n為了方便分析問題，通常按照生產(chǎn)機械負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關系將生產(chǎn)機械進行分類。n根據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性可歸納為:恒轉(zhuǎn)矩負載特性、恒功率負載轉(zhuǎn)矩特性和通風機型負裁特性三大類。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎56n1.3.1 恒轉(zhuǎn)短負載特性n所謂恒轉(zhuǎn)短負載特性是指負載

17、轉(zhuǎn)矩ML與轉(zhuǎn)速n無關的特性，即當轉(zhuǎn)速變化時，負裁轉(zhuǎn)矩ML保持常值。n恒轉(zhuǎn)矩負裁可進一步分為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負裁兩大類。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎57n 1.3.1.1 反抗性值轉(zhuǎn)矩負載 n反抗性值轉(zhuǎn)矩負裁特性的特點是恒值轉(zhuǎn)矩ML總是與運動方向相反。n對于反抗性恒轉(zhuǎn)矩負裁，當轉(zhuǎn)速n為正向時， ML也為正向，當n為負方向時， ML也改變方向，變?yōu)樨撝?，如圖所示。n反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩特性應畫在第I象限和第象限內(nèi)。n壓延機構(gòu)、機床的平移機構(gòu)和電車的平道行駛等。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎58第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)

18、的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎59n1.3.1.2 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載 n靜負裁轉(zhuǎn)矩的方向不隨轉(zhuǎn)速方向改變而改變的負裁稱為位能性恒轉(zhuǎn)矩負裁，如起重機提升裝置中由重物產(chǎn)生的靜負載就是位能性負裁。如圖所示n不論提升重物(n正)或是下放重物n為負)，負裁轉(zhuǎn)矩始終是反方向的，即ML始終為正，特性畫在第I象限和第象限內(nèi)，表示特性的直線是連續(xù)的。n注意：提升時，轉(zhuǎn)矩ML是反對提升的，下放時， ML卻是幫助下放的。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎60第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎61n1.3.2 恒功率負載特性n負載功率PL為一常值，負裁轉(zhuǎn)矩

19、ML與轉(zhuǎn)速n成反比的負裁稱為恒功率負載。n如機床在加工工件過程中，初加工時，切削量大，切削阻力大，此時開低速，精加工時，切削量小，往往開高速。因此，在不同轉(zhuǎn)速下，負裁轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，即MLK/n，其切削功率PL 為n 第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎62第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎63n 1.3.3 通風機型負載特性n靜負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速二次方成正比變化的負裁稱為通風機型負載，這類負裁的轉(zhuǎn)短與轉(zhuǎn)速的關系可描述為:n MLa + bn2n式中，a表示軸承摩擦轉(zhuǎn)矩nb是負載轉(zhuǎn)矩中隨速度變化部分的比例系數(shù)，對于確定的生產(chǎn)機械來

20、說a和b都是常量。通風機型負裁特性如圖所示。n通風機負裁的生產(chǎn)機械有：通風機、水泵、油泵等。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎64第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎65n1.4 傳動損耗和傳動效率n 1.4.1 傳動損耗功率和傳動損耗轉(zhuǎn)矩n 通常，傳動機構(gòu)工作時，由于存在摩擦、鋼繩彎曲或皮帶彎曲等原因，在傳動機構(gòu)上將損耗掉一部分被傳遞的功率，存在著傳動損耗。n 在生產(chǎn)機械中，齒輪是應用最為普遍的一種傳動機構(gòu)。齒輪工作時，齒輪嚙合處等部分存在損耗功率，在每根軸上存在損耗轉(zhuǎn)矩。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎66

21、第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎67第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎68n 1.4.2 傳動效率與輸出轉(zhuǎn)矩的關系n 在工程計算中，傳動損耗是用傳動效率來描述的，而傳動效率與傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式、裝配情況、潤滑條件以及負載的大小有關。一旦傳動機構(gòu)自身的條件確定，則傳動機構(gòu)的效率便僅取決于負載的大小。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎69第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎70n上式表明了傳動效率與輸出轉(zhuǎn)矩ML的n關系，其描繪的效率曲線如圖所示。nN表示額定效率，是輸出轉(zhuǎn)矩為額定n值時的效率，由上式得第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎71第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎72n1.4.3 提升裝置傳動效率的確定方法n提升裝置的傳動機構(gòu)一般由齒輪和卷簡鋼繩組成，傳動效率等于齒輪效率與卷簡鋼繩效率的乘積。效率曲線仍符合圖所描述的規(guī)律，只是把橫坐標的輸出轉(zhuǎn)矩相對值換成起重量的相對值便可。起重量的相對值等于起重量G與最大起重量GN之比。第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎73第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎74第一章第一章 電力拖動系統(tǒng)