1、第一篇 電力拖動基礎(chǔ)第一章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)主要內(nèi)容單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)稱為拖動。用各種電動機作為原動機帶動生產(chǎn)機械運動，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)的拖動方式，稱為電力拖動。電力拖動系統(tǒng)，一般由電動機、機械傳動機構(gòu)、生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)、控制設(shè)備和電源五部分組成。 圖1-1 電力拖動系統(tǒng)示意圖 對于電力拖動系統(tǒng)，需要研究電動機和負載之間的運動規(guī)律電力拖動系統(tǒng)的運動方程式第一節(jié) 單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 電動機輸出軸直接拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)單軸電力拖動系統(tǒng)。 圖 1-2 單軸電力拖動系統(tǒng)及各量的參考方向 a）

2、單軸電力拖動系統(tǒng) b）各量的參考方向 根據(jù)力學(xué)中剛體轉(zhuǎn)動定律得到單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 ： 式中，T 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩(Nm) ； TL 電動機的負載轉(zhuǎn)矩(Nm) ； J 電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量(kgm2) ； 電動機的角速度(rad/s) 。 在實際的電力拖動工程中則采用飛輪慣量（即飛輪矩）GD2代替轉(zhuǎn)動慣量J ；用轉(zhuǎn)速n代替角速度。第一節(jié) 單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式n與的關(guān)系為 則 J與GD2之間的關(guān)系為：式中，m 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（kg）； G 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力（N）； 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)半徑（m）； D 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)直徑（m）； g 重力加速度，可取g = 9.81m

3、/s2 。第一節(jié) 單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式由此可得：第一節(jié) 單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式穩(wěn)態(tài)：動態(tài)：注意：式中的T、TL及n都是有方向的。在規(guī)定了n的 方向后，T與n的方向一致時為正，TL與n的方 向相反時為正。 在代入具體數(shù)值時，如果其實際方向與規(guī)定的正方向相同，就用正數(shù)，否則應(yīng)當用負數(shù)。 第一節(jié) 單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式第二節(jié) 多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算 多軸電力拖動系統(tǒng)，就是在電動機與工作機構(gòu)之間增設(shè)傳動機構(gòu)的系統(tǒng)。 一般采用折算的辦法，把多軸電力拖動系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)，然后按單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式來分析。 圖 1-3所示為多軸電力拖動系統(tǒng)，將電動機轉(zhuǎn)速變成符

4、合生產(chǎn)機械工作機構(gòu)需要的轉(zhuǎn)速m。 圖 1-3 多軸電力拖動系統(tǒng)示意圖 a）多軸系統(tǒng) b）等效折算圖 為了簡化計算，采用折算的辦法，將多軸電力拖動系統(tǒng)(圖 a) 折算為等效的單軸系統(tǒng)(圖 b) 。第二節(jié) 多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算 本節(jié)重點研究負載轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的具體折算方法。折算的原則： 按照能量守恒定律，系統(tǒng)在折算前和折算后應(yīng)具有相等的機械功率和動能。 注意：使用運動方程進行分析時，式中的TL應(yīng)是折算后的等效負載轉(zhuǎn)矩Tmeq，GD2是折算后系統(tǒng)總的等效飛輪矩GDeq2 。第二節(jié) 多軸電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及飛輪矩的折算設(shè)工作機構(gòu)負載轉(zhuǎn)矩為：Tm1. 轉(zhuǎn)矩的折算功率為： Pm= Tmm折算后的

5、負載轉(zhuǎn)矩為：Tmeq對應(yīng)角速度為：m=2nm / 60折算后的對應(yīng)角速度為：一、工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算折算后的功率為：Pmeq=Tmeq根據(jù)功率不變原則有： Tm m= Tmeq則: 電動機與工作機構(gòu)轉(zhuǎn)速比：考慮了傳動損耗后,功率關(guān)系變?yōu)椋?多級傳動,傳動比為各級傳動比之積,傳動效率為各級傳動效率之積,即:一、工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算 以上分析的是電動機工作在電動狀態(tài)，由電動機帶動工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，功率由電動機傳給負載的情況，傳動損耗由電動機承擔(dān)。 如果電動機工作在制動狀態(tài)，例如提升機構(gòu)下放重物時，電動機由工作機構(gòu)帶動，功率傳遞方向是從負載傳向電動機，傳動損耗就由工作機構(gòu)承

6、擔(dān)，按傳動功率不變的原則因此: 一、工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算2.飛輪矩的折算 電動機轉(zhuǎn)子的飛輪矩為GDd2(Jd) ，主軸和工件的飛輪矩為GDm2(Jm) ，則旋轉(zhuǎn)物體的動能為： 設(shè)各軸的角速度為：、 1、 2、 m 折算原則：折算前后系統(tǒng)儲存的動能不變一、工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折算 一般情況下，傳動機構(gòu)的飛輪矩折算到電動機軸上以后的數(shù)值，在等效單軸系統(tǒng)的總飛輪矩中是次要部分，而電動機轉(zhuǎn)子本身的飛輪矩則是總飛輪矩中的主要部分。在實際工作中，為了計算方便，通常采用適當增大電動機轉(zhuǎn)子飛輪矩的方法來考慮傳動機構(gòu)各軸的飛輪矩。因此，有以下的估算公式一、工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)矩和飛輪矩的折

7、算例1-1 某電力拖動系統(tǒng)如圖1-4所示。已知飛輪矩GDd2=14.5Nm2，GD12=18.8Nm2， GDm2=120Nm2， 傳動效率1=0.91 ，m=0.93，轉(zhuǎn)矩Tm=85Nm，轉(zhuǎn)速n=2450r/min，n1=810r/min，nm=150r/min，忽略電動機空載轉(zhuǎn)矩，試求：（1）折算到電動機軸上的系統(tǒng)總飛輪矩GD2（2）折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩Tmeq 圖1-4 某電力拖動系統(tǒng)示意圖解： （1）系統(tǒng)總飛輪矩 （2）負載轉(zhuǎn)矩 二、工作機構(gòu)直線運動轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算(一) 平移運動圖1-5 工作機構(gòu)作平移運 動示意圖1. 轉(zhuǎn)矩的折算 平移運動如圖1-5，切削時工件與工作臺的速度

8、為v(m/s)，刨刀固定不動，刨刀作用在工件上的力為F（N），傳動機構(gòu)效率為切削時的切削功率為：P=Fv考慮到傳動機構(gòu)的損耗,電動機軸上的負載功率為：2. 飛輪矩的折算設(shè)平移運動部件重量為G，折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為Jeq,根據(jù)折算前后動能不變的原則：所以： 求等效單軸系統(tǒng)的總飛輪矩時，還要計算傳動機構(gòu)各旋轉(zhuǎn)軸飛輪矩的折算值，其方法與多軸系統(tǒng)飛輪矩折算方法相同。 二、工作機構(gòu)直線運動轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算(二) 升降運動圖1-6 起重機示意圖圖1-6所示為一起重機示意圖，通過傳動機構(gòu)拖動一個卷筒，纏在卷筒上的鋼絲繩懸掛一重物。 重物的重力為G=mg，傳動機構(gòu)總速比為j，重物提升時傳動機構(gòu)效率為

9、，卷筒半徑為R，轉(zhuǎn)速為n，重物提升或下放的速度都為v，是個常數(shù)。1. 轉(zhuǎn)矩的折算 二、工作機構(gòu)直線運動轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算 考慮傳動機構(gòu)有損耗，當提升重物時，這個損耗由電動機負擔(dān)，因此折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為重物作用在卷筒上，重物對卷筒軸上的負載轉(zhuǎn)矩為GR，不計傳動機構(gòu)損耗時，折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為 傳動機構(gòu)的損耗轉(zhuǎn)矩T是由摩擦產(chǎn)生的，其值為 二、工作機構(gòu)直線運動轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算2.飛輪矩的折算與平移相同 下放重物時，工作機構(gòu)帶動電動機使重物下放，傳動損耗由工作機構(gòu)承擔(dān)，于是可得式中，為重物下放時傳動機構(gòu)的效率，在提升與下放傳動損耗相等（提升與下放同一重物）的條件下，可以證明升降運

10、動飛輪矩折算和平移運動飛輪矩折算相同。 二、工作機構(gòu)直線運動轉(zhuǎn)矩與飛輪矩的折算 切削時折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩解：（1）切削功率（2）估算系統(tǒng)總的飛輪矩（3）不切削時(Tmeq=0)，工作臺與工件反向加速時，系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩絕對值第三節(jié) 生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性 負載轉(zhuǎn)矩特性是指生產(chǎn)機械工作機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，即 n=f(TL) 。 不同的生產(chǎn)機械其負載轉(zhuǎn)矩特性也不相同。 典型的負載轉(zhuǎn)矩特性有恒轉(zhuǎn)矩特性、恒功率特性和通風(fēng)機型特性三種。 TL大小不變，但作用方向總是與運動方向n相反，是阻礙運動的制動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩。一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性 1.反抗性(又稱摩擦性)恒轉(zhuǎn)矩負載 從反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的特點

11、可知，當n為正向時，TL亦為正(按規(guī)定，以反對正向運動的方向作為TL的正方向)；當n為負向時，TL也改變方向，變?yōu)樨撝?。因此，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性應(yīng)畫在第一與第三象限內(nèi),特性如圖1-7。 屬于這一類負載的生產(chǎn)機械有帶式運輸機、軋鋼機、起重機的行走機構(gòu)等。圖1-7 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 圖1-8 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性 這種負載轉(zhuǎn)矩是由重力作用產(chǎn)生的。 特點：TL大小不變，而且作用方向也保持不變。 最典型的位能性負載是起重機的提升機構(gòu)及礦井卷揚機。這類負載無論是提升重物還是下放重物，重力的作用方向不變。 如果以提升作為運動的正方向，則n為正向時，TL反對運動，也為正值；當下放重

12、物，n為負向時，TL的方向不變，仍為正，表明這時TL是幫助運動的，成為拖動轉(zhuǎn)矩。其特性應(yīng)畫在第一和第四象限內(nèi)，如圖1-8。 2. 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性一、恒轉(zhuǎn)矩負載特性二、恒功率負載特性 某些生產(chǎn)機械，例如車床，在粗加工時，切削量大，因而切削阻力也大，這時運轉(zhuǎn)速度低；在精加工時，切削量小，因而切削阻力也小，這時運轉(zhuǎn)速度高。在不同轉(zhuǎn)速下，負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比。即：圖1-9 恒功率負載特性 功率基本不變，因此，把這種負載稱為恒功率負載。特性如圖1-9。三、通風(fēng)機型負載特性負載特性為一條拋物線，特性如圖1-10實線所示。 圖1-10 風(fēng)機泵類負載特性 屬于通風(fēng)機型負載的生產(chǎn)機械有：通風(fēng)機、水泵、油泵等。這種負載轉(zhuǎn)矩是由周圍介質(zhì)（空氣、水、油等）對工作機構(gòu)產(chǎn)生阻力所引起的阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩基本