试谈电力拖动系统的动力学基础.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力拖动,试谈电力拖动系统的动力学基础,第1页,1,电力拖动系统在国民经济中应用,在当代化工业生产和交通运输、科学研究等很多领域，绝大部分生产机械都是采取电动机作为原动机来拖动；,比如，各类机床设备、起重设备、电动车和纺织机械等。,电动机拖动生产机械运动系统称为电力拖动系统也称为电气传动系统,。,绪 论,2,试谈电力拖动系统的动力学基础,第2页,生产过程中完成加工、搬运等各项工作机械，统称为生产机械，比如，机床、泵、起重机、轧钢机和电机车等。,电动机及其控制设备以及生产机械组成成套装置，称为电力拖动装置，或电力拖动系统。,电动机是生产机械原动机。,然而，在一些情况下，电动机也起制动作用，把机械能转换成电能，此时，我们称电动机运行在电磁制动状态。,绪 论,3,试谈电力拖动系统的动力学基础,第3页,2,、电力拖动系统发展,电力拖动发展，大致上经历了,成组拖动、单机拖动和多机拖动三个阶段。,成组拖动是用一台电动机拖动一根主轴,，再由传动带或绳索分别拖动几台生产机械。效率很低，已不采取。,一台电动机拖动一台生产机械,，从而降低了中间传动机构，提升了效率，并可充分利用电动机调速性能来满足生产机械工艺要求。,绪 论,4,试谈电力拖动系统的动力学基础,第4页,当代化生产机械，大都采取多电动机拖动运动机构这种较复杂拖动方式，即用一台电动机来拖动生产机械中某一个部件。,因为采取多机拖动方式易于实现自动化生产，因,此，在当代化电力拖动系统中大都采取多电动机拖动方式。,伴随电力电子技术快速发展和微计算机广泛应用使得多电动机拖动系统进入了一个新阶段。,绪 论,5,试谈电力拖动系统的动力学基础,第5页,电力拖动系统分类和特点,分直流电力拖动系统和交流电力拖动系统。,以直流电动机作为原动机称为直流电力拖动系统；,以交流电动机作为原动机称为交流电力拖动系统。,绪 论,6,试谈电力拖动系统的动力学基础,第6页,直流电力拖动系统优点：,含有起动转矩大、可在较大范围内实现速度平滑调整和易于控制等。,直流电力拖动系统缺点：,直流电动机含有换向器和电刷装置，限制了电动机向高速和大容量方而发展，而且也不能直接用于易燃、易爆等工业场所。,绪 论,7,试谈电力拖动系统的动力学基础,第7页,对于交流电力拖动系统，因为交流异步电动机含有结构简单、维修方便，且能在环境条件较恶劣场所下运行，所以交流电力拖动系统在工农业生产中得到广泛应用。,不过，因为交流电力拖动在调速性能等指标上还不能完全赶上直流电力拖动，所以，在要求很高调速系统中，交流电力拖动仍受到一定限制。,绪 论,8,试谈电力拖动系统的动力学基础,第8页,主要内容：,电力拖动系统运动方程式，电力拖动系统组成，电力拖动系统运动方程式，运动方程中各物理量正负号标注要求，工作机构转矩和飞轮矩折算，旋转运动，平移运动，升降运动，生产机械经典负载转矩特征，恒转矩负载特征，恒功率负载特征，通风机型负载特征，传动损耗和传动效率。,重点与难点,工作机构转矩和飞轮矩折算,第一章 电力拖动系统动力学基础,9,试谈电力拖动系统的动力学基础,第9页,1.1,电力拖动系统运动方程式,1.1.1,电力施动系统组成,电力拖动系统是由电动机、生产机械、传动机构、控制设备和电源等五大部分组成。,第一章 电力拖动系统动力学基础,10,试谈电力拖动系统的动力学基础,第10页,1.1.2,电力拖动系统运动方程式,1.1.2.1,直线运动方程 依据牛顿第二定律，质点运动方程式为,f,ma,f,作用在质点上全部外力协力；,m,质点质量；,a,质点加速度。,第一章 电力拖动系统动力学基础,11,试谈电力拖动系统的动力学基础,第11页,在电力拖动装置中，有很多部件是做直线运动，比如起重机吊钩、机床工作台、电梯升降室以及直线电动机等。这些部件直线运动能够看作是刚体直线运动，而刚体直线运动方程式与质点运动方程式含有相同形式。,从电力拖动过程考虑，可把作用在直线运动部件上外力分为拖动力和静负载力两部分。于,是，可得出直线运动方程式,第一章 电力拖动系统动力学基础,12,试谈电力拖动系统的动力学基础,第12页,第一章 电力拖动系统动力学基础,13,试谈电力拖动系统的动力学基础,第13页,1.1.2.2,单轴旋转系统运动方程式,在电力拖动系统中，存在着大量绕固定轴旋转部件，比如旋转电动机、齿轮和各种做旋转运动工作机构等。,依据物理学中刚体转动定律来分济和描述这些旋转部件运动规律。,首先来分析经典单轴旋转系统。,所谓单轴旋转系统是指，在电力拖动装置中没有传动机构，,其运动系统只有同一个转速旋转系统，通常简称为单轴系统,.,第一章 电力拖动系统动力学基础,14,试谈电力拖动系统的动力学基础,第14页,第一章 电力拖动系统动力学基础,15,试谈电力拖动系统的动力学基础,第15页,第一章 电力拖动系统动力学基础,16,试谈电力拖动系统的动力学基础,第16页,可将旋转工作机械等效为一实圆柱体，于是上式中转动惯量,J,可用下式表示,第一章 电力拖动系统动力学基础,17,试谈电力拖动系统的动力学基础,第17页,在式中，,GD,2,称为飞轮矩,(N,m,2,),。它是实际工程中用来描述旋转物体惯性物理量。,GD,2,看成是一个不可分整体符号。,因为在实际工程上是用转速,n,而不是用角速度愿来描述电视转速，所以，还需把式化成工程上实用形式。现将,2,n,60,代入式，可得实用电力拖动系统运动方程式,第一章 电力拖动系统动力学基础,18,试谈电力拖动系统的动力学基础,第18页,由式，电动机工作状态可由运动方程表示出来。当,M,M,L,时,n,0,或,n,常值，即电动机静止或等速旋转，拖动系统处于稳定运行状态，简称稳态；,当,M,M,L,时，,n,0,，电动机加速,;,当,M,M,L,时，,n,0,，电动机减速。不论加速还是减速，因为拖动系统运动均处于过渡过程之中，所以称之为动态,.,第一章 电力拖动系统动力学基础,19,试谈电力拖动系统的动力学基础,第19页,1.1.3,运动方程中各物理量正负号标注要求,通常，在确定运动方程中各量正方向时，往往以电动机转速,n,为参考。首先确定,M,正方向。转速正方向选取是任意，顺时针方向或逆时针方向均可定义为正方向。,在实际工程上，习惯于把提升装置提升重物时转速方向定义为正方向；把机床对应于进给切削方向转速定义为正方向。一旦转速正方向确定下来，转矩正方向可按以下则确定：,第一章 电力拖动系统动力学基础,20,试谈电力拖动系统的动力学基础,第20页,(1),电动机,(,电磁,),转矩,M,正方向与转速正方向相同,(2),静负载转矩,M,L,正方向与转速正方向相反。,第一章 电力拖动系统动力学基础,21,试谈电力拖动系统的动力学基础,第21页,第一章 电力拖动系统动力学基础,22,试谈电力拖动系统的动力学基础,第22页,1.2,工作机构转矩和飞轮矩折算,在实际拖动系统中，电动机轴往往不与工作机构轴直接连接，而是经过传动机构与工作机构轴连接，方便实现电动机转速与工作机构转速匹配。因为这类拖动系统含有两根或两根以上不一样转速轴，所以称为多袖旋转系统，简称多袖系统。,第一章 电力拖动系统动力学基础,23,试谈电力拖动系统的动力学基础,第23页,第一章 电力拖动系统动力学基础,24,试谈电力拖动系统的动力学基础,第24页,图给出了一个三轴拖动系统及其等效单轴拖动系统。该拖动系统传动机构为两级齿轮减速机构，其减速比分别为,j,1,、,j,2,，传动效率分别为,1,、,2,，三根转轴转速分别为,n,n,1,n,m,，三根轴上转矩和飞轮矩也不相同。,第一章 电力拖动系统动力学基础,25,试谈电力拖动系统的动力学基础,第25页,1.2.1,旋转运动,在实际生产中有许多生产机械工作机构运动属于旋转运动。,介绍旋转运动时转矩和飞轮矩折算。,第一章 电力拖动系统动力学基础,26,试谈电力拖动系统的动力学基础,第26页,27,试谈电力拖动系统的动力学基础,第27页,实际上，在多轴拖动系统机械功率传递过程中，传动机构存在功率损耗，即传动损耗。这部分损耗是由电动机负担，所以，电动机输出机械功率比生产机械消耗功率大。这部分损耗能够用传动机构效率,c,来描述。于是，有,第一章 电力拖动系统动力学基础,28,试谈电力拖动系统的动力学基础,第28页,电动机轴与工作机构轴转速比,j,为总转速比，在多级传动机构中应为各级转速比之积，即,j,j,1,j,2,；,传动效率,c,也一样是传动机构总效率，为各级传动效率之积，即,c,1,2,。,第一章 电力拖动系统动力学基础,29,试谈电力拖动系统的动力学基础,第29页,1.2.1.2,飞轮矩折算,飞轮矩大小是旋转工作机构机械惯性表达。旋转体动能为专,1/2 J,2,，如令,J,代表多轴系统折算成单轴系统后等效转动惯量，依据折算前后系统贮存动能不变标准，有,第一章 电力拖动系统动力学基础,30,试谈电力拖动系统的动力学基础,第30页,第一章 电力拖动系统动力学基础,31,试谈电力拖动系统的动力学基础,第31页,1.2.2,平移运动,在实际生产中。有相当一部分生产机械工作机构作平移运动，比如龙门刨床工作台。因为平移运动属于直线运动，所以，其转矩和飞轮矩折算公式与上述旋转运动有所不一样。图给出了刨床传动示意图。,平移运动转矩折算和飞轮矩折算。,第一章 电力拖动系统动力学基础,32,试谈电力拖动系统的动力学基础,第32页,第一章 电力拖动系统动力学基础,33,试谈电力拖动系统的动力学基础,第33页,34,试谈电力拖动系统的动力学基础,第34页,第一章 电力拖动系统动力学基础,35,试谈电力拖动系统的动力学基础,第35页,1.2.3,升降运动,有些生产机械工作机构是作升降运动，如起重机和电梯等。即使升降运动和平移运动同属于直线运动，但它含有不一样于平移运动特点。现以图所表示起重机提升机构为例来进行讨论。,第一章 电力拖动系统动力学基础,36,试谈电力拖动系统的动力学基础,第36页,第一章 电力拖动系统动力学基础,37,试谈电力拖动系统的动力学基础,第37页,第一章 电力拖动系统动力学基础,38,试谈电力拖动系统的动力学基础,第38页,2,下放重物,下放重物时，重物对卷筒釉负载转矩大小仍为,GR,及。在不计传动机构损耗时，折算到电动机釉上负载转矩仍可用上式描述。但在下放重物时，是重物,(,负载,),带动电动机，重力作用拉着整个系统反方向运动。此 时，电动机电磁转矩起制动作用，即妨碍系统运动。这时，假如考虑传动机构损耗，很显著，这部分损耗是由负载来负担。于是如仍用传动机构效率来描述传动机构损耗话，则下放重物时折算到电动机袖上负载转矩应为,第一章 电力拖动系统动力学基础,39,试谈电力拖动系统的动力学基础,第39页,1.2.3.2,飞轮矩折算,因为升降运动和平移运动同届于直线运动，所以，升降运动飞轮矩折算与平移运动飞轮矩折算方法相同。,第一章 电力拖动系统动力学基础,40,试谈电力拖动系统的动力学基础,第40页,第一章 电力拖动系统动力学基础,41,试谈电力拖动系统的动力学基础,第41页,第一章 电力拖动系统动力学基础,42,试谈电力拖动系统的动力学基础,第42页,第一章 电力拖动系统动力学基础,43,试谈电力拖动系统的动力学基础,第43页,第一章 电力拖动系统动力学基础,44,试谈电力拖动系统的动力学基础,第44页,第一章 电力拖动系统动力学基础,45,试谈电力拖动系统的动力学基础,第45页,第一章 电力拖动系统动力学基础,46,试谈电力拖动系统的动力学基础,第46页,第一章 电力拖动系统动力学基础,47,试谈电力拖动系统的动力学基础,第47页,第一章 电力拖动系统动力学基础,48,试谈电力拖动系统的动力学基础,第48页,第一章 电力拖动系统动力学基础,49,试谈电力拖动系统的动力学基础,第49页,1.3,生产机械经典负载转矩特征,分析电力拖动系统动力学关系，必须了解静负裁转矩，而静负裁转矩是由生产机械决定。,为了方便分析问题，通常按照生产机械负载转矩与转速关系将生产机械进行分类。,依据统计，大多数生产机械负载转矩特征可归纳为,:,恒转矩负载特征、恒功率负载转矩特征和通风机型负裁特征,三大类。,第一章 电力拖动系统动力学基础,50,试谈电力拖动系统的动力学基础,第50页,1.3.1,恒转短负载特征,所谓恒转短负载特征是指负载转矩,M,L,与转速,n,无关特征，即当转速改变时，负裁转矩,M,L,保持常值。,恒转矩负裁可深入分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负裁两大类。,第一章 电力拖动系统动力学基础,51,试谈电力拖动系统的动力学基础,第51页,1.3.1.1,反抗性值转矩负载,反抗性值转矩负裁特征特点是恒值转矩,M,L,总是与运动方向相反。,对于反抗性恒转矩负裁，当转速,n,为正向时，,M,L,也为正向，当,n,为负方向时，,M,L,也改变方向，变为负值，如图所表示。,反抗性恒转矩负载转矩特征应画在第,I,象限和第,象限内。,压延机构、机床平移机构和电车平道行驶等。,第一章 电力拖动系统动力学基础,52,试谈电力拖动系统的动力学基础,第52页,第一章 电力拖动系统动力学基础,53,试谈电力拖动系统的动力学基础,第53页,1.3.1.2,位能性恒转矩负载,静负裁转矩方向不随转速方向改变而改变负裁称为位能性恒转矩负裁，如起重机提升装置中由重物产生静负载就是位能性负裁。如图所表示,不论提升重物,(n,正,),或是下放重物,n,为负,),，负裁转矩一直是反方向，即,M,L,一直为正，特征画在第,I,象限和第,象限内，表示特征直线是连续。,注意：提升时，转矩,M,L,是反对提升，下放时，,M,L,却是帮助下放。,第一章 电力拖动系统动力学基础,54,试谈电力拖动系统的动力学基础,第54页,第一章 电力拖动系统动力学基础,55,试谈电力拖动系统的动力学基础,第55页,1.3.2,恒功率负载特征,负载功率,P,L,为一常值，负裁转矩,M,L,与转速,n,成反比负裁称为恒功率负载。,如机床在加工工件过程中，初加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速，精加工时，切削量小，往往开高速。所以，在不一样转速下，负裁转矩基本上与转速成反比，即,M,L,K/n,，其切削功率,P,L,为,第一章 电力拖动系统动力学基础,56,试谈电力拖动系统的动力学基础,第56页,第一章 电力拖动系统动力学基础,57,试谈电力拖动系统的动力学基础,第57页,1.3.3,通风机型负载特征,静负载转矩基本上与转速二次方成正比改变负裁称为通风机型负载，这类负裁转短与转速关系可描述为,:,M,L,a+bn,2,式中，,a,表示轴承摩擦转矩,b,是负载转矩中随速度改变部分百分比系数，对于确定生产机械来说,a,和,b,都是常量。通风机型负裁特征如图所表示。,通风机负裁生产机械有：通风机、水泵、油泵等。,第一章 电力拖动系统动力学基础,58,试谈电力拖动系统的动力学基础,第58页,第一章 电力拖动系统动力学基础,59,试谈电力拖动系统的动力学基础,第59页,1.4,传动损耗和传动效率,1.4.1,传动损耗功率和传动损耗转矩,通常，传动机构工作时，因为存在摩擦、钢绳弯曲或皮带弯曲等原因，在传动机构上将损耗掉一部分被传递功率，存在着传动损耗。,在生产机械中，齿轮是应用最为普遍一个传动机构。齿轮工作时，齿轮啮合处等部分存在损耗功率，在每根轴上存在损耗转矩。,第一章 电力拖动系统动力学基础,60,试谈电力拖动系统的动力学基础,第60页,第一章 电力拖动系统动力学基础,61,试谈电力拖动系统的动力学基础,第61页,第一章 电力拖动系统动力学基础,62,试谈电力拖动系统的动力学基础,第62页,1.4.2,传动效率与输出转矩关系,在工程计算中，传动损耗是用传动效率来描述，而传动效率与传动机构结构型式、装配情况、润滑条件以及负载大小相关。一旦传动机构本身条件确定，则传动机构效率便仅取决于负载大小。,第一章 电力拖动系统动力学基础,63,试谈电力拖动系统的动力学基础,第63页,第一章 电力拖动系统动力学基础,64,试谈电力拖动系统的动力学基础,第64页,上式表明了传动效率,与输出转矩,M,L,关系，其描绘效率曲线如图所表示。,N,表示额定效率，是输出转矩为额定,值时效率，由上式得,第一章 电力拖动系统动力学基础,65,试谈电力拖动系统的动力学基础,第65页,第一章 电力拖动系统动力学基础,66,试谈电力拖动系统的动力学基础,第66页,1.4.3,提升装置传动效率确实定方法,提升装置传动机构普通由齿轮和卷简,钢绳组成，传动效率等于齿轮效率与卷简钢绳效率乘积。效率曲线仍符合图所描述规律，只是把横坐标输出转矩相对值换成起重量相对值便可。起重量相对值等于起重量,G,与最大起重量,G,N,之比。,第一章 电力拖动系统动力学基础,67,试谈电力拖动系统的动力学基础,第67页,第一章 电力拖动系统动力学基础,68,试谈电力拖动系统的动力学基础,第68页,第一章 电力拖动系统动力学基础,69,试谈电力拖动系统的动力学基础,第69页,第一章 电力拖动系统动力学基础,70,试谈电力拖动系统的动力学基础,第70页,本章介绍了电力拖动动力学基础。,研究电力拖动系统静态特征和过渡过程所必备基础知识，最基本是牛顿第二运动定律和能量守恒定律。,依据上述定律得出直线运动方程和旋转运动方程，揭示了动负载力,(,转矩,),和力,(,转矩,),动态平衡关系。,在运动方程式中，转矩是有方向量，用转矩前面正负号表示。我们把与转速方向相同转矩称为驱动转矩，把与转速方向相反转矩称为阻转矩。电动机负载一样既能够是消耗功率，也能够是提供功率。,小 结,71,试谈电力拖动系统的动力学基础,第71页,驱动转矩、负载转矩和系统转速三者之间关系，当电动机转矩同静负载转矩相平衡时，运动系统处于稳态,(,静态,),，当电动机转矩与静负载转矩不平衡时，运动系统处于动态，电动机转矩同静负载转矩与动负载转矩代数和相平衡。,实际电力拖动系统多数是较复杂多轴系统，或是现有旋转运动又有直线运动复合运动系统，通常要把这些系统等效成经典单轴拖动系统。将负载转矩和飞轮矩向电动机轴上进行折算。,第一章 电力拖动系统动力学基础,72,试谈电力拖动系统的动力学基础,第72页,在工程计算时，传动损耗是用传动效率来考虑。传动效率定义为传动机构输出功率与输入功串之比。,生产机械种类很多，通常按照生产机械负载转矩与转速关系将生产机械分为恒转短负载、恒功率负载相通风机型负载三大类。,第一章 电力拖动系统动力学基础,73,试谈电力拖动系统的动力学基础,第73页,第一章 电力拖动系统动力学基础,74,试谈电力拖动系统的动力学基础,第74页,第一章 电力拖动系统动力学基础,75,试谈电力拖动系统的动力学基础,第75页,第一章 电力拖动系统动力学基础,76,试谈电力拖动系统的动力学基础,第76页,