运动方程公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

/10/101第七章第七章 电力拖动系统动力学基础电力拖动系统动力学基础 7-1电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式 7-2工作机构转矩、力、飞轮矩和质量折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量折算 7-3考虑传动机构损耗时折算办法考虑传动机构损耗时折算办法 7-4生产机械负载转矩特性生产机械负载转矩特性第第1页页第第1页页/10/102第7章电力拖动系统动力学基础7-1 电力拖动系统运动方程式电力拖动系统运动方程式一、电力拖动系统基本概念一、电力拖动系统基本概念 拖动是指应用各种原动机带动生产机械运动，以完毕一定生产拖动是指应用各种原动机带动生产机械运动，以完毕一定生产任务。电力拖动是用电动机为原动机拖动系统，生产机械为电动机任务。电力拖动是用电动机为原动机拖动系统，生产机械为电动机负载。负载。2、电力拖动系统构成、电力拖动系统构成1、电力拖动系统含义、电力拖动系统含义电力拖动装置可分为电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制电动机、工作机构、控制设备及电源等四个构成部设备及电源等四个构成部分。分。第第2页页第第2页页/10/103第7章电力拖动系统动力学基础二、运动方程式二、运动方程式1、直线运动时运动方程式、直线运动时运动方程式依据牛顿第二定律，物体做直依据牛顿第二定律，物体做直线运动时，作用在物体上拖动力线运动时，作用在物体上拖动力F总是与阻力以及速度改变时产生惯总是与阻力以及速度改变时产生惯性力性力ma所平衡，其运动方程式为：所平衡，其运动方程式为：也可写成也可写成第第3页页第第3页页/10/104第7章电力拖动系统动力学基础2、旋转运动时运动方程式、旋转运动时运动方程式单位为kg m2转动惯量转动惯量式中式中 m旋转部分质量（旋转部分质量（kg）;G 旋转部分重量（旋转部分重量（N）;r r 惯性半径（惯性半径（m）;D 惯性直径（惯性直径（m）。）。第第4页页第第4页页/10/105第7章电力拖动系统动力学基础式中：式中：GD2=4gJ 称为称为飞轮惯量（也称飞轮力矩）飞轮惯量（也称飞轮力矩）（N m2）。）。它是电动机飞轮矩和生产机械飞轮矩之和，为一个整体它是电动机飞轮矩和生产机械飞轮矩之和，为一个整体物理量，反应了转动体惯性大小。电动机和生产机械各旋转物理量，反应了转动体惯性大小。电动机和生产机械各旋转部分飞轮矩可在相应产品目录中查到。部分飞轮矩可在相应产品目录中查到。3、旋转运动方程式含义、旋转运动方程式含义T=TZ时，时，dn/dt=0,电动机静止或等速旋转，系统处于稳态；电动机静止或等速旋转，系统处于稳态；TTZ时，时，dn/dt0,电动机处于加速状态，系统处于暂态；电动机处于加速状态，系统处于暂态；TTZ时，时，dn/dt0,电动机处于减速状态，电动机处于减速状态，系统处于暂态系统处于暂态。第第5页页第第5页页/10/106在电力拖动系统中，伴随生产机械负载类型和工作情况不同，在电力拖动系统中，伴随生产机械负载类型和工作情况不同，电动机运行状态将发生改变，即作用在电动机转轴上电磁转矩电动机运行状态将发生改变，即作用在电动机转轴上电磁转矩（拖动转矩）（拖动转矩）T和负载转矩（阻转矩）和负载转矩（阻转矩）TZ大小和方向都可能发大小和方向都可能发生改变。因此运动方程式中转矩生改变。因此运动方程式中转矩T和和 TZ是带有正、负号代数是带有正、负号代数量。在应用运动方程式时，必须考虑转矩、转速正负号，普通量。在应用运动方程式时，必须考虑转矩、转速正负号，普通要求以下：要求以下：第7章电力拖动系统动力学基础4、旋转运动方程式中符号方向要求、旋转运动方程式中符号方向要求要求某一转动方向为参考（正）方向，要求某一转动方向为参考（正）方向，电磁转矩电磁转矩T：与参考方向一致取正，反之取负；：与参考方向一致取正，反之取负；阻力转矩阻力转矩Tz：与参考方向一致取负，反之取正；：与参考方向一致取负，反之取正；惯性转矩惯性转矩大小及正、负号由和代数和决定。大小及正、负号由和代数和决定。第第6页页第第6页页/10/107电动机为了节约材料，普通转速较高，而生产机械工作速电动机为了节约材料，普通转速较高，而生产机械工作速度低。因此，实际生产机械大多是电动机通过传动装置与工作度低。因此，实际生产机械大多是电动机通过传动装置与工作机构相连。常见传动装置如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆、皮带轮等机构相连。常见传动装置如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆、皮带轮等。第7章电力拖动系统动力学基础7-2工作机构转矩、力、飞轮矩和质量折算工作机构转矩、力、飞轮矩和质量折算一、问题引出一、问题引出JdJZZ由图能够看出，由图能够看出，在电动机和工作在电动机和工作机构之间要通过机构之间要通过多根轴传动，因多根轴传动，因此生产实际中电此生产实际中电力拖动系统较多力拖动系统较多为多轴电力拖动为多轴电力拖动系统。系统。第第7页页第第7页页/10/108对于多轴电力拖动系统，因为在不同轴上含有各自不同转动惯对于多轴电力拖动系统，因为在不同轴上含有各自不同转动惯量和转速，则需要对每根轴分别写出运动方程式，各轴间相互量和转速，则需要对每根轴分别写出运动方程式，各轴间相互关系方程式，并依据传动功率相等标准联络，联立求解。显然关系方程式，并依据传动功率相等标准联络，联立求解。显然这是较复杂，而对电力拖动系统来说，普通不需要详细研究每这是较复杂，而对电力拖动系统来说，普通不需要详细研究每根轴问题，而只把电动机轴作为研究对象即可。根轴问题，而只把电动机轴作为研究对象即可。为简朴起见，采用了折算办法，即将实际多轴拖动系统等为简朴起见，采用了折算办法，即将实际多轴拖动系统等效为单轴拖动系统，如图所表示。效为单轴拖动系统，如图所表示。第7章电力拖动系统动力学基础第第8页页第第8页页/10/109第7章电力拖动系统动力学基础二、工作机构负载转矩折算二、工作机构负载转矩折算折算原则是系统传送功率不变折算原则是系统传送功率不变 式中，式中，j电动机轴与工作机构轴间转速比，即电动机轴与工作机构轴间转速比，即假假如如传传动动机机构构为为多多级级齿齿轮轮或或带带轮轮变变速速，则则总总速速比比应应为各级速比乘积，即为各级速比乘积，即第第9页页第第9页页/10/1010第7章电力拖动系统动力学基础三、工作机构直线作用力折算三、工作机构直线作用力折算依据传送功率不变依据传送功率不变第第10页页第第10页页/10/1011第7章电力拖动系统动力学基础四、传动机构与工作机构飞轮力矩折算四、传动机构与工作机构飞轮力矩折算依据存储动能不变依据存储动能不变第第11页页第第11页页/10/1012第7章电力拖动系统动力学基础五、工作机构直线运动质量折算五、工作机构直线运动质量折算折算原则是转动惯量折算原则是转动惯量JZ中及质量中及质量mZ 中储存动能相中储存动能相等，即等，即第第12页页第第12页页/10/1013例例：刨刨床床传传动动系系统统如如图图所所表表示示。若若电电动动机机M 转转速速为为n=420r/min，其其转转子子（或或电电枢枢）飞飞轮轮惯惯量量GDd2=110.5Nm2，工工作作台台重重G1=12050N，工工件件重重G2=17650N。各各齿齿轮轮齿齿数数及及飞飞轮轮惯惯量量见见表表。齿齿轮轮8节节距距t8=25.13mm。求求刨刨床床拖拖动动系系统在电动机轴上总飞轮惯量。统在电动机轴上总飞轮惯量。齿轮号12345678齿数Z2055306430783066飞轮惯量4.1220.19.8128.418.641.224.563.75第第13页页第第13页页/10/1014第7章电力拖动系统动力学基础7-3考虑传动机构损耗时折算办法考虑传动机构损耗时折算办法一、工作机构转矩一、工作机构转矩TZ 简化折算简化折算电动机工作在发电制动状态电动机工作在发电制动状态使用多级传动时使用多级传动时电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态第第14页页第第14页页/10/1015第7章电力拖动系统动力学基础二、工作机构直线作用力简化折算二、工作机构直线作用力简化折算-电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态电动机工作在电动机工作在发发电电制制动状态动状态在提升与下放时传动损耗相等条件下，下放传动在提升与下放时传动损耗相等条件下，下放传动效率与提升传动效率之间有下列关系效率与提升传动效率之间有下列关系第第15页页第第15页页/10/1016第7章电力拖动系统动力学基础7-4 生产机械负载转矩特性生产机械负载转矩特性定义：定义：在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）在运动方程式中，阻转矩（或称负载转矩）Tz 与转与转速速n 关系关系Tz=f(n)即为生产机械负载转矩特性即为生产机械负载转矩特性。分类分类大大多多数数生生产产机机械械负负载载转转矩矩特特性性可可归归纳纳为为三三种种类类型型：恒恒转矩负载、通风机负载、恒功率负载转矩负载、通风机负载、恒功率负载。第第16页页第第16页页/10/1017第7章电力拖动系统动力学基础一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性所谓恒转矩负载是指生产机械负载转矩大小不随转速所谓恒转矩负载是指生产机械负载转矩大小不随转速n大大小而改变为常数，这种特性称为恒转矩负载特性。依据负载小而改变为常数，这种特性称为恒转矩负载特性。依据负载转矩方向特点又分为对抗性和位能性负载两种。转矩方向特点又分为对抗性和位能性负载两种。1 1、对抗性恒转矩负载、对抗性恒转矩负载负载转矩大小不变，但负载转矩大小不变，但负载转矩方向始终与生产机负载转矩方向始终与生产机械运动方向相反，总是阻碍械运动方向相反，总是阻碍电动机运转，当电动机旋转电动机运转，当电动机旋转方向改变时，负载转矩方向方向改变时，负载转矩方向也随之改变，始终是阻转矩。也随之改变，始终是阻转矩。属于这类特性生产机械有轧属于这类特性生产机械有轧钢机和机床平移机构等。负钢机和机床平移机构等。负载特性如图所表示。载特性如图所表示。第第17页页第第17页页/10/1018第7章电力拖动系统动力学基础2 2、位能性恒转矩负载、位能性恒转矩负载负载转矩由重力作用负载转矩由重力作用产生，无论生产机械运动产生，无论生产机械运动方向改变是否，负载转矩方向改变是否，负载转矩大小和方向始终不变。比大小和方向始终不变。比如起重设备提升重物时，如起重设备提升重物时，负载转矩为阻转矩，其作负载转矩为阻转矩，其作用方向与电动机旋转方向用方向与电动机旋转方向相反，当下放重物时，负相反，当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电动机旋转方作用方向与电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。向相同，促使电动机旋转。负载特性如图所表示。负载特性如图所表示。第第18页页第第18页页/10/1019第7章电力拖动系统动力学基础二、恒功率负载特性二、恒功率负载特性恒功率负载普通属于对抗性负载；其大小是当转速改变时，恒功率负载普通属于对抗性负载；其大小是当转速改变时，负载从电动机吸取功率为恒定值：负载从电动机吸取功率为恒定值：即：即：也就是负载转矩与转速成反也就是负载转矩与转速成反比。比如，一些机床切削加工，比。比如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大（车床粗加工时，切削量大（TZ大），用低速挡；精加工时，大），用低速挡；精加工时，切削量小（切削量小（TZ小），用高速挡。小），用高速挡。恒功率负载特性曲线如图所表恒功率负载特性曲线如图所表示。示。第第19页页第第19页页/10/1020第7章电力拖动系统动力学基础三、通风机负载特性三、通风机负载特性通风机型负载普通也属于对抗性负载；负载转矩大小与转通风机型负载普通也属于对抗性负载；负载转矩大小与转速速n平方成正比，即：平方成正比，即：常见这类负载如风机、水泵、常见这类负载如风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图所油泵等。负载特性曲线如图所表示。表示。第第20页页第第20页页/10/1021第7章电力拖动系统动力学基础四、实际生产机械负载特性四、实际生产机械负载特性实际生产机械负载转矩特性也许是以上几种典型特性综合。实际生产机械负载转矩特性也许是以上几种典型特性综合。实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上尚有一定摩擦转矩，因而实际通风机负载特性应为：尚有一定摩擦转矩，因而实际通风机负载特性应为：第第21页页第第21页页/10/1022第7章电力拖动系统动力学基础机床刀架等机构在平移时，负载性质基本上是恒转矩负载，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，油或风阻力带有一些风机负载特力较大；另外当转速升高时，油或风阻力带有一些风机负载特性，造成转速较高时，负载转矩性，造成转速较高时，负载转矩Tz会略微增大会略微增大：第第22页页第第22页页/10/1023第7章电力拖动系统动力学基础起重机提升重物时，电动机所受到除位能性负载转矩外，起重机提升重物时，电动机所受到除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成对抗性负载转矩，因此电动机轴还要克服系统机械摩擦所造成对抗性负载转矩，因此电动机轴上负载转矩应是上述两个转矩之和，在上升及下降时负载转矩上负载转矩应是上述两个转矩之和，在上升及下降时负载转矩特性如图。特性如图。第第23页页第第23页页