电力拖动系统的动力学基础.ppt
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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式电机学及拖动基础电机学及拖动基础重庆大学自动化学院重庆大学自动化学院2第八章第八章 电力拖动系统电力拖动系统的动力学基础的动力学基础3第一节第一节 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 第二节第二节 工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量折算工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量折算第三节第三节 考虑传动机构损耗时的折算方法考虑传动机构损耗时的折算方法第四节第四节 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 主要内容主要内容4本章要求本章要求掌握掌握电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成根据运动方程式,根据运动方程式,熟练分析熟练分析电动机的运动
2、状态电动机的运动状态掌握掌握运动转矩的正负号分析运动转矩的正负号分析理解理解各种旋转体转动惯量的计算方法各种旋转体转动惯量的计算方法掌握掌握工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算方法工作机构转矩、力、飞轮惯量和质量的折算方法掌握掌握考虑传动机构损耗时的简化折算方法考虑传动机构损耗时的简化折算方法熟练掌握熟练掌握生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性5本章要求本章要求作业:上册作业:上册P165 5-10P165 5-10,5-135-13,5-155-156本章要求本章要求电动机的功能:将电能转换为机械能电动机的功能:将电能转换为机械能电动机的作用:用机械能带动负载运动电动机的作用:用机
3、械能带动负载运动电力拖动:用电动机拖动负载。电力拖动:用电动机拖动负载。问题:电动机如何与负载相连接?问题:电动机如何与负载相连接?7本章要求本章要求8本章要求本章要求9本章要求本章要求10本章要求本章要求11第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 问题:电动机如何带动负载呢?问题:电动机如何带动负载呢?负载的运动要求:起动、停止、变速。负载的运动要求:起动、停止、变速。电力拖动系统的功能:根据负载的运动要求,调节电机的电力拖动系统的功能:根据负载的运动要求,调节电机的运行状态。运行状态。电力拖动系统:研究电机的起动、停止、调速电力拖动系统:研究电机的起动、停止、调速(
4、空载和负空载和负载载)。问题:电动机为什么能够实现运动状态的变化呢?问题:电动机为什么能够实现运动状态的变化呢?电力拖动系统的基本原理:运动平衡方程式电力拖动系统的基本原理:运动平衡方程式12第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 拖动拖动应用各种原动机使生产机械产生运动,以完成应用各种原动机使生产机械产生运动,以完成一定的生产任务。一定的生产任务。电力拖动电力拖动以电动机为原动机,按照以电动机为原动机,按照生产任务生产任务的要求来的要求来拖动生产机械。拖动生产机械。电力拖动装置的组成电力拖动装置的组成电动机、工作机构、控制设备电动机、工作机构、控制设备及电源等及电源等
5、 注:注:在许多情况下,电动机与工作机构之间有在许多情况下,电动机与工作机构之间有传动机构传动机构,它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构生产机械的工作机构 13第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 拖动系统拖动系统主要完成对转速的控制(起动、停主要完成对转速的控制(起动、停止、调速)。止、调速)。问题:问题:转速的变化受哪些因素的影响呢?转速的变化受哪些因素的影响呢?问题的含义:问题的含义:为什么转速会变化,转速如何变化为什么转速会变化,转速如何变化?问题:问题:什么时候需要转速的变化?
6、什么时候需要转速的变化?14第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 分析思路分析思路转速的变化受合成转矩的影响,合转速的变化受合成转矩的影响,合成转矩的状态决定了转速的变化趋势;成转矩的状态决定了转速的变化趋势;分析思路:分析思路:建立运动平衡方程式。建立运动平衡方程式。第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式一、单轴系统运动方程式一、单轴系统运动方程式 单轴系统:电机轴直接与生产机械相连。单轴系统:电机轴直接与生产机械相连。特征:电机转速与负载转速相同。特征:电机转速与负载转速相同。所有变量均在一个轴上。所有变量均在一个轴上。1516单轴系统运动
7、方程式单轴系统运动方程式n对于直线运动对于直线运动 n对于旋转运动对于旋转运动 F拖动力(拖动力(N)Fz阻力(阻力(N)m(dv/dt)惯性力(惯性力(N)T拖转矩(拖转矩(Nm)Tz阻转矩(阻转矩(Nm)J转动惯量(转动惯量(kgm2)J(d/dt)惯性转矩惯性转矩(Nm)第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 习惯习惯工程实用式工程实用式J-GD2(飞轮矩)(飞轮矩)-n1718 m与与G旋转部分的质量旋转部分的质量(kg)与重量()与重量(N)与与D惯性半径与直径(惯性半径与直径(m)g重力加速度,重力加速度,2 n转动惯量转动惯量 GD2飞轮惯量(飞轮惯量(N
8、m2),),GD2=4gJ T=Tz,dn/dt=0:静止或等速旋转,处于稳定运转状态。:静止或等速旋转,处于稳定运转状态。TTz,dn/dt0 0:加速状态,处于过渡过程中。:加速状态,处于过渡过程中。TTz,dn/dt0 0:减速状态,处于:减速状态,处于过渡过程中。过渡过程中。电动机的三种运动状态电动机的三种运动状态第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 19电动机轴上的拖动转矩电动机轴上的拖动转矩T和阻转矩和阻转矩Tz与电动机类型、运转与电动机类型、运转状态、生产机械负载类型有关,运动方程式的一般形式为:状态、生产机械负载类型有关,运动方程式的一般形式为:转矩正
9、负号规定转矩正负号规定以某个转动方向为正方向,则转矩以某个转动方向为正方向,则转矩T 正向取正,反向取负;阻转矩正向取正,反向取负;阻转矩Tz 正向取负,反向取正。正向取负,反向取正。加速转矩的大小及正负加速转矩的大小及正负由转矩由转矩T及阻转矩及阻转矩Tz的代数和来决的代数和来决定。定。二、运动方程式中转矩的正负符号分析二、运动方程式中转矩的正负符号分析第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 20两种情况:两种情况:旋转轴通过该物体的重心旋转轴通过该物体的重心mi该物体某个组成部分的质量该物体某个组成部分的质量rimi的重心到旋转轴的距离的重心到旋转轴的距离对质量连续
10、分布的物体用定积分计算对质量连续分布的物体用定积分计算:三、各种形状旋转体转动惯量的计算三、各种形状旋转体转动惯量的计算第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 21旋转轴为不通过该物体的重心的任意轴旋转轴为不通过该物体的重心的任意轴 该旋转物体的转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意转该旋转物体的转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意转轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身重心且轴旋转的转动惯量与它围绕穿过自身重心且平行于该任意平行于该任意轴线轴线旋转的转动惯量之和。旋转的转动惯量之和。第一节第一节 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 22单轴运动方程式:单轴运动方
11、程式:所有的变量均是一个轴上的物所有的变量均是一个轴上的物理量。理量。问题:问题:当电机是通过传动机构拖动负载时,如何当电机是通过传动机构拖动负载时,如何分析其运动状态?分析其运动状态?问题的含义:问题的含义:电机的转速与负载的转速不是同一电机的转速与负载的转速不是同一轴的转速;电机的转矩与负载的转矩也不是一个轴的转速;电机的转矩与负载的转矩也不是一个轴上的变量,如何建立运动平衡方程式。轴上的变量,如何建立运动平衡方程式。小结小结23四、多轴系统的运动方程式四、多轴系统的运动方程式 多轴系统:电机输出轴与生产负载轴通过多轴系统:电机输出轴与生产负载轴通过中间传动轴才连接起来中间传动轴才连接起来
12、 特征:电机转速与负载转速不同。特征:电机转速与负载转速不同。问题:为什么需要多轴系统。问题:为什么需要多轴系统。分析分析大部分拖动系统均为多轴系统大部分拖动系统均为多轴系统一般电机转速均较高一般电机转速均较高一般生产机械要求的转速较低一般生产机械要求的转速较低24分析分析在相同的功率下,转速越高在相同的功率下,转速越高-输出的转矩输出的转矩越小越小-所需的电枢电流越小所需的电枢电流越小-电枢绕组电枢绕组的截面积越小的截面积越小-电机成本越低,而且电机电机成本越低,而且电机的体积越小。的体积越小。所以电机的额定转速一般较高。所以电机的额定转速一般较高。而负载所需的转速一般较低。而负载所需的转速
13、一般较低。2526分析思路:分析思路:既然变量不是一个轴上,那么可以分既然变量不是一个轴上,那么可以分别建立不同轴上的运动方程式;不同轴是通过传别建立不同轴上的运动方程式;不同轴是通过传动机构实现的,传动机构必然有各轴之间的关系,动机构实现的,传动机构必然有各轴之间的关系,因此可以求解方程式。因此可以求解方程式。分析分析27问题:问题:相邻两轴之间有何关系?相邻两轴之间有何关系?传递的功率不变。传递的功率不变。分析思路:分析思路:当轴的数量增加时,那么方程式的数当轴的数量增加时,那么方程式的数量也会增加,是否可以简化方程式。量也会增加,是否可以简化方程式。分析思路:分析思路:将多轴运动方程式转
14、化为单轴运动方将多轴运动方程式转化为单轴运动方程式。程式。分析分析28分析思路:分析思路:将多轴运动方程式转化为单轴运动方将多轴运动方程式转化为单轴运动方程式。程式。分析思路:分析思路:不同轴的转矩之间有何关系?不同轴的转矩之间有何关系?不同轴的转速之间有何关系?不同轴的转速之间有何关系?不同轴之间的转动惯量有何关系?不同轴之间的转动惯量有何关系?分析思路:分析思路:研究研究等效等效关系。关系。转矩为什么能够等效?什么量是不变转矩为什么能够等效?什么量是不变?转动惯量如何实现等效?转动惯量如何实现等效?分析分析分析分析29电动机轴电动机轴如何分析多轴运动系统的运动状态?如何分析多轴运动系统的运
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