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1、2.4 电力传动系统稳定运行条件重点,第 2 章 电力拖动系统动力学,2.1 电力拖动系统的运动方程式重点 2.2 负载转矩和飞轮矩的折算了解 2.2.1 旋转运动 2.2.2 平移运动 2.2.3 升降运动折算中最难 2.3 电力传动系统的负载特性重点 2.3.1 恒转矩负载特性 2.3.2 通风机与泵类的负载特性 2.3.3 恒功率负载特性,2.1 电力拖动系统的运动方程式,1电力拖动系统运动形式的种类 生产机械种类繁多，运动形式也各不相同 电力拖动系统： 单轴（重点介绍） 多轴（可折算成单轴） 运动形式： 旋转运动 直线运动：平移运动、升降运动,四种典型的电力拖动系统,1）单轴旋转拖动系
2、统,2）多轴旋转拖动系统,3）多轴旋转加平移运动的拖动系统,4）多轴旋转加升降运动的拖动系统,2.单轴电力拖动系统的组成,T电磁转矩，Nm n 电机转速，r/min TL负载转矩，Nm,工作过程： 电动机M通过联轴器与生产机械相连 由电动机M产生输出转矩T 用来克服负载转矩TL 拖动生产机械 并以同一角速度（或转速n）旋转 特点： 拖动系统的负载与电动机轴直接相连 负载的转速与电动机的转速相同，即： nL n（或L ）,3单轴拖动系统运动方程式,1）运动方程的公式 牛顿第二定律 根据运动形式不同而不同： 直线运动：平移运动、升降运动 旋转运动：,图1.1 单轴旋转 拖动系统图,1）运动方程的公
3、式,式中， T 电动机的电磁转矩，Nm TL负载转矩，Nm （TTL）系统的动态转矩或加速转矩，Nm J 旋转系统的转动惯量，Nms2 转子旋转机械角速度，rad/s 转子旋转机械角加速度，rad/s2,2）运动方程的实用公式,转动惯量 J 是物理学中常用的物理量 工程上 常用飞轮矩 GD2 代替转动惯量 J 来表示系统的机械惯性 常用转速 n 代替角速度 来表示系统转动速度 它们之间的关系为：,式中， m 系统转动部分的质量，kg G 系统转动部分的重力，N g 重力加速度，一般取9.8m/s2 系统转动部分的转动惯性半径，m D 系统转动部分的转动惯性直径，m n 电动机转速，r/min或
4、rpm,分别将式(1-2)和(1-3)代入运动方程式(1-1) 即可得到运动方程的实用公式 式中， GD2 系统转动部分的飞轮矩，Nm2,电力拖动系统的运动方程式 注意： GD2可由产品样本或机械手册上查出 系数 375 = 4g602 是个有单位的系数，单位为m/mins D为系统转动部分的转动惯性直径,3）系统旋转运动的三种状态,系统运动,运动状态,1,2,3,加速,动态,减速,动态,恒转速,或静止,稳态,因此，（TTL）被称为系统的动态转矩或加速转矩,4）运动方程式中各量参考方向（即规定的正方向）,首先规定转速n的正方向 电动机处于电动状态时的旋转方向 然后确定各转矩的正、负号 电磁转矩
5、T： 与转速n的正方向相同时为正，相反时为负 负载转矩TL： 与转速n的正方向相反时为正，相同时为负 惯性转矩(TTL)：由T和TL的代数和决定,n,T,TL,图1.1 单轴旋转 拖动系统图,方向 ？,讨论： 起重机作升降运动时，电磁转矩T、负载转矩TL的正、负号？,首先规定n的正方向 然后确定各转矩的正、负号 提升重物时 nL 0 T与n的正方向相同 TL与n的正方向相反 下放重物时 nL 0 T与n的正方向相同 TL与n的正方向相反,nL,T,TL,T,TL,n,0,nL,T,TL,提升,TL：重物对卷筒轴的负载转矩,TL方向：固定不变,下放,n的正方向,方向,方向,1.多轴电力拖动系统,
6、2.2负载转矩和飞轮矩的折算,分析多轴系统采用的方法是：用一个等效的单轴系统代替原来实际的多轴系统。这种方法称为“折算”。 折算原则：折算前后系统传递功率不变，系统的动能不变。 折算方向：一般是从生产机械轴向电动机轴折算。原因是研究对象是电动机，且电动机轴一般是高速，根据传送功率不变的原则，高速轴上的负载转矩数值小。,2.多轴系统折算,1、工作机构为转动的情况 图2.2 负载转矩的折算 飞轮矩的折算 2、工作机构为平移的情况 图2.3 负载转矩的折算 飞轮矩的折算 3、工作机构为提升或下放重物的情况 图2.4 负载转矩的折算 飞轮矩的折算 例题21、 例题22,2.3 负载转矩特性,定义： 生
7、产机械的负载转矩和转速之间的关系 即：nL = f (TL) 称为负载转矩特性 又称负载特性，或负载的机械特性 典型的负载转矩特性有： 恒转矩负载特性 通风机与泵类的负载特性 恒功率负载特性,n = f (T),2.3.1 恒转矩负载特性,特点：顾名思义 负载转矩 TL 恒定不变 与负载转速 nL 无关 即TL = 常数恒转矩 分为两种： 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,1.反抗性恒转矩负载特性,特点：顾名思义 恒转矩 负载转矩TL绝对值大小恒定不变 与负载转速nL大小无关 即TL的绝对值 = 常数 反抗性 TL作用方向总与运动方向相反 总是反抗运动或阻碍运动制动性转矩 因此又称为摩擦性转
8、矩,规定： 拖动转矩帮助运动或促进运动 制动转矩阻碍运动或反抗运动 T ， TL ： 与运动方向相同时，帮助运动，为拖动转矩 与运动方向相反时，阻碍运动，为制动转矩 转矩的符号（前面讲过） T： 与n的正方向相同时为正，相反时为负 TL：与n的正方向相反时为正，相同时为负,T,TL,n,0,nL 0,nL 0,T,TL,特点,相同,相反,相反,相同,n的正方向,nL0,nL0,TL大小恒定不变,总与运动方向相反,负载 特性 曲线,位于第象限,位于第象限,TL阻碍运动 是制动性转矩,TL阻碍运动 是制动性转矩,TL,v,F = G,v,F = G,图1.5 反抗性恒转矩 负载特性曲线,反抗性恒转
9、矩负载特性曲线,反抗性恒转矩负载应用场合：,由摩擦力产生转矩的机械 皮带运输机 可逆轧钢机 机床刀架的平移运动 行走机构 地铁列车,2位能性恒转矩负载,特点：顾名思义 恒转矩 负载转矩TL的绝对值大小恒定不变 与转速nL大小无关 即TL = 常数 位能性 负载转矩TL作用方向固定不变 与转速nL的方向无关 即在某一方向阻碍运动，而在另一方向促进运动,起重机的提升机构 不论是在提升重物还是下放重物 重力产生的负载转矩方向固定不变 当提升重物时，TL与nL的方向相反 当下放重物时，TL和nL的方向相同,nL,T,TL,提升,T,TL,nL,下放,位能性恒转矩负载,nL,T,TL,T,TL,n,0,
10、nL,T,TL,提升,TL：重物对卷筒轴的负载转矩，方向固定不变。,下放,nL 0,nL 0,T,TL,T,特点,相同,相反,相同,相反,n的正方向,相反,相同,nL0,nL0,TL大小恒定不变,TL方向固定不变,T,T,负载 特性 曲线,位于第象限,位于第象限,TL阻碍运动 是制动性转矩,TL帮助运动 是拖动性转矩,T：摩擦性转矩，总与运动方向相反,位能性恒转矩负载应用场合：,电梯 提升机 起重机 卷扬机,思考： 反抗性恒转矩负载，与位能性恒转矩负载的区别,v,F = G,v,F = G,nL,T,TL,T,TL,nL,T,T,2.3.2 通风机与泵类负载特性,特点：负载转矩与转速平方成正比
11、，即有： 例如水泵，油泵等，如图所示，虚线是在考虑了轴承上的摩擦转矩后得出的实际鼓风机负载转矩。,图2.7 通风机、泵类 负载特性曲线,通风机与泵类负载应用场合：,通风机： 鼓风机或吹风机例如，燃煤锅炉入口 引风机或抽风机例如，燃煤锅炉出口 泵类： 水泵 油泵,2.3.3 恒功率负载特性,特点： 负载转矩与转速成反比，即 其中，k为比例系数，常数 此时负载功率为,从上式可以看出： 当转速变化时，负载功率保持不变 故称之为恒功率负载特性顾名思义,恒功率负载应用场合：,机床的切削加工 粗加工时，需要较大吃刀量和较低速度 精加工时，需要较小吃刀量和较高速度 轧钢机轧制钢板 工件小，需要高速度小转矩
12、工件大，需要低速度大转矩 从生产加工工艺要求的总体看 负载的转速与转矩之积为常数恒功率负载特性,电力拖动系统的负载特性,摩擦恒转矩 生产流水线 起重行走,位能恒转矩 电梯 起重机提升,恒功率 （速度越低， 负载转矩越大） 机床 开卷机/收卷机,变转矩 （速度越低，负载 转矩越小） 风机水泵,说 明：,以上所述各种负载都是从实际负载中概括出来的典型负载形式 实际的负载可能是以某种典型为主，或某几种典型的结合 例如 通风机：主要是泵类负载特性，但是轴承摩擦又是反抗性恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已 起重机：在提升或下放重物时，主要是位能性恒转矩负载 分析拖动系统时，负载转矩特性都作为已知
13、量对待,电力拖动系统稳定运行必要条件： T=TL ，即工作机构转矩特性 TLn(恒转矩负载、泵类负载、恒转矩负载)与电动机机械特性Tn 之间有交点。 电力拖动系统稳定运行充分条件：若系统有扰动，系统建立新的稳定工作点，干扰消失，重新回到原来的工作点，则系统稳定；否则系统不稳定。,2.4 电力拖动系统稳定运行条件,“扰动”含义： 一般是指电网电压的波动或负载的微小变化,如1：,0,T,Tem,n,A,B,B,1,1,如2：,电力拖动系统稳定运行的 充分必要条件,结论： 对于拖动系统 其工作点（平衡状态）稳定运行的 充分必要条件是： T = TL，且,系统带恒转矩负载时 稳定运行的充要条件,特例： 对于恒转矩负载，因为dTL/dn = 0 所以恒转矩负载平衡状态 稳定的充要条件是： 在T = TL处，电动机机械特性的硬度 即机械特性曲线应稍微向下倾斜,谢谢观看，再见!,