1、电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础1电力拖动基础电力拖动基础电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础2 电力拖动基础电力拖动基础是电气工程专业的一门专业课。本课程主要研究是电气工程专业的一门专业课。本课程主要研究交、直流电动机的各种运行状态、特性，详细论述电动机拖动系统的稳交、直流电动机的各种运行状态、特性，详细论述电动机拖动系统的稳态和动态分析、各种调速方法以及工程计算。态和动态分析、各种调速方法以及工程计算。 本课程注重概念的理解，公式虽然较复杂，但要在理解的基础上去本课程注重概念的理解，公式虽然较复杂，但要在理解的基础上去记忆。本课程的主要内容如下：记忆。本
2、课程的主要内容如下： 第一章：电力拖动系统的动力学基础第一章：电力拖动系统的动力学基础 第二章：直流电动机拖动系统第二章：直流电动机拖动系统 第三章：三相异步电动机的机械特性、起动和制动第三章：三相异步电动机的机械特性、起动和制动 第四章：交流异步电动机拖动系统的调速第四章：交流异步电动机拖动系统的调速 第五章：多电动机拖动系统第五章：多电动机拖动系统 第六章：电动机的选择第六章：电动机的选择电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础3电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础4 1、王毓东编、王毓东编电机学电机学上、下上、下 浙江大学浙江大学出版出版 2、顾绳谷编、顾绳谷
3、编电机及拖动基础电机及拖动基础机械工机械工业出版社业出版社 3、黄立培编、黄立培编电动机控制电动机控制 清华大学出清华大学出版社版社电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础5电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础6电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础7电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础8电力拖动发展的历史、现状与发展趋势电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础9电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础10电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础11电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础
4、1211.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成11.2 典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式11.3 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程11.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算11.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算11.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成1.2 典型生产机械的运动形式典型生产机械的运动形式1.3 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程1.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算1.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算1.7 生产机械的典型负
5、载转矩特性生产机械的典型负载转矩特性1.8 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础131.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成 拖动：原动机带动生产机械运动。拖动：原动机带动生产机械运动。 电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。电力拖动：用电动机作为原动机的拖动方式。1. 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成电动机电动机传动机构传动机构工作机构工作机构控制设备控制设备电源电源2. 电力拖动系统的优点电力拖动系统的优点(1) 电能易于生产、传输、分配。电能易于生产、传输、分配。(2) 电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满
6、电动机类型多、规格全，具有各种特性，能满 足各种生产机械的不同要求。足各种生产机械的不同要求。电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础14(3) 电动机损耗小、效率高、具有较大的短时电动机损耗小、效率高、具有较大的短时 过载能力。过载能力。(4) 电力拖动系统容易控制、操作简单、电力拖动系统容易控制、操作简单、 便于实现自动化。便于实现自动化。3. 应用举例应用举例 精密机床、重型铣床、精密机床、重型铣床、 初轧机、初轧机、 高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础151.2 典型生产机械的运动形式典型
7、生产机械的运动形式一、单轴旋转系统一、单轴旋转系统 电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件电动机、传动机构、工作机构等所有运动部件 均以同一转速旋转。均以同一转速旋转。二、多轴旋转系统二、多轴旋转系统 电动机电动机工作机构工作机构电动机电动机工作机构工作机构电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础16三、多轴旋转运动加平移运动系统三、多轴旋转运动加平移运动系统 四、多轴旋转运动加升降运动系统四、多轴旋转运动加升降运动系统 电动机电动机 工作机构工作机构 电动机电动机 G电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础171.3 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式
8、一、单轴电力拖动系统的运动方程一、单轴电力拖动系统的运动方程 T2TL= Jd d t J 转动惯量（转动惯量（kgm2） 旋转角加速度（旋转角加速度（rad/s2） 惯性转矩（惯性转矩（Nm） T2 = TT0 电动状态时，电动状态时，T0 与与 T 方向相反，方向相反，T20，T00。 制动状态下放重物时，制动状态下放重物时，T0 与与 T 方向相同，方向相同，T20，T00。 d d tJd d t 电动状态电动状态 T2T0 制动状态下放重物制动状态下放重物 T2T0 正方向正方向 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础18TTL= Jd d t忽略忽略 T0 ，则，则
9、飞轮矩飞轮矩(Nm2)因为因为 J = m 2 Gg=D2（）2GD24g=旋转部分的旋转部分的质量（质量（kg）回转半径回转半径 (m)2 n60T2TL = GD2 d 4g d t 回转直径回转直径 (m) 对于均匀实心圆柱体，对于均匀实心圆柱体， 与几何半径与几何半径 R 的关系为的关系为 R 2 = = GD2 dn375 d tGD2 dn375 d tT2TL = 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础19GD2 dn375 d tTTL = 忽略忽略 T0 ，有，有 当当 T2TL 时，时， n dnd t0 加速的瞬态过程。加速的瞬态过程。 当当 T2 = TL
10、 时，时， dnd t = 0 稳定运行。稳定运行。 当当 T2TL 时，时， n dnd t0 减速的瞬态过程。减速的瞬态过程。 n = 0n = 常数常数电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础20负载吸收负载吸收的功率的功率1. T2 0 ， 电动机输出机械功率电动机输出机械功率2. T2 0 ， 电动机输入机械功率电动机输入机械功率二、单轴电力拖动系统的功率平衡方程二、单轴电力拖动系统的功率平衡方程 T2 TL = J d d t（ ） =dd tJ 212电动机输电动机输出的功率出的功率系统动能系统动能P2PL = J d d t即即 T2 与与 方向相同。方向相同。 电
11、动状态。电动状态。 即即 T2 与与 方向相反。方向相反。 制动状态。制动状态。 电动状态电动状态1 T2TL 制动状态制动状态1 T2TL电动状态电动状态2T2TL制动状态制动状态2T2TL电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础213. TL 0， 负载从电动机吸收机械功率。负载从电动机吸收机械功率。4. TL 0， 负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。负载释放机械功率给电动机（拖动系统）。 5. P2PL，6. P2PL， 和和 n 不能突变，不能突变， 即系统不可能具有无穷大的功率。即系统不可能具有无穷大的功率。 即即 TL 与与 方向相反。方向相反。 即即 TL与与 方
12、向相同。方向相同。 ，加速状态，加速状态， ，减速状态，减速状态，否则否则 J d d t 电动状态电动状态1 T2TL 制动状态制动状态1 T2TL电动状态电动状态2T2TL制动状态制动状态2T2TL系统动能增加。系统动能增加。系统动能减少。系统动能减少。电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础221.4 多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算z1 z4 z5 z2 z3 z6 效效等等一、等效负载转矩一、等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。等效（折算）原则：机械功率不变。 TL =Tm tm L= Tmj t电动机电动机工作机构工作机构nTLn1n2nmTm电动机电动机
13、等效负载等效负载nTLTL t = Tmm 传动机构传动机构的效率的效率传动机构传动机构的转速比的转速比电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础23 传动机构的总转速比传动机构的总转速比 j = j1 j2 jmmj = nnm= 1 j1 = nn1= 1 2 j2 = n1n2= 2 m jm = n2nm= 常见传动机构的转速常见传动机构的转速 比的计算公式：比的计算公式：(1) 齿轮传动齿轮传动n1n2j =z2z1=(2) 皮带轮传动皮带轮传动 n1n2j =D2D1=(3) 蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动 n1n2j =z2z1=齿轮的齿数齿轮的齿数 皮带轮的直径皮带轮的直径
14、 蜗轮的齿数蜗轮的齿数 蜗杆的头数蜗杆的头数 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础24二、等效转动惯量（飞轮矩）二、等效转动惯量（飞轮矩） 等效（折算）原则：动能不变。等效（折算）原则：动能不变。设各部分的转动惯量为：设各部分的转动惯量为：12J2 = 12JR 2 12J1 1212Jmm2 nTLn1n2z1 z4 z5 z2 z3 z6 电动机电动机工作机构工作机构nmTmJRJ1J2Jm12J2 22 J = JRJ1 J2 Jm n1nnmn2 2 2 n2nJ = JRJ1 J2 Jm 1m2 2 2 2电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础25如果在
15、电动机和工作机构之间总共还有如果在电动机和工作机构之间总共还有 n 根中间轴，根中间轴， 则则: j = j1 j2 jn jm或或: :GD2 = 4gJ J2 j1 j2 J = JR J1j12 22Jm j1 j2 jm2 2 2 J2 j1 j2 = JR J1j12 22Jm j 2 J = JRJ1 J2 Jn Jm n1nnnn2 2 2 2 n2nnmnJ2 ( j1 j2)J = JR J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 Jm j 2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础26 【例例 1.1】 某车床电力拖动系统，传动机构为齿轮某车床电力拖动系统，
16、传动机构为齿轮组（如图示），经两级减速后拖动车床的主轴，已知组（如图示），经两级减速后拖动车床的主轴，已知 n = 1 440 r/min ，切削力，切削力 F = 2 000 N，工件直径，工件直径 d = 150 mm，各齿轮的齿数为各齿轮的齿数为 z1 = 15，z2 = 30，z3 = 30，z4 = 45，各部分的转动惯量，各部分的转动惯量 JR = 0.076 5 kgm2，J1 = 0.051 kgm2，Jm = 0.063 7 kgm2 。传动机构的传动效率。传动机构的传动效率 t = 0.9。求：。求：(1) 切削功率切削功率 Pm 和切削转矩和切削转矩 Tm ； (2) 折
17、算成单折算成单轴系统后的等效轴系统后的等效 TL、JL 和和 GD2 。 解：解：(1) 切削功率切削功率 Pm 和切削转矩和切削转矩 Tmn JR n1J1z1 z4 z2 z3 电动机电动机车床车床nm Jm z2z1j2 = = = 2 3015z4z3jm = = = 1.5 4530j = j1 jm = 21.5 = 3 njnm = = r/min = 480 r/min 1 4403电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础27 d nm60Pm = F 3.140.1548060 = 2 000 W = 7.536 kW TN = 2 60Pmnm = Nm = 1
18、50 Nm 60 23.14 7 536 480(2) 折算成单轴系统后的等效折算成单轴系统后的等效 TL、JL 和和 GD2 TL = Tmj t = Nm = 55.56 Nm 150 30.9 J = JR J1j12Jm j 2 = 0.076 5 kgm2 = 0.096 3 kgm2 0.051220.063 7 32( ) GD2 = 4gJ = 49.810.096 3 Nm2 = 3.78 Nm2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础28 目的目的 将平移作用力将平移作用力 Fm 折算为等效转矩折算为等效转矩 TL 。 将平移运动的质量将平移运动的质量 m 折
19、算为等效折算为等效 J 或或 GD2 。 一、等效负载转矩一、等效负载转矩 等效（折算）原则：机械功率不变。等效（折算）原则：机械功率不变。 TL t = Fmvm1.5 平移运动系统的折算平移运动系统的折算vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 电动机输出电动机输出 的机械功率的机械功率 切削功率切削功率 TL = Fmvm t= Fmvm t n602 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础29二、等效转动惯量（飞轮矩）二、等效转动惯量（飞轮矩） 等效（折算）原则：动能不变。等效（折算）原则：动能不变。1. 平移运动
20、折算成旋转运动平移运动折算成旋转运动vmFm 作用力作用力 平移速度平移速度 432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 12Jm2 = 12m vm 2 Jm =m vm 22 Gmg vm n2Jm = 602 2 2 = 9.3 Gm vm n22 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础302. 等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩等效单轴系统的转动惯量和飞轮矩12J2 = 12JR 2 12J1 1212J2 22 12m vm 2 12J2 = JR 2 J1 12 J2 22 Jm2 12121212J = JRJ1 J2 Jm 12 2 2J = JRJ1
21、J2 Jm n1n2 2 n2n 一般公式：一般公式： J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础31 【例例 1.2】 有一大型车床，传动有一大型车床，传动机构如图示。已知：机构如图示。已知：刀架重：刀架重： Gm = 1 500 N 移动速度：移动速度：vm= 0.3 m/s刀架与导轨之间的摩擦系数：刀架与导轨之间的摩擦系数： = 0.1电动机：电动机： n = 500 r/min， JM = 2.55 kgm2齿轮齿轮1：z1 = 20，Jz1 = 0.102 kgm2齿轮齿轮2：z2 =
22、50，Jz2 = 0.51 kgm2齿轮齿轮3：z3 = 30，Jz3 = 0.255 kgm2齿轮齿轮4：z4 = 60，Jz4 = 0.765 kgm2传动机构：传动机构： t = 0.8求求: 电动机轴上的等效电动机轴上的等效 TL 和和 J 。 解解: (1) 等效等效TL 平移作用力平移作用力 Fm = Gm = 0.11 500 N = 150 NvmFm432n1工件工件 (m) 刨刀刨刀 齿条齿条 齿轮齿轮 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础32TL= Fmvm t n602 = Nm = 1.075 Nm 60 6.28 1500.3 0.8500 (2)
23、等效转动惯量等效转动惯量J z2 z1 j1 = 50 20 = = 2.5 z4 z3 j2 = 60 30 = = 2 JR = JMJz1 J1 = Jz2Jz3 J2 = Jz4 = (2.550.102) kgm2 = 2.652 kgm2 = (0.510.255) kgm2 = 0.765 kgm2 = 0.765 kgm2 Jm = 9.3 Gm vm n22 = 9.3 kgm2 1 5000.32 5002 = 0.005 02 kgm2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础33J2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 20.765 (2.52)
24、2 = 2.652 0.005 02 kgm2 0.7652.52= 2.652 kgm2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础34 电动机输出电动机输出 的机械功率的机械功率PL 工作机构的工作机构的 机械功率机械功率Pm 1.6 升降运动系统的折算升降运动系统的折算 目的目的 将将 Gm 折算为等效折算为等效 TL。 将将 m 折算为等效折算为等效 J。 一、等效负载转矩（升降力的折算）一、等效负载转矩（升降力的折算） TL t = GmvmGm电动机电动机 vmz2 z1z4 z3 提升重物时，提升重物时，Gm 是阻力，电动机工作在电动是阻力，电动机工作在电动 状态，状态
25、，PLPm ；下放重物时，；下放重物时，Gm 是动力，是动力， 电动机工作在制动状态，电动机工作在制动状态，PLPm 。TL = Gmvm t= Gmvm t n602 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础35 传动效率：传动效率： t = 100% Pm PL则提升时则提升时 t1 ，下放时，下放时 t1。二、等效转动惯量（升降质量的折算）二、等效转动惯量（升降质量的折算） 1. 升降运动折算成旋转运动升降运动折算成旋转运动12Jm2 = 12m vm 2 Jm =m vm 22 = 9.3 Gm vm n22 2. 等效单轴系统的转动惯量等效单轴系统的转动惯量J2 ( j1
26、 j2)J = JR Jm J1j12 2Jn( j1 j2 jn )2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础36 a b c d e f g h 电动机电动机 蜗杆蜗杆 蜗轮蜗轮 齿轮齿轮 齿轮齿轮 卷筒卷筒 导轮导轮 重物重物 双头双头 20 10 40 0.15 0.025 0.40 0.075 8 1.25 1.25 10 000 0.1 0.1 【例例 1.3】 某起重机的电力拖动系统如图示。各运某起重机的电力拖动系统如图示。各运动部件的的有关数据如下：动部件的的有关数据如下： 编号编号 名称名称齿数齿数转动惯量转动惯量J/kgm2 重力重力G/N直径直径 d/m传动
27、效率传动效率 t = 0.8，提，提升速度升速度 vm = 9.42 m/s。试求电动机的转速试求电动机的转速 na以及折算到电动机轴以及折算到电动机轴上的等效上的等效 TL 和和 J。dnabafgcehvm电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础37 解解: (1) 电动机的转速电动机的转速 na 卷筒和导轮的转速卷筒和导轮的转速 nf = ng = vm dg = r/min = 30 r/min 9.42 3.140.1 转速比转速比 zc zb j1 = 20 2 = = 10 ze zd j2 = 40 10 = = 4 转速转速 na na = nb = j1 j2
28、nf = 10430 r/min = 1 200 r/mindnabafgcehvm电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础38dnabafgcehvm(2) 求等效负载转矩求等效负载转矩 TL TL= Gmvm t n602 = Nm = 937 Nm 60 6.28 10 0009.42 0.81 200 (3) 求等效转动惯量求等效转动惯量 J JR = JaJb J1 = JcJd J2 = JeJfJg = (81.251.25) kgm2 = 10.5 kgm2 = (0.150.025) kgm2 = 0.175 kgm2 = (0.40.075) kgm2 = 0.
29、475 kgm2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础39 Jm = 9.3 Gm vm n22 = 9.3 kgm2 10 0009.422 1 2002 = 5.73 kgm2 dnabafgcehvmJ2 ( j1 j2)J = JR Jm J1j12 210.5 (104)2 = 0.175 5.73 kgm2 0.475 102= 5.916 kgm2 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础40传传 动动 机机 构构 更多的图片更多的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础41W 系列螺旋平面减速电机系列螺旋平面减速电机 更多的图片更多
30、的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础42S 系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速电机系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速电机 更多的图片更多的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础43R 系列斜齿轮减速电机系列斜齿轮减速电机 更多的图片更多的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础44K 系列斜齿轮伞齿轮减速电机系列斜齿轮伞齿轮减速电机 更多的图片更多的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础45F 系列平行轴斜齿轮减速机系列平行轴斜齿轮减速机 更多的图片更多的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础46蜗蜗 轮轮 蜗蜗 杆
31、杆 更多的图片更多的图片 电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础47负载的转矩（机械）特性指：负载的转矩（机械）特性指：n=f(TL)关系。关系。典型的负载转矩特性有：恒转矩特性、恒功率特性和通风典型的负载转矩特性有：恒转矩特性、恒功率特性和通风机型特性三种。机型特性三种。一、恒转矩负载机械特性一、恒转矩负载机械特性1、反抗性恒转矩负载、反抗性恒转矩负载负载转矩由摩擦力产生，其特点：负载转矩由摩擦力产生，其特点：大小恒定（与大小恒定（与n无关）；无关）；作用方向与运动方向相反。作用方向与运动方向相反。1.7 生产机械的典型负载转矩特性生产机械的典型负载转矩特性电力拖动基础电力拖动
32、基础2022-6-2电力拖动基础48电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础49电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础50电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础51电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础521、必要条件：、必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性开发利用在有交点，即存在：LemTT2、充分条件、充分条件：在交点处满足于：dndTdndTLem或者说：在交点的转速以上存在：LemTT在交点的转速以下存在：LemTT1.8 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础
33、53电动机经过转速比j=5的减速器拖动工作机构，工作机构的实际转矩为20N.m，飞轮矩为1N.m2，不计传动机构损耗，折算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩依次为：（ ）A20N.m，5N.m2 B4N.m，1N.m2C4N.m，0.2N.m2 D4N.m，0.04N.m2恒速运行的电力拖动系统中，已知电动机电磁转矩为80N.m，忽略空载转矩，传动机构效率为0.8，转速比为10，则未折算前实际负载转矩应为（ ）：A8N.mB64N.mC80N.mD640N.m典型的生产机械负载转矩特性有 恒转矩负载特性 ， 恒功率负载特性 和 通风机型负载特性 三种。 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件为？ 例题讲解1电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础54例题讲解2电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础55电力拖动基础电力拖动基础2022-6-2电力拖动基础56
