1、电机与电力拖电机与电力拖动基础动基础绪绪 论论 电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况 本课程的性质、内容、任务和要求本课程的性质、内容、任务和要求 返回电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况电力拖动是指用电动机拖动生产机械的工作机构使之运转的一电力拖动是指用电动机拖动生产机械的工作机构使之运转的一种方法。由于电能具有变换、传输，分配，使用和控制都比较方便、种方法。由于电能具有变换、传输，分配，使用和控制都比较方便、经济，而且易于大量生产、集中管理、远距离传输和实现自动控制等经济，而且易于大量生产、集中管理、远距离传输和实现自动控制等优点，使电力拖动获得了广泛应用。目前在生产中大量使用的各
2、式各优点，使电力拖动获得了广泛应用。目前在生产中大量使用的各式各样的生产机械，如车床、钻床、铣床、造纸机、轧钢机等，都采用电样的生产机械，如车床、钻床、铣床、造纸机、轧钢机等，都采用电力拖动。力拖动。下一页 返回电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况 0.1.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成生产的不断发展，对生产工艺也不断提出更高的要求。例如，生产的不断发展，对生产工艺也不断提出更高的要求。例如，要求加工精度高，调速范围广，快速起动，制动和反转等。这些要求要求加工精度高，调速范围广，快速起动，制动和反转等。这些要求均通过控制设备控制电机来实现，因此形成了由电动机、传动机构、均通过控制
3、设备控制电机来实现，因此形成了由电动机、传动机构、生产机械、控制设备及电源等主要部分组成的电力拖动系统，如生产机械、控制设备及电源等主要部分组成的电力拖动系统，如图图0-1所示。所示。上一页 下一页 返回电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况 0.1.2 电力拖动的特点电力拖动的特点(1)方便经济方便经济 电能的生产、变换、传输都比较经济，分配、检电能的生产、变换、传输都比较经济，分配、检测和使用比较方便。测和使用比较方便。(2)效率高效率高 电力拖动比蒸汽、压缩空气的拖动效率要高，且传电力拖动比蒸汽、压缩空气的拖动效率要高，且传动机构简单。动机构简单。(3)调节性能好调节性能好 电动机的类
4、型很多，具有各种运行特性，可适电动机的类型很多，具有各种运行特性，可适应不同生产机械的需要，且电力拖动系统的启动、制动、调应不同生产机械的需要，且电力拖动系统的启动、制动、调速、反转等控制简便、迅速，能实现较理想的控制目的。速、反转等控制简便、迅速，能实现较理想的控制目的。(4)易于实现生产过程的自动化易于实现生产过程的自动化 由于电力拖动可以实现远距离由于电力拖动可以实现远距离控制与自动调节，且各种非电量控制与自动调节，且各种非电量(如位移、速度、温度等如位移、速度、温度等)都都可以通过传感器转变为电量作用于拖动系统，因而能实现生可以通过传感器转变为电量作用于拖动系统，因而能实现生产过程的自
5、动化。产过程的自动化。上一页 下一页 返回电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况0.1.3 电力拖动的发展过程电力拖动的发展过程按电力拖动系统中电动机的组合数量来分，电力拖动的发展过按电力拖动系统中电动机的组合数量来分，电力拖动的发展过程经历了成组拖动、单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。程经历了成组拖动、单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。从电力拖动的控制方式来分，可分为断续控制系统和连续控制从电力拖动的控制方式来分，可分为断续控制系统和连续控制系统两种。在电力拖动发展的不同阶段两种拖动方式占有不同的地位，系统两种。在电力拖动发展的不同阶段两种拖动方式占有不同的地位，且呈现交替发展的趋势。
6、且呈现交替发展的趋势。上一页 下一页 返回电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况 随着电力拖动的出现，最早产生的是由手动控制电器控制电动随着电力拖动的出现，最早产生的是由手动控制电器控制电动机运转的手动断续控制方式。随后逐步发展为由继电器、接触器和主机运转的手动断续控制方式。随后逐步发展为由继电器、接触器和主令电器等组成的继电接触式有触点断续控制方式。这种控制系统结构令电器等组成的继电接触式有触点断续控制方式。这种控制系统结构简单、工作稳定、成本低、维护方便，不仅可以方便地实现生产过程简单、工作稳定、成本低、维护方便，不仅可以方便地实现生产过程的自动化，而且可实现集中控制和远距离控制，所以目
7、前生产机械中的自动化，而且可实现集中控制和远距离控制，所以目前生产机械中仍广泛采用。但这种控制只有通和断两种状态，其控制作用是断续的，仍广泛采用。但这种控制只有通和断两种状态，其控制作用是断续的，即只能控制信号的有无，而不能连续地控制信号的变化。即只能控制信号的有无，而不能连续地控制信号的变化。上一页 下一页 返回电力拖动及其发展概况电力拖动及其发展概况近年来，随着电子技术和控制理论的不断发展，相继出现了顺近年来，随着电子技术和控制理论的不断发展，相继出现了顺序控制、可编程无触点断续控制、采样控制等多种控制方式。在电动序控制、可编程无触点断续控制、采样控制等多种控制方式。在电动机的调速方面，已
8、形成了电子功率器件与自动控制相结合的领域。不机的调速方面，已形成了电子功率器件与自动控制相结合的领域。不但晶闸管一直流电动机调速系统得到了广泛应用，而且交流变频调速但晶闸管一直流电动机调速系统得到了广泛应用，而且交流变频调速技术发展迅速，在许多领域交流电动机变频调速系统有取代晶闸管一技术发展迅速，在许多领域交流电动机变频调速系统有取代晶闸管一直流电动机调速系统的趋势。直流电动机调速系统的趋势。上一页返回图图0-1 电力拖动系统的结构图电力拖动系统的结构图 l一控制设备一控制设备 2一电动机一电动机 3一传动机构一传动机构 4一工作机构一工作机构 5一电源一电源 返回本课程的性质、内容、任务和要
9、本课程的性质、内容、任务和要求求 电机与电力拖动基础教材是把电机学和电力拖动基础两门课程电机与电力拖动基础教材是把电机学和电力拖动基础两门课程有机结合为一门课程的教材。本课程既具有很强的理论性，又具有一有机结合为一门课程的教材。本课程既具有很强的理论性，又具有一定的实践性，是工业自动化专业的一门重要的技术基础课，在本专业定的实践性，是工业自动化专业的一门重要的技术基础课，在本专业学习中占有重要的地位。为后续学习学习中占有重要的地位。为后续学习“半导体变流技术半导体变流技术”、“自动控自动控制原理制原理”、“电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统”、“近代交流调速近代交流调速”及及“计计算机控
10、制技术算机控制技术”等课程准备必要的基础知识。等课程准备必要的基础知识。下一页 返回本课程的性质、内容、任务和要本课程的性质、内容、任务和要求求本课程主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题。在电机本课程主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题。在电机拖动系统中，电动机是其中的机电能量转换装置。本课程从使用电机拖动系统中，电动机是其中的机电能量转换装置。本课程从使用电机观点出发，研究电机的基本结构、工作原理、内部电磁物理过程、功观点出发，研究电机的基本结构、工作原理、内部电磁物理过程、功率关系和机械特性等问题，重点放在研究电动机起动，制动、调速三率关系和机械特性等问题，重点放在研究电动机起动，
11、制动、调速三大问题上；系统地讨论电机拖动系统的静态和动态特性，为学生掌握大问题上；系统地讨论电机拖动系统的静态和动态特性，为学生掌握本专业知识和学习后续课程打下必要的理论基础。本专业知识和学习后续课程打下必要的理论基础。上一页 下一页 返回本课程的性质、内容、任务和要本课程的性质、内容、任务和要求求本课程的任务是使学生掌握常用交、直流电机、控制电机及变本课程的任务是使学生掌握常用交、直流电机、控制电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法，为学习后续课程打下必要的理论基础。算、电机选择与
12、实验方法，为学习后续课程打下必要的理论基础。在学完本课程之后，应达到下列要求：在学完本课程之后，应达到下列要求：1)掌握常用交、直流电机及变压器的基本理论掌握常用交、直流电机及变压器的基本理论(电磁关系、能量关系电磁关系、能量关系等等)。2)掌握控制电机的工作原理、特性及用途。掌握控制电机的工作原理、特性及用途。3)掌握分析电动机机械特性及各种运行状态掌握分析电动机机械特性及各种运行状态(起动、反接制动、能耗制起动、反接制动、能耗制动、回馈制动动、回馈制动)的基本理论。的基本理论。上一页 下一页 返回本课程的性质、内容、任务和要本课程的性质、内容、任务和要求求4)掌握电力拖动系统中电动机参数调
13、速方法的基本原理和技术经济指掌握电力拖动系统中电动机参数调速方法的基本原理和技术经济指标。标。5)掌握电力拖动机械过渡过程的基本特性及其主要的分析方法，了解掌握电力拖动机械过渡过程的基本特性及其主要的分析方法，了解机械惯性和电磁惯性同时作用时对直流电力拖动过渡过程的影响。机械惯性和电磁惯性同时作用时对直流电力拖动过渡过程的影响。6)掌握选择电机的原理与方法。掌握选择电机的原理与方法。7)掌握电机与电力拖动系统的基本的实验方法与技能，并具有熟练的掌握电机与电力拖动系统的基本的实验方法与技能，并具有熟练的运算能力。运算能力。8)了解电机与电力拖动今后发展的方向。了解电机与电力拖动今后发展的方向。上
14、一页返回目录目录第一章第一章 电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学第二章第二章 直流电机原理直流电机原理 第三章第三章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第四章第四章 变压器变压器 第五章第五章 三相异步电动机绕组三相异步电动机绕组 第六章第六章 异步电动机原理异步电动机原理下一页目录目录 第七章第七章 三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 第八章第八章 三相同步电动机三相同步电动机 第九章第九章 电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择 第十章第十章 微控电机微控电机 上一页第一章第一章 电力拖动系统动力学电力拖动系统动力学 1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统
15、概述 1.2 电力拖动系统的转矩及基本运动方程电力拖动系统的转矩及基本运动方程式式 1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化 小结小结1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述现代工业生产中，大多数生产机械都采用以电动机作为现代工业生产中，大多数生产机械都采用以电动机作为原动机，拖动生产机械运动，来完成相应的生产任务。这种原动机，拖动生产机械运动，来完成相应的生产任务。这种拖动方式称为电力拖动。随着生产的不断发展，对生产工艺拖动方式称为电力拖动。随着生产的不断发展，对生产工艺也不断提出更高的要求。例如，要求加工精度高，调速范围也不断提出更高的要求。例如，要求加工精度高，调速范围广，快速起动、制动和反
16、转等。这些要求均通过控制设备控广，快速起动、制动和反转等。这些要求均通过控制设备控制原动机实现，因此形成了由电动机、传动机构、生产机械、制原动机实现，因此形成了由电动机、传动机构、生产机械、控制设备及电源等组成的电力拖动系统。电力拖动系统为电控制设备及电源等组成的电力拖动系统。电力拖动系统为电气与机械综合的系统。电动机及其供电电源的作用是把电能气与机械综合的系统。电动机及其供电电源的作用是把电能转化成机械能；传动机构的作用是将机械能转化成所需要的转化成机械能；传动机构的作用是将机械能转化成所需要的运动形式，并进行传递与分配；生产机械是最终完成生产工运动形式，并进行传递与分配；生产机械是最终完成
17、生产工艺任务的；控制设备是控制系统按着生产工艺的要求来动作，艺任务的；控制设备是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述电力拖动系统的发展是按照从低级到高级、从简单到复电力拖动系统的发展是按照从低级到高级、从简单到复杂的一般规律，从最初的成组拖动，再经过单电动机拖动，杂的一般规律，从最初的成组拖动，再经过单电动机拖动，直至发展到多电动机拖动。交、直流两大电力拖动系统，在直至发展到多电动机拖动。交、直流两大电力拖动系统，在电力拖动发展史上，一直相互补充、相辅相
18、成、交替发展。电力拖动发展史上，一直相互补充、相辅相成、交替发展。直流电力拖动系统发展已基本完善。近年来，交流电力拖动直流电力拖动系统发展已基本完善。近年来，交流电力拖动系统已成为世界电力拖动研究的中心课题，其技术也日趋成系统已成为世界电力拖动研究的中心课题，其技术也日趋成熟，处于扩大应用、系列化的新阶段。熟，处于扩大应用、系列化的新阶段。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述现代电力拖动在新型电机、大功率半导体器件、大规模现代电力拖动在新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的控制下，发生集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的控制下，发
19、生了巨大的变革。由单机自动化本身高层次的发展，扩展到生了巨大的变革。由单机自动化本身高层次的发展，扩展到生产过程与管理的自动化。例如，柔性制造系统（产过程与管理的自动化。例如，柔性制造系统（FMS），它），它是机械与电气自动化技术高度结合的产物，是数控机床、数是机械与电气自动化技术高度结合的产物，是数控机床、数控加工中心，智能机器人、自动化仓库、自动化检测与运输控加工中心，智能机器人、自动化仓库、自动化检测与运输技术等新型机电一体化高度技术产品，以及计算机辅助设计，技术等新型机电一体化高度技术产品，以及计算机辅助设计，辅助制造、生产管理控制等软件技术高度发展、综合利用的辅助制造、生产管理控制等
20、软件技术高度发展、综合利用的结晶。结晶。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述 1.1.1典型机械负载特性典型机械负载特性生产机械的运动具有多种形式，如车床的主轴做旋转运生产机械的运动具有多种形式，如车床的主轴做旋转运动，龙门刨床的工作台做直线往复运动，吊车的卷扬机构做动，龙门刨床的工作台做直线往复运动，吊车的卷扬机构做上下直线运动，冲剪床的执行机构做简谐运动等。在电力拖上下直线运动，冲剪床的执行机构做简谐运动等。在电力拖动系统中，原动机是电动机，它是做旋转运动的。为了获得动系统中，原动机是电动机，它是做旋转运动的。为了获得各种不同形式的运动，电力拖动采用了各种传动机构，
21、如齿各种不同形式的运动，电力拖动采用了各种传动机构，如齿轮、齿条、卷筒、钢绳、曲柄连杆机构等，这就构成了电力轮、齿条、卷筒、钢绳、曲柄连杆机构等，这就构成了电力拖动系统的多种形式。拖动系统的多种形式。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述 1.1.2 典型工作机械及其机械传动图典型工作机械及其机械传动图生产机械为完成运动和加工任务所需的机械能量是由生产机械为完成运动和加工任务所需的机械能量是由电动机提供的。表示传递机械能量的相互联结的机械部件总电动机提供的。表示传递机械能量的相互联结的机械部件总合，称为机械传动图。最简单的工作机械为离心式通风机，合，称为机械传动图。最简单
22、的工作机械为离心式通风机，其机械传动图如其机械传动图如图图1-1(a)所示。所示。电动机电动机M的转子通过联轴节的转子通过联轴节LZ直接与通风机的叶轮轴直接与通风机的叶轮轴EL相连，所有运动部分都以同一转速运转。通风机叶轮工相连，所有运动部分都以同一转速运转。通风机叶轮工作时产生的阻转矩作时产生的阻转矩Tfz与角速度与角速度的关系的关系(见见图图1-1(b)为为 Tfz=Tfz+(TfzN-Tfz)(1-1)上一页 下一页 返回N1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述在这里，电动机与通风机具有相同的额定转速，因此在这里，电动机与通风机具有相同的额定转速，因此二轴直接联结，称为单轴拖动系统。其
23、机械传动图也最为二轴直接联结，称为单轴拖动系统。其机械传动图也最为简单。简单。图图1-2(a)为车床主轴机械传动图。为车床主轴机械传动图。在横向在横向(外圆外圆)切削时，如保持切削力切削时，如保持切削力F不变，则切削阻不变，则切削阻转矩与转速无关转矩与转速无关(图图1-2(b)；但在纵向；但在纵向(端面端面)切削时，如仍切削时，如仍保持切削力不变，则转矩将随工件切削半径的减少而成比保持切削力不变，则转矩将随工件切削半径的减少而成比例地减小。作用在电动机轴上除切削转矩例地减小。作用在电动机轴上除切削转矩Tfz 外，还有机械外，还有机械传动链中各部件的损耗转矩，如轴承摩擦、齿轮啮合和三传动链中各部
24、件的损耗转矩，如轴承摩擦、齿轮啮合和三角皮带滑动摩擦等。角皮带滑动摩擦等。如上面车床主轴机械传动图所示，电动机通过各类减如上面车床主轴机械传动图所示，电动机通过各类减速装置带动工作轴的系统，我们称为多轴拖动系统。速装置带动工作轴的系统，我们称为多轴拖动系统。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述所有作用力和转矩皆由摩擦来产生的工作机械，可以用所有作用力和转矩皆由摩擦来产生的工作机械，可以用桥式起重机的行车机构作为例子，如桥式起重机的行车机构作为例子，如图图1-3(a)所示。电动机所示。电动机M经过两级减速齿轮经过两级减速齿轮CL带动行车带动行车XC的一对主动车轮的一对主动
25、车轮ZL，克服由，克服由轴承滑动摩擦和车轮沿铁轨的滚动摩擦所引起的阻力而运行。轴承滑动摩擦和车轮沿铁轨的滚动摩擦所引起的阻力而运行。当电动机断电后，由电磁抱闸当电动机断电后，由电磁抱闸BZ产生制动转矩使行车迅速停产生制动转矩使行车迅速停车。车。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述为了减小电动机承担的负载，在电梯类型的起重设备上为了减小电动机承担的负载，在电梯类型的起重设备上常常做成平衡式的，如常常做成平衡式的，如图图1-5(a)所示。电动机所示。电动机M(轴上装有抱轴上装有抱闸闸BZ)经过蜗轮蜗杆减速器经过蜗轮蜗杆减速器WL带动缠索轮带动缠索轮CS运动。钢索绕在运动。钢
26、索绕在缠索轮上，其两端各与升降室缠索轮上，其两端各与升降室SJ和平衡锤和平衡锤PH相连。这样当升相连。这样当升降室上升时，平衡锤就往下降。反之，当升降室下降时，平降室上升时，平衡锤就往下降。反之，当升降室下降时，平衡锤上升。从缠索轮向钢索或反方向传递的力是借助两者之衡锤上升。从缠索轮向钢索或反方向传递的力是借助两者之间的摩擦力来实现的。间的摩擦力来实现的。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述力力F的大小与速度无关，当运动方向改变时它也不变。的大小与速度无关，当运动方向改变时它也不变。但与前例有所不同，当但与前例有所不同，当F1F2时，有效负载与前例具有同时，有效负载与前
27、例具有同样的方向；当升降室负载不足而致样的方向；当升降室负载不足而致F2F1时，有效负载将时，有效负载将具有相反的方向具有相反的方向(图图1-5(b)。图图l-6(a)示出剪床的机械传动图。电动机示出剪床的机械传动图。电动机M经过蜗轮经过蜗轮蜗杆蜗杆WL带动惰轮带动惰轮DL，再经连杆，再经连杆LG带动剪刀带动剪刀JD上下运动，上下运动，以剪切工件。这是将电动机的旋转运动变换为直线运动以剪切工件。这是将电动机的旋转运动变换为直线运动(简谐运动简谐运动)的机械。的机械。上一页 下一页 返回1.1 电力拖动系统概述电力拖动系统概述常见电力拖动负载转矩与速度的关系可有下列情况：常见电力拖动负载转矩与速
28、度的关系可有下列情况：(1)负载转矩与速度无关，如摩擦力、重物的重力、切削力等负载转矩与速度无关，如摩擦力、重物的重力、切削力等引起的转矩。引起的转矩。(2)负载转矩与速度成比例，如粘摩擦负载就具有这种关系。负载转矩与速度成比例，如粘摩擦负载就具有这种关系。但一般与有效负载比较，其值比较小，故可忽略。粘摩擦对但一般与有效负载比较，其值比较小，故可忽略。粘摩擦对机械系统的动态特性具有重要的影响。机械系统的动态特性具有重要的影响。(3)负载转矩与速度平方成比例，如通风机、水泵的有效负载负载转矩与速度平方成比例，如通风机、水泵的有效负载转矩即是，一般称为通风机型负载。转矩即是，一般称为通风机型负载。
29、除了与速度有关的负载除了与速度有关的负载转矩外，还有与机械行程有关的负载转矩，如剪床的负载转转矩外，还有与机械行程有关的负载转矩，如剪床的负载转矩。此外，还有不规则的负载转矩如磨碎机等。矩。此外，还有不规则的负载转矩如磨碎机等。上一页返回1.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式电力拖动系统中的运动是由电力拖动系统中的合成转矩电力拖动系统中的运动是由电力拖动系统中的合成转矩产生的。如果分析系统的运动状况，首先要分别了解电动机产生的。如果分析系统的运动状况，首先要分别了解电动机发出的转矩和生产机械的负载转矩的性质，然后研究这两个发出的转矩和生产机械的负载转矩的性
30、质，然后研究这两个转矩共同作用到电力拖动系统上的效果。转矩共同作用到电力拖动系统上的效果。1.2.1电动机转矩电动机转矩电动机内电磁作用产生转矩，它是转速的函数，电动机内电磁作用产生转矩，它是转速的函数，T=f1()。在电力拖动中，经常写成。在电力拖动中，经常写成=f2(T)的形式。例如，的形式。例如，直流他励电动机的转速与转矩的关系可以看成是直线关系直流他励电动机的转速与转矩的关系可以看成是直线关系(图图l-7曲线曲线l)；鼠笼式异步电动机的转速与转矩的关系是一条曲；鼠笼式异步电动机的转速与转矩的关系是一条曲线线(图图1-7曲线曲线2)，这就是电动机的机械特性曲线。，这就是电动机的机械特性曲
31、线。下一页 返回1.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式 1.2.2 负载转矩负载转矩生产机械工作时，反应在电动机轴上的转矩称为负载转生产机械工作时，反应在电动机轴上的转矩称为负载转矩。上一节已经介绍，随着生产机械工艺特点不同，从力学矩。上一节已经介绍，随着生产机械工艺特点不同，从力学角度可以把负载转矩分为两大类：反抗转矩和位能转矩。角度可以把负载转矩分为两大类：反抗转矩和位能转矩。当转矩的作用方向与运动方向相反，而且当运动方向改当转矩的作用方向与运动方向相反，而且当运动方向改变时，其作用方向也改变，这种性质的转矩称为反抗转矩。变时，其作用方向也改变，这种性
32、质的转矩称为反抗转矩。例如摩擦转矩、切削金属的阻力转矩等。反抗转矩在例如摩擦转矩、切削金属的阻力转矩等。反抗转矩在和和T的的坐标中，只存在于第一和第三象限，如坐标中，只存在于第一和第三象限，如图图1-8(a)所示。在转速所示。在转速为零时，转矩为零时，转矩T是不连续的函数。是不连续的函数。上一页 下一页 返回1.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式与反抗转矩不同，位能转矩一直保持其作用方向，而与与反抗转矩不同，位能转矩一直保持其作用方向，而与运动方向无关，所以位能转矩是一条由第一象限到第四象限运动方向无关，所以位能转矩是一条由第一象限到第四象限的直线，如的直
33、线，如图图1-8(b)所示。例如，重物产生的转矩、弹性体所示。例如，重物产生的转矩、弹性体（如弹簧）在压缩、拉伸或扭曲时发出的转矩等，这些转矩（如弹簧）在压缩、拉伸或扭曲时发出的转矩等，这些转矩的产生是和系统的位能有关系的，所以称为位能转矩。的产生是和系统的位能有关系的，所以称为位能转矩。至于负载转矩的符号，至于负载转矩的符号，Tfz前已写有负号，所以取：负载前已写有负号，所以取：负载转矩与运动正方向相反的为正，而与运动正方向相同的为负。转矩与运动正方向相反的为正，而与运动正方向相同的为负。这便于使用这便于使用和和T坐标图来观察研究系统的工作情况。图坐标图来观察研究系统的工作情况。图1-8就就
34、是按照这个原则绘制的。是按照这个原则绘制的。上一页 下一页 返回1.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式 1.2.3 电力拖动系统的基本运动方程式电力拖动系统的基本运动方程式如前所述，电力拖动系统是多种多样的，在推导运动方如前所述，电力拖动系统是多种多样的，在推导运动方程式时，首先从最简单的单轴电力拖动系统来分析。如程式时，首先从最简单的单轴电力拖动系统来分析。如图图1-9所示，电动机通过连轴节直接带动生产机械。所示，电动机通过连轴节直接带动生产机械。电动机转矩电动机转矩T除了克服生产机械的负载转矩除了克服生产机械的负载转矩Tfz之外，如之外，如有剩余，则使
35、系统产生角加速度有剩余，则使系统产生角加速度ddt。根据力学中刚体的。根据力学中刚体的转动定律得：转动定律得：TTfz=Jd/dt （1-9）上一页 下一页 返回1.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式式式(1-9)是简单电力拖动系统运动方程式的基本形式。但是简单电力拖动系统运动方程式的基本形式。但是，在工程计算中往往不用转动惯量是，在工程计算中往往不用转动惯量J，而是使用飞轮惯量，而是使用飞轮惯量(飞轮矩飞轮矩)GD2来表征系统的惯性作用；也不用角速度来表征系统的惯性作用；也不用角速度，而是，而是使用转速使用转速n来表示速度。来表示速度。转动惯量等于质量与
36、惯量半径转动惯量等于质量与惯量半径(回转半径回转半径)平方的乘积，平方的乘积，即：即：J=m2kgm2 (1-10)或或 GD2=4gJNm2 (1-11)利用上面两式，可以得到工程计算中使用的运动方程式为利用上面两式，可以得到工程计算中使用的运动方程式为T-Tfz=（1-12）上一页 下一页 返回dtdnGD37521.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式目前产品目录中给出的电动机电枢目前产品目录中给出的电动机电枢(或转子或转子)飞轮惯量，飞轮惯量，都用都用kgm2单位，为了化成法定计量单位，乘以单位，为了化成法定计量单位，乘以g即可换算成即可换算成Nm2
37、单位。单位。当系统做直线运动时，可以使用与上面类似的方法，根当系统做直线运动时，可以使用与上面类似的方法，根据牛顿第二定律直接得到下列运动方程式据牛顿第二定律直接得到下列运动方程式F-FL=m (1-13)上一页 下一页 返回dtdv1.2 电力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式 1.2.4 动态转矩动态转矩动态转矩是电动机转矩动态转矩是电动机转矩T与负载转矩与负载转矩Tfz共同作用的结共同作用的结果，这里有三种可能性：果，这里有三种可能性：(1)T=Tfz Jd/dt=0 (2)TTfz Jd/dt 0 (3)T Tfz Jd/dt Tfz，当达到，当达到A点后
38、动态转矩为零，系统也就点后动态转矩为零，系统也就稳定下来，以转速稳定下来，以转速工作。工作。第三种情况是动态转矩为负，使系统减速，如第三种情况是动态转矩为负，使系统减速，如图图1-12，系统原来带有负载转矩系统原来带有负载转矩Tfz1，以转速，以转速1工作工作,稳定工作在稳定工作在A点。点。将负载转矩突然加大到将负载转矩突然加大到Tfz2后，后，T Tfz2，系统降速，与此同时，系统降速，与此同时电动机转矩电动机转矩T增加。最后，当系统达到增加。最后，当系统达到B点后，动态转矩为零，点后，动态转矩为零，系统也就稳定下来，以转速系统也就稳定下来，以转速2工作。工作。上一页 下一页 返回1.2 电
39、力拖动系统的转矩及基本电力拖动系统的转矩及基本运动方程式运动方程式 1.2.5系统工作的稳定性系统工作的稳定性为了使电力拖动系统正常工作，它必须是稳定的。所谓为了使电力拖动系统正常工作，它必须是稳定的。所谓稳定，就是系统受干扰后稳定，就是系统受干扰后(负载变化，以及电压、电阻等电气负载变化，以及电压、电阻等电气参量变化参量变化)，有回到稳定平衡状态的能力。，有回到稳定平衡状态的能力。图图1-13中画出了鼠笼式异步机带有负载转矩中画出了鼠笼式异步机带有负载转矩Tfz=常数时，常数时，两个负载转矩平衡点两个负载转矩平衡点A和和B，其中，其中A点是稳定工作点，而点是稳定工作点，而B点点不是稳定工作点
40、。不是稳定工作点。上一页返回1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化 实际的电力拖动系统，大多是电动机通过传动机构与生实际的电力拖动系统，大多是电动机通过传动机构与生产机械相连。这是因为一般生产机械为满足其工艺要求，需产机械相连。这是因为一般生产机械为满足其工艺要求，需要较低的转速，而电动机为了节省材料，一般转速较高所致。要较低的转速，而电动机为了节省材料，一般转速较高所致。电动机的功率电动机的功率P=T，为保证一定的输出功率，当，为保证一定的输出功率，当P=常常数，数，值小，即转速低时，值小，即转速低时，T值要大，即磁通值要大，即磁通和电枢电流要和电枢电流要大。电动机的每极磁通大。电动机的每极磁
41、通大，意味着所用的铁磁材料多；电大，意味着所用的铁磁材料多；电流大，意味着电枢导线粗，即消耗的有色金属多。所以，为流大，意味着电枢导线粗，即消耗的有色金属多。所以，为了节省铁磁材料和有色金属，一般电动机转速都比较高。这了节省铁磁材料和有色金属，一般电动机转速都比较高。这点也可以用电动机设计的阿诺德公式加以说明。根据电机设点也可以用电动机设计的阿诺德公式加以说明。根据电机设计部门提供的资料，存在着卞列关系计部门提供的资料，存在着卞列关系p=CD2lnD2ln 下一页 返回1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化 1.3.1负载转矩和直线力的折算负载转矩和直线力的折算 1.3.1.1负载转矩的折算负载
42、转矩的折算由能量守恒定律可知，负载转矩的折算原则应该是：折由能量守恒定律可知，负载转矩的折算原则应该是：折算前后系统传送的功率不变。也就是说，在多轴系统中，负算前后系统传送的功率不变。也就是说，在多轴系统中，负载转矩所消耗的功率应该和单轴系统中等效负载转矩消耗的载转矩所消耗的功率应该和单轴系统中等效负载转矩消耗的功率相等。在功率相等。在图图1-15中，当不考虑系统的损耗时，有中，当不考虑系统的损耗时，有TDD=Tfzfz 上一页 下一页 返回1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化考虑系统的传动损耗时，在电动机处于电动状态时，损考虑系统的传动损耗时，在电动机处于电动状态时，损耗由电动机承担。所以，
43、应将电动机功率乘以一个小于耗由电动机承担。所以，应将电动机功率乘以一个小于1的系的系数数c(c为传动效率为传动效率)，即，即 TDD=(1-18)从式（从式（1-18）看出，由于系统实际上有损耗，要适当加）看出，由于系统实际上有损耗，要适当加大电动机的输出功率，才能保证负载得到的功率不变。大电动机的输出功率，才能保证负载得到的功率不变。上一页 下一页 返回cfzfzT1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化 1.3.1.2直线作用力的折算直线作用力的折算在提升机构中，如果不知道负载转矩，而是已知直线作在提升机构中，如果不知道负载转矩，而是已知直线作用力用力Ffz，如，如图图1-17所示。直线作用的
44、折算有两种方法，一是所示。直线作用的折算有两种方法，一是将直线作用力将直线作用力Ffz乘以卷筒半径与钢绳半径之和，得到负载转乘以卷筒半径与钢绳半径之和，得到负载转矩矩Tfz，二再按负载转矩公式折算；另一种方法是将直线作用，二再按负载转矩公式折算；另一种方法是将直线作用力直接进行折算。下面推导直线作用力折算公式。力直接进行折算。下面推导直线作用力折算公式。当电动机工作在电动状态时当电动机工作在电动状态时(如提升重物如提升重物)，有，有 TDD=TdxD上一页 下一页 返回cfzfzvF1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化再将再将D换成电动机的转速换成电动机的转速n，于是，于是 (1-25)当电动
45、机工作在制动状态当电动机工作在制动状态(如下放重物如下放重物)时，有时，有（1-26）上一页 下一页 返回dx1 T=fzfzDcF v Tdx=9.55fzfzcF vndx T=9.55fzfzcF vn1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化注意，下放重物时的效率注意，下放重物时的效率c与提升重物时的效率与提升重物时的效率 c之之间的关系为间的关系为(推导见后推导见后)当工作机构为平移运动时，例如刨床刨刀切削工件时，当工作机构为平移运动时，例如刨床刨刀切削工件时，工件与工作台的速度为工件与工作台的速度为v，刨刀作用在工件上的力为，刨刀作用在工件上的力为F，传动，传动机构效率为机构效率为，通过
46、齿轮、齿条驱动工作台运动的电动机转速，通过齿轮、齿条驱动工作台运动的电动机转速为为n。用提升机构相类似的方法，可推导出等效转矩的计算公。用提升机构相类似的方法，可推导出等效转矩的计算公式为式为：上一页 下一页 返回c1=2-cdxT=9.55Fvn1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化 1.3.2 转动惯量的折算转动惯量的折算 图图1-18是一个提升机构的示意图，在此系统中，各级齿是一个提升机构的示意图，在此系统中，各级齿轮和卷筒的转动惯量及作直线运动的重物质量都要进行折算，轮和卷筒的转动惯量及作直线运动的重物质量都要进行折算，现分别进行研究。现分别进行研究。转动惯量的折算原则是折算前后系统储存
47、的动能不变。转动惯量的折算原则是折算前后系统储存的动能不变。1.3.2.1转动部分转动惯量的折算转动部分转动惯量的折算 由力学规律可知，旋转体的动能为由力学规律可知，旋转体的动能为 J2。设折算成单。设折算成单轴系统后的等效转动惯量为轴系统后的等效转动惯量为Jdx，则对图，则对图1-18所示的系统有所示的系统有 上一页 下一页 返回2122222dxDD1122fzfz11111JD=JJ+J+J222221.3 多轴系统的简化多轴系统的简化公式两边同乘以公式两边同乘以4g，除以，除以D2，再进行必要的变换，则，再进行必要的变换，则可得等效飞轮矩可得等效飞轮矩GDdx2的折算公式的折算公式（1
48、-28）这里必须提醒大家的是，式这里必须提醒大家的是，式(1-28)右边各项的右边各项的GD2都是都是每根轴的飞轮矩。如在图每根轴的飞轮矩。如在图1-18中，电动机轴的中，电动机轴的GD2D为电动机为电动机转子的飞轮矩转子的飞轮矩GD2d与齿轮与齿轮1飞轮矩之和；第二根轴的飞轮矩飞轮矩之和；第二根轴的飞轮矩GD21和齿轮和齿轮2和齿轮和齿轮3矩之和。矩之和。上一页 下一页 返回22222dx1222222211212111GD=DfzfzGDGDGDGDjj jj j j1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化 1.3.2.2直线运动部件质量直线运动部件质量mfz的折算的折算在在图图1-18中，电
49、动机以中，电动机以vfz速度提升重物时，电动机除了速度提升重物时，电动机除了克服转动部分的惯性以外，还要克服重物质量克服转动部分的惯性以外，还要克服重物质量mfz产生的惯性，产生的惯性，因此要将代表这部分惯性的物体质量因此要将代表这部分惯性的物体质量mfz折算到电动机轴上去。折算到电动机轴上去。折算后的等效转动惯量为折算后的等效转动惯量为Jdx，则根据动能相等的原则有，则根据动能相等的原则有考虑到考虑到 上一页 下一页 返回222121fzfzDdxvmJ60242ngGmgDGJDfzfzdxdx1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化于是有于是有 （1-31）实际的提升机构总等效飞轮矩，应该是
50、转动部分等效飞实际的提升机构总等效飞轮矩，应该是转动部分等效飞轮矩和直线运动部件等效飞轮矩之和，所以提升系统等效飞轮矩和直线运动部件等效飞轮矩之和，所以提升系统等效飞轮矩的计算公式为轮矩的计算公式为 ：上一页 下一页 返回22222604nvgGgDGfzfzdx22365nvGDGfzfzdx1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化或或 上一页 下一页 返回2222212222122212122365111nvGjjjGDjjGDjGDGDGDfzfzfzfzDdx222365nvGGDGDfzfzddx1.3 多轴系统的简化多轴系统的简化例例1-1有一电力拖动系统，传动机构为两级减速箱，其示有
