第二章机电传动系统的动力学基础总结

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《机电传动技术》第二章机电传动系统的动力学基础

当干扰使n↑时,干扰消除后希望n↓这时如TM-TL<0则负加速当干扰使n↓时,干扰消除后希望n↑这时如TM-TL>0则正加速例：a、b两点 a点，当n↑时， TM↓，当干扰消除后由于TM－TL<0,所以n↓ b点，当n↑时， TM↑，当干扰消除后由于TM－TL>0,所以n↑，直到a点处平衡。
机电传动控制
机电传动系统的动力学基础
机电传动系统的运动方程
单轴机电传动系统
dω dn TM − TL = J =k dt dt
意义：Tm与TL之差将产生加速度当Tm > TL时，加速当Tm < TL时，减速当Tm = TL时，匀速（平衡）
(TM − TL = Td )
3、TM与TL的正反以转速的方向为准（n） TM：与n同向时为正（拖动）反之为负（制动） TL ：与n反向时为正（制动）反之为负（拖动）例：提升重物启动：Tm为正， TL正制动： TL为正，Tm为负
TM − TL = Td
− TM − TL = Td
生产机械的机械特性
机械特性：生产机械转轴（电机轴）上的负载转矩和转速之间的函数关系。 1、恒转矩型机械特性特点：负载转矩为常数， TL ＝C 反抗转矩位能转矩
与n同号（总制动）摩擦、切削力
方向一定吊重物
2、离心式通风机型机械特性、特点： TL = Cn 2 ，负载转矩与转速平方成正比
END
1、电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点
此处：Tm=TL（匀速）例：曲线1和2，附合这个条件,有a、b交点曲线1和3，不附合
2、当有外加干扰使n变化时，干扰消除后n应能自行恢复到原状态。该条件的判断原则是: 该条件的判断原则是当n ↑, TM < TL 由运动方程看

2机电传动系统的动力学基础

n f (TL )
n
TL K / n
T 恒功率型机械特性
0

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第二章机电传动系统的动力学基础
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
系统稳定运行的充要条件
（1）两机械特性有交叉点；
Sm （2）Δn为在平衡点处的转速变化，当Δn>0时，TM<TL TM-TL<0；当Δn<0时，TM>TL TM-TL>0 a点是稳定平衡点，b点不是。
2. 机电传动系统的动力学基础
2.1 2.2 2.3 2.4 机电传动系统的运动方程式负载转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算机电传动系统的负载特性机电传动系统稳定运行的条件
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第二章机电传动系统的动力学基础
2.0 重点和难点
重点：
1.运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态。 2.运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点。
难点：
1. 根据机电传动系统中 TM 、TL、n 的方向确定 TM 、TL 是拖动转矩还是制动转矩，从而判别出系统的运行状态，是处于加速、减速还是匀速； 2. 在机械特性上判别系统稳定工作点时、如何找出 TM 、TL

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第二章机电传动系统的动力学基础
n f (TL )
n
TL
TL C
n
-TL
例： TL T 提升机构；帯式运输机；金属切削机床等（a）反抗转矩
（摩擦转矩）
T
（b）位能转矩（因重力产生的转矩）
（T与n的方向恒为相反）

（T的方向恒定与无关）
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第2章机电传动系统的动力学基础1汇总

TL 470.4N m
解（1） TL
TLL c M
TL
c j
470.4 34.1N m 0.92 3 5
解：（2）飞轮矩的折算
GDZ2
(GDM2
GD12 ) (GD22
GD32 )
1 j12
(GD42
GDL2 )
1 jL2
(294 29.4) (78.4 49) 1 (196 450.8) 1 ]
方向相同。
不论n为正向还是负向，TL作用方向都不变。设n为正时负载转矩阻碍运动，则特性在第一、四象限。
位能转矩
不难理解，在运动方程式中，反抗转矩TL的符号总是与 n 相同为正；位能转矩TL的符号则有时与n 相同，有时与n相反。
离心式通风机型机械特性
TL Cn 2
虚线表示在有摩擦负载的实际情况
n为负方向时TL为负，特性在第三象限。
2．位能转矩 ✓转矩大小恒定不变；
✓作用方向不变，与运动方向无关，即在某一方向阻碍运动而在另一方向促进运动。
卷扬机起吊重物时，由于重物的作用方向永远向着地心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动
机拖动重物上升时，TL与n的方向相反；当重物下降时，TL和n的
一、单轴拖动系统
电动机（M）
TL 生产机械
TM 图2.1 单轴拖动系统
MM
+TL
TM TL n c d / dt 0 TM TL n c d / dt 0
静态（稳态）
动态（加速或减速）
单轴机电传动系统的运动方程式
TM
TL
J
d
dt
J m 2 mD2 / 4
(2.1)
G mg

2第二章机电传动系统的动力学基础

n -TL 0 TL T
n
0
TL T
(a)反抗性负载
(b)位能性负载
（2）离心式通风机型负载特性（TL=Cn2）按离心力原理工作，如离心式通风机，水泵。（3）直线型负载特性（TL=Cn）如发电机的负载与转速的关系
n
n
0
离心式通风机负载特性
TL 0
直线型负载特性
TL
（4）恒功率型负载特性（ TL=K/n ）如电动机、发动机的转速和转矩的关系。
TL
C பைடு நூலகம்M
TL ' L
TL ' /(C j )
起重机提升重物： TL 9.55 Fv /( c nM ) 起重机下放重物： TL 9.55 Fv c / nM
'
飞轮转矩的折算（重要）
（根据能量守恒原则，即各轴上的动能之和等于折算到电机轴之后的动能）
一、执行机构旋转运动时有：
输入功率：PM TLM 输出功率： PL Fv 传动效率：起重机提升重物： c Fv /( TL w M )
起重机下放重物： ' c TL w M /( Fv )
折算转矩：起重机提升重物： TL 9.55 Fv /( c nM )
起重机下放重物： TL 9.55 Fv ' c / nM
(+ )
d TM TL J dt
2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算

目的：生产中的机电系统大多是多轴拖动系统，在分析此类系统时要将其转化为单轴拖动系统。因此，需将多轴拖动系统的动力参数折算到电机轴上。原则：转矩（功率守恒）；转动惯量（能量守恒）。

负载转矩的折算（重要）

第二章机电传动系统的动力学基础总结

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电机与拖动
参考教材:
1.《电机与拖动基础》清华大学出版社李发海主编 2. 《电机及电力拖动》机械工业出版社周定颐主编
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电机与拖动
第2章机电传动系统的动力学基础

掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分析机电
传动系统的运动状态;
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例2:提升重物过程如右图示,写出运动方程式. 解 : (a)中，提升重物，TM为正， TL为正，运动方程式为:
电机与拖动
GD 2 dn TM TL 375 dt
(b)中，仍为提升重物，但TM为负，
TL为正, 运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
TM
d J dt
定义式
GD 2 dn TL 375 dt
工程计算式
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电机与拖动
电力拖动系统正方向的规定：
先规定旋转方向为正方向，转速
n 的正方向一般选实际转向。
规定与n方向相同的TM为正,与n方向相反的TL为正规定与n方向相反的TM为负,与n方向相同的TL为负。
2 2 2
产机械轴上的飞轮转矩。
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二、三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算
转矩折算的原则：系统传递的功率不变 1）平移运动
总质量mｚ
电机与拖动
刨刀
F
n TM 电动机
v
切削功率：P L Fv
T L Fv c T L Fv 60Fv 9.55 Fv c M c 2nM nM c 折算前后功率不变

机电传动控制复习总结

本章学习内容
• 5.1 三相异步电动机的结构和工作原理 • 5.2 三相异步电动机的定子和转子电路 • 5.3 三相异步电动机的转矩与机械特性
• 5.4 三相异步电动机的启动 • 5.5 三相异步电动机的调速 • 5.6 三相异步电动机的制动
• 5.7 单相异步电动机 • 5.8 同步电动机的工作原理、特点及应用
第五章交流电动机的工原理及特性
基本要求了解异步电动机的基本结构和旋转磁场的产生；
掌握异步电动机的工作原理，机械特性，以及启动、调速及制动的各种方法、特点与应用：
掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法：
了解同步电动机的结构特点、工作原理、运行特性及启动方法。
重点
掌握异步电动机的人为机械特性，因为它是分析异步电动机启动、调速、制动工作状态的依据；
全压启动和降压启动 3. 三相鼠笼式异步电动机的降压启动方法有（）、（）和（）
定子串电阻，星形-三角形，自耦变压器。 4.三相鼠笼式异步电动机的调速法有（），（）和（）
变极调速，变转差率调速和变频调速
5.三相鼠笼式异步电动机的制动方式有（），（）和（）
反馈制动，反接制动和能耗制动
6.单相异步电动机为什么没有启动转矩？常采用哪些启动方法？因单相交流电产生脉动磁场，不产生旋转磁场，所以起动转矩为0，常采用电容分相式和罩极式两种启动方法。
• 14.1 电动机容量选择的原则 • 14.2 电动机的发热与冷却 • 14.3 不同工作制下电动机容量的选择 • 14.6 电动机的种类、电压、转速和结构
型式的选择
第十四章机电传动控制系统中电动机的选择
基本要求 1.了解电动机的容量选择应该考虑哪些因素
2.掌握三种工作制下的电动机容量的选择，特别注意电动机运行时的允许温度、过载能力和启动能力；

机电传动控制复习总结

(2)直接启动时的启动电流Ist；
(3)如果要使启动电流不超过额定电流的两倍，求启动电阻为多少欧？此时启动转矩又有多大？
第四章机电传动系统的过渡过程
1.加快过渡过程的方法
减小系统的飞轮转矩增加动态转矩
2. 了解过渡过程产生的原因
1）机械惯性：反映在J或GD2上，使转速n不能突变； 2) 电磁惯性：反映在电枢回路电感和励磁绕组电感上，
解:合上开关S---(KM),油泵运转提供润滑油; S----(1KT)1KT延时时间即设定的供油时间;
----1KT延时时间到,其触点闭合 -----(2KT)2KT延时断开的动断触点仍保持闭合,其延时时间即停止供油时间
-----(K)并自锁,K的动断触点断开,使[KM] ,油泵停止供油.2KT延时时间到,其触点断开 ----[K],K的动断触点恢复 -----(KM)又开始了下一个循环. S为控制自动间歇供油的开关; SB为手动控制供油的开关.
答：四级电动机磁极对数p=2
60 f 60 50 n0 p 2 1500r / min n 60 f (1 s) 1500 (1 0.02) 1470r / min
p
f2 sf1 0.02 50 1Hz
5.6 有一台三相异步电动机，其技术数据如下表所示。
变极调速，变转差率调速和变频调速
5.三相鼠笼式异步电动机的制动方式有（），（）和（）
反馈制动，反接制动和能耗制动
6.单相异步电动机为什么没有启动转矩？常采用哪些启动方法？因单相交流电产生脉动磁场，不产生旋转磁场，所以起动转矩为0，常采用电容分相式和罩极式两种启动方法。
课后习题讲解：
5.1有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50Hz，满载时电动机的转差率为0.02，求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。

02机电传动系统的动力学基础

29
2.3.4 恒功率型机械特性
机械的负载转矩TL与转速n成反比，即TL ＝K／n，或 K＝TLn cc P为常数。
例如：车床加工，在粗加工时，切削量大，负载阻力大，开低速；在精加工时，切削量小，负载阻力小，开高速。当选择这样的方式加工时，不同转速下，切削功率基本不变。
30
除了上述几种类型的生产机械外，还有一些生产机械具有各自的转矩特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的负载转矩TL是随转角α而变化的，而球磨机、碎石机等生产机械，其负载转矩则随时间作无规律的随机变化，等等。
16
度。
折算到电动机轴上的总飞轮转矩为：
2 Z
GD
GD
2 M

GD j
2 1
2 1

GD j
2 L
2 L
式中，GD2M、GD21、GD2L—电动机轴、中间传动轴、生产机械轴上的飞轮转矩。说明: 当速比 j 较大时，中间传动机构的转动惯量J1或飞轮转矩GD21 ，在折算后占整个系统的比重不大，实际工程中为了计算方便起见，多用适当加大电动机轴上的转动惯量JM或飞轮转矩GD2M的方法，来考虑中间传动机构的转动惯量J1或飞轮转矩GD21 的影响，
1
1 .当 T M T L 时， n 常数， dn / dt 0 ; 或＝常数 , d / dt 0 , 这种运动状态称为静态态)或稳态 ( 稳定运转状态 )。
2
(相对静止状
当 T M T L 时，速度 ( n 或 ) 就要发要变化，产生加速或减速。
11
电动机拖动生产机械运动时的传动效率:
c
输出功率输入功率 T ' L L

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TM 电动机
JＺ等效负载 TL
其中 : F — 工作机构的直线作用力，（ N ） v — 工作机构直线运动的速度，（ r / min ）
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电机与拖动
2）升降运动
GDM2 TM M 电动机 GD1
2
TM M 电动机
GD2 等效负载
ｚ
滚筒 GDL2 m v
M 2
... 2

1 J 1 ... J 1 J J M 1 2 1 2 2 L 2 2 j j j j 1 1 2 L M
JL

L
M j1 1
M jL L
2 GD12 GD22 GDL GDZ GDM 2 2 2 ... 2 j1 j1 j2 jL
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电机与拖动
考虑各级效率时：
TLM
' T

L
L
c

TL

TL'
c
M L
TL' c j
传动效率: C 1 2
' TL L C TL M
' ' T T 1 L L 转矩的耗损： T TL ( 1) jC j C
电机与拖动
电机与拖动
教材：机电传动控制
邓星钟主编
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电机与拖动
第1章

概述
机电传动的发展概况; 电气控制系统的发展概况; “电机与拖动”课程的性质和任务.

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1.机电传动发展的概况
电机与拖动
1) 成组拖动一台电动机---一根天轴---一组生产机械设备机构复杂,损耗大,效率低,工作可靠性差. 2) 单台电动机拖动一台电动机---一台设备当生产机械设备运动部件较多时,机构仍复杂,满足不了生产工艺要求. 3) 多台电动机拖动一台专门的电动机---同一台设备的每一个运动部件机构简单,控制灵活,便于生产机械的自动化. 举例: 龙门刨床的刨台,左垂直刀架,右垂直刀架,侧刀架, 横梁,夹紧机构,都是分别由一台电动机拖动的.
2 2 2
产机械轴上的飞轮转矩。
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二、三轴直线运动折算到电动机轴上
1.负载转矩的折算
转矩折算的原则：系统传递的功率不变 1）平移运动
总质量mｚ
电机与拖动
刨刀
F
n TM 电动机
v
切削功率：P L Fv
T L Fv c T L Fv 60Fv 9.55 Fv c M c 2nM nM c 折算前后功率不变
1 J 2 1 J 2 1 J 2 ... 1 J 2 Z M M M 1 1 L L 2 2 2 2 2 2 D G GD M 2n / 60 J Z m 2 g 2 4g 1 J 2 J J 1 ... J L Z M M 2 2 j12 jL
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电机与拖动
参考教材:
1.《电机与拖动基础》清华大学出版社李发海主编 2. 《电机及电力拖动》机械工业出版社周定颐主编
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电机与拖动
第2章机电传动系统的动力学基础

掌握机电传动系统的运动方程式,用它来分析机电
传动系统的运动状态;
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GD2 dn Td TM TL 375 dt
举例
例1:列出下图系统的运动方程式,并说明运动状态.
电机与拖动
TM
TM＞TL
n n TL
解: TM与n反向为负，TL与n反向为正, 运动方程如下式；状态为减速。
TM GD 2 dn TL 375 dt
4)本课程的特点及学习方法
电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。
思考题 : 试分析图(a)和图(b)系统的运动状态.
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思考题
图(a)
GD 2 dn TM TL 375 dt
电机与拖动
由运动方程看，要能提升重物，必须有TM>TL，系统才有提升加速度。
图(b)
GD 2 dn TM TL 375 dt
由运动方程看：电动机转矩为负，也是制动转矩,系统减速提升，直至停止。
电源
控制设备
电动机
传动和工作机构
电力拖动系统中有的部件作直线运动、有的部件作旋转运动。采用古典动力学来分析。
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§2.1 机电传动系统的运动方程式 TM n T0 TL
电动机
生产机械
电机与拖动
轴 n
TL
TM
1.单轴机电传动系统运动方程式:
根据动量守恒定律：
TM TL
2

2 GD dn TM TL 375 dt
m 转动部分的质量,(kg)
转动部分的惯量半径,(m)
G 转动部分的重量,( N ) D 转动部分的惯性直径,(m) GD2 转动部分的飞轮矩,工程上看成整体,( N m2)
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电机与拖动
2.系统动态转矩Td 令系统动态转矩: 讨论: 1)当Td=0时, 系统称之为稳态或静态. 2)当Td≠0时, 系统为动态: (1) Td＞0, dn/dt = a＞0, 系统加速， (2) Td＜0, dn/dt = a＜0, 系统减速，称之为动态因此: TM ，TL有大小，有方向。
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电机与拖动
§2.2转矩.转动惯量和飞轮转矩的折算
实际拖动系统一般是多轴传动系统，该系统的运动方程式，是将其转矩等折算到一根轴上，再按前面的方法列出运动方程式。折算时，可以折算到电动机轴上(高速轴)，也可以折算至低速轴上。
(a) 旋转运动
(b) 直线运动
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(3)交流电动机的工作原理及特性; (4) 控制电动机.
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概述
电机是利用电磁感应原理工作的机械。
电机与拖动
电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。两种方法归纳如下：
变压器直流电机电机交流电机
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电机与拖动
2.电气控制系统的发展概况
1) 继电器-接触器控制系统
能对控制对象实现起动,制动,有级调速控制;
结构简单,动作可靠;控制速度慢,控制精度差.
2) 连续控制方式和自动控制系统
20世纪30年代的电机放大机控制,40-50年代的磁放大器控制和水银整流器控制,1958年以后的晶闸管-直流电动机无级调速系统,80年代以来的新型电力电子元件-交流电动机无级调速系统;
2 2

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电动机
TM
GDM2

GD12
TM
电动机

等效负载
TL
电机与拖动 GDZ 2
j 1 η1
1
L
TL´
工作机构
j2η2 GDL2
2 GD12 GDL GDZ GDM 2 2 j1 jL
2 2
式中：GDM 、GD1 、 GDL 分别为电动机轴，中间传动轴，生
2 dn TL 375 dt
工程计算式
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电机与拖动
电力拖动系统正方向的规定：
先规定旋转方向为正方向，转速
n 的正方向一般选实际转向。
规定与n方向相同的TM为正,与n方向相反的TL为正规定与n方向相反的TM为负,与n方向相同的TL为负。
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例2:提升重物过程如右图示,写出运动方程式. 解 : (a)中，提升重物，TM为正， TL为正，运动方程式为:
电机与拖动
GD 2 dn TM TL 375 dt
(b)中，仍为提升重物，但TM为负，
TL为正, 运动方程式为:
GD 2 dn TM TL 375 dt
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1 J 2 1 J 2 1 J 2 ... 1 J 2 Z M M 1 1 L L 2 2 2 2
电机与拖动

JZ JM

J1
M 1
2

J2
TL
1
j1η1 j2η2
提升运动：电动机为电动状态下降运动：电动机为发电状态
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电机与拖动
（1）提升运动：方法同平移运动
重物质量
平移TL 9.55 Fv c nM
（2）下降运动

GZ v mgv 提升TL 9.55 9.55 c nM c n M
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4) 计算机数字控制系统

3. 本课程的性质和任务
1) 课程性质
电机与拖动
该课程是机械类专业的一门必修的专业基础课, 是机电一体化人才所需电知识的驱体.

第二章 机电传动系统的动力学基础总结

《机电传动技术》 第二章 机电传动系统的动力学基础

2机电传动系统的动力学基础

第2章 机电传动系统的动力学基础1汇总

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机电传动控制复习总结

机电传动控制复习总结

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