第7章 电力拖动基础

第 7 章 电力拖动基础7.1 电力拖动系统的组成与分类

7.2 7.3 7.4

电力拖动的运动方程式 电力拖动系统的负载特性 电力系统稳定运行的条件

7.5 电力系统调速的基本概念

2013年8月14日星期三

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本章基本要求1. 掌握电力拖动系统的运动方程式，生产机械的负载转矩特性；电力系统稳定运行的条件。 2. 了解工作机构(力、飞轮距、质量、转矩)的 折算方法。 3. 了解电力拖动系统调速的概念。

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7.1 电力拖动系统的组成与分类拖动：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。 一、电力拖动系统的组成电源

控制设备

电动机

传动机构

工作机构

1. 电力拖动系统的优点 (1) 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 满足各种生产机械的不同要求。2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 3

(3) 电动机损耗小、效率高、具有较大的短时过 载能力。 (4) 电力拖动系统容易控制、操作简单、便于实 现自动化。 2. 应用举例 精密机床、重型铣床、 初轧机、 高速冷轧机、高速造纸机、风机、水泵……

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二、典型的电力拖动系统 1. 单轴旋转系统 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。工作机构

2. 多轴旋转系统工作机构

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3. 多轴旋转运动加平移运动系统工作机构

4. 多轴旋转运动加升降运动系统

G2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 6

7.2 电力拖动系统的运动方程式7.2.1 电力拖动系统的运动方程式 1. 运动方程的形式：d Te TL J dt

式中TL-总阻转矩; J-转动惯量;

-机械角速度;

运动方程的实用表达式：因为 所以2013年8月14日星期三

GD2 J m 2 4g

GD2-飞轮矩，单位N.m22

GD dn Te TL 375 dt山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 7

电力拖动系统的运动方程式

2. 系统旋转运动的三种状态

当Te=TL或

dn 0 时，系统处于静止或恒转速运行 dt dn 0 dt

状态，即处于稳态。 当 Te>TL 或 时,系统处于加速运行状态，

即处于动态。dn 当Te<TL或 dt 0 时,系统处于减速运行状态，即处

于动态。

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电力拖动系统的运动方程式

7.2.2 运动方程式中转矩正、负号的规定首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速 的

正方向，然后规定： 电磁转矩Te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的正方向相同时为负，相反时

为正。 惯性转矩 数和决定。2013年8月14日星期三

GD 2 dn 375 dt

的大小和正负号由Te和TL的代

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电力拖动系统的运动方程式

7.2.3 工作机构转矩、力、飞轮矩和质量的折算

传动图

等效折算图

以电动机轴为折算对象，需要折算的参量为： 工作机构转矩T'L ,系统中各轴(除电动机轴外)的转 动惯量。 对于某些作直线运动的工作机构，还要把进行直线运 动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上去 。2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 10

电力拖动系统的运动方程式

1. 工作机构转矩Tg 的折算 折算的原则是系统的传送功率不变TLΩ Tg ΩgTL Tg g Tg j

式中， j—电动机轴与工作机构轴间的转速比j Ω/ Ωg n / ng

如果传动机构为多级齿轮或皮带轮变速，则总的速

比应为各级速比的乘积。j j1 j2 j3 2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 11

电力拖动系统的运动方程式

2. 工作机构直线作用力的折算 根据传送功率不变 TLΩ Fg vg

Ω 2πn / 60

TL 9.55

Fg vg n

3. 传动机构与工作机构飞轮矩的折算根据折算前后动能不变的原则1 1 1 1 1 2 2 2 2 JΩ J d Ω J1Ω J 2 Ω J g Ω 2 g 2 2 2 2 2 J J d J1 / J 2 / J g / 1 2 g2 2

2

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电力拖动系统的运动方程式

折算到电机轴上的飞轮矩为2 GD 2 GDd

n / n1

GD12

2

n / n2

2 GD2

2

n / n g

2 GDg

2

4. 工作机构直线运动质量的折算折算的原则是转动惯量Jg 中及质量mg中储存的动能 相等，即Ω JL mg 2 22 2 vg

因为2 Lg

2 J L GDg / 4 g

mg Gg / gΩ 2πn / 60

所以

(GD ) 365

Gv n

2 g g 2

(60 / π)2 36513

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电力拖动系统的运动方程式

例 刨床传动系统如图所示。若电动机M 的转速为 n=420r/min,其转子(或电枢)的飞轮矩 GDd2=110.5N.m2,工作台重G1=12050N,工件重

G2=17650N,各齿轮齿数及飞轮矩见表。齿轮8的节距 t8=25.13mm 。求

刨床拖动系统在电动机轴上总的 飞轮矩。2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 14

电力拖动系统的运动方程式

齿轮号

1

2

3

4

5

6

7

8

齿

数Z飞轮矩GD2 / N m 2

204.12

5520.10

309.81

6428.40

3018.60

7841.20

3024.50

6663.75

解

1)旋转部分

2 2 2 2 GD2 GD3 GD4 GD5 2 GDa GD12 2 ( z 2 / z1 ) ( z 2 / z1 ) 2 ( z 4 / z 3 ) 2

2 2 GD82 GD6 GD7 2 2 2 ( z2 / z1 )2 ( z4 / z3 )2 ( z6 / z5 )2 ( z8 / z7 )2 ( z2 / z1 ) ( z4 / z3 ) ( z6 / z5 )

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电力拖动系统的运动方程式

28.40 18.60 20.10 9.81 (4.12 2 2 2 (55 / 20) (55 / 20) (64 / 30) 41.20 24.50 2 2 2 (55 / 20) (64 / 30) (78 / 30) 63.75 ) N m 2 9.81N m 2 (55 / 20) 2 (64 / 30) 2 (78 / 30) 2 (66 / 30) 22)直线运动部分 齿轮8转速 n8

n ( z2 / z1 )(z4 / z3 )(z6 / z5 )(z8 / z7 )

420 r / min 12.5r / min (55 / 20)(64 / 30)(78 / 30)(66 / 30)2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 16

电力拖动系统的运动方程式

工作台速度

v z8t8 n8 66 0.02513 12.5m/min 20.8m/min 0.347m/s365(12050 17650) 0.3472 365(G1 G2 )v 2 N m2 GDb 2 4202 n2

7.35N m 23)刨床拖动系统在电机轴上总的飞轮惯量2 2 2 GD2 GDd GDa GDb

(110.5 9.81 7.35)N m2 127.66N m22013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作 17

电力拖动系统的运动方程式

7.2.4 考虑传动机构损耗的简化方法 一、工作机构转矩TL的简化折算 1. 电动机工作在电动状态TLΩ Tg Ωg / cTL Tg Ω c Ω g Tg

c j

2.电动机工作在发电制动状态

TLΩ Tg Ωg c使用多级传动时2013年8月14日星期三

TL

Tg j

c

c c1 c 2 c3 18

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电力拖动系统的运动方程式

二、工作机构直线作用力的简化折算

1. 电动机工作在电动状态TL Ω Fg vg

cFg vg n

TL 9.55

Fg vg n c

2. 电动机工作在发电制动状态TL 9.55 c

在提升与下放时传动损耗相等的条件下，下放传动 效率 c 与提升传动效率 c 之间有下列关系。 c 2 2013年8月14日星期三

1

c19

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7.3 电力拖动系统的负载特性7.3.1 按照负载转矩的大小与转速的变化规律分

1. 恒转矩负载 恒转矩负载特性是指生产机械的负 载转矩TL与转速n无关的特性。2. 恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转矩 与转速的乘积为一常数，即TL 与n成反比，特性曲线为一条 双曲线。 n

n

TL

3. 通风机负载特性2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作

TL20

电力拖动系统的负载特性

负载的转矩TL基本上与转 速n的平方成正比。负载 特性为一条抛物线。 7

.3.2 按照负载转矩的方向 是否随转速方向的变化分 1.反抗性恒转矩负载

n

12 TL0 TL

2.位能性恒转矩负载 n

n

TL2013年8月14日星期三 山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作

TL21