机电传动控制-第二章课件

J ─ 转动惯量（kg.m2）;
ω ─ 角速度（rad/s）；
t ─ 时间（s ）;
机电传动控制
Chp2，P5
ω = 2π n
60
2π dn
TM − TL = J 60 dt
n ─ 转速（r/min）；
GD2 dn
TM − TL = 375 dt ……实用动力学方程式
GD2 (飞轮转矩)，与转动惯量的关系
在转矩平衡方程式中，反抗转矩TL的 符号有时为 正，有时为负。
机电传动控制
Chp2，P26
2、通风机型负载的机械特性
如离心式鼓风机、水泵等，其负载转矩TL的大 小与速度n的二次方成正比，即：
TL = Cn2
其中：C为常数。
机电传动控制
Chp2，P27
3、恒功率型负载的机械特性
如机床的主轴机构和轧钢机的主传动轴。其负载
机电传动控制
Chp2，P22
反抗转矩的特性：
转矩大小恒定不变； 这类负载的特点是负载转矩为常数TL=C。如：提
升机的行走机构，带式运输机，金属切削机床等。 作用方向始恒与速度n的方向相反，即总是阻碍运 动。
机电传动控制
Chp2，P23
由转矩正方向的约定可知，反抗转矩的正、负恒
与转速n相同，即n为正方向时TL为正，特性在第一 象限；n为负方向时TL为负，特性在第三象限。
ηc
=
输出功率 输入功率
=
Fv TL ωM
则生产机械上的负载转矩折算到电动机轴上的等 效转矩为：
ω = 2π n
60
TL
=
9.55
Fv ηc n
机电传动控制
Chp2，P15
电动机起制动作用时，传动效率ηc为：
ηc
=
输出功率 输入功率
=
TL ωM Fv
则生产机械上的负载转矩折算到电动机轴上的等 效转矩为：
制动时：
TM为与转速方向相反，取负号 TL为与转速方向相反，仍取正号
动力学方程式为：
(−)TM
− (+)TL
=
GD2 375
dn dt
<0
因此在制动时，系统为减速运行。
机电传动控制
Chp2，P10
2.2 负载转矩 、转动惯量和飞轮转矩的折算 1、折算的原则
为了对多轴传动系统进行运行状态的分析，一 般是将多轴传动系统等效折算为单轴系统。
机电传动控制
Chp2，P2
2.1 本章知识点
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方法； 机电传动系统的过渡过程； 几种典型生产机械的负载特性； 机电传动系统稳定运行的条件。
机电传动控制
Chp2，P3
2.2 机电传动系统的动力学方程式 1、单轴机电传动系统的动力学方程
在转矩平衡方程式中，反抗转矩TL的 符号总是正 的。
机电传动控制
Chp2，P24
2) 位能转矩 因物体的重力和弹性体的压缩、拉伸与扭转等作 用所产生的。 转矩大小恒定不变；
如：起重机的提升机构、矿井提升机构。 作用方向不变，与运动方向无关。
机电传动控制
Chp2，P25
假设n为正时TL阻碍运动，则n为负时TL一定促 进运动，特性在第一、四象限。
折算的原则是：折算前后在能量或功率关系上 保持不变。
机电传动控制
Chp2，P11
2、负载转矩的折算 1)旋转运动
假设 TL′ 和 ωL 为生产机械的负载转矩和旋转角速 度。折算到电动机轴上的负载转矩为TL，电动机转 轴的旋转速度为ωM 。则电动机轴上的负载功率PM 和生产机械的负载功率 PL′ 分别为：
故a点为系统的稳定平衡点。
同理b点不是稳定平衡点。
机电传动控制
Chp2，P33
两曲线有交点b，即拖动系统有一个平衡点。b点符 合稳定运行的条件，因此b点为是稳定平衡点。此系 统能在b点稳定运行。
机电传动控制
Chp2，P34
练习题
1．机电系统稳定运行的必要条件是电动机的输出转 矩和负载转矩
a. 大小相等 b. 方向相反 c. 大小相等，方向相反 d. 无法确定
TL
=
9.55
Fv n
ηc
机电传动控制
Chp2，P16
2、转动惯量和飞轮转矩的折算
折算原则： 动能守恒
E = 1 Jω2 , E = 1 mv2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
2
1)旋转运动
JZ
= JM
+
J1 j12
+
JL jL2
GDZ2
= GDM2
+
GD12 j12
+
GDL2 jL2
机电传动控制
工程简化计算
JZ
=
δJ M
+
JL jL2
GDZ2
= δGDM2
+
GDL2 jL2
δ = 1.1 ~ 1.25
Chp2，P17
2)直线运动
机电传动控制
JZ
= JM
+
J1 j12
+
JL jL2
+ m v2 ωM2
GDZ2
= GDM2
+
GD12 j12
+
GDL2 jL2
+
365
Gv 2 n2
Chp2，P18
2.3 机电传动系统的过渡过程
1、过渡过程产生的原因 机械惯性： 与转动惯量和飞轮转矩相关，即转速不能突变。 电磁惯性： 与电感相关，即电枢电流和励磁磁通不能突变。 热惯性： 与散热有关，即温度不能突变。
机电传动控制
Chp2，P29
1、机电系统稳定运行的含义 1) 系统应能一定速度匀速运行； 2) 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转 矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰 消除后系统能恢复到原来的运行速度。
机电传动控制
Chp2，P30
1) 必要条件
电动机的输出转矩TM和负载转矩TL大小相等，方 向相反。
2. 某机电系统中，电动机输出转矩大于负载转矩， 则系统正处于
a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 不确定
机电传动控制
Chp2，P35
练习题
3. 在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载 转矩的作用方向与转速的方向相同，则系统正处于
a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 静止
4．在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转 矩，且电动机的输出转矩作用方向与转速的方向相 同，而负载转矩的方向与转速相反，则系统正处于
转矩TL的大小与速度n的大小成反比，即 ：
TL
=
K n
其中：K为常数。
机电传动控制
Chp2，P28
2.4 机电系统稳定运行的条件
怎样才能使机电系统稳定运行？ 机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体
，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性 与生产机械的机械特性尽量相匹配，其最终目的是 系统能稳定运行。
J = GD2 4g
TM
− TL
=
GD2 375
dn dt
动态转矩TD
机电传动控制
Chp2，P6
2、单轴机电传动系统运动状态的判定
TM > TL TD > 0 TM < TL TD < 0 TM = TL TD = 0
dn dt
>0
传动系统加速运动
dn < 0 dt
传动系统减速运动
dn dt
=0
传动系统恒速运动
时间常数
τm
=
GD2 R 375Ke KmΦN2
R电枢回路总电阻、ΦN总磁通量
Ke电势常数、Km转矩常数
机电传动控制
Chp2，P20
过渡过程时间的表达式：
∫ ∫ t = GDZ2 dn = GDZ2 dn
375 T − TL 375 TD
匀加速、匀减速情况下：
∫ t =
( ) GDZ2 dn = GDZ2
电动机M通过连接件直接与生产机械相连，由 电动机M产生输出转矩TM，用来克服负载转矩TL ， 带动生产机械以角速度ω（或转速n）进行运动。
机电传动控制
Chp2，P4
根据动力学原理，TM，TL，ω之间的关系如下：
TM
− TL
=
J
dω dt
……动力学方程式
TM ─ 电动机产生的电磁转矩（N.m）； TL─ 负载转矩（N.m）;
a. 加速 b.减速 c.匀速 d.静止
机电传动控制
Chp2，P36
机电传动控制
Electromechanical Driving Control
江西理工大学 机电工程学院
机电传动控制
2019年
Chp2，P1
第二章 机电传动系统的静态和动态特性
2.1 本章知识点
静态是指系统的速度保持恒定的状态。 电源电压、励磁磁通、电枢电阻等对转速的影响。 动态是指系统的速度处于变化下的状态。如启动、 制动、反转、调速或者负载转矩发生变化。 过渡过程中转速、转矩、电流随时间的变化规律。
机电传动控制
Chp2，P13
2)直线运动 假设 F 和 v 为生产机械的负载力和直线运动速度 。折算到电动机轴上的负载转矩为TL，电动机转轴 的旋转速度为ωM 。则电动机轴上的负载功率PM和生 产机械的负载功率 PL′ 分别为：
PM = TLωM PL′ = Fv
机电传动控制
Chp2，P14
电动机起拖动作用时，传动效率ηc为：
动态 静态
机电传动控制
Chp2，P7
3、动力学方程式中TM，TL ，n符号的约定
TM的符号与性质
当TM的作用方向与n的方向相同时取正号， TM
为拖动转矩，否则为制动转矩。 TL的符号与性质
当TL的作用方向与n的方向相反时取正号， TL
为拖动转矩，否则为制动转矩。 拖动转矩促进运动；制动转矩阻碍运动。
机电传动控制
Chp2，P8
电动机提升重物启动时
设重物提升时电动机旋转的
方向n为正方向。
启动时：
TM为与转速方向相同，取正号 TL为与转速方向相反，也取正号
动力学方程式为：
(+)TM
− (+)TL
=
GD2 375
dn dt
>
0
因此在启动时，系统为加速运行。
机电传动控制
Chp2，P9
电动机提升重物制动时
符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。
机电传动控制
Chp2，P32
异步电动机 的机械特性
交点a
a、b两点是否为 稳定平衡点？
生产机 械的机 械特性
交点b
a点： TM − TL = 0
当负载突然增加后
TM − TL' < 0 TM' − TL' = 0
当负载波动消除后
TM' − TL > 0 TM − TL = 0
375 TD 375TD
ns − n1
4、加快过渡过程的方法
1) 减少飞轮转矩 GDZ2 2) 加大动态转矩 TD
机电传动控制
Chp2，P21
2.3 典型生产机械的负载特性
1、恒转矩型负载的机械特性
恒转矩型机械特性特点是负载转矩为常数，与 转速无关。有反抗转矩和位能转矩两种。
1)反抗转矩：又称摩擦性转矩，是因摩擦、非弹 性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的。
PM = TLωM PL′ = TLωL
机电传动控制
Chp2，P12
考虑传动系统的损耗，存在传动效率ηc，且
ηc
=
输出功率 输入功率
=
TL′ωL TL ωM
则生产机械上的负载转矩折算到电动机轴上的等 效转矩为：
TL
=
TL′ωL ηc ωM
=
TL′ ηc j
ηc—电动机拖动生产机械运动时的传动效率； j = ωM ωL —传动机构的总传动比
变化要连续
机电传动控制
Chp2，P19
2、启动过程分析
在启动时的过渡过程中，转速、电枢电流、电磁
转矩的变化规律：
( ) n = ns + nst − ns e−(t τ m )
( ) I a = I L + Ist − I L e−(t τ m )
( ) T = TL + Tst − TL e−(t τ m )
从T—n坐标上来看，就是电动机的机械特性曲 线 n=f(TM)和生产机械的机械特性曲线 n=f(TL)必须有 交点，交点被称为平衡点。
机电传动控制
Chp2，P31
2) 充分条件
系统受到干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能 力，即：当干扰使速度上升时，有 TM<TL ；否则， 当干扰使速度下降时，有TM>TL 。这是稳定运行的 充分条件。