电力拖动系统动力学(1)
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思考题与习题解答1-4章
统中减速机构的传动比i为4.8，传动效率. 为0.84，减速机构折算至电动机轴上的飞轮矩
与电动机转子的飞轮矩之和2
dj GD 为 168 N .m2，求电动机电磁转矩为 240 N .m时，电动
7
机轴及负载轴在起动时的机械角加速度；若起动时保持电动机电磁转矩 240 N .m不变，当
轮矩的折算与旋转运动相同。
1-6 什么是负载特性？生产机械中典型的负载特性有哪几类？它们各有何特点？
答：电力拖动系统的负载转矩特性简称负载特性是指生产机械的负载转矩与转速的关
系，典型的负载特性有恒转矩负载、通风机与泵类负载和恒功率负载等。
恒转矩负载的特点是负载转矩TL 恒定不变，与负载转速nL 无关，即TL =常数。恒转矩
速度， .c
为传动机构的传动效率，nd 为电动机转轴的转速；升降运动时负载转矩的折算式
为T
G R
i L
z
c
.
...
（提升）；T
G R
L i
z
c . ..（下放）。其中Gz 为重物的重力， R 为卷筒的半径，
i 为速比，.c
. 为提升传动效率，.c
2 . . . . . L T T
dt GD
dn
dt
d.
1.285
60
2
. .
dt
. dn 2 rad / s
飞轮附加在轴2 上时：
拖动系统的总飞轮矩为
2
2
2
1
2 2
4
2
1
2 2
3
2
2 2
1
2 ( 2 )
与电动机转子的飞轮矩之和2
dj GD 为 168 N .m2，求电动机电磁转矩为 240 N .m时，电动
7
机轴及负载轴在起动时的机械角加速度；若起动时保持电动机电磁转矩 240 N .m不变，当
轮矩的折算与旋转运动相同。
1-6 什么是负载特性？生产机械中典型的负载特性有哪几类？它们各有何特点？
答：电力拖动系统的负载转矩特性简称负载特性是指生产机械的负载转矩与转速的关
系，典型的负载特性有恒转矩负载、通风机与泵类负载和恒功率负载等。
恒转矩负载的特点是负载转矩TL 恒定不变，与负载转速nL 无关，即TL =常数。恒转矩
速度， .c
为传动机构的传动效率，nd 为电动机转轴的转速；升降运动时负载转矩的折算式
为T
G R
i L
z
c
.
...
（提升）；T
G R
L i
z
c . ..（下放）。其中Gz 为重物的重力， R 为卷筒的半径，
i 为速比，.c
. 为提升传动效率，.c
2 . . . . . L T T
dt GD
dn
dt
d.
1.285
60
2
. .
dt
. dn 2 rad / s
飞轮附加在轴2 上时：
拖动系统的总飞轮矩为
2
2
2
1
2 2
4
2
1
2 2
3
2
2 2
1
2 ( 2 )
模块一 电力拖动动力学
模块一 电力拖动动力学任务一 拖动系统的转矩及运动基本方程式任务描述（该任务的应用意义）“拖动”是应用各种原动机使生产机械产生运动，来完成一定的生产任务。
用电动机作为原动机来拖动生产机械的拖动方式，称为“电力拖动”。
研究分析电力拖动系统中转速、转矩、功率之间的关系对安全、可靠、合理利用电动机具有关键意义。
任务分析（该任务要解决什么问题）电力拖动系统是一个统一的动力学系统。
系统的运动方程式，由电动机产生的电磁转矩与生产机械负载转矩之间的关系决定。
要研究电力拖动系统，就必须分析电动机与负载 之间的关系。
从动力学的角度来看，它们服从动力学统一的规律。
相关知识（体现知识内容）一、电力拖动装置的组成典型的电力拖动系统是由电动机、工作机构、控制设备及电源四部分组成，如图1—1所示。
电动机将电网的电能变为机械能，用以拖动生产机械。
工作机构是生产机械为执行某一任务的机械部分。
控制设备是为实现电动机的各种运行要求而使用的各种控制电机、电器等。
电源是向电动机及电气控制设备供电的部分。
通常，电动机与生产机械的工作机构并不同轴，它们之间还有传动机构，把电动机的运动，经过中间变速或变换运动方式后，再传给生产机械的工作机构。
二、电力拖动系统的转矩在电力拖动系统的工作过程中，存在三种转矩：1．拖动转矩——电动机轴上输出的转矩，在一般工程计算中，可认为等于电动机产生知识点及目标（说明该模块的知识要点）电力拖动系统是一个转动系统，其转动规律用服从动力学统一的规律，即运动方程式。
应掌握运动方程式的基本物理含义和用途。
能力点及目标（说明该模块的能力要点）要能够运用运动方程式进行拖动系统的定性分析和定量分析，能将实际的拖动系统简化为单轴系统用运动方程式进行性能分析。
的电磁转矩。
2．阻转矩——生产机械的负载转矩，在通常情况下阻碍拖动系统的转动。
3．动态转矩——电机转速发生变化时，因为电机转子和被它拖动的生产机械具有惯性 而产生的一个惯性转矩。
1电力拖动系统动力学
4
绪论 电机与拖动的基本概念
三、电机的调速 拖动对象的运动过程是变化的，即需要改变运动的速 度、方向等 通过控制手段改变电机的运动速度和方向是简便而重 要的方式 拖动的核心是调速，电机的调速是电机与拖动的重要 内容
5
绪论 电机与拖动的基本概念
四、电路与磁路基本物理量对照
电路 电流 ： I（A） 电动势： E（V）
提升传动效率与下放传动效率的关系为：
c
2 1
c
如果提升传动效率小于0.5，则下放传动效率将为“负”值，
此时说明负载自重还不足以克服传动机构的摩擦损耗而下落，
电动机推动，重物才能下放 上述现象称为传动机构的自锁作用
c 0.3，
c
2 1
c
1.33
对于升降系统，一般应选低提升效率的传动机构
电机及电力拖动
20
负载转矩和飞轮矩的折算
升降运动—飞轮矩的折算 折算原则:折算前后的动能不变
升降部分的折算
电机
GDL2z
365
Gz vz2 nd2
电机及电力拖动
传动 机构
卷筒，半径R
升降速度
重力
21
负载转矩和飞轮矩的折算
例1-1：在传动机构为齿轮变速如下图所示的拖动系统
Tg 320N m, ng 167r / min;i1 2.6, i2 3.4;1 0.93,2 0.94;GDd2 6.8N m2,
7
第1章 电力拖动系统动力学
电力拖动系统的运动方程式 运动方程式是运动过程的物理模型，是运动过程 的力学表征 电力拖动系统的运动方程式描述旋转运动的力学 关系，即牛顿力学定律在旋转运动过程的应用 旋转运动中一般采用“转矩”和“角速度”描述 力矩和速度
绪论 电机与拖动的基本概念
三、电机的调速 拖动对象的运动过程是变化的，即需要改变运动的速 度、方向等 通过控制手段改变电机的运动速度和方向是简便而重 要的方式 拖动的核心是调速，电机的调速是电机与拖动的重要 内容
5
绪论 电机与拖动的基本概念
四、电路与磁路基本物理量对照
电路 电流 ： I（A） 电动势： E（V）
提升传动效率与下放传动效率的关系为：
c
2 1
c
如果提升传动效率小于0.5，则下放传动效率将为“负”值，
此时说明负载自重还不足以克服传动机构的摩擦损耗而下落，
电动机推动，重物才能下放 上述现象称为传动机构的自锁作用
c 0.3，
c
2 1
c
1.33
对于升降系统，一般应选低提升效率的传动机构
电机及电力拖动
20
负载转矩和飞轮矩的折算
升降运动—飞轮矩的折算 折算原则:折算前后的动能不变
升降部分的折算
电机
GDL2z
365
Gz vz2 nd2
电机及电力拖动
传动 机构
卷筒，半径R
升降速度
重力
21
负载转矩和飞轮矩的折算
例1-1：在传动机构为齿轮变速如下图所示的拖动系统
Tg 320N m, ng 167r / min;i1 2.6, i2 3.4;1 0.93,2 0.94;GDd2 6.8N m2,
7
第1章 电力拖动系统动力学
电力拖动系统的运动方程式 运动方程式是运动过程的物理模型，是运动过程 的力学表征 电力拖动系统的运动方程式描述旋转运动的力学 关系，即牛顿力学定律在旋转运动过程的应用 旋转运动中一般采用“转矩”和“角速度”描述 力矩和速度
第一章电力拖动系统的动力学基础
2．位能性恒转矩负载特性
特点：转矩TL具有固定的方向，不随转速方向改变 而改变； 不论重物提升（n为正）或下放（n为负），负载转 矩TL始终为正，特性画在第一与第四象限内，表示 恒值特性的直线是连续的。 提升时转矩TL反对提升；下放时，TL却帮助下放， 这是位能性负载的特点。
二、恒功率负载特性
（3）根据运动方程式判断电力拖动系统的几 种运动状态： dn 0 T=TL dt T>TL T<TL
dn 0 dt
dn 0 dt
dn 0, n 常数(或0），系统稳定运转或 当 T TL 0, dt 停转，视运动初始状态而定；这种运动状态称为稳定运 转状态或静态，简称稳态。
的功率大。 根据功率不变原则，应有
TLC T L
' L
TL TL TL c L j c
b. 电动机工作在发电制动状态，此时由工作机构带动 电动机，功率传送方向由工作机构向电动机传送。因 而传动损耗由工作机构承担，根据功率不变原则，有
Lc TL TL
从式可知，折算到单轴拖动系统的等效转动惯量 J等于折算前 拖动系统每一根轴的转动惯量除以该轴对电动机轴传动比 jL 的平 方之和。当传动比jL 较大时，该轴的转动惯量折算到电动机轴上 后，其数值占整个系统的转动惯量的比重就很小。
根据式表示的GD2 = 4gJ 的关系，可以相应地得到折算到电 动机轴上的等效飞轮转矩
一、 电力拖动系统的组成
单轴电力拖动系统：
电动机转轴与生产机械工作机构直接相连， 工作机构是电动机的负载；
多轴电力拖动系统：
电动机与工作机构之间还有传动机构。
二、 电力拖动系统的运动方程式
第一章 电力拖动系统的动力学基础(修改)
一.恒转矩负载特性
1.反抗性(又称摩擦性)恒转矩负载 TL 大小不变，但作用方向总是与运动方向n相 反，是阻碍运动的制动性质转矩
当n为正时，TL为正；当n为负时，TL也为负。二
者曲线在第一、第三象限。
n
-TL TL TL
反抗性恒转矩负载
２、位能性恒转矩负载 由物体的重力等产生的负载转矩，其作用方向
电力拖动与控制
张爱玲 李岚
机械工业出版社
编著
第一章 电力拖动系统的动力学基础
第一节 单轴电力拖动系统的运动方程 第二节 多轴电力拖动系统的转矩及飞轮矩的折算 第三节 生产机械的负载转矩特性
原动机带动生产机械运转称为拖动。 用各种电动机作为原动机带动生产机械运 动，以完成一定的生产任务的拖动方式， 称为电力拖动。 电力拖动系统，一般由电动机、机械传动 机构、生产机械的工作机构、控制设备和 电源五部分组成。
负载特性为一条抛物线，实线为理论波形，虚
线为实际波形。
风机泵类负载特性
TL
提升机构负载转矩性质
各轴的角速度为: 、 1、 2 、 m 时
电动机转子的飞轮矩为GDd2（Jd）,主轴和工件的飞轮矩 为GDm2（Jm）,则旋转物体的动能为:
1 2 1 1 1 1 2 2 2 2 A J J d J11 J 2 2 J m m 2 2 2 2 2
GD GDd GD1
第一节 单轴电力拖动系统的 运动方程
电动机出轴直接拖动生产机械运转的系统— —单轴电力拖动系统 一.电力拖动系统的组成 电动机 机械传动机构 生产机械的工作机构 控制设备 电源
电力拖动系统示意图
二.电力拖动系统的运动方程 要研究电力拖动系统，不仅要研究电动机自 身的运行性能，还要研究电动机和负载之间的运 动规律——电力拖动系统的运动方程式
电力拖动第一章动力学基础
2 2 GDm GD12 GD2 GD GD 2 ＋ 2 2 j1 ( j1 j2 ) j 2 eq 2 R
总飞轮矩估算：
2 2 GDeq (1 )GDD
是电动机转子的飞轮矩。一般 0.2 ~ 0.3
第1章
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2.工作机构为平移运动时，转矩与飞轮矩的折算
(1)转矩的折算 折算前切削功率：Pm=FmVm 折算后切削功率：P2´=Tmeq Tmeq =FmVm Tmeq =FmVm/ 由于 =2n/60 Tmeq =9.55FmVm/n 考虑传动损耗 Tmeq =9.55FmVm/nC
第1章
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(2)飞轮矩的折算 设做平移运动部分的物体重量为Gm，质量为m， 折算前动能：
例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物 ，重力的作用总是方向朝下的即重力产生的负载转矩方向 固定不变， 故在第一和第四象限。
第1章
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2.恒功率负载特性 特点：负载转矩与转速成反比．即 TL k / nL 此时，负载的功率为：
PL TL L TL
n
2 nL k 常值 60 9.55
第1章
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(2)飞轮矩折算 折算前后系统动能不变 2 2 1 1 GD 2 n ∵ 2
2 J 2 4 g 60
1 2 3
以图所示的系统为例，负载飞轮矩折算的计算式为：
化简得： 一般形式：
2 GDm GD12 GD GD 2 j1 ( j1 j 2 ) 2 2 eq 2 R
文字表达式
数学表达式
在交点处，在交点所对应的转速之上应保证T<TL，而在这转 速之下则要求T>TL，
总飞轮矩估算：
2 2 GDeq (1 )GDD
是电动机转子的飞轮矩。一般 0.2 ~ 0.3
第1章
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2.工作机构为平移运动时，转矩与飞轮矩的折算
(1)转矩的折算 折算前切削功率：Pm=FmVm 折算后切削功率：P2´=Tmeq Tmeq =FmVm Tmeq =FmVm/ 由于 =2n/60 Tmeq =9.55FmVm/n 考虑传动损耗 Tmeq =9.55FmVm/nC
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(2)飞轮矩的折算 设做平移运动部分的物体重量为Gm，质量为m， 折算前动能：
例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物 ，重力的作用总是方向朝下的即重力产生的负载转矩方向 固定不变， 故在第一和第四象限。
第1章
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2.恒功率负载特性 特点：负载转矩与转速成反比．即 TL k / nL 此时，负载的功率为：
PL TL L TL
n
2 nL k 常值 60 9.55
第1章
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(2)飞轮矩折算 折算前后系统动能不变 2 2 1 1 GD 2 n ∵ 2
2 J 2 4 g 60
1 2 3
以图所示的系统为例，负载飞轮矩折算的计算式为：
化简得： 一般形式：
2 GDm GD12 GD GD 2 j1 ( j1 j 2 ) 2 2 eq 2 R
文字表达式
数学表达式
在交点处，在交点所对应的转速之上应保证T<TL，而在这转 速之下则要求T>TL，
第1章电力拖动系统的动力学基础PPT课件
2
＋Jm
nm n
2
1.4 多轴旋转系统的折算
或:
J = JR＋
J1 j12
＋
J2 j12 j22
＋
Jm j12 j22 jm2
= JR＋
J1 j12
＋
J2 j12 j22
＋
Jm j2
如果在电动机和工作机构之间总共还有 n 根中间轴，
则:
j = j1 j2 ···jn jm
J = JR＋J1
n1 n
Ω 和 n 不能突变，否则 J
d
d t →∞
即系统不可能具有无穷大的功率。
TL
T2
TL
T2
TL
T2
TL
T2
电动状态1
制动状态1
电动状态2 制动状态2
第1 章 电力拖动系统的动力学基础
1.4 多轴旋转系统的折算
电动机 等
n z1 z4 n2 z5
TL n1 z2 z3
nm 工作机构 z6 Tm
效
电动机 n 等效负载
（ ） T2 －TL = J
d
dt
d = dt
1 J 2
2
电动机输 出的功率
负的载功吸率收P2－PL = J
d
dt
系统动能
(1) T2 ＞0 ，即 T2 与Ω 方向相同。
电动机输出机械功率 —— 电动状态。
(2) T2 ＜0 ，即 T2 与Ω 方向相反。
电动机输入机械功率 —— 制动状态。
TL
T2
TL
(4) 电力拖动系统容易控制、操作简单、 便于实现自动化。
3. 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……
第一章 电力拖动系统动力学
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1.1 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：
(1)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。
(2)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 机械系统的动态特性具有重要的影响。
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1.1 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
常常做成平衡式的，如图1-5(a)所示。电动机M(轴上装有 抱闸BZ)经过蜗轮蜗杆减速器WL带动缠索轮CS运动。钢索
绕在缠索轮上，其两端各与升降室SJ和平衡锤PH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。
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1.1 电力拖动系统概述
1.1.1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 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 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，如齿 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。
(3)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。 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 转矩。此外，还有不规则的负载转矩如磨碎机等。
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1.2 电力拖动系统的转矩及基本运 动方程式
电力拖动系统的动力学基础培训课件(1)
部件作旋转运动。采用古典动力学来分析。
一.运动方程式
1.直线运动时的运动方程式
F --拖动力（N）；
Fz --阻力（N）；
m(dv/dt)--惯性力。
作直线运动的物体
2.旋转运动时的方程式为：
T --电动机产生的拖动转矩(N·m)； Tz --阻转矩（或称负载转矩）(N·m)； J(dΩ/dt)--惯性转矩（或称加速转矩）。
折算原则：
实际系统与等效系统储存动能相等。
有下列关系：
考虑到 GD2 = 4gJ，Ω = 2πn/60，得
2.3 考虑传动机构损耗的简化方法
传动机构损耗的简化考虑方法可在折算公式中引
一入1..工电传作动动效机机率工构η作转c 在矩电T动z’状的态简化折算
电动机带动工作机构，功率由电动机向工作机构 传送
当 T < TZ，dn/dt < 0
二.运动方程式中转矩的正负号分析
应用运动方程式，通常以电动机轴为 研究对象 运动方程式写成下列一般形式
旋转运动中的转矩如下图
对 T 与 Tz 前带有的正负符号， 作如下规定：预先规定某 一旋转方向为正方向，则
转矩T方向如果与所规定的 旋转正方向相同，T 前取正 号，相反时取负号；
变
通风机型负载
n
负载的转矩与T 转速的平0 方成
正比
五.实际负载特性
实际生产机械的负载转矩特性是以上几种典型 特性的综合。
1.实际通风机负载
2.机床刀架的平移
第二章完，谢谢！
旋转运动的物体
3.转动惯量 J 表示为:
J
m 2
G g
D2 2
GD 2 4g
m 与 G -- 旋转部分的质量（kg）与重量(N)；
一.运动方程式
1.直线运动时的运动方程式
F --拖动力（N）；
Fz --阻力（N）；
m(dv/dt)--惯性力。
作直线运动的物体
2.旋转运动时的方程式为：
T --电动机产生的拖动转矩(N·m)； Tz --阻转矩（或称负载转矩）(N·m)； J(dΩ/dt)--惯性转矩（或称加速转矩）。
折算原则：
实际系统与等效系统储存动能相等。
有下列关系：
考虑到 GD2 = 4gJ，Ω = 2πn/60，得
2.3 考虑传动机构损耗的简化方法
传动机构损耗的简化考虑方法可在折算公式中引
一入1..工电传作动动效机机率工构η作转c 在矩电T动z’状的态简化折算
电动机带动工作机构，功率由电动机向工作机构 传送
当 T < TZ，dn/dt < 0
二.运动方程式中转矩的正负号分析
应用运动方程式，通常以电动机轴为 研究对象 运动方程式写成下列一般形式
旋转运动中的转矩如下图
对 T 与 Tz 前带有的正负符号， 作如下规定：预先规定某 一旋转方向为正方向，则
转矩T方向如果与所规定的 旋转正方向相同，T 前取正 号，相反时取负号；
变
通风机型负载
n
负载的转矩与T 转速的平0 方成
正比
五.实际负载特性
实际生产机械的负载转矩特性是以上几种典型 特性的综合。
1.实际通风机负载
2.机床刀架的平移
第二章完，谢谢！
旋转运动的物体
3.转动惯量 J 表示为:
J
m 2
G g
D2 2
GD 2 4g
m 与 G -- 旋转部分的质量（kg）与重量(N)；
电力拖动系统动力学简介分解
n
n=f(TL)
0
TL
恒功率负载转矩特性
3风机泵类负载
阻力与转速平方成正 比，即有：
TL kn2 或 TL n2
如水泵，油泵等，如 图所示，虚线是在考 虑了轴承上的摩擦转 矩后得出的实际鼓风 机负载转矩。
n n=f(TL)
0
TL
T
位能性负载转矩特性
2 恒功率负载转矩特性
特点：当转速n变化时，负载功率基本不变。
根据 P2 TL 常数
1
TL
P2
P2
60
2n
TL n
如车床的主轴机构和轧钢机的主传动。
适用于金属切削车床。
恒功率负载转矩
适用于金属切削车 床。
粗加工时，n 低， T 大； 精加工时，n 高， T小。
g 2 4g
所以
T TL
GD 2 375
dn dt
Tg
（2-2） （2-3）
说明
375 4g 60
2
单位 :
米 秒分
GD2是一个整体，不是G与D2 的乘积， GD2 由产品样本或机械手册上查出。 GD2 中的 D 为回转直径，不是实际直径。
运动方程式的分析
各转矩正方向的规定： n的正方向：逆时针； T的正方向：当T与 n（+）相同时为正； TL的正方向：当TL 与n（+）方向相反时为
正； 惯性转矩 Tg的方向：由 T 与 TL的代数和来
决定
各量表示法
上述各量可用轴的剖面图或直角坐标系来表示
三、负载的机械特性
负载的机械特性是指生产机械的转矩与 转速之间的关系即：n=f(TL) 1 恒转矩负载特性
恒转矩负载是指负载转矩为常数，其大 小与转速n无关。
试谈电力拖动系统的动力学基础课件演示(77张)
从电力拖动过程考虑，可把作用在直线运动部 件上的外力分为拖动力和静负载力两部分。于
是，可得出直线运动方程式
12
第一章 电力拖动系统的动力学基础
13
第一章 电力拖动系统的动力学基础
1.1.2.2 单轴旋转系统的运动方程式 在电力拖动系统中，存在着大量的绕固定轴旋
转的部件，例如旋转电动机、齿轮和各种做旋 转运动的工作机构等。 根据物理学中的刚体转动定律来分济和描述这 些旋转部件的运动规律。 首先来分析典型的单轴旋转系统。 所谓的单轴旋转系统是指，在电力拖动装置中 没有传动机构， 其运动系统只有同一种转速的旋转系统，通常 简称为单轴系统.
但是，由于交流电力拖动在调速性能等指标 上还不能完全赶上直流电力拖动，所以，在 要求很高的调速系统中，交流电力拖动仍受 到一定的限制。
8
第一章 电力拖动系统的动力学基础
主要内容：统的运动方程式，运动方程 中各物理量正负号的标注规定，工作机构的转 矩和飞轮矩的折算，旋转运动，平移运动，升 降运动，生产机械典型负载转矩特性，恒转矩 负载特性，恒功率负载特性，通风机型负载特 性，传动损耗和传动效率。
1.1.2.1 直线运动方程 根据牛顿第二定律，质 点的运动方程式为
f＝ma
f——作用在质点上的所有外力的合力；
m——质点的质量；
a——质点的加速度。
11
第一章 电力拖动系统的动力学基础
在电力拖动装置中，有很多部件是做直线运动 的，例如起重机的吊钩、机床的工作台、电梯 的升降室以及直线电动机等。这些部件的直线 运动可以看作是刚体的直线运动，而刚体的直 线运动方程式与质点的运动方程式具有相同的 形式。
电动机及其控制设备以及生产机械组成的成套装置， 称为电力拖动装置，或电力拖动系统。
是，可得出直线运动方程式
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第一章 电力拖动系统的动力学基础
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第一章 电力拖动系统的动力学基础
1.1.2.2 单轴旋转系统的运动方程式 在电力拖动系统中，存在着大量的绕固定轴旋
转的部件，例如旋转电动机、齿轮和各种做旋 转运动的工作机构等。 根据物理学中的刚体转动定律来分济和描述这 些旋转部件的运动规律。 首先来分析典型的单轴旋转系统。 所谓的单轴旋转系统是指，在电力拖动装置中 没有传动机构， 其运动系统只有同一种转速的旋转系统，通常 简称为单轴系统.
但是，由于交流电力拖动在调速性能等指标 上还不能完全赶上直流电力拖动，所以，在 要求很高的调速系统中，交流电力拖动仍受 到一定的限制。
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第一章 电力拖动系统的动力学基础
主要内容：统的运动方程式，运动方程 中各物理量正负号的标注规定，工作机构的转 矩和飞轮矩的折算，旋转运动，平移运动，升 降运动，生产机械典型负载转矩特性，恒转矩 负载特性，恒功率负载特性，通风机型负载特 性，传动损耗和传动效率。
1.1.2.1 直线运动方程 根据牛顿第二定律，质 点的运动方程式为
f＝ma
f——作用在质点上的所有外力的合力；
m——质点的质量；
a——质点的加速度。
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第一章 电力拖动系统的动力学基础
在电力拖动装置中，有很多部件是做直线运动 的，例如起重机的吊钩、机床的工作台、电梯 的升降室以及直线电动机等。这些部件的直线 运动可以看作是刚体的直线运动，而刚体的直 线运动方程式与质点的运动方程式具有相同的 形式。
电动机及其控制设备以及生产机械组成的成套装置， 称为电力拖动装置，或电力拖动系统。
第1章 电力拖动系统动力学基础
2.位能性恒转矩负载 2.位能性恒转矩负载
如重物的提升与下放等。 如重物的提升与下放等。
n
n
TZ
TZ
二、通风机负载特性
负载的转矩TZ 基本上与转 速 n 的平方成正比。负载特性 的平方成正比。 为一条抛物线。 为一条抛物线。 如风机、水泵、油泵等。 如风机、水泵、油泵等。
三、恒功率负载特性
恒功率负载特点是： 恒功率负载特点是：负载转 矩与转速的乘积为一常数， 矩与转速的乘积为一常数，即TZ 成反比， 与 n 成反比，特性曲线为一条双 曲线。如切削机床、轧钢机等。 曲线。如切削机床、轧钢机等。
1.1 电力拖动系统的运动方程式
一、电力拖动系统的基本概念
电力拖动是用电动机带动生产机械运动， 电力拖动是用电动机带动生产机械运动，以完成 一定的生产任务。 一定的生产任务。 电力拖动系统的组成： 电力拖动系统的组成： 电 源 控制设备 电动机 工作机构
二、运动方程式
1. 对于直线运动，方程式为 运动，
n
1 2
n
0
T0
TZ
0
TZ
电力拖动系统主要研究电动机和生产机械之间的 关系，即电磁转矩T与负载转矩TZ的关系。 关系， 电磁转矩T 负载转矩T 的关系。 用电力拖动运动方程式表示如下: 用电力拖动运动方程式表示如下:
GD 2 dn ± T − ±）TZ = （ 375 dt
n = f (T ) 的方程式和曲线称为电动机的机械特性。 的方程式和曲线称为电动机的机械特性 电动机的机械特性。
第一章 电力拖动系统的动力学基础
1.1 电力拖动系统的运动方程式 1.2 生产机械的负载转矩特性
本章要求
掌握电力拖动、负载机械特性、 掌握电力拖动、负载机械特性、电力拖动系统的 转动惯量、飞轮力矩、拖动转矩、 转动惯量、飞轮力矩、拖动转矩、阻转矩以及转 矩正方向规定的基本概念。 矩正方向规定的基本概念。 掌握电力拖动系统中研究的主要物理量。 掌握电力拖动系统中研究的主要物理量。 熟练掌握单轴电力拖动系统的运动方程式， 熟练掌握单轴电力拖动系统的运动方程式，并会 利用其判断系统的工作状态。 利用其判断系统的工作状态。 掌握典型的负载机械特性。 掌握典型的负载机械特性。
1 电机拖动系统的动力学
负载电动机电动机等效负载121旋转运动负载转矩和转动惯量的折算转矩的折算折算前后拖动的功率不变不考虑传动机构的损耗则j传动机构的总速比等于各相邻传动轴速比的乘积即jj转动惯量的折算设折算到电动机轴上的等效转动惯量为j根据折算原则保持折算前后系统贮存动能不变对图12有折算到电动机轴上的等效转动惯量为122平移运动负载转矩和转动惯量的折算负载功率fv负载转矩折算955f直线运动机构的工作力或摩擦阻力单位为牛n
dT dTL dn dn
dTL 0 dn
所以稳定的充分必要条件是：
dT 0 dn
L
转动惯量的折算 设折算到电动机轴上的等效转动惯量为J，根据折算 原则，保持折算前后系统贮存动能不变，对图1-2有
1 1 1 1 2 2 2 J J m m J11 J L 2 L 2 2 2 2
折算到电动机轴上的等效转动惯量为
J Jm J1 J L 2 2 j1 j
以上是几种典型的负载特性。必须指出， 实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几 种典型特性的综合。
1.4 电机拖动系统稳定运行条件
电机拖动系统的稳定运行包含两重含义：
1、系统能以一定速度匀速运转； 2、系统受到某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩 波动等）而使运行速度稍有变化，应保证在干扰消除后系 统能恢复到原来的运行速度。
1．反抗转矩：又称摩擦性转矩，因摩擦、非弹性 体的压缩、拉伸与扭转等作用而产生的负载转 矩。机械加工过程中切削力产生的负载转矩就 是反抗转矩。其特点如下：
（1）转矩大小恒定不变； （2）作用方向始终与速度n的方向相反，即总是阻碍运 动的。 （3）特性在第一、三象限。(???)
2．位能转矩：由物体的的重力和弹性体的压缩、 拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩，其特点 为：
dT dTL dn dn
dTL 0 dn
所以稳定的充分必要条件是：
dT 0 dn
L
转动惯量的折算 设折算到电动机轴上的等效转动惯量为J，根据折算 原则，保持折算前后系统贮存动能不变，对图1-2有
1 1 1 1 2 2 2 J J m m J11 J L 2 L 2 2 2 2
折算到电动机轴上的等效转动惯量为
J Jm J1 J L 2 2 j1 j
以上是几种典型的负载特性。必须指出， 实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几 种典型特性的综合。
1.4 电机拖动系统稳定运行条件
电机拖动系统的稳定运行包含两重含义：
1、系统能以一定速度匀速运转； 2、系统受到某种外部干扰作用（如电压波动、负载转矩 波动等）而使运行速度稍有变化，应保证在干扰消除后系 统能恢复到原来的运行速度。
1．反抗转矩：又称摩擦性转矩，因摩擦、非弹性 体的压缩、拉伸与扭转等作用而产生的负载转 矩。机械加工过程中切削力产生的负载转矩就 是反抗转矩。其特点如下：
（1）转矩大小恒定不变； （2）作用方向始终与速度n的方向相反，即总是阻碍运 动的。 （3）特性在第一、三象限。(???)
2．位能转矩：由物体的的重力和弹性体的压缩、 拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩，其特点 为：
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拖动系统组成
能量 转换
机械 传动
电源
提供 能源
电机
传动 机构
拖动 对象
控制 装置
控制电机的运 动方式
编辑ppt
3
绪论 电机与拖动的基本概念
电力拖动系统在建筑设备中的应用 空调系统中冷机组，冷却水泵，冷冻水泵， 空调机，风机盘
管中的风机 电梯中的曳引电机 给排水系统、消防系统中的水泵、消防系统中的卷帘 各类电风扇
平移运动 速度
电机转速
传动效率
平移运动—飞轮矩的折算
折算原则:折算前后的动能不变
折算到电机轴上的飞轮矩为：
GDL2g
365Ggvg2 nd2
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负载转矩和飞轮矩的折算
升降运动—负载转矩的折算 升降运动是建筑设备常见的运动
起重机拖动系统
对于升降运动，在进行转 矩折算时，其上升和下降 运动过程的转矩不同，传 动系统的效率也不同
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第1章 电力拖动系统动力学
电力拖动系统的运动方程式 运动方程式是运动过程的物理模型，是运动过程 的力学表征 电力拖动系统的运动方程式描述旋转运动的力学 关系，即牛顿力学定律在旋转运动过程的应用 旋转运动中一般采用“转矩”和“角速度”描述 力矩和速度
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电力拖动系统的运动方程式
绪论 电机与拖动的基本概念
电力拖动 电力：以电能为动力能源 拖动：使物体运动 电力拖动：将电能转换为机械能实现使物体运动的方式 电能转换为机械能主要由电动机完成
电力拖动：电动机拖动生产机械运转的方式 电机与拖动是社会生活最常见的过程
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绪论 电机与拖动的基本概念
电机：将电能转换为机械能的设备，以电磁感应为基本原理 电机分类：不同的分类原则有不同的分类
折算后拖动系统总飞轮矩 GD2GDd2GDL 2 G D 2
总飞轮矩估算公式
G
D
2 d
G
D
2 L
GD2 (1)GDd2 0.2~0.3
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负载转矩和飞轮矩的折算
平移运动—负载转矩的折算
折算原则:折算前后的功率不变
平移运动阻力
折算到电机轴上的转矩为：
TL
9.55 Fgvg
cnd
c
2
1
c
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负载转矩和飞轮矩的折算
升降运动传动效率讨论
转速 电磁转矩
负载转矩
2、系统减速：当TTL时，ddnt 0 3、系统稳速运动：当TTL时，ddnt 0
动态转矩或加速转
矩（T－TL）
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负载转矩和飞轮矩的折算
多轴旋转拖动系统
电机与负载之间具 有减速机构，即不 是同轴直接传递
多轴旋转拖动系统的运 动方程式需要进行转矩 折算等效为单轴系统
1 2J21 2G 4D g2260n2G 7D 14 2n 92
折算到电机轴上的负载飞轮矩
G D L 2G D 1 2G D 2 2i 1 2G D 3 2G D i4 2 1 2 iG 2 2D g 2
传动机构各轴折算到电动机轴上的飞轮矩为各轴上的飞轮矩
除以电动机与该轴的速比平方
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负载转矩和飞轮矩的折算
提升传动效率与下放传动效率的关系 传动功率的损耗pc为：电机功率—负载功率，即：
p c G zR j G zR j G zR j(1 1 ) (上 升 时 )
c
c
p c G z R j G z R jc G z R j( 1 c )( 下 降 时 )
对于同一重物在提升和下放， 传动机构的损耗可以认为不变。
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负载转矩和飞轮矩的折算
等效单轴拖动系统的运动方程式
如何 等效
T
TL
GD2 375
dn dt
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负载转矩和飞轮矩的折算
旋转运动—负载转矩的折算
TL
等效原则：折算前后的功率不变
不考虑传动机构的损耗：TLTgg 1
Tg
2
折 算 转 矩TLTg gTn gn dgT ig
实际负载转矩 传动机构总转速比 i=i1 i2
考虑传动机构的传动效率：TL
Tg g
c
折 算 转 矩T LT c g gT cgn n g 编d辑 ppt T cg i
传动机构总效率
c=1 2
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负载转矩和飞轮矩的折算
旋转运动—飞轮矩的折算
折算原则:折算前后的动能不变
G
D
பைடு நூலகம்
2 L
旋转物体的动能(J):
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负载转矩和飞轮矩的折算
升降运动——负载转矩的折算
原则:折算前后的功率不变
电机
传动 机构
卷筒，半径R
提升重物时负载转矩的折算
升降速度
提升重物时，传动机构的损耗由电动机负担
TL
GzR i
1
c
重力
下放重物时，传动机 构的损耗由负载负担
TL
Gz i
R
c
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负载转矩和飞轮矩的折算
电阻R：R l （Ω） S
欧姆定律： I E R
电压降：U=IR
磁路
磁通：Φ（Wb）
磁势：F（安匝）
磁阻Rm ：R m
l S
磁通： F Rm
磁压降：F=ΦRm
编辑ppt
（Wb）
6
绪论 电机与拖动的基本概念
五、关于本课程 主要介绍直流电机、交流异步电机和同步电机 了解上述电机的基本原理和结构特点 熟悉和掌握上述电机的调速特性和调速原理 拖动系统与建筑节能密切相关
电机分类
电源性质分类
功能性质分类
运动方式分类 旋转磁场分类
直 交 发 电 变 控 静止的 运动的
流 流 电 动压制
电 电 机 机器电
机机
机
变 电发
压 动电
器 机机
同异 步步 电电 机机
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2
绪论 电机与拖动的基本概念
二、拖动系统
使物体运动不仅需要动力，还需要具有适当的控制方式和机 械传动系统
编辑ppt
4
绪论 电机与拖动的基本概念
三、电机的调速 拖动对象的运动过程是变化的，即需要改变运动的
速度、方向等 通过控制手段改变电机的运动速度和方向是简便而
重要的方式 拖动的核心是调速，电机的调速是电机与拖动的重
要内容
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5
绪论 电机与拖动的基本概念
四、电路与磁路基本物理量对照
电路 电流 ： I（A） 电动势： E（V）
单轴旋转拖动系统的运动方程式
根据旋转运动的牛顿第二定律电力
拖动系统的运动方程式：
T
TL
J
d dt
飞轮转矩
转动惯量： J m2 GD2
4g
转速n： 2 n 60
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转速 电磁转矩
负载转矩
T
TL
GD2 375
dn dt
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电力拖动系统的运动方程式
电力拖动系统的运动状态 GD2 dn
T TL 375 dt 1、系统加速：当TTL时，ddnt 0