电 力 拖 动 系 统 基 础.

5. 掌握电力拖动系统稳定运行的条件。
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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重点
生产机械的负载转矩特性的分类； 电力拖动系统稳定运行的条件。
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2.1电力拖动系统运动方程式
电力拖动系统(electrical power drive system)一 般是由电动机、生产机械的传动机构、控制设备和 电源组成，如图2-1所示。
2.2多轴电力拖动系统的简化
(2)下放重物时负载转矩的折算 下放重物时，重物对卷筒轴的负载转矩大小仍为 GR，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载 转矩也仍为GR/j，负载转矩的方向也不变。
图2-6 起重机的转矩关系
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2.3生产机械的负载转矩特性
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 2．飞轮矩的折算 设作平移运动部分的物体总重为Gf=mfg，其动能为
1 1 Gf 2 m f v2 v 2 2 g
折算到电动机轴上后的动能为
2 1 Gf v 2 4g
2n 60
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为平移运动时转矩与飞轮矩的折算 计算负载转矩折算值时，可以先计算作用在传动 机构转速为nf的轴上的转矩FR，R为与齿条啮合的齿 轮半径，然后折算为TFFR/jh。
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(a)
TL
(b)
(a)实际特性
(b)折算后特性
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图2-8 反抗性恒转矩负载转矩特性
恒转矩负载的转矩特性
2)位能性恒转矩负载 这类负载的特点是工作机构的转矩绝对值大小是恒 定的，而且方向不变，当时n>0，T>0，是阻碍运动的 制动性转矩，当时 n<0，T>0，是帮助 n n 运动的拖动性转矩， T 其转矩特性如图2-9 T 所示，位于第Ⅰ、 T Ⅳ象限内。 (a)
2
根据折算前后的动能不变原则，因此有
1 G f 2 1 G f v 2 2n 2 v 2 g 2 4 g 60
2 GDF
4
G f v2 2n 60
2
365
G f v2 n2
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电机与拖动基础——第二章 电力拖动பைடு நூலகம்统基础
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2.2多轴电力拖动系统的简化
(1）提升重物时负载转矩的折算 重物对卷筒轴的负载转矩为GR，不计传动机构 损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为
TF GR j
图2-5工作机构运动为升降的电力拖动系统
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2.4电力拖动系统稳定运行的条件
所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种扰动 作用下虽偏离原平衡状态，但能在新的条件下达到
新的平衡，或者当外界扰动消失后系统仍能恢复到
原来的平衡状态。
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2.4电力拖动系统稳定运行的条件
一台他励直流电动机拖动恒转矩负载运行在A点， 系统平衡，即T=TL；扰动使转速有微小增量，若转速 由nA上升到n´A， T<TL ；扰动消失后，系统减速， 回到点A运行。同样，若扰动使转速由nA下降到n”A， T>TL；扰动消失，系统加速，能回到点A运行。
（2-2）
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算 2．飞轮矩的折算 飞轮矩的大小是运动物体机械惯性大小的体现。 旋转物体的动能大小为
1 2 1 GD J 2 2 4g
2
2 n 60
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2.1电力拖动系统运动方程式
同理, 转速n也是具有方向。当实际旋转方向与 所规定(或假设)的正方向相同时,n取正值，反之取负
值。当转速变化时，电力拖动系统是处于加速状态或
减速状态，也要由转速变化的方向来决定而不是由转 速n的数值增加或减小来决定。
新编电气与电子信息类本科规划教材
电机与拖动基础
陈 勇 陈亚爱 主编
蔡军 罗萍 向敏 副主编
第二章
电力拖动系统基础
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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本章教学基本要求
1.了解电力拖动系统的基本组成； 2. 掌握电力拖动系统运动方程式；
3. 熟悉转矩与飞轮矩的折算方法；
4. 掌握生产机械的负载转矩特性的分类；
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2.1电力拖动系统运动方程式
讨论
1. 当T-TL=0,dn/dt=0则,n=0或n=常数,即电动机静止
或恒速旋转。电力拖动系统处于稳定运行状态，简称 稳态。 2．当T-TL>0, dn/dt>0,动转矩大于零时，电力拖动系 统处于加速运行状态，即处于过渡过程或称动态。
2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构作提升和下放重物运动时，转矩与飞轮矩的 折算 1．负载转矩折算 图2-5所示为一起重机示意图，电动机通过传动机 构（减速箱）拖动一卷筒，缠在卷筒上的钢丝绳悬挂 一重物，重物的重力为 G=mg，速比为 j，重物提升时 传动机构效率为 h，卷筒半径为 R，转速为 nf，重物提 升或下放时的速度为v，是个常数。
图2-1
电力拖动系统组成
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电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
2.1电力拖动系统运动方程式
图2-2所示为单轴电力拖动系统，图2-2中标注 的物理量主要有：为电动机的转速，为电动机电磁 转矩，为电动机空载转矩，工作机构（负载）的转 矩。
图2-2
单轴电力拖动系统
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
3．当T-TL<0 , dn/dt<0 ,动转矩小于零时，电力拖动
系统处于减速运行状态，也处于过渡过程或动态。
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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2.1电力拖动系统运动方程式
应注意：转矩不但有大小而且具有方向。转矩的方 向由式（2-1）中取值的正负来判定。其规定如下： 首先应规定(或假设)某一转速n旋转方向为正方向， 则拖动转矩T的方向与所规定(或假定)的正方向相同时 取正值。 对于负载转矩TL，则当TL的方向与所规定(或假设) 的正方向相同时取负值，反之取正值。如果计算得出拖 动转矩T是负值,说明其实际方向与规定(或假设)正方向 相反。而当负载转矩TL是负值，则说明其实际方向与规 定(或假设)正方向相同。
dT dTL dn dn
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
GD2是轴上的飞轮矩；dn/dt是该轴的转速变化率。应
用此式时必须注意各量正方向的设定和各量自身的 正负号。
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本章小结2
对于多轴电力拖动系统和既有旋转运动又有直
线运动的系统，通常各量都要折算到电动机轴上，
使系统变成等效的单轴系统。 在用运动方程式进行分析计算时，应把工作机 构的负载转矩或负载力折算成电动机轴上的负载转 矩，把旋转部件的飞轮矩或直线运动部件的质量折
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恒转矩负载的转矩特性
1)反抗性恒转矩负载 这类负载的特点是工作机构转矩的绝对值大小是 恒定不变的，转矩的性质是阻碍运动的制动性转矩， 即：n<0时，T<0(常数)；n>0时，T>0(也是常数)，且 的绝对值相等。
n
F G
v
n
G
TL
TL
0
T
T L/ j
T
TL
0
T
T L/ j
T
图2-10 泵类转矩负载的转矩特性
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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恒功率负载的转矩特性
3．恒功率负载的转矩特性
负载的转速与转矩之积为是常数，即机械功率 P=TΩ=常数，称之为恒功率负载。
图2-11 恒功率转矩负载的转矩特性
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2.1电力拖动系统运动方程式
如图2-2所示，单轴电力拖动系统中电磁转矩、 负 载 转 矩 与 转 速 变 化 的 关 系 用 转 动 方 程 ( rotation equation)来描述，为
d T TL J dt
（2-1）
化简后得
GD2 dn T TL 375 dt
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2.1电力拖动系统运动方程式
为了简化多轴系统的分析计算，通常把负载转矩 与系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴系统为单 轴系统，列写一个转动方程式进行计算，其结果与联 立求解多个方程式的结果完全一样。
图2-3多轴电力拖动系统
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n
TL / j
L
0
T
n
L
下放
T 0 T
TL
T
L
(b)
(a)实际特性
(b)折算后特性
图2-9位能性恒转矩负载的转矩特性
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泵类负载的转矩特性
2．泵类负载的转矩特性 水泵、油泵、通风机和螺旋桨等，其转矩的大小 与转速的平方成正比，即TL∝n2，转矩持性如图2-10所 示。
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2.2多轴电力拖动系统的简化
工作机构为转动情况时转矩与飞轮矩的折算
1．转矩的折算 多轴电力拖动系统中，如果不考虑传动机构 的损耗时，工作机构折算前的机械功率为 TfΩf， 折算后的机械功率为 TFΩf ，折算的原则是折算前 后功率不变，因此有
T f f TF
TF Tf f Tf nf n Tf j
2
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2.2多轴电力拖动系统的简化
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 图2-4为刨床切削示意图，通过齿轮与齿条啮合， 把旋转运动变成直线运动。切削时工件与工作台的速 度为v，刨刀作用在工件上的力为F，传动机构效率为 h。
图2-4 刨床电力拖动示意图
图2-12 电动机机械特性与负载特性
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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2.4电力拖动系统稳定运行的条件
系统在点A能稳定运行如图2-12和图2-13。
图2-13 拖动系统稳定运行
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
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2.4电力拖动系统稳定运行的条件
电动机的机械特性和生产机械的负载特性的任意配 合，有时会使拖动系统不能稳定运行。例如一台电动机 具有上翘的机械特性，拖动一恒转矩负载，其特性曲线 如图2-14所示。
n T L
生产机械工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关 系TL=f(n) ，称之为负载机械特性,也称为负载的转矩 特性(load torque characteristic)。 实际生产机械品种繁多,其工作机构的负载机械特 性也各不相同。经过统计分析，可归纳为下列三种典 型的负载机械特性。
TL
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图2-14 拖动系统不稳定运行
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2.4电力拖动系统稳定运行的条件
T=TL 仅是稳定运行的必要条件，但还不是充 分条件。系统稳定运行的必要和充分的条件是：交 点处 T=TL , 转速升高时 T<TL ，转速降低时 T>TL ， 此点才是稳定运行的。或者说，在交点处，有 dT dTL （2-10） dn dn 这才是稳定运行的充分必要条件。
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本章小结1
运动方程式是分析研究电力拖动系统的基本公 式，对于单轴电力拖动系统：
GD2 dn T TL 375 dt
式中T为电动机轴上产生的电磁转矩；TL为电动机轴 上的负载转矩，因为负载机械的工作机构折算到电 动机轴上的负载转矩T2与电动机空载转矩T0之和为 TL ，由于一般T0 << T2 ，故通常近似认为TL = T2 ；
算成电动机轴上的飞轮矩。折算负载转矩或负载力
的原则是系统传递的功率不变；飞轮矩或质量折算
的原则是系统贮存的动能不变。
电机与拖动基础——第二章 电力拖动系统基础
本章小结3
生产机械特性与电动机机械持性画在同一直角
坐标，他们的配合是分析研究电力拖动系统的有力
工具。电力拖动系统稳定运行的充要条件是负载机 械特性与电动机机械特性有交点，且在交点处满足