文档介绍：第4章电力拖动系统的动力学基础
电机及拖动基础
电力拖动系统的运动方程
生产机械的负载转矩特性
电力拖动系统的稳态分析——稳定运行的条件
电力拖动系统的动态分析——过渡过程分析
多轴电力拖动系统的化简*
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引言
本章是电力拖动的基础,主要分析电力拖动系统中电动机带动生产机械在运动过程中的力学问题。第1节引入电力拖动系统的运动方程;第2节介绍生产机械的负载转矩;第3节讨论电力拖动系统的稳定运行问题;第4节讨论电力拖动系统的动态过渡过程;第5节介绍多轴电力拖动系统的化简与折算方法。
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电力拖动系统的运动方程
拖动就是由原动机带动生产机械产生运动。以电动机作为原动机拖动生产机械运动的拖动方式,称为电力拖动。如图4-1所示,电力拖动系统一般由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成,通常又把传动机构和工作机构称为电动机的机械负载。
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1. 运动方程式
电力拖动系统经过化简, 都可转为如图4-2a所示的电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连的单轴电力拖动系统,各物理量的方向标示如图4-2b。根据牛顿力学定律, 该系统的运动方程为
(4-1)
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在工程计算中,通常用转速n单位为转/分(r/min)代替角速度;用飞轮矩GD2代替转动惯量J。由于n与的关系为
(4-2)
J与GD2 的关系为
(4-3)
式中 g ——重力加速度,可取g = 。
电力拖动系统运动方程的实用形式为
(4-4)
式中 375 = 4g × 60/2π,是具有加速度量纲的系数。
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2. 运动方程中方向的约定
式(4-4)中的Te、TL 和n都是有方向的,它们的实际方向可以根据图2-2b给出的参考正方向,用正、负号来表示。这里规定n及Te的参考方向为对观察者而言逆时针为正,反之为负;TL的参考方向为顺时针为正,反之为负。这样规定参考正方向恰好符合式(4-2)中负载转矩TL前有一个负号的表达关系。
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3. 运动方程的物理意义
式(4-4)表明电力拖动系统的转速变化dn/dt(即加速度)由电动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系决定。
1)当Te = TL 时, dn/dt = 0,表示电动机以恒定转速旋转或静止不动,电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或稳态;
2)若Te >TL 时, dn/dt >0,系统处于加速状态;
3)若Te <TL 时, dn/dt <0,系统处于减速状态。
也就是一旦 dn/dt ≠ TL,则转速将发生变化,我们把这种运动状态称为动态或过渡状态。
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生产机械的负载转矩特性
在运动方程式中,负载转矩TL与转速n的关系TL= f(n)即为生产机械的负载转矩特性。负载转矩TL的大小与多种因素有关。以车床主轴为例,当车床切削工件时,主轴转矩和切削速度、切削量大小、工件直径、工件材料及刀具类型等都有密切关系。大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为下列三种类型。
恒转矩负载特性
所谓恒转矩负载特性,就是指负载转矩TL 与转速n无关的特性,即当转速变化时,负载转矩TL保持常值。恒转矩负载特性又可分为反抗性负载特性和位能性负载特性两种:
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反抗性恒转矩负载特性的特点是,恒值转矩TL总是反对运动的方向。根据前述正负符号的规定,当正转时,n为正,转矩TL为反向,应取正号,即为+TL;而反转时,,应变为−TL,如图4-3所示。显然,反抗性恒转矩负载特性应画在第一与第三象限内, 属于这类特性的负载有金属的压延、机床的平移机构等。
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位能性恒值负载转矩则与反抗性的特性不同,其特点是转矩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),负载转矩始终为反方向,即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。由图4-4可见, 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。
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