大学电机与拖动课程第一章简介.ppt

1,电机与拖动,主讲人：电话：,2,绪 论,1 电机和电力拖动技术在国民经济中的作用,2 电机以及电力拖动的发展概况,3 本课程的主要内容、任务和学习方法,3,电能是现代能源中应用最广的二次能源，它的生产、变换、传输、分配、使用和控制都比较方便经济，而要实现电能的生产、变换和使用等都离不开电机。电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。电机在国民经济的各个领域起着重要作用。,1 电机和电力拖动技术在国民经济中的作用,4,在电力工业中，产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。在工业企业中，人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求。在交通运输业中，需要大量的牵引电动机。在电力排灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。在品种繁多的家用电器中，也离不开功能各异的小功率电动机。,用电动机作为原动机拖动生产机械运行的系统，称为电力拖动系统。电力拖动是机电设备中的一个重要组成部分。,5,除小部分生产机械采用气动或液压拖动外，绝大多数的生产机械都采用电力拖动，这源于电力拖动有其一系列的优点：（1）电能的远距离输送简便经济，分配简单，检测方便；（2）电力拖动比其他形式的拖动效率高，电动机与被拖动机械的联接简便；（3）电动机的形式和种类很多，具有各种各样的特性，可适应不同生产机械的需要，且电力拖动的起动、制动与调速等控制简便迅速，调节性能好；（4）可实现远距离控制与自动调节，并进而实现生产过程的自动化。,6,始于19世纪6070年代的第二次工业技术革命，是以电力的广泛应用为显著特点的。从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上，一系列电气发明相继出现。1866年，德国工程师西门子制成发电机；1870年比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始成为取代蒸汽来拖动机器的新能源。随后，各种用电设备相继出现。1882年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。,2 电机以及电力拖动的发展概况,7,同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第一个火力发电站，把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时，电机刚刚在工业上初步应用，各种电机初步定型，电机设计理论和电机设计计算初步建立。随着社会生产的发展和科技的进步，对电机也提出了更高的要求，如：性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻体积小等，而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电机的理论基础上，,8,又派生出多种精度高、响应快的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。电机制造也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向高效节能方向发展。各种响应快速、起停快速的特种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控制论结合起来，发展成了一门新的学科。,9,在我国，电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从1917年至今已有80多年的历史，经过改革开放20多年的发展，特别是近10年的发展，有了长足的进步，令世人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体系，电机产品的品种、规格、性能和产量满足了我国国民经济发展的需要。而且一些产品已经达到或接近世界先进水平。近来世界上电机行业专家纷纷预测，中国将会成为世界电动机的生产制造基地。,10,本课程是电气自动化、电气技术和机电一体化等专业的一门专业基础课。“电机与拖动”是“电机学”和“电力拖动技术”两部分内容的有机结合，它是在学习了“电工基础”等课程的基础上，通过讲授直流电机、变压器、交流电机的基本理论和电力拖动的基本原理等知识，以期达到下列要求：（1）熟悉直流电机、变压器、三相异步电动机的基本结构，掌握它们的工作原理。（2）掌握直流电动机、三相异步电动机的机械特性及各种运转状态的基本理论。,3 本课程的主要内容、任务和学习方法,11,（3）掌握直流电动机、三相异步电动机起动、制动、调速的电力拖动基本原理和计算方法。（4）掌握电机及电力拖动实验的基本方法和技能。,“电机与拖动”既是一门技术基础课，又具有专业课的性质，不仅有理论的分析推导、磁场的抽象叙述，还要用基本理论去分析比较复杂又带有机、电、磁综合性的工程实际问题，这是学习本课程的难点,12,学习时应注意以下几点：（1）牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（2）可运用类比或比较的学习方法，找出各种电机的共性和个性，以加深对各种电机及拖动系统性能的理解。（3）要理论联系实际，重视实验和实训环节。（4）课前应预习，课后应及时复习,并选择适当的思考题和习题作为课外作业，以巩固理论知识，提高理解和运算能力。,13,第一章 电力拖动系统的动力学基础,第一节 电力拖动系统的运动方程式,电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源等五个组成部分,在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而在二者之间有传动机构，它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,14,一、运动方程式,电力拖动系统经过化简，都可转为如图1-2a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1-2b。,15,对于直线运动,对于旋转运动,式中 m与G旋转部分的质量（kg）与重量（N）r 与D惯性半径与直径（m）,式中 称为飞轮惯量（），,（1-4）,375=4g 602，是具有加速度量纲的系数。,根据牛顿力学定律，该系统的运动方程为:,16,二、运动方程式方向的约定,运动方程式的一般形式,、和n都是有方向的，它们的实际方向可以根据图1-2b给出的参考正方向，用正、负号来表示。这里规定n及 的参考方向为对观察者而言逆时针为正，反之为负；的参考方向为顺时针为正，反之为负。,17,三、运动方程的物理意义,也就是一旦，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。,18,第二节 多轴电力拖动系统的化简,前面我们讨论了单轴电力拖动系统问题，但是，实际的电力拖动系统往往是复杂的，有的生产机械需要通过传动机构进行转速匹配，因此增加了很多齿轮和传动轴；有的生产机械需要通过传动机构把旋转运动变成直线运动，比如：刨床、起货机等。对这样一些复杂的电力拖动系统，如何来研究其力学问题呢？一般来说，有两种解决办法：（1）对拖动系统的每根轴分别列出其运动方程，用连列方程组来消除中间变量。这种解法会因方程较多，计算量大而比较繁杂。（2）用折算的方法把复杂的多轴拖动系统等效为一个简单的单轴拖动系统，然后通过对等效系统建立运动方程，以实现问题求解。这种方法相对而言较为简单。,19,、系统等效的原则和方法,在电力拖动系统的分析中，对于一个复杂的多轴电力拖动系统，比较简单而且实用的方法是用折算的方法把它等效成一个简单的单轴拖动系统来处理，并使两者的动力学性能保持不变。一个典型的等效过程如图1-3所示，其基本思想是通过传动机构的力学折算把实际的多轴系统表示成等效的单轴系统。,系统等效的的原则是：保持两个系统传递的功率及储存的动能相同。,20,二、多轴旋转系统等效为单轴旋转系统的方法,静态转矩的折算,如果不考虑传动机构的损耗，工作机构折算前的机械功率为，折算后电动机轴上的机械功率为，根据功率不变原则，应有折算前后工作机构的传递功率相等，即,式中:生产机械的负载转速；电动机转速。,（1-5）,21,由式（1-5）可得,如果要考虑传动机构的损耗，可以在折算公式中引入传动效率c。由于功率传送是有方向的，因此引入效率c 时必须注意：要因功率传送方向的不同而不同。现分两种情况讨论：（1）电动机工作在电动状态，此时由电动机带动工作机构，功率由电动机各工作机构传送，传动损耗由运动机构承担，即电动机发出的功率比生产机械消耗的功率大。根据功率不变原则，应有,式中jL 电动机轴与工作机械轴间的转速比jL=/L=n/nL,22,（1-8）,（2）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和向电动机传送。因而传动损耗由工作机构承担，根据功率不变原则，应有,(1-7),(1-10),(1-9),23,对于系统有多级齿轮或皮带轮变速的情况，设已知各级速比为j1，j2，jn，则总的速比为各级速比之积，即,（1-11）,在多级传动时，如果已知各级的传递效率为：c1，c2，cn，则总效率 c 应为各级效率之积，即,（1-12）,24,2转动惯量和飞轮矩的折算,将图1-4中 两轴系统中的电动机转动惯量 Je 和生产机械的负载转动惯量JL，折算到电动机轴的等效系统的转动惯量J，其等效原则是：折算前后系统的动能不变，即有,（1-13）,（1-14）,25,整理后：,（1-15）,根据式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,（1-16）,式中，j1，j2，jn电动机轴对中间传动轴的传动比；J1，J2，Jn各传动轴的转动惯量GD21，GD21，GD2n各传动轴的飞轮惯量,26,三、直线运动系统等效为旋转运动系统,有些生产机械它不仅有旋转运动部件，还兼有直线运动部件，分析时要将这样的拖动系统等效为简单的单轴拖动系统，如图1-5所示。,27,静态力FL（或称负载重力）的折算,把直线运动的静态力FL折算到电动机轴上的等效静转矩TL的原则仍是保持折算前后的静态功率不变。如果考虑功率的传递方向，同样分两种情况讨论：（1）电动机工作在电动状态，此时由电动机带动工作机构，使重物提升。由图1-5，折算前直线运动部件的静态功率PL为,（1-20）,折算后等效拖动系统的静态功率PL 为,（1-21）,28,代入关系式=2n/60，经整理，得到如下折算公式,（1-23）,现功率是由电动机传向负载，按功率平衡原则PL=PL/c，即,（1-22）,（2）电动机工作在发电制动状态，此时工作机构带动电动机，使重物下放。根据功率平衡关系，有,（1-24）,29,由此得：,（1-25）,式中，,物体下放时的传动效率。,2.直线运动系统质量的折算 由图1-5所示，将直线运动系统的质量mL折算到电动机轴上，用等效的转动惯量J 来表示。折算的原则是两者储存的动能相等，即,（1-26）,（1-27）,30,可得,由于=2n/60，mL=GL/g，,31,第三节 生产机械的负载转矩特性,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：,1、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。,2、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。,32,恒转矩负载特性,33,二、恒功率负载特性,有些生产机械，比如车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，切削阻力小，往往开高速。因此，在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，即,由于负载功率PL=TL，=2n/60，即 PL=TL2n/60=TL n/9.55，再代入上式，可得PL=k/9.55为常数，表示在不同转速下，电力拖动系统的功率保持不变，负载转矩 TL与n 的持性曲线呈现恒功率的性质,34,三、通风机负载特性,通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比。为反抗性负载。,属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。,35,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。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩，因而实际通风机负载特性应为,36,第四节 电力拖动系统的稳定运行,电力拖动系统是由电动机与负载两部分组成的，电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为机械特性n=f(Te)，分析电力拖动系统稳定运行问题。,为了便于理解，现分两步来分析和求解问题：给出问题的直观解，即首先建立电力拖动系统稳定运行 的直观概念；从电力拖动系统的运动方程出发，给出这一问题的解析解。,电力拖动系统稳定运行的概念：,所谓电力拖动系统稳定运行是指系统在扰动作用下，离开原来的平衡状态，但仍然能够在新的运行条件达到平衡状态，或者在扰动消失之后，能够回到原有的平衡状态。,37,提问：是否在所有的电动机机械特性与负载转矩特性交点上运行的情况都能够稳定运行呢？下面举例说明。,38,显然，在交点A处，nnA，TTL，满足了系统稳定运行的必要条件。,当系统出现干扰，电动机的机械特性突然(忽略电磁过渡过程)从曲线1变成曲线1，而此时的转速不能突变，仍为nA，可是曲线1的电磁转短小于负载转矩，系统开始减速。随着转速的降低，电磁转矩继续减小，而负载转矩仍不变，系统将继续减速，因而转速继续降低，直到转速等于0。,39,第五节 电力拖动系统过渡过程,所谓动态过程是指系统从一个稳定工作点向另一个稳定工作点过渡的中间过程，这个过程被称为过渡过程，系统在过渡过程的变化规律和性能被称为系统的动态特性。,、电力拖动系统动态分析的假设条件,如果已知电动机的机械特性、负载转矩特性、起始点、稳态点以及系统的飞轮矩，可根据电力拖动系统的运动方程，建立关于转速n 的微分方程式，以求解转速方程 n=f（t）。,现假设电动机的机械特性可表示成：,式中，,电动机的理想空载转速（r/min）;,电动机机械特性曲线的斜率，,。,40,二、电力拖动系统转速的动态方程,41,令,为过渡过程的稳态值，,为过渡过程时间常数（通常又称TM为电力拖动系统的机电时间常数）。这样上式可写成,在数学上是一个非奇次一阶微分方程，可用分离变量发求解，得到的通解为,K 为常数，由初始条件决定。设初始条件为t=0，n=nis，代入上式可得 K=nis-nss，由此得到电力拖动系统转速的动态变化规律为,42,转速方程 n=f（t）中包含有两个分量，一个是强制分量nss，也就是过渡过程结束时的稳态值；另一个是自由分量,，它按指数规律衰减至零。,n=f（t）曲线与一般的一阶过渡过程曲线一样，主要应掌握三个要素：起始值、稳态值与时间常数，这三个要素确定了，过渡过程也就确定了。,43,、电力拖动系统转矩的动态方程,同理，将式 给出的电磁转矩Te与转速n的关系代入式 中，可得到如下描述系统转矩动态过程的微分方程,再按前述步骤求解该微分方程，便可得到电力拖动系统的转矩动态方程Te=f（t），即,44,显然，转矩动态方程Te=f（t）也包括一个稳态值和一个指数规律的自由分量，时间常数为,。转矩,的变化也是从初始状态Tis按照指数规律逐渐变化到稳定状态,这里，电动机的电磁转矩的稳态值Tss正好等于负载转矩,该系统转矩的过渡过程如图所示。,45,作业1.1,1.2,1.3,1.5,