激光设备控制技术教材——第一章第五节讲解

第五节 电力拖动系统的动力学基础

凡是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统，都称为电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般由电动机、传动机构、生产机械的工作机构、控制设备以及电源五部分组成，如图1-21所示。其实例是四柱成型机电气自动控制系统，传动机构是联轴器，生产机械的工作机构是成型机，控制设备和电源组合在电气控制柜内。

现代化生产过程中，多数生产机械都采用电力拖动，其主要原因是：电能的传输和分配非常方便，电机的效率高，电动机的多种特性能很好地满足大多数生产机械的不同要求，电力拖动系统的操作和控制都比较简便，可以实现自动控制和远距离操作等。

本节简要介绍电力拖动系统的运动方程式，并对于各种负载的转矩特性加以展开。

一、 电力拖动系统的运动方程式

在图4.1所示的四柱成型机电气自动控制系统中，电动机直接与生产机械的工作机构相连接，电动机与负载用同一个轴，以同一转速运行。电力拖动系统中主要的机械物理量有电动机的转速n ，电磁转矩T ，负载转矩T L 。由于电动机负载运行时，一般情况下T L >>T 0，故可忽略T 0 (T 0为电动机空载转矩)。各物理量的正方向按电动机惯例确定，如图1-22所示，电磁转矩T 的方向与转速n 方向一致时取正号；负载转矩T L 方向与转速n 方向相反时也取正号。根据转矩平衡的关系，可以写出如下形式的电力拖动系统运动方程式。

（1-16） 式中2375GD 是反映电力拖动系统机械惯性的一个常数。上式表明，T =T L 时，系统处于恒定转速运行的稳态；T >T L 时，系统处于加速运动的过渡过程中；T

2375L GD dn T T dt

-=

二、 负载的转矩特性

生产机械工作机构的转速n 与负载转矩T L 之间的关系，即n =f （T L ）称为负载的转矩特性。生产机械的种类很多，它们的负载特性各不相同，但根据统计分析，负载的转矩特性按照性能特点，可以归纳为以下三类。

1．恒转矩负载特性

恒转矩负载是指负载转矩T L 的大小不随转速变化，T L =常数，这种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种：

（1）反抗性恒转矩负载

反抗性恒转矩负载的特点是，工作机构转矩的绝对值是恒定不变的，转矩的性质总是阻止运动的制动性转矩。即： n >0时，T L >0(常数)；n <0时，T L <0 (也是常数)，T L 的绝对值不变。其负载特性如图1-23所示，位于第I 、第Ⅲ象限。由于摩擦力的方向总是与运动方向相反，摩擦力的大小只与正压力和摩擦系数有关，而与运动速度无关。属于这类特性的生产机械有轧钢机和机床的平移机构等。

（2）位能性恒转矩负载

位能性恒转矩负载的特点是，工作机构转矩的绝对值是恒定的，而且方向不变 (与运动方向无关)，总是沿重力作用方向。当n >0时，T L >0，是阻碍运动的制动转矩；当n <0时，T L >0，是帮助运动的驱动转矩，其负载特性如图1-24所示，位于第I 、第Ⅳ象限。起重机提升和下放重物就属于这个类型。

图1-22 并励直流电动机的工作原理图 图1-23 阻力性恒转矩负载特性 图1-24 位能性恒转矩负载特性

2．恒功率负载特性

某些车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，这时工作在低速状态；而在精加工时，切削量小，切削阻力小，往往工作在高速状态。因此，在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，而机械功率P L∝n·T L=常数，称为恒功率负载，其负载转矩特性如图1-25所示。轧钢机轧制钢板时，工件尺寸较小则需要高速度低转矩，工件尺寸较大则需要低速度高转矩，这种工艺要求也是恒功率负载。

3．通风机型负载特性

水泵、油泵、鼓风机、电风扇和螺旋桨等，其转矩的大小与转速的平方成正比，即T L ∝n2，此类称之为通风机型负载，其负载特性如图1-26所示。

上述恒转矩负载、恒功率负载以及通风机型负载，都是从各种实际负载中概括出来的典型的负载形式，实际上的负载可能是以某种典型负载形式为主，或某几种典型负载形式的结合。例如，水泵主要是通风机型负载特性，但是轴承摩擦力又是反抗性的恒转矩负载特性，只是运行时后者数值较小而已。再例如起重机在提升和下放重物时，主要是位能性恒转矩负

载特性，但各个运动部件的摩擦力又是阻力性恒转矩负载特性。