1、精選優質文檔-傾情為你奉上電機學詳細介紹 電力拖動就是應用電動機驅動生產機械運動，以完成一定的生產任務。 一般情況下，電力拖動系統可分為電動機、工作機構、控制設備及電源等四個組成部分，如圖21所示。電動機把電能轉換成機械動力，用以拖動生產機械的某工作機構，工作機構是生產機械為執行某一任務的機械部分。控制設備是由各種控制電機、電器、自動化元件及工業控制計算機等組成的，用以控制電動機的運動，從而對工作機構的運動實現自動控制。為了向電動機及一些電氣控制設備供電，在電力拖動系統中還設有電源。 要指出的是，在許多情況下，電動機與工作機構并不同軸，而在二者之間有傳動機構，它把電動機的轉動經過中間變速或變換

2、運動方式后再傳給生產機械的工作機構。圖21 電力拖動系統組成2.1 電力拖動系統運動方程2.1.1 電力拖動系統運動方程圖22為一單軸電力拖動系統，電動機在電力拖動系統中作旋轉運動時，必須遵循下列基本的運動方程式。圖22 單軸電力拖動系統旋轉運動的方程式為 （22）式中，為電動機產生的拖動轉矩()；為負載轉矩( )；為慣性轉矩(或稱動轉矩)，為轉動慣量可用下式表示 （23）式中，、分別為旋轉部分的質量()與重量()；、分別為轉動慣性半徑與直徑()；為重力加速度,；的單位為。 需要說明的是，式（22）中忽略了電動機本身的損耗轉矩，認為電動機產生的電磁轉矩全部用來拖動負載。這一點將在以后的內容詳細

3、介紹。在實際計算中常用式（22）的另一種形式。即將角速度 (的單位為，的單位為)代入式（22）得運動方程式實用形式： （24）式中，為飛輪矩()，；系數是具有加速度量綱的系數。電動機的轉子及其他轉動部件的飛輪矩的數值可由相應的產品目錄中查到，但是應注意將單位化成國際單位制（乘以）。電動機的工作狀態可由運動方程式表示出來。分析式（24）可見（1） 當，則常值，電力拖動系統處于穩定運轉狀態；（2） 當，電力拖動系統處于加速過渡過程狀態中；(3) 當，電力拖動系統處于減速過渡過程狀態中。 2.1.1 運動方程式中轉矩的符號分析 應用運動方程式，通常以電動機軸為研究對象。由于電動機運轉狀態的不同以及生

4、產機械負載類型的不同，電動機軸上的拖動轉矩及負載轉矩不僅大小不同，方向也是變化的。運動方程式可寫成下列一般形式： （25）式（25）中拖動轉矩及負載轉矩前均帶有正負符號，并作如下規定：如設定電力拖動系統的正方向，則拖動轉矩的方向如果與所設定的正方向相同，前帶正號，相反時帶負號。在式（25）中，由于負載轉矩前已帶有負號，因此其正負號的規定恰與拖動轉矩的規定相反。即當負載轉矩的方向與設定的旋轉正方向相同時，負載轉矩前取負號，相反時則取正號。本書的計算中，均規定電力拖動系統的正向電動機轉向為系統的正方向。不太通順上面的規定也可歸納為：拖動轉矩與規定正向相同取正，相反取負；負載轉矩與規定正向相同取負，

5、相反取正。 慣性轉矩的大小及正負符號由拖動轉矩及負載轉矩的代數和來決定。2.2 復雜電力拖動系統的簡化實際拖動系統的傳動軸常是多根，如圖23（a）所示，圖中采用三個軸把電動機角速度變成符合于工作機構需要的角速度。在不同的軸上各有其本身的轉動慣量及轉速，也有相應的反映電動機拖動的拖動轉矩及反映工作機構工作的負載轉矩。通常只要把電動機軸作為研究對象即可。因此，需要進行折算，即把實際的拖動系統等效為單軸系統。折算的原則是：保持折算前后系統傳送的功率及儲存的動能不變。這樣圖23（a）所示的多軸系統就折算為圖23（b）所示的單軸拖動系統，分析計算大為簡化。如圖23（a）中所示電力拖動系統中，以電動機軸為

6、折算對象，需要折算的參量為：工作機構轉矩，傳動機構的轉動慣量，工作機構的轉動慣量。對于某些作直線運動的工作機構，還必須把進行直線運動的質量及運動所得克服的阻力折算到電動機軸上去。 （a） （b)圖23 電力拖動系統示意圖 （a）傳動圖； （b）等效折算圖2.2.1 工作機構為旋轉運動的簡化一、工作機構轉矩的折算設一個兩軸傳動機構，如圖24所示。折算前工作機構轉矩為，折算前工作機構轉軸的角速度為。折算到電動機轉軸后工作機構轉矩為，折算到電動機轉軸的角速度為。折算的原則是系統的傳送功率不變。圖24 兩軸系統的折算示意圖若不考慮中間傳動機構的損耗。按傳送功率不變的原則，應有如下的關系： （27） （

7、28）式中，為電動機軸與工作機構軸間的轉速比，。傳動機構如系多軸齒輪或帶輪變速，而已知每級速比為、，則總的轉速比為各級速比的乘積，即 （29） 在一般設備上，電動機多數是高轉速的，而工作機構軸是低轉速的，故；在一些設備上，如高速離心機等，電動機的轉速比工作機構軸的轉速低，這時。若考慮中間傳動機構的損耗，按傳送功率不變的原則，應有如下的關系 （210）式中，為傳動機構總效率，等于各級傳動機構效率乘積，即 考慮中間傳動機構的損耗，傳動機構轉矩損耗為 （211）在圖23所示的電力拖動系統中，負載由電動機拖著轉，電磁轉矩為拖動性質轉矩，由電動機負擔。二、傳動機構與工作機構轉動慣量和飛輪矩的折算 在多軸

8、系統中，必須將傳動機構各軸的轉動慣量、及工作機構的轉動慣量折算到電動機軸上，用電動機軸上一個等效的轉動慣量(或飛輪矩)來反映整個拖動系統轉速不同的各軸的轉動慣量(或飛輪矩)的影響。各軸轉動慣量對運動過程的影響直接反映在各軸轉動慣量所儲存的動能上，因此折算必須以實際系統與等效系統儲存動能相等為原則。當各軸的角速度為、時，得下列關系： （212） （213）化成用飛輪矩及 ()表示的形式，考慮到 （214）一般情況下，在系統總的飛輪矩中，占最大比重的是電動機軸上的飛輪矩，其次是工作機構的上的飛輪矩的折算值，占比重較小的是傳動機構各軸上的飛輪矩的折算值。在實際工作中，為了減少折算的麻煩，往往采用下式

9、估算出系統的總飛輪矩： （215）式中，為電動機軸上的飛輪矩；為若電動機軸上只有傳動機構中第一級小齒輪時，若電動機軸上有其他部件如抱閘等，的數值需要加大。例21 圖23所示的電力拖動系統中，已知電動機的飛輪矩，傳動機構的飛輪矩，工作機構的飛輪矩，傳動機構的效率，工作機構的轉矩，轉速，忽略電動機空載轉矩，求：（1） 折算到電動機軸上的系統總飛輪矩；（2） 折算到電動機軸上的負載轉矩。解：（1）折算到電動機軸上的系統總飛輪矩（2）折算到電動機軸上的負載轉矩2.2.2 工作機構為直線運動的簡化某些生產機械具有直線運動的工作機構，如起重機的提升機構，其鋼繩以力吊質量為的重物，以速度等速上升或下降，如圖

10、25所示。 圖25 起重機示意圖另外，如刨床工作臺帶動工件前進，以某一切削速度進行切削，也是直線運動機構的例子。無論是鋼繩拉力或刨床切削力都將在電動機軸上反映一個負載轉矩，折算原則以傳送功率不變。以圖25為例，介紹折算方法。一、工作機構轉矩的折算若不考慮傳動損耗，折算時根據傳送功率不變，可寫出如下關系式 （216）把電動機角速度換算成轉速，則 （217）式中，為工作機構直線作用力()；為重物提升速度()；為力折算為電動機軸上的阻轉矩。若考慮傳動損耗，折算時根據傳送功率不變，可寫出如下關系式 （218）式中，為傳動機構總效率，等于各級傳動機構效率乘積，即 。 當電動機提升重物時，傳動機構損耗的轉

11、矩由電動機承擔；當下放重物時，傳動機構損耗的轉矩由負載承擔；提升重物時傳動機構的效率為，下放同一重物時傳動機構的效率為，它們之間的關系為 （219）下放同一重物時電動機的負載轉矩為 （220）二、工作機構質量的折算以圖25為例，重物上升或下放中，在其質量中儲存著動能。由于重物的直線運動由電動機帶動，是整個系統的一部分，因此必須把速度()的質量折算到電動機軸上。用電動機的上的一個轉動慣量為的轉動體與之等效。折算的原則是轉動慣量及質量中儲存的動能相等，即 （221）把，代入化簡可得： （222）例22 圖25所示的起重機中，已知減速箱的速比，提升重物時效率，卷筒直徑，空鉤重量，所吊重物，電動機的飛

12、輪矩，當提升速度為時，求（1） 電動機的轉速；（2） 忽略空載轉矩時電動機所帶的負載轉矩；（3） 以下放該重物時，電動機的負載轉矩。解：（1）電動機的轉速（2）忽略空載轉矩時電動機所帶的負載轉矩（3）以下放該重物時，下放同一重物時傳動機構的效率電動機的負載轉矩2.3 電力拖動系統的負載特性在運動方程式中，負載轉矩與轉速的關系稱為負載轉矩特性。負載轉矩的大小和多種因素有關。以車床主軸為例，當車床切削工件時切削速度、切削量大小、工件直徑、工件材料及刀具類型等都有密切關系。大多數生產機械的負載轉矩特性可歸納為三種類型，恒轉矩負載特性、恒功率負載特性和風機、泵類負載特性。2.3.1 恒轉矩負載特性所謂

13、恒轉矩負載特性，就是指負載轉矩與負載轉速無關的特性，當轉速變化時，轉矩保持常值。恒轉矩負載特性多數是反抗性的，也有位能性的。反抗性恒轉矩負載特性的特點是，恒值轉矩總是與運動方向相反。根據第二章第一節中對正負符號的規定，當正轉時為正，轉矩為反向，應取正號，即為（）；而反轉時為負，轉矩為正向，應變為（）；如圖26所示。顯然，反抗性恒轉矩負載特性應在第一與第三象限內。皮帶運輸機、軋鋼機、機床的刀架平移和行走機構等由摩擦力產生轉矩的機械，都是反抗性恒轉矩負載。 位能性恒轉矩負載特性則與反抗性恒轉矩負載特性不同，它由拖動系統中某些具有位能的部件(如起重類型負載中的重物)造成。其特點是轉矩具有固定的方向，

14、不隨轉速方向改變而改變。如圖27所示，不論重物被提升(為正)或下放(為負)，負載轉矩始終為反方向（）。特性在第一與第四象限內，表示恒值特性的直線是連續的。 沒標 圖26 反抗性恒轉矩負載特性 圖27 位能性恒轉矩負載特性實際中的機床刀架等機構在平移時，負載的性質基本上是反抗性恒轉矩負載，但從靜止狀態起動及當轉速還很低時，由于潤滑油沒有散開，靜摩擦系數較動摩擦系數大，摩擦阻力較大。另外，當傳動機構在旋轉時，有一些油或風的阻力，帶通風機負載的性質，導致在轉速較高時，負載轉矩會略見增高。考慮到這些因素后，機床平移機構的實際負載特性如圖28所示。圖28 機床平移機構的實際負載特性2.3.2 恒功率負載

15、特性一些機床，如車床，在粗加工時，切削量大，切削阻力大，此時開低速；在精加工時，切削量小，切削力小，往往開高速。在不同轉速下，負載轉矩基本上與轉速成反比，切削功率基本不變，即 （222）式中，為常數；為負載(切削)功率()。可見，負載轉矩與轉速呈反比，切削功率基本不變，特性曲線呈恒功率的性質。恒功率負載特性如圖29所示。從圖中可以看出A點所對應的陰影面積與B點所對應的相等。 圖29 恒功率負載特性 2.3.3 泵類負載特性風機、泵類負載的轉矩與轉速大小有關，基本上與轉速的平方成正比 （222）式中，為比例常數。 風機、泵類負載特性如圖210所示。屬于通風機負載的生產機械有通風機、水泵、油泵等，

16、其中空氣、水、油等介質對機器葉片的阻力基本上和轉速的平方成正比。 圖210 風機、泵類負載特性 圖211 實際風機、泵類負載特性實際生產機械的負載轉矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。例如，實際通風機除了主要是通風機負載特性外，由于其軸承上還有一定的摩擦轉矩，因而實際通風機負載特性為，如圖211所示。除了上述幾種類型的生產機城外，還有一些生產機械具有各自的負載特性，如帶曲柄連桿機構的生產機械，它們的負載轉矩隨轉角而變化；而球磨機，碎石機等生產機械，其負載轉矩則隨時間作無規律的隨機變化等等。*2.3.4 電力拖動交通車輛的阻力曲線電力拖動的交通車輛是另一種典型的電力拖動系統。列車的運行阻力包括基

17、本阻力和附加阻力。一、基本阻力基本阻力主要由軸承摩擦阻力、車輪與鋼軌耦合產生的滾動阻力和滑動阻力、車輪與鋼軌的沖擊與震動產生的阻力，空氣阻力。由于構成基本阻力的因素很多，一般通過大量的試驗確定對不同型號和編組的列車的經驗公式近似表征列車的基本阻力。如城市軌道交通系統中的廣州地鐵列車基本阻力計算式為 （223）式中，為單位基本阻力，即每單位列車重量（）的基本阻力（），表示為()；為列車運行速度。當已知列車總重的數以后，不難計算列車的總基本阻力。基本阻力曲線如圖212所示。 圖212 列車基本阻力曲線圖212中，縱坐標表示列車運行速度，橫坐標表示阻力。 二、附加阻力 附加阻力是線路或隧道等原因形成

18、的，包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力。坡道附加阻力是當機車、車輛在坡道上運行時，其重力沿坡道方向的分力引起的；曲線附加阻力是因為機車、車輛通過曲線時，車輪和鋼軌產生的摩擦引起的；隧道附加阻力是由隧道空氣對機車、車輛產生額外阻力。其中曲線附加阻力和隧道附加阻力無論列車運行方向如何，其阻力值始終為正；坡道附加阻力在列車上坡時為正，下坡時為負。所以列車在長大下坡時的附加阻力可能會達到負值，如圖213 所示。 圖213 長大下坡時的單位附加阻力 三、合成阻力 合成阻力就是列車的總阻力，包括基本阻力和附加阻力。將圖212和圖213的阻力合成，可得合成阻力曲線如圖214所示。 圖214 列車的

19、合成阻力曲線 從圖214可以看出，列車阻力可以為負值。這一阻力特性在城市無軌電車、城市軌道交通車輛和電力機車牽引的干線鐵路車輛中常常可以遇到。2.4 電力拖動系統的穩定運行的條件電力拖動系統穩定運行包含兩重含義：一是系統應能以一定的轉速勻速運轉，二是系統受某種外部干擾(如電壓波動、負載轉矩波動等)使轉速稍有變化時，應保證在干擾消除后，系統能恢復到原來的運行速度。為保證系統能以一定轉速勻速運行必要條件是電動機軸上的拖動轉矩和負載轉矩大小相等，方向相反，相互平衡。在坐標平面上，這意味著電動機的機械特性曲線和生產機械的機械特性曲線必須有交點，如圖215所示。圖215 穩定工作點的判別 圖中曲線1為異

20、步電動機的機械特性，曲線2為電動機拖動的生產機械的機械特性(恒轉矩負載)。兩特性曲線有和兩個交點，兩個交點是拖動系統的平衡點。負載的機械特性曲線與電動機特性存在交點只是保證系統穩定運行的必要條件還不是充分條件。下面判斷點是否是穩定平衡點。先假設系統在點穩速運行，此時電機的電磁轉矩等于負載轉矩，即。當系統出現干擾，例如負載轉矩突然從增加到時，使電機轉矩小于負載轉矩，即，電機轉速由降為，電動機的轉矩增加到，使得，電動機的運行點從點變為點。當干擾消除以后，負載轉矩回到，這時，轉速上升，從電動機的機械特性的段可看出，電機的電磁轉矩又隨的上升而減小，直至回到最初的穩定狀態，到，系統重在點運行。可以看出，

21、當干擾消除后，系統重新回到原來的運行點。所以點是系統的穩定平衡點，即穩定工作點。而穩定平衡點的情況不同。當系統在點運行時，當系統出現干擾時，例如負載轉矩突然升高到，電機轉矩必然由上升到，轉速由變為，電動機的運行點從點變為點。當干擾消除以后，轉速上升，從電動機的機械特性的段可看出，而又隨的上升而增加，電磁轉矩更加大于負載轉矩，電動機的轉速還要上升，系統非但不能回到平衡點，而是遠離平衡點。顯然點不是穩定點。從以上分析可以總結出：電力拖動系統穩定運行的充分必要條件是：(1) 電動機機械特性曲線和生產機械的機械特性曲線有交點(即拖動系統的平衡點)，即； (2) 在平衡點所對應的轉速之上應有，而在平衡點所對應的轉速之下，即 （224）小結本章主要研究電力拖動系統中電動機和生產機械之間的關系問題，具體體現在拖動轉矩和負載轉矩的關系上，用電力拖動運動方程式來表示，即 一個實際的電力拖動系統往往是多軸的，因此需要把傳動機構、工作機構的轉矩、力、飛輪矩和質量折算到電動機軸上，電動機和生產機械就成為同軸聯接的系統，有著同樣的轉速。的方程式或曲線稱為電動機的機械特性，的方程式或曲線則稱為負載轉矩特性。利用電動機的機械特性和負載的機械特性，可以清楚地分析電力拖動系統的各種運行狀態。思 考 題1 如何從電力拖動運動方程式