[工学]第二章直流电动机的电力拖动.doc

第二章　直流电动机的电力拖动电动机作为 原动机来带动生产机械工作的方式成为电力拖动电力拖动系统一般由原动机（电动机）、工作机（生产机械的工作机构）、传动机构、控制设备及电源等五部分构成本章主要分析直流电机拖动系统的运动方程、机械特性、起动、调速及制动的原理及方法第一节 电力拖动系统的动力学基础电力拖动系统是指由各种电动机作为原动机，拖动各种生产机械（如起重机的大车和小车、龙门刨床的工作台等），完成一定生产任务的系统拖动系统的组成如图 2—1 所示其中：电动机是把电能转换为机械能，用来拖动生产机械工作的；生产机械是执行某一生产任务的机械设备（通过传动机构或直接与电动机相联接）；控制设备是由各种控制电机、电器、自动化元件或工业控制计算机等组成，用以控制电动机的运动，从而实现对生产机械的控制；电源完成对电动机和电气控制设备的供电图 2—1　电力拖动系统示意图1—电动机；2—工作机械；3—控制设备；4—电源一、单轴电力拖动系统的运动方程式（一）运动方程式图 2—2 是一直线运动系统，由物理学中牛顿运动第二定律可知，当物体作加速运动时其运动方程式为（式 2—1）madtvFz式中　 F——驱动力， N； FZ——阻力， N；——使物体加速的惯性力，也称动态力；madtvm——物体的质量，kg； ——直线运动加速度， ；t 2s图 2—2　直线运动系统仿照直线运动，可写出图 2—3 单轴电机拖动系统旋转时以转矩表示的运动方程式为（式 2—2）dtJTjt式中　 ——电动机的电磁转矩， ； T——系统的静阻转矩， ，静阻转矩为负载转矩 与电动机空载转矩 之jt LT0T和； ——运动系统的转动惯量， ；J2.mKg——系统的角加速度， ；dtsrad——角速度， 。

图 2—3　单轴电机拖动系统公式（2—2）实质上是旋转运动系统的牛顿第二定律在实际工程计算中，经常用转速 代替角速度 表示系统的转动速度，用飞轮矩 代替转动惯量 表示系统的机械n2GDJ惯性 与 ﹑ 与 的关系为 J2GD（式 2—3）60n（式 2—4）gmp4222式中， ——转速， ； ——旋转体的质量， ； ——旋转体的重量， ；nirkN——旋转部件的惯性半径， ； ——旋转部件的惯性直径， ；——重力加速度，  m281.9sg把公式（2—2）、（2—4）代入公式（2—2），并忽略电动机的空载转矩（空载转矩占额定负载转矩的百分之几，在工程计算中是允许的），即认为 经整理可得出LjtT单轴拖动系统的运动方程的实用表达式（式 2—5）dtnGDTL3752式中， ——旋转体的飞轮矩， 2GD.mN应注意，公式（2—5）中的 375 具有加速度的量纲； 是整个系统旋转惯性的整体物理量电动机和生产机械的 可从产品样本或有关设计资料中查得2公式（2—5）是今后常用的运动方程式，它反映了电机拖动系统机械运动的普遍规律，是研究电机拖动系统各种运转状态的基础由式（2—5）可知，电力拖动系统运行可分为三种状态：（1）当 ， 时，系统作加速运动，电动机把从电网吸收的电能转变为LT0dtn旋转系统的动能，使系统的动能增加。

2）当 ， 时，系统作减速运动，系统将放出的动能转变为电能反馈回Lt电网，使系统的动能减少3）当 ， 时， =常数（或 =0），系统处于恒转速运行（或静止）LT0dtnn状态系统既不放出动能，也不吸收动能由此可见，只要 ，系统就处于加速或减速运行（也可以说是处于瞬态过程），t而 叫做稳态运行0dtn（二）运动方程式中转矩正、负号的规定在电力拖动系统中，由于生产机械负载类型的不同，电动机的运行状态也发生变化即电动机的电磁转矩并不都是驱动性质的转矩，生产机械的负载转矩也并不都是阻转矩，它们的大小和方向都可能随系统运行状态的不同而发生变化因此运动方程式中的 和T是带有正、负号的代数量一般规定如下：LT首先规定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速 的正方向电动机的电磁转矩n与转速 的正方向相同时为正，相反时为负；负载转矩 与转速 的正方向相反时为正，n LT相同时为负； 的正负由 和 的代数和决定dtTL二、多轴电力拖动系统工作机构转矩和飞轮矩的折算在电力拖动系统中，若电动机和工作机构直接相连，那么电动机的转速与工作机构的转速就相等，如果忽略电动机的空载转矩 ，则工作机构的负载转矩就是作用在电动机转0轴上的阻转矩，这种系统称为单轴系统。

而实际的拖动系统，电动机和工作机构之间由若干级传动齿轮或其他传动机件联接这样通过一套传动机构，才能使电动机的转速 变换n成工作机构所需要的转速 ，这种系统我们称为多轴系统如图 2—4(a)所示ln图 2—4　旋转工作机构的电力拖动系统（a）实际的多轴系统；（b）等效的单轴系统显然，要研究这个多轴电力拖动系统的运动情况比单轴系统就复杂多了原则上讲，可以列出每根轴自身的运动方程式，再列出各轴之间互相联系的方程式，最后联立求解这些方程，才能分析研究整个系统的运动为了简化分析计算，通常把传动机构和工作机构看成一个整体，且等效成一个负载，直接作用在电动机轴上，变多轴系统为单轴系统，如图 2—4(b)所示我们把这项工作叫做折算折算的原则是保持拖动系统折算前后，传送的功率和贮存的动能不变若以电动机轴为研究对象，需要折算的量有工作机构的负载转矩、系统中各轴（除电动机轴之外）的转动惯量对于某些做直线运动的工作机构，还必须把进行直线运动的质量及运动所需克服的阻力折算到电动机轴上为了区分折算值（或称等效值）与实际值，把所有表示实际值且需要折算的各物理量右上角加撇“′”一）工作机构负载转矩 的折算LT参见图 2—4，折算前工作机构的负载转矩为 ，对应的功率 ；折算后的LT LTP等效负载转矩为 ，对应的功率 。

按折算前后功率不变的原则应有如下关系：LLP（式 2—6）k1式中， ，为电动机与工作机构的转速比Lnk一般传动机构是起减速作用的，所以 ，那么由式（2—6）可以看出，实际负载1转矩 较大，等效负载转矩 TL仅为实际负载转矩 的 如果不考虑损耗，两者的功LTk率是相等的，实际上在传动过程中，传动机构存在着功率损耗，称为传动损耗我们把传动损耗用传动效率 体现在折算的关系式中1．当电动机工作在电动状态时，传动损耗由电动机承担，电动机输出的功率比生产机械消耗的功率大，这时的功率关系应为（式 2—7）LP即　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　（式 2—8）LT所以　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　（式 2—9）k２．当电动机工作在制动状态时，则传动损耗由生产机械的负载承担（由生产机械带动电动机），如吊车卷扬机在下放重物时，功率是由重物下放时的位能克服传动机构的摩擦损耗后传到电动机轴上，因此功率平衡关系为（式 2—10）LLT即　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　（式 2—11）k公式中转速比 为传动机构总的转速比，若已知多级传动机构中每级转速比 、 、k 1k2、……，3k则　　　　　　　　　　　　　 ……　　　　　　（式 2—12）321传动效率 是传动机构的总效率，在多级传动中，如各级的传动效率分别为 、  12、 ……，3则总效率为　　　　　　　　　 ……　　　　　　（式 2—13）321前面已经谈及，一般情况 。

而不同种类的传动机构，其每级效率是不同的，并k且负载大小不同时，效率也不同通常在进行粗略计算时，不考虑这个差别，而采用满载效率进行计算二）传动机构与工作机构飞轮矩的折算以图 2—4 为例，飞轮矩的折算即是把图 2—4(a)中的工作机构轴与传动机构各轴上的飞轮矩（或转动惯量）一并折算成图 2—4(b)中的一个等效的飞轮矩 （或转动惯量2GDJ）折算时应保持实际系统与等效系统贮存的动能相等，于是可得（式 2—212 11 LMJJJ K14）（式 2—2221 L15）考虑到 ， ，可得等效的飞轮矩为2GDJn（式 2—16）2212 kGDkLMK一般情况下，工作机构轴上的飞轮矩折算值占的比重较小，传动机构飞轮矩的折算值占的比重更小，电动机轴上的飞轮矩最大为减少折算的麻烦，在实际计算中，可用下式估算系统总的飞轮矩 （式 2—17）22MGD式中， 是电动机转子本身的飞轮矩，其值可从产品目录中查得 一般取2MGD 0.2～0.3，如果在电动机轴上还有其他大飞轮矩部件，如制动器的闸轮等， 值则需取得大一些三）直线运动系统中，负载直线力的折算以图 2—5 所示的起重机提升和下放重物为例，说明负载直线力的折算。

折算的方法与上述相同，也是以传送功率不变为原则图 2—5　直线工作机构的电力拖动系统（a）实际的多轴系统；（b）等效繁荣单轴系统电动机工作在电动状态（提升重物），根据折算原则，并考虑传动装置的损耗由电动机承担，则不难得出折算后的等效转矩为（式 2—18）nFTII.92．电动机工作在制动状态（下放重物），此时功率是由负载向电动机传送，传动装置的损耗由负载承担，这时的等效转矩为（式 2—19）II5.在上两式中， 为工作机构的直线作用力，单位为 ； 为工作机构直线运动的速度，LFN单位为 ； 为电动机转速，单位为 ； 为起重机提升重物时的传动装置效率；smnminr为起重机下放重物时的传动效率（四）工作机构直线运动质量的折算在图 2—5 中，工作机构作直线运动时，其质量 中贮存有动能，为此应把速度为L的质量 折算到电动机轴上的一个等效飞轮矩 折算的原则是保持其动能不变，LL 2GD即（式 2—20）221ImJ（式 2—21）2I把 及 代入上式，经化简得运动质量 的等效飞轮矩为gGDJ4260ngGmLL（式 2—22）22365nDI应用上述分析中介绍的方法，无论是旋转工作机构的多轴系统，还是直线工作机构的多轴系统，都可以用一个旋转的单轴系统来等效。

这样仅用一个运动方程式（2—5），就可以研究实际多轴系统的问题了三、生产机械的负载特性电力拖动系统是电动机和生产机械这两个对立物的统一体单轴电力拖动系统的运动方程定量地描述了电动机的电磁转矩 与生产机械的负载转矩 和系统转速 之间的关系TLTn但是，要对运动方程式求解，除了要知道电动机的机械特性 之外，还必须知道负Tfn载的机械特性 本节就讨论负载的机械特性LTfn负载的机械特性就是生产机械的负载特性它表示同一转轴上转速与负载转矩之间的函数关系，即 虽然生产机械的类型很多，但是大多数生产机械的负载特性可概括为下列三大类一）恒转矩负载特性这一类负载比较多，它的机械特性的特点是：负载转矩 TL的大小与转速 n 无关，即当转速变化时，负载转矩保持常数根据负载转矩的方向是否与转向有关，恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种1．反抗性恒转矩负载这类负载的特点是：负载转矩的大小恒定不变，而负载转矩的方向总是与转速的方向相反，即负载转矩始终是阻碍运动的属于这一类的生产机械有起重机的行走机构，皮带运输机等图 2—6(a)所示为桥式起重机的行走机构的行走车轮，在轨道上的摩擦力总是和运动方向相反的。

图 2—6(b)为对应的机械特性曲线，显然，反抗性恒转矩负载特性位于第一和第三象限内图 2—6　反抗性负载转矩与旋转方向关系（a）示意图；（b）机械特性曲线2．位能性恒转短负载这类负载的特点是：不仅负载转矩的大小恒定不变，而且负载转矩的方向也不变属于这一类的负载有起重机的提升机构，如图 2—7(a)所示，负载转矩是由重力作用产生的，无论起重机是提升重物还是下放重物，重力作用方向始终不变图 2—7(b)为对应的机械特性曲线，显然位能性恒转矩负载特性位于第一与第四象限内。