负载转矩特性分析与优化

电力拖动系统的运动方程式中包括了电动机的电磁转矩T_e、生产机械的负载转矩T_L及系统的转速n之间的关系,定量地描述了拖动系统的运动规律。但是,要对运动方程式求解,首先必须知道电动机的机械特性n=f(T_e)及负载的机械特性n=f(T_L)。负载的机械特性也称为负载转矩特性,简称负载特性。下面先介绍生产机械的负载特性。

虽然生产机械的类型很多,但是生产机械的负载转矩特性基本上可以分为三大类。

1.恒转矩负载特性

所谓恒转矩负载特性,是指生产机械的负载转矩T_L的大小与转速n无关,即无论转速n如何变化,负载转矩T_L的大小都保持不变。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。

图4-18 反抗性恒转矩负载特性

(1)反抗性恒转矩负载的特点是:负载转矩的大小恒定不变,而方向总是与生产机械的运动的方向相反,即负载转矩的性质总是作反抗运动的阻转矩性质。显然,反抗性恒转矩负载特性在第一和第三象限内,如图4-18所示。皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构等由摩擦力产生转矩的机械都属于反抗性恒转矩负载,如图4-18所示。

(2)位能性恒转矩特性是由拖动系统中某些具有位能的部件(如起重类型负载中的重物)造成的,其特点是:不仅负载转矩的大小恒定不变,而且其方向也不变(不论生产机械的运动方向变化与否)。例如起重机,无论是提升重物还是下放重物,由物体重力所产生的负载转矩的方向是不变的。因此,位能性恒转矩负载特性位于第一与第四象限内,如图4-19所示。

2.恒功率负载特性

恒功率负载的特点是负载转矩与转速的乘积为一常数,即负载功率等于常数。由于,也就是负载转矩T_L与转速n成反比。恒功率负载特性是一条反比例曲线,如图4-20所示。

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图4-19 位能性恒转矩负载特性

图4-20 恒功率负载特性

某些生产工艺过程要求具有恒功率负载特性。例如车床的切削,粗加工时需要较大的吃刀量和较低的转速,精加工时需要较小的吃刀量和较高的转速;又如轧钢机轧制钢板时,小工件需要高速度低转矩,大工件需要低速度高转矩,这些工艺要求都需要利用恒功率负载特性。

3.通风机类负载特性

水泵、油泵、通风机和螺旋桨等机械的负载转矩基本上与转速的二次方成正比,这类生产机械的负载特性是一条抛物线,如图4-21中的曲线1所示。

以上介绍的恒转矩负载特性、恒功率负载特性及泵与风机负载特性都是从实际的各种负载中概括出来的典型的负载特性。实际生产机械的负载转矩特性可能是以某种特性为主,或是以上几种典型特性的结合。例如,实际通风机除了主要有风机负载特性外,由于其轴承上还有一定的摩擦转矩T_L0,因而实际通风机的负载特性应为T_L=T_L0+kn2,属于综合性负载特性,如图4-21中曲线2所示。

图4-21 风机类负载特性