电力拖动的基础知识与技术

【学习任务】（1）正确理解电力拖动系统。

（2）正确说出不同性质的负载转矩特性。

任务手册7：异步电动机的控制

1.电力拖动的基础知识

图7－1　电力拖动系统示意图

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7－1所示，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连接）；控制设备是由各种控制电动机、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。

1）单轴电力拖动系统的运动方程

图7－2所示为一单轴电力拖动系统，其运动方程可以表示为

式中　TM——电动机的电磁转矩，N·m；

TL——负载转矩，N·m；

GD2——旋转体的飞轮矩，N·m2。

图7－2　单轴电动机拖动系统

——系统的加速度，r/s2。

由式（7－1）可知，电力拖动系统运行可分为三种状态：

（1）当TM＞TL，时，系统做加速运动，电动机把从电网吸收的电能转变为旋转系统的动能，使系统的动能增加。

（2）当TM＜TL，时，系统做减速运动，系统将放出的动能转变为电能反馈回电网，使系统的动能减少。

（3）当TM＝TL，时，n＝常数（或n＝0），系统处于恒转速运行（或静止）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），而叫作稳态运行。

2）运动方程中转矩正、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会发生变化，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力转矩，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，运动方程中的TM和TL是带有正、负号的代数量。一般规定如下：

2.负载的转矩特性

负载的转矩特性也即生产机械的负载特性，表示同一转轴上转速与负载转矩之间的函数关系，即n＝f（TL）。虽然生产机械的类型很多，但是大多数生产机械的转矩特性可概括为下列三大类。

1）恒转矩负载的转矩特性

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7－3（a）所示为桥式起重机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7－3（b）所示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7－3　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）位能性恒转矩负载。

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7－4（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7－4（b）所示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。

图7－4　位能性负载转矩与旋转方向的关系

（a）示意图；（b）机械特性曲线

2）恒功率负载的转矩特性

对于恒功率负载，因为，所以恒功率负载的特点是负载转矩TL与转速n成反比，它的机械特性是一条双曲线，如图7－5所示。(www.xing528.com)

在机械加工工业中，有许多机床（或车床）在粗加工时切削量比较大，切削阻力也大，宜采用低速运行；而在精加工时，切削量比较小，切削阻力也小，宜采用高速运行。这就使在不同情况下，负载功率基本保持不变。需要指出，恒功率只是机床加工工艺的一种合理选择，并非必须如此。另外，一旦切削量选定以后，当转速变化时，负载转矩并不改变，在这段时间内应属于恒转矩性质。

3）风机、泵类负载的转矩特性

转矩随转速而变的其他负载有通风机、水泵、油泵等，它们的特点是负载转矩与转速的平方成正比，即TL∝Kn2，其中K是比例常数。这类机械的负载特性是一条抛物线，如图7－6中曲线1所示。

图7－5　恒功率负载特性

图7－6　泵与风机类负载特性

以上介绍的是三种典型的负载转矩特性，而实际的负载转矩特性往往是几种典型特性的综合。如实际的鼓风机除了主要是通风机负载特性外，由于轴上还有一定的摩擦转矩TL0，因此实际通风机的负载特性应为TL＝TL0＋Kn2，如图7－6中曲线2所示。

自测题

答案7.1

一、填空题

1.在电力拖动系统中，电动机是__________设备。

2.在电力系统中，传动机构是在电动机和生产机械的工作机构之间__________的装置。

3.水泵、通风机的负载转矩与速度的平方成__________。

4.负载转矩可分为两大类：__________和位能转矩。

二、选择题

1.电动机与工作机构的轴直接连接的系统称为（　　）。

A.单轴拖动系统　B.机械传动图　C.多轴拖动系统　D.可逆拖动系统

2.动态转矩为正时，系统处于（　　）状态。

A.加速　B.减速　C.停止　D.发电

3.负载转矩可分为两大类，即反抗转矩和（　　）。

A.电磁转矩　B.位能转矩　C.摩擦转矩　D.滑动转矩

4.可在两个方向运行的拖动系统称为（　　）。

A.单轴拖动系统　B.机械传动图

C.多轴拖动系统　D.可逆拖动系统

三、判断题

1.动态转矩为正时，系统处于加速运行状态。（　　）

2.电力拖动的发展过程经历了成组拖动、单机拖动和多机拖动三个过程。（　　）

3.从电力拖动的控制方式来分，可以分为直流拖动系统和交流拖动系统。（　　）

4.在电力拖动系统中，电机是机电能量转换设备。（　　）

5.电力拖动系统是由电源、控制设备、传动机构、电动机和开关组成的。（　　）

四、简答题

1.试叙述电力拖动的组成及各部分的作用。

2.什么是电力拖动？

3.试述动态转矩的三种可能性。