關(guān)于電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩特性分析

黃玄輝

摘 要：現(xiàn)代社會的生產(chǎn)生活已經(jīng)離不開電力拖動技術(shù)，本文主要分析生產(chǎn)機(jī)械常見負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，并概括電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

關(guān)鍵詞：電力拖動；負(fù)載；轉(zhuǎn)矩特性；穩(wěn)定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.127

1 電力拖動系統(tǒng)組成及分類

電力拖動系統(tǒng)是由動力輸出設(shè)備、控制系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)、電源及動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五個部分組成。電力拖動系統(tǒng)的動力輸出部分最常見的就是電動機(jī)，無論直流電動機(jī)還是交流電動機(jī)，同步電動機(jī)還是異步電動機(jī)，其功能均是利用通電線圈形成的旋轉(zhuǎn)磁場，從而形成旋轉(zhuǎn)扭矩。動力輸出設(shè)備需要借助傳動機(jī)構(gòu)將輸出的旋轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)換成一定轉(zhuǎn)速和方向的動作才能進(jìn)一步完成特定的生產(chǎn)活動。傳動機(jī)構(gòu)發(fā)揮的作用不僅僅在于傳遞動力輸出裝置功率和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換，而且還可以起到變換運(yùn)動形式和速度的作用。現(xiàn)代化的電力拖動設(shè)備都離不開控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)作為整個拖動系統(tǒng)的核心，硬件組成上一般由系統(tǒng)控制模塊或可編程控制器（PLC）等構(gòu)成，隨著電力電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的性能（主要是穩(wěn)定性、靈敏性）越來越取決于軟件部分?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)不同的工況發(fā)出電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)指令，進(jìn)而對動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)智能化控制。電源部分是電力拖動系統(tǒng)的能量來源，電源的穩(wěn)定可靠直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性通過運(yùn)動方程形式表示為TL= f（n），即轉(zhuǎn)速n與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。常見生產(chǎn)設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性包括以下三種基本類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)負(fù)載、恒功率負(fù)載。

1.1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性顧名思義負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 的值不受轉(zhuǎn)速n的影響，表現(xiàn)為始終是一固定值的特性。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性按照負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向特點(diǎn)，又能夠分為反抗性負(fù)載特性和位能性負(fù)載特性兩種：

（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向始終與旋轉(zhuǎn)方向相反。

假設(shè)順時(shí)針為參考方向，電動機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)速n取正值。轉(zhuǎn)矩TL此時(shí)和電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，取為正值；當(dāng)電動機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速n取負(fù)值。此時(shí)轉(zhuǎn)矩TL和電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，取為負(fù)值。屬于這類特性的負(fù)載包括皮帶運(yùn)輸機(jī)、機(jī)床的刀架平移機(jī)構(gòu)以及通過摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的設(shè)備等。

（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：其特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向固定。

當(dāng)電動機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速n取正值。此時(shí)的轉(zhuǎn)矩TZ為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，TZ取正值；當(dāng)電動機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n取負(fù)值。此時(shí)的轉(zhuǎn)矩TZ為順時(shí)針，所以取為正值。屬于位能性恒轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載，其轉(zhuǎn)矩TL方向固定，不會隨著轉(zhuǎn)速方向的改變而產(chǎn)生變化，以提升機(jī)類設(shè)備為例，無論是提升重物（n為正）或下放重物（n為負(fù)），負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL一直保持為正，負(fù)載的特性保持于第一和第四象限內(nèi)，表示恒值特性的直線是連續(xù)的，重物提升時(shí)轉(zhuǎn)矩TL反對提升；重物下放時(shí)，TL卻幫助下放。

1.2 通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性用公式表示如下：

轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出典型的反抗特性，轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)速的平方成正比例關(guān)系。日常生活中所用的離心式水泵、油泵、井下通風(fēng)設(shè)備等生產(chǎn)機(jī)械都屬于通風(fēng)機(jī)負(fù)載，其中的水、油、空氣等介質(zhì)對設(shè)備葉片的阻力大致與轉(zhuǎn)速平方呈正比關(guān)系。實(shí)際上，上述分析僅為理想狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)中通風(fēng)機(jī)設(shè)備不僅僅具有通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性，因其軸承上需要承受一定的摩擦轉(zhuǎn)矩，真實(shí)的負(fù)載特性應(yīng)表示如下：

1.3 恒功率負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

車床類的生產(chǎn)機(jī)械，在粗加工運(yùn)行時(shí)，刀頭承受的阻力較大，為了保護(hù)刀頭不受折損，往往運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低；在精加工運(yùn)行時(shí)，因切削量變小，刀頭承受的切削阻力也小，為了保證工作效率，往往運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高，進(jìn)而保證電動機(jī)的輸出功率恒定。因此，不同工況、不同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，但切削總功率保持恒定 。

2 電力拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

2.1 單軸電力拖動系統(tǒng)

單軸電力拖動系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)直接相連，工作機(jī)構(gòu)作為電動機(jī)的直接負(fù)載。因電動機(jī)和工作機(jī)構(gòu)直接相連，工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速近似等于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電動機(jī)輸出功率一定時(shí)：

P=TΩ

T=CΦIa

2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)

一般的生產(chǎn)生活中，所用到的機(jī)械設(shè)備要求其運(yùn)轉(zhuǎn)速度都不高，而電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速往往較高，因此二者之間要通過減速裝置將電動機(jī)輸出的高速運(yùn)動轉(zhuǎn)變成中低速運(yùn)動，因此多軸拖動在電力拖動系統(tǒng)中占相當(dāng)大比例。多軸電力拖動系統(tǒng)通過一定傳動變比的傳動機(jī)構(gòu)，電動機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速n最后變換為工作機(jī)械需要的轉(zhuǎn)速 nL。

3 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

任何電力拖動系統(tǒng)都離不開動力輸出設(shè)備和負(fù)載兩大部分。從電動機(jī)一般機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性的相互關(guān)系能夠進(jìn)一步得到電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

首先，對電力拖動系統(tǒng)進(jìn)行簡化，將電動機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性畫在同一坐標(biāo)系中：

當(dāng)轉(zhuǎn)矩T 與TL方向相反，大小相等而相互平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)平衡 ， 此時(shí)機(jī)械特性和負(fù)載特性的交點(diǎn)稱為恒速點(diǎn)。

電動機(jī)的機(jī)械特性和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性有交點(diǎn)只是拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。并不是只要系統(tǒng)在電動機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)上運(yùn)行，電力拖動系統(tǒng)就一定能夠穩(wěn)定運(yùn)行，Te = TL只是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，而非充分條件。

4 總結(jié)

在研究電力拖動系統(tǒng)的特性和規(guī)律時(shí)，無論是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)負(fù)載還是恒功率負(fù)載，一般情況下可不考慮電力拖動系統(tǒng)中所用的電動機(jī)的種類以及生產(chǎn)機(jī)械的性質(zhì)，而是先把動力裝置、傳動軸系裝置以及生產(chǎn)機(jī)械看作是一個運(yùn)動著的整體進(jìn)行分析、研究，找出其統(tǒng)一遵循的運(yùn)動規(guī)律，并構(gòu)建電力拖動系統(tǒng)的運(yùn)動方程。并在此基礎(chǔ)上對電力拖動系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況條件下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

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