關于電力拖動系統(tǒng)轉矩特性分析

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，本文主要分析生產(chǎn)機械常見負載的轉矩特性，并概括電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。

關鍵詞：電力拖動；負載；轉矩特性；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)是由動力輸出設備、控制系統(tǒng)、傳動機構、電源及動作執(zhí)行機構等五個部分組成。電力拖動系統(tǒng)的動力輸出部分最常見的就是電動機，無論直流電動機還是交流電動機，同步電動機還是異步電動機，其功能均是利用通電線圈形成的旋轉磁場，從而形成旋轉扭矩。動力輸出設備需要借助傳動機構將輸出的旋轉動作轉換成一定轉速和方向的動作才能進一步完成特定的生產(chǎn)活動。傳動機構發(fā)揮的作用不僅僅在于傳遞動力輸出裝置功率和轉矩的轉換，而且還可以起到變換運動形式和速度的作用。現(xiàn)代化的電力拖動設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）等構成，隨著電力電子及計算機技術的發(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。控制系統(tǒng)根據(jù)不同的工況發(fā)出電動機運轉指令，進而對動作執(zhí)行機構的運動實現(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)定可靠直接關系著整個系統(tǒng)的運轉情況。

生產(chǎn)機械的負載轉矩特性通過運動方程形式表示為TL= f（n），即轉速n與負載轉矩的關系。常見生產(chǎn)設備的負載轉矩特性包括以下三種基本類型：恒轉矩負載、風機負載、恒功率負載。

1.1 恒轉矩負載特性

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

（1）反抗性恒轉矩負載：負載轉矩方向始終與旋轉方向相反。

假設順時針為參考方向，電動機順時針旋轉，輸出轉速n取正值。轉矩TL此時和電動機旋轉方向相反，取為正值；當電動機逆時針旋轉時，轉速n取負值。此時轉矩TL和電動機旋轉方向相反，取為負值。屬于這類特性的負載包括皮帶運輸機、機床的刀架平移機構以及通過摩擦力產(chǎn)生轉矩的設備等。

（2）位能性恒轉矩負載：其特點是負載轉矩的方向固定。

當電動機順時針旋轉時，輸出轉速n取正值。此時的轉矩TZ為逆時針旋轉，TZ取正值；當電動機逆時針旋轉時，電動機輸出轉速n取負值。此時的轉矩TZ為順時針，所以取為正值。屬于位能性恒轉矩特性的負載，其轉矩TL方向固定，不會隨著轉速方向的改變而產(chǎn)生變化，以提升機類設備為例，無論是提升重物（n為正）或下放重物（n為負），負載轉矩TL一直保持為正，負載的特性保持于第一和第四象限內，表示恒值特性的直線是連續(xù)的，重物提升時轉矩TL反對提升；重物下放時，TL卻幫助下放。

1.2 通風機負載的轉矩特性

通風機負載的轉矩特性用公式表示如下：

轉矩表現(xiàn)出典型的反抗特性，轉矩大小和轉速的平方成正比例關系。日常生活中所用的離心式水泵、油泵、井下通風設備等生產(chǎn)機械都屬于通風機負載，其中的水、油、空氣等介質對設備葉片的阻力大致與轉速平方呈正比關系。實際上，上述分析僅為理想狀態(tài)，現(xiàn)實中通風機設備不僅僅具有通風機負載特性，因其軸承上需要承受一定的摩擦轉矩，真實的負載特性應表示如下：

1.3 恒功率負載轉矩特性

車床類的生產(chǎn)機械，在粗加工運行時，刀頭承受的阻力較大，為了保護刀頭不受折損，往往運轉速度較低；在精加工運行時，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，往往運轉速度較高，進而保證電動機的輸出功率恒定。因此，不同工況、不同轉速下，負載轉矩基本上與轉速成反比，但切削總功率保持恒定 。

2 電力拖動系統(tǒng)轉矩的計算

2.1 單軸電力拖動系統(tǒng)

單軸電力拖動系統(tǒng)的電動機轉軸與生產(chǎn)機械工作機構直接相連，工作機構作為電動機的直接負載。因電動機和工作機構直接相連，工作機構的轉速近似等于電動機的轉速，當電動機輸出功率一定時：

P=TΩ

T=CΦIa

2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)

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

3 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

任何電力拖動系統(tǒng)都離不開動力輸出設備和負載兩大部分。從電動機一般機械特性與生產(chǎn)機械的負載特性的相互關系能夠進一步得到電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。

首先，對電力拖動系統(tǒng)進行簡化，將電動機的機械特性和負載的負載轉矩特性畫在同一坐標系中：

當轉矩T 與TL方向相反，大小相等而相互平衡時，轉速穩(wěn)定，拖動系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)平衡 ， 此時機械特性和負載特性的交點稱為恒速點。

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

4 總結

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

參考文獻：

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