淺談直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

金昭 張可菊* 沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

在生活中各類(lèi)機(jī)械的原動(dòng)力基本上都是電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)沒(méi)有問(wèn)世時(shí)大多數(shù)的原動(dòng)力都是由風(fēng)、水力及其它作為動(dòng)力源的。但是隨著電力的發(fā)展也使得電動(dòng)機(jī)發(fā)展呈現(xiàn)出勃勃生機(jī)，并且隨著社會(huì)的發(fā)展對(duì)于電動(dòng)機(jī)的需求也盡不相同，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)人們也在不斷的深入研究提高其效率。

1.電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成

在生產(chǎn)制造工業(yè)中用電動(dòng)機(jī)來(lái)提供原動(dòng)機(jī)的力矩時(shí)且完成拖動(dòng)各類(lèi)生產(chǎn)機(jī)械的要求則稱(chēng)為電力拖動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)是通過(guò)電能將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能然后再通過(guò)直接的或間接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)器進(jìn)行工作，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是變向的能量轉(zhuǎn)換在一些情況下不需要電動(dòng)機(jī)的參與直接可以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械。生產(chǎn)機(jī)械在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中是被控對(duì)象，來(lái)完成某一執(zhí)行任務(wù)的。控制設(shè)備的主要組成是由各種控制元器件組成且重要功能用來(lái)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的控制。整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中要想使設(shè)備運(yùn)行必須提供電源，從而使該系統(tǒng)運(yùn)作。在日常生活中最常見(jiàn)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)可以是洗衣機(jī)、空調(diào)等等，比較復(fù)雜的如電梯、傳送帶等等。

2.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

電力拖動(dòng)系統(tǒng)中所用的電動(dòng)機(jī)種類(lèi)非常的多、生產(chǎn)機(jī)械的應(yīng)用范圍也不同，為了更好的研究電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律需要找到它們的共性加以綜合分析。為了方便研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)可以用動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述，這樣可以使電力拖動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化、參數(shù)化并建立運(yùn)動(dòng)方程模型進(jìn)行研究。

在實(shí)際問(wèn)題中將電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)輸出軸直接拖動(dòng)生產(chǎn)負(fù)載運(yùn)作的系統(tǒng)稱(chēng)其為單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)。為了研究方便系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以由電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行表述，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸各種動(dòng)作上的狀態(tài)影響著系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩通常與軸承轉(zhuǎn)速同方向這種表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)于生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩而言就是表現(xiàn)出負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常特性為制動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律可知，電力拖動(dòng)系統(tǒng)在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程式如下：

式中：j為拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為kg.m2；Ω為單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的直軸在旋轉(zhuǎn)的角速度，單位為rad/s；jdΩ/dt為單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩，單位為N.m。在實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題中，為了方便理解將轉(zhuǎn)速代替角速度來(lái)表示單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，用有一定質(zhì)量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)表示電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械慣性。則關(guān)系式如下：

n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；G為物體的重量，單位為N；g為重力加速度，g取9.8m/s2。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)最后可以得到如下實(shí)用型式：

式中：分子為旋轉(zhuǎn)體的飛輪距離，單位為N.m2。對(duì)于數(shù)字375具有加速度量綱根據(jù)實(shí)際測(cè)出取值，系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)可以分為三種狀態(tài)：

a當(dāng)Tem=Tl時(shí)，系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)則稱(chēng)其為穩(wěn)態(tài)；

b當(dāng)Tem＞Tl時(shí)，系統(tǒng)是處于加速運(yùn)行狀態(tài)的則稱(chēng)其為正動(dòng)態(tài)過(guò)程；

c當(dāng)Tem＜Tl時(shí)，系統(tǒng)是處于減速運(yùn)行狀態(tài)的則稱(chēng)其為負(fù)動(dòng)態(tài)過(guò)程；

在運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩的正、負(fù)號(hào)不是隨意的取定，一般來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)矩的正、負(fù)號(hào)是有一定的遵守原則電力拖動(dòng)系統(tǒng)中隨著生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載類(lèi)型和面對(duì)實(shí)際工作情況狀況的不同。都將會(huì)影響著正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，也就是作用在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)生的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩和對(duì)于負(fù)載時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與方向都在發(fā)生變化。在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)方程必須注意轉(zhuǎn)矩的正、負(fù)號(hào)，要想明確的分清正負(fù)號(hào)則一定要選定電動(dòng)機(jī)在運(yùn)作時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向：

電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速在同方向時(shí)為正、反方向?yàn)樨?fù)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速若也在同方向時(shí)為正、反方向?yàn)樨?fù)，慣性轉(zhuǎn)矩的大小、正負(fù)號(hào)不單是由一個(gè)變量判定是由多個(gè)量同時(shí)判定的。

3.負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中由運(yùn)動(dòng)方程可知系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)取決于電動(dòng)機(jī)時(shí)刻運(yùn)行的狀態(tài)和面對(duì)實(shí)際負(fù)載的類(lèi)型，在判定負(fù)載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)一定要知道變量之間的關(guān)系如何影響其狀態(tài)，生產(chǎn)機(jī)械種類(lèi)雖然很多但可以大致的分為以下幾類(lèi)：

對(duì)于生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不論大小且轉(zhuǎn)速快慢都無(wú)關(guān)的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，但是由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速大小依然有聯(lián)系并影響著，又可以分為兩個(gè)小類(lèi)。一個(gè)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩在運(yùn)動(dòng)方向上與轉(zhuǎn)速方向相反且負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小一直為恒定值，稱(chēng)為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。另一個(gè)為不論是負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小還是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向都是一個(gè)固定值，稱(chēng)為位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。某些工業(yè)生產(chǎn)及日常生活應(yīng)用中需要一些低速運(yùn)行且力矩較大的機(jī)器，這也就是要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速保持一致乘積為一常數(shù)這也就是恒功率負(fù)載特性。

4.結(jié)語(yǔ)

為了符合時(shí)代的發(fā)展電動(dòng)機(jī)也廣泛的使用在社會(huì)的各個(gè)層面，有的需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)具有較寬的速度調(diào)節(jié)范圍、精度較高的調(diào)速能力，并且能滿(mǎn)足苛刻的控制要求。直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)在社會(huì)的發(fā)展中承擔(dān)著重要的角色、并有著重要的經(jīng)濟(jì)地位，更是推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)進(jìn)步的一種傳動(dòng)裝置。