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第一章 直 流 电 力 拖 动 第一节 电动机运行的力学基础 电力拖动是以电动机为动力使生产机械运动已完成一定的生产任务的拖动方式。一般情况下，电力拖动系统有四个组成部分：电动机、工作机构、电源及控制设备，如图1-1所示。其中工作机构和电动机为运动系统。 电机控制的任务是使电机的运动满足生产机械的要求。一、 运动方程式 根据力学定律可知，当电机拖动产生机械转动是必须遵循以下运动方程式： T-Tl=J (1-1)式中 T电动机转矩（Nm）; TL生产机械的阻力矩（或称负载转矩）（Nm）； J系统的转动惯量（kgm2）； 角速（度rad/s）。由于 （1-2） （1-3）故运动方程式可为如下形式： (1-4)式中 m、G系统旋转部分的质量（kg）和重力（N）； r、D旋转部分的惯性半径和直径（m）； g重力加速度，等于9.81m/s2； n电动机转速（r/min）； GD2飞轮力矩，等于4gJ。从式（1-4）可见 当时， ，则n=0或n=常值，拖动系统为静止或等速旋转状态，称为静态。 当时，拖动系统处于加速状态。 当时，拖动系统处于减速状态。、状态为过渡过程或叫动态。二、 工作机械转矩TL和飞轮力矩GD2DE 折算 实际上拖动系统的轴不止一根，如图1-2a所示。为便于分析，往往把实际系统等效成单轴系统，如图1-2b所示。 当把实际系统简化成单轴系统时，必须遵循系统传送的功率及储存的动能不变的原则，把工作机械的转矩以及各轴上的转速和飞轮力矩折算到电动机轴上。（一） 工作机械转矩的折算 用电动机上的阻力矩TT来反映工作机械轴上的TL,其折算的原则是，系统传送功率不变，而中间传送机构的损耗在传动效率c中考虑。现就两种情况讨论如下：1. 电动机工作在电动状态此时，电动机发送的功率比生产机械小号的功率大，按传送不变原则，应有如下关系： （1-5）式中电动机轴与工作机械轴之间的速度比， 。2. 电动机工作在发电制动状态此时，由于工作机械带动电动机旋转，传送到电动机轴上的功率比工作机械轴上的功率小。同样，按传送功率不变原则，可得如下关系： （1-6） 在（15)、(16)中，转速比j为传动系统各级转速比j1、j2、j3、的乘积。在一般设备中，j1。传动效率c1、c2、c3、的乘积。其值随传动机构的不同而不同。（二） 工作机械直线作用力FL的折算 某些工作机械具有直线运动部分，如起重机的提升机构，如图13所示。其中GL为中午的重力，FL为钢绳拉力，VL为等速上升或下降的速度。 此时，也有两种情况：1. 电动机的工作状态根据，得 （17）式中9.55单位换算系数9.55=60/2。2. 电动机工作在发电制动状态此时，产生机械的阻力矩为 （18）值得指出的是，起重机在提升和下降重物时，其传动效率cc的不同的，它们之间有如下关系： （18）证明如下：当重物下放时，功率有工作机械象电动机传送，传动损耗的功率由工作机械功承担。提升与下放时的传动损耗功率相等，其值为 当重物下放时，工作机械的功率即为传动机械的输入功率，即 工作机械的功率P1克服传动损耗的功率P后，向电动机上传送的机械功率P2，即为传动机构的输出功率。由于 故下放重物时的传动效率为 证毕。（三） 传动机构及工作机械的飞轮力矩的折算传动系统的飞轮传动惯量是系统存储动能大小的反映，当实际传动系统简化成等效系统时，必须遵循存储动能不变的原则，根据图12a、b，可得如下关系： 把带入上式，可得 (110)（四） 工作机械直线运动重物的重力GL的折算以图13为例，遵循折算后动能不变的原则，并设JL为重力GL（其质量为ml）折算到电动机轴上的转动惯量，则 把代入上式，可得 （111）式中系数；折算后的飞轮力矩。将实际系统简化为等效系统后，在研究该传动系统时，只要列一个运动方程式就可以了。三、 传动系统稳定运行的条件如前所述，把实际传动系统简化为等效系统后，传动系统的运动方程式只有一个，此时，若电动机的转矩和生产机械的阻力距相等，则电动机与生产机械在同一常速下运动。但是，这种常速能否经受住干扰呢？这就要看系统是否具备稳定运行的条件，即电动机的机械特性和生产机械特性的配合关系是否合适。（一） 电动机的机械特性电动学已经告诉我们，各种电动机的固有机械特性如图14所示。电动机的固有机械特性是由电动机本身的结构决定的。从图14中看出，多数电动机的转速随电动机转矩的增大而下降，只是程度不同而已，我们把这种不同的程度叫硬度。随着转矩的增加转速下降得少的机械特性称为硬特性，否则称为软特性。（二） 工作机械的机械特性工作机械种类繁多，只能大致分为三大类，其特性分别为：1. 横转矩负载特性 所谓横转矩负载特性，就是指负载转矩TL的大小与工作机械的转速n无关。这种特性又可分为两类，一类为反抗性横转矩负载，其负载转矩总是处于反对运动的方向，如图15a所示；另一类为位能性横转矩特性，其负载钻具不随工作机械运动方向的改变而改变，如图15b所示。2. 通风机。水泵类机械的负载特性工矿企业大量使用的通风机、水泵类工作机械，其负载转矩正比于转速的二次方，即 其转矩特性如图16所示。3. 恒功率负载特性一些工作机械要求负载轻时告诉运动、负载重时低速运动，其负载转矩与转速成正比，即 此时，负载特性成为恒功率负载特性，如图17所示。（三） 电气传动的稳定运行条件如果把生产机械的机械特性和电动机得机械特性画在同一坐标图上，由运动方程式可知，二条机械特性的交点是系统的恒速运动点。这种恒速运动能否在外部干扰下稳定运行，决定与二条机械特性的配合关系。例如，图18a所示的电动机的机械特性a和生产机械的机械特性b相配合，其交点为p。当系统由于某一干扰使转速升高至n时，由于此时电动机的转矩小于生产机械阻力距，转速下降，重新回到n为