《电机拖动及控制》-第一章

1.1电动机概述

电动机是一个笼统的概念，可以理解为，与电能有关的机械装置都称为电动机。但人们一般理解的电动机只包括发电机和电动机，即实现电能和机械能相互转换的装置。而变压器则是用以改变电压适应不同用电设备的要求，升高电压是为了降低输电线路的损耗，所以在电动机学中都把变压器包括在内。电动机的基本功能包括两个方面:

转换能量。发电机将其他形式的能量(热能、水的势能、风能、原子能等)转换为电能;电动机将外部输人的电能通过电动机转换为机械能的旋转，即以轴的旋转带动生产机械工作;而变压器则是使电能实现不同电压和频率之间的变换。下一页返回1.1电动机概述

按照控制信号改变输出量。采用控制技术改变转速、转矩和位移等输出状态。电动机的功能图如图1-1所示。图1-1中的损耗指电动机在实现能量转换过程中不可避免的自身消耗;输出的机械能也包括机械位移，如直线电动机和电磁铁。上一页返回1.2电动机的分类

(1)按照运行的机械特点分为:旋转电动机和静止电动机。

(2)按照所用电源分类:可分为交流电动机和直流电动机两大类。而交流电动机又分为异步(感应)电动机和同步电动机，异步机有鼠笼式和绕线式(滑环式)两种，同步机分为异步启动和准同步启动两种。

(3)直流电动机按照激磁方式分为:串激式、并激式、它激式、积复激和差复激。

(4)交流电动机按电源的相数分为:单相和三相。单相电动机功率一般不超过1000W，多用于家用电器和移动电动工具。

(5)按照外壳形式可分为:开启式和封闭式两种。

(6)按照冷却通风方式分为:自理通风和外力强迫通风两种。

(7)按照防护方式分为:开放式、封闭式、防滴式、防爆式等。图1-2所示为一种常见的分类。返回1.3电动机的基本结构和工作机理

1.基本结构所有电动机的基本结构都分为两大部分，即固定在基础上不产生运动的定子部分和在运行中不断旋转的转子部分。这两大部分分别包括了绕组(用绝缘导线绕制的线圈)、铁心、绝缘物、支撑装置等部件。电源、导线和绕组构成了电动机的电路部分，铁心、空气隙、机座、外壳构成了电动机的磁路部分。2.工作机理按照安培定律和电磁感应定律，电路和磁路相互作用产生机械力作用，使电动机产生机械运动(旋转或直线运动)。返回1.4电动机制造和运行所用的材料

导体材料一般电动机中绕组(线圈)和外引线都是由外包绝缘物的铜导线或铝导线构成。导线截面有圆形和矩形两种。2.绝缘物线圈的匝间、层间和对地都需要用绝缘物隔开。绝缘材料的定义:电阻系数为p>109Ω·cm的物质均可作为绝缘材料。其主要作用是将不同电位的带电部分隔离开来。常用的绝缘物有:无机材料、有机材料和混合材料。例如，云母、石棉、陶瓷、玻璃等为无机材料，虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸张、蚕丝等为有机材料，由上述两种材料加工合成的各种材料称为混合绝缘材料。按照绝缘材料的介电能力和工作温度将绝缘材料分为7个等级，如表1-1所示。下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

3.铁磁性材料铁磁性材料包括铸铁、铸钢、电工钢、硅钢片(热轧和冷轧)铁淦氧磁体、坡膜合金等。其主要按照工作频率选择用在不同部位。各类电动机都是以磁场作为媒介，通过电磁感应作用来实现能量转换的，所以电动机必须有引导磁能的磁路，为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场，电动机和变压器的磁路均由导磁性能良好的铁磁性材料组成。铁磁性材料包括铁、镍、钻及其合金等。其铁磁特性简述如下:(1)具有高的导磁性能。试验表明，所有非铁磁性材料(如铜、铝、绝缘材料和木材等)的导磁系数都接近于空气的导磁系数μ0，而铁磁性材料的导磁率(系数)μFe比μ0大成百上千倍。对于电动机中常用的铁磁性材料，μFe=(2000~6000)μ0上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

(2)磁化曲线呈非线性(饱和特性)。铁磁性材料的磁化特性可用磁化曲线来描述，即B=f(H)曲线，如图1-3所示。据μFe=dB/dH可得μe=f(H)为曲线，也如图1-3所示。由图可知，当铁磁性材料饱和时，其导磁率μFe变小。对于非铁磁性材料，B=μH，即B=f(H)是一条直线。

(3)存在磁滞现象和磁滞损耗。磁滞损耗Ph与磁通的交变频率f及磁通密度的幅值Bm的关系为对于常用的硅钢片，当Bm=(1.0~1.6)T时,a≈2.上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

(4)存在涡流损耗。涡流损耗与磁通的交变频率、铁心中磁通密度幅值Bm、钢片的电阻Re及钢片厚度d有关，其关系为由式(1-2)可知，为减少涡流损耗，必须减少钢片的厚度，所以电工钢片的厚度一般为(0.35~0.5)mm且两面涂有绝缘漆。同时增加钢片的电阻率，所以电工钢片中常加入4%左右的硅，变成硅钢片。通常把磁滞损耗和涡流损耗合在一起称为铁心损耗，用PFe表示。当硅钢片厚度及材料一定时，铁心损耗与磁通的交变频率及磁通密度幅值的关系如下:式中，β=1.2~1.6。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

(5)磁滞回线。若将铁磁性材料进行周期性磁化，B与H之间的变化关系就会变成如图1-4所示的曲线abcdefa形状。由图可知，当H从零开始增加到Hm时，B相应地增加到Bm;以后逐渐减少磁场强度，B沿曲线ab下降。当H=0时，B并不等于零，而等于Br，这种去掉外磁场后，铁磁性材料中仍然保留的磁通密度Br称为剩余磁通密度，简称剩磁。要使B从Br减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向外磁场称为矫顽力，用Hc表示。铁磁性材料所具有的这种磁通密度B的变化滞后于磁场强度H的变化的现象叫做磁滞，呈现磁滞现象的B-H闭合曲线称为磁滞回线。由于磁滞现象，在反复磁化过程中产生矫顽力的磁化电流要做功，磁滞造成能量的损耗，另外反复磁化过程中的交变电流，会在铁磁性物质内部产生涡流，磁滞和涡流的能量损耗合称为铁损。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

(6)对同一铁磁性材料选择不同的磁场强度周期性磁化时，可得到不同的磁滞回线，如图1-4所示。将各条回线的顶点连接起来，所得曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。基本磁化曲线和起始磁化曲线的差别很小。磁路计算时所用曲线都是基本磁化曲线。4.轴承电动机所用轴承分为两大类:滑动轴承和滚动轴承。两种轴承的润滑机理都是在固定摩擦面上借助润滑油(脂)形成一层油膜，降低摩擦系数，同时由润滑油(脂)带走热量，提高运行效率。滑动轴承运转平稳、噪声低、振动小，特别适用于大功率(1000kW及以上)高速运转(1500r/min及以上)的电动机，在功率特别小(1000W以下)的微电动机中也多采用滑动轴承。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

滚动轴承拆装方便，实现了标准化，维护工作量小，多用于中小型电动机。表1-2~表1-5给出了滚动轴承的有关资料。

1)滚动轴承的构造和类型滚动轴承的种类很多，但其结构大致相同，通常由外圈、内圈、滚动体(安装在内、外圈的滚道中，如滚珠、滚锥等)和隔离圈(又叫保持架)等零件组成，如图1-5所示。滚动轴承按其承受载荷的方向不同，可分为3类:(1)向心轴承。主要用以承受径向载荷，如深沟球轴承。(2)推力轴承。用以承受轴向载荷，如推力球轴承。(3)向心推力轴承。可同时承受径向和轴向的联合载荷，如圆锥滚子轴承。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

2)滚动轴承的代号国家标准规定滚动轴承的结构、尺寸、公差等级、技术性能等特性用代号表示，滚动轴承的代号由前置代号、基本代号、后置代号组成。前置代号、后置代号是轴承在结构形状、尺寸、公差、技术要求等有所改变时，在其基本代号的左右添加的补充代号。需要时可以查阅有关国家标准。一般常用的轴承由基本代号表示，基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是滚动轴承代号的基础，由滚动轴承的类型代号、尺寸系列代号和内径代号构成。滚动轴承的类型代号用阿拉伯数字或大写拉丁字母表示。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

尺寸系列由宽(高)度系列和直径系列代号组成，一般由两位数字组成，表示同一内径的轴承，其内外圈的宽度、厚度不同，承载能力也随之不同。尺寸系列代号可查阅有关标准。内径代号表不轴承的公称内径，即轴承内圈的孔径，一般也由两位数字组成。滚动轴承公称内径d≥10的代号。滚动轴承的规定标记示例:

滚动轴承6205GB/T276-19946—轴承类型代号，表示深沟球轴承。

2—尺寸系列代号为02，宽度系列代号为“0”省略，表示窄系列;直径系列代号为“2"，表示轻系列。

05—轴承内径代号，内径d=5X5=25(mm)。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

滚动轴承32210GB/T297-19943—轴承类型代号，表示圆锥滚子轴承。

22—尺寸系列代号，宽度系列代号为“2"，表示宽系列;直径系列代号为“2"表不轻系列。

10—轴承内径代号，内径d=5X10=40(mm)润滑脂和润滑油

(1)润滑脂是半固体状可塑性润滑材料，使用稠化剂和流体润滑剂制成。许多润滑脂还含有添加剂和填料，它是介于固体和流体之间的润滑材料。它具有较好的承载性能和润滑能力，适应性好;缓冲性能高;戮度大，在使用过程中流失、溅落和滴落都比流体润滑剂少。所以，大部分中小型电动机采用滚动轴承的独用润滑脂。上一页下一页返回1.4电动机制造和运行所用的材料

(2)润滑油是呈流体状态的矿物油制品。在滑动轴承的接触面上形成油膜，承受负载并通过流动将热量带走。它在高速运转的大功率电动机中应用非常广泛。和润滑脂相比，它的润滑效率要高很多。其缺点是容易发生漏油、缺油等故障，并且散失量大。上一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

1.型号电动机的铭牌即是一台电动机的身份证。型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，表示名称、规格、防护形式等所采用的产品代号。电动机型号中字母代表的意义如表1-6所示。后面的数字和字母分别表示机座中心高度、铁心组别、铁心长度代号和电动机极数。举例说明如下:Y180M2-4，其中，Y代表异步电动机;180表示机座中心高度为180mm;M代表中号机座(L为长机座，S为短机座);4表示磁极数为4;2表示铁心用2号。下一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

2.功率以kW为单位标出电动机轴输出的机械功率。对于三相异步电动机，其额定功率为3.电压电压是指电动机定子的额定电压(V或kV)。4.电流电流是指电动机定子的额定电流(A).对绕线电动机还要标出转子的开路电压和额定电流。上一页下一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

5.频率频率是指定子的额定频率。6.转速转速是指每分钟转子的转数。7.接法接法是指定子绕组的连接方式(△/Y)。接法表示电动机在额定电压下运行时，定子二相绕组的联结方式。其联结方式取决于电源电压。如铭牌上标明380/220V,Y/△接法，说明电源线电压为380V时应接成Y形，电源线电压为220V时应接成△形。无论采用哪种接法，相绕组承受的电压应相等。上一页下一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

定子三相绕组共有6个出线端，三相绕组的首端分别用U1,V1,W1表示，尾端分别用U2,V2,W2表示。通常把这6个出线端按图1-6(a)所示的排列次序接在机座上的接线盒中。图1-6(b)及图1-6(c)所示，分别为定子绕组的星形接线及三角形接线。8.防护等级防护等级表不电动机外壳的防护形式。按照国际电工协会标准标注电动机外壳的防护等级。9.绝缘等级与温升绝缘等级表示电动机所用绝缘材料的耐热等级。温升表示电动机发热时允许升高的温度。上一页下一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

10.工作方式连续或标明暂载率，也称工作制式，指运行持续的时间，分为连续运行、短时运行、断续运行3种。11.电动机的其他技术数据一般有手册可查，主要内容有:(1)绕组数据。导线的规格型号、匝数、直线部分和端部长度，直流电阻等。(2)额定温升、效率、额定功率因数、启动转矩\额定转矩\转子的转动惯量等。举例如表1一7所示。上一页下一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

12.异步电动机系列简介

1)Y系列

Y系列是一般用途的小型鼠笼式电动机系列，取代了原先的J2、J02、J03系列。它具有效率高、启动转矩大、噪声低、振动小，以及防护性能好、安全可靠、外观美观等优点。其技术条件符合国际电工委员会(IEC)标准。

2)JR系列

JR系列是防护式二相绕线式异步电动机，用于电源线路容量不足、不能用鼠笼式电动机启动的机械上，主要用于要求启动转矩或启动惯量较大的设备上。JR系列电动机容量一般为10~100kW。上一页下一页返回1.5电动机的铭牌数据和技术参数

3)YR系列

YR系列是一种大型三相绕线式异步电动机系列，是我国统一设计的升级换代产品，容量为250~2500kW，主要用于冶金和矿山工业中。

4)JD2和JD02系列

JD2和JDO2系列是防护式和封闭式多速(D)异步电动机。它主要用于各式机床以及起重传动设备等需要多种速度的传动装置上。上一页返回1.6电动机的选型方法和步骤

对电动机的选择必须根据用途、容量、环境、投资大小、维护难易程度等因数综合考虑，按照国家设计规范，电动机的选型应当本着下述原则:(1)必须满足使用电动机的工艺设备对电动机的技术要求，如工作环境、安装位置转矩特性、转速及调速范围等要求。（2)在满足上述条件的前提下，尽量选用交流鼠笼式电动机，容量大于250kW必须选用高压电动机。对负载特性可以轻载启动的，尽量选用同步电动机。

(3)一次性投资方案要综合考虑购置、启动、调速、变流、配电等装置的费用。下一页返回1.6电动机的选型方法和步骤

(4)运行费用要考虑配件来源和价格、维修技术的复杂系数、检修环境等因素。

(5)在满足可靠性的基础上，优先采用新技术、新材料，避免发生短期更新改造的需求。电动机选择的程序如图1-7所示。

(6)上述选择步骤是以容量为先决条件逐步进行的，但某些特殊负载容量很难确定，如水泥回转窑的主传动电动机，其负载基本属于恒转矩性质，在窑内工艺稳定的情况下，所需拖动功率不大。但当窑内物料结圈时，形成厚窑皮;或者因某种原因突然停窑，造成筒体变形，都可能使负荷大幅度增加，此时还必须维持运转，在热态下逐步调整使窑恢复正常。设计选型时一般考虑留有功率余量，选用电动上一页下一页返回1.6电动机的选型方法和步骤

机的功率在正常负荷的150%以上。如果采用交流电动机，在大部分时间内电动机处于轻载状态，而交流电动机在轻载时的功率因数很低，势必造成能源的浪费。因此，多选用他励式直流电动机，他励式直流电动机不存在功率因数问题，轻载时从电源吸收的能量也少，而且调速特性好，适用于大范围调速。所以大多数水泥窑选择直流电动机作为主传动电动机。

(7)选用电动机时必须综合考虑各方面因素，有时候技术先进、自动化程度高的方案，未必是最佳方案。实例:某厂扩建工程有一台1250kW的排风机，一种方案为选用高压鼠笼式电动机配1500kW的变频器满足启动和调速要求;另一种方案为选用高压绕线式电动机，配用液力藕合器，小范围调速，电液启动器完成启动。第一方案优点是现场设备简单，维护工作量少，但高压上一页下一页返回1.6电动机的选型方法和步骤

变频器价格高达150万美元，而且采用降压一变频一升压的方式，占地面积大，更重要的是维护技术复杂，供货商提出代培维护人员需20万美元。经各方面比较，选用第二方案，总投资不到100万元人民币。

(8)确定电动机容量的统计法和类比法。一般电动机容量是以电动机的发热和冷却为基础来选择，但实际上具体的负载情况千差万别，即使是同一种设备，使用的具体环境不同，工艺对象不同，对电动机容量的要求也会不同。所以实际选择电动机容量时往往采用统计法和类比法。统计法是对大量的拖动电动机容量进行统计分析，找出电动机容量与生产机械主要参数之间的关系，得出实用的经验公式。表1-8为我国机床制造工业已经确定了的主拖动电动机容量的统计数值公式。类比法是在对大量同类负载实际容量调查的基础上，对影响容量的主要参数进行对比，作适当调整，从而得出新的生产机械所需电动机的容量。上一页返回1.7电力拖动的基本问题

1.7.1电力拖动系统的基本组成

电动机作为原动机，生产机械为负载，由电动机带动生产机械运转的方式称为电力拖动系统。该系统一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备和电源5大部分组成，如图1-8所示。图1-8中各环节的功能如下:1.电源是系统工作的总能源一般有三相交流电源(来自电力网或自备发电站)、直流电源(大功率整流装置、蓄电池组、干电池、直流发电机组等)。电源给系统所有不同的电动机提供能源。下一页返回1.7电力拖动的基本问题

2.电动机是系统运行的动力按照生产机械的不同要求，配备有各种类型的电动机，如二相异步鼠笼式电动机、绕线电动机、单相电动机、直流电动机和其他特种电动机。3.传动机构是连接电动机和工作机构的装置按照工艺的要求，电动机和工作机构的连接有各种联轴节，如刚性联轴节、弹性联轴节、液压联轴节、电磁联轴节等。联轴节的作用不仅是传递转矩和速度，许多联轴节还起着调节速度的作用。4.控制设备是指挥全系统有条不紊地安全运行的装置对电力拖动系统而言，它首先保证各台电动机按预定的程序启动、上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

停止、调速、反转等功能的实现;同时，对所有设备的状态进行监测，确保设备的安全。因此，它包括了所有的监测、保护设备。通常控制设备组成一个系统，由各种控制电器、计算机、可编程序控制器、各种信号变送器及信息传送设备(有线、无线、光缆等)组成。电动机是直接代替人们体力劳动的工具，控制系统则是代替人们脑力劳动的手段。随着现代科学技术的发展，以及计算机的出现，在电动机控制过程中，其速度和精确性都已超过了人的大脑，使生产效率大大提高。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

1.7.2常用控制电器的基本知识1.电器要实现对电动机的控制，必须用一些装置将电源和电动机联系起来，通过导线(或者无线电波)实现控制的所有装置称为电器。2.电器的分类在控制系统中，完成对主电动机的开断、接通和运转的电器称为主回路电器(一次回路电器)，按照工艺和控制目标要求对主回路电器进行控制的电器称为控制电器(二次回路电器)。3.常用的主回路电器(1)隔离开关。它的作用是能够隔断电源和负载之间的电压，给出一个明显的电路断开点，但是不能用它直接一切断电流通路。只准在电流上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

为零或很小时操作隔离开关。一般刀闸开关即属于隔离开关。其基本结构为静触点、动触点和操作机构。

(2)负荷开关。此开关能够切断、接通正常工作电流。其触点上带有灭弧装置，并配有熔断器(保险丝)，当负载侧发生短路时起保护作用。

(3)断路器。它是电路中主要的开关，能够在各种状态下切断、接通电路的电路通道。所谓各种状态包括:空载、满载、过载、过电流、短路时的电流，并且按整定值有一定的延时。设满载电流为Ie,1.2Ie。为过载，10Ie为过流，大于20Ie为短路。另外，断路器还设有低电压装置，当线路电压低于额定电压的70%时能自动跳闸。由于断路器的功能齐全，其结构就比较复杂，包括主触点、副触点、灭弧罩、检测电流的热元件、电磁线圈以及机械操作机构。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

低压电路常用自动空气断路器，它依靠空气作为绝缘和灭弧介质。其外形有装置式和万能式两种。高压断路器有多油或少油断路器、真空断路器、六氟化硫断路器等。从名称上即可知它们的灭弧和绝缘介质不同，外形和结构也不同。国产断路器的技术数据如表1一9所示。

(4)接触器。这种开关主要作用是在电路中频繁接通或断开正常工作电流，没有保护装置，其结构为一个电磁线圈、一组主触点和几组辅助接点(常开和常闭)，带有灭弧罩。

CJ--10系列交流接触器是承担一般任务的通用接触器，供交流50Hz或60Hz,电压500V以下、电流在150A以下的电动机使用。CJ-10系列交流接触器数据如表1-10所示。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

(5)电压互感器和电流互感器(CPT和CT)(参见特种变压器的内容)，其作用是检测电压和电流，输出用于测量、保护的信号。

(6)主回路的电器在电路图中的符号如表1-11所示。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

1.7.3常用的控制电器1.操作开关这类开关包括各种按钮、转换开关。它主要是手动操作发出控制命令的元件。其品种繁多，但是基本结构只是一个人或多个接点通过操作实现通断功能。2.继电器继电器在控制系统用以接通或断开电路的装置，其结构主要为几组接点，按照接点的开闭动作原理有以下几种继电器:电磁式继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器、极化继电器等。继电器的主要参数有灵敏度、额定电压或电流、吸合电压或电流、释放电压和电流、返回系数。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

继电器的整定值是一个重要参数，它是按照系统要求预先设置好的吸合或释放的数值(电压、电流、时间、速度等)。整定值必须定期试验测定，防止因整定值的变化而造成继电器的误动作。3.可编程序控制器在数字控制系统(DOS)中，广泛采用可编程序控制器(PLC)作为工业现场的控制中心(二级工作站)。它由中央处理单元(CPU)、存储器(ROM\RAM)、输入/输出单元(I/O)、电源和编程器组成。可编程序控制器利用专门编程语言将控制的程序事先输人，其输人端接收现场取样元件送来的各种信号，进行模/数(A/D)转换，中央处理器进行逻辑判断，数据计算，发出操作指令，经过数/模(D/A)转换，输出信号，通过操作机构执行，达到控制电动机工作的目的。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

1.7.4电力拖动的基本概念1.旋转运动和直线运动相对应的物理量旋转运动和直线运动相对应的物理量归纳如表1一12所示。2.旋转运动的基本公式(表1-13)

实际应用时，往往用转速n(r/min)代替角速度。，而转动惯量J常用一个4倍于它的飞轮效应GD2(kg.m2)来代替，此时，由于ω=(2π、60)n，以及，J=GD2/4，所以表1-13中旋转运动的方程式分别为上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

在很多场合，转矩使用重力制单位，即(kg.m)。因为1(kg·m)=9.8(N·m),所以上式就成为下式:【例1-1】求额定功率为3.7kW额定转速为1475r/min的电动机的额定转矩为多少?解：或者根据另一公式，即P=0.1047Tn得故电动机的额定转矩为23.96N.m。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

3.单轴施动系统单轴拖动系统是指电动机的轴和生产机械旋转轴直接相连的简单系统。在连接轴上起作用的有电动机的电磁转矩、电动机的空载阻转矩、生产机械的负载阻转矩。转轴的角速度为Ω，系统的转动惯量为J(包括电动机转子、联轴节、生产机械的转动惯量)。则系统的运动方程为式中，T为电动机的电磁转矩，即拖动转矩(N.m);TL为生产机械的负载转矩，即阻转矩(N.m);J为系统的转动惯量(kg.m2);,Ω为转轴的角速度(rad/s);t为时间(s)。(由于空载阻转矩很小，式中予以忽略)。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

在上述公式中，如果用转速n代替角速度Ω，用飞轮惯量或称飞轮转矩GD2代替系统转动惯量J来表示系统的机械惯性，则可作如下推导。因为从而得出式中，m为系统转动部分的质量(kg);p,、D分别为系统转动部分的惯性半径和惯性直径(m);G为系统转动部分的重力(N);GD2为转动部分的飞轮矩(N·m2)；g为重力加谏度，取g=9.8m.s-2。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

式(1-7)是拖动系统的工程实用形式。计算时要特别注意各向量的方向选择正确，即正负号。公式描述了拖动系统的转矩和转速变化率之间的关系，由此式可知系统的转速变化率dn/dt(加速度)是由T-TL决定的，它称为动态转矩。规定某一旋转方向为转速的正方向，即n>0。在此方向下分析电力拖动系统的运动状态如下:(1)当T=TL时，dn/dt=0,n=0或n=常数，即电力拖动系统处于静止或稳定(匀速)运转状态。(2)当T>TL时，dn/dt>0，即电力拖动系统处于加速状态(过渡过程中)。(3)当T>TL时，dn/dt>0，即电力拖动系统处于减速状态(过渡过程中)。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

在生产过程中，我们总是希望拖动系统处于稳定运行状态，从上述分析可知:

电力拖动系统稳定运行的必要条件是，电动机输出的机械转矩等于负载转矩，即T=TL。在系统运行过程中，由于各种因素的干扰，负载转矩或电动机的转矩总会发生变动，即系统工作点发生偏移，进人调整过渡状态，调整会有两个结果:(1)如果在T=TL处，dT/dn<dTL/dn，即电动机转矩对转速的变化率比负载转矩对转速的变化率小，系统能够通过自我调整，在新的工作点稳定运行。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

(2)如果在T=TL处，dT/dn<dTL/dn，即电动机转矩对转速的变化率比负载转矩对转速的变化率大，导致转速调整过程进入正反馈状态，结果是转速不断上升(飞车)或转速直线下降，直至停转。所以，电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是，电动机转矩对转速的变化率比负载转矩对转速的变化率要小。4.多轴施动系统多轴拖动系统是指电动机和负载之间有齿轮变速器、涡轮、蜗杆等，或多个电动机共同拖动一个大齿轮的系统(如转炉、回转窑等)。此类系统的分析，都是折算为单轴系统，折算的原则是传送的功率和储存的动能保持不变。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

1.7.5生产机械的负载转矩特性

所谓负载特性是机械转速和转矩之间的函数关系，一般用直角坐标系的曲线作出直观的描述。1.反抗性恒转矩负载特性(图1-9)

此类负载转矩大小不变，其方向总与机械的运动方向相反，当运动方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。此类负载的阻转矩多属于摩擦力所致。例如，皮带机、轧钢机、回转窑、机床刀架的平移和行走机构都是反抗性恒转矩负载特性。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

2.位能性恒转矩负载特性(图1-10)

负载转矩大小不变，而且具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变，即n>0时，TL>0，负载转矩为制动转矩;n<0时，TL<0，负载转矩为拖动转矩。例如，起重机、吊车、斜坡卷扬机、两端高差很大的架空索道等都属于此类负载特性。3.恒功率负载特性此类负载的特点是负载功率为恒定值，即PL=TLΩ=TL(2nπ/60)=常数;负载转矩与转速成反比。例如，车床的切削加工，粗加工时，切削量大，切削阻力大，负载转矩加大，只能用低速切削;精加工时，切削阻力小，负载转矩变小，采用高速切削。再如满载的车辆，功率已达到最大，在平路上速度高，爬坡时速度自然降下来，而下坡时，速度又增大许多。此类负载即是恒功率负载特性。上一页下一页返回1.7电力拖动的基本问题

4.转速的调节电动机的转速一转矩特性一定要和负载相适应，才能保证顺利完成启动、加速、调速和正反转等稳定运行的拖动任务。转速的调节是电力拖动中一个重要问题。在电力拖动系统中，有大量的生产机械按工艺要求，需要频繁地对转速进行调节。调速的方法一般分机械调速和电气调速两种。本书只讨论电气调速。电气调速是指在负载转矩不变的条件下，人为地改变电动机的有关参数，改变拖动系统的转速。必须注意到，人为调速和因负载变化而引起系统转速变化是不同的。人为调速是负载转矩不变的条件下人的主动控制，而负载变动引起速度变化则是拖动电极的被动变化。上一页