电机及拖动基础第三章

第二节 生产机械的负载转矩特性
生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机 械转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的 转速n与负载转矩TL之间的关系n=f(TL)。各种生产机械特性大致可分 为以下三种类型。 一、恒转矩负载特性
恒转矩负载是指负载转矩TL的大小不随转速变化，TL=常数，这 种特性称为恒转矩负载特性。它有反抗性和位能性两种： 1.反抗性恒转矩负载
为恒定值，即
就是说，负载转矩与转速成反比。例如，一些机床切削加工， 车床粗加工时，切削量大(TL大)，用低速档；精加工时，切削量小 (TL小)，用高速档。恒功率负载特性曲线如图3-7所示。
三、通风机型负载特性 通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的二次方成正比，
即
式中K——比例常数。 常见的这类负载如鼓风机、水泵、液压泵等，通风机型负载特性
本章中首先介绍电力拖动系统的运动方程式，然后介绍生产机械 的转矩特性和三相异步电动机的机械特性，最后主要研究三相异步电 动机拖动应用的三大问题——起动、制动、调速。
第一节 电力拖动系统的运动方程式

电力拖动系统中所用的电动机种类很多，生产机械的性质也各不 相同。因此，需要找出它们普遍的运动规律，予以分析。从动力学的 角度看，它们都服从动力学的统一规律。所以，我们首先研究电力拖 动系统的动力学，建立电力拖动系统的运动方程式。 一、单轴电力拖动系统的运动方程式
曲线如图3-8所示。 必须指出，以上三类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特
性常为几种类型负载的综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到 的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载 转矩，所以电动机轴上的负载转矩TL应是上述两个转矩之和。
第三节 三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性是描述电力拖动系统各种运行状态 的工具，是指转速和电磁转矩之间的关系，因此先研究三相异步电 动机的电磁转矩。 一、三相异步电动机的电磁转矩表达式
无论正向还是反向运动，T与n同向时，为拖动转矩；T与n反向时， 为制动转矩。TL也同理。 对正向运动而言，电力拖动系统的运动状态分析如下： 1)当T=TL时，dn/dt=0，则n=0或n=常数，即电力拖动系统处于静止不 动或匀速运行的稳定状态。 2)当T＞TL时，dn/dt＞0，电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡 过程中。 3)当T＜TL时，dn/dt＜0，电力拖动系统处于减速状态，也是过渡过 程。
与直线运动时相似，做旋转运动的电力拖动系统运动平衡关系， 即运动方程式为(忽略T0)
式中T——电动机的拖动转矩(电磁转矩)(N·m)； TL——生产机械的阻力矩(负载转矩)(N·m)； G——转动体所受的重力(N)，G=mg； D——转动体的惯性直径(m)； GD2——物体的飞轮力矩(N·m2)，它是电动机飞轮力矩和生产机械 飞轮力矩之和，为一个整体的物理量，反映了转动体的惯性大小。 电动机和生产机械各旋转部分的飞轮力矩可在相应的产品目录中查 到。
所谓单轴电力拖动系统，就是电动机输出轴直接拖动生产机械运 转的系统，如图3-2所示。
根据牛顿第二定律，物体作直线运动时，作用在物体上的拖动力 F总是与阻力FL以及速度变化时产生的惯性力ma所平衡。平衡方程式 写为
式中F——拖动力(N)； FL——阻力(N)； m——物体的质量(kg)； a——物体获得的加速度(m/s2)，a=dv/dt； v——物体运动的线速度(m/s)。
由此可知，系统在T=TL稳定运行时，一旦受到外界的干扰，平 衡被打破，转速将会变化。对于一个稳定系统来说，要求具有恢复 平衡状态的能力。
当T-TL=常数时，系统处于匀加速或匀减速运动状态，其加速度 或减速度dn/dt与飞轮力矩GD2成反比。飞轮力矩GD2越大，系统惯性 越大，转速变化就越小，系统稳定性好，灵敏度低；惯性越小，转 速变化越大，系统稳定性差，灵敏度高。 注意：对反向运动，dn/dt＜0时，电力拖动系统的运动状态是反向 加速；dn/dt＞0时，是反向减速。
产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如 起重设备提升重物时，负载转矩为阻力矩，其作用方向与电动机旋转 方向相反；当下放重物时，负载转矩变为驱动转矩，其作用方向与电 动机旋转方向相同，促使电动机旋转。位能性恒转矩负载特性曲线如 图3-6所示。
二、恒功率负载特性 恒功率负载的特点是，当转速变化时，负载从电动机吸收的功率
二、电力拖动系统运动状态的分析 电力拖动系统的运动状态，即是处于静态(静止不动或匀速)还是
处于动态(加速或减速)，是用运动方程式来判断的。 先任意规定某一旋转方向为正向运动，即n＞0，则反向运动n＜0。
运动方程式中电磁转矩T和负载转矩TL的正、负有如下规定： T帮助正向运动为正，反对正向运动为负；T帮助反向运动为负，反对 反向运动为正。TL反对正向运动为正，帮助正向运动为负；TL反对反 向运动为负，帮助反向运动为正。若转矩为负，把负号提到转矩符号 前面，如-T。
反抗性恒转矩负载的特点是，负载转矩的大小不变，但负载转矩 的方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。当 电动机的旋转方向改变时，负载转矩的作用方向也随之改变，永远是 阻力矩。属于这类特性的生产机械有轧钢机和机床的平移机构等。反 抗性恒转矩负载特性曲线如图3-5所示。
2.位能性恒转矩负载 位能性恒转矩负载的特点是，负载转矩由重力作用产生，不论生
第三章 三相异步电动机的电力拖动
凡是由电动机拖动生产机械，完成一定工艺要求的系统，都称为 电力拖动系统。生产机械称为电动机的负载。电力拖动系统一般由控 制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成，如图3-1 所示。
电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械执行某一生产任 务；控制设备由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机、 可编程序控制器等组成，用以控制电动机的运动，从而对生产机械的 运动实现自动控制；电源的作用是向电动机和其他电气设备供电。最 简单的电力拖动系统如日常生活中的电风扇、洗衣机、工业生产中的 水泵等；复杂的电力拖动系统如轧钢机、电梯等。