关于电力拖动系统转矩特性分析

黄玄辉

摘 要：现代社会的生产生活已经离不开电力拖动技术，本文主要分析生产机械常见负载的转矩特性，并概括电力拖动系统稳定运行的条件。

关键词：电力拖动；负载；转矩特性；稳定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.127

1 电力拖动系统组成及分类

电力拖动系统是由动力输出设备、控制系统、传动机构、电源及动作执行机构等五个部分组成。电力拖动系统的动力输出部分最常见的就是电动机，无论直流电动机还是交流电动机，同步电动机还是异步电动机，其功能均是利用通电线圈形成的旋转磁场，从而形成旋转扭矩。动力输出设备需要借助传动机构将输出的旋转动作转换成一定转速和方向的动作才能进一步完成特定的生产活动。传动机构发挥的作用不仅仅在于传递动力输出装置功率和转矩的转换，而且还可以起到变换运动形式和速度的作用。现代化的电力拖动设备都离不开控制系统，控制系统作为整个拖动系统的核心，硬件组成上一般由系统控制模块或可编程控制器（PLC）等构成，随着电力电子及计算机技术的发展，系统的性能（主要是稳定性、灵敏性）越来越取决于软件部分。控制系统根据不同的工况发出电动机运转指令，进而对动作执行机构的运动实现智能化控制。电源部分是电力拖动系统的能量来源，电源的稳定可靠直接关系着整个系统的运转情况。

生产机械的负载转矩特性通过运动方程形式表示为TL= f（n），即转速n与负载转矩的关系。常见生产设备的负载转矩特性包括以下三种基本类型：恒转矩负载、风机负载、恒功率负载。

1.1 恒转矩负载特性

恒转矩负载特性顾名思义负载转矩TL 的值不受转速n的影响，表现为始终是一固定值的特性。恒转矩负载特性按照负载转矩的方向特点，又能够分为反抗性负载特性和位能性负载特性两种：

（1）反抗性恒转矩负载：负载转矩方向始终与旋转方向相反。

假设顺时针为参考方向，电动机顺时针旋转，输出转速n取正值。转矩TL此时和电动机旋转方向相反，取为正值；当电动机逆时针旋转时，转速n取负值。此时转矩TL和电动机旋转方向相反，取为负值。属于这类特性的负载包括皮带运输机、机床的刀架平移机构以及通过摩擦力产生转矩的设备等。

（2）位能性恒转矩负载：其特点是负载转矩的方向固定。

当电动机顺时针旋转时，输出转速n取正值。此时的转矩TZ为逆时针旋转，TZ取正值；当电动机逆时针旋转时，电动机输出转速n取负值。此时的转矩TZ为顺时针，所以取为正值。属于位能性恒转矩特性的负载，其转矩TL方向固定，不会随着转速方向的改变而产生变化，以提升机类设备为例，无论是提升重物（n为正）或下放重物（n为负），负载转矩TL一直保持为正，负载的特性保持于第一和第四象限内，表示恒值特性的直线是连续的，重物提升时转矩TL反对提升；重物下放时，TL却帮助下放。

1.2 通风机负载的转矩特性

通风机负载的转矩特性用公式表示如下：

转矩表现出典型的反抗特性，转矩大小和转速的平方成正比例关系。日常生活中所用的离心式水泵、油泵、井下通风设备等生产机械都属于通风机负载，其中的水、油、空气等介质对设备叶片的阻力大致与转速平方呈正比关系。实际上，上述分析仅为理想状态，现实中通风机设备不仅仅具有通风机负载特性，因其轴承上需要承受一定的摩擦转矩，真实的负载特性应表示如下：

1.3 恒功率负载转矩特性

车床类的生产机械，在粗加工运行时，刀头承受的阻力较大，为了保护刀头不受折损，往往运转速度较低；在精加工运行时，因切削量变小，刀头承受的切削阻力也小，为了保证工作效率，往往运转速度较高，进而保证电动机的输出功率恒定。因此，不同工况、不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，但切削总功率保持恒定 。

2 电力拖动系统转矩的计算

2.1 单轴电力拖动系统

单轴电力拖动系统的电动机转轴与生产机械工作机构直接相连，工作机构作为电动机的直接负载。因电动机和工作机构直接相连，工作机构的转速近似等于电动机的转速，当电动机输出功率一定时：

P=TΩ

T=CΦIa

2.2 多軸电力拖动系统

一般的生产生活中，所用到的机械设备要求其运转速度都不高，而电动机的额定转速往往较高，因此二者之间要通过减速装置将电动机输出的高速运动转变成中低速运动，因此多轴拖动在电力拖动系统中占相当大比例。多轴电力拖动系统通过一定传动变比的传动机构，电动机输出轴的转速n最后变换为工作机械需要的转速 nL。

3 电力拖动系统稳定运行的条件

任何电力拖动系统都离不开动力输出设备和负载两大部分。从电动机一般机械特性与生产机械的负载特性的相互关系能够进一步得到电力拖动系统稳定运行的条件。

首先，对电力拖动系统进行简化，将电动机的机械特性和负载的负载转矩特性画在同一坐标系中：

当转矩T 与TL方向相反，大小相等而相互平衡时，转速稳定，拖动系统处于稳态平衡 ， 此时机械特性和负载特性的交点称为恒速点。

电动机的机械特性和生产机械的负载特性有交点只是拖动系统稳定运行的必要条件。并不是只要系统在电动机机械特性与负载转矩特性的交点上运行，电力拖动系统就一定能够稳定运行，Te = TL只是系统稳定运行的必要条件，而非充分条件。

4 总结

在研究电力拖动系统的特性和规律时，无论是恒转矩负载、风机负载还是恒功率负载，一般情况下可不考虑电力拖动系统中所用的电动机的种类以及生产机械的性质，而是先把动力装置、传动轴系装置以及生产机械看作是一个运动着的整体进行分析、研究，找出其统一遵循的运动规律，并构建电力拖动系统的运动方程。并在此基础上对电力拖动系统在各种运行工况条件下的稳态和动态性能进行分析。

参考文献：

[1]李青葆.电力拖动自动控制系统[J].中国机电技术，2011（04）：37-38.

[2]王至中.直流电动机转矩特性试验[J].电机与电力拖动，2016（17）.