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1、第一篇 电力传动基础第1章 直流电动机传动基础本章首先介绍电力传动系统的运动学基础，包括运动方程、工作机构物理量折算和生产机械的负载转矩特性等。这些内容不但适用于直流电机，也同样适用于交流电机。直流电机的基本结构和工作原理在电机学中已经讲过，因此本书直接从他励直流电动机的机械特性讲起。结合电动机的机械特性、负载的转矩特性和电力传动系统的运动方程，本章介绍了电力传动系统稳定运行的条件。在此基础上，对他励直流电动机的起动和制动两个基本过渡过程进行了分析和讨论。本章最后介绍了直流电动机调速的基础知识，包括调速的相关指标和调速方法等。必须指出，本章所讲内容虽然由直流电动机所引发，但很多内容是电力传动系
2、统中的共性问题；很多基本概念和基本方法已延伸至交流传动系统之中。1.1 电力传动系统的运动学基础1.1.1 电力传动系统的运动方程一、运动方程式电动机从运动方式上可分直线电机和旋转电机。顾名思义，直线电机做直线运动，旋转电机做旋转运动。当前实际应用中的电机绝大多数是旋转电机，因此本书只对旋转电机的运动学方程进行讨论。由力学的基本定律可知，旋转运动的方程式为： (1-1)式中 T电动机产生的传动转矩(Nm)TL阻转矩(或称负载转矩)(Nm)J(d/dt)惯性转矩(或称加速转矩)转动惯量J可用下式表示： (1-2)式中 m与G旋转部分的质量(kg)与重量(N)r与D惯性半径与惯性直径(m)g重力加
3、速度，g=9.81m/s2这样，由式(1-2)可见，转动惯量J的单位为kgm2。运动方程式(1-1)的形式不够实用，在实际计算中常把它变换为另一种形式。在式(1-1)中，如将角速度(rad/s)变成用每分钟转数n(r/min)表示的形式，即W=2pn/60，并把(1-2)代入，可得到旋转运动方程的实用形式： (1-3)式中 GD2旋转部分的质量(kg)与重量(N)必须指出，式(1-3)中的数字375是具有加速度量纲的，式(1-3)中各物理量在前述的指定单位时此式才成立。电动机电枢(或转子)及其他转动部分的飞轮惯量GD2的数值可由相应的产品目录中查到，但是其单位目前有时仍然用kgm2表示。为了转
4、化成国际单位制，可将查到的数据乘以9.81，就可换算成Nm2的单位。电动机的工作状态可由运动方程式表示出来。分析式(1-3)可知：(1)当T=TL，则或常值，即电动机静止或等速旋转，电力传动系统处于稳定运转状态下。(2)当TTL，电力传动系统处于加速状态，即处于过渡过程中。(3)当T1。在有些设备上，如高速离心机等，电动机的转速比工作机构轴的转速低，这时j 1。二、工作机构直线作用力的折算某些生产机械具有直线运动的工作机构，如起重机的提升机构，其钢绳以力Fz吊质量为mz的重物Gz，以速度vz等速上升或下降，示意图如图1-2所示。另外，如刨床工作台带动工件前进，以某一切削速度进行切削，也是直线运
5、动机构的一例。无论是钢绳拉力或刨床切削力都将在电动机轴上反映一个阻转矩TL，折算原则与上述相同，也是以传送功率不变，同样传动损耗暂不考虑。今以图1-2为例，介绍折算方法。折算时根据传送功率不变，可写出如下关系：图1-2 起重机示意图把电动机角速度(rad/s)换算成以r/min为单位，则=2n/60,上式变成 (1-6)式中 Fz工作机构直线作用力(N)；vz重物提升速度(m/s)；TL力Fz折算为电动机轴上的阻转矩(Nm)；9.55单位换算系数，9.55=60/2。三、传动机构与工作机构飞轮惯量的折算在类似图1-1a所示的多轴系统中，必须将传动机构各轴的转动惯量J1、J2、J3、及工作机构的
6、转动惯量Jz折算到电动机轴上，用电动机轴上一个等效的转动惯量J(或飞轮惯量GD2)来反映整个传动系统转速不同的各轴的转动惯量(或飞轮惯量)的影响。各轴转动惯量对运动过程的影响直接反映在各轴转动惯量所储存的动能上，因此折算必须以实际系统与等效系统储存动能相等为原则。当各轴的角速度为、1、2、3、z时，得到下列关系： (1-7)把式(1-7)化成用飞轮惯量GD2及转速n表示的形式，考虑到GD2=4gJ, = 2n/60，得： (1-8)一般情况下，在系统总的飞轮惯量中，占最大比重的是电动机轴上的飞轮惯量，其次是工作机构轴上的飞轮惯量的折算值，占比重最小的是传动机构各轴上的飞轮惯量的折算值。四、工作
7、机构直线运动质量的折算以图1-2为例，提升或下放重物Gz，在其质量mz中储存着动能。由于重物的直线运动由电动机带动，是整个系统的一部分，因此必须把速度vz(m/s)的质量mz (kg) 折算到电动机轴上，用电动机轴上的一个转动惯量为Jz的转动体与之等效。折算的原则是转动惯量Jz中及质量mz中储存的动能相等，即把Jz = GDz2/4g， = 2n/60及mz = Gz/g代入上式并化简，得 (1-9)式中，365(60/)2。通过以上分析，可以把多轴传动系统(在系统中可包括旋转运动及直线运动部分)折算成一个单轴传动系统。这样，仅用一个运动方程式即可研究实际多轴系统的静态(稳定状态)与动态(过渡
8、过程)问题(均暂未考虑传动机构中的损耗)。1.1.3生产机械的负载转矩特性在运动方程式中，阻转矩(或称负载转矩)TL与转速n的关系TL= f(n)即为生产机械的负载转矩特性。负载转矩TL的大小和多种因素有关。以车床主轴为例，当车床切削工件时，主轴转矩与切削速度、切削量大小、工件直径、工件材料及刀具类型等都有密切关系。根据统计，大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为下列几种类型。一、恒转矩负载特性所谓恒转矩负载特性，就是指负载转矩TL与转速n无关的特性，即当转速变化时，负载转矩TL保持常值。恒转矩负载特性多数是反抗性的，也有位能性的。反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒转矩TL总是反对运动的方向。根据
9、本节前面内容中对转矩TL正负符号的规定，当正转时，n为正，转矩TL为反向，应取正号，即为+TL；而反转时，n为负，转矩TL为正向，应变为-TL，如图1-3所示。显然，反抗性恒转矩负载特性应画在第一与第三象限内。属于这类特性的负载有金属的压延机构、机床的平移机构等。位能性恒转矩负载则与反抗性的特性不同，它由传动系统中某些具有位能的部件(如起重类型负载中的重物)造成，其特点是转矩TL具有固定的方向，不随转速方向改变而改变。如图1-4所示，不论重物提升(n为正)或下放(n为负)，负载转矩始终为反方向，即TL始终为正，特性画在第一与第四象限内，表示恒值特性的直线是连续的。由图1-4可见，提升时，转矩T
10、L反抗提升；下放时，TL却帮助下放，这是位能性负载的特点。 图1-3 反抗性恒转矩负载特性图 图1-4 位能性恒转矩负载特性二、通风机负载特性通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的二次方成正比，即 (1-10)式中 K比例常数。通风机负载特性如图1-5所示。属于通风机负载的生产机械有离心式通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的二次方成正比。图1-5 通风机负载特性三、恒功率负载特性一些机床，如车床，在粗加工时，切削量大，阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，阻力小，往往开高速。因此，在不同的转速下，负载转矩基本上与转速成反比，即 (1-11)式中 K1 = K/9.55=常数； PL负载(切削)功率(W)。可见，切削功率基本不变，负载转矩TL与n的特性曲线呈现恒功率的性质，如图1-6所示。 图1-6 恒功率负载特性必须指出，实际生产机械的负载转矩特性可能
