电力拖动系统动力学分析

杨 勇 吉林电子信息职业技术学院机电工程学院 吉林省吉林市 132021

【文章摘要】

在电力拖动系统中，电动机有不同的种类和特性，生产机械的负载性质也各不相同，运动形式各种各样，但从动力学的角度来看，它们都服从动力学的统一规律，所以在研究电力拖动系统时，必须先分析电力拖动系统的动力学问题。本文对电力拖动系统的动力学问题进行了分析和研究，为工矿企业合理地配置电力拖动系统提供了理论根据。

【关键词】

电力拖动系统；动力学；研究

0 引言

在电力拖动系统中，电动机有不同的种类和特性，生产机械的负载性质也各不相同，运动形式各种各样，但从动力学的角度来看，它们都服从动力学的统一规律，所以在研究电力拖动系统时，必须先分析电力拖动系统的动力学问题。

1 电力拖动系统的运动方程式

1.1 单轴电力拖动系统运动方程式

单轴电力拖动系统就是电动机的轴与生产机械的轴直接连接的系统。作用在该连接轴上的转矩有电动机的电磁转矩、电动机的空载阻转矩及生产机械的负载转矩。设转轴的角速度为，系统的转动惯量为( 包括电动机转子、联轴器和生产机械的转动惯量)，则根据动力学定律， 可得到系统的运动方程为（公式1）

式中， 为电动机的电磁转矩，单位为N·m ； 为电动机的负载转矩，单位为N·m ； 为电动机轴上的总转动惯量，单位为kg·m2 ； 为电动机的角速度，单位为rad ／ s。

公式1 称为单轴电力拖动系统的运动方程式，它描述了作用于单轴拖动系统的转矩与速度之间的关系，是研究电力拖动系统各种运动状态的基础。

在工程计算中，通常用转速代替角速度；用飞轮矩代替转动惯量J。可得电力拖动系统运动方程式的实用形式( 公式2)

式中， 是系统转动部分的总飞轮矩，单位为；，是具有加速度量纲的系数。电动机和生产机械的可从产品样本和有关设计资料中查到。

1.2 运动方程式中转矩正、负号的规定

在电力拖动系统中，随着生产机械负载类型和工作状况的不同，电动机的运行状态将发生变化，即作用在电动机转轴上的电磁转矩( 拖动转矩) 和负载转矩( 阻转矩) 的大小和方向都可能发生变化。因此运动方程式中的转矩和是带有正、负号的代数量。在应用运动方程式时， 必须注意转矩的正、负号。一般规定如下：

首先选定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后按照下列规则确定转矩的正、负号。

（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。

（2）负载转矩，与转速的正方向相反时为正，相同时为负。

（3）惯性转矩的大小及正、负号由和代数和决定。

转速的正方向可任意选取，即选顺时针或逆时针，但工程上一般对起重机械选取提升重物时的转速方向为正，龙门刨床工作台则以切削时的转速方向为正。

2 电力拖动系统的运动状态分析

公式2 描述了电力拖动系统的转矩与转速变化率之间的关系，由此式可知电力拖系统的转速变化率 ( 加速度) 是由决定的， 称为动态转矩， 因此根据公式2 可分析电力拖动系统的运动状态。

首先规定某一旋转方向为转速的正方向，即。在此旋转方向下，根据公式2 分析电力拖动系统的运动状态如下：

（1）当时， ，系统处于加速运行状态，即处于动态过程。

（2）当时， ，系统处于减速运行状态，即处于动态过程。

（3）当时， ，系统或以恒定的转速旋转或静止不动。即处于稳态。

由分析可知，当时，系统处于稳定运转状态。但当受到外界的干扰时，如负载转矩的增加或减小，电源电压的变化等影响时，平衡将被打破，转速将发生变化。对于一个稳定的电力拖动系统来说，当系统的平衡状态被打破后，应具有恢复新的平衡状态的能力，在新的平衡状态下稳定运行。

3 单轴与多轴电力拖动系统

电动机和工作机构直接相连，这时工作机构的转速等于电动机的转速，若忽略电动机的空载转矩，则工作机构的负载转矩就是作用在电动机轴上的阻转矩，这种系统称为单轴系统。实际的电力拖动系统往往不是单轴系统，而是通过一套传动机构，把电动机和工作机构连接起来的多轴系统，如图1 所示。电动机与负载之间装有变速装置，如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆、带轮等。分析多轴的运动状态时，通常是把实际的多轴系统折算为一个等效的单轴系统，折算的原则是保持拖动系统在折算前后，其传送的功率和储存的动能不变。如图1(b) 所示，多轴多速的系统可简化等效为单轴系统。具体的折算方法在此不作阐述，可查阅其他的书籍。

【参考文献】

[1] 电机及拖动基础2003. 主编：杨宗豹. 冶金工业出版社

[2] 电机及拖动基础2000. 主编：许晓峰. 高等教育出版社

【作者简介】

杨勇，男，汉族，1971 年生人，祖籍： 吉林省长春市；讲师，毕业于东北电力大学，硕士研究生学历，主要研究方向：电机及电机控制。

（a）多轴电力拖动系统（ b）多轴电力拖动系统等效为单轴系统

图1 多轴电力拖动系统