第4章电力拖动系统的动力学基础4.1电力拖动系统的运动方程拖动就是由原动机带动生产机械产生运动。以电动机作为原动机拖动生产机械运动的拖动方式，称为电力拖动。如图4-1所示，电力拖动系统一般由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成，通常又把传动机构和工作机构称为电动机的机械负载。1.运动方程式电力拖动系统经过化简，都可转为如图4-2a所示的电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连的单轴电力拖动系统，各物理量的方向标示如图4-2b。根据牛顿力学定律，该系统的运动方程为在工程计算中，通常用转速n单位为转/分（r/min）代替角速度；用飞轮矩GD2代替转动惯量J。由于n与的关系为2.运动方程中方向的约定式（4-4）中的Te、TL和n都是有方向的，它们的实际方向可以根据图2-2b给出的参考正方向，用正、负号来表示。这里规定n及Te的参考方向为对观察者而言逆时针为正，反之为负；TL的参考方向为顺时针为正，反之为负。3.运动方程的物理意义式（4-4）表明电力拖动系统的转速变化dn/dt（即加速度）由电动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系决定。1）当Te=TL时，dn/dt=0，表示电动机以恒定转速旋转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或稳态；2）若Te＞TL时，dn/dt＞0，系统处于加速状态；3）若Te＜TL时，dn/dt＜0，系统处于减速状态。也就是一旦dn/dt≠TL，则转速将发生变化，我们把这种运动状态称为动态或过渡状态。4.2生产机械的负载转矩特性在运动方程式中，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。4.2.1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。1．反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒值转矩TL总是反对运动的方向。显然如图4-3所示，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、机床的平移机构等。2．位能性恒转矩负载特性位能性恒值负载转矩则与反抗性的特性不同，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。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。4.2.2风机和泵类负载特性通风机负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比，即4.2.3恒功率负载特性有些生产机械，比如车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，切削阻力小，往往开高速。因此，在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，即4.2.4实际生产机械的负载特性实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩Tf，因而实际通风机负载特性应为4.2.4实际生产机械的负载特性4.3电力拖动系统的稳态分析——稳定运行的条件电力拖动系统是由电动机与负载两部分组成的，通常把电动机的电磁转矩与转速之间的关系称为机械特性本节将先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着手分析电力拖动系统稳定运行问题。为了便于理解，现分两步来分析和求解问题：1）给出问题的直观解，即首先建立电力拖动系统稳定运行的直观概念。2）从电力拖动系统的运动方程出发，给出这一问题的解析解。4.3.1电动机机械特性的一般形式考虑到大部分电动机的机械特性都具有或可近似为一线性区段，如图4-9所示。为不失一般性，现假设电动机的机械特性可表示成4.3.2电力拖动系统稳定运行的概念所谓电力拖动系统稳定运行是指系统在扰动作用下，离开原来的平衡状态，但仍然能够在新的运行条件达到平衡状态，或者在扰动消失之后，能够回到原有的平衡状态。是否在所有的电动机机械特性与负载转矩特性交点上运行的情况都能够稳定运行呢？请看下面的例子。结论：电力拖动系统能否稳定运行与电动机及其负载特性曲线的形状有关。对于恒转矩负载，如果电动机的机械特性呈下垂曲线，系统是稳定的；反之，则不稳定。对于非恒转矩负载，如果电动机机械特性的硬度小于负载特性的硬度，该系统就能稳定运行。4.3.3电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统在电动机机械特性与负载转矩特性的交点上，并不一定都能够稳定运行，也就是说，Te=TL仅仅是系统稳定运行的一个必要条件，而不是充分条件。进一步分析电动机与负载特性的关系，寻求电力拖动系统稳定运行的条件。根据电力拖动运动方程如前所述，这种平衡状态仅仅是系统稳定的必要条件，是否稳定还需进一步分析和判断。当电力拖动系统在平衡点工作时，给系统加一个扰动使转速有一个改变量n，如果当扰动消失后系统又回到原平衡点工作，即有n→0，则系统是稳定的。现假