淺談直流電動機的電力拖動

金昭 張可菊* 沈陽工學院信息與控制學院

在生活中各類機械的原動力基本上都是電動機，在電動機沒有問世時大多數的原動力都是由風、水力及其它作為動力源的。但是隨著電力的發展也使得電動機發展呈現出勃勃生機，并且隨著社會的發展對于電動機的需求也盡不相同，對于電動機的電力拖動系統人們也在不斷的深入研究提高其效率。

1.電力拖動系統組成

在生產制造工業中用電動機來提供原動機的力矩時且完成拖動各類生產機械的要求則稱為電力拖動系統。電動機是通過電能將其轉換為機械能然后再通過直接的或間接的傳動機構驅動生產機器進行工作，傳動機構是變向的能量轉換在一些情況下不需要電動機的參與直接可以驅動生產機械。生產機械在電力拖動系統中是被控對象，來完成某一執行任務的。控制設備的主要組成是由各種控制元器件組成且重要功能用來控制電機實現對生產機械的控制。整個電力拖動系統中要想使設備運行必須提供電源，從而使該系統運作。在日常生活中最常見的電力拖動系統可以是洗衣機、空調等等，比較復雜的如電梯、傳送帶等等。

2.電力拖動系統的運動方程式

電力拖動系統中所用的電動機種類非常的多、生產機械的應用范圍也不同，為了更好的研究電動機運動規律需要找到它們的共性加以綜合分析。為了方便研究電力拖動系統可以用動力學的運動方程來描述，這樣可以使電力拖動系統數字化、參數化并建立運動方程模型進行研究。

在實際問題中將電力拖動系統中的電動機輸出軸直接拖動生產負載運作的系統稱其為單軸電力拖動系統。為了研究方便系統的運動狀態可以由電力拖動系統的運動方程進行表述，原動機轉軸各種動作上的狀態影響著系統的運動狀態。電動機的電磁轉矩通常與軸承轉速同方向這種表現為驅動性質的轉矩，對于生產機械的工作機構轉矩而言就是表現出負載轉矩通常特性為制動。根據牛頓第二定律可知，電力拖動系統在工作時的運動方程式如下：

式中：j為拖動系統在運動的轉動慣量，單位為kg.m2；Ω為單軸電力拖動系統的直軸在旋轉的角速度，單位為rad/s；jdΩ/dt為單軸電力拖動系統的慣性轉矩，單位為N.m。在實際應用問題中，為了方便理解將轉速代替角速度來表示單軸電力拖動系統的轉動速度，用有一定質量物體的轉動慣量來表示電力拖動系統的機械慣性。則關系式如下：

n為轉速，單位為r/min；G為物體的重量，單位為N；g為重力加速度，g取9.8m/s2。經過推導最后可以得到如下實用型式：

式中：分子為旋轉體的飛輪距離，單位為N.m2。對于數字375具有加速度量綱根據實際測出取值，系統的旋轉可以分為三種狀態：

a當Tem=Tl時，系統處于靜止或恒轉速運行狀態則稱其為穩態；

b當Tem＞Tl時，系統是處于加速運行狀態的則稱其為正動態過程；

c當Tem＜Tl時，系統是處于減速運行狀態的則稱其為負動態過程；

在運動方程式中轉矩的正、負號不是隨意的取定，一般來說轉矩的正、負號是有一定的遵守原則電力拖動系統中隨著生產機械負載類型和面對實際工作情況狀況的不同。都將會影響著正在運行的電動機運行狀態，也就是作用在電動機轉軸上的電磁轉矩而產生的拖動轉矩和對于負載時的負載轉矩的大小與方向都在發生變化。在電力拖動系統中運動方程必須注意轉矩的正、負號，要想明確的分清正負號則一定要選定電動機在運作時的旋轉方向：

電磁轉矩與轉速在同方向時為正、反方向為負，負載轉矩與轉速若也在同方向時為正、反方向為負，慣性轉矩的大小、正負號不單是由一個變量判定是由多個量同時判定的。

3.負載的轉矩特性

在電力拖動系統中由運動方程可知系統的運行狀態取決于電動機時刻運行的狀態和面對實際負載的類型，在判定負載運動狀態時一定要知道變量之間的關系如何影響其狀態，生產機械種類雖然很多但可以大致的分為以下幾類：

對于生產機械的負載轉矩不論大小且轉速快慢都無關的轉矩稱為恒轉矩負載特性，但是由于負載轉矩的方向與轉速大小依然有聯系并影響著，又可以分為兩個小類。一個是負載轉矩在運動方向上與轉速方向相反且負載轉矩大小一直為恒定值，稱為反抗性恒轉矩負載。另一個為不論是負載轉矩大小還是負載轉矩的方向都是一個固定值，稱為位能性恒轉矩負載。某些工業生產及日常生活應用中需要一些低速運行且力矩較大的機器，這也就是要求負載轉矩與轉速保持一致乘積為一常數這也就是恒功率負載特性。

4.結語

為了符合時代的發展電動機也廣泛的使用在社會的各個層面，有的需要電力拖動系統的電動機具有較寬的速度調節范圍、精度較高的調速能力，并且能滿足苛刻的控制要求。直流電動機的電力拖動在社會的發展中承擔著重要的角色、并有著重要的經濟地位，更是推動社會生產進步的一種傳動裝置。