第一章电力拖动系统的动力学基础
【引入】用电动机作原动机的拖动方式，称为电力拖动。
现代化矿井使用着大量的生产机械，几乎全部是采用电力拖动的。
第一节机械特性
一、电力拖动装置的组成
通常，一套电力拖动装置由工作机构（生产机械）、电动机、传动机构和控制设备四部分组成。
如图1.1.1所示。
图 1.1.1电力拖动系统示意图
1、工作机构
工作机构是生产机械执行工作的机械部分，如提升机的卷筒、钢丝绳及提升容器，采煤机的滚筒与截齿等。
电力拖动过程中，负荷的变化往往来自工作机构。
2、电动机
电动机是电力拖动装置的原动机，它的作用是把电源提供的电能转变为机械能用以拖动生产机械运转。
电动机分交流电动机和直流电动机两大类。
3、传动机构
大多数情况下，电动机与工作机构并不直接连接，而是中间还有一套传动机构用来变速或改变运行方式，如联轴器、皮带、链条及减速器等。
4、控制设备
控制设备是控制电动机运转的设备，由各种控制电器和控制电机组成，用以控制电动机的起动、调速、制动和反转等。
除了上述四部分外，还有电源装置，如各种开关柜，上面配有继电保护装置和指示仪表，用以向电动机和控制设备供电。
二、拖动系统的类型
单轴系统：电动机的转轴直接与工作机构的转轴相连接的拖动系统；
多轴系统：电动机和工作机构之间通过若干传动机构相连接的拖动系统。
1、电动运行状态（第一三象限）
其特点是电动机转矩M的方向与
旋转方向(转速n的方向)相同，M为拖
动转矩。
电动机从电网取得电能并变为
机械能带动负载运转。
2、制动运转状态（第二四象限）
电动机的转矩M与转速的方向相反，M为制动转矩。
此时生产机械带动电动机旋转，电动机吸收机械能并变成电能送回电网或消耗在电阻上。
关于制动运转状态的分析将在后面有关章节中讨论。
三、机械特性
1、生产机械的负载特性
生产机械在运转中受到阻转矩的作用。
此转矩叫负载转矩ḾL反映到电动机轴上即为M L。
生产机械的负载特性指其转速n L与负载转矩M L'的关系反映到电动机轴上便是
n=ƒ（M L）
大多数生产机械的负载特性可归纳为以下三种类型：
1) 恒转矩特性
恒转矩特性的特点是负载转矩与转速无关，如图1.1.3所示。
矿井提升机、带式输送机等机械具有这种特性。
图1.1.3 恒转矩负载特性
a一位能负载特性；b一反作用负载特性
恒转矩负载又分两类：位能负载和反作用负载。
2) 通风机类负载特性
此类负载转矩的大小与转速平方成正比，如图 1.1.4所示。
在低速下转矩很小，随着转速的升高，负载逐渐加大，加大的速率逐渐减小。
通风机、水泵具有这种特性。
这类负载低速阻转矩很小，故起动容易。
图1.1.4 通风机类负载特性图1.1.5 恒功率负载特性
3) 恒功率负载特性
恒功率负载，转矩与转速成反比，即
P L一定时，M L与n成反比。
恒功率负载特性如图1.1.5所示。
2、电动机的机械特性
电动机的机械特性指电动机的转速n与其电磁转矩的关系
n=ƒ(M)
如图1.1.6所示。
图中1、2、3、4分别为同步电动机、异步电动机、他励式直流电动机和串励式直流电动机的机械特性。
所谓“硬度”系指电动机转矩的改变引起转速
变化的程度，通常用硬度系数α表示。
特性曲线上
任一点的硬度系数定义为该点转矩变化的百分数与
转速变化的百分数之比，即
不同类型的电动机，在相同的△M下△n不同因此α也不同。
根据硬度系数α的大小，电动机的机械特性可分为三种类型：
1、绝对硬特性
当转矩变化时电动机的转速恒定不变，△n=0，硬度系数α=∞。
同步电动机具有这种机械特性。
2、硬特性
当转矩变化时，电动机的转速变化不大，△n较小，硬度系数较大，α=-（40—10)。
异步电动机特性曲线的稳定工作部分和他励式直流电动机具有此类特性。
3、软特性
当转矩变化时，电动机转速变化很大，△n很大，硬度系数小，α为-(5—1) 左右直流串励电动机具有这种机械特性。
课后小结：1、电力拖动系统的组成；
2、电力拖动系统各物理量的方向；
3、电力拖动系统的机械特性。
课后作业：习题一
第二节拖动系统的运动学方程式
【复习】生产机械的机械特性及其特点。
【引入】电力拖动系统是一个整体，电动机通过传动装置带动生产机械运转。
电动机的电磁转矩一方面要克服生产机械的负载转矩和系统的摩擦阻转矩，另一方面还要平衡系统变速所需要的惯性转矩。
一、运动方程式
根据动力学的原理，电力拖动系统的运动方程式可写为
式中M——电动机的电磁转矩，即拖动转矩；
M L——系统的静阻转矩，包括生产机械的负载转矩和系统的摩擦转矩；
GD2——系统的飞轮惯量，它反映了一个旋转体的转动惯性，与旋转体的重量、形状和轴的位置有关；
dn/dt——电动机转速的变化率。
从上式看出
(1) 匀速转动时，dn/dt=0，M=M L，电动机的拖动转矩只用来平衡系统的静阻转矩、电力拖动系统处于稳定运行状态。
(2) 加速运动时，dn/dt>0，M>M L，电动机的拖动转速大于静阻转矩，多余部分用于系统加速。
(3) 减速运行时，dn/dt <0，M<M L，电动机的拖动转矩小于静阻转矩，惯性转矩平衡
了一部分静阻转矩。
二、多轴系统的折算
由于中间传动装置的变速作用，实际拖动系统各部分的转速往往是不同的，转矩也不同。
下面以图1.1.2的提升绞车为例加以讨论。
图 1.1.2 提升绞车传动系统示意图
1、功率的传递
电力拖动中，电动机把电网提供的电能变成机械能，通过传动机构再把机械能传给生产机械。
若忽略传动中的损失，那么
式中P M——电动机的电磁功率；
P¹L——工作机械的机械功率。
实际上，在传动中由于齿轮间、轴与轴承间的摩擦等阻力的作用传动机构要损失一部分功率，变成了热能。
假设损失的这部分功率为P0，则
ηt叫传动装置的传动效率，它的值小于1。
考虑到传动损失，在电动机拖
动生产机械运转时，电动机的拖动功率略大于生产机械的机械功率。
2、力和转矩的传递
一对齿轮啮合时，在轮齿接触处，主动轮给从动轮的作用力等于从动轮给主动轮的反作用力。
由于齿轮的直径不同，传动的转矩便不相等。
对于减速传动，小齿轮带动大齿轮，转速变低，转矩变大。
如图1.1.2所示，Z2与Z3固定在同一轴上，这两个齿轮上的转矩相等。
Z3
与Z4啮合，使大轴上的转矩又大于中间轴上的转矩。
根据功率传递关系得出
式中M L——负载反映到电动机轴上的转矩；
ḾL——工作机械的静阻转矩；
j——电动机轴与工作机械轴的传动比；
ηt——传动效率。
对于减速传动，由于j大于1，生产机械反映到电动机轴上的转矩小于生产机械轴上的转矩。
在一个传动系统中，转矩与各轴的转速成反比，转速越低的轴，工作转矩越大，因此轴的直径也越大。
课后小结：1、电力拖动系统的运动学方程式；
2、多轴系统的折算；
课后作业：习题一
第三节拖动系统的静态工作点
【复习】运用运动学方程式进行多轴系统的计算方法。
【引入】电动机拖动生产机械运行时，负载转矩通过传动机构作用于电动机轴上，所以在系统运行中电动机的机械特性与生产机械的负载特性是同时存在的。
要使电动机稳定运行，须具有下述条件：
一、必要条件
从运动学方程式可知，当拖动转矩M和负载转矩M L大小相等、方向相反互相平衡时，转速为某一稳定值，系统处于稳定状态，所以两条特性曲线有交点是稳定运行的必要条件。
交点对应的转速即为系统的稳定运转速度。
如图1.1.7所示，图中A点为直流他励电动机带恒转矩负载的一个稳定工作点。
如果
负载转矩由M L1增加到M L2，则工作点从A移到B，电动机的转矩也相应地增加，转速从n A降到n B，又稳定运行于B点。
二、充分条件
如果拖动系统原来在交点处运行，由于某种原因(如电源电压波动、负载冲击等)使转速稍有变化，离开了原工作点，当干扰消除后，拖动系统有能力恢复到原工作点，则系统运行就是稳定的。
现以异步电动机拖动恒转矩负载为例进行分析。
图1.1.7 他励电动机带恒转矩负载稳定工作点图1.1.8拖动系统稳定运行条件分析
课后小结：3、拖动系统的静态工作点；
4、拖动系统的稳定性。
课后作业：习题一。