恒功率恒转矩

2012-04-14 18:27阅读：

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日前，与客户交流中曾有人提问：永磁耦合器的机械特性是怎么样的？是恒功率还是恒转矩？遍寻不得，如今查到如下文字，录之。
通常讲的都是恒转矩、恒功率，鲜有人讲二次方律负载（离心式负载），即著名的伯努利方程。

恒转矩、恒功率指负载特性而言，而不是指电动机。

恒转矩负载：
指生产机械的负载转矩TL的大小不随转速n变化，当转速发生变化时负载转矩大致保持不便。这种负载功率P与转速n成正比关系。主要特点：在初始速度就有阻力，启动时需要启动转矩。
根据负载转矩的方向特点，又分为反抗性负载和位能性负载两种。
反抗性恒转矩负载的特点：负载转矩大小不变，方向始终与生产机械运动方向相反，总是阻碍电动机的运转。当电动机旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变。例如：轧钢机、带式输送机、搅拌机、挤压机、自动旋转门和机床的平移机构等摩擦类负载。
位能性恒转矩负载：负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升重物时，负载转矩为阻转矩，作用方向和电动机旋转方向相反，当放下重物

时，负载转矩变成驱动转矩，其作用方向于电动机旋转方向相同，促使电动机旋转。例如：起重机、提升机、电梯等重力类负载。

恒功率负载：
常见电机都是恒功率输出，功率=转速x转矩x0.95 ，所以负载变大时转速降低。恒转矩电机比较少见，比如伺服电机。
负载转矩与转速成反比。其乘积，也就是功率为恒定值，称为恒功率负载。
这一类生产机械有：金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等。比如切削机，当粗加工时，切削量大（TL）大，用低速档；精加工时，切削量（TL）小，用高速档。
还有一种流体类负载，即二次方律负载

一、我先来简要地描述一下恒转矩负载、恒功率负载、二次方率负载的概念：
一）恒转矩负载
恒转矩负载的典型代表是带式输送机。

带式输送机的基本结构和工作状况如上图。其中r为滚筒半径，F为皮带与滚筒之间的摩擦力。负载阻转矩T_L的大小决定于：

T_L=Fr
●恒转矩负载的转矩特点
当负载的重量一定时，由于摩擦力F和滚筒半径r与转速V的快慢变化无关，所以在调节转速n_L的过程中负载阻转矩T_L保持不变。
这里所说的转矩大小变化是相对于转速变化而言的，不能和负载轻重变化时的转矩大小变化相混淆。
恒转矩负载的特点是：负载转矩的大小仅仅取决于负载的轻重，而与转速的大小无关。对于带式输送机来说，当输送带上的物品较多时，不论转速有多大，负载转矩都较大；当输送带上的物品较少时，同样也不论转速有多大，负载转矩都较小。
●恒转矩负载的功率特点
恒转矩负载的功率与转速成正比：P_L=T_Ln_L/9550
●恒转矩负载的机械特性和功率特性
从上图中可以看到，在不同的转速下负载转矩是相等的，这就是恒转矩的意义所在。利用P_L=T_Ln_L/9550可以计算出功率，例如当转速为500转/分时，P_L=90x500/9550≈4.71kW。
二）恒功率负载
各种薄膜卷取机械或者卷纸机是恒功率负载的典型代表。
在薄膜或纸张的卷取过程中随着卷取半径加大必须使得被卷物体的张力F保持恒定，否则会造成被卷物体撕裂或堆积。为此，其基本手段就是使得线速度V为常数。
负载阻转矩的大小取决于：T_L=Fr
式中：
T_L ——负载阻转矩
F ——被卷物体的张力
r ——卷取物的卷取半径
随着卷取物不断的卷绕到卷取辊上，卷取半径r越来越大，负载转矩也随之加大。同时，必须保持线速度V恒定，故随着卷曲半径r的不断增大，转速n_L必须不断减小。

根据负载的机械功率P_L和转矩T_L、转速n_L之间的关系，有下式成立：T_L=9550P_L/n_L
即：恒功率负载的负载阻转矩的大小与转速成反比。
三）二次方律负载
二次方律负载的典型实例是离心式风机和水泵。
二次方律负载的目的大多是使得某种流体（气体或液体）获得一定的流量为目的。流体本身无确切的形状，并且具有一定的可压缩性（液体的压缩性小而气体的压缩性大）。
二次方律的基本特点如下：
●转矩特点
负载的阻转矩T_L与转速n_L的二次方成正比，即：T_L=T₀+K_rn_L²
^式中：
^{Kr
——二次方律负载的转矩常数}
^{T₀
——损耗转矩}
^{●功率特点}
^{负载的功率PL与转速nL的三次方成正比，即：}
P=P₀+P_L=P₀+K_Ln_L³/9550=P₀+K_Pn_L³
式中：
Kp ——二次方律负载的功率常数
P₀ ——功率损耗

机械特性功率特性

事实上，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上，也会有损耗转矩T0和损耗功率P0，如磨擦转矩及其功率等。因此，严格地讲，
其转矩表达式应为: TL＝T0＋KT×nL2
功率表达式为: PL＝P0＋KP×nL3

知道为什么二次方律负载有这种关系吗？我们将T理解为压强P，将n理解为流量Q，这显然是合理的，因为n越大当然流量Q就越大，于是压强P与流量Q之间符合二次方率关系，这就是著名的伯努利方程的结论。伯努利方程是流体力学中的最重要最基础的方程，大家可在阅读任何一本有关流体力学的教科书中看到它。
四）负载特性与电动机机械特性曲线的关系
恒功率负载曲线与电动机机械特性曲线的叠加曲线吧：

当电动机起动时，电动机从n=0开始拖着负载沿着电动机机械特性曲线上升（图中未绘出）至K点，K点被称为临界点，此点以下电动机的转速与T成正比，但电动机处于不稳定工作状态；接着电动机拖动着负载沿着机械特性曲线从K点移动到Q点，Q点是恒功率负载曲线与电动机机械特性曲线的交点，是稳定的工作点。
当负载的阻转矩加大时，显然电动机的转速将下降，但同时电动机切割旋转磁场的速度将增加，因此电动机的电流将加大，于是电动机的转矩加大，最终把负载又拖回到Q点。反之，当负载阻转矩加大，则最终也会返回到Q点。这就是异步电动机能够稳定工作点的原理，而且只能在电动机机械特性曲线的同步点n₀与临界点K之间才能实现。
类似地，还有恒转矩负载、二次方律负载的工作点曲线，我们就不分析了。
五）总结
现在我们应当明白了：电动机的额定功率是指这台电动机在额定转速下旋转轴上能够输出的功率，与恒功率负载、恒功率负载毫无关系。后者描述了电机如何拖动负载以及负载的类型。
六）关于恒转矩电机
显然，当负载的机械特性需要保持恒转矩时，我们必须设法实现。我们既可以改变电机的性能使之符合恒转矩的特性，也可通过外加设备（例如变频器、滑差电机）等等实现这种拖动关系，若我们需要实现恒转矩起动则可利用软启动器得以实现。这些设备中都利用了转矩反馈实现了转速调控得到所需要的结果。
恒功率电机的意义同上。

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