電機拖動與控制

異步電動機和直流電動機調(diào)速原理及特性分析摘要：本文主要介紹異步電動機和直流電動機的調(diào)速原理，并對其特性進行一定的分析，希望有助于讀者對異步電動機和直流電動機的理解，并能夠為讀者在選用異步電動機或直流電動機時起到參考作用。關(guān)鍵詞：異步電動機；直流電動機；調(diào)速原理；特性分析隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動機越來越多地應(yīng)用到生活的各個領(lǐng)域，為人們的生活帶來了極大便利。通常，交流旋轉(zhuǎn)電機可分為同步電機和異步電機兩大類，如果電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間同步地旋轉(zhuǎn)，這種電機就稱為同步電機；如果電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)時不同步，這種電機就稱為異步電機。本文主要介紹異步電動機和直流電動機的調(diào)速原理并對其特性進行一定的分析。一，異步電動機的變頻調(diào)速原理變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流一直流一交流變頻器和交流一交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交一直一交變頻器。其特點：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護檢修困難。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。三相交流電動機定子繞組中的三相交流電在定子隙圓周上產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速稱同步轉(zhuǎn)速，記為n，實際電動機轉(zhuǎn)速n要低于同步轉(zhuǎn)速，故一般稱這樣的三相交流電動機為三相異步電動機。1.1三相異步電動機的工作原理TOC\o"1-5"\h\z異步電動機的同步轉(zhuǎn)速遵從電機學(xué)基本關(guān)系n1=60f/p (1)(1)式中f為電源交變頻率P為電機定子磁極對數(shù)電機學(xué)中還常用轉(zhuǎn)差率S參量，其定義為S=(n1-n)/n1*100% (2)電機的實際轉(zhuǎn)速n=(60f/p)*(1—s) (3)1.2三相異步電動機變頻調(diào)速控制方式由式(3)可知，異步電動機變頻調(diào)速的控制方式基本上有以下三種：1.21電源頻率低于工頻調(diào)節(jié)范圍：電源的工頻頻率在我國為50Hz。電機定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢為E1=4.44f1*K1*N1*① (4)式中f1為定子繞組中感應(yīng)電動勢的頻率，與電源頻率f相等，單位HzK1為電機定子繞組的繞組系數(shù)，其值取決于繞組結(jié)構(gòu)，k1<1N1為電機定子繞組每相串聯(lián)的線圈匝數(shù)①為電機每極磁通定子電壓U1與定子繞組感應(yīng)電動勢E1的關(guān)系為U1=El+I1*Z1 (5)式中Z1為定子繞組每組阻抗I1為定子繞組相電流若忽略定子壓降I1*Z1，則U1=El=4.44f1*K1*N1*①(6)，把該式整理成U1=4.44f1*K1*N1*①(7)，令K=4.44K1*N1(8)，則①=U1/k*f1 (9)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩M與(U1/f1)2成正比，若下調(diào)頻率f1，同時也下調(diào)U1，，使(U1/f1)比值保持恒量，則磁通①不變，則轉(zhuǎn)矩也保持常值，此時電動機拖動負載的能力不發(fā)生改變，這種控制方式稱為恒磁通調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速，也叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。1.22電源頻率高于工頻調(diào)節(jié)范圍：由于使頻率fl增加，U1/f1變小，而U1不能高于額定電壓，在該控制方式中，保持U1不變，由于頻率變高，由式(9)知道，定子磁通①變小，電磁轉(zhuǎn)矩M也變小，但電源頻率增加，設(shè)電動機轉(zhuǎn)動角速度w=2nm，電機的功率是電磁轉(zhuǎn)矩M與角速度w的乘積P=M*w (10)調(diào)節(jié)過程中，使頻率f與轉(zhuǎn)矩的變化成一定協(xié)調(diào)關(guān)系，從而保持電機功率P為恒量，即功率不發(fā)生變化，這種升頻率定壓調(diào)速為恒功率凋速。1.23轉(zhuǎn)差頻率控制三相異步電動機中，定子與轉(zhuǎn)子之間的圓周空隙有一旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速為n1，電機轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速為n，(n1-n)是轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對切割速度。對頻率、電壓進行諧調(diào)控制，使U/f1不變，此時，磁通①也不變，在①不變的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩M與(n1-n)2成正比。對頻率f進行調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)(n1-n)，因此，在實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時也實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。二，三相異步電動機變頻調(diào)速的發(fā)展隨著變頻調(diào)速異步電動機在國內(nèi)外市場上日益擴大應(yīng)用，自90年代中期以來，我囝有眾多電動機生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計、研制和生產(chǎn)適用于不同應(yīng)用的各種系列變頻調(diào)速三相異步電動機，例如：通用變頻調(diào)速電動機系列、起重冶金變頻調(diào)速電動機系列、隔爆變頻調(diào)速電動機系列、電梯變頻調(diào)速電動機系列、輥道變頻調(diào)速電動機系列、牽引變頻調(diào)速電動機系列等。從目前情況看，這些系列電動機能基本滿足國內(nèi)市場的需求。據(jù)資料顯示，我國對于變頻調(diào)速三相異步電動機的品種不斷擴大，產(chǎn)品設(shè)計也不斷改進。為了適應(yīng)不同用途、不同工作條件和使用環(huán)境、不同工況等各種要求，專用系列和改型系列變頻調(diào)速電動機產(chǎn)品不論現(xiàn)在和將來都在迅速發(fā)展。變頻器供電電源會在電動機端子和各相繞組的前幾匝線圈上產(chǎn)生高頻瞬間脈沖峰值電壓，因此，如果不對絕緣系統(tǒng)采用增強措施，將會使繞組在高電壓應(yīng)力作用下過早失效，從而引起絕緣擊穿故障。據(jù)資料報道，佳木斯電機股份有限公司已存新一代變頻調(diào)速電動機上開始采用專用電磁線、槽絕緣、相惻絕緣以及浸漬漆等措施。三，三相異步電動機的特性分析3.1三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的機械特性是指電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系。由于轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)差率s有一定的對應(yīng)關(guān)系。所以機械特性也常用Tem=f(s)的形式表示。三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式有三種形式，即物理表達式、參數(shù)表達式和實用表達式。物理表達式反映了異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的物理本質(zhì)，說明了電磁轉(zhuǎn)矩是由主磁通和轉(zhuǎn)子有功電流相互作用而產(chǎn)生的。參數(shù)表達式反映了電磁轉(zhuǎn)矩與電源參數(shù)及電動機參數(shù)之間的關(guān)系，利用該式可以方便地分析參數(shù)變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響和對各種人為特性的影響.實用表達式簡單、便于記憶，是工程計算中常采用的形式。電動機的最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩是反映電動機的過載能力和啟動性能的兩個重要指標，最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩越大，則電動機的過載能力越甌啟動性能越好.三相異步電動機的機械特性是一條非線性曲線，一般情況下，以最大轉(zhuǎn)矩(或臨界轉(zhuǎn)差率)為分界點，其線性段為穩(wěn)定運行區(qū)，而非線性段為不穩(wěn)定運行區(qū)。固有機械特性的線性段屬于硬特性，額定工作點的轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速。人為機械特性曲線的形狀可用參數(shù)表達式分析得出.分析時關(guān)鍵要抓住最大轉(zhuǎn)矩、臨界轉(zhuǎn)差率及啟動轉(zhuǎn)矩這三個量隨參數(shù)的變化規(guī)律。3.2三相異步電動機的人為機械特性所謂三相異步電動機的人為機械特性是指:人為地改變電動機的某些參數(shù)或電源電壓大小而得到的機械特性，人為機械特性的目的是為了獲得所需的拖動性能。由上述內(nèi)容可知，改變電動機轉(zhuǎn)子繞組中電阻的大小或改變電源電壓的高低，其機械特性都將發(fā)生改變，下面著重討論這兩種常用的人為機械特性。1）降低電源電壓時的人為機械特性降低電源電壓時，電動機的轉(zhuǎn)矩（包括T或Tst）將按電壓的平方降低，但臨界轉(zhuǎn)差率不變。繪出不同電壓時某一臺電動機的人為特性曲線如圖1所示。由圖可見：降壓后的機械特性變“軟”，啟動能力和過載能力都下降。如果此時的負載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩則將停止運轉(zhuǎn)；如果此時的負載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩可繼續(xù)運轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速n下降，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)子電機勢:升將超:允許值影響抵機的*用壽!大甚至動機過載，這樣長期過載會使圖1三相異步電動機降低電源電壓時的人為機械特性2）轉(zhuǎn)子電路串對稱電阻的人為機械特性在異步電動機轉(zhuǎn)子繞組中串入電阻Ra則啟動轉(zhuǎn)矩T將發(fā)生變化，S也會發(fā)生變化，而最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，人為機械特性曲線如圖2所示廣由圖可見，在一定范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子電阻，可以增加電動機的啟動轉(zhuǎn)矩T，所以起重機械上大多采用繞線式異步電動機。但若是串接某一數(shù)值的電阻使Tst=Tmsfe，再繼續(xù)增大轉(zhuǎn)子電阻，啟動轉(zhuǎn)矩將開始減小。以上三相異步電動機的機械特性性能都是通過特性方程式分析得來的。但方程式較為復(fù)雜，而且一般情況下，三相異步電動機的某些數(shù)據(jù)在產(chǎn)品目錄或銘牌上是查不到的，給方程式的定量運算帶來不便。通過對方程式的分析，可以得到只反映電動機運行外部機械參數(shù)的實用表達式如下：t 2T1 1emSSm一+fSSmPT=XTT=9550ImmNn nN

nnPq異步電動機轉(zhuǎn)子串接對稱電阻時的人為機械特性四，直流電機的調(diào)速與異 使用直流電源，但它的最大優(yōu)點是調(diào)，速性抒電動機相比，直流電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用和維護不如異步電動機方便，而且要同主相異步電動機，調(diào)速方法可由轉(zhuǎn)速方程n=U5Ra+R"InnPq異步電動機轉(zhuǎn)子串接對稱電阻時的人為機械特性四，直流電機的調(diào)速與異 使用直流電源，但它的最大優(yōu)點是調(diào)，速性抒電動機相比，直流電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，得到，直流電動機轉(zhuǎn)速特性的方程式為：Ce①Ce①a，由此可見，式中U、Ra、①三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種基本調(diào)速方法：1）、改變電樞回路總電阻Ra；2）、改變電樞供電電壓"；3）、改變勵磁磁通①下面對其分別介紹：4.1改變電樞回路的電阻調(diào)速各種直流電動機都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，其電路和機械特性如下圖所示:

電樞回路中串入RQ的調(diào)速過程是：由于轉(zhuǎn)速不能躍變，反電動勢Ea=CeO?也不會躍變，I=MI=電樞電流由串入電阻前的 ^ Ra降到^Ra+R，電流的減小使電磁轉(zhuǎn)矩M=CM牛下降到小于負載轉(zhuǎn)矩而使轉(zhuǎn)速下降。轉(zhuǎn)速下降使反電動勢Ea減小，使電流增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加。當轉(zhuǎn)速由"1下降到n2時，電樞電流1a和電磁轉(zhuǎn)矩M重新恢復(fù)到原來的數(shù)值，和負載轉(zhuǎn)矩相平衡，使電動機穩(wěn)定運行在較低的轉(zhuǎn)速"2。這種調(diào)速方法適用于拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，但經(jīng)濟效果差。4.2改變磁通調(diào)速改變磁通調(diào)速也稱為弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速時，機械特性方程式是：改變磁通調(diào)速也稱為弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速時，n=U_-R^M “°Ce①n=U_-R^M “°Ce①CeCM①2 ，當磁通①減小時，理想空載轉(zhuǎn)速0CeO將升高，同時特性P=—R——的斜率 CeCM①2將增大，使特性變軟。但一般“0比^M增加得快，因此在一般情況下，磁通的減弱使轉(zhuǎn)速上升，即弱磁調(diào)速是從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速。弱磁調(diào)速的人為特性如下圖所示，其具體過程是：弱磁調(diào)速前，電動機在額定磁通、額定負載的情況下穩(wěn)定運行于固有特性1的a； 點上。在勵磁回路增加電阻的瞬間，使勵! ' 3 磁電流及磁通減小。由于慣性的原因，轉(zhuǎn)曲速來不及改變，則Ea—Ce^"將減小，P 使電樞電流增加。在一般懷況下，電樞電fti | 流增加的相對量比磁通減小的相對量f 加 要大，使電磁轉(zhuǎn)矩M—CM①1a增加，M。 W 財大于負載轉(zhuǎn)矩使系統(tǒng)加速，轉(zhuǎn)速由n1上升。n的不斷上升使Ea由一開始的下降經(jīng)某一最小值逐漸回升。同理，電樞電流】a和電磁轉(zhuǎn)矩M由一開始上升經(jīng)某一最大值后開始逐漸下降。當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩相平衡時，系統(tǒng)又達到新的平衡，在人為特性2上的b點以n2轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。因為在調(diào)速過程中，磁通和電樞電流不能躍變，所以電磁轉(zhuǎn)矩M的變化曲線如1、2之間的曲線所示。改變磁通調(diào)速方法的優(yōu)點是由于勵磁電流只有電機額定電流的1%?3%，控制方便而且能量損耗小。雖然理論上其調(diào)速范圍很大，但實際上只能使轉(zhuǎn)速升高而不能降低，因此在實際應(yīng)用中受到限制。4.3改變電樞端電壓調(diào)速連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動機在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。根據(jù)上文直

流電動機的機械特性方程式，在保持勵磁磁通①和負載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，改變電壓后所得的人為機械特性，是一族平行于固有機械特性的曲線，也就是說，隨著電壓的變化，理想空載轉(zhuǎn)速成比例地變化，機械特性硬度保持不變。改變電樞端電壓調(diào)速是直流電機調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。其有兩種調(diào)速系統(tǒng):一種是采用發(fā)電機-電動機組供電的調(diào)速系統(tǒng);另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)，如下圖所示：(a)發(fā)電機-電動機組供電(b)晶閘管供電在此調(diào)速方法中，由于電動機在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動機的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風惡化的影響，則不論在高速還是低速下，電動機都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故這種調(diào)速方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。五，直流伺服電動機特性分析5.1機械特性在輸入的電樞電壓U?保持不變時，電動機的轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩M變化而線形變化的規(guī)律，稱直流電動機的機械特性。機械特性的關(guān)系可用下式表示：圖中，圖中，的程度。K越大，電磁轉(zhuǎn)矩變化引起轉(zhuǎn)速變化越大，電動機的機械特性越軟；K越小，電磁轉(zhuǎn)矩變化引起轉(zhuǎn)速變化越小，電動機的機械特性越硬。在直流伺服系統(tǒng)中，希望電動機的機械特性硬一些。當負載發(fā)生變化時引起的轉(zhuǎn)速變化小，有利于提高直流電機的速度穩(wěn)定性和運動精度。且由式（1.1）可知，K與電樞電阻&成正比，電樞回路中串入的電阻或功率放大器的輸出電阻增大，會使直流電機特性變軟，功耗增大。5.2調(diào)節(jié)特性直流電機在一定的電磁轉(zhuǎn)矩M（或負載轉(zhuǎn)矩）下，電機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓"a變化而線性變化的規(guī)律為直流電機的調(diào)節(jié)特性。調(diào)節(jié)特性的關(guān)系可用下式表示：n=與-R\M=~^-(Ua（5.2）C"C" C"a（5.2）調(diào)節(jié)特性曲線如圖5-2所示。圖中，Uao為啟動電壓，為電動機處于待轉(zhuǎn)動而沒轉(zhuǎn)動的臨界狀態(tài)的控制電壓°Uao與電磁轉(zhuǎn)矩（負載轉(zhuǎn)矩）成正比。M越大，Ua0越大。電動機啟動時，在0?Ua0范圍內(nèi)，電動機不轉(zhuǎn)，該區(qū)域稱為電動機的死區(qū)。斜率K表示轉(zhuǎn)速n隨電樞的控制電壓Ua變化而變化的快慢程