电动机的调速与应用.

1、1.1直流电机工作原理21.2直流电机结构31.3直流电动机调速51.3.1改变电枢回路电阻调速51.3.2 变电枢电压调速61.3.3改变励磁电流调速82.1异步电机的基本结构92.2交流电动机调速112.2.1交流调速装置与特点112.2.2变频调速132.2.3 V f比恒定控制142.2.4其他控制方式183.1总结与心得体会19181.1直流电机工作原理图1.1直流电机原理图电枢绕组通过电刷接到直流电源上， 绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从 电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流la与磁场相互作用产生电磁力 F，其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电

2、枢逆时针方向旋转。如上图a所示。当电枢转到上图b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流 la仍由电刷 A流入绕组，由电刷B流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针 方向旋转。电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势（用右手定则判定） 的方向与电枢电流la和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势 Ea。它与 发电机的电动势E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生 电流。而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。可见，电动机向负载输出机械功率的同时， 电源却向电动机输入电功率，电 动机起着将电能转换为机械能的作用。发电机和电动机两者的电磁转

3、矩 T的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻 转矩，它与原动机的驱动转矩 T1的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转 矩，它使电枢转动。电动机的电磁转矩 T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转 矩To相平衡，即T= T2十T。当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的 转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新 的平衡。可见，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然然都产生电动和电磁转矩，但两者作用截然相反。1.2直流电机结构我们讨论电机及其它电器的结构，目的在于了解它们各主要部件的名称、 作 用、相互组装及动作关系。以利正确选用和使用。电机的结构是由以下几方面的

4、要求来确定的。首先是电磁方面的要求：使电机产生足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转 矩，要有一定的绝缘强度。其次是机械方面的要求：电机能传递一定的转矩，保 持机械上的坚固稳定。此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便 于检修，运行可靠等。从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此， 任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成， 在这两部分之间的间隙 叫空气隙。下面介绍直流电机的结构。图 1.1是直流电机结构图。图1.2直流电机结构图1风扇2 机座3 电枢4 主磁极 5 刷架6换向器7 接线板8 出线盒9换向磁极10 端盖 主磁

5、极：主磁极的作用是产生主磁通，主磁极铁心包括极心和极掌两部分。 极心上 套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。直流电机的磁极如图所示。 极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。换向磁极：在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极， 这就是换向磁极。它的构 造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。 换向磁极的作用是 产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧坏主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值， 但是，由于电枢电流通过电枢绕 组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度

6、不能为零值。 于是使转到 中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势， 使得电刷与换向器之间产生较大 的火花。用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场， 使主磁极中性面内的磁感应强度接 近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件， 减小了电刷与换向器之间的火 花。电刷装置：电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、 加压弹簧和刷盒等组成。固 定在机座上（小容量电机装在端盖上）不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转 的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒 内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。机座：机座用铸钢或铸铁制成。用来固定主磁

7、极、换向磁极和端盖等，它是电机磁 路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。端盖：端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电 枢。转子又称电枢，是电机的旋转部分。它由电枢铁心、绕组、换向器等组成。 电枢铁心：电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。 铁心也作为电机磁路的一部分。绕组：绕组是产生感应电动势或电磁转矩， 实现能量转换的主要部件。它是由许多 绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连， 使各组线圈的电动势 相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。换向器：换向器由许多铜制换向片组

8、成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。为了使电机安全而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。 按照规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。电机在额定工作时的各种技术数据叫做额定值，一般加下标 e表示。这些额定值都列在电机的铭牌上， 使用电机前，应熟悉铭牌。1.3直流电动机调速直流电动机是指将直流电送到直流， 把直流电动机的电能转换成机械能。 这 里首先要介绍如何将市电的交流电转换成需要的直流电。直流电机转速公式：n =la电枢电流(A);励磁磁通(Wb;R电枢回路总电阻(Q);CE电势系数,pN_7片，p为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体数。由式1可以看出，式中Ua、

9、Ra三个参量都可以成为变量，只要改变其 中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra； (2)改变电枢供电电压Ua； (3)改变励磁磁通01.3.1改变电枢回路电阻调速各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图1(a)所示。此时转速特性公式为乞-皿+心)n %式中Rw为电枢回路中的外接电阻(Q)。何(bj图1(a)改变电枢电阻调速电路 图1(b)改变电枢电阻调速时的机械特性 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw) 增大，电动机转速就降低。其机械特性如图1(b)所示。Rw的改变可用接触器或主令开

10、关切换来实现。这种调速方法为有级调速，调速比一般约为 2:1左右，转速变化率大，轻 载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。1.3.2改变电枢电压调速连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。如前所述，改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机 -电动机组 供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。 下面分别介绍这 三种调速系统。1) .米用发电机-电动机组调速方法：G M系统。图2 发电机-电动机调速电路(b)发电机-电动机组调速时的机械特性图2(a)所示，通过改变发电机励磁电流IF来改变发电机的输出电压 Ua,从 而改变电动机的转速n。在不同的

11、电枢电压Ua时，其得到的机械特性便是一簇 完全平行的直线，如图2(b)所示。由于电动机既可以工作在电动机状态，又可 以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图2(a)中切换接触器ZC和FC,就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一 台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装 需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点，50年代开始采用水银整流器(大容量)和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。2) .采用晶闸管变流器供电的

12、调速方法简称：V-M系统0 (b)图3 (a)晶闸管供电的调速电路(b)晶闸管供电时调速系统的机械特性有闸管变流器供电的调速电路如图 3(a)所示。通过调节触发器的控制电压 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法 下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图 3(b)中。图3(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较 硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的 完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具 有反电势负载时电流易产生断续造成的。变电枢电压调速是直流

13、电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变， 只是改变电动机的供电电压，因而在 额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响(也就是假定电动机是强迫通风 或为封闭自冷式)，则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称 这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制 系统，调速范围可达50:1150: 1,甚至更大。3) 、直流斩波器或脉宽调速图4直流斩波器一电动机系统的原理图和电压波形Ud=(To n/T)Us= TUs式中T功率管开关器件的周期Ton开通时间T占空比。开关频率咼，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

14、低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强 开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗 也不大，因而全取代了 V M系统。133改变励磁电流调速：弱磁调速图6改变励磁电流调速曲线当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1可看出,电动机的转速与磁通 （也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩 Te是磁通和电枢电流 la的乘积（即Te=C la ），电枢电流不变时，随着磁通 的减小，其转速升高, 转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机

15、磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电 动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才 采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为 1.5:13:1，特殊电动机可 达到5:1。这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电 即可实现而且调节电枢供电电压的方法容易实现平滑、无级、宽范围、低损耗的要求。尽管直流电动机调速就其性能而言，可以相当满意，但因其结构夏杂，惯 量大，维护麻烦，不适宜在恶劣环境中运行。2.1 异步电机的基本结构异步电机主要由定子、转子

16、和两端端盖组成。异步电机分为鼠笼式、绕线式 和换向器式鼠笼式最为通用散进怦讐定蛙汇芳绕组轴承轴承盖端盖接线盒机座（一）定子主要由三部分组成：定子铁芯、定子机座和定子线圈。但是在有些场合（比如作为机车牵引电机 的异步电机），定子没有专门独立的机座。定子机座和定子铁芯合为一体。定子铁芯是电机磁路的一部分和嵌放绕组的地方。 为了减少旋转磁场在铁芯 中的损耗，定子铁芯一般采用导磁性能良好和铁损小的薄软磁材料（一般用0.5厚冷轧硅钢片）叠压而成。冲片叠压后两端加压圈，用扣片扣紧或用拉板点焊拉 紧。当铁芯较长时，为防止铁芯中部因散热不畅而发热，在铁芯轴向上设置若干 个径向通风槽。线圈：用铜导体或铝导体制成

17、。一个线圈一般有多匝绕制而成，若用成形硬 导体绕制，则有时在匝间还垫放绝缘，对于软的散绕组一般没有匝间绝缘。线圈 成好形后再绕包对地绝缘。（二）异步电机的转子：由转子铁芯和转子绕组组成。转子铁芯中间有转轴，轴上套有转子压板和转子冲片。转子铁芯也是电机磁路的一部分，也需要用导磁性好和损耗低的软磁材料， 所以异步电机的转子冲片 均用定子冲片的内圆的材料制成。转子绕组有鼠笼式和绕线式两种，鼠笼式有导体-端环焊接式和整体铸铝式。 绕线式转子与定子相似在槽内嵌放绕组，将绕组连成三相。41一釉承盖2端盖3接线盒4定子铁心5定子绕组6转轴 3转子8风扇 9-罩壳 10轴承11机座鼠笼式三相异步电动机结构3外

18、形结构I 一定子卑组2-机瘗 3定子铁芯4 一接线蠢绕线式异步电动机结构异步电机中还有一个重要区域（这里说是区域而非部件）就是气隙。气隙 是电机定子内径与转子外径间形成的圆环区域。 这个区域的大小（或气隙的大小） 将对电机产生极大的影响。电机的各项性能均与气隙大小有关，设计时是一个重 要参数。2.2 交流电动机调速交流电动机刚好相反。电动机结构简单、惯量小、维护方便，可在恶劣环境 中运行，容易实现大容量化，高压化、高速化，而且价格低廉。从节能的角度看，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速 装置两大类。 高效调速装置的特点是： 调速时基本保持额定转差， 不增加转差损 耗，或可以将转

19、差动率回馈至电网。低效调速装置的特点是：调速时改变转差， 增加转差损耗。2.2.1 交流调速装置与特点(一)具体的交流调速装置有：高效调速方法包括： 改变极对数调速 鼠笼式电机 变频调速 鼠笼式电机 串级调速 绕线式电机 换向器电机调速 同步电机 低效调速方法包括：定子调压调速 鼠笼式电机 电磁滑差离合器调速 鼠笼式电机 转子串电阻调速 绕线式电机(二)各种调速装置的特点：(1) 改变极对数调速优点： 无附加转差损耗，效率高； 控制电路简单，易维修，价格低； 与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。 缺点：有级调速，不能实现无级平滑的调速。 且由于受到电机结构和制造工艺的限 制

20、，通常只能实现23种极对数的有级调速，调速范围相当有限。(2) 变频调速优点： 无附加转差损耗，效率高，调速范围宽； 对于低负载运行时间较长， 或起、停较频繁的场合， 可以达到节电和保护 电机的目的。缺点：技术较复杂，价格较高(3)换向器电机调速 优点： 具有交流同步电动机结构简单和直流电动机良好的调速性能。 低速时用电源电压、高速时用电机反电势自然换流，运行可靠； 无附加转差损耗，效率高，适用于高速大容量同步电动机的启动和调速。 缺点：过载能力较低，原有电机的容量不能充分发挥。(4) 串级调速 优点： 可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。效率高； 装置容量与调速范围成正比，适用于 7

21、0%95%的调速。 缺点：功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。(5) 定子调压调速优点： 线路简单，装置体积小，价格便宜； 使用、维修方便。缺点： 调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低； 调速范围比较小 ； 要求采用高转差电机， 比如特殊设计的力矩电机， 所以特性较软， 一段适 用于 55kW 以下的异步电动机。(6) 电磁转差离合器调速 优点：结构简单，控制装置容量小，价值便宜。 运行可靠，维修容易。 无谐波干扰。缺点： 速度损失大， 因为电磁转差离合器本身转差较大， 所以输出轴的最高转速 仅为电机同步转速的 80%90%； 调速过程中转差功

22、率全部转化成热能形式的损耗，效率低。(7) 转子串电阻调速优点： 技术要求较低，易于掌握； 设备费用低 ； 无电磁谐波干扰。缺点： 串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维护、保 养要求较高； 调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式损耗，效率低。 调速范围不大。综上所述，交流最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。随着电力电子技术的飞速发展，变频调速的性能指标完全可以达到 甚至超过直流电动机调速系统。2.2.2变频调速变频调速原理交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的， 但定子 绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空

23、气隙内产生一个旋转的磁场， 它 与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生 电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用 n。表示：60 fno二P式中：f为三相交流电源频率，一般是 50Hz; p为磁极对数。由上式可知磁极对数p越多，转速no就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速no要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率 s表示：nono在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1;启动后的极端情况n = no， 则s=o,即s在01之间变化，一般异步电动机在额定负载下的s=1%6%。综合以上两式可以得出：n =n(1 -s)二60 f (1

24、 - s)P由式可以看出，对于成品电机，其极对数p已经确定，转差率s的变化不大, 则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机 的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。223 V f比恒定控制Vf比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。 它是在改变变 频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值， 以维护电机磁通基本恒定，从而 在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。 V f控制是目前通用 变频器中广泛采用的控制方式。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，

25、电动 机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁 过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低， 而励磁过强时又会使铁心中的磁 通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流， 增加电动机的功率损耗，降 低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁 通恒定为额定值。由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：Ei = 4.44 fiNiKNi：；mE1E11 mm -(2)(1)则4.44 fiKN1 N1即f1另外，电机的电磁转矩为：Te = Ct % Icos2其中CT 与电动机有关的常数；Cos2 转子每相电路功率因数；2 转子电压与电流的

26、相位差；e 电机的电磁转矩。由式(1)推断，若E1不变，当定子电源频率f1增加，将引起气隙磁通m减小； 而由式可知，q减小又引起电动机电磁转矩e减小，这就出现了频率增加， 而负载能力下降的情况。在 巳不变时，而定子电源频率f1减小，又将引起Gm增 加,m增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因 绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知：变频调速时，必须使气隙磁通不变 因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制， 但控制方式随运行频 率在基频以下和基频以上而不同。1) 基频以下调速由式可知，要保持 4不变，当频率fl从额定值5向下调节时，必须同 时降低巳,使巳/fi二

27、常值只要保持El/fl为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又 称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。根据电机端电压和感应电势的关系式：Ui =Ei+(r +jx )| i(3)式中:Ul-定子相电压;ri-定子电阻；Xl-定子阻抗；Ii-定子电流。当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，Ui和Ei可以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。由于V/f比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时， Ui与Ei都变 小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为 地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。变频后的机械特

28、性如图7所示。图7电动机低于额定转速方向调速时的机械特性从图7中可以看出，当电动机向低于额定转速 n0方向调速时，曲线近似平行 地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电 动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调 速的使用。一种简单的解决方法就是所示的V/f转矩补偿法。Vf转矩补偿法的原理是：针对频率f降低时，电源电压U成比例地降低引 起的U的下降过低，采用适当的提高电压 U的方法来保持磁通量：Jm恒定，使电 动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升。带定子压降补偿的压

29、频比控制特性示于图 8中的b线，无补偿的控制特性则 为a线。定子降压补偿只能补偿低于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。23补偿后的机械特性曲线如图9所示。图9补偿后的机械特性曲线fN向上增高，但是电压却不能超2）在基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从额定频率出额定电压Un，由式（1）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速 方式下，转速升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。造成这种现象的原因是：当频率f1升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压

30、，所以, 磁通量叮m将随着频率人的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下 降，造成电动机的机械特性变软。以上调速方式相应的特性曲线如图11所示。图11整个频率调速的特性曲线注：图中曲线1在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线V/f比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定 子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持 电机磁通恒定， 而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。 另一方面原 因是低速时逆变器桥臂上、 下开关元件的导通时间相对较短， 电压下降， 而且它 们的互锁时间也造成了电压降低， 从而引起转矩脉动， 在一定条件下这将会引起 转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。2.2.4 其他控制方式1).转差频率控制变频调速转差率控制方式是恒压频比控制的一种改进， 这种控制需要由安装在电动机 上的速度传感器检测出电动机的转速， 构成速度闭环， 速度调节器的输出时转差 率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。 它是解 决恒压频比控制静态性能较差的一种有效方法。 但是它需要使用速度传感器来求 取转差角频率， 还要针对具体电机的机械特性调整控制参数， 因而此方法的通用 性较差。2).矢量控制变频调速 矢量控制变频调速的做法是：