电机拖动与控制

异步电动机和直流电动机调速原理及特性分析摘要：本文主要介绍异步电动机和直流电动机的调速原理，并对其特性进行一定的分析，希望有助于读者对异步电动机和直流电动机的理解，并能够为读者在选用异步电动机或直流电动机时起到参考作用。关键词：异步电动机；直流电动机；调速原理；特性分析随着现代科学技术的发展，电动机越来越多地应用到生活的各个领域，为人们的生活带来了极大便利。通常，交流旋转电机可分为同步电机和异步电机两大类，如果电机转子的转速n与定子旋转磁场的转速n1相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电机就称为同步电机；如果电机转子的转速n不等于定子旋转磁场的转速n1，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。本文主要介绍异步电动机和直流电动机的调速原理并对其特性进行一定的分析。一，异步电动机的变频调速原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流变频器两大类，目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为n，实际电动机转速n要低于同步转速，故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。1.1三相异步电动机的工作原理TOC\o"1-5"\h\z异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系n1=60f/p (1)(1)式中f为电源交变频率P为电机定子磁极对数电机学中还常用转差率S参量，其定义为S=(n1-n)/n1*100% (2)电机的实际转速n=(60f/p)*(1—s) (3)1.2三相异步电动机变频调速控制方式由式(3)可知，异步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种：1.21电源频率低于工频调节范围：电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为E1=4.44f1*K1*N1*① (4)式中f1为定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率f相等，单位HzK1为电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构，k1<1N1为电机定子绕组每相串联的线圈匝数①为电机每极磁通定子电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系为U1=El+I1*Z1 (5)式中Z1为定子绕组每组阻抗I1为定子绕组相电流若忽略定子压降I1*Z1，则U1=El=4.44f1*K1*N1*①(6)，把该式整理成U1=4.44f1*K1*N1*①(7)，令K=4.44K1*N1(8)，则①=U1/k*f1 (9)电动机的电磁转矩M与(U1/f1)2成正比，若下调频率f1，同时也下调U1，，使(U1/f1)比值保持恒量，则磁通①不变，则转矩也保持常值，此时电动机拖动负载的能力不发生改变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。1.22电源频率高于工频调节范围：由于使频率fl增加，U1/f1变小，而U1不能高于额定电压，在该控制方式中，保持U1不变，由于频率变高，由式(9)知道，定子磁通①变小，电磁转矩M也变小，但电源频率增加，设电动机转动角速度w=2nm，电机的功率是电磁转矩M与角速度w的乘积P=M*w (10)调节过程中，使频率f与转矩的变化成一定协调关系，从而保持电机功率P为恒量，即功率不发生变化，这种升频率定压调速为恒功率凋速。1.23转差频率控制三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场，转速为n1，电机转子实际转速为n，(n1-n)是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。对频率、电压进行谐调控制，使U/f1不变，此时，磁通①也不变，在①不变的条件下，电磁转矩M与(n1-n)2成正比。对频率f进行调节，即调节(n1-n)，因此，在实现转速调节时也实现了转矩的调节。二，三相异步电动机变频调速的发展随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大应用，自90年代中期以来，我囝有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同应用的各种系列变频调速三相异步电动机，例如：通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看，这些系列电动机能基本满足国内市场的需求。据资料显示，我国对于变频调速三相异步电动机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求，专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来都在迅速发展。变频器供电电源会在电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电压，因此，如果不对绝缘系统采用增强措施，将会使绕组在高电压应力作用下过早失效，从而引起绝缘击穿故障。据资料报道，佳木斯电机股份有限公司已存新一代变频调速电动机上开始采用专用电磁线、槽绝缘、相恻绝缘以及浸渍漆等措施。三，三相异步电动机的特性分析3.1三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。由于转速n与转差率s有一定的对应关系。所以机械特性也常用Tem=f(s)的形式表示。三相异步电动机的电磁转矩表达式有三种形式，即物理表达式、参数表达式和实用表达式。物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，说明了电磁转矩是由主磁通和转子有功电流相互作用而产生的。参数表达式反映了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析参数变化对电磁转矩的影响和对各种人为特性的影响.实用表达式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。电动机的最大转矩和启动转矩是反映电动机的过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越瓯启动性能越好.三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩(或临界转差率)为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区。固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出.分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率及启动转矩这三个量随参数的变化规律。3.2三相异步电动机的人为机械特性所谓三相异步电动机的人为机械特性是指:人为地改变电动机的某些参数或电源电压大小而得到的机械特性，人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。由上述内容可知，改变电动机转子绕组中电阻的大小或改变电源电压的高低，其机械特性都将发生改变，下面着重讨论这两种常用的人为机械特性。1）降低电源电压时的人为机械特性降低电源电压时，电动机的转矩（包括T或Tst）将按电压的平方降低，但临界转差率不变。绘出不同电压时某一台电动机的人为特性曲线如图1所示。由图可见：降压后的机械特性变“软”，启动能力和过载能力都下降。如果此时的负载转矩大于电磁转矩则将停止运转；如果此时的负载转矩小于电磁转矩可继续运转，但转速n下降，转差率s增大，转子电机势:升将超:允许值影响抵机的*用寿!大甚至动机过载，这样长期过载会使图1三相异步电动机降低电源电压时的人为机械特性2）转子电路串对称电阻的人为机械特性在异步电动机转子绕组中串入电阻Ra则启动转矩T将发生变化，S也会发生变化，而最大转矩Tm不变，人为机械特性曲线如图2所示广由图可见，在一定范围内增加转子电阻，可以增加电动机的启动转矩T，所以起重机械上大多采用绕线式异步电动机。但若是串接某一数值的电阻使Tst=Tmsfe，再继续增大转子电阻，启动转矩将开始减小。以上三相异步电动机的机械特性性能都是通过特性方程式分析得来的。但方程式较为复杂，而且一般情况下，三相异步电动机的某些数据在产品目录或铭牌上是查不到的，给方程式的定量运算带来不便。通过对方程式的分析，可以得到只反映电动机运行外部机械参数的实用表达式如下：t 2T1 1emSSm一+fSSmPT=XTT=9550ImmNn nN

nnPq异步电动机转子串接对称电阻时的人为机械特性四，直流电机的调速与异 使用直流电源，但它的最大优点是调，速性抒电动机相比，直流电动机的结构复杂，用和维护不如异步电动机方便，而且要同主相异步电动机，调速方法可由转速方程n=U5Ra+R"InnPq异步电动机转子串接对称电阻时的人为机械特性四，直流电机的调速与异 使用直流电源，但它的最大优点是调，速性抒电动机相比，直流电动机的结构复杂，得到，直流电动机转速特性的方程式为：Ce①Ce①a，由此可见，式中U、Ra、①三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"；3）、改变励磁磁通①下面对其分别介绍：4.1改变电枢回路的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，其电路和机械特性如下图所示:

电枢回路中串入RQ的调速过程是：由于转速不能跃变，反电动势Ea=CeO„也不会跃变，I=MI=电枢电流由串入电阻前的 ^ Ra降到^Ra+R，电流的减小使电磁转矩M=CM牛下降到小于负载转矩而使转速下降。转速下降使反电动势Ea减小，使电流增加，电磁转矩增加。当转速由"1下降到n2时，电枢电流1a和电磁转矩M重新恢复到原来的数值，和负载转矩相平衡，使电动机稳定运行在较低的转速"2。这种调速方法适用于拖动恒转矩负载，但经济效果差。4.2改变磁通调速改变磁通调速也称为弱磁调速。弱磁调速时，机械特性方程式是：改变磁通调速也称为弱磁调速。弱磁调速时，n=U_-R^M “°Ce①n=U_-R^M “°Ce①CeCM①2 ，当磁通①减小时，理想空载转速0CeO将升高，同时特性P=—R——的斜率 CeCM①2将增大，使特性变软。但一般“0比^M增加得快，因此在一般情况下，磁通的减弱使转速上升，即弱磁调速是从额定转速向上调速。弱磁调速的人为特性如下图所示，其具体过程是：弱磁调速前，电动机在额定磁通、额定负载的情况下稳定运行于固有特性1的a； 点上。在励磁回路增加电阻的瞬间，使励! ' 3 磁电流及磁通减小。由于惯性的原因，转曲速来不及改变，则Ea—Ce^"将减小，P 使电枢电流增加。在一般怀况下，电枢电fti | 流增加的相对量比磁通减小的相对量f 加 要大，使电磁转矩M—CM①1a增加，M。 W 财大于负载转矩使系统加速，转速由n1上升。n的不断上升使Ea由一开始的下降经某一最小值逐渐回升。同理，电枢电流】a和电磁转矩M由一开始上升经某一最大值后开始逐渐下降。当电磁转矩和负载转矩相平衡时，系统又达到新的平衡，在人为特性2上的b点以n2转速稳定运行。因为在调速过程中，磁通和电枢电流不能跃变，所以电磁转矩M的变化曲线如1、2之间的曲线所示。改变磁通调速方法的优点是由于励磁电流只有电机额定电流的1%〜3%，控制方便而且能量损耗小。虽然理论上其调速范围很大，但实际上只能使转速升高而不能降低，因此在实际应用中受到限制。4.3改变电枢端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。根据上文直

流电动机的机械特性方程式，在保持励磁磁通①和负载转矩不变的条件下，改变电压后所得的人为机械特性，是一族平行于固有机械特性的曲线，也就是说，随着电压的变化，理想空载转速成比例地变化，机械特性硬度保持不变。改变电枢端电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。其有两种调速系统: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，如下图所示：(a)发电机-电动机组供电(b)晶闸管供电在此调速方法中，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，则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故这种调速方法属于恒转矩调速。五，直流伺服电动机特性分析5.1机械特性在输入的电枢电压U«保持不变时，电动机的转速n随电磁转矩M变化而线形变化的规律，称直流电动机的机械特性。机械特性的关系可用下式表示：图中，图中，的程度。K越大，电磁转矩变化引起转速变化越大，电动机的机械特性越软；K越小，电磁转矩变化引起转速变化越小，电动机的机械特性越硬。在直流伺服系统中，希望电动机的机械特性硬一些。当负载发生变化时引起的转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和运动精度。且由式（1.1）可知，K与电枢电阻&成正比，电枢回路中串入的电阻或功率放大器的输出电阻增大，会使直流电机特性变软，功耗增大。5.2调节特性直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下，电机的稳定转速n随电枢的控制电压"a变化而线性变化的规律为直流电机的调节特性。调节特性的关系可用下式表示：n=与-R\M=~^-(Ua（5.2）C"C" C"a（5.2）调节特性曲线如图5-2所示。图中，Uao为启动电压，为电动机处于待转动而没转动的临界状态的控制电压°Uao与电磁转矩（负载转矩）成正比。M越大，Ua0越大。电动机启动时，在0〜Ua0范围内，电动机不转，该区域称为电动机的死区。斜率K表示转速n随电枢的控制电压Ua变化而变化的快慢程