電動機的選用與運行控制

電動機的選用

一、電動機種類的選擇

選擇由電動機的種類是從交流或自流 機械特性，調速與起動性能、維護及價格等方面考慮的。本節主要介紹在生産機械上所用的電動機的選擇。

因為通常生産場所用的都是三相交流電源.如果沒有特殊要求。一般都應采用交流電動機。在交流電動機中.三相籠型異步電動機結構簡單，堅固耐用，工作可靠，價格低廉，維護方便;其主要缺點是調速困難，功率因數較低，起動性能較差。

當機械對起動、調速及制動沒有特殊要求時，一般應采用三相籠型感應電動機.例如. 功率不大的水泵、通風機、輸送機、傳送帶、機床的輔助運動機構，差不多都采用籠型電動機。一些小型機床上也采用它作為主軸電動機。

對重載起動的機械，例如某些起重機，卷揚機、鍛壓機及重機床等選用籠電動機不能滿足起動要求或加大功率不合理時或調速範圍不大的機械，目低速運行時間較短時，宜采用繞線轉子電動機。

對功率較大而且連續工作的機械，當在技術經濟上合理時，應采用同步電動機。當機械對起動、調速及制動有特殊要求時，電動機類型及其調速方式應根據技術經濟比較确定。在交流電動機不能滿足機械要求的特性時，宜采用直流電動機;交流電源消失後必須工作的應急機組，也可采用直流電動機。變負載運行的風機和泵類機械，當技術經濟上合理時，應采用調速裝置，并應選用相應類型的電動機。

二、電動機功率的選擇

要為某一生産機械選配一台電動機，首先要考慮電動機的功率需要多大。合理選擇電動機的功率具有重大的經濟意義。如果電動機的功率選大了，雖然能保證正常運行，但是不經濟。因為這不僅使設備投資增加和電動機未被充分利用.而且由于電動機經常不是在滿載下運行 它的效率和功室因數也都不高。如果電動機的功率選小了，就不能保證電動機和生産機械的正常運行.不能充分發揮生産機械的效能，并将使電動機由于過載而過早地損壞。所以所選電動機的功率是由生産機械所需的功率确定的。

電動機的運行控制

大多數機械，包括生産機械、牽引機械、計算機和儀器的外圍設備、日用電器等都是由電動機拖動的。電氣傳動（或稱電力拖動）的任務，是合理地使用電動機并通過控制，使被拖動的機械按照某種預定的要求運行。世界上大約有60% 的發電量是由電動機消耗掉的，因此，電氣傳動是非常重要的領域，而電動機的起動、調速與制動是電氣傳動的重要内容。

一、電動機的起動

1.籠型異步電動機的起動方法

（1）直接起動 直接起動是将電動機直接投入到額定電壓的電源上進行起動，是最簡單的起動方法。一般說來，這種方法的起動電流為額定電流的5~7倍，起動轉矩為額定轉矩的1~2倍。直接起動時，若起動時間短，過高的起動轉矩可能對負載造成沖擊。這時可采用降壓起動方法。

（2）降壓起動 起動時通過與定子繞組的不同連接，或者使用調壓器等方法使得加在定子繞組上的電壓降低.從而減小起動電流。當起動到一定階段時，恢複繞組的正常連接或恢複正常供電電壓。如起動時将三相繞組接成Y形，起動結束時接成 A 形即可有效地降低起動電流。使用調壓器降壓，或起動時把電抗器串聯在電路中，起動結束時将它短路，也可獲得類似效果。

（3）軟起動 通過對電力電子開關元件，如晶閘管、GTO 等的控制而實現對電動機的起動控制，采用電壓斜率的工作原理，控制輸出給電動機的電壓從可整定的初始值經過可整定的斜率時間上升到供電電網全壓。

2.直流電動機的起動

（1）直接啟動 由于直流電動機的繞組電感很小，起動時電源電壓直接加在電動機的電樞電阻上，将會産生很大的起動電流。因此，隻有1 kW 以下的小型直流電動機允許直接起動。

（2）串聯電阻啟動 在起動時将起動電阻串聯在電樞回路中，采用手動或自動方法切換起動電阻。

（3）軟起動 這種方式所用的電樞電源為可變電壓電源，當電壓由零緩慢上升時，電動機随之起動。由于沒有起動電阻損耗，因而是一種高效率的起動方法。可以使用晶閘管相控整流或斬波器作為可變直流電壓電源。随着起動過程的進行，通過對電動機電流的控制，保持起動電流為某一數值。

3.同步電動機的起動

同步電動機本身沒有起動轉矩，于是在結構上采取措施，使之能作為異步電動機進行起動。其辦法有很多種，有的同步電動機将阻尼繞組和實心磁極當成二次繞組而作為籠型異步電動機進行起動，也有的同步電動機把勵磁繞組和絕緣的阻尼繞組當成二次繞組而作為繞線式異步電動機進行起動。當起動加速到接近同步轉速時投入勵磁，牽入同步運行。

二、電動機的調速

直流電氣傳動和交流電氣傳動是在 19世紀先後誕生的。在 20世紀前四分之三的年代裡，鑒于直流傳動具有優越的調速性能，高性能可調速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總容量 80%的不變速傳動則采用交流電動機，這在很長時期内成為一種不變的格局。

直到 20 世紀 70年代後，得益于電力電子技術和微機控制技術的進步.這種被認為是天經地義的交、直流傳動按調速分工的格局終于被打破。

幾乎在電動機開始廣泛應用的初期，諸如變電壓、串級、變壓變頻等交流調速原理就都已經提出，但是由于要用電路元件和旋轉變流機組來實現，所以經濟技術指标一直比不上直流調速。20世紀60年代電力電子技術問世以後，解決了調速系統複雜。體積大。成本高，效率低、噪聲大等問題，使交流調速獲得了飛躍發展。

20世紀 70年代矢量控制發明之後，又提高了交流調速系統的靜态和動态性能。但是要實現矢量控制規律，需要複雜的模拟電子電路，其設計、制造和調試都很麻煩。采用微機控制以後，用軟件實現矢量控制算法，使硬件電路規範化.從而降低了成本，提高了可靠性。而且還有可能進一步實現更複雜的控制技術。因此，電力電子和微機控制是現代交流調速系統發展的物質基礎，電力電子和微機控制技術的迅速進步是推動交流調速系統不斷更新的動力。

在交流調速中，變頻器以其操作方便、占地面積小、控制性能高而獲得廣泛應用。發展變頻器的應用技術，可以有效地提高經濟效益和産品質量。變頻器最主要的特點是具有高效率的驅動性能和良好的控制特性。

在風機、水泵 壓縮機等流體機械上應用變頻器可以節約大量電能;在紡織、化纖、塑膠、化學等工業領域，變頻器的自動控制性能可以提高産品質量和數量;在機械行業中可以改造傳統産業、實現機電一體化;在自動化技術中，交流伺服系統正在取代直流伺服系統。變頻器不僅可以代替工業市場上的變速機械，而且已進入家電産品中.如空調器，電冰箱.洗衣機等。目前.幾乎有電動機的地方就有變頻器。圖2-39 所示為城市輕軌列車交流調速變頻器。

三、電動機的制動

制動是一邊吸收負載的能量一邊運轉的狀态。制動的目的是讓電動機減速或停止轉動，制動過程中要吸收負載及電動機所具有的動能。同時.制動的目的又可以是為了以一定轉速保持某種運行狀态，例如，起重機的電動機吊着物體下放時也屬于制動，此時電動機要吸收負載所産生的能量。

采用機械制動方法和電氣制動方法都可以吸收制動過程的能量。機械制動法是利用強力或重力加壓産生噻擦來制動。機械制動的特征是即使在停止時也有制動轉矩的作用，缺點是要産生摩擦損耗。電氣制動是一種由電氣方式吸收能量的制動方法。這種制動方法适用于頻繁制動或連續制動的場合。電氣制動的方法主要有以下幾種∶

（1）能耗制動 此時電動機工作在發電機狀态，其輸出功率消耗在電阻上從而吸收能量産生制動力。

（2）反接制動 這種方法是在電動機正常運轉時，将其電源的接線反接而進行制動。轉速過零時要立即切斷電源，否則電動機将反轉，因此，需要檢測速度過零時用的繼電器。

（3）回饋制動 這種制動方法是保持電動機運行時的接線方式，而電動機工作在發電機狀态，此時電動機的電流與作為電動機運行的電流相反，從而将電功率回饋到電網。

（4）渦流制動 另外安裝一個利用渦流吸收能量的制動器。

電機學的研究内容

電機學是電氣工程及其自動化本科專業的專業基礎課。通過本課程的學習，能夠使學生掌握各種電機的結構、電磁關系、基礎理論知識、基本運行特性和一般分析方法的訓練，為學習後續的專業課程和将來從事專業工作打下良好基礎。與電機學相關的課程還有電機瞬變過程、電機設計、控制電機等。

電機運行原理基于電磁感應定律和電磁力定律。電機進行能量轉換時，應具備能做相對運動的兩大部件∶律立勵磁磁場的部件.感生電動勢并流過工作申流的被感應部件。這兩個部件中，靜止的稱為定子，做旋轉運動的稱為轉千（習慣上對直線運動的一邊也稱為轉子）定、轉子之間有空氣隙，以便轉子旋轉（或往複運動）。

電磁轉矩由氣隙中勵磁磁場與被感應部件中電流所建立的磁場相互作用産生。通過電磁轉矩的作用，發電機從機械系統吸收機械功率，電動機向機械系統輸出機械功率。建立上述兩個磁場的方式不同，形成不同種類的電機。如果兩個磁場均由直流電流産生，則形成直流申機;如果兩個磁場分别由不同頻率的交流電流産生，則形成異步電機;而如果一個磁場由直流電流産生，另一磁場由交流電流産生，則形成同步電機。

當電機繞組流過電流時.将産生定的磁鍊，并在其耦合磁場内存儲一定的電磁能量。磁鍊及磁場儲能的多少随定 、轉子電流以及轉子位置不同而變化。由此産生電動勢和電磁轉矩，實現機電能量轉換。這種能量轉換是可逆的.即同一台電機既可作為發電機又可作為電動機運行。

電機内部能量轉換過程中，存在電能、機械能、磁場能和熱能。熱能是由電機内部能量損耗産生的。

對電動機而言∶

從電源輸入的電能=遇合電磁場内儲能增量 電機内部的能量損耗 輸出的機械能對發電機而言∶

從機械系統輸入的機械能=耦合電磁場内儲能增量 申機内部的能量損耗 輸出的電能變壓器屬于靜止電機，它的數學模型也與感應電機非常相似，因此，在電機學中将其與旋轉電機一起分析。

在電機學中，以下幾方面的内容非常重要∶

（1）物理模利 首先應該了解電機的基本構造、工作原理，表示轉速與轉矩之間關系的

機械特性、應用場合和使用方法。根據電路基本定律和電磁感應定律等，分析電機内部物理現象，最重要的是空載和負載運行時電機内部電磁關系，對氣隙磁場及其特點等有正确的了解。

（2）數學模型 能夠正确地建立電機的基本方程，對電機參數有清晰的物理概念，牢固掌握電機穩态運行時的分析方法和運行特性，，明确能量轉換關系。能熟練運用等效電路和相量圖分析計算電機的性能和主要運行數據。根據電磁力定律或能量守恒原理求出作用于轉子上的電磁轉矩和轉矩平衡方程式。這些方程稱為電機的運動方程。

（3）實際運行 了解電機的發熱和冷卻、電機的額定值、效率、功率因數（交流電機）、過載能力等主要運行性能指标及主要參數範圍等。對穩态運行電機.發電機的外特性，電動機的機械特性是最重要的特性。對電動機，需要掌握基本的控制方法。

（4）實驗測試 實驗是研究電機的重要手段。要熟練掌握電機的基本學驗測試方法.例如.電機的運行特性、損耗、穩态參數等的測定方法，電動機的起動和調速等，并能對實驗結果進行正确分析和評價。電機實驗的方法有兩種;一種是直接法，另一種是間接法。直接法是電機在接近實際運行的條件下進行實驗，并把所測得數據與理論計算結果相比較以确定理論計算是否正确;間接法是利用較為簡單的電機基本實驗（空載、短路實驗）測出電機參數，然後間接計算出電機性能。

為了制造出既有優良的性能又節省材料的電機，必須有電機設計理論的指導，但是，電機設計的過程非常複雜，過去靠人工設計一台電機需要很長時間。近年來，計算機輔助分析與仿直在電機的研究中得到廣泛應用。如.電機的計算機輔助優化設計、電機電磁場、溫度場的有限元分析等。

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