电动机的调速与应用综述.docx
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电动机的调速与应用综述
目录
1.1直流电机工作原理···········································2
1.2直流电机结构···············································3
1.3直流电动机调速·············································5
1.3.1改变电枢回路电阻调速·····································5
1.3.2变电枢电压调速···········································6
1.3.3改变励磁电流调速·········································8
2.1异步电机的基本结构·········································9
2.2交流电动机调速·············································11
2.2.1交流调速装置与特点·······································11
2.2.2变频调速·················································13
2.2.3
比恒定控制············································14
2.2.4其他控制方式·············································18
3.1总结与心得体会·············································19
1.1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Ia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Ia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Ia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T0相平衡，即T＝T2十T0。
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
主磁极：
主磁极的作用是产生主磁通φ，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：
Ia——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数，
，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、Ra、Ф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Ф。
1.3.1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
式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。
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）.采用发电机-电动机组调速方法：
G—M系统。
图2（a）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调速方法简称：
V-M系统
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:
1～150：
1,甚至更大。
3）、直流斩波器或脉宽调速
图4直流斩波器—电动机系统的原理图和电压波形
Ud=（Ton/T）Us=ÞUs
式中T——功率管开关器件的周期
Ton——开通时间
Þ——占空比。
开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
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。
1.3.3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Ф（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Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф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，随着电动机磁通Ф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:
1～3:
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
（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。
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。
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：
①无附加转差损耗，效率高;
②控制电路简单，易维修，价格低;
③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，通常只能实现2～3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。
（2）变频调速
优点：
①无附加转差损耗，效率高，调速范围宽;
②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：
①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。
②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;
③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：
①可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。
效率高;
②装置容量与调速范围成正比，适用于70%～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：
①线路简单，装置体积小，价格便宜;
②使用、维修方便。
缺点：
①调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低;
②调速范围比较小;
③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。
③无谐波干扰。
缺点：
①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%;
②调速过程中转差功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：
①技术要求较低，易于掌握;
②设备费用低;
③无电磁谐波干扰。
缺点：
①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;
②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。
③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
表示：
式中：
为三相交流电源频率，一般是50Hz；
为磁极对数。
由上式可知磁极对数
越多，转速
就越慢，转子的实际转速
比磁场的同步转速
要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率
表示：
在加上电源转子尚未转动瞬间，
=0，这时
=1；启动后的极端情况
=
，则
=0，即
在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的
=1%～6%。
综合以上两式可以得出：
由式可以看出，对于成品电机，其极对数
已经确定，转差率
的变化不大，则电机的转速
与电源频率
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。
2.2.3
比恒定控制
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。
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，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：
则
即
（1）
另外，电机的电磁转矩为:
（2）
其中
—与电动机有关的常数；
Cos
—转子每相电路功率因数；
—转子电压与电流的相位差；
—电机的电磁转矩。
由式
（1）推断，若
不变，当定子电源频率
增加，将引起气隙磁通
减小；而由式
（2）可知，
减小又引起电动机电磁转矩
减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。
在
不变时，而定子电源频率
减小，又将引起
增加,
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
（1）可知，要保持
不变，当频率
从额定值
向下调节时，必须同时降低
使
/
=常值
只要保持
/
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：
（3）式中:
-定子相电压；
-定子电阻；
-定子阻抗；
-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，
和
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，
与
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
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。
转矩补偿法的原理是：
针对频率
降低时，电源电压
成比例地降低引起的
的下降过低，采用适当的提高电压
的方法来保持磁通量
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。
图8压频比控制特性曲线
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
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
向上增高，但是电压却不能超出额定电压
，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。
变频后的机械特性如图10所示。
图10电动机高于额定转速方向调速时的机械特性
当电动机向高于额定转速
方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲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
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，所以，磁通量
将随着频率
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
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