电动机的选用与运行控制

电动机的选用

一、电动机种类的选择

选择由电动机的种类是从交流或自流机械特性，调速与起动性能、维护及价格等方面考虑的。本节主要介绍在生产机械上所用的电动机的选择。

因为通常生产场所用的都是三相交流电源.如果没有特殊要求。一般都应采用交流电动机。在交流电动机中.三相笼型异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便;其主要缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能较差。

当机械对起动、调速及制动没有特殊要求时，一般应采用三相笼型感应电动机.例如.功率不大的水泵、通风机、输送机、传送带、机床的辅助运动机构，差不多都采用笼型电动机。一些小型机床上也采用它作为主轴电动机。

对重载起动的机械，例如某些起重机，卷扬机、锻压机及重机床等选用笼电动机不能满足起动要求或加大功率不合理时或调速范围不大的机械，目低速运行时间较短时，宜采用绕线转子电动机。

对功率较大而且连续工作的机械，当在技术经济上合理时，应采用同步电动机。当机械对起动、调速及制动有特殊要求时，电动机类型及其调速方式应根据技术经济比较确定。在交流电动机不能满足机械要求的特性时，宜采用直流电动机;交流电源消失后必须工作的应急机组，也可采用直流电动机。变负载运行的风机和泵类机械，当技术经济上合理时，应采用调速装置，并应选用相应类型的电动机。

二、电动机功率的选择

要为某一生产机械选配一台电动机，首先要考虑电动机的功率需要多大。合理选择电动机的功率具有重大的经济意义。如果电动机的功率选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济。因为这不仅使设备投资增加和电动机未被充分利用.而且由于电动机经常不是在满载下运行它的效率和功室因数也都不高。如果电动机的功率选小了，就不能保证电动机和生产机械的正常运行.不能充分发挥生产机械的效能，并将使电动机由于过载而过早地损坏。所以所选电动机的功率是由生产机械所需的功率确定的。

电动机的运行控制

大多数机械，包括生产机械、牵引机械、计算机和仪器的外围设备、日用电器等都是由电动机拖动的。电气传动（或称电力拖动）的任务，是合理地使用电动机并通过控制，使被拖动的机械按照某种预定的要求运行。世界上大约有60%的发电量是由电动机消耗掉的，因此，电气传动是非常重要的领域，而电动机的起动、调速与制动是电气传动的重要内容。

一、电动机的起动

1.笼型异步电动机的起动方法

（1）直接起动直接起动是将电动机直接投入到额定电压的电源上进行起动，是最简单的起动方法。一般说来，这种方法的起动电流为额定电流的5~7倍，起动转矩为额定转矩的1~2倍。直接起动时，若起动时间短，过高的起动转矩可能对负载造成冲击。这时可采用降压起动方法。

（2）降压起动起动时通过与定子绕组的不同连接，或者使用调压器等方法使得加在定子绕组上的电压降低.从而减小起动电流。当起动到一定阶段时，恢复绕组的正常连接或恢复正常供电电压。如起动时将三相绕组接成Y形，起动结束时接成A形即可有效地降低起动电流。使用调压器降压，或起动时把电抗器串联在电路中，起动结束时将它短路，也可获得类似效果。

（3）软起动通过对电力电子开关元件，如晶闸管、GTO等的控制而实现对电动机的起动控制，采用电压斜率的工作原理，控制输出给电动机的电压从可整定的初始值经过可整定的斜率时间上升到供电电网全压。

2.直流电动机的起动

（1）直接启动由于直流电动机的绕组电感很小，起动时电源电压直接加在电动机的电枢电阻上，将会产生很大的起动电流。因此，只有1kW以下的小型直流电动机允许直接起动。

（2）串联电阻启动在起动时将起动电阻串联在电枢回路中，采用手动或自动方法切换起动电阻。

（3）软起动这种方式所用的电枢电源为可变电压电源，当电压由零缓慢上升时，电动机随之起动。由于没有起动电阻损耗，因而是一种高效率的起动方法。可以使用晶闸管相控整流或斩波器作为可变直流电压电源。随着起动过程的进行，通过对电动机电流的控制，保持起动电流为某一数值。

3.同步电动机的起动

同步电动机本身没有起动转矩，于是在结构上采取措施，使之能作为异步电动机进行起动。其办法有很多种，有的同步电动机将阻尼绕组和实心磁极当成二次绕组而作为笼型异步电动机进行起动，也有的同步电动机把励磁绕组和绝缘的阻尼绕组当成二次绕组而作为绕线式异步电动机进行起动。当起动加速到接近同步转速时投入励磁，牵入同步运行。

二、电动机的调速

直流电气传动和交流电气传动是在19世纪先后诞生的。在20世纪前四分之三的年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机，这在很长时期内成为一种不变的格局。

直到20世纪70年代后，得益于电力电子技术和微机控制技术的进步.这种被认为是天经地义的交、直流传动按调速分工的格局终于被打破。

几乎在电动机开始广泛应用的初期，诸如变电压、串级、变压变频等交流调速原理就都已经提出，但是由于要用电路元件和旋转变流机组来实现，所以经济技术指标一直比不上直流调速。20世纪60年代电力电子技术问世以后，解决了调速系统复杂。体积大。成本高，效率低、噪声大等问题，使交流调速获得了飞跃发展。

20世纪70年代矢量控制发明之后，又提高了交流调速系统的静态和动态性能。但是要实现矢量控制规律，需要复杂的模拟电子电路，其设计、制造和调试都很麻烦。采用微机控制以后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化.从而降低了成本，提高了可靠性。而且还有可能进一步实现更复杂的控制技术。因此，电力电子和微机控制是现代交流调速系统发展的物质基础，电力电子和微机控制技术的迅速进步是推动交流调速系统不断更新的动力。

在交流调速中，变频器以其操作方便、占地面积小、控制性能高而获得广泛应用。发展变频器的应用技术，可以有效地提高经济效益和产品质量。变频器最主要的特点是具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。

在风机、水泵压缩机等流体机械上应用变频器可以节约大量电能;在纺织、化纤、塑胶、化学等工业领域，变频器的自动控制性能可以提高产品质量和数量;在机械行业中可以改造传统产业、实现机电一体化;在自动化技术中，交流伺服系统正在取代直流伺服系统。变频器不仅可以代替工业市场上的变速机械，而且已进入家电产品中.如空调器，电冰箱.洗衣机等。目前.几乎有电动机的地方就有变频器。图2-39所示为城市轻轨列车交流调速变频器。

三、电动机的制动

制动是一边吸收负载的能量一边运转的状态。制动的目的是让电动机减速或停止转动，制动过程中要吸收负载及电动机所具有的动能。同时.制动的目的又可以是为了以一定转速保持某种运行状态，例如，起重机的电动机吊着物体下放时也属于制动，此时电动机要吸收负载所产生的能量。

采用机械制动方法和电气制动方法都可以吸收制动过程的能量。机械制动法是利用强力或重力加压产生噻擦来制动。机械制动的特征是即使在停止时也有制动转矩的作用，缺点是要产生摩擦损耗。电气制动是一种由电气方式吸收能量的制动方法。这种制动方法适用于频繁制动或连续制动的场合。电气制动的方法主要有以下几种∶

（1）能耗制动此时电动机工作在发电机状态，其输出功率消耗在电阻上从而吸收能量产生制动力。

（2）反接制动这种方法是在电动机正常运转时，将其电源的接线反接而进行制动。转速过零时要立即切断电源，否则电动机将反转，因此，需要检测速度过零时用的继电器。

（3）回馈制动这种制动方法是保持电动机运行时的接线方式，而电动机工作在发电机状态，此时电动机的电流与作为电动机运行的电流相反，从而将电功率回馈到电网。

（4）涡流制动另外安装一个利用涡流吸收能量的制动器。

电机学的研究内容

电机学是电气工程及其自动化本科专业的专业基础课。通过本课程的学习，能够使学生掌握各种电机的结构、电磁关系、基础理论知识、基本运行特性和一般分析方法的训练，为学习后续的专业课程和将来从事专业工作打下良好基础。与电机学相关的课程还有电机瞬变过程、电机设计、控制电机等。

电机运行原理基于电磁感应定律和电磁力定律。电机进行能量转换时，应具备能做相对运动的两大部件∶律立励磁磁场的部件.感生电动势并流过工作申流的被感应部件。这两个部件中，静止的称为定子，做旋转运动的称为转千（习惯上对直线运动的一边也称为转子）定、转子之间有空气隙，以便转子旋转（或往复运动）。

电磁转矩由气隙中励磁磁场与被感应部件中电流所建立的磁场相互作用产生。通过电磁转矩的作用，发电机从机械系统吸收机械功率，电动机向机械系统输出机械功率。建立上述两个磁场的方式不同，形成不同种类的电机。如果两个磁场均由直流电流产生，则形成直流申机;如果两个磁场分别由不同频率的交流电流产生，则形成异步电机;而如果一个磁场由直流电流产生，另一磁场由交流电流产生，则形成同步电机。

当电机绕组流过电流时.将产生定的磁链，并在其耦合磁场内存储一定的电磁能量。磁链及磁场储能的多少随定、转子电流以及转子位置不同而变化。由此产生电动势和电磁转矩，实现机电能量转换。这种能量转换是可逆的.即同一台电机既可作为发电机又可作为电动机运行。

电机内部能量转换过程中，存在电能、机械能、磁场能和热能。热能是由电机内部能量损耗产生的。

对电动机而言∶

从电源输入的电能=遇合电磁场内储能增量+电机内部的能量损耗+输出的机械能对发电机而言∶

从机械系统输入的机械能=耦合电磁场内储能增量+申机内部的能量损耗+输出的电能变压器属于静止电机，它的数学模型也与感应电机非常相似，因此，在电机学中将其与旋转电机一起分析。

在电机学中，以下几方面的内容非常重要∶

（1）物理模利首先应该了解电机的基本构造、工作原理，表示转速与转矩之间关系的

机械特性、应用场合和使用方法。根据电路基本定律和电磁感应定律等，分析电机内部物理现象，最重要的是空载和负载运行时电机内部电磁关系，对气隙磁场及其特点等有正确的了解。

（2）数学模型能够正确地建立电机的基本方程，对电机参数有清晰的物理概念，牢固掌握电机稳态运行时的分析方法和运行特性，，明确能量转换关系。能熟练运用等效电路和相量图分析计算电机的性能和主要运行数据。根据电磁力定律或能量守恒原理求出作用于转子上的电磁转矩和转矩平衡方程式。这些方程称为电机的运动方程。

（3）实际运行了解电机的发热和冷却、电机的额定值、效率、功率因数（交流电机）、过载能力等主要运行性能指标及主要参数范围等。对稳态运行电机.发电机的外特性，电动机的机械特性是最重要的特性。对电动机，需要掌握基本的控制方法。

（4）实验测试实验是研究电机的重要手段。要熟练掌握电机的基本学验测试方法.例如.电机的运行特性、损耗、稳态参数等的测定方法，电动机的起动和调速等，并能对实验结果进行正确分析和评价。电机实验的方法有两种;一种是直接法，另一种是间接法。直接法是电机在接近实际运行的条件下进行实验，并把所测得数据与理论计算结果相比较以确定理论计算是否正确;间接法是利用较为简单的电机基本实验（空载、短路实验）测出电机参数，然后间接计算出电机性能。

为了制造出既有优良的性能又节省材料的电机，必须有电机设计理论的指导，但是，电机设计的过程非常复杂，过去靠人工设计一台电机需要很长时间。近年来，计算机辅助分析与仿直在电机的研究中得到广泛应用。如.电机的计算机辅助优化设计、电机电磁场、温度场的有限元分析等。