淺析電機(jī)拖動原理與方式及控制中的注意事項

孫定霞

摘 要：電機(jī)拖動技術(shù)分為直流電機(jī)拖動和交流電機(jī)拖動2種。過去，高性能拖動系統(tǒng)常用直流電機(jī)拖動技術(shù)。近年來，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，交流電機(jī)拖動實現(xiàn)了技術(shù)上的革新，性能開始優(yōu)于直流拖動技術(shù)，實現(xiàn)了在高性能拖動領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。主要介紹了電機(jī)拖動技術(shù)的原理及電機(jī)選擇的方式，并探討了電機(jī)拖動控制中應(yīng)當(dāng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；直流電機(jī)；拖動原理；拖動方式

中圖分類號：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.113

基于電磁感應(yīng)原理，電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)電能向機(jī)械能或機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，從而滿足不同類型的生產(chǎn)需要。電機(jī)及電機(jī)拖動技術(shù)對人們的生活產(chǎn)生深刻影響，其不僅服務(wù)于大型工廠的生產(chǎn)，同時也在廚房用具、電梯等生活設(shè)施中得到應(yīng)用，因此研究電機(jī)拖動及控制技術(shù)對社會的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 電機(jī)拖動原理及拖動方式

1.1 電機(jī)拖動原理

電機(jī)拖動指的是利用電動機(jī)帶動機(jī)械設(shè)備按照規(guī)定的路線運(yùn)轉(zhuǎn)，從而完成既定的生產(chǎn)任務(wù)和工作。具體連接方式如圖1所示。

圖1 電機(jī)拖動系統(tǒng)圖

在交流電機(jī)拖動技術(shù)中，電動機(jī)主要使用三相異步電機(jī)。電動機(jī)由定子、定子繞組、轉(zhuǎn)子（分為繞線式轉(zhuǎn)子或鼠籠式轉(zhuǎn)子）、機(jī)座組成。三相異步電機(jī)拖動的工作過程如下：首先向三相繞組中通入對稱的三相電流，三相電流變化產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，磁感線切割轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電勢差和電流，同時在磁場中電磁力的作用下旋轉(zhuǎn)起來，進(jìn)而通過傳動裝置帶動機(jī)械負(fù)載運(yùn)動。

1.2 電機(jī)拖動方式

1.2.1 直流電機(jī)拖動方式

直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，過去在高性能可調(diào)速電力拖動領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速同電壓、回路電壓以及磁通有關(guān)，因此改變這三者其一就可以達(dá)到調(diào)速的目的。但在實際生產(chǎn)中，主要使用改變電阻大小的方式實現(xiàn)調(diào)速。直流電機(jī)拖動方式具有很明顯的調(diào)速優(yōu)勢，能夠滿足大部分的拖動控制要求，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)逆變控制，具有良好的節(jié)能性能。但是由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)比較困難，因此隨著交流電機(jī)拖動技術(shù)的發(fā)展，逐漸退出歷史舞臺。

1.2.2 交流電機(jī)拖動方式

目前，先進(jìn)的交流電機(jī)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)變速調(diào)節(jié)。異步交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分為以下3類：①轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)。該類型的調(diào)速系統(tǒng)通過增減轉(zhuǎn)差功率來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，消耗的轉(zhuǎn)差功率將以熱能的形式消散，因此會增加系統(tǒng)溫度，同時調(diào)速的效率也比較低。②轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率除了消耗外，主要以能量的形式返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并被利用，需要的轉(zhuǎn)速越低，回收的能量就越多。③轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。該類型的調(diào)速系統(tǒng)不論轉(zhuǎn)速如何變化，系統(tǒng)消耗的功率基本不變，因此內(nèi)部效率最高，應(yīng)用也最為廣泛，能夠控制多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電路。

2 電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)的選擇

目前，我國三相異步電機(jī)的使用十分廣泛，裝機(jī)容量已經(jīng)超過3×108 kW，同時由于電動機(jī)選型上的不合理，電力拖動系統(tǒng)浪費(fèi)了大量的電力資源，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要重視電動機(jī)類型、運(yùn)行方式、額定功率、額定轉(zhuǎn)速的選擇，以使電動機(jī)在穩(wěn)定、高效、低損耗的狀態(tài)下運(yùn)行，提高綜合效益。

要正確選擇電動機(jī)容量。如果電動機(jī)的容量過大，在滿足既定功率的前提下，電動機(jī)的效率無法保持在較高水平，造成容量的浪費(fèi)；如果電動機(jī)容量過小，那么為了滿足功率要求，電動機(jī)需要超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)過熱，壽命降低。因此，必須選擇合適的單機(jī)型號，以保證電機(jī)容量能夠得到充分利用。在荷載恒定的情況下，選擇容量等于或略大于負(fù)載容量的電動機(jī)即可，并且不需要進(jìn)行發(fā)熱校驗。在變負(fù)荷情況下，容量選擇在最大負(fù)荷和最小負(fù)荷容量之間，同時要保證發(fā)熱在合理的范圍內(nèi)。

電動機(jī)發(fā)熱及升溫是影響電動機(jī)額定功率的主要因素。發(fā)熱和升溫會造成電動機(jī)的損耗，而損耗的結(jié)果是電動機(jī)發(fā)熱越來越嚴(yán)重，從而加快了與發(fā)熱部件接觸的絕緣材料的老化速度，使發(fā)電機(jī)的絕緣強(qiáng)度和機(jī)械效率下降，使用壽命縮短。一般電動機(jī)銘牌上會標(biāo)注絕緣材料最高允許溫度與40 ℃的差值，稱之為“額定溫差”。除了要注意電動機(jī)發(fā)熱升溫外，在選擇電動機(jī)時還要考慮電動機(jī)的過載能力，因為短時過載也會對電動機(jī)額定功率產(chǎn)生影響。

選擇電動機(jī)要從直流交流、機(jī)械性能、調(diào)速與氣動性能、價格等多方面綜合考慮。目前較為常用的電動機(jī)為三相鼠籠型異步發(fā)電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但是由于調(diào)速性能存在缺陷，因此主要應(yīng)用在沒有變速要求的場所，例如作為水泵站的動力機(jī)械。在起重設(shè)備、卷揚(yáng)機(jī)等對變速有要求的設(shè)備中使用的電動機(jī)主要為繞線型發(fā)電機(jī)，它能夠在電源容量較小的情況下提供較大的功率，同時能夠較好地滿足運(yùn)行過程中的變速要求。

3 電機(jī)拖動控制中需要注意的事項

3.1 機(jī)械性能與工作機(jī)械特性的結(jié)合

電動機(jī)固有的機(jī)械特性指的是電動機(jī)在額定電流和額定頻率下，按照規(guī)定方法接線，同時定子和轉(zhuǎn)子外界電阻為零時，轉(zhuǎn)速同電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。當(dāng)然，使用者也會為了獲得某些功能而改變電動機(jī)的部分參數(shù)，使其獲得人為機(jī)械特性。

在電機(jī)拖動系統(tǒng)中，電動機(jī)同傳動裝置連接，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須保證發(fā)動機(jī)與工作機(jī)械機(jī)械性能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。只有這樣，才能使系統(tǒng)以穩(wěn)定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，同時當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾因素的影響轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后能夠盡快消除干擾并繼續(xù)維持原有的轉(zhuǎn)速。

3.2 直流電動機(jī)的電流換向問題

在直流電動機(jī)中，換向指的是直流電機(jī)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷到另一條支路。該元件電流從一個方向變換為另一個方向。元件從開始換向到換向結(jié)束所用的時間成為換向周期，通常只有千分之幾秒，換向是直流電機(jī)電樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷的過程，格外重要。在直流電機(jī)中，換向問題十分復(fù)雜，換向不良可能會導(dǎo)致電刷與換向片之間產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時可能會損壞電機(jī)元件，影響電動機(jī)的正常使用。為了消除換向問題帶來的安全隱患，需要委派人員看守并定時調(diào)控。由此可見，直流電機(jī)的運(yùn)行可靠性并不盡如人意。目前，為了改善換向問題，采取了安裝換向極、調(diào)整電刷位置、增加換向回路電阻、安裝防止環(huán)火的補(bǔ)償繞組的方法，減少了換向元件的電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢，降低了出現(xiàn)電火花的可能。

3.3 電機(jī)與變頻器相連的注意事項

電機(jī)與變頻器相連首先要注意連接是否正確，同時要安裝熔斷器，保證電機(jī)過載時能夠及時斷開，避免對電機(jī)和變頻器造成損壞。為了保證電機(jī)安全，變頻器運(yùn)行期間必須接地，同時保證電源電壓正確匹配，不能將變頻器接到高電壓電源上。另外，還要保證電機(jī)電纜的長度足夠長，在變頻器允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

電機(jī)拖動分為直流電機(jī)拖動和交流電機(jī)拖動2種，兩種技術(shù)各具優(yōu)勢，并應(yīng)用在不同的技術(shù)領(lǐng)域。未來，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，這2種技術(shù)的性能將得到進(jìn)一步提高，為我國制造業(yè)的發(fā)展注入充足的活力。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕