电机在生活工业农业中的应用.docx
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电机在生活工业农业中的应用
2011--2012学年第一学期电机及拖动基础期末考试论文
摘要
近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。
特别是乡镇企业及家用电器的迅速，更需要大量的中小功率电动机。
由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要。
、在生活、工业、农业中的应用也非常受人们的关注。
关键词技术现状工作原理生活工业农业应用运行维护
电动机分类、发展现状及未来
电动机分类电动机机应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。
1.根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。
其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。
2.电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。
同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。
交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。
3.电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容运转式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。
按用途分类。
电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。
驱动用电动机又分为电动工具用电动机、家电用电动机及其它通用小型机械设备用电动机。
控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。
4.电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。
5.
电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
电动机技术发展现状电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。
它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。
从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性、好精确度、快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。
电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。
在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。
拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。
由于电力拖动具有控制简单、调节性能好、耗损小、经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。
按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。
纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。
在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。
由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。
虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。
所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。
尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。
诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。
除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。
电动机工作原理
目前较常用的主要是交流电动机，它可分为两种：
1、三相异步电动机。
2、单相交流电动机。
第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。
下面以三相异步电动机为例介绍其基本工作原理。
三相异步电动机转动的基本工作原理是：
（1）三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场。
（2）转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流；
（3）转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。
三相异步电动机的结构是
三相异步电动机的结构主要由两个部分组成，一是固定不动的部分（简称定子），二是可以自由旋转的部分（简称转子）。
定子与转子之间有一个很小的气隙。
此外，还有机座、端盖轴承、接线盒、风扇等其他部分。
异步电动机根据转子的绕组的结构不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。
鼠笼式异步电动机的转子绕组本身自成闭合回路，整个转子形成一个坚实的整体，其结构简单牢固、运行可靠、价格便宜，应用最为广泛，小型异步电动机绝大部分属于这类。
绕
线式异步电动机的结构比鼠笼式复杂，但启动性能较好，需要时还可以调节电动机的转速。
三相鼠笼式异步电动机的结构。
1.定子10定子是用来产生旋转磁场的，主要由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。
鼠笼式和绕线式异步电动机的定子结构是完全一样的。
2.转子转子是异步电动机的转动部分，它在定子绕组旋转磁场的作用下获得一定的转矩而旋转，通过联轴器或皮带轮带动其他机械设备做功。
转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。
3.机座机座是电动机的外壳和支架，它的作用是固定和保护定子铁心、定子绕组并支撑端盖，所以要求机座具有足够的机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各种作用力。
中、小型异步电动机通常采用铸铁机座，定子铁心紧贴在机座的内壁，电动机运行时铁心和绕组产生的热量主要通过机座表面散发到空气中去，因此，为了增加散热面积，在机座表面装有散热片。
对大型异步电动机，一般采用钢板焊接机座，此时为了满足通风散热的要求，机座内表面与铁心隔开适当距离，以形成空腔，作为冷却空气的通道。
11对称三相交流电流通入对称三相绕组时，便产生一个旋转磁场。
下面选取各相电流出现最大值的几个瞬间进行分析。
当=0°时，U相电流达到正最大值，电流从首端U1流入，用表示,从末端U2流出，用。
表示；V相和W相电流均为负，因此电流均从绕组的末端流入，首端流出，故末端V2和W2应填上,首端V1和W1应填上合成磁场的轴线正好位于U相绕组的轴线上。
当=120°时，V相电流为正的最大值，因此V相电流从首端V1流入，用表示，从末端V2流出，用。
表示。
U相和W相电流均为负,则U1和W1端为流出电流，用。
表示，而U2和W2为流入电流，用表示，此时合成磁场的轴线正好位于V相绕组的轴线上，磁场方向已从=0°时的位置沿逆时针方向旋转了120°。
当=240°和=360°时，合成磁场的位置。
当=360°时，合成磁场的轴线正好位于U相绕组的轴线上，磁场方向从起始位置逆时针方向旋转了360°，即电流变化一个周期，合成磁场旋转一周。
由此可见，对称三相交流电流通入对称三相绕组所形成的磁场是一个旋转磁场。
旋转的方向从LHV-W正好和电流出现正的最大值顺序相同，即由电流超前相转向电流滞后相。
12如果三相绕组通入负序电流，则电流出现正的最大值的顺序是LHWV。
通过图解法分析可知，旋转磁场的旋转方向也为LHWHV。
综上分析可知，三相异步电动机转动的基本工作原则是：
（1）三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场，其转速为异步转速
（1）且1=式中：
为电源频率，单位为Hz；为电机极对数。
（2）转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流。
（3）转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使电动机转子转动，其转速（）小于同步转速
（1）。
异步电动机的转速不可能达到定子旋转磁场的转速，即同步转速，因为如果到达同步转速，则转子导体与旋转磁场之间没有相对运动，随之在转子导体中不能感应出电势和电流，也就不能产生推动转子的电磁力。
因此，异步电动机的转速总是低于同步转速，即两种转速之间总是存正在差异，异步电动机因此而得名。
又因为异步电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的，所以又称为感应电动
机。
13（4）异步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转
磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序，因此，三相异步电动机的转
向与电流的相序一致。
要改变转向，只要改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线，便可使电动机反转。
电机在生活中的应用
环顾一下您的房间，您就会发现到处都有电动机的身影。
您可以尝试展开下面这个有趣的调查：
在房间里走一遍，统计一下找到的所有电动机。
从厨房开始，以下位置会使用电动机：
炉子上方和微波炉中的风扇
洗涤槽下面的排污器
搅拌机
开罐器
冰箱——事实上它有两到三个电动机：
一个供压缩机用，一个供冰箱内部风扇用，还有一个供制冰机用
混合器应答机中的磁带播放机甚至烘箱上的时钟也有可能使用了电动机杂物间中的以下位置使用了电动机：
洗衣机
干燥机
电动螺丝刀
真空吸尘器和微型真空除尘器
电锯
电钻
火炉鼓风机
甚至在浴室也可以找到电动机：
风扇
电动牙刷
吹风机
电动刮胡刀
汽车中也装有一些电动机：
自动开闭式车窗（每个车窗配有一个电动机）自动调节座位（每个座位配有多达七个电动机）加热器和散热器的风扇
挡风玻璃雨刷
启动马达无线装置电动天线此外，其他场所也存在各种各样的电动机：
VCR中有若干个电动机
CD播放器或大型录音机中有若干个电动机计算机中有许多电动机（磁盘驱动器使用两至三个，加上一至两个风扇使用的电动机）
大多数运动玩具至少包含一个电动机（例如Tickle-me-Elmo在振动时使用的电动机）
电子时钟
车库开门装置
鱼缸水泵
在房间里转了一遭后，我统计到各种设备中隐藏有50多个电动机。
每个运动设备都是使用电动机来实现其运动的。
电机在工业中的应用
现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。
1、定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。
对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。
异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。
但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。
其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。
70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。
例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。
90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。
近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，则永磁无刷直
流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。
永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。
再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。
近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。
现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。
这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。
近年来的实践表明，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。
而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还较少有应用。
2、调速驱动有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并
不非常高。
这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。
这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。
故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。
交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。
中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。
电梯驱动就是一个典型的例子。
电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。
早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。
70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。
而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。
永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。
可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。
日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW〜300kW,体积比同容量异步电动机小1〜2个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。
3、精密控制驱动
1高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。
实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。
伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。
最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。
2信息技术中的永磁同步电动机
当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。
对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是特别高。
例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1〜0.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。
信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。
受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。
电机在农业中的应用
众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。
此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。
优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。
但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。
直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。
复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。
换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。
电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。
所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。
在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。
交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。
但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。
其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。
长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。
过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。
人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。
所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。
在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。
永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。
稀土永磁体又有第一代钐钴1：
5，第二代钐钴2：
17和第三钕铁硼。
铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。
铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。
钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。
80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。
它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。
经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180C,—般也可达150C，已足以满足绝大多数电机的使用要求。
电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。
自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR可关断晶闸管GTQ功率场效应管MOSFET的三代复合场控器件（绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOSS制的晶体管MCT等）直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。
半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美，它极大地推动了各类电机的控制。
70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。
这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。
对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。
规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。
它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。
70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。
这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。
这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。
因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据处理能力，控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求，单片机往往都不能满足要求。
近年来各种集成化的数字信号处理器（DSP发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP集成电路
和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。
永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。
用独立的变频电源向永磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化，此即为外同步式永磁同步电动机运行。
外同步运行常用于开环控制，由于转速与频率的严格关系，此运行方式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使用。
例如，纺织行业纱锭驱动，传送带锟道驱动等场合。
为此可选用一台较大容量的变频器，同时向多台永磁同步电动机供电。
当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电动机的起动问题。
所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子的位置所决定，能自动地维持与转子磁场有900的空间夹角，以产生最大的电机转矩。
旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定。
用此种方式运行的永磁同步电动机除仍需逆变器开关电路外，还需要一个能检测转子位置的传感器，逆变器的开关工作，即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流，完全
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