电机的基本知识.docx

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电机的基本知识

1电机的基本知识

1.1电机的分类

由于电能的生产、输送和使用都比较方便，因而电能得到了广泛的使用。

在电能的生产、输送和使用过程中，电机起着重要的作用。

电机主要有：

发电机生产电能的设备；

变压器（静止电机）输送电能的设备；

电动机使用电能的设备。

电动机又可以分为：

1.2异步电动机的机械特性

1.2.1固有机械特性

异步电动机的固有机械特性如图1所示。

1.2.2人为机械特性

异步电动机的人为机械特性（调速特性）如图2、图3、图4所示。

1.3电动机的拖动转矩

2.7拖动负载的转矩特性

拖动负载的转矩特性如图5—图9所示。

3电动机的起动

3.1三相笼型异步电动机的起动方法

3.1.1直接起动

直接起动也就是全压起动，是一种最简单的起动方法。

显然，这时起动电流比较大，可达额定电流的4耀7倍，根据对国产电动机的实际测量，某些笼形异步电动机甚至可达到8耀12倍！

同时，起动电流的大小与电动机起动时所带的负载的大小有直接的关系。

对于须经常起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机发热，使绝缘老化，影响电动机的寿命；同时电动机绕组（特别是端部）在电动力的作用下，会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机，甚至会使转子笼条断裂和与端环的焊接处开裂；过大的起动电流，也会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响到接在同一电网的其他异步电动机的工作，有时甚至会使它们停下来或无法带负载起动，这是因为电动机的起动转矩Tst与最大转矩Tm均与电网电压的平方成正比，若电网电压降低太多，会使Tst和Tm降到低于Tz，电动机就会停转。

一般规定，异步电动机的功率低于7.5kW时允许直接起动，当电动机功率大于7.5kW，而电源的总容量较大，能符合式（9）的要求时，电动机也允许直接起动。

如果不能满足式（9）的要求，则必须采用降压起动的方法，将起动电流I1st限制到允许的数值。

3.1.2降压起动

由于电动机的起动转矩Tst与最大转矩Tm都与定子所加电压的平方成正比，任何降压起动的方法都只适合于可轻载起动的电动机，一般允许的起动转矩为额定转矩的60%以下。

降压起动方法有以下几种。

1）定子串电阻（包括水电阻）降压起动电阻上

有能量消耗，但起动阶段的功率因数较高。

2）定子串电抗器降压起动电抗器本身的功率消耗较小，但有励磁或控制的功率消耗，且功率因数较低，成本较高。

3）自耦变压器降压起动起动是有级的，一般有0.65Un，0.80Un抽头，如图10所示。

4）星形—三角形（Y-D）起动如图11所示，只适用于空载或轻载起动的负载，且只适用于吟接法运行的电动机。

因为当电动机的定子绕组由吟接法改为Y型接法以后，加在绕组上的电压为原来的1/姨3，则电动机产生的转矩为原来的1/3，所以只适用于起动转矩为额定转矩的1/3以下的负载，且通过开关控制，有二次冲击。

5）延边三角形起动如图12所示。

6）电子式晶闸管移相控制软起动器如图13所示。

3.1.3变频软起动

是电动机最好的软起动方式，它的优越性有：

1）可实现平滑的连续升频软起动；

2）可实现无起动过电流；

3）对电网和生产机械无冲击；

4）可减小电路容量，在同样的电源容量下即可

增加电动机的装机容量，节省电网投资。

3.2三相绕线转子异步电动机的起动方法

3.2.1转子串联电阻起动

绕线转子异步电动机转子串电阻起动，不仅可以达到减小起动电流的目的，还可以增大起动转矩，减少起动时间。

因此，绕线转子电动机比笼型异步电动机有较好的起动特性，适用于功率较大的需重载起动的场合，如球磨机等。

3.2.2转子绕组串联频敏变阻器起动

转子串联电阻起动时，电阻上有功率损耗，转子串联频敏变阻器起动就像定子串联电抗器起动一样，损耗很小，且具有结构简单、价格便宜、制造容易、运行可靠、维护方便、能自动操作等多种优点，已获得大量应用。

3.3同步电动机的起动方法

同步电动机相对于异步电动机来说有很多的优点，但是同步电动机起动困难。

为了解决同步电动机的起动问题，在同步电动机的结构上采取了一些措施，把类似于异步电动机的鼠笼型转子绕组，装到了同步机的极靴上，鼠笼式绕组的导条用的是电阻率较高的的黄铜或铝青铜，在导条的两端用端环联成一体，叫做起动绕组。

有了起动绕组以后，当定子绕组接上电源，便能产生异步转矩，使同步电动机转起来，这个过程与鼠笼式异步电动机的起动过程是一样的。

但是，异步电动机的转速是达不到同步速的，不过与同步速已经很接近了（95%~97%同步速），我们称之为亚同步速。

当同步电动机用异步起动，使其转速达到亚同步速时，立即给它的励磁绕组通入励磁电流，将它牵入同步，这就是同步电动机的异步起动方法。

同步电动机起动时，由异步牵入同步的过程是一个复杂的过渡过程，还不一定能够成功。

一般地说，在牵入同步前转差率越小，同步电动机的转动惯量越小，负载越轻（一般是空载起动），牵入同步就越容易。

还有，在起动时，励磁绕组也不能开路，否则，在大滑差时，旋转磁场会对它感应出一个较高的电动势，这个电动势有可能会损坏它的绝缘。

但是，起动时如果把励磁绕组短路的话，又会在励磁绕组内产生一个比较大的感应电流，这个电流与气隙磁场作用会产生单轴转矩，单轴转矩太大，有可能会使同步电动机的转速起动不到同步速。

解决这个问题的办法是在励磁绕组回路里串联一个电阻R后再闭合，这样就可以大大地减小单轴转矩。

一般这个电阻R=10Rf（Rf是励磁绕组的电阻）即可。

自上世纪80年代以来，由于电力电子技术的高速发展，对于大型同步电动机的起动可以采用一种软起动的方式：

使用由晶闸管组成的高电压、大容量变频起动装置，通过调节整流器输出的直流电压大小，采用自控式逆变（LCI）方式改变同步电动机的输入频率，使电动机始终在同步状态下从静止起动加速，平滑地加速到电机的同步转速，再将电机并入电网运行。

这种起动装置的容量只需要电动机容量的1/4即可。

起动加速时功率消耗小，并且可以用在多台同步电动机循环起动的场合，用一套起动装置顺次起动数台同步电动机，以便节省投资。

电动机是在同步转速下并入电网，对电网系统不存在冲击，因此是一种比较理想的起动装置。

例如我国上海宝钢一号高炉的大型鼓风机电机就是用一台同步电动机驱动的，它的容量为12000kW，它使用了一套4800kW的晶闸管变频器作为起动装置，使电动机能在高效率、高功率因数下起动，起动时间短，运行可靠。

[编者按]电动机系统节能工程是国家发改委制定的国家中长期节能规划中的重点工程。

目前我国各类电动机总装机容量约4.2亿kW，实际运行率比国外低10%~30%，用电量占全国总用电量的60%左右。

如果对这些电动机进行优化改造，推广变频调速、自动化系统控制技术，使运行效率提高2个百分点，年节电就可达到200亿kW·h。

为了推广变频技术在各行各业中的应用，普及变频技术的理论知识，本刊特邀徐甫荣高工，专门撰写一辑“变频技术应用讲座”，分6期刊出。

主要面向应用变频技术的初学者，从电动机及电力拖动的基本知识入手，由浅入深地讲述变频技术的工作原理，通过工程应用实例，分析应用变频器时会遇到的问题，提出解决方案，指导生产一线的工程技术人员将变频技术用于自己的实际工作中。

4电动机的调速

由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数p之间的关系式为

可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：

1）改变定子绕组的磁极对数p（变极调速）；

2）改变供电电源的频率f1（变频调速）；

3）改变异步电动机的转差率s调速。

改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。

而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，上节提到的绕线式电机转子串电阻调速和定子调压调速就属于这种调速方式。

交流异步电动机的各种调速方式的区别主要表现在调速过程中是否改变转差功率和对转差功率的处理方式上。

4.1转差功率不变型

在电动机调速的过程中，保持转差功率不变，通过改变交流异步电动机的同步转速，使电动机得以调速。

由式（10）可知，要改变同步转速n0，可以通过改变电动机的极对数p，或供电频率来实现。

4.1.1变极调速

改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速n0改变，从而改变异步电动机的转速。

大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。

变极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。

这是因为鼠笼型电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，这就使得变极时复杂多了。

用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用4/2、8/4等倍极比的双速电机，而采用6辕4、8辕6、10辕8极的双速电机，这与风机水泵的调速范围一般不需要很大有关。

另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如8/6、10/8、12/10极等），由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种特性的双速电机。

由于叶片式泵与风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有较高的效率与功率因数，具有更为显著的节能效果。

双速电机的优点是调速效率高，可靠性高，投资少。

其缺点是有级调速，不能在整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节流损耗。

双速电动机在变速时必须电力瞬间中断，这对电动机及电网都有冲击作用；高压电动机若须经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚须进一步完善和提高。

图14所示为改变定子绕组的连接方式时定子极对数改变的原理。

4.1.2变频调速

通过改变电动机的供电频率f来实现调速，是无级的，连续的，是目前交流电动机最好的调速方式。

转差功率不变型调速属高效调速方式，因为在调速过程中不产生新的转差功率，因而不会有附加的功率损耗产生。

变频调速用的变频器是由可关断的功率器件如GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。

由于大功率电动机一般都采用3kV、6kV供电，所以必须采用高压变频器进行调速。

限于目前功率器件的电压耐量有限，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，虽不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构，但都较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。

如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（AB）公司生产的BUL原LETIN1557和PowerFlex7000变频器；瑞典ABB公司生产的ACS1000变频器；德国西门子公司生产的SimovertMv变频器；意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERTTH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的北京利德华福公司，合康亿盛公司，成都东方日立公司，成都佳灵公司，上海科达公司，中山明阳公司，广州智光公司和深圳微能公司等生产的高压变频器。

但归纳起来主要有两种：

一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器件的多电平技术。

4.1.2.1多重化技术

所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。

多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。

图15为6kV变频器的主电路拓扑图，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V伊5=3450V，所对应的线电压为6000V。

每个功率单元由输入变压器相互隔离的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12毅的相位差。

图16中以中间吟接法为参考（0毅），上下方各有两套分别超前（+12毅、+24毅）和滞后（-12毅、-24毅）的4组绕组。

所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。

图15中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。

功率单元电路见图17。

每个功率单元输出电压为1、0、-1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为依5、依4、依3、依2、依1和0。

图19为一相合成的输出电压波形。

用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。

采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件的均压问题。

每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。

变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12毅的三角载波对基波电压进行调制。

对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A1~A55个功率单元，经叠加可得图18所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉波变频，理论

上29次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%，堪称完美无谐波（PerfectHarmony）变频器。

它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。

变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz。

功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。

波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。

所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普通鼠笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。

由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。

这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96%以上。

4.1.2.2多电平技术

我国标准中压电压等级为6kV和10kV，若直接变频，即使用耐压4.5kV~6kV的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本增加，可靠性大为降低。

为了避免功率器件的串、并联使用，世界上很多公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。

如西门子公司研制的HV-IGBT耐压可达4.5kV，ABB公司研制的新型功率器件集成门极换流晶闸管（IGCT），耐压可达6kV，并在致力于研制耐压9kV的IGCT器件。

在研制高耐压器件的同时，对变频器的主电路拓扑的研究也有所突破，多电平技术就是使用有限耐压的功率器件，直接应用于6kV电压的主电路拓扑技术。

图19是ABB公司ACS1000型12脉冲输入三电平高压变频器的主电路结构图。

整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。

由图19可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。

随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。

若采用耐压6kV的IGCT，变频器输出电压可达4.16kV，采用耐压5.5kV的IGCT，变频器输出电压可达3.5kV，将Y型接法的6kV中压电动机改为吟接法，刚好适用此电压等级，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案可能是最经济合理的。

若要输出6kV电压，还必须进行器件串联。

由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。

为此，图19所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其一次侧绕组接成三角形，其二次侧绕组则一组接成三角形，另一组接成星形。

整流变压器两个二次侧绕组的线电压相同，但相位则相差30毅，这样5次、7次谐波在变压器的一次侧将会有180毅的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消。

这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12脉波的整流输出波形，比6脉波更平滑，并且每个整流桥的二极管耐压可降低一半。

采用12相整流电路减少了特征谐波含量，所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。

如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。

两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。

变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。

输出线电压波形见图20。

因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。

同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功率因数和效率都会相应降低。

4.1.2.3变频调速系统的主要优缺点

主要优点是：

1）调速效率高，变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。

变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。

所以变频调速是一种高效调速方式。

2）调速范围宽，一般可达10颐1（50耀5Hz）或20颐1（50耀2.5Hz）。

并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率浊V。

所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。

3）必要时，变频装置可以退出运行，改由电网直接供电。

这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。

如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率（50Hz）范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。

4）变频装置可以兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直致全速运行。

变频软起动是目前最好的软起动方式，变频器是目前最好的软起动设备。

主要缺点是：

1）目前，变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要问题有两个，一个是我国发电厂辅机电动机供电电压高（3耀10kV），而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题；另一个是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高，而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成经济效益上的问题。

这两个问题是它应用于风机水泵调速节能的主要障碍。

2）因电流型变频器输出的电流波形和电压型变频器输出的电压波形均为非正弦波形而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。

如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等。

同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，其脉动频率为6kf（k=1，2，3…）。

当转矩脉动频率较低并接近装置系统的固有频率时，可能产生共振现象。

因此，装置系统必须注意避免在共振点附近运行。

如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，所以这个问题可以得到极大的改善。

4.2转差功率消耗型

转差功率消耗型属低效调速方式，因为在调速的过程中产生新的转差功率并消耗掉，其调速效率等于调速比；浊=n/n1，调速范围越大，效率越低！

其调速方式有以下几种。

4.2.1鼠笼式异步电动机定子调压调速

外特性如图21所示。

4.2.2绕线式异步电动机转子串电阻调速

外特性如图22所示。

4.2.3液力耦合器调速

液力耦合器是一种利用液体（多数为油）的动能来传递能量的叶片式传动机械。

安装在定速电动机与风机水泵之间，达到平滑调节转速的目的。

液力耦合器的调速效率等于输出功率与输入功率之比。

在忽略各种阻力扭矩时可以近似认为MB越原MT（13）式中：

MB为稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的扭矩；

MT为稳定流动时，液体作用于涡轮的扭矩。

即在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等时，液力耦合器的调速效率等于转速比。

转速比越小，其调速效率也越低，这是液力耦合器的一个重要工作特性。

当液力耦合器带泵与风机进行调速传动时，泵或风机的转速等于液力耦合器涡轮的转速，即n越nT，而其轴功率等于涡轮传递的轴功率P越PT。

根据叶片式泵与风机的比例定律，泵与风机的轴功率与其转速n的三次方成正比。

由此证明，液力耦合器带泵或风机进行调速传动时，其最大转差功率损耗驻Pmax发生在转速比i=2/3处，并不是转速越低，损耗越大。

虽然液力耦合器工作在低速时其调速效率很低（等于转速比），但在带泵与风机调速时，与节流调节相比较，仍具有显著的节能效果。

例如某离心风机，当流量q越190伊103m3/h时，风机的轴功率为158kW，当通过节流调节使流量q越95伊103m3/h时，风机的轴功率为115kW。

当用液力耦合器调速时，由于流量为原流量的一半，则风机的轴功率应为其1辕8。

再考虑到i=1/2时的液力耦合器的效率浊越i=0援5。

原动机的输出功率应为19援75kW伊2越39.5kW，较之节流调节仍有115kW原39.5kW越75.5kW的节电效果，是相当可观的。

液力耦合器的优点是：

1）无级调速，调速范围大，较之节流调节有显著节能效果；

2）可空载起动电动机和逐步起动大惯量负荷，降低了起动电流，延长了电动机使用寿命，使起动更为安全可靠；

3）隔离振动，能减轻负荷冲击，延长了电动机和泵与风机的寿命；

4）过载保护，保护电动机及风机水泵；

5）除轴承外无其他摩损部件，因滑差损耗产生的热量均匀地分散到油中，不会引起局部过热，故工作可靠，能长期无检修工作，寿命长；

6）工作平稳，可以和缓地起动、加速、减速和停车；

7）便于控制，液力耦合器是无级调速，便于实现自动控制，适合于各种伺服控制系统；

8）能用于大容量泵与风机的变速调节，目前单台液力耦合器传递的功率已达20MW以上。

其缺点是：

1）和节流调节相比，增加了初投资，增加了安装空间，大功率的液力耦合器除本体设备外，还要一套诸如冷油器等辅助设备与管路系统；

2）由于液力耦合器的最大转速比in=0.97耀0.98，因此液力耦合器的输出最大转速要比输入转速低；

3）调节延迟时间较长，不适应处理紧急事故的要求，因此液力耦合器适合于较高转速的泵与风机调速的场合；

4）调速精度不高，不适用于要求精确转速的场合使用；

5）因为无直联机构，故液力耦合器一旦发生故障，泵与风机也只能停止工作；

6）调速效率低（浊越i），等于转速比，产生的损耗大，在各种变速装置中属低效调速装置。

4.2.4电磁转差离合器（滑差电机）调速

电磁转差离合器的功用和液力耦合器及液力调速离合器相同，都是安装在定速电动机与泵或风机之间的一种变速传动装置，使泵与风机可以实现无级调速。

电磁转差离合器的基本部件为电枢与磁极，这两者之间没有机械联系，各自可以自由旋转。

电枢是主动部分，直接与电动机的输出轴连接，并由电动机带动其旋转。

电枢通常为圆筒形整块铸钢，在外表面常铸或焊有风扇叶，以提高散热效果。

磁极为从动部分，它通过联轴器与泵或风机的输入轴相连。

磁极由铁芯和励磁绕组组成，励磁绕组有装设在转子上的，

也有固定在机壳上的，前