电机与拖动基础范文

电机与拖动基础范文第1篇

1. 电机的分类与介绍

1.1 电机的分类

(1)同步型电机：交流同步电机;永磁同步电机;无刷直流电机;步进电动机;开关磁阻电动机;

(2)异步型(感应型)电机：三相笼型转子异步电动机;单相异步电动机;三相绕线转子异步电动机; (3)排斥型电机。

下面具体介绍三相笼型转子异步电动机和单相异步电动机两种电机。

1.2 三相笼型转子异步电动机

结构组成图

1.2.1定子

电动机的静止部分称为定子，主要包括定子铁心、定子绕组和机座等。

(1)定子铁心

作用：磁路一部分;放置定子绕组。

材料：0.35~0.5mm硅钢片叠装

槽的类型：半闭口型(小 型)

半开口型(中大型)

开口型 (高压型) (2)定子绕组

作用：产生旋转磁场

材料：高强度漆包线(小型) 绝缘处理的铜条(大中型)

接法：星形或三角形(六个出线端)

(3)机座

作用：固定定子铁心，保护整台电机

材料：铸铁(中小型) 钢板(大型)

1.2.2 转子

电动机的旋转部分为转子，由转子铁心、转子绕组、转轴及风叶等组成。

(1)转子铁心

作用：电动机磁路一部分

材料：0.5mm相互绝缘硅钢片 (2)转子绕组

作用：产生感应电流和电动势，在旋转 磁场作用下产生电磁转矩

分类：a、笼型转子

结构：单笼型、双笼型、深槽式，其中单笼型又分铸铝和铜条转子。

1.2.3其他附件：

1、端盖

2、轴承和轴承盖

3、风扇和风罩

1.3 单相异步电动机

1.3.1 基本结构

(1)定子：电动机的定子由定子铁心和定子绕组构成，如图2-2所示。

(2)转子：转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成，如图2-3所示。转子绕组一般有笼形转子和绕线式转子绕组两种。

(3)其他部件：单相异步电动机的其他部件还有机壳、前后端盖、风叶等。

1.3.2 工作原理

设磁极按逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，置于旋转磁场中的转子导条切割磁感应线，产生感应电动势，由于笼型转子绕组是闭合结构，所以转子绕组中产生感应电流。根据右手定则，可以判断出位于N极下的导条感应电流方向为进入纸面;而位于 S 极下的导条感应电流方向为穿出纸面。又因为载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，根据左手定则可判断出位于 N 极下的导条受力方向向左;位于 S 极下的导条受力方向向右。这样，在笼型转子上就形成一个逆时针方向的电磁转矩，从而驱动转子跟随旋转磁场按顺时针方向转动起来。

若磁极按顺时针方向旋转，同理，转子也会改变方向朝顺时针方向转动。另外，磁场若加快旋转切割转子速度，转子上感应电流及电磁转矩将增大，则转子转速加快。

“异步”解释：异步电动机的转子转向与旋转磁场转向一致，如果转子与旋转磁场转速相等，则转子与旋转磁场之间没有相对运动，转子导条不再切割磁感应线，没有电磁感应，感应电流和电磁转矩为零，转子失去旋转动力，在固有阻力矩的作用下，转子转速必然低于旋转磁场转速，所以称其为异步电动机。

如果电动机转子与旋转磁场以相同的转速旋转，这种电动机称为同步电动机。 异步电动机旋转磁场转速(也称同步转速 n0 )与转子转速 n 之差称为转差，转差与同步转速 n0 的比值用“转差率” s 表示：

0

0

nnsn1.3.3 基本分类

(1) 电阻起动式异步电动机 (2) 电容起动式异步电动机

(3) 电容运转式异步电动机

(4) 电容起动运转式异步电动机 (5) 罩极式电动机

2. 异步电动机的起动方法

2.1 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也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;起动转矩约为标称转矩的1.02.0倍。其特点是:电机端子少(一般为三端子电机)，可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。

直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。具有起动设备简单，起动速度快的优点, 而且起动转矩比采用降压起动时大。在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜.因为操纵控制方便，而且比较经济。

其危害很大电网冲击大。过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命;机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。

因此尽管直接起动方法简单.起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。

图2.1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。三相交流电源经由组合开关K，熔断器F

1、F

2、F3，交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。

2.2 降压起动

降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。

降压起动适用于容量大于或等于20Kw并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。

在研究起动时，可以用短路阻抗Rk+jRk来等效异步电动机。电机的起动电流(即流过Rk+jRk上的电流)与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。

3. 变频器

3.1 通用变频器 3.1.1 基本结构

主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输入端(R、S、T)，接电动机的频率、电压连续可调的输出端(U、V、W);二是控制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频器的通信借口;三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。结构原理示意图如下：

通用变频器由主电路和控制电路组成，其基本构成如下图所示。其中，给异步电动机提供调压调频的店里变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节(又称平波电路)和逆变器等。

(1) 整流器。电网侧的变流器为整流器，它的作用是把工频电源变成直流电源。三相交流电源一般需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。压敏电阻网络的作用是吸收交流电网浪通过电压，从而避免浪涌侵入，导致步电压而损坏变频器。整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。电压型变频器的整流电路属于不可控整流桥直流电压源，当电源线电压为380V时，整流器件的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为通用变频器额定电流的2倍。

(2) 逆变器。负载侧的变流器为逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所需求频率的交流功率。逆变器最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和管断，可以得到任意频率的三相交流输出波形。

(3)中间直流环节。中间直流环节实际上是中间直流储能环节，另一个作用是承担对整流电路输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。此外，由于异步电动机制动的需要，在直流中间电路中还设有制动电阻及其他辅助电路，这就是直流中间电路的作用。电压型变频器的直流中间电路的主要元器件是大容量电解电容，而电流型变频器则主要由大容量电感器组成。

控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等组成。其主要任务是完成对逆变器的开完控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能等。

通用变频器中的制动电路是为了满足异步电动机制动的需要而设置的，对于大、小容量的通用变频器来说，为了阶跃能源，一般采用电源再生单元讲上述能量回馈给供电电源。而对于小容量通用变频器来说，则通常采用只懂电路，讲异步电动机反馈回来的能量在制动电路上消耗掉。

3.1.2 基本分类

通用变频器按其主电路结构形式可分为交-交变频器和交-直-交变频器，如果主电路中没有主流中间环节的称为交-交变频器。按其工作方式有电压型变频器和直流型变频器。按其工作方式有电压型变频器和之流行变频器;按其逆变器开关方式有PAM控制方式、PWM控制方式和高频载波SPWM控制方式三种;按其逆变器控制方式有U/f控制方式。转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制等。

3.2 西门子变频器(以440为例)

3.2.1 主要特性

(1)易于安装，参数设置和调试 (2)易于调试

(3)牢固的 EMC 设计

(4)可由 IT (中性点不接地)电源供电 (5)对控制信号的响应是快速和可重复的

(6)参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置 (7)电缆连接简便

(8)具有多个继电器输出

(9)具有多个模拟量输出 (0 - 20 mA) (10)6个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN/PNP 接线 (11)2个模拟输入：

♦ AIN1：0 - 10 V，0 - 20 mA 和 -10 至 +10 V ♦ AIN2：0 - 10 V，0 - 20 mA (12)2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入

(13)BiCo (二进制互联连接)技术

(14)模块化设计，配置非常灵活

(15)脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低 (16)详细的变频器状态信息和全面的信息功能

(17)有多种可选件供用户选用：用于与 PC 通讯的通讯模块，基本操作面板 (BOP)，高级操作面板(AOP)，用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块

3.2.2 基本结构

4. 电机的选型

4.1 步进电机的选型

4.1.1 选择步进电机的几个原则

对步进电机的初步选型，主要考虑三方面的问题：第一，步进电机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求;第二，步进电机的最大静力矩要满足进给传动系统的空载快速启动力矩要求;第三，步进电机的启动矩频特性和工作矩频特性必须满足进给传动系统对启动力矩与启动频率、工作运行力矩与运行频率的要求。总之，应遵循以下原则：

(1)应使步距角和机械系统相匹配，以得到机床所需的脉冲当量。有时为了在机械传动过程中得到更小的脉冲当量，一是改变丝杠的导程，二是通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不能改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定的。

(2).要正确计算机械系统的负载转矩，使电机的矩频特性能满足机械负载要求并有一定的余量，保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般来说，最大静力矩大的电机，其承受的负载力矩也大。

(3)应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 (4)合理确定脉冲当量和传动链的传动比。

4.1.2 计算折算到电机轴上的空载启动力矩和切削时的负载力矩 (1)计算负载力矩

电机轴上的负载力矩一般由三部分组成，其一是由切削分力产生的切削负载力矩;其二是由导轨摩擦力产生的摩擦负载力矩;其三是由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。每种负载力矩的计算方法不同。

①切削负载力矩 Tc(N·m)的计算

TcFL 2i式中：F 为在切削状态下，滚珠丝杠的轴向负载力，N;L为电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离m;为进给传动系统的总效率，取0.90。

②摩擦负载力矩 Tu(N·m)的计算 TuFL 2i式中：F 为在不切削状态下，滚珠丝杠的轴向负载力(即为空载时的导轨摩擦力)。

③ 由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf(N·m)的计算

TfFL(102)

2i式中：F 为滚珠丝杠螺母副的预紧力;L为滚珠丝杠螺母副的基本导程;为滚珠丝杠螺母副的效率，取=0.98。

④折算到电机轴上的负载力矩 (N·m)的计算 空载(快进)时 T=Tu+Tf 切削(工进)时 T=Tc+Tf (2) 计算电机轴上的加速力矩Top(N·m) 29.8n(JmJd)

Top60980t式中：n 为运动部件以最快速度运动时电机的最高转速;Jm为电机的转动惯量。;Jd 为机械系统折算到电机轴上的负载惯量;t为加速时间。

(3) 计算折算到电机轴上的加速力矩

该加速力矩Tq 就是电机轴上所需的加速力矩。一般有二种情况，一是机床移动部件空载快速启动时，系统所需要的空载启动加速力矩Tq。二是在机床切削状态下，进给速度突然变化时，系统所需要的切削时的加速力矩Tq 。

①空载启动加速力矩 TQ(N·m)的计算 Tq=Taq+cjT=Taq+Tu+Tf ②切削时的加速力矩 Tt(N·m)的计算 Tt=Tat+Tcj =Tat+Tc+Tf 4.2 直流力矩电机的选型

4.2.1 基本介绍

4.2.2 选用实例

在计算力矩电机各参数时个参数之间的关系如下：

电压与转速成正比，电流与转矩成正比，同一电压下转速与转矩成反比; 在不同电压下计算转速时计算方法如下：

按上表参数计算10V时空载转速： 计算方法如下：n运行电压最大空载转速=518r/min

峰值堵转电压运行电压峰值堵转转矩=0.01163N.m

峰值电压计算10V时堵转转矩：M27V转速100转时的转矩和电流：

M(1—)峰值堵转转矩=0.2915N.m 最大空载转速运行转速I(1—最大转速)峰值堵转电流=1.66A 最大空载转速已知转矩或电流计算转速：

(1—计算方法如下：n

已知电流/转矩)最大空载转速

电机与拖动基础范文第2篇

1 矿用电机车直流调速拖动

1.1 直流串励电动机的特性

目前我国矿用电机车直流拖动力主要采用直流串励电动机, 直流串励电动机就是把励磁绕组和电枢绕组串联后接在电源上, 电机在运行过程中气隙磁场也随负载的大小而变化。故具有以下特点:

1) 直流串励电动机的转速特性是一条非线性的软特性, 电机转速随着负载转矩的增大 (减小) 而自动减小 (增大) , 保持功率基本不变, 即有很好的牵引性能。

2) 理想空载转速为无穷大, 因此直流串励电动机不允许空载或轻载运行。

3) 由于电磁转矩与电枢电流的平方成正比, 因此直流串励电动机的起动转矩大, 过载能力强。

1.2 直流调速的缺点

矿用电机车直流调速拖动主要采用串电阻和绕组串并联及斩波调压调速, 其调速器结构复杂, 触头在开关状态下频繁动作、易造成触头接触不良、噪声大、器件使用寿命短、维护量大等缺点。且这种调速是带电阻调速, 造成电能的极大浪费, 直流拖动控制方式落后, 存在严重的安全隐患, 且运输成本高, 直流电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制, 已成为进一步提高矿产产量的瓶颈。

2 矿用电机车交流变频调速拖动

2.1 变频调速

三相交流异步电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。异步电动机就是利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的, 其转速为:

由上式可知改变三相异步电动机电源频率即可达到调速的目的。变频调速是利用电力半导体器件的通断作用将交流或直流电源变换成另一种频率可调的电源控制装置以改变电动机定子电源的频率, 从而改变其转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器, 变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类。

2.2 电力电子器件和微处理器的发展

电力电子器件 (Power Electronic Device) 又称为功率半导体器件, 用于电能变换和电能控制电路中的大功率 (通常指电流为数十至数千安, 电压为数百伏以上) 电子器件。要想实现良好的变频调速, 首先要有比较理想的电力电子开关器件。从某种意义上说, 电力电子器件的发展水平决定了变频调速系统的发展水平。

电力电子器件的发展过程大致如下:晶闸管 (SCR) 可认为是第一代电力电子器件, 它具有较高的电流和电压容量等级, 它的出现使异步电动机的各种调速方式发展起来。随后出现的 (GTO) 是一种自关断器件, 但是它的开关频率也很有限, 而且电流型的门极驱动电路也很复杂。70年代以后出现了 (GTR) 大功率晶体管, 它的开关频率达到了3KHZ, 由于是一种全控型器件, 电流的谐波还比较大。近20年来的发展成熟的MOSFET和IGBT和先前的几种电力电子开关器件相比, 性能有了很大的提高。特别是IGBT集中了电流型开关器件 (GTR) 导通压降小、耐压高, 以及场控器件 (MOSFET) 工作频率高、驱动电路简单, 已经成功地应用在各种先进的交流电机调速控制系统中。近年又出现了一种更为新型的电力电子器件--智能功率模块 (IPM) , 它内部集成了功率开关器件、隔离驱动电路和完善的保护电路等等, 因此使用起来更加方便, 工作也更可靠。IGBT和IPM使交流传动进入了交流调速控制的高精度领域。

微处理器的发展同样为交流变频调速技术的快速发展提供了保障。微处理器运算能力的不断提高为实现实时控制提供了条件。同时, 随着芯片硬件集成度的提高, 已具备各种强大的功能。随着各种电机控制专用芯片的出现, 各种复杂的控制方式的实现也成为可能。

2.3 控制理论的发展

2.3.1 转速开环恒压频比控制

这是最简单的变压变频控制方法, 即保持U/f=C (常数) 的控制方法。这种变频调速控制系统虽然可以满足平滑调速, 但是静态和动态性能都很有限。

2.3.2 基于电动机稳态模型的转速闭环转差频率控制

根据异步电动机的稳态数学模型得到:当稳态气隙磁通恒定时, 电磁转矩近似与转差频率成正比。因此控制转差频率就相当于控制转矩, 这就是转差频率控制的基本思路。这种控制策略能够获得较好的静态和动态性能, 但是由于在动态过程中磁通不可能恒定, 所以动态控制性能还不是很理想。

2.3.3 矢量控制

矢量控制是基于异步电动机的动态数学模型, 运用现代电机坐标变换理论, 把交流异步电动机等效成直流电动机进行控制, 矢量控制理论通过矢量变换, 把异步电动机电流矢量分解成励磁电流和转矩电流分别进行控制, 从而实现解耦的目的。此种控制使异步电动机的机械性能和动态性能达到了足以和直流电动机调压调速性能相媲美。

2.3.4 直接转矩控制

直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法, 直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩, 采用定子磁场定向, 借助于离散的两点式调节 (Band-Band) 产生PWM波信号, 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制, 以获得转矩的高动态性能。

3 矿用电机车采用交流变频调速拖动的优点

1) 交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高。

2) 由于直流电动机配有电刷和换向器必须经常进行检查维修, 换向火花也使它不太适合煤矿的瓦斯环境, 尽管煤矿可以采用防暴型直流电机车, 但是造价高。交流电动机在运转时没有直流电动机那样的换向火花现象, 因此更易实现防爆, 特别是鼠笼式电动机。因此, 比较起来交流电动机更适应防爆应用环境。

3) 由于直流电机调速系统是带电阻启动, 造成由于电阻发热导致电阻瓷架和电阻片的损坏及损耗电能。变频调速不采用降压电阻, 在电机车制动和下坡时还能反馈一部分电能, 所以节电率高达30%左右。

4) 直流电机拖动的电机车在突然加速时很容易造成齿轮的冲击损坏, 另外该车减速时主要靠闸瓦实现减速和停车, 所以该车闸瓦磨损很快且安全性不高, 特别是在紧急情况时加大制动距离。交流电动机变频调速拖动速度是缓慢上升的, 所以避免了齿轮之间的冲击而延长了齿轮的使用寿命, 该控制方式是全速段控制, 加速和减速全由调速手柄控制, 所以在减速时根本不需要闸瓦偏抱车轮, 故闸瓦磨损很小, 维护量小。

5) 交流电动机变频调速拖动的优良性体现在:一是属于无级均匀调速, 频率最低可调至0.1Hz;二是全速度段控制, 车速的快慢与停车完全由调速手柄控制;三是可设定电机车最高车速限制, 一旦车速设定好, 即使是在下坡道行驶, 机车也不会超过所设定的车速, 有效地防止开飞车而发生事故;四是变频调速器的频率上升时间为5S, 即使驾驶员违反操作规程突然从零速起动后瞬间加速到最大值, 机车仍按5S时间达到最大值, 从而有效地防止突然加速而发生事故。

6) 交流电动机变频调速拖动的电机车爬坡能力强, 可在60‰的坡道上运行, 上坡时可仅用零速制动功能将机车制动在60‰的坡道上, 并可再起动, 继续重载上行。

4 结束语

矿用电机车采用交流电动机变频调速拖动, 机车黏着力性能好、牵引力大、调速范围广、精度高、可靠性好、易维护、节能、机车启动及减速都比较平稳, 是煤矿井下主要巷道运输及辅助运输比较理想的拖动方式。

摘要：结合我国矿用电机车的使用现状, 介绍了矿用电机车采用直流拖动和交流拖动的原理及特点, 着重分析了矿用电机车采用交流变频调速拖动的优点及其必要性。