淺析電機(jī)拖動(dòng)原理與方式及控制中的注意事項(xiàng)

孫定霞

摘 要：電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)分為直流電機(jī)拖動(dòng)和交流電機(jī)拖動(dòng)2種。過(guò)去，高性能拖動(dòng)系統(tǒng)常用直流電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，交流電機(jī)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的革新，性能開(kāi)始優(yōu)于直流拖動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在高性能拖動(dòng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。主要介紹了電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)的原理及電機(jī)選擇的方式，并探討了電機(jī)拖動(dòng)控制中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；直流電機(jī)；拖動(dòng)原理；拖動(dòng)方式

中圖分類號(hào)：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)技術(shù)對(duì)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(shí)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(dòng)及控制技術(shù)對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電機(jī)拖動(dòng)原理及拖動(dòng)方式

1.1 電機(jī)拖動(dòng)原理

電機(jī)拖動(dòng)指的是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)圖

在交流電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)中，電動(dòng)機(jī)主要使用三相異步電機(jī)。電動(dòng)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(dòng)的工作過(guò)程如下：首先向三相繞組中通入對(duì)稱的三相電流，三相電流變化產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(shì)差和電流，同時(shí)在磁場(chǎng)中電磁力的作用下旋轉(zhuǎn)起來(lái)，進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

1.2 電機(jī)拖動(dòng)方式

1.2.1 直流電機(jī)拖動(dòng)方式

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，過(guò)去在高性能可調(diào)速電力拖動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。直流電動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中，主要使用改變電阻大小的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速。直流電機(jī)拖動(dòng)方式具有很明顯的調(diào)速優(yōu)勢(shì)，能夠滿足大部分的拖動(dòng)控制要求，同時(shí)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(dòng)技術(shù)的發(fā)展，逐漸退出歷史舞臺(tái)。

1.2.2 交流電機(jī)拖動(dòng)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(guò)增減轉(zhuǎn)差功率來(lái)實(shí)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(huì)增加系統(tǒng)溫度，同時(shí)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(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇

目前，我國(guó)三相異步電機(jī)的使用十分廣泛，裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)3×108 kW，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)選型上的不合理，電力拖動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)容量。如果電動(dòng)機(jī)的容量過(guò)大，在滿足既定功率的前提下，電動(dòng)機(jī)的效率無(wú)法保持在較高水平，造成容量的浪費(fèi)；如果電動(dòng)機(jī)容量過(guò)小，那么為了滿足功率要求，電動(dòng)機(jī)需要超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱，壽命降低。因此，必須選擇合適的單機(jī)型號(hào)，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(dòng)機(jī)即可，并且不需要進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)。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(shí)要保證發(fā)熱在合理的范圍內(nèi)。

電動(dòng)機(jī)發(fā)熱及升溫是影響電動(dòng)機(jī)額定功率的主要因素。發(fā)熱和升溫會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的損耗，而損耗的結(jié)果是電動(dòng)機(jī)發(fā)熱越來(lái)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(dòng)機(jī)銘牌上會(huì)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(dòng)機(jī)發(fā)熱升溫外，在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)還要考慮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，因?yàn)槎虝r(shí)過(guò)載也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)額定功率產(chǎn)生影響。

選擇電動(dòng)機(jī)要從直流交流、機(jī)械性能、調(diào)速與氣動(dòng)性能、價(jià)格等多方面綜合考慮。目前較為常用的電動(dòng)機(jī)為三相鼠籠型異步發(fā)電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(méi)有變速要求的場(chǎng)所，例如作為水泵站的動(dòng)力機(jī)械。在起重設(shè)備、卷?yè)P(yáng)機(jī)等對(duì)變速有要求的設(shè)備中使用的電動(dòng)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(shí)能夠較好地滿足運(yùn)行過(guò)程中的變速要求。

3 電機(jī)拖動(dòng)控制中需要注意的事項(xiàng)

3.1 機(jī)械性能與工作機(jī)械特性的結(jié)合

電動(dòng)機(jī)固有的機(jī)械特性指的是電動(dòng)機(jī)在額定電流和額定頻率下，按照規(guī)定方法接線，同時(shí)定子和轉(zhuǎn)子外界電阻為零時(shí)，轉(zhuǎn)速同電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。當(dāng)然，使用者也會(huì)為了獲得某些功能而改變電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)同傳動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)機(jī)的電流換向問(wèn)題

在直流電動(dòng)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(guò)電刷到另一條支路。該元件電流從一個(gè)方向變換為另一個(gè)方向。元件從開(kāi)始換向到換向結(jié)束所用的時(shí)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(gè)元件在經(jīng)過(guò)電刷時(shí)都要經(jīng)歷的過(guò)程，格外重要。在直流電機(jī)中，換向問(wèn)題十分復(fù)雜，換向不良可能會(huì)導(dǎo)致電刷與換向片之間產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞電機(jī)元件，影響電動(dòng)機(jī)的正常使用。為了消除換向問(wèn)題帶來(lái)的安全隱患，需要委派人員看守并定時(shí)調(diào)控。由此可見(jiàn)，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(wèn)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(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(xiàng)

電機(jī)與變頻器相連首先要注意連接是否正確，同時(shí)要安裝熔斷器，保證電機(jī)過(guò)載時(shí)能夠及時(shí)斷開(kāi)，避免對(duì)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(shí)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(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，在變頻器允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)拖動(dòng)分為直流電機(jī)拖動(dòng)和交流電機(jī)拖動(dòng)2種，兩種技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用在不同的技術(shù)領(lǐng)域。未來(lái)，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(guó)制造業(yè)的發(fā)展注入充足的活力。

參考文獻(xiàn)

[1]郇志軍.電機(jī)拖動(dòng)控制中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].魅力中國(guó)，2013（13）：387-388.

[2]張西京.淺談電機(jī)拖動(dòng)控制中的注意事項(xiàng)[J].科技致富向?qū)В?012（15）：196.

〔編輯：劉曉芳〕