1、第一讲 电机和拖动的基本知识徐甫荣 广东明阳龙源电力电子有限公司，广东中山 528437 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 kWh。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
2、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。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
3、 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
4、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 7.5 kW 时允许直接起动，当电动机功率大于 7.5 kW，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
5、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. 80 Un 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
6、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
7、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
8、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，
9、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=10 Rf（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
10、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 12 000 kW，它使用了一套 4 800 kW 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。作者简介： 徐甫荣（1946-）男，1970 年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业，原为国家电力公司热工研究院自动化所教授级高工，主要从事火电厂热工自动化及交直流调速拖动技术的研究工作。现为广东明阳龙源电力电子有限公司高级技术顾问，从事高压变频器的开发和应用工作。曾发表论文 50 余篇，并著有高压变频调速技术应用实践一书。
