无换向器电动机的性能分析

刘世东

摘要：无换向器电动机调速特性和直流电动机基本相同，它同样可以通过调节直流电压进行调速，从而大大提高了其直流电动机的性能。

关键词：无换向器 电动机 基波

无换向器电动机可以看作是一台直流电动机，利用分析直流电动机的办法对它进行研究也可以把它看作是一种特殊的同步电动机变频调速系统，用同步电动机的理论对它进行分析一般说来，从系统角度分析时，我们把它当作直流电动机看待，这样就可利用现有各种直流动机调速系统的设计经验和方法。当我们需要研究电动机的一些内部特性时，又往往把它当同步电动机处理。因为在同步电动机理论分析中既考虑交轴电枢反应又可考虑直轴电枢反的影响，它所采用的矢量图方法，可以形象地说明无换向器电动机巾的不少重要的物理现象，虽然矢量图只能描述电动机各基波分量之间的关系，而无换向器电动机的电流中还含有许多谐波分量，只甩矢量图是无法加以完全说明的口但是，毕竟基波分量起着主导的作用，若能把握住基波分量的关系，基本上可以掌握无换向器电动机的特性。

首先我们分析一下无换向器电动机的调速性能。从可控整流的理论我们知道在计及换流重迭角的情况下，三相桥式整流电路的输出直流电压ED。此外，在无换向器电动机巾改变角也会对电动机转速产生影响。这好象在直流电动机中改变电刷的位置会影响电动机的转速一样。但是在直流电动机的实际运行过程中，改变电刷位置的可能性是不大的，而在无换向器电动机中，却确有采眉y~角随负载而自动调节的办法。在这种情况下，如参数配合不当，则当F0变化时可能会使电动机转速上升，甚至出现电动机运行的不稳定，这是在考虑F0自动调节系统时必须予以注意的。

面我们利用同步电动机的理论对无换向器电动机的特性作进一步的分析。首先我们看电动机空载时的情况。设空载时逆变桥的换流超前角为yo，则电机的空载电势EMO和电流，初的波形。不计换流重迭角的情况下，在yo=0。时的电动机电流、电压波形图。这时电流的基波分量和电势波形同相。而当yo＝0时，可觅电流基波征好越前予空载电势一个布角口如若计及换流重迭角的影响，电流的基波将后移角，变成超前于空载电势一个角。一般把同步电动机中电流和电势之间的夹角叫做内功率囚数角，通常眉庄无换向器电动机中，这个内功率因数角矽，在不计重迭角的影响时为y，这里需荽指出，同步电动机的内功率因数角矽是随时可以变化的。只要调节同步电动机的励磁，就可以改变矽角的大小，改变电枢反应的性质，但是调节励磁不能改变向步电动机的转速。可是在无换向器电动机中，情况就完全不同。角之值主要是由y决定的，它取决于转子位置检测器整定的情况，改变励磁不能改变驴的数值，不会引起电枢反应性质的变化，可是却能影响电动讥的转速。这是无换向器电动机类似于直流电功，而和一般同步电动机有本质上差别的地方。

当电动机承受的负载增加时，如整定的空载换流超前角保持不变，则电动机电流基波的相位基本不变.这个电流可以分为直轴和交轴分量，它们分别产生直轴和交轴电枢反应磁场，感应出反电势。当电动机带负载时，其端电压将与空载时的端电压，它不恒大小有所变化，而且相位将较超前角度。这个角度在同步电动机理论中称为功角，它表征着电动机输出功率的大小。由于功角的出现，使电流对于电压的超前角度，即逆变桥的换流超前角y减小，由空载对的变到负载时。这对换流是不利的。无换向器电动机的过载能力主要是受到了逆变桥晶闸管，换流问题的限制，比一般直流电动机低。在电动机空载运行时若换流超前角整定在，当电机承受负载以后，由于同步电动机中功角口的影响。

电压的相位将前移一个口角，使换流超前角由Yo减小到y，另一方面，随着负载电流的增加，换流重达角弘将逐if增大，晶闸管延续导通的时间增长口角度e=yo称为换流剩余角，它表示晶闸管换流结束以后承受反面山偏压的时间。它表征着换流的可靠性。由于角和弘角均随负员载的增大而增加，所以在yo恒定的情况下，换流剩余角a将随着负载的增加而减小。当负载达到一定数量，换流剩余时间s=A/c接近晶闸管的关断时间时，电动机达到换流极限，这就是电动机的最大负载能力。目前一般无换向器电动机的过载能力只有1.5~2倍，对于极式无换向器电动机，过载能力甚至只有1.25倍，这是这种电动机的一个主要不足之点。

为了提高无换间器电动机的过载能力，一方面是尽量减少重迭角弘的数值，另一方面是减小功角夕的影响。无换向器电动机的换流重迭角和电动机换流二相绕组的等效电抗有关。由于在换流过程中换流绕组的轴线是不动的，而转子是旋转的，所以换流电流所产生的磁场对转子有相对运动，转子上的励磁绕组和阻尼绕组对它有相当强的阻尼作用。能减少换流电抗的数值。所以在无换向器电动机的转子上最好装设阻尼绕组，或者采用整铸磁极。关于减少同步电动机功角问题，从原理上讲可以有三种不同的途径：一种是减小Xq，一种是采用交轴补偿，再一种就是磁场采用串激或复激。同步电动机的矢量图可见，出现功角口的主要原因是因为有矢量IqXq存在。在一定的电流下，功角口也越小，y随负载减小的趋势就变弱，电动机的过载能力就能有所提高。如果使Xq=0，则口为零，这就是说换流超前角y将不随负载而变化，这可显著提高电动机的过载能力。当然若只是从磁路结构考虑是不可能使XQ变为零的。但是如在磁极上装交轴补偿绕组，使其中通过的电流和fq(或I)成正比，由它所产生的磁势完全补偿交轴电枢反应，则其结果可以使等效交轴电抗为零，使y角不随负载而变化。但是采用补偿绕组时电动机结构比较复杂，而且当电动机反转时，为了得到所要求的补偿效果，补偿绕组中电流方向必须改变，从而需要采用有接点切换方式，颇为不便。所以带补偿绕组的电动机一般只用于不要求作四象限运行的场合。◆

参考文献：

[1] 陈道坦. 三相异步电动机运行节能探讨[J]. 四川工业学院学报 , 1988,(01)

[2] Y系列三相异步电动机(H80～315)[J]. 机电新产品导报 , 1998,(Z3)

[3] Y3系列三相异步电动机通过鉴定[J]. 中小型电机 , 2003,(03)

作者单位：西北民族大学电气工程学院05级电气工程及其自动化专业（2）班