楊金花

[摘? ? 要]在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是機(jī)電專業(yè)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一。然而，現(xiàn)行教材對(duì)此部分內(nèi)容進(jìn)行了大幅度刪減，特別是對(duì)制動(dòng)的講解，片面地只關(guān)注制動(dòng)停車，刪除了對(duì)制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的分析，容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)形成零散片段。另外，對(duì)于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過程，由于實(shí)訓(xùn)條件、知識(shí)結(jié)構(gòu)及教學(xué)進(jìn)度所限，進(jìn)行定量分析收效甚微?；谏鲜鲈?，文章轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)思路，依據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，把抽象的工作原理轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系中形象的運(yùn)行特性曲線，幫助學(xué)生掌握不同狀態(tài)下的運(yùn)行過程;補(bǔ)充了教材中相關(guān)理論的不足，使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)得以系統(tǒng)性學(xué)習(xí)。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)實(shí)踐;工作原理;定性分析;運(yùn)行狀態(tài)

[中圖分類號(hào)]TM343 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）10–0–03

From Abstraction to Image——qualitative Analysis and Teaching Practice

of Three-phase Asynchronous Motor Running State

Yang Jin-hua

[Abstract]In the electric drive system， the running state of the motor is one of the important contents of the electromechanical professional study. However， the current textbooks have greatly deleted this part of the content， especially the explanation of braking. It only focuses on braking and stopping， and deletes the analysis of the braking operation state， which may easily lead to scattered knowledge of the students. Fragment. In addition， for the dynamic transformation process， due to the limitations of training conditions， knowledge structure and teaching progress， quantitative analysis has little effect. Based on the above reasons， the article changes the traditional teaching thinking， based on the functional relationship between the electromagnetic torque and the rotor speed， transforms the abstract working principle into the vivid operating characteristic curve in the coordinate system， to help students master the operating process under different conditions; Supplement Insufficiency of related theories in the textbooks， so that students can learn related knowledge systematically.

[Keywords]teaching practice; working principle; qualitative analysis; operating status

文章創(chuàng)新地提出了一套通俗易懂的講授方法，將抽象的工作原理依據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)镸-n坐標(biāo)系中的運(yùn)行特性曲線，使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過程得以直觀形象地呈現(xiàn)出來，從而更好地幫助學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)。文章以三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 三相異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)械特性

式（1）為M、n的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式[1]M=f（n），以此為依據(jù)繪制出圖1中的各種曲線。這些曲線即為不同運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)械特性，可以直觀形象地表述二者之間的變化關(guān)系。M=f（n）的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，M為電磁轉(zhuǎn)矩，單位N/m;U1是電源電壓，單位V;p是磁極對(duì)數(shù);s是轉(zhuǎn)差率;f1為電源頻率;R1、X1為定子繞組的電阻、電抗;R'2、X'2是轉(zhuǎn)子繞組的折算電阻、電抗。

如果要定量分析圖1中各種運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)械特性曲線，要涉及各種狀態(tài)的工作原理、機(jī)械特性的相關(guān)計(jì)算、運(yùn)行過程的功率分析及其應(yīng)用過程的相關(guān)計(jì)算，這需要很好地知識(shí)基礎(chǔ)和相當(dāng)?shù)姆治瞿芰?，這樣的要求同樣也是許多學(xué)生所欠缺的。再加上實(shí)訓(xùn)條件及教學(xué)進(jìn)度所限，為此，筆者在教學(xué)中，舍棄有關(guān)定量計(jì)算，只從機(jī)械特性曲線在M-n坐標(biāo)系中電磁轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n的極性考慮，定性地分析各種狀態(tài)的特征，以及根據(jù)這些特征與負(fù)載的性質(zhì)選擇電動(dòng)機(jī)最合理的運(yùn)行方式。

事實(shí)上，機(jī)械特性曲線既是運(yùn)行狀態(tài)工作原理的具體體現(xiàn)，又是滿足負(fù)載要求的參考依據(jù)。學(xué)習(xí)各種狀態(tài)的機(jī)械特性，目的是根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)從M-n坐標(biāo)系中選用與之匹配的運(yùn)行狀態(tài)，簡單地說就是從與負(fù)載特性相交的若干條機(jī)械特性曲線中，選擇最合適的運(yùn)行方式，來滿足生產(chǎn)工藝的要求。這就要求學(xué)生必須掌握各種狀態(tài)的機(jī)械特性，熟悉負(fù)載的性質(zhì)。這些要求對(duì)學(xué)生來說并不輕松，這種以理論為生產(chǎn)服務(wù)的專業(yè)性極強(qiáng)的實(shí)際運(yùn)用，是學(xué)生剛剛接觸到的。因而，在講授本節(jié)理論知識(shí)時(shí)，要注重理論與實(shí)踐相聯(lián)系，配合一些時(shí)常能關(guān)注到的實(shí)例來加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。對(duì)于學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，更要主動(dòng)參與老師安排的一些討論課和實(shí)訓(xùn)課，也可以通過學(xué)校安排的校外實(shí)習(xí)，充分消化所學(xué)知識(shí)，在提高學(xué)習(xí)能力的同時(shí)提高操作技能。

2 電動(dòng)狀態(tài)

電動(dòng)狀態(tài)是三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行常態(tài)。從圖1中看出，電動(dòng)狀態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n同向，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速|(zhì)n|<|n0|。第一象限為正向電動(dòng)運(yùn)行，第三象限為反向電動(dòng)運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載Mz1提升重物，當(dāng)M=Mz1時(shí)，則穩(wěn)定運(yùn)行于負(fù)載特性與機(jī)械特性曲線相交的A點(diǎn)或B點(diǎn);相反地，在拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載-Mz1下放重物，當(dāng)M=-Mz1時(shí)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于第三象限反向電動(dòng)運(yùn)行機(jī)械特性上的C點(diǎn)或D點(diǎn)。在電動(dòng)狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，轉(zhuǎn)子將吸收的電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率并通過轉(zhuǎn)軸輸出，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)使之運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮其電力拖動(dòng)的作用。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)提升重物時(shí)，工作在第一象限;下放空鉤Mz0時(shí)，由于摩擦轉(zhuǎn)矩大于重力力矩，故電磁轉(zhuǎn)矩必須與重力力矩方向同向，才能完成空鉤的下放，此時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)中的I點(diǎn)、J點(diǎn)、K點(diǎn)中任一點(diǎn)。

3 制動(dòng)狀態(tài)

現(xiàn)行教材僅局限于制動(dòng)停車，是不全面的。事實(shí)上制動(dòng)狀態(tài)包括制動(dòng)過程和制動(dòng)運(yùn)行兩部分。講解時(shí)可改變教材順序，先講解與正向電動(dòng)運(yùn)行直接相關(guān)的回饋制動(dòng)和倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行，再講解能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)。而能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)則主要用于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)停車，這一點(diǎn)是后者與前者的明顯區(qū)別。

3.1 回饋制動(dòng)

如圖1所示，回饋制動(dòng)包括第二象限的正向回饋制動(dòng)和第四象限的反向回饋制動(dòng)，兩條曲線的共同特點(diǎn)是：|n|>|n0|。正向回饋制動(dòng)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩M<0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n>n0，曲線位于第二象限中n0左上部分，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩雖為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，也不能使轉(zhuǎn)子減速。這種情況多出現(xiàn)在變頻、變極調(diào)速時(shí)，因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)便從第一象限跳轉(zhuǎn)到第二象限，運(yùn)行在不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化過程中的正向回饋制動(dòng)。

反向回饋制動(dòng)處于第四象限。從圖1中看出，正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載Mz2，采用反接制動(dòng)停車時(shí)，在轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，如沒有及時(shí)切除電源，則在位能負(fù)載拖動(dòng)下經(jīng)反向電動(dòng)運(yùn)行過渡到反向回饋制動(dòng)。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩M=Mz2時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行在反向回饋制動(dòng)狀態(tài)下的G點(diǎn)或H點(diǎn)。繞線式異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在此狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)高速下放重物。

回饋制動(dòng)的特征是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，控制起來相對(duì)復(fù)雜一些，尤其是正向回饋制動(dòng)，只是一個(gè)過程而不是穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。但這種不穩(wěn)定運(yùn)行卻也有用武之地，那就是拖動(dòng)重載的電力機(jī)車，在下坡時(shí)常處于回饋制動(dòng)過程。

3.2 倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行

倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行也處于第四象限。從圖1中看出，正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的異步電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載Mz2，可以通過在轉(zhuǎn)子回路串接不同阻值的電阻來人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，當(dāng)所串電阻足夠大時(shí)，轉(zhuǎn)子輸出的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子便反轉(zhuǎn)，直至M=Mz2時(shí)，電動(dòng)機(jī)就穩(wěn)定運(yùn)行在第四象限的F點(diǎn)。由于供電相序未變，則電磁轉(zhuǎn)矩M>0，但M≤Mz2，并不能改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，故此狀態(tài)被形象地稱之為倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

通過在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串接不同阻值的電阻，可獲得不同轉(zhuǎn)速，根據(jù)拖動(dòng)負(fù)載的要求，就可以選擇合理的檔位來穩(wěn)妥地下放重物。

3.3 能耗制動(dòng)

從圖1中看出，能耗制動(dòng)機(jī)械特性是既有正負(fù)最大值，又過原點(diǎn)的一條曲線。之所以過原點(diǎn)，是在切斷電動(dòng)機(jī)的正向交流電源后，立即在定子繞組的任意兩相通入直流電所致。此特性曲線包括兩部分：①第二象限的能耗制動(dòng)過程，即B′→0。制動(dòng)過程中：M<0，電磁轉(zhuǎn)矩M對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速起制動(dòng)作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，則M=0，故用于制動(dòng)停車;②第四象限的能耗制動(dòng)運(yùn)行。能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，M>0，n<0，由于M≤Mz2，正向的電磁轉(zhuǎn)矩并不能改變轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，故電動(dòng)機(jī)最后穩(wěn)定運(yùn)行在第四象限中的E點(diǎn)。繞線式異步電動(dòng)機(jī)低速下放重物時(shí)，也采用這種方式。

事實(shí)上，并不是所有采用能耗制動(dòng)方式制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)都可以準(zhǔn)確停車，這與拖動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載Mz1時(shí)，可以準(zhǔn)確停車;拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載Mz2，在轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，需及時(shí)切斷直流電源，否則會(huì)在位能性負(fù)載的拖動(dòng)下反向啟動(dòng)。

3.4 反接制動(dòng)

如圖1所示，電動(dòng)機(jī)在切斷正向電源后，立即在定子繞組中接入反向電源相序，所得到的曲線包括第二象限的反接制動(dòng)過程、第三象限的反向電動(dòng)運(yùn)行、第四象限的反向回饋制動(dòng)。第二象限中的反接制動(dòng)過程，即：A′→A′，主要用于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)停車。此過程中，M<0，n>0，二者方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩M為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，在它的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速下降，直至n=0。然而，電動(dòng)機(jī)能否準(zhǔn)確停車，同樣與拖動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)及大小有關(guān)。如拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)|M|<|-Mz1|時(shí)，可以準(zhǔn)確停車;當(dāng)|M|>|-Mz1|時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)反向啟動(dòng);拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)同樣會(huì)反向啟動(dòng)。其次，采用反接制動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，不論拖動(dòng)什么性質(zhì)的負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩M≠0，為保護(hù)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子回路需串入足夠大的電阻來消耗此能量。

反接制動(dòng)由于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，與能耗制動(dòng)相比，在相同的負(fù)載下，停車更為迅速。圖1中所示機(jī)械特性曲線中，正向電動(dòng)運(yùn)行是根本，其余各種狀態(tài)的曲線都是因改變M、n數(shù)學(xué)表達(dá)式中的相關(guān)參數(shù)而獲得的。如反向電動(dòng)運(yùn)行就是改變了電源相序而形成的，這兩條電動(dòng)運(yùn)行曲線分別經(jīng)過正、負(fù)同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)（0，n0）或（0，-n0）;正向回饋制動(dòng)是正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)，在變極、變頻或由外接原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下而形成的，特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n0;倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行是正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)，在其轉(zhuǎn)子回路串入大小不同的電阻所致，故電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)不變;能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)都可用于電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)停車，二者區(qū)別在于接入電源的性質(zhì)不同。能耗制動(dòng)是在定子繞組的任意兩相通入直流電，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩同樣為零，制動(dòng)平穩(wěn)性好。反接制動(dòng)則是在定子繞組中接入反向電源相序，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時(shí)，仍存在電磁轉(zhuǎn)矩，這就加大了制動(dòng)停車過程的能量損耗。故在選擇電動(dòng)機(jī)制動(dòng)方式時(shí)，除需要考慮負(fù)載的性質(zhì)外，還要考慮制動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)性與適用性。

4 結(jié)束語

在生產(chǎn)實(shí)踐中，電動(dòng)運(yùn)行是電動(dòng)機(jī)的常態(tài)，但為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，也常常運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)不僅僅局限于制動(dòng)停車，更多的時(shí)候是通過改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來滿足不同負(fù)載的實(shí)際需要，這就是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)理論的系統(tǒng)性與條理性。本文通過補(bǔ)充教材的不足之處，拓寬了學(xué)生的知識(shí)視野，明確了三相異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)，既是電動(dòng)機(jī)工作原理和機(jī)械特性的深化和具體應(yīng)用，又與啟動(dòng)和調(diào)速相互依存互為參照。在授課時(shí)，從有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，變抽象于形象，變深?yuàn)W于淺顯，不僅與相關(guān)知識(shí)相結(jié)合，還要注重理論與實(shí)踐相聯(lián)系，使學(xué)生更清晰更有條理地掌握所學(xué)知識(shí)。在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力與分析能力的同時(shí)，注重動(dòng)手能力的提升，達(dá)到學(xué)為所用的目的。

參考文獻(xiàn)

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