[科普中国]-电力传动

利用电动机将电能变为机械能，以驱动机器工作的传动。电力传动由电动机、传输机械能的传动机构和控制电动机运转的电气控制装置组成。

简介电力传动可以分为交流电动机传动和直流电动机传动。电力传动所需的电能易于传输和集中生产，它本身又便于远距离自动控制。电动机的功率范围比较宽，从数瓦到1万千瓦以上，它已成为现代工业的主要动力机。1

背景介绍1838年，俄国院士Б．С．雅可比试验由蓄电池给直流电动机供电，用来驱动快艇的推进器，这是首次使用电力传动。以后，Β．Н．奇科列夫将直流电动机用于驱动电弧灯(1879)、缝纫机(1882)和风扇(1886)。到1889年，Μ.Ο.多利沃-多布罗沃利斯基发明三相交流异步电动机，并建立起三相交流电力传输，电力传动遂开始在工业中广泛应用。1

电动机的选择选择电动机作为动力机时，主要是确定电动机的类型和规格。选择电动机的类型需要考虑工作机的载荷特性、生产工艺要求、运转环境和电网的供电条件。确定电动机规格的主要原则是根据生产工艺和载荷条件校验电动机的发热、起动转矩和过载转矩。如果生产工艺不要求调节速度，应首先考虑选用交流电动机：若载荷平稳，可选用一般鼠笼型异步电动机；若机械需要在重载下起动，可以选用高起动转矩的鼠笼型异步电动机或绕线型异步电动机。许多工作机要求调节速度，有的只需要电动机作少数几级调速如机床等，可采用多速交流异步电动机；如对调节速度有较高的要求，则应采用直流他激电动机。2

起动和制动评价电动机的起动或制动性能，主要是看起动或制动转矩和电流的大小、起动或制动的平滑性、起动或制动的时间和能量消耗，以及控制设备是否简单可靠。其中，起动或制动转矩和电流的大小是最基本的要求。通常希望在起动或制动过程中得到足够大的转矩，同时把起动电流限制在允许的范围以内。3

起动方式分为直接起动和降压起动两种。对于鼠笼型异步电动机，应优先采用直接起动。但直接起动时，起动电流通常达到额定电流的4～7倍，而起动转矩却只为额定转矩的0.8～1.5倍，由于起动电流较大，必须考虑电网容量是否允许。降压起动有 3种方法。①电阻或电抗器降压：起动时在定子绕组中串接电阻或电抗器，起动后将其短路。使用这种方法将起动电流减小到 1/K倍时，起动转矩却降低到1/K2倍。②星形-三角形降压：在起动时暂将定子绕组接成星形，起动后再将定子绕组改接为三角形。这种方法只适用于正常运行时定子绕组是三角形接法的电动机，可将电网电流减小为直接起动的1/3，同时起动转矩也相应减小为1/3。③自耦变压器降压：在起动时，经自耦变压器给电动机供电，使电动机电压降为额定电压的 1/K，待起动后将自耦变压器切除，把电动机直接接于电网。用这种方法起动时的电网电流和转矩均将降为直接起动时的1/K2。降压起动只适用于带动较轻的载荷起动。如果既要限制起动电流，又要有较大的起动转矩，则须采用绕线型异步电动机，在转子绕组回路中串接起动电阻，在起动过程中将电阻逐级切除。为了简化起动设备和改善起动特性，常用频敏变阻器代替起动变阻器。对于直流电动机，除小容量者外一般不允许直接起动，为了限制电流须在电枢回路中接入起动电阻。3

制动方式电动机制动是使它产生一个与旋转方向相反的转矩，以使工作机减速，或维持重物匀速下降。电动机的制动有能耗制动、反接制动和再生制动 3种方法。就直流电动机来说：①能耗制动：将电动机电枢与电源断开，接于电阻，这时在机械惯性或位能载荷转矩的作用下电动机处于发电状态，产生制动转矩。②反接制动：在电动机运转中将电枢电源反接；或者在位能载荷作用下当电动机的电磁转矩小于位能载荷转矩时，电动机就会被位能载荷拉向倒转。在这两种情况下电动机都处于发电状态，产生制动作用。这称为反接制动。为了避免电流过大，反接制动时电枢回路中应接入适当的限流电阻。③再生制动：主要用于电车和起重机械。例如当电车下坡时，重力加速度将使车速增高，电动机感应电势随之增大，当感应电势大于电源电压时电动机就变为发电状态，产生制动作用，并将电功率反馈回电网。3

电动机的调速衡量电力传动的调速性能的指标有静差率、调速范围、平滑性和效率。①静差率：载荷由空载增加到额定载荷时转速变化的相对值。它表示速度的稳定性。②调速范围：在静差率不大于给定值，并且载荷为额定值的条件下，传动的最高速度与最低速度的比值。③平滑性：相邻两级速度的比值。这个比值越接近于1，则平滑性越好。④效率或调速时的功率损耗。3

交流异步电动机的调速

主要有 4种方法。①改变定子绕组的极对数：这种方法能改变电动机的同步转速。变极电机一般是鼠笼型电动机，做成双速、三速或四速。这种方法比较经济，静差率较小；但只能得到几级速度，主要用于机床、纺织机械和木材加工机械。②改变供电电源频率：这种方法的调速范围、静差率、平滑性和效率等指标都比较好，但要专用的变频电源，设备投资较高。由可控硅供电的异步电动机调速系统已经系列生产，调速范围从10：1～50：1，在工业中开始广泛应用。③在转子回路中串接变阻器：这种方法比较简单，但是损耗大、效率低、静差率和平滑性指标均较差。在短时调速且对调速性能要求不高的小型电动机中应用很广泛。④在转子回路中附加电势：这称为串级调速。这种方法要求附加电势与电动机转子感应电势经常保持相同的频率，只有在这种条件下，附加电势才能与转子感应电势相互作用。采用这种方法可以得到较好的调速指标，但调速范围越宽，产生附加电势的电源设备容量也越大，所以一般用于调速范围不太宽的机械。此外，还有用脉冲调速、定子串联饱和电抗器或可控硅调速等方法。3

直流电动机的调速

主要有 3种方法。

①电枢回路串接电阻：这种方法比较简单，但静差率大，效率低。3

②改变激磁磁通：改变电动机激磁磁通的一个简便方法是在激磁绕组回路中串接变阻器，以改变激磁电流。激磁电流只是电枢额定电流的2～5%，因而可以用小容量的电阻器。这样就便于增加调节的级数，而且调速平滑性好，能量损耗小。但这种调速方法只能在额定速度以上采用，范围一般为 1：2；对于特殊设计的调磁电动机范围可以达到1：3～1：4，这时电动机所允许的转矩随转速升高而减小，故对于载荷为恒功率性质的机械是适宜的。3

③改变电枢电压：采用这种方法调速范围较宽，可以平滑调速，但需要专门的直流调压电源。过去常用直流发电机-电动机组或可控汞弧变流装置作为调压电源，但可控硅变流装置已经或正在取代前两种变流装置。3

进展现代工业中的电力传动一般要求实现局部或全部的自动化。因此，电动机必须与各种控制元件组成自动电力传动系统，对机械实现自动控制，如起动、制动、调速的自动控制；自动维持速度、转矩或功率为给定值；按照事先规定的程序或事先不能预知的规律改变速度、运动方向和工作结构的位置等。在这些系统中微型电子计算机的应用越来越广。过去，电力传动主要是用连续旋转运动的电动机。80年代以来，在生产和运输机械中开始使用直线运动的线性电动机和转子断续运动的步进电动机。使用这些特殊电动机，可以简化传动机构，更好地满足工艺要求。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学