定性分析电磁调速电动机的调速特性与负载类型的配合

内容摘要：电磁调速电动机也称滑差电动机，它与测速发电机和控制装置一起组成交流无级变速系统。它可用于恒转矩负载的速度调节，更适合于风机和泵类负载场合。相对于变频调速的电动机，它的结构原理相对简单，便于局部修理，价格也相对便宜，具有交流不整流直接无级变速的特点。到目前为止国内电磁调速电动机的使用率相对于其它变速装置仍然是最高的。本文将在以下章节逐步分析，论证电磁调速电动机的调速方式，特性，并加以比较各类负载特性。

关键词：调速特性，负载类型

1.调速电动机

1.1调速原理

电磁调速电动机调速系统是由笼型异步电动机，电磁转差离合器，测速发电机及晶闸管控制装置组成。电动机本身并不调速，通过改变电磁转差离合器的励磁电流来实现调速。如图1-1所示为电磁调速电动机的结构示意图。它一般由主动与从动两个

基本部分组成，图中1为主动部分，由笼型转子异步电动机带动，以恒速旋转，它是一个由铁磁材料制成的圆筒，一般称为电枢，4为从动部分，一般也是由铁磁材料制成，称为磁极。磁极上装有励磁绕组3，绕组与磁极的组合称为感应子，被拖动的生产机械就连接在感应子的轴上，绕组的引线接于集电环上，通过电刷与直流电源接通，绕组内流过的励磁电流即由直流电源供给。电枢与感应子之间的气隙一般是很小的。当异步电动机带着圆桶形的电枢旋转时，电枢就会因切割磁力线而感应出涡流来，涡流再与磁极的磁场作用产生电磁力，此电磁力所形成的转矩将该磁极跟着电枢同方向旋转，从而也带动了工作机械旋转。涡流与转矩的方向如图1-2所示，

图中代表涡流的方向，系由发电机右手定则确定，假定电动机带着电枢反时针方向旋转，分析涡流的方向时，可以认为电枢静止不动，而磁极顺时针方向旋转，涡流方向如图所画，涡流与磁极相互作用产生转矩的方向由电动机左手定则确定，仍为反时针方向，这就是说磁极与电枢同方向转动。显然，当励磁电流等于零时，磁极没有磁通，电枢不会产生涡流，不能产生转矩，磁极也就不会转动，这就相当于生产机械被“离开”，一旦励磁电流给上，磁极立刻转动起来，这就相当于生产机械被“合上”，因此取名为“离合器”。此外我们还可以看到电磁离合器的工作原理和异步电动机是相同的，磁极和电枢的速度不能相同，如果相同，电枢也就不会切割磁力线产生涡流，也就不能产生带动生产机械旋转的转矩。这就好像异步电动机的转子导体和定子旋转磁场之间的作用一样，依靠这个“转差率”才能进行工作。所以这种离合器称为电磁转差离合器。当负载一定时，如果减少励磁电流，将使磁场的磁通减小，因此磁极与电枢的转差被迫增大，这样才能产生比较大的涡流，以便获得同样大的转矩，使负载稳定在比较低的转速下进行。所以通过调节励磁绕组的电流，就可以调节生产机械的速度。

1.2．调速特点

电磁调速电动机调速系统有如下特点：

调速平滑，可以进行无极调速，但应注意在一般情况下电磁转差离合器在不同的励磁电流下的机械特性是很软的，励磁电流越小，特性越软，为了得到比较硬的机械特性，增大调速范围，提高调速的平滑性，应该采用带转速负反馈的闭环调速系统。

在一般情况下，电磁离合器传递效率的最大值约为80%~90%。在任何转速下离合器的传递效率，式中n2―离合器输出转速（r/min）,n1―原动机转速（r/min）。因传递效率的最大值为80%~90%，故电磁转差离合器最大输出功率约为原动机功率的80%~90%，随着输出转速的降低，传递效率赤相应降低，这是因为电枢中的涡流损失与转差，赤即与离合器的输出转速和输入转速之间之差成正比的缘故，所以不适于长期处于低速的生产机械。

存在不可控区，由于摩擦和剩磁的存在，当负载转矩小于10%额定转矩时可能失控。

(4)电磁转差离合器适用于风机和泵类负载及恒转矩负载，而不适用于恒功率负载。

2.生产机械的负载转矩特性

在研究电力拖动系统的运动过程和稳定运行条件时，除了要知道电动机的机械特性之外，还必须知道负载转矩特性n=f(Mz)。本节就来讨论这一特性。典型的负载转矩特性有恒转矩特性，恒功率特性，通风机特性三种。

2.1.恒转矩负载特性

顾名思义：凡是负载转矩Mz不随转速n变化的机械都具有恒转矩负载特性。如图2-1所示

2.2.通风机负载特性

属于通风机型负载的生产机械有：通风机，水泵，油泵等，其中空气，水，油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比，即Mz=kn2如图2-1所示。

2.3.恒功率负载特性

在不同的转速下，负载转矩Mz基本上与n成反比即Mz=k/n,如图2-1所示。

3.电磁调速电动机的调速特性

3.1 恒转矩负载时，电磁调速电动机恒转矩调速运行时的P1,P2,Ps,M和特性曲线如图3-1所示。显而易见，低速运行时

输出功率小，损耗大，效率低，所以应尽量避免使电磁调速电动机长期低速运行。根据低速运行的要求，采用变极调速的异步电动机做原动机，根据不同的转速要求进行变级切换，可获得较高的效率。恒转矩负载机械的转矩M=M1=M2=常数，所以电磁转差离合器的效率为 （3-1）式中

P1―原动机输出功率（kw）,P2―电磁转差离合器输出功率（kw）,

M1―原动机输出转矩（N.m）,M2―电磁转差离合器的输出转矩（N.m）,n2―电磁转差离合器的输出轴转速（r/min）,

―原动机的输出轴转速（r/min）,

转差率可按下列公式计算 s=(n1-n2)/n1=1- (3-2)

故 （3-3）可见，在恒转矩负载下，电磁转差离合器的效率正比于输出转速，当转速下降时，输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，此时损耗功率Ps与转差损耗成比例增加，即Ps=P1-P2=P1-(1-s)P1=sP1(3-4)

因为电磁转差离合器的原动机为笼型异步电动机，由于输入功率和转矩均保持不变，所以笼型异步电动机功率保持不变。因此，对电磁调速电动机来说损耗以有功形式表达出来。这一损耗功率全部通过电磁转差离合器的涡流发热，并由电枢上的风叶散发出去。

3.2. 风机，泵类负载时。电磁调速电动机带动风机，泵类负载时的P1,P2,Ps和特性曲线如图3-2所示，此时有下列关系：

P2/P1=(n2/n1)3 (3-4), 式中 P1―速度为n1时的原动机轴输出功率，即为电磁转差离合器的输入功率（kw）, P2―速度为n2(转差率s)时的转差离合器轴输出功率（kw）, 原动机的一次输入功率

， ，如设原动机的一次回路效率为， 则有 P=P2/(1-s)=P1(1-s)2(3-5)

损耗功率Ps=P1s(1-s)2(3-6)

这就是说电磁调速电动机带动风机，泵类负载运行时，输入功率与转速的平方成正比，输出功率与转速的立方成正比，故低速运行时输入功率和输出功率都随之降低。所以从节点观点看，电磁调速电动机用于风机，泵类负载的调速特别合适。

3.3.恒功率负载时。如图3-3所示为电磁调速电动机恒功率负载运行时的P1,P2,Ps和特性曲线。显然低速时（

4. 总结

通过对电磁调速特性，方式分析以及对比三种负载类型，可以看出恒转矩负载低速时损耗大，需原动机变极调速，这就增加原动机成本，操作也复杂一些，不太理想。恒功率负载低速时输入功率反而增大，造成损耗上升，这种负载类型显然不适合电磁调速。风机，泵类负载在低速时（小风量或小流量）输入和输出功率都随之降低，功耗也减少，调高转速时（大风量或大流量）输入和输出功率都随之增加，高效运行，输入功率与转速的平方成正比，输出功率与转速的立方成正比，无论增速或减速输出功率变化率都大于输入功率变化率。所以无论从调速方式，运行效果还是节电的观点来看电磁调速电动机都非常适用于风机，泵类负载。由此看出要正确，有效使用电磁调速电动机，需结合负载类

参考文献

陈伯时等编《电机与拖动》 中央广播电视大学出版社 1983年6月第一版

2.周希章等编《节电技术与方法》 机械工业出版社 2005年6月第一版

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。