從抽象到形象——三相異步電動機運行狀態(tài)的定性分析及教學實踐

楊金花

[摘? ? 要]在電力拖動系統(tǒng)中，電動機的運行狀態(tài)是機電專業(yè)學習的重要內(nèi)容之一。然而，現(xiàn)行教材對此部分內(nèi)容進行了大幅度刪減，特別是對制動的講解，片面地只關(guān)注制動停車，刪除了對制動運行狀態(tài)的分析，容易導致學生對所學知識形成零散片段。另外，對于動態(tài)轉(zhuǎn)化過程，由于實訓條件、知識結(jié)構(gòu)及教學進度所限，進行定量分析收效甚微?；谏鲜鲈?，文章轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學思路，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)化為坐標系中形象的運行特性曲線，幫助學生掌握不同狀態(tài)下的運行過程;補充了教材中相關(guān)理論的不足，使學生對相關(guān)知識得以系統(tǒng)性學習。

[關(guān)鍵詞]教學實踐;工作原理;定性分析;運行狀態(tài)

[中圖分類號]TM343 [文獻標志碼]A [文章編號]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坐標系中的運行特性曲線，使復雜的動態(tài)變化過程得以直觀形象地呈現(xiàn)出來，從而更好地幫助學生掌握所學知識。文章以三相繞線式異步電動機為例進行詳細闡述。

1 三相異步電機運行狀態(tài)的機械特性

式（1）為M、n的函數(shù)關(guān)系表達式[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行狀態(tài)下的機械特性，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)學表達式如下所示：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（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中各種運行狀態(tài)下的機械特性曲線，要涉及各種狀態(tài)的工作原理、機械特性的相關(guān)計算、運行過程的功率分析及其應用過程的相關(guān)計算，這需要很好地知識基礎(chǔ)和相當?shù)姆治瞿芰?，這樣的要求同樣也是許多學生所欠缺的。再加上實訓條件及教學進度所限，為此，筆者在教學中，舍棄有關(guān)定量計算，只從機械特性曲線在M-n坐標系中電磁轉(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)這些特征與負載的性質(zhì)選擇電動機最合理的運行方式。

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

2 電動狀態(tài)

電動狀態(tài)是三相異步電動機的運行常態(tài)。從圖1中看出，電動狀態(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運行，第三象限為反向電動運行。電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載Mz1提升重物，當M=Mz1時，則穩(wěn)定運行于負載特性與機械特性曲線相交的A點或B點;相反地，在拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載-Mz1下放重物，當M=-Mz1時，電動機穩(wěn)定運行于第三象限反向電動運行機械特性上的C點或D點。在電動狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時，轉(zhuǎn)子將吸收的電磁功率轉(zhuǎn)化為機械功率并通過轉(zhuǎn)軸輸出，拖動生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)使之運轉(zhuǎn)，發(fā)揮其電力拖動的作用。

繞線式異步電動機提升重物時，工作在第一象限;下放空鉤Mz0時，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，此時電動機運行于反向電動運行狀態(tài)中的I點、J點、K點中任一點。

3 制動狀態(tài)

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

3.1 回饋制動

如圖1所示，回饋制動包括第二象限的正向回饋制動和第四象限的反向回饋制動，兩條曲線的共同特點是：|n|>|n0|。正向回饋制動時，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，此時電磁轉(zhuǎn)矩雖為制動性轉(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，因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能突變，電動機便從第一象限跳轉(zhuǎn)到第二象限，運行在不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化過程中的正向回饋制動。

反向回饋制動處于第四象限。從圖1中看出，正向電動運行狀態(tài)下的電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載Mz2，采用反接制動停車時，在轉(zhuǎn)速n=0時，如沒有及時切除電源，則在位能負載拖動下經(jīng)反向電動運行過渡到反向回饋制動。當電磁轉(zhuǎn)矩M=Mz2時，穩(wěn)定運行在反向回饋制動狀態(tài)下的G點或H點。繞線式異步電動機運行在此狀態(tài)下，可以實現(xiàn)高速下放重物。

回饋制動的特征是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，控制起來相對復雜一些，尤其是正向回饋制動，只是一個過程而不是穩(wěn)定運行狀態(tài)。但這種不穩(wěn)定運行卻也有用武之地，那就是拖動重載的電力機車，在下坡時常處于回饋制動過程。

3.2 倒拉反轉(zhuǎn)運行

倒拉反轉(zhuǎn)運行也處于第四象限。從圖1中看出，正向電動運行狀態(tài)下的異步電動機，拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載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機的機械特性，當所串電阻足夠大時，轉(zhuǎn)子輸出的電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子便反轉(zhuǎn)，直至M=Mz2時，電動機就穩(wěn)定運行在第四象限的F點。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)運行。

通過在繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串接不同阻值的電阻，可獲得不同轉(zhuǎn)速，根據(jù)拖動負載的要求，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

從圖1中看出，能耗制動機械特性是既有正負最大值，又過原點的一條曲線。之所以過原點，是在切斷電動機的正向交流電源后，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過程，即B′→0。制動過程中：M<0，電磁轉(zhuǎn)矩M對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速起制動作用，導致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速下降，當轉(zhuǎn)速n=0時，則M=0，故用于制動停車;②第四象限的能耗制動運行。能耗制動運行時，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)，故電動機最后穩(wěn)定運行在第四象限中的E點。繞線式異步電動機低速下放重物時，也采用這種方式。

事實上，并不是所有采用能耗制動方式制動的電動機都可以準確停車，這與拖動的負載性質(zhì)有關(guān)。拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載Mz1時，可以準確停車;拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載Mz2，在轉(zhuǎn)速n=0時，需及時切斷直流電源，否則會在位能性負載的拖動下反向啟動。

3.4 反接制動

如圖1所示，電動機在切斷正向電源后，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過程、第三象限的反向電動運行、第四象限的反向回饋制動。第二象限中的反接制動過程，即：A′→A′，主要用于電動機制動停車。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，電動機能否準確停車，同樣與拖動的負載性質(zhì)及大小有關(guān)。如拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載，當|M|<|-Mz1|時，可以準確停車;當|M|>|-Mz1|時，電動機會反向啟動;拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載時，電動機同樣會反向啟動。其次，采用反接制動的電動機，不論拖動什么性質(zhì)的負載，當轉(zhuǎn)速n=0時，電磁轉(zhuǎn)矩M≠0，為保護電動機，轉(zhuǎn)子回路需串入足夠大的電阻來消耗此能量。

反接制動由于制動轉(zhuǎn)矩大，與能耗制動相比，在相同的負載下，停車更為迅速。圖1中所示機械特性曲線中，正向電動運行是根本，其余各種狀態(tài)的曲線都是因改變M、n數(shù)學表達式中的相關(guān)參數(shù)而獲得的。如反向電動運行就是改變了電源相序而形成的，這兩條電動運行曲線分別經(jīng)過正、負同步轉(zhuǎn)速點（0，n0）或（0，-n0）;正向回饋制動是正向電動運行狀態(tài)下的電動機，在變極、變頻或由外接原動機拖動下而形成的，特點是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n0;倒拉反轉(zhuǎn)運行是正向電動運行狀態(tài)下的電動機，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;能耗制動和反接制動都可用于電動機的制動停車，二者區(qū)別在于接入電源的性質(zhì)不同。能耗制動是在定子繞組的任意兩相通入直流電，在電動機轉(zhuǎn)速為零時，電磁轉(zhuǎn)矩同樣為零，制動平穩(wěn)性好。反接制動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，仍存在電磁轉(zhuǎn)矩，這就加大了制動停車過程的能量損耗。故在選擇電動機制動方式時，除需要考慮負載的性質(zhì)外，還要考慮制動方式的經(jīng)濟性與適用性。

4 結(jié)束語

在生產(chǎn)實踐中，電動運行是電動機的常態(tài)，但為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，也常常運行在制動狀態(tài)。制動不僅僅局限于制動停車，更多的時候是通過改變電動機的運行狀態(tài)來滿足不同負載的實際需要，這就是電動機運行狀態(tài)理論的系統(tǒng)性與條理性。本文通過補充教材的不足之處，拓寬了學生的知識視野，明確了三相異步電動機的各種運行狀態(tài)，既是電動機工作原理和機械特性的深化和具體應用，又與啟動和調(diào)速相互依存互為參照。在授課時，從有利于學生學習的角度出發(fā)，變抽象于形象，變深奧于淺顯，不僅與相關(guān)知識相結(jié)合，還要注重理論與實踐相聯(lián)系，使學生更清晰更有條理地掌握所學知識。在培養(yǎng)學生學習能力與分析能力的同時，注重動手能力的提升，達到學為所用的目的。

參考文獻

[1] 楊文煥，劉喜梅.電機與拖動基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[2] 李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎(chǔ)[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1985.