在机电系统中选择电机时,我们主要需要考虑电机的负载特性以及电机的工作特性。接下来,我们将以电机为分类,共介绍八类电机:
三相异步电机是工业界应用最广泛的电机类型。它的结构简单,制造成本低,适合做成大功率电机。然而,由于“异步”的原因,三相异步电机的转速会比同步转速略慢,并且会有一定的波动。通常情况下,三相异步电机用于能够接上三相电的场合,作为动力电机使用。动力电机主要为机械系统提供动力,一般不需要大的调速范围,也不需要精准的控制。
三相异步电机有一个重要的特性是转速-转矩曲线图,也称为机械特性曲线。横轴表示转矩,纵轴表示转速。在完全空载的理想情况下,电机不输出力矩,转速等于同步转速。当电机接上负载时,负载产生的阻力会导致电机转速下降。转速下降会使得电机输出力矩增加,直到输出力矩与负载力矩平衡,电机转速稳定下来。因此,电机通常在E~K点范围内工作,这是异步电机的稳定工作区间。在这个区间内,电机能够保持工作点的稳定。
如果负载变化,电机的转速会下降,导致输出力矩减少,进一步导致转速降低,最终电机停转。反之,如果负载减小,电机的转速会上升,转速上升导致输出力矩增加,最终回到E~K段工作。这种现象可以通过机械特性曲线图来理解。
对于电机负载,有两种主要类型:恒转矩负载和恒功率负载。恒转矩负载的机械特性呈一条竖直的直线,而恒功率负载的曲线呈反比例函数形状。风机负载也是一种特殊的负载,力矩随着转速提升而提升,阻力大致与转速呈平方关系。风机负载的特点是从来不会堵转,因为启动时基本不需要力矩。
直流有刷电机是直流电供电下普及率最高的电机类型。这种电机需要用电刷进行换向。直流电机的结构最简单,电流通进转子线圈,依靠内部的永久磁铁实现励磁,使电机运转。直流电机的回路在初高中时只是被当作“非纯电阻电路”来看待,但实际上是一个“电阻负载+反电势负载”。当电机不转时,电枢回路相当于纯电阻电路,电流非常大,容易烧坏电机。当电机开始转动时,电磁感应产生感应电动势,起到抵消外加电压的作用,从而减小电流。因此,直流电机的机械特性是一条直线,调速方便。通过减弱磁通,直流电机可以在高于额定转速下运行,这被称为弱磁调速。
同步电机是另一种常见的电机类型,它的特点是转速与电源“同步”。同步电机的定子和三相异步电机相似,三相绕组通入三相电产生旋转磁场。同步电机的转子是一块有极性的磁铁,由于转子本身带有磁场,不存在滞后现象,转速稳定。同步电机在某些场合非常重要,例如在音频录制时需要恒定转速。同步电机的功率因数可以通过调节励磁电流来调整,使其达到最优状态。功率因数越高,能量利用率越高。
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