第二节 三相交流整流子式电动机

　　三相交流整流子式电动机能在恒定转矩和规定的调速范围内作均匀的连续无级调速。具有调速范围广、起动性能良好、负载效率和功率因数较高、速度调节精密和安装场地经济等优点，所以曾经在印刷机械中得到广泛的应用。


　　早期由上海人民机器厂和北京人民机器厂制造的胶印机、铅印机、轮转机、凹印机和凸印机等用的主拖动电机，均采用三相异步整流子式电动机。如LP1101型、LP1103型全张单面凸版轮转印刷机、J2102型对开单色胶印机等。日本三菱M－5CP全张双面胶印机、德国海德堡Speed master 102V型四色胶印机也采用三相整流子式电动机。


　　三相交流整流子式电动机缺点是：由于在电机转子上有一套整流子（换向器）以及电刷转盘，所以较其它异步电机结构复杂、运行中维护与保养工作量较大，故障率较高。

一、整流子式电动机结构与工作原理

　　三相整流子式电动机为反装式异步电动机，采用转子供电式结构，如图2－16所示。


　　定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠成；槽内嵌着多相双层定子绕组，也叫副绕组（图中以三相形式表示，一般不为三相），各相绕组的首末两端，分别通过机座两侧的两连接板，和换向器上电刷相联接。各相首端所接的电刷为一组（图中以X′、Y′、Z′表示），末端所接的电刷为另一组（以U′、V′、W′表示），这两组电刷分别固定在两个转盘上。





图2－16 三相交流整流子电动机接线原理图


　　转子铁芯也由硅钢片叠成，铁芯槽内嵌有两个绕组：一个是三相初级绕组，也就是主绕组，放在槽子底部，可做星形或三角形联接（图中为星形联接），三相电源通过集电环和电刷对它馈电；另一个是和换向器相联的调节绕组，放在槽子顶部，它通过换向器，并通过电刷转盘与定子绕组相接。


　　电机转速和功率因数的调节的调节机构，主要是通过一个手轮，以及两个可以作相对移动的电刷转盘和一套联动齿轮所组成，调速手轮。


　　当定子每相绕组的两个电刷放在同一换向片时，如图2-17a所示，定子每相绕组各自短路，其情况与普通异步电动机相同，只是原边在转子，副边在定子，成为反装式异步电机。这时，如果原边旋转磁场为逆时针方向旋转，则作用于定子的电磁转矩沿逆时针方向旋转。由于定子是固定不动的，根据作用力与反作用力大小相等，方向相反，可知转子受到的电磁转矩是顺时针方向，因此转子沿顺时针方向旋转起来。设此时转子转速n₂=n₂₀，这个转速略小于旋转磁场对转子的转速n₁（同步转速），因此，从定子观察的旋转磁场沿逆时针方向旋转，其转速为（n₁－n₂）。


　　当定子每相绕组的两个电刷适当地分开，并使两电刷之间的一段调节绕组的中心点与所接的定子绕组的中心点在同一空间轴线上，如图2-17b所示时，由旋转磁场感应于定子的电动势E_2s必与感应于转子调节绕组而出现于两电刷间的附加电势E_k同频率、同相位（对图中所取正方向而言）。E_2s的频率为转差频率(f₂=sf₁)，这与通常的异步电动机副边频率一样。E_k的频率也为转差频率f₂，这是因为电刷端引出的附加电势的频率等于每秒从电刷上经过的磁极对数，它仅决定于旋转磁场对电刷的相对转速，而旋转磁场对调节的副绕组和固定电刷的相对转速都是一样的，均为（n₁－n₂），所以，由电刷引出的附加电势与副绕组中的电势有相同的转差频率，即f₂=sf₁。E_k的大小，不仅与旋转磁场对调节绕组的相对转速大小有关，而且还决定于两电刷间调节绕组的情况。即改变调节绕组的数目即可调节附加电势的大小。在图2-17b所示接线情况下，定子绕组回路的总电动势E₂＝E_2s－E_k。由于E_k与E_2s是同频率、同相位，所以E₂＝E_2s－E_k。相对于图2-17a情况来说，E₂变小了，定子电流I₂也随之减小，结果使电动机的电磁转矩T变小（小于负载转矩），从而转速n₂下降，随着n₂下降，转差率S变大，E_2s变大，随之I₂变大，电磁转矩也随着变大，到电磁转矩与负载转矩平衡为止，转速停止下降，电机在某一较低的转速下运行。由上面分析可见，改变电刷张开角度2β，则E_k随着变化，直到带动电机转速的改变。


　　若要把转速从n₂₀调高，则只要把每相两电刷交叉角度张开，如图2-17c所示。这时定子绕组回路的总电势E₂=E_2s+E_k变大，I₂随着变大，使电磁转矩增加，则电磁转矩大于负载转矩使转速n₂上升。随着n₂上升，转差率变小，E_2s变小，又使I₂减小，T也变小，直到n₂上升到某一数值时，使电磁转矩与负载转矩平衡为止，电动机将在较高速度下运行。β越大，E_k愈大，转速愈高。当n₂=n₁时，S＝0，E_2s=0,这时定子电流全由E_k产生，电磁转矩依然存在，电机能以同步转速n₁稳定运行。如果此时β继续增大，则E_k变得更大，n₂＞n₁，转差率为负值，E_2s反相，定子回路总电势E₂＝E_k－E_2s，仍能使I₂和T恢复到与负载转矩平衡时为止，电机将在n₂＞n₁的情况下运行。





图2－17 移动电刷位置调节转速原理


　　由上分析可见，我们只要适当调节电刷在换向器上的位置，便可实现从低于同步转速到高于同步转速范围内平滑而经济地调速。

二、整流子式电动机的起动与调速

　　所有整流子式电动机都可以直接起动，但最低速度的电刷位置起动时，不仅起动电流小，起动转矩较大，而且换向器的火花也是最小，有利于电动机的维护。所以在使用时，应尽可能在最低速度位置起动。


　　如果电动机的负载较重，致使电动机不能在最低转速处直接起动时，可在接通主电源后，迅速把调速手轮向“快”的方向稍移过些后，再设法闭合低速行程开关XC1以直接起动（XC1为低速联锁行程开关，用来保证电动机在低转速时起动）。但移动距离应不超过自最低速度处到最高转速处的1/5-1/6距离。


　　整流子式电动机有两种调速办法：一种是手动调速，一种是遥控调速。手动调速即利用调速手轮，调速手轮有两种，一种是新式的，一种是老式的，如图2－18所示。在装有新式调速装置的整流子电动机中，如要进行遥控调速，需先把离合器向内旋紧，使它的凸沿跨放在手轮端面上（不能放在手轮端面的槽内），便可按照要求按下遥控装置的，“加速”或“减速”按钮，获得所需速度；遥控调速，即利用遥控装置的“加速”或“减速”按钮、整流子电机本身的调速电机（伺速电动机）和一套继电－接触器控制线路，来控制整流子电动机的转速。在需要手动调时，需把离合器向外旋松，使它的凸沿恰好放进手轮端羰的凹沿内，然后按照“快”、“慢”方向转动手轮进行调速。





图2－18 调速手轮


　　对于老式调速装置，如要手动调速，需把手轮向外拉出，然后按照“快”或“慢”的方向转动手轮，以得到所需速度。在每次手动调速后，需把手动调速后，需把手轮向内推进，以便随时准备遥控调速。


　　对于老式调速装置，如要手动调速，需把手轮向外拉出，然后按照“快”或“慢”的方向转动手轮，以得到所需速度。在每次手动调速后，需把手轮向内推进，以便随时准备遥控调速。


　　在整流子电动机的电刷转盘上，在相当于最高转速和最低转速的电刷位置处，装有限位器，以使电刷转盘只能在规定的速度范围内移动。在有遥控装置的电动机上，装有两个限位开关，一个在最低速度下起动，又能在停车后自动回到最低转速位置处，并切断“减速”电磁开关；另一个限位开关在最高转速位置下开始动作，起着限制最高转速的作用。

[时间：2001-11-20  作者：杨皋 张长峰  来源：《印刷设备电路与控制》·第二章 印刷设备中常用电机与控制]