三相异步驱动电机构成，三相异步驱动主机没有冗余制动

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《三相异步驱动主机无冗余制动：结构、原理、问题与应对策略》

一、引言

三相异步驱动主机在众多工业和民用领域有着广泛的应用，如电梯、输送带、风机等设备，制动系统是三相异步驱动主机安全可靠运行的重要保障，当三相异步驱动主机没有冗余制动时，这会带来一系列特殊的情况和挑战，深入理解三相异步驱动电机构成、制动原理以及无冗余制动的影响具有重要的理论和实践意义。

二、三相异步驱动电机的构成

（一）定子部分

1、定子铁芯

- 定子铁芯是电机磁路的一部分，通常由硅钢片叠压而成，硅钢片具有高磁导率和低铁损的特性，能够有效地导磁并减少能量损耗，这些硅钢片一般为0.35 - 0.5mm厚，通过冲压成型并叠压成圆筒状，其内部圆周上冲有均匀分布的槽，用于嵌放定子绕组。

- 在三相异步驱动主机中，定子铁芯的尺寸和形状直接影响电机的磁场分布和性能，铁芯的内径决定了电机气隙的大小，气隙过小会增加电机的制造难度和运行时的摩擦损耗，气隙过大则会降低电机的磁场耦合效率，导致转矩降低和功率因数变差。

2、定子绕组

- 定子绕组是三相异步电机实现电能与磁能转换的关键部件，它由三个在空间上互差120°电角度的绕组组成，分别称为A相、B相和C相绕组，绕组通常采用高强度漆包线绕制而成，根据电机的不同设计要求，绕组的匝数、线径和连接方式会有所不同。

- 定子绕组的连接方式有星形（Y）连接和三角形（Δ）连接两种，在星形连接中，三个绕组的末端连接在一起形成中性点，首端引出作为电机的三相电源输入端；在三角形连接中，A相绕组的末端与B相绕组的首端相连，B相绕组的末端与C相绕组的首端相连，C相绕组的末端与A相绕组的首端相连，然后从三个连接点引出三相电源输入端，不同的连接方式会影响电机的相电压、相电流和输出功率等性能参数。

- 当三相电源接入定子绕组时，会在定子绕组中产生旋转磁场，这个旋转磁场的转速称为同步转速，其大小与电源频率和电机的磁极对数有关，计算公式为\(n_{s}=\frac{60f}{p}\)，(n_{s}\)为同步转速（r/min），\(f\)为电源频率（Hz），\(p\)为磁极对数。

（二）转子部分

1、转子铁芯

- 转子铁芯同样是由硅钢片叠压而成，其作用也是作为电机磁路的一部分，转子铁芯的外圆周上也冲有槽，用于放置转子绕组或者安装导条（在鼠笼式转子中），与定子铁芯相比，转子铁芯的结构相对简单，但它与定子铁芯之间的气隙配合非常重要，气隙的均匀性会影响电机的运行稳定性和效率，如果气隙不均匀，会导致电机在运行过程中产生振动和噪声，同时也会使电机的磁场分布发生畸变，影响电机的转矩输出。

2、转子绕组

- 三相异步电机的转子绕组有两种类型：鼠笼式和绕线式。

- 鼠笼式转子绕组是由嵌入转子槽内的导条和两端的端环组成的一个闭合回路，其形状像一个鼠笼，因此得名，导条通常采用铜或铝材料，由于其结构简单、制造方便、成本低廉，所以在大多数三相异步驱动主机中得到广泛应用，当定子旋转磁场切割鼠笼式转子绕组的导条时，会在导条中产生感应电动势，由于导条是闭合的，所以会产生感应电流，这个感应电流与定子旋转磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转。

- 绕线式转子绕组则是由绝缘导线绕制而成的三相绕组，其三个末端连接在一起形成中性点，三个首端通过滑环和电刷引出，绕线式转子绕组可以通过外接电阻来改变转子电路的电阻值，从而调节电机的转速和转矩特性，这种转子绕组结构相对复杂，成本较高，但在一些需要较大启动转矩和调速范围较宽的应用场合，如起重机、矿井提升机等设备中有着重要的应用。

（三）其他部件

1、气隙

- 气隙是定子铁芯和转子铁芯之间的间隙，虽然气隙在电机中所占的空间很小，但它对电机的性能有着重要的影响，气隙中的磁场是定子磁场和转子磁场相互耦合的区域，气隙磁场的大小和分布直接决定了电机的电磁转矩和功率因数等性能参数。

- 为了保证电机的正常运行，气隙的大小需要严格控制，小型三相异步电机的气隙在0.2 - 1.5mm之间，大型电机的气隙会相对大一些，如果气隙过小，定子和转子之间容易发生摩擦，增加电机的损耗和故障风险；如果气隙过大，会导致电机的磁场耦合变弱，降低电机的效率和转矩输出。

2、机座

- 机座是三相异步驱动电机的支撑部件，它的主要作用是固定定子铁芯、端盖等部件，并为电机提供机械保护，机座通常采用铸铁或铸钢制成，具有足够的强度和刚度，机座的结构形式有多种，如封闭式、防护式和开启式等，不同的结构形式适用于不同的应用环境，封闭式机座可以防止灰尘、水分等进入电机内部，适用于恶劣的工作环境；防护式机座可以防止外物垂直掉入电机内部，一般适用于比较清洁的工作环境；开启式机座则没有防护装置，主要用于对防护要求不高的场合。

3、端盖

- 端盖位于电机的两端，其主要作用是支撑转子轴，并与机座一起构成电机的封闭空间，端盖通常采用铸铁或铝合金制成，其内部安装有轴承，用于支撑转子轴的旋转，端盖的精度要求较高，特别是与转子轴的配合部分，需要保证良好的同心度，以减少电机在运行过程中的振动和噪声。

三、三相异步驱动电机的工作原理

（一）旋转磁场的产生

- 当三相交流电源接入定子绕组时，由于三相电源在时间上互差120°电角度，所以在定子绕组中会产生三个在时间和空间上都互差120°电角度的交变电流，这三个交变电流分别在定子绕组中产生交变磁场，根据磁场叠加原理，这三个交变磁场在定子铁芯内部合成一个旋转磁场。

- 以A相电流\(i_{A}=I_{m}\sin(\omega t)\)、B相电流\(i_{B}=I_{m}\sin(\omega t - 120^{\circ})\)、C相电流\(i_{C}=I_{m}\sin(\omega t+ 120^{\circ})\)为例（(I_{m}\)为电流幅值，\(\omega\)为角频率），根据右手螺旋定则，可以确定每个相电流产生的磁场方向，然后通过矢量合成得到合成磁场的方向，随着时间的推移，合成磁场的方向会按照一定的规律旋转，从而形成旋转磁场。

（二）转子的转动原理

- 当定子旋转磁场以同步转速\(n_{s}\)旋转时，旋转磁场会切割转子绕组（或导条），根据电磁感应定律，在转子绕组（或导条）中会产生感应电动势，由于转子绕组（或导条）是闭合的，所以会产生感应电流，这个感应电流又会在转子绕组（或导条）周围产生磁场，这个磁场与定子旋转磁场相互作用，根据左手定则，会产生一个电磁转矩，驱动转子按照旋转磁场的方向旋转。

- 由于转子绕组（或导条）中存在电感和电阻，会产生一定的电压降，所以转子的转速\(n\)总是低于定子旋转磁场的同步转速\(n_{s}\)，两者之间存在一个转差率\(s=\frac{n_{s}-n}{n_{s}}\)，转差率是三相异步驱动电机的一个重要参数，它反映了转子转速与同步转速之间的差异程度，转差率的大小会影响电机的电磁转矩、电流和功率因数等性能参数。

四、三相异步驱动主机的制动原理

（一）能耗制动

1、原理

- 能耗制动是在电机切断三相交流电源后，立即在定子绕组中通入直流电流，通入直流电流后，定子绕组会产生一个静止的磁场，由于转子仍然在惯性作用下旋转，转子绕组（或导条）会切割这个静止磁场，从而在转子绕组（或导条）中产生感应电动势和感应电流，这个感应电流与定子静止磁场相互作用，产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩，从而使转子迅速停止转动。

- 在能耗制动过程中，转子的动能被转化为电能，这些电能通过转子绕组（或导条）和定子绕组的电阻消耗掉，因此称为能耗制动，能耗制动的制动转矩大小与通入定子绕组的直流电流大小、电机的转差率以及电机的参数有关，直流电流越大，制动转矩越大，但过大的直流电流可能会导致定子绕组过热。

2、控制方式

- 能耗制动的控制方式主要包括直流电流的大小控制和制动时间控制，直流电流的大小可以通过调节直流电源的电压或者在直流电路中串联电阻来控制，制动时间的控制可以采用时间继电器来实现，当制动时间达到设定值时，切断定子绕组中的直流电流，防止电机过度制动。

（二）反接制动

1、原理

- 反接制动有两种方式：电源反接制动和倒拉反接制动。

- 电源反接制动是在电机正常运行时，突然将三相电源的任意两相相序调换，使定子旋转磁场的方向突然改变，由于转子的惯性，转子仍然按照原来的方向旋转，此时旋转磁场与转子的相对速度增大，转子绕组（或导条）中会产生很大的感应电动势和感应电流，这个感应电流与反向的定子旋转磁场相互作用，产生一个与转子旋转方向相反的强大电磁转矩，从而使转子迅速停止转动，在电源反接制动过程中，当转子转速接近零时，如果不及时切断电源，电机将会反向启动。

- 倒拉反接制动主要用于绕线式异步电机，在这种制动方式中，通过在转子电路中接入较大的电阻，使转子转速低于同步转速，此时定子旋转磁场会拖着转子旋转，产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩，起到制动作用。

2、控制方式

- 对于电源反接制动，需要控制电源相序的切换和制动结束时电源的切断，通常采用接触器来实现相序的切换，同时利用速度继电器来检测转子转速，当转子转速接近零时，及时切断电源，对于倒拉反接制动，主要是控制转子电路中电阻的接入和调节。

（三）回馈制动

1、原理

- 回馈制动通常发生在电机的转速高于同步转速的情况下，当电机在外部转矩（如起重机下放重物时的重力转矩）的作用下，转子转速超过同步转速时，转子绕组（或导条）中的感应电动势和感应电流的方向会发生改变，电机由电动状态转变为发电状态，转子的机械能被转化为电能，并回馈到电网中，由于感应电流方向的改变，电机产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩，起到制动作用。

2、应用场景

- 回馈制动在一些需要频繁调速和能量回收的设备中有着重要的应用，如电动车辆在下坡行驶时、起重机下放重物时等，通过回馈制动，不仅可以实现电机的制动，还可以将多余的能量回收利用，提高设备的能源利用率。

五、三相异步驱动主机没有冗余制动的问题

（一）安全风险

1、制动失效风险

- 当三相异步驱动主机没有冗余制动时，如果主制动系统出现故障，例如制动闸片磨损严重、制动电路故障等，将无法有效制动电机，这在一些对安全性要求较高的应用场景中，如电梯运行过程中，可能会导致轿厢失控，引发严重的安全事故。

- 在输送带设备中，如果没有冗余制动，制动系统故障可能会导致输送带无法及时停止，造成物料堆积、设备损坏甚至人员伤亡等情况。

2、制动性能下降风险

- 单一制动系统在长时间使用或者恶劣工作环境下，其制动性能可能会逐渐下降，能耗制动中的直流电源在长期使用后可能会出现电压不稳定的情况，影响制动转矩的大小；反接制动中的接触器在频繁动作后可能会出现接触不良的情况，导致相序切换不及时或者不完全，从而影响制动效果，由于没有冗余制动，一旦制动性能下降，就无法通过其他备用制动系统来弥补，增加了设备运行的风险。

（二）维护和可靠性问题

1、维护难度增加

- 没有冗余制动时，主制动系统的维护工作变得尤为重要，维护人员需要更加频繁地检查和维护制动系统，以确保其正常运行，对于采用能耗制动的三相异步驱动主机，需要定期检查直流电源的电压、电流以及定子绕组的温度等参数；对于采用反接制动的主机，需要检查接触器的触点磨损情况、相序切换电路等，任何一个环节的疏忽都可能导致制动系统故障，而由于没有冗余，故障后的影响更为严重。

2、可靠性降低

- 从系统可靠性的角度来看，冗余设计可以提高系统的可靠性，没有冗余制动的三相异步驱动主机，其制动系统的可靠性完全依赖于单一的制动方式和制动部件，一旦某个部件出现故障，整个制动系统就可能失效，从而降低了主机整体的可靠性，在一些连续运行的工业设备中，如风机、水泵等，这种可靠性的降低可能会导致设备频繁停机，影响生产效率。

六、应对三相异步驱动主机无冗余制动问题的策略

（一）提高主制动系统的可靠性

1、选用高质量的制动部件

- 在设计和制造三相异步驱动主机时，应选用高质量的制动闸片、接触器、直流电源等制动部件，高质量的制动闸片具有更好的耐磨性和制动性能，可以减少因闸片磨损导致的制动失效风险；优质的接触器具有良好的电气性能和机械寿命，可以确保相序切换等操作的准确性和可靠性；稳定的直流电源能够提供合适的直流电流，保证能耗制动的效果。

2、优化制动系统的设计和安装

- 合理设计制动系统的结构，例如在能耗制动中，优化定子绕组与直流电源的连接方式，减少连接线路的电阻和电感，提高制动效率，在反接制动中，合理布置相序切换电路，避免电磁干扰和线路过长导致的电压降等问题，在安装制动系统时，要严格按照安装规范进行操作，确保制动部件的安装精度，如制动闸片与制动轮之间的间隙要符合要求，接触器的安装要牢固且接线正确等。

（二）增加监测和预警功能

1、制动性能监测

- 安装传感器来监测制动系统的性能参数，如在能耗制动中监测定子绕组的电流和温度，在反接制动中监测接触器的动作状态和电机的转速等，通过实时监测这些参数，可以及时发现制动系统的异常情况，如果能耗制动时定子绕组的电流异常增大或者温度过高，可能表示制动系统存在故障，如直流电源电压过高或者定子绕组存在短路等情况。

2、预警系统

- 建立预警系统，当监测到制动系统的性能参数超出正常范围时，及时发出预警信号，预警信号可以通过声光报警器或者远程通信模块发送到监控中心或维护人员的移动设备上，这样，维护人员可以在制动系统故障发生之前采取措施，如调整直流电源电压、更换接触器等，从而避免因制动系统故障导致的安全事故和设备停机。

（三）制定完善的维护计划

1、定期维护

- 制定详细的定期维护计划，包括对制动部件的检查、清洁、更换等工作，对于制动闸片，要定期检查其磨损情况，当磨损达到一定程度时及时更换；对于接触器，要定期清理触点上的灰尘和氧化物，检查触点的磨损情况，必要时进行更换；对于直流电源，要检查其电压输出稳定性、滤波电容的性能等，定期维护可以及时发现和解决制动系统中的潜在问题，提高制动系统的可靠性。

2、应急维护预案

- 制定应急维护预案，当制动系统突然出现故障时，维护人员能够按照预案迅速采取措施，当发现制动闸片突然失效时，应急维护预案中应明确规定如何临时采用其他制动方式（如在具备条件的情况下，利用外部机械制动装置）来使电机停止转动，同时尽快修复或更换故障的制动闸片。

三相异步驱动主机没有冗余制动会带来诸多问题，但通过提高主制动系统的可靠性、增加监测和预警功能以及制定完善的维护计划等策略，可以在一定程度上降低风险，保障三相异步驱动主机的安全可靠运行。