電機與控制第一章

1、5緒緒 論論 電機是一種機電機是一種機電能量或信電能量或信號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置，它包號轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置，它包括電動機、發(fā)電機。括電動機、發(fā)電機。 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能（旋轉(zhuǎn)運動或直線位移）械能（旋轉(zhuǎn)運動或直線位移）的裝置。的裝置。6電動機也不單純作為動力設(shè)備，很多電動機被應(yīng)電動機也不單純作為動力設(shè)備，很多電動機被應(yīng)用在電氣自動控制系統(tǒng)中，具有控制、放大、測用在電氣自動控制系統(tǒng)中，具有控制、放大、測量、調(diào)節(jié)等作用。量、調(diào)節(jié)等作用。電氣化給人類社會帶來了現(xiàn)代的物質(zhì)文明，家庭電氣化給人類社會帶來了現(xiàn)代的物質(zhì)文明，家庭電器、辦公設(shè)備等都普遍使用了各種類型的電動電器、辦公設(shè)

2、備等都普遍使用了各種類型的電動機。機。8一、電動機的類型一、電動機的類型電動機電動機交流電動機交流電動機三相電動機三相電動機異步電動機異步電動機單相電動機單相電動機同步電動機同步電動機交直流兩用電動機（串勵電動機）交直流兩用電動機（串勵電動機）直流電動機直流電動機永磁式直流電動機永磁式直流電動機電磁式直流電動機電磁式直流電動機在日用電器中，最常用的有單相異步電動機、單相串勵電動機及直流電動機。在日用電器中，最常用的有單相異步電動機、單相串勵電動機及直流電動機。二、電動機的基本原理二、電動機的基本原理轉(zhuǎn)子（電樞）轉(zhuǎn)子（電樞）定子定子電動機基本結(jié)構(gòu)電動機基本結(jié)構(gòu)這類以圓柱形定子和這類以圓柱形定子和

3、轉(zhuǎn)子的電動機，是根據(jù)轉(zhuǎn)子的電動機，是根據(jù)感應(yīng)電流的磁場與感應(yīng)電流的磁場與通電（定子）線圈通電（定子）線圈的磁場相互作用的的磁場相互作用的原理工作的，原理工作的，即稱之為即稱之為感應(yīng)電動機。感應(yīng)電動機。由此可見，電動機的基本工作原理是建立在以下基本定律和原理基礎(chǔ)上的。由此可見，電動機的基本工作原理是建立在以下基本定律和原理基礎(chǔ)上的。三、關(guān)于電動機的一些基本概念三、關(guān)于電動機的一些基本概念 電動機的額定值電動機的額定值l額定電壓額定電壓UN 單位為伏單位為伏（V）；）；l額定功率額定功率PN單位為千瓦（單位為千瓦（KW）；）；l額定電流額定電流 IN單位為安（單位為安（A）；）；l額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速

4、 nN-單位為轉(zhuǎn)單位為轉(zhuǎn)/分（分（r/min);l額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩 TN單位為牛單位為牛.米（米（N.m);轉(zhuǎn)矩與功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：NNNnPT9550 電動機的其它技術(shù)數(shù)據(jù)電動機的其它技術(shù)數(shù)據(jù) 起動電流起動電流 Ist 起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩 Tst 起動能力起動能力 Tst / TN 最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩 Tm 過載能力過載能力 Tm / TN 效率效率 %10012pp 電動機的額定工作制電動機的額定工作制p 連續(xù)額定工作制期連續(xù)額定工作制期 S1p 短時額定工作制短時額定工作制 S2 我國規(guī)定為我國規(guī)定為10、30、60、90 min 四種；四種；p 斷續(xù)額定工作制斷續(xù)額定工作制 S3 我國

5、規(guī)定一個工作周期為我國規(guī)定一個工作周期為 10min，持續(xù)運行時間，持續(xù)運行時間 為工作周期（或稱暫載率）的為工作周期（或稱暫載率）的15%、25%、40%、60%四種。四種。p 絕緣材料耐熱等級絕緣材料耐熱等級 B 130 0C； F155 0C； H180 0C； C180 0C以上；以上； 電動機的機械特性電動機的機械特性 在動力設(shè)備的使用當(dāng)在動力設(shè)備的使用當(dāng)中，主要關(guān)注的是電動中，主要關(guān)注的是電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)而轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系我們稱之為系我們稱之為機械機械特性。特性。第一節(jié)第一節(jié) 單相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理單相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工

6、作原理單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)單相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)件 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)件軸承軸承前后端蓋前后端蓋機殼機殼組成外殼組成外殼鑄鐵、鋁合金、鋼板鑄鐵、鋁合金、鋼板單相異步電動機的工作原理單相異步電動機的工作原理運轉(zhuǎn)原理運轉(zhuǎn)原理u 由以上分析可知異步電動機轉(zhuǎn)動的基本原理由以上分析可知異步電動機轉(zhuǎn)動的基本原理：要使感應(yīng)電要使感應(yīng)電 動機轉(zhuǎn)動起來，需要產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間存在相對動機轉(zhuǎn)動起來，需要產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間存在相對 運動，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，因載流導(dǎo)體在磁場中受到運動，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電

7、動勢和電流，因載流導(dǎo)體在磁場中受到 磁場力的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動機的轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn)磁場力的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動機的轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場一起轉(zhuǎn) 動。動。u “異步異步”的內(nèi)涵：的內(nèi)涵：從上述分析可知，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的作用下拉動轉(zhuǎn)子從上述分析可知，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的作用下拉動轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)，它們的方向是一致的，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)，它們的方向是一致的，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。u “ “轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)差”：電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速差稱之為電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速差稱之為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差。u “ “轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率”：轉(zhuǎn)差與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的比值稱之為轉(zhuǎn)差與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

8、的比值稱之為轉(zhuǎn)差率。電動機額定轉(zhuǎn)差率。電動機額定轉(zhuǎn)差率一般為轉(zhuǎn)差率一般為 2%-5%2%-5%；00nnns式中：n0 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）； n 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速； 旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)磁場該脈動磁場的特點該脈動磁場的特點：其大小和方向按正弦規(guī)律周期其大小和方向按正弦規(guī)律周期性變化，其軸線（在圖中為縱軸）卻固定不變。（性變化，其軸線（在圖中為縱軸）卻固定不變。（可用右手螺旋定則分析）NSl 在脈動磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用下，轉(zhuǎn)子繞組左、右半側(cè)所產(chǎn)生的電在脈動磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用下，轉(zhuǎn)子繞組左、右半側(cè)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大小相等而方向相反相互抵消（左手定則），不能產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩而磁轉(zhuǎn)矩大小相等而方向相反相互

9、抵消（左手定則），不能產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩而不能自行起動。不能自行起動。l 如果朝任意一個方向撥動轉(zhuǎn)子，則兩邊的電磁轉(zhuǎn)如果朝任意一個方向撥動轉(zhuǎn)子，則兩邊的電磁轉(zhuǎn)矩有了差異，即產(chǎn)生該方向的合成轉(zhuǎn)矩，矩有了差異，即產(chǎn)生該方向的合成轉(zhuǎn)矩，可帶動機械負載旋轉(zhuǎn)。可帶動機械負載旋轉(zhuǎn)。 單相異步電動機中旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程見下圖所示單相異步電動機中旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生過程見下圖所示 （右手螺旋定則判別磁通方向） 同步轉(zhuǎn)速n0 :pfn60031 以上分析可知：兩相定子繞組通入兩相交流電流，就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。以上分析可知：兩相定子繞組通入兩相交流電流，就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。 當(dāng)兩相定子繞組匝數(shù)及分布相同、通過的電流大小相等時，產(chǎn)

10、生的是圓形當(dāng)兩相定子繞組匝數(shù)及分布相同、通過的電流大小相等時，產(chǎn)生的是圓形 旋轉(zhuǎn)磁場，而此時轉(zhuǎn)子可獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場，而此時轉(zhuǎn)子可獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩。 一般情況下，兩相交流電流并不嚴格對稱，所產(chǎn)生的是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一般情況下，兩相交流電流并不嚴格對稱，所產(chǎn)生的是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 因此，單相異步電動機在效率、功率因數(shù)、運行的平穩(wěn)性和過載能力等均比因此，單相異步電動機在效率、功率因數(shù)、運行的平穩(wěn)性和過載能力等均比 三相電動機差一些。三相電動機差一些。 在實際使用中，有條件時應(yīng)首選性能更好的三相異步電動機。在實際使用中，有條件時應(yīng)首選性能更好的三相異步電動機。 各種不同的單相異步電動機的

11、分類，主要是采用不同的方法使單相交流電各種不同的單相異步電動機的分類，主要是采用不同的方法使單相交流電 在電動機中形成兩相交流電流。在電動機中形成兩相交流電流。32第二節(jié)第二節(jié) 單相異步電動機的分類單相異步電動機的分類單相異步電動機單相異步電動機分相式電動機分相式電動機罩極式電動機罩極式電動機電阻起動式電動機電阻起動式電動機電容起動式電動機電容起動式電動機電容運轉(zhuǎn)式電動機電容運轉(zhuǎn)式電動機電容起動運轉(zhuǎn)式電動機電容起動運轉(zhuǎn)式電動機33 電阻起動式電動機電阻起動式電動機 靜止部分靜止部分電動機電動機電機軸電機軸n 起動繼電器起動繼電器欠電流繼電器欠電流繼電器其線圈與電機起動繞組串聯(lián)，隨其線圈與電機起

12、動繞組串聯(lián)，隨nII 觸點觸點動作動作切斷起動繞組。切斷起動繞組。過電壓繼電器過電壓繼電器其線圈與電機起動繞組并聯(lián)，隨其線圈與電機起動繞組并聯(lián)，隨nEE繼電器動繼電器動作作切斷起動繞組。切斷起動繞組。差動式繼電器差動式繼電器電壓和電流線圈各一個，利用以上欠流和過壓的原電壓和電流線圈各一個，利用以上欠流和過壓的原理共同驅(qū)動觸點的動作。理共同驅(qū)動觸點的動作。n PTC起動器起動器是一個正溫度系數(shù)的熱敏電是一個正溫度系數(shù)的熱敏電阻；阻；應(yīng)用中將它串聯(lián)在起動繞組應(yīng)用中將它串聯(lián)在起動繞組中；中；正常運行時，它仍通過較小正常運行時，它仍通過較小的電流，保持高阻狀態(tài)；的電流，保持高阻狀態(tài)；停機后，約定停機后

13、，約定3minPTC的的溫度和電阻才能降下來，可溫度和電阻才能降下來，可重新起動；重新起動；n 動合按鈕開關(guān)動合按鈕開關(guān) 一種簡單的起動開關(guān)，它與起動繞組串聯(lián)，起動時一種簡單的起動開關(guān)，它與起動繞組串聯(lián)，起動時按鈕按鈕起動繞組通電，起動后起動繞組通電，起動后松開按鈕松開按鈕起動繞組即斷開。起動繞組即斷開。+第三節(jié)第三節(jié) 單相異步電動機的反轉(zhuǎn)和調(diào)速單相異步電動機的反轉(zhuǎn)和調(diào)速單相異步電動機的反轉(zhuǎn)單相異步電動機的反轉(zhuǎn) 其轉(zhuǎn)向與定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場方向是一致的，改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向即可改變其轉(zhuǎn)向。分相式電動機的反轉(zhuǎn)分相式電動機的反轉(zhuǎn) 改變起動繞組或工作繞組的電流方向即可改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向； 兩個繞組基本相

14、同的電容運轉(zhuǎn)式電動機，可用右圖交替更換主、副繞組實現(xiàn) 正、反轉(zhuǎn)控制； 兩個繞組不同的電阻式電動機不能采用該方法來控制正、反轉(zhuǎn)； 電阻式電動機一般使用在不需要反轉(zhuǎn)和調(diào)速的場合； 采用離心開關(guān)控制起動繞組的電動機一般也不能反轉(zhuǎn)。外電路降壓法外電路降壓法降低加到電動機上的電壓，如外接自耦變壓器、降低加到電動機上的電壓，如外接自耦變壓器、串聯(lián)電抗、電阻、電容器等；串聯(lián)電抗、電阻、電容器等；繞組抽頭法繞組抽頭法加在電機上的電壓不變，而是改變定子繞組的匝加在電機上的電壓不變，而是改變定子繞組的匝數(shù)來調(diào)速；數(shù)來調(diào)速； 外電路降壓調(diào)速外電路降壓調(diào)速 串聯(lián)電抗器法串聯(lián)電抗器法 采用采用PTC零件調(diào)速零件調(diào)速l

15、微風(fēng)：指電析扇轉(zhuǎn)速在微風(fēng)：指電析扇轉(zhuǎn)速在 500 r/ min 以下送出的風(fēng)。以下送出的風(fēng)。 晶閘管調(diào)壓調(diào)速晶閘管調(diào)壓調(diào)速 即通過改變晶閘管的導(dǎo)通角即通過改變晶閘管的導(dǎo)通角 改變電動機的電壓波形改變電動機的電壓波形 改變電壓有效值改變電壓有效值 實現(xiàn)調(diào)速的目的。實現(xiàn)調(diào)速的目的。注注：采用電子器件調(diào)速，電壓為非正弦波，電機運行噪聲大，且有射頻干擾。：采用電子器件調(diào)速，電壓為非正弦波，電機運行噪聲大，且有射頻干擾。圖121 吊扇晶閘管調(diào)壓調(diào)速電路 繞組抽頭法調(diào)速繞組抽頭法調(diào)速 L 型繞組的抽頭調(diào)速圖圖122 L 型繞組抽頭調(diào)速電路型繞組抽頭調(diào)速電路L 型繞組接線方式有以下三種：圖圖122 L 型繞組抽頭調(diào)速電路型繞組抽頭調(diào)速電路 繞組抽頭法調(diào)速繞組抽頭法調(diào)速 L 型繞組的抽頭調(diào)速L 型繞組接線方