機電傳動控制4

第四章交流電動機的工作原理及特性本章要點:

了解異步電動機的基本結構和工作原理掌握旋轉磁場產生的機理；

掌握異步電動機的機械特性;

掌握異步電動機啟動、調速、制動的方法；學會用機械特性的四個象限分析電動機運行狀態(tài)；掌握單相異步電動機的啟動方法和工作原理；了解同步電動機的結構、工作原理、運行特性;

掌握各種異步和同步電動機的使用場所。第四章交流電動機的工作原理及特性第一節(jié)三相異步電動機的結構和工作原理交流電機異步電機、異步電動機同步電機三相異步電動機同步發(fā)電機同步電動機單相異步電動機分類:一、基本結構

轉子第一節(jié)三相異步電動機的結構和工作原理定子定子鐵心定子繞組機座轉子鐵心轉子繞組轉軸一、基本結構

轉子第一節(jié)三相異步電動機的結構和工作原理定子定子鐵心定子繞組機座轉子鐵心轉子繞組轉軸

三相繞組接入三相交流電源，三相繞組中的電流在定子鐵心中產生旋轉磁場。一、基本結構

轉子第一節(jié)三相異步電動機的結構和工作原理定子定子鐵心定子繞組機座轉子鐵心轉子繞組轉軸鼠籠式線繞式線繞式和鼠籠式的轉子構造雖然不同，但工作原理是一致的。轉子的作用是產生轉子電流，即產生電磁轉矩。鼠籠式異步電動機轉子繞組是在轉子鐵心槽里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環(huán)上而組成。線繞式異步電動機轉子繞組是由線圈繞組放入轉子鐵心槽內，并分為三相對稱繞組，與定子產生的磁極數相同。通過軸上的滑環(huán)和電刷在轉子回路中接入外加電阻，用以改善啟動性能與調節(jié)轉速。第一節(jié)三相異步電動機的結構和工作原理一、基本結構

TCNS轉差率

所以這種電動機稱為異步電動機，也叫感應電動機。

定子線圈通三相交流電→產生旋轉磁場→相當于轉子切割磁力線運動→在轉子回路中產生感應電流(右手定則)→帶電導體在旋轉磁場中受到電磁力(左手定則)→產生電磁轉矩→使轉子轉動(方向與旋轉磁場同向)→電動機轉動.二、工作原理第一節(jié)三相異步電動機的結構和工作原理轉子與定子磁場的轉速不同n電流正方向為：從各相繞組的首端流到末端為正。

A——XB——YC——Z第一節(jié)相異步電動機的結構和工作原理三、旋轉磁場的形成1、過程分析A

XBYCZ++A

XBYCZ++A

XBYCZ++A

XBYCZ++abcdSNSNSNSN三、旋轉磁場的形成2.旋轉磁場的旋轉方向ACBACB三、旋轉磁場的形成結論：旋轉磁場的方向與三相電流的相序一致。任意兩根導線對調就可以改變磁場旋轉方向3.旋轉磁場的極數與旋轉速度上述分析可以得出：電流經過一個周期變化（變化360電角度），旋轉磁場在空間上也轉過一轉（轉了360機械角度），若電流頻率為f，旋轉磁場每分鐘旋轉60f轉，即n0=60f（一對極）。若將定子做如下改變：三、旋轉磁場的形成結論：因此若有p對磁極，則磁場的轉速為：

n0=60f/p過程分析：繞組在空間對稱分布，相隔60度。電流變化1次，磁場在空間轉過1/2轉。此時，磁極對數p=2。3.旋轉磁場的極數與旋轉速度一、定子繞組的連接方式

當電動機接入電源的線電壓等于電動機的額定相電壓時，應接成三角形；若是相電壓的倍，應接成星形。如：銘牌標有和380/220時，電源線電壓為380V時接成星形，為220V時接成三角形。第二節(jié)三相異步電動機的額定參數

例電源線電壓為380V，現有兩臺電動機，其銘牌數據如下，試選擇定子繞組的連接方式。1.J32-4，功率1.0kW，連接方法/Y，電壓220/380V，電流4.25/2.45A，轉速1420r/min，功率因數0.79。2.J02-21-4，功率1.1kW，連接方法，電壓380V，電流6.27A，轉速1410r/min，功率因數0.79。

解：J32-4電動機應接星形（Y），如圖(a)所示。

J02-21-4電動機應接成三角形（），如圖(b)所示。第二節(jié)三相異步電動機的額定參數1．線電壓與相電壓線電壓：兩相繞組首端之間的電壓，用U1表示；相電壓：每相繞組首、尾之間的電壓，用U相表示。對于星形接法：對于三角形接法：2．線電流與相電流線電流：電網的供電電流，用I1表示；相電流：每相繞組的電流，用I相表示。

星形接法：三角形接法：3.電動機的輸入功率一、定子繞組的連接方式第二節(jié)三相異步電動機的額定參數1)型號，如Y90S-4、Y112M-4；2)額定功率PN：在額定情況下，電動機軸上輸出的機械功率;3)額定電壓UN：在額定情況下，定子繞組應加的線電壓值;4)額定頻率f：在額定情況下，定子外加電壓的頻率;5)額定電流IN：在額定情況下，定子的線電流值;6)額定轉速nN：在額定情況下,電動機的轉速;7)溫升(或絕緣等級)。二、三相異步電動機的額定值第二節(jié)三相異步電動機的額定參數根據以上數據求出其他額定值：1)額定功率因數cosφN

：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時，定子相電流與相電壓之間相位差的余弦cosφN

。P=3UPIP

cosφN.2)額定效率：在額定頻率、額定電壓和電動機軸上輸出額定功率時．電動機輸出機械功率與輸入電功率之比，其表達式為：3)額定負載轉矩TN：電動機在額定轉速下輸出額定功率時,電機軸上的負載轉矩。第二節(jié)三相異步電動機的額定參數三、三相異步電動機的能流圖第二節(jié)三相異步電動機的額定參數第三節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性1、定子電路一、三相異步電動機的定子與轉子電路第三節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性二、轉子電路第三節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性第三節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性第三節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性

可見,三相異步電動機的轉子電路的各個物理量如:轉子感應電勢E2、I2、X20、cos2等都與轉差率S有關，也即與轉速n有關。第三節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性三相異步電動機的轉矩與機械特性一、三相異步電動機的轉矩直流電動機：E2I2E2φ2討論：1）當cosφ2=1，純電阻性負載，

I2與E2同向；2）當cosφ2<1，可以認為此時線圈中的電流是I2′=I2cosφ2

；3）當cosφ2=0，純感性負載好，T=0。交流電動機：二、機械特性表達式1）物理表達式：2）參數表達式：三相異步電動機的轉矩與機械特性二、機械特性表達式2）參數表達式：討論：①當S＝0，n=（1-S）n0=

n0，為理想空載轉速；②當S較小時，忽略電抗，則T與S近似線性關系；③當S較大時，隨著轉速的下降，轉矩也變小。④

最大轉矩Tmax=KU12/2X20；臨界轉差率sm=R2/X20。三相異步電動機的轉矩與機械特性3）實用表達式：三相異步電動機的轉矩與機械特性二、機械特性表達式三、固有機械特性

異步電動機在UN和fN下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉子電路中不串聯任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有(自然)機械特性。四個特殊點：理想空載工作點：

T＝0，n＝n0，S＝0；三相異步電動機的轉矩與機械特性2)

額定工作點：空載工作點額定工作點三、固有機械特性

異步電動機在UN和fN下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉子電路中不串聯任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有(自然)機械特性。四個特殊點：3)臨界工作點：T＝Tmax，n＝nm，(S＝Sm)，最大轉矩Tmax=KU12/2X20；臨界轉差率sm=R2/X20。臨界工作點第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性三、固有機械特性

異步電動機在UN和fN下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉子電路中不串聯任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有(自然)機械特性。四個特殊點：第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性4)啟動工作點：n＝0，(S＝1)，T＝TST；啟動工作點三、固有機械特性第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性四、人為機械特性

由上式知，改變定子電壓U1、定子電路串入電阻或電抗、轉子電路串入電阻或電抗、定子電源頻率f1

等，都可得到異步電動機的人為機械特性。第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性1、降低電源電壓時的人為機械特性

隨電壓的減小而變小，不變；特點:n0=60f/p不變；

隨電壓的減小而變小。第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性2、定子電路接入電阻或電抗時的人為特性特點:n0=60f/p

不變；

不變；變??；

減小。第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性n0=60f/p當f變小，n0

變?。?、改變定子電源頻率時的人為特性

變大。

變大，變大；一般變頻調速采用恒轉矩調速，Tmax保持恒值，改變f時，U也作相應的變化，使U／f=常數，使氣隙磁通不變;特點:第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性4、轉子電路串電阻時的人為特性此時的人為特性是一條比固有特性較軟的一條曲線。特點:n0=60f/p不變；

不變，變大；

變大。第五節(jié)三相異步電動機的轉矩與機械特性TST>TL，且啟動轉矩越大越好；啟動電流

IST越小越好，一般IST≥(4-7)IN；啟動平滑，以減小對機械的沖擊；啟動設備安全可靠，力求結構簡單，操作方便；啟動功耗越小越好；其中，前兩條是衡量電動機啟動性能的主要技術指標。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性一、對電動機啟動的主要要求；啟動電流大啟動轉矩小二、異步電動機的啟動特性：第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性特點：直接啟動電流大，由于功率因數低，啟動轉矩小。三、鼠籠型異步電動機的啟動方式：

(1)全壓直接啟動

(2)降壓啟動第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性1.直接啟動（全壓啟動）將電動機的定子繞組通過閘刀開關直接接入電源，在額定電壓下進行啟動。1.直接啟動（全壓啟動）特點：控制線路簡單；維修工作量小；

啟動電流大；應用場合：用于中、小容量的異步電動機啟動。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性三、鼠籠型異步電動機的啟動方式：直接啟動的條件：獨立變壓器供電時：電動機啟動頻繁，電機功率小于變壓器容量20％，電動機不經常啟動，電機功率小于變壓器30％。沒有獨立的變壓器供電(即與照明共用電源)：電動機啟動比較頻繁，滿足下列關系則可直接啟動。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性1.直接啟動（全壓啟動）2.降壓啟動

啟動時先降低電壓，當轉速接近額定值時，再恢復到額定電壓。適用于啟動時負載轉矩不大的情況，如輕載或空載。常用的降壓啟動方式有：

定子串電阻或電抗器降壓啟動

Y—△降壓啟動 自耦變壓器降壓啟動第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性特點：

1）定子電路串電阻或電抗器降壓啟動KM2FU1RKM1FRM3UU1第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性①

啟動轉矩小，適用于輕載或空載場合。②電阻器上的消耗能量大，不適應頻繁啟動場合，而電抗器成本太高。2.降壓啟動

啟動時，定子繞組連成

Y

形，轉速接近額定轉速時，將定子繞組連成△形,電動機進入正常運行。2）Y—△降壓啟動優(yōu)點：設備簡單、經濟；啟動電流小；缺點：啟動轉矩小；啟動電壓不能按實際需要調節(jié)。適用場合：空載或輕載啟動,且正常運行時,定子繞組為三角形連接的異步電動機。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性2.降壓啟動星-角啟動電流、啟動轉矩的相互關系：L1L2L3

UlZ1Z2Z3IST△L1L2L3N

Ul

UpZ1Z2Z3ISTY∵IST△=3IP△=3Ul

/

Z；

ISTY=

IPY

=（Ul

/3）/Z

∴ISTY=IST△/3，TSTY=TST△/3第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性UL－電源電壓

Z－一相繞組的阻抗3）延邊△降壓啟動特點：

與Y—△降壓啟動相比，相電壓增大，且Y形部分繞組越小，電壓越大。因此TST、IST都增加。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性2.降壓啟動4）自耦變壓器降壓啟動啟動原理：Ul/

U2=Nl/

N2=1/

K，I1/

I2=K，K<1，降壓啟動時：

IST2＝I2=U2/Z=KU1/Z=KIST1

I1=KI2=

KIST2

=K2IST1，啟動電流變小全壓啟動時：

IST1=U

l/

Z，第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性2.降壓啟動特點：相對于Y—△降壓啟動1）K是可以調節(jié)的，因此啟動電壓、啟動轉矩可通過不同的抽頭來調節(jié)，具有調整靈活的優(yōu)點。2）啟動設備體積大，價格貴、維修困難。應用場合：通常只用于啟動大型和特殊用途電動機。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性4）自耦變壓器降壓啟動2.降壓啟動四、線繞式異步電動機的啟動方法線繞式異步電動機：能在轉子電路中串電阻，具有較大啟動轉矩和較小的啟動電流，啟動特性較好。應用場合：大功率電機的啟動。實現方法：逐級切除啟動電阻法頻敏變阻器啟動第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性

鼠籠式異步電動機：啟動轉矩小，啟動電流大，不能滿足某些生產機械需要高啟動轉矩、低啟動電流的要求。采用逐級切除啟動電阻的方法，主要是為了使整個啟動過程中電動機能保持較大的加速轉矩。1.轉子回路串多級電阻啟動第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性四、線繞式異步電動機的啟動方法2.串頻敏變阻器啟動工作原理：把渦流損耗等值為電阻R，且R∝f22，另感抗X∝f2

，頻敏變阻器相當于電阻R和電抗X的并聯電路。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性

啟動時，阻抗大，啟動電流小，啟動轉矩大；當達到額定轉速，f2較小阻抗近似為0，電機正常運行。四、線繞式異步電動機的啟動方法特點：自動平滑調節(jié)啟動電流和啟動轉矩；結構簡單，運行可靠，無需經常維修；功率因數低，啟動轉矩的增大受到限制；不能用作調速電阻。應用場合：用于對調速沒有什么要求、啟動轉矩要求不大、經常正反向運轉的線繞式異步電動機的啟動，它廣泛應用于冶金、化工等傳動設備上。第六節(jié)三相異步電動機的啟動特性2.串頻敏變阻器啟動四、線繞式異步電動機的啟動方法知：在一定負載下，想得到不同的轉速n，則可以通過改變S、

f、

p

三個參數來實現。所以三相異步電動機有如下四種調速方法：調壓調速、轉子串電阻調速、串級調速、變極對數調速、變頻調速和轉子電路串電阻調速。由異步電動機的轉矩、轉速公式：第七節(jié)三相異步電動機的調速特性1、改變磁極對數調速

磁極對數p

的改變，取決于電動機定子繞組的結構和接線。通過改變定子繞組的接線，就可以改變電動機的磁極對數。第七節(jié)三相異步電動機的調速特性

特點：多速電動機雖其體積稍大、價格稍高、只能有級調速、但因結構簡單、效率高、特性好，調速時所需附加設備少，因此，廣泛用于機電聯合調速的場合，特別是中、小型機床。變極調速原理（單繞組雙速電機）NSA1A2X1X2A1X1A2X2每相繞組中兩個線圈并聯時(p=1)

NNSSA1X1A2X2每相繞組中兩個線圈串聯時(p=2)

A1X1A2X2第七節(jié)三相異步電動機的調速特性2、變頻調速

改變電源頻率需要專門的變頻裝置，控制電路復雜、成本較高，但可實現大范圍的無級調速，是交流調速的發(fā)展方向。特點：

n0=60f/p

，f降低，n0

變小，Sm

變大；U1=E1=4.44f1N1m，基頻以下

U/f=常數

，m保持恒定，Tm不變；基頻以上恒壓弱磁調速；

無級調速，D較大；需要變頻器。第七節(jié)三相異步電動機的調速特性3、調壓調速特點：

n0=60f/p

不變，Sm不變，

TST、Tmax減??；能夠實現無級調速；對于恒轉矩負載，D較小，對于通風機負載，D較大；第七節(jié)三相異步電動機的調速特性4、轉子電路串電阻調速特點：

n0，Tmax不變，Sm隨R2增加而增加；有級調速，調速范圍小，相對穩(wěn)定性差；適用于線繞式異步電動機，設備簡單，其啟動電阻可兼作調速電阻。應用場合：用在重復短期運轉的生產機械中.

例如，在起重、運輸設備.第七節(jié)三相異步電動機的調速特性第八節(jié)三相異步電動機的制動特性制動：從某一穩(wěn)定轉速開始減速到停止或是限制位能負載下降速度的一種運轉狀態(tài)。制動方式：反饋制動反接制動能耗制動n0NSn1.反饋制動因某種原因異步電動機的運行速度高于它的同步速度，異步電動機就進入發(fā)電狀態(tài)。反饋電能給電網所以，反饋制動又稱發(fā)電制動。第八節(jié)三相異步電動機的制動特性

這時電流改變了方向，電磁轉矩也隨之改變方向，即T與n的方向相反，起制動作用。情況一：負載轉矩為位能性轉矩如：起重機械下放重物時正轉反轉第八節(jié)三相異步電動機的制動特性

改變轉子電路串入的電阻，可以調節(jié)重物下降速度，為了不致因電機轉速太高而造成運行事故，轉子附加電阻的值不允許太大。1.反饋制動情況二：在變極調速或變頻調速過程中，使n0突然降低時。n0=60f/p第八節(jié)三相異步電動機的制動特性如：某生產機械采用雙速電動機傳動，由高速運行時為4極(2P＝4)，向低速8極(2P＝8)切換過程。1.反饋制動2、電源反接制動如果正常運行時異步電動機三相電源的相序突然改變，即電源反接，此時電動機出現制動狀態(tài)。第八節(jié)三相異步電動機的制動特性

由于反接制動時電流很大．對鼠籠式電動機常在定子電路中串接電阻；對線繞式電動機則在轉子電路中串接電阻，以減小電流。nn0NSTm

位能負載轉矩超過電磁轉矩的時，出現倒拉反接制動。例如啟重機下放重物，為了使下降速度不致太快，就常用這種工作狀態(tài)。3、倒拉反接制動第八節(jié)三相異步電動機的制動特性轉子電路內串入較大的附加電阻

先切斷交流電源，再在定子兩相繞組內通一直流電，產生制動力矩。4、能耗制動第八節(jié)三相異步電動機的制動特性nn0NST

先切斷交流電源，再在定子兩相繞組內通一直流電，產生制動力矩。4、能耗制動第八節(jié)三相異步電動機的制動特性優(yōu)缺點：①制動平穩(wěn),可以通過調節(jié)直流電流調節(jié)制動轉矩

If=(2-3)IN；②不會反轉；③需直流電源，當n=0時，要及時切斷直流電源，否則會燒毀電機。。

第九節(jié)單相異步電動機單相異步電動機，是一種容量從幾瓦到幾百瓦，由單相交流電源供電的旋轉電機，具有結構簡單、成本低廉、運行可靠等一系列優(yōu)點，所以廣泛用于電風扇、洗衣機、電唱機、吸塵器、醫(yī)療器械及自動控制裝置中。單相異步電動機為什么會旋轉？為什么需要啟動電容？其機械特性怎樣？AX一、工作原理:

定子繞組為單相，轉子一般為鼠籠式，當接入單相交流電源時，它在定、轉子氣隙中產生交變脈動磁場。i

第九節(jié)單相異步電動機

此磁場在空間并不旋轉，只是磁通或磁感應強度的大小隨時間作正弦變化。單相異步電動機的磁場

脈動磁場可以分解成兩個轉速相同，方向相反的旋轉磁場。一、工作原理:結論:1)單相異步電動機沒有自啟動能力；2)單相異步電動機一旦啟動，它能自行加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)，其旋轉方向不固定．完全取決于啟動時的旋轉方向。

第九節(jié)單相異步電動機n=0，T=0，故不能啟動1.電容分相式單相異步電動機啟動繞組：BY繞組工作繞組：AX繞組適當選擇參數C使BY繞組中的電流，在相位上超前AX繞組中的電流90度。通電后能產生一個旋轉磁場，使其啟動。

換向問題：改變C的串聯位置

第九節(jié)單相異步電動機二、單相異步電動機的啟動方法2.罩極式單相異步電動機

罩極部分未罩部分2

1

2滯后于1

第九節(jié)單相異步電動機掌握同步電動機的工作原理；了解同步電動機的結構；掌握同步電動機的運行特性;了解同步電動機的使用場所。第十節(jié)同步電動機的工作原理、特點及應用

本節(jié)要點T轉差率

所以稱為異步電動機。

定子線圈通三相交流電→產生旋轉磁場→相當于轉子切割磁力線運動→在轉子回路中產生感應電流(右手定則)→帶電導體在旋轉磁場中受到電磁力(左手定則)→產生電磁轉矩→使轉子轉動(方向與旋轉磁場同向)→電動機轉動.內容回顧：三相異步電動機的工作原理轉子與定子磁場的轉速不同！n第十節(jié)同步電動機的工作原理、特點及應用

NSn0一、異步電動機的同步運行

三相定子繞組通對稱三相交流電流后，產生一旋轉磁場。

第十節(jié)同步電動機的工作原理、特點及應用

若在轉子中通以直流電流后，又出現一