《机电传动控制》（第五版）教案

1、机电传动控制（第五版）教案第1章 绪论1.1 机电系统的组成机械运动部件机电传动电气控制系统。 1.机械运动部件完成生产任务的基础，机械执行部分； 2.机电传动电力传动或电力拖动，是驱动生产机械运动部件的原动机的总称； 3.电气控制系统控制电动机的系统。1.2 机电传动的目的和任务 1.机电传动的目的将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、以及速度调节，满足各种生产工艺的要求，保证生产过程的正常进行 2.机电传动的任务广义上讲使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化。狭义上讲专指控制电动机驱动生产机械，实现产品数量的增加、质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能源

2、的合理利用。1.3 机电传动控制的发展概况一、驱动系统的发展阶段：1.成组拖动一台电动机拖动一根天轴通过带轮和传动带分别拖动各（一组）生产机械。 生产效率低、劳动条件差，一旦电动机或传动环节发生故障则造成成组生产机械停车。 2.单电动机一台电动机拖动一台生产机械，较成组拖动进了一步。但当生产机械的运动部件较多时，其机械传动机构则十分复杂。 3.多电动机拖动一台生产机械的每一个运动部件都有专门的电动机拖动。不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为自动化提供了有利条件，是现代化机电传动的典型方式。二、控制系统的发展阶段： 1.接触器继电器控制出现在20世纪初，应用广泛、成本低；但控制速度

3、慢、精度差。2.电动机放大机控制（30年代）、磁放大机控制（4050年代）从断续控制发展到连续控制，并具有了输出反馈环节，简化了控制系统、减少了电路触点、提高了可靠性。3.大功率可控电力半导体器件控制具有效率高、反应快、寿命长、可靠性高、维修容易、体积小、重量轻等优点。由此，开辟了机电传动控制的新纪元。4.采样控制数控技术微机应用的高水平断续控制，由于采样周期控制对象的变化周期，连续控制。它集电力电子技术、微电子技术、计算机技术为一体，赋予了机电传动控制新的内容。20世纪70年代初计算机数字控制（CNC）应用于数控机床和加工中心，提高了机床的自动化程度、通用性、加工效率。20世纪80年代以来工

4、业机器人诞生，为机加工全面自动化创造了物质基础。柔性制造系统（FMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）使产品设计、制造、装配、试验和质量管理全过程实现自动化。5.为实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成制造系统（CIMS）是人们当今的任务。1.4 课程的性质和任务一、课程的性质 1.机电一体化产品质量和技术水平是当今世界衡量一个国家实力和国际地位的重要标志。2.实现产品的高质量和技术的高水平，其关键是机电一体化技术人才的培养。3.“机电传动控制”课程的创建，建立了一个融合机电一体化、强弱电控制技术崭新的课程体系。二、课程的任务 1.培养具有创新精神和实践能力的

5、“机电复合型”人才。2.要求学生学习并掌握机械、电、液、气、计算机等综合控制系统的技术，包括强电、弱电控制系统。1.5课程的内容安排及教学方法一、课程的内容 1.第1章绪论；2.第2章机电传动系统的动力学基础；3.第3、4章 直流电动机、交流电动机的工作原理及特性；4.第5章各类常用控制电动机的结构特点、工作原理、性能和应用；5.第6章继电器-接触器控制中常用的控制电器和基本控制线路；6.第7章可编程控制器（PLC）原理及应用技术；7.第8章电力电子器件、各种变流电路及及其控制；8.第9、10、11章各类交、直流调速系统和步进电动机控制系统的组成、各种原理及性能。二、本课程的课时 1.教材是按

6、72课时编写的。2.我们按60课时讲授（极个别内容稍作删节）。 三、教学方法 1.复杂公式的理论推导省略，但结论和公式的具体应用讲解清楚；2.各种电器及设备的结构组成、工作原理讲解清楚，应用与实践的结合举例、引导到位；3.“学”、 “问”结合光“学”不问不能开拓视野；光“问”不学，不是好学生；4.教师把主要内容板书清晰，采用简单符号以利记录(忆)，希望学生认真记好笔记。第2章 机电传动的动力学基础2.1 机电传动系统的运动方程式 1.单轴传动系统图见P5/T2.1(a)。 2.单轴传动系统的运动方程式：理论方程式： （P5/S2.1） 实用方程式： （P6/S2.5） 式中：、分别为电动机产生

7、的转矩、负载转矩，单位皆为；、转动惯量()、角速度()、时间()；飞轮惯量()，、转动部分的重量()和惯性直径()；电动机的转速，。 3.驱动转矩、负载转矩转速的正方向约定及性质判定以电动机的转速方向为参照量、且为正方向；电动机转矩与转速一致的方向为正方向，负载转矩与转速相反的方向为正方向；电动机转矩与转速方向一致（同或）为拖动转矩，否则为制动转矩；若负载转矩与转速方向相反为制动转矩，否则为拖动转矩。2.3 机电传动系统的负载特性同一转轴上负载转矩和转速之间的函数关系特别说明。除特别说明外，均指电动机轴上的负载转矩和转速之间的函数关系：。 一、恒转矩型负载特性 (常数，下同) 0.特 点：负载

8、转矩为常数。1.反抗性恒转矩负载 产生原因：摩擦、非弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用产生的负载转矩，又称“摩擦转矩”。方 向：转矩方向恒与运动方向相反，总是阻碍运动的发展。特性曲线：位于坐标系的第一、三象限， 见P11/T2.4(a)。2.位能型恒转矩负载 产生原因：由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用产生的负载转矩。方 向：转矩作用方向恒定，与运动方向无关，它在某方向阻碍（或促进）运动的发展。特性曲线：位于坐标系的第一、四象限，见P11/T2.4(b)。三、直线型负载特性1.特 点：负载转矩随转速的变化成正比。2.特性曲线：位于坐标系的第一象限，从坐标原点向右上方向，见P11/T2.6

9、。二、离心式通风机性负载特性1.特 点：负载转矩随转速的二次方成正比。2.特性曲线：位于坐标系的第一象限，从坐标原点向右上方向呈上凸 曲线形，见P11/T2.5。四、恒功率型负载特性1.特 点：负载转矩随转速的变化成反比。 （功率） 即恒功率特性。2.特性曲线：位于坐标系的第一象限，从左上至右下方向呈下凹曲线形，见P11/T2.7。五、非单一（组合）型负载特性1.特 点：以上几种负载特性的叠加。例如：实际通风机特性（摩擦转矩）(负载转矩)。2.特性曲线：此例（实际通风机）的特性曲线见P11/T2.5中的（虚线）段。（见上左图中虚线部分）2.4 机电传动系统稳定运行的条件一、机电传动系统稳定运行

10、的两重含义 1.系统能以一定速度匀速运转；2.系统受外部干扰作用致使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后恢复到原来的运行速度。二、保证系统匀速运转的必要条件 1.物理条件：电动机轴上的拖动转矩与折算到电动机轴上的负载转矩大小相等、方向相反、相互平衡。2.几何意义：电动机的机械特性曲线与生产机械的负载特性曲线B有交点“拖动系统的平衡点”。三、稳定工作点的判别与分析 按P12/T2.8（本教案右图）讲解。四、机电传动系统稳定工作运行的充要条件 1.必要条件电动机的输出转矩与负载转矩大小相等、方向相反。即：电动机的机械特性曲线与生产机械的负载特性曲线有交点（即拖动系统的平衡点）。 2.充分条件系统

11、受干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力。即：.当干扰使转速()时()。2.5 机电传动系统的过渡过程 （略）第3章 直流电机的工作原理及特性3.1 直流电机的基本结构和工作原理一、基本结构（见P22/T3.1）1.定子（磁极）机座主磁极换向极 主磁极主磁极铁芯(11.5硅钢片冲 压而成)励磁绕组(漆包铜线绕指)组成。产生主磁场。换向极铁芯(11.5硅钢片冲压而 成)绕组(漆包铜线绕指)组成。改善 电枢电流的换向性能。机座固定主磁极、换向极和端盖等，作为整体的支架和安装体，还是磁路的一部分。铸钢、铸铁制造或钢板压制。 2.转子（电枢）电枢铁芯电枢绕组换向器轴风扇等组成。电枢铁芯用硅钢片冲压叠成，

12、是主磁路的一部分，呈圆柱形，其上有槽，槽中放电枢绕组，轴向开有通风孔。电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩以实现能量转换的关键部件，一般由漆包铜线绕制，包上绝缘层后嵌入电枢铁芯的槽中最后用槽楔封固。换向器有若干彼此绝缘的紫铜质换向片组成，每片都和电枢绕组连接。其作用：a)对于发电机将电枢绕组内产生的交流电动势直流电动势输出；b)对于电动机将外加的直流电流交流电流输入电枢绕组，保证每一磁极下导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转矩。 P23/T3.4 3.其他构件 包括：前、后端盖、电刷装置（电刷电刷座，固定在端盖上，电刷与换向器滑动接触，以使电刷绕组与外电路保持接通）、轴承、风扇、防护罩等。 二

13、、直流电机的基本工作原理 (P23/T3.5、3.6)1.直流电机的电动势： （P24/S3.1） 1对磁极的磁通(Wb)2.直流电机的电磁转矩： （P24/S3.2） 与电机结构有关的常数3.直流电机在不同运行方式下E和T的作用： (P25/B3.1) 与电机结构有关的常数 电机运行方式E与Ia的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发 电 机电 动 机相 同相 反电源电动势阻力电动势阻力转矩驱动转矩TL=T+T0T=TL+T03.2 直流发电机一、他励发电机励磁绕组由外电源供电，励磁电流 不受电枢端电压和电枢电流的影响。1.结构示意图 见P25/T3.7（a）即左图。 2.电路原理图 见P26

14、/T3.8即下左图。 3.空载特性曲线 见P26/T3.9 即下左图。 其中E剩磁电动势额定电压的25，失磁后用电池充磁。 4.外特性曲线 见P27/T3.10即上右图。 5.从空载到满载(额定负载)的电压变化率 100一般为510，欲保持端电压不变，必须励磁电流。二、自励发电机励磁电流为电枢电流的一部分，励磁电流受电枢端电压和电枢电流的影响（但可忽略不计）。1.并励发电机结构示意图 见P25/T3.7（b）即下左图。励磁绕组与电枢绕组并联，电线较细而匝数较多电阻较大、通过的电流较小。 电路原理图 见P27/T3.11即上右图。磁场建立的条件：a)发电机的磁极要有剩磁； b)起始励磁电流产生的

15、磁场方向与剩磁方向相同；c)励磁电压要有一定的大小（即励磁调节电阻的阻值大小要适当）。 2.串励发电机 （略讲） 3.复励发电机结构示意图 见P25/T3.7（d） 励磁绕组两个1个串励绕组(与电枢绕组串联)1个并励绕组(与电枢绕组并联)电路原理图 见P28/T3.14优点：在正常运行范围内，端电压变化不大，弥补了他励发电机端电压随负载电流而的缺点。3.3 直流电动机的机械特性 一、他励（并励）电动机的机械特性1.固有（自然）机械特性额定条件下的曲线。见P23/T3.16。机械特性硬度转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值(3.14)。 绝对硬特性（）； 硬特性（10）； 软特性（10）。2

16、.人为机械特性以下特性皆由 （P23/S3.13）导出： 电枢（转子）回路中串接附加电阻时的人为机械特性 a)转速：不变，随串入的附加电阻变化：串入的附加电阻越。b)特点：特性变软，串入的附加电阻越，特性越软。c)电路和特性曲线：见P25/T3.18。 改变电枢（转子）电压U时的人为机械特性a)转速：不变，随U的变化而变化随U变化。b)特点：特性的软硬不变，受电动机耐压强度的限制，得到一族低于且平行于固有特性曲线的人为特性曲线。c)特性曲线：见P26/T3.19。改变磁通时的人为机械特性 a)转速：和都随的变化儿变化。只能向调节和都变。b)特点：特性变软，串入的附加电阻越，特性越软。c)电路和

17、特性曲线：见P26/T3.20。二、串励电动机的机械特性 （删）三、复励电动机的机械特性 （删）3.4 直流他励电动机的启动特性一、启动电流大小及限制 1.启动电流大小 由P29/S3-11可知：电动机未启动之前，而却很小。 将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流将很大。 2.启动电流过大的危害 使换向器产生火花甚至烧坏； 产生过大的电动应力和温升，引起绕组损坏；过大的启动转矩()冲击使机械传动部件损坏；过大的启动电流会使保护装置动作，切断电源。 3.对启动电流的限制 一般规定：电枢（转子）的瞬时电流（）2倍的额定电流（）。 4.限制启动电流的方法降压启动采用适当方法，在启动瞬间降低供

18、电电压，随着转速升高和反电动势的增加，逐步提高供电电压，直至达到额定电压时，转速达到额定值。在电枢(转子)回路中串接外加电阻启动此时启动电流受到外加启动电阻的限制。随着转速、反电动势E，逐级切除，直至，电动机达到要求转速。 【！】级数越多，启动过程越平稳。原则是：每一级的最大转矩(电流)电动机的允许值，而且每一级切换时的最大转矩(电流)基本相同。一般选择：。3.5他励直流电动机的调速特性O、有关概念（导入知识） 1.速度变化由于负载发生变化(或)引起的电动机转速的变化。2.速度调节在某一特定负载下，由于人为地改变电动机的机械特性，而得到的电动机的转速变化。3.从他励直流电动机的机械特性方程式（

19、P37/S3.21）可知：改变电枢回路的电阻；改变供电电压；改变主磁通，都可以得到人为的机械特性即“调速”。从而，直流电动机的调速方法也就相应的有以下三种：一、改变电枢(转子)回路的电阻的“调速”电枢回路串接电阻1.调速特性曲线见P37/T3.27。2.特性分析及优缺点串接不同的电阻得到不同的转速；机械特性较软，串入电阻越大特性越软；在空载和轻载时，调速范围不大； 不能实现无级调速； 调速电阻上消耗大量电能。 应用不广泛（仅在某些起重机、卷扬机等低速、运转时间不长的传动系统中采用）。【！】启动电阻不能当调速电阻用，否则将被烧坏。二、改变电枢(转子)供电电压的“调速”1.调速特性曲线见P38/T

20、3.28。2.特性分析及优缺点当电源电压连续变化时，转速可平滑无级调节（在额定转速以下）；调速特性曲线与固有特性曲线平行，机械特性“硬度”不变，调速的稳定度较高；调速范围大； 调速时，因电枢电流与电压U无关，且，电 动机的转矩 不变属于“恒转矩调速”。可以靠调节电枢电压而不用启动设备来启动电动机省掉了启动设备。三、改变主磁通(定子磁通)的“调速”1.调速特性曲线见P38/T3.29。2.特性分析及优缺点可以平滑无级调速但只能“弱磁调速”在额定转速以上调速；调速特性较“软”；受换向条件的限制，调速范围不大（1.2倍的额定转速）； 调速时，维持电枢电压U和电枢电流不变功率不变属于“恒功率调速”。

21、在这种情况下，电动机的转矩要随的而。 【！】基于“弱磁调速”范围，往往使其与调压调速配合使用需要电动机在在额定转速以下运行，用降压调速；在额定转速以上运行，用“弱磁调速”。3.6他励直流电动机的制动特性0、有关概念1.启动是从静止逐渐加速到某一稳定转速的一种运转状态。与制动相对的一种工作状态。2.制动是某一稳定转速减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。3.电动状态特点是电动机输出转矩的方向与转速方向相同，电动机吸收电能，把电能机械能的工作状态。4.制动状态特点是电动机输出转矩的方向与转速方向相反，电动机吸收机械能，把机械能电能的工作状态。一、反馈制动电动机的实际转速理想空载转速时，

22、处于此状态。 0.特征：电源电压(极性和大小)不变，电动机的实际转速理想空载转速；电枢E电源U,导致反向，由电动状态发电状态，将机械能电能回馈回电源；负载转矩驱动转矩；电动机输出转矩制动转矩。 1.正向回馈制动负载转矩与转速方向相同发生在电动机拖动机车下坡时：机车加速使得导致反向直至电机车的位能转矩带动电动机发电把位能(机械能)电能向电源回馈。发生在电动机电压下降(调速)时：电压()和反向电动机处于发电运行状态转速逐渐至时，制动结束至使转速进一步又变为值在新的平衡状态和新的转速下运行。2.反向回馈制动发生在卷扬(起重)机下放重物倒拉反转时 下放重物电压反接变负值在共同作用下重物加速E、T至和不

23、停止继续加速至时，T为正且与反向、，处于新的平衡运行状态。二、反接制动电枢电压U和电枢电动势E在外部条件下由反向变为同向时，电动机处于此状态。0.特征：电枢电压U和电枢电动势E在外部条件下任一个电动机改变，由反向同向。 1.电源反接制动改变电枢电压U的方向所产生的反接制动 注意事项处于此状态时，E与U串联相加施予电枢 为限制，必须串接足够大的。应用场合要求迅速减速、停车、反向及经常正反转的生产机械上。2.倒拉反接制动改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动 下放重物转子回路串入附加电阻特性曲线改变减速至停止上升此时仍有下降E反向E与U同向，共同作为制动力矩直至，下降转速不再。三、能耗制动消耗转子

24、的机械能，使其尽快停车的制动方法，前提都是先切断电源。 1.转子回路串能耗(附加)电阻转子的反电动势E消耗在附加电阻上，转子被制动停止。2.定子回路外加电源转子切割定子磁场的磁力线，消耗其机械能被制动停止。【注】现代机电传动中，直流电动机已很少应用，对以上知识只一般了解即可。以上所讲种种制动方式，理论上无懈可击，但只依靠电动机自身的制动在机械设备上是既不实用也不可靠的。在实际的机械设备上，减速、下放重物、停车都是切断电源并依靠机械、电磁或电液刹车装置实现。第4章 交流电机的工作原理及特性4.1 三相异步电动机的基本结构和工作原理一、基本结构（见下图或P50/T4.1）1.定子铁芯绕组机座组成。

25、 定子铁芯磁路的一部分，由0.5mm硅钢片叠压成一个整体，固定于机座内，片与片是绝缘的以涡流损失，沿内圆冲有定子槽，槽中嵌放定子线圈绕组。定子绕组三相电动机的定子绕组分三部分对称地分布在定子铁芯上，谓之“三相绕组”，分别用AX、BY、CZ表示，A、B、C为首端，X、Y、Z为尾端。绕组中通入三相交流电源，绕组中的电流在定子铁芯中产生“旋转磁场”。机座固定定子铁芯和支承转子等所有零、部件，一般为铸铁制作。2.转子铁芯绕组转轴组成 转子铁芯也是磁路的一部分，也是由0.5mm硅钢片叠压成一个整体，套装在转轴上，片与片是绝缘的以涡流损失，沿外圆冲有转子槽，槽中嵌放定子线圈绕组（绕线式）或铸铝（鼠笼式）。

26、转子绕组a)绕线式转子转子绕组由线圈组成，“三相绕组”，对称放入转子铁芯槽中。绕组通过轴上的滑环和端盖上的电刷接入外加电阻，用于改善启动性能。b)“鼠笼”转子在转子槽中铸铝，形成“鼠笼”，替代绕组，电动机本身不能串接附加电阻，调速或改善启动性能。转轴优质碳素钢整体制造、阶梯式结构，中间段外(热)套转子铁芯，近两端部套装轴承，输出端带键槽，以便和皮带轮或联轴器联接。二、旋转磁场 1.定子旋转磁场当定子中三相电流随时间变化而不断变化时，合成磁场的方向在空间也不断旋转，这样就产生了旋转磁场。2.旋转磁场的方向旋转磁场的方向与定子中三相电流的方向一致。3.旋转磁场的极数(磁极对数)与旋转速度(同步转速

27、) （P54/S4.4）常用：对应于、1、2、3、4，3000、1500、1000、750。二、三相异步电动机的工作原理 1.工作原理定子产生旋转磁场磁力线切割转子绕组转子绕组中产生感应电流转子电流与旋转磁场相互作用在转子上形成电磁转矩(且方向与旋转磁场相同) 转子旋转轴上有转矩输出。2.转速差转子和旋转磁场的转速差，是保证转子旋转的主要因素。3.转差率()转速差与同步转速的比值。 （P55/S4.5） 通常，在额定负载时，很小0.0150.060。举例如下：S0.0150.063000150010007504518022.590156011.2545的范围295528001477.51410

28、985940738.75705一般称为280014009507004.2异步电动机的额定参数一、定子绕组的联接方式视电源的线电压而定。 1.星 形（Y）接法三组线圈的首端接电源，尾端连在一起；适用于电源线电压380V。 2.三角形(）接法三组线圈的首、尾端依次联接后再接电源，适用于电源线电压220V。二、额定参数额定参数，明确标注在铭牌上： 1.型号2.额定功率在额定运行工况下，电动机轴上可输出的机械功率，。3.额定电压在额定运行工况下，定子绕组所加的电压，。规定。4.额定频率在额定运行工况下，定子绕组所加的电压的频率，。在我国。 5.额定电流在、运行时，定子绕组的线电流值，。6.额定转速在、

29、运行时，电动机的转速，。7.工作方式（定额）一般铭牌上标注“连续”，即可以连续运行。8.温升（或绝缘等级）按标准环境温度40°计算时，电动机最高允许的温度升高值。此值取决于所采用的绝缘材料 铭牌上习惯上都标注绝缘等级。见下表(摘自王进野、张继良主编本P324)：绝缘材料等级所用绝缘材料最高允许温升/最高允许温度/A经过绝缘浸渍处理的棉纱、丝、纸及普通漆包线。65105B树脂粘合或浸渍、涂覆的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材料，相容性有机材料。80120E合成有机薄膜、合成有机磁漆、高强度漆包线90130F合适的有机硅树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材

30、料，相容性有机材料。115155H经相容性有机硅树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等材料。1401809.电动机质量 。10.额定功率因数在额定工况运行时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦值。此值取决于电源，既然我国的电源规定 电动机直接在铭牌上标注：。还有，一般不在铭牌上标注的几个额定值如下:1.额定效率在额定工况运行时，电动机的输出机械功率与输入电功率之比。 1002.额定负载转矩在额定工况运行时，电动机的轴上的负载转矩，。3.绕线式异步电动机转子静止时的滑环电压转子的额定电流。三、三相异步电动机的能流图（能量损耗示意图） 输入电功率【定子绕组的铜耗定子铁芯的铁耗】【转子绕组的

31、铜耗转子铁芯的铁耗(极小，忽略不计)】【减去以上电磁功率损耗，剩下的转化为电动机的机械输出功率】4.3三相异步电动机的转矩与机械特性一、定子电路和转子电路 （定子、转子的相互作用变压器的原边与副线圈，此内容略讲）。1.定子电路分析 （略）2.转子电路分析 （略）二、三相异步电动机的转矩是由定子旋转磁场与转子电流相互作用产生的，还与转子电路的功率因数有关。 (P62/S4.25)式中：与电动机结构和电源频率有关的一个常数，； 电源电压；转子每相绕组的电阻； 电动机不转时(n=0)，转子每相绕组的感抗。三、三相异步电动机的机械特性n=f(T)1.固有机械特性电动机用规定接线方式、定、转子回路不附加

32、任何电阻或电抗时的机械特性，又称“自然机械特性”。 （见P63/T4.23） 空载工作点、。 额定工作点、。此时， ， 式中：电动机的额定转速，一般； 电动机的额定转差率，一般。 启动工作点、。此时， （P63/S4.28） 【显然】：和时，明显，这是我们所不需要的。为此把作为电动机启动能力的一个衡量参数，一般1.01.2。临界工作点、，不稳定工作点。 2.人为机械特性人为的改变电动机的某些参数而获得的 机械特性。电源电压时的人为机械特性 （见P64/T4.24） a)电压的变化空载转速和临界转差率无影响，但，大大。 b)在负载转矩不变下，电网导致、 电动机发热甚至烧坏。定子电路串电阻或电抗时

33、的人为机械特性(见P65/T4.25 或下左图） a)机械特性电源电压时的人为机械特性。 b)只是最大转矩降低电源电压的最大转矩。 改变定子电源频率f时的人为机械特性 （见P66/T4.26或上右图） 改变对三相异步电动机的影响比较复杂，仅就而言：临界、 、而基本保持不变。转子回路串接电阻时的人为机械特性（见P66/T4.27） 改变转子回路的电阻，对三相异步电动机的、没有影响，但随着串入电阻的，机械特性比固有(自然）特性疲软。4.4三相异步电动机的启动特性O、生产机械对电动机启动性能的要求及启动控制的必要性 1.生产机械对电动机启动性能的要求有足够大的启动转矩(负载转矩)，以保证生产机械正常

34、启动；在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好；启动过程(加速)平滑，以减少对生产机械的冲击；启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便；启动过程中功率损耗越小越好。2.直接启动的危害及启动控制的必要性 启动电流很大(47)； 启动瞬间转子静止旋转磁场以最快的速度切割转子转子的感应电动势和感应电流很大从而引起很大的定子电流。启动转矩却很小(0.81.5)。 启动电流、转差率=1、很 很。一、笼型异步电动机的启动方法 1.直接启动(全压启动)将电动机的定子绕组通过开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。 直接启动(见P67/T4.29)取决于电动机的功率与变压器供电容量之比： a)有独

35、立变压器供电：20时，允许频繁直接启动；30时，允许不经常直接启动。 b)无独立变压器供电，满足下式关系才可直接启动： (P67/S4.33) c)直接启动的经验数据表 见P68/B4.12.电阻或电抗器降压启动 电路原理图 见P68/T4.30此法优缺点 a)启动转矩随定子电压的二次方，只适用于空载 或轻载启动的场合。b)电阻上消耗大量能量,不宜由于经常启动场合;若用电抗器,则设备体积、价格。3.Y降压启动电 路 图 见P68/T4.31或下左图。 工作原理 。优 缺 点 a)优点是：设备简单、经济、启动电流；b)缺点是：启动转矩，只能用于空载或轻载启动正常工作时定子绕组接成运行的电动机（G

36、B规定：P4kW、V380V的电动机工作时定子绕组为接法）。 4.自耦变压器降压启动 电 路 图 见P69/T4.32或上右图。工作原理 自偶（的三个绕组接成Y形、原边接电源、副边接电动机）一个可调电压的电源，使得电动机的启动电压(流)全压启动时的K倍(K1)降压启动的情形。优 缺 点 a)优点：启动的，而该法的是可调的， 该法优于降压启动。b)缺点：的重量、体积、价格、维修；且工作于过电流状态，不适于启动频繁的场合，在启动不太频繁、要求启动转矩、容量的异步电动机上应用较广泛。通用启动补偿器（固定抽头式自偶变压器转换开关保护继电器）。 5.软启动器带电流闭环的限制启动电流并保持恒值的启动器。电

37、路结构 主电路采用晶闸管交流调压器。工作原理 用交流调压器连续改变其输出电压来保证恒流启动，视启动时所带负载的小，使之间连续可调，以获得最佳启动效果。缺 点 无论如何都都不宜满载启动。二、绕线式异步电动机的启动方法 1.逐级切除启动电阻法电路原理 见P72/T4.34(a)或下图。机械特性 见P72/T4.34(b) 启动时接入全部电阻(此时转矩最大) 随着启动加速不断切除电阻保持直到转子附加电阻全部切除电动机稳定在固有机械特性的额定工作点上启动结束。操作方法：手动操作“启动变阻器”或“鼓形控制器”、用继电器自动切换电阻。 2.频敏变阻器启动法电路结构 主电路采用晶闸管交流调压器。工作原理 用

38、交流调压器连续改变其输出电压来保证恒流启动，视启动时所带负载的大小，使之间连续可调，以获得最佳启动效果。优 点 具有自动平滑调节启动电流和启动转矩的良好启动性能，且结构、运行可靠、无需经常维修。缺 点 0.30.8，因而 受限制，且不能用作调速（电阻）。 适用于： 对调速没有要求、要求、经常正反向运转的电动机（冶金、化工的传动设备上）。4.5三相异步电动机的调速方法与特性0、交流调速的分类见P74页首表或下表。 由 (P53/S4.4)、(P55/S4.5)可导出: (P73/S4.34)。显然，在一定负载稳定运行条件( )下，欲得到不同的，其调速方法有：改变、三种方法。一、变极对数（）调速1

39、.原理关键(实质)使每相定子绕组中一半绕组内的电流方向改变改变电阻绕组的接线方式来实现。这样就可以得到双速、三速、四速等电动机统称为“多速电动机”。2.联接：不变，、“恒转矩调速”。3.联接：不变，、“恒功率调速”。二、变转差率（）调速1.调压调速 异步电动机的调压特性改变定子电源电压时，可见变化，而和不变。优缺点可无级调速；但、调速范围、运行、特性软（要其机械特性的硬度，就要采用速度闭环控制系统，电路复杂、成本）。【！】以上原因(主要是调速范围) 对于恒转矩工作点a、b、c无使用价值。 但拖动离心式通风机负载，又会随着转子引起过热损坏电动机。为此，出现了高转差率电动机，其转子电阻，可使转子，

40、但随着仍有和调速范围的缺点。异步电动机调压调速时的损耗及容量限制 a)转差功率，越S越，将通过使转子发热而消耗掉。不适于低速、长时间工作的机械。b)定子调速调压特别适合于流体机械(风机与泵)，越输入功率。2.转子电路串电阻调速 优 点调速简单、可靠。 缺 点有级调速，随着特性；低速时损耗。适用于重复、短时运转的生产机械中（绞车、起重机）。三、变频（）调速 （此处删讲，合并到第10章中详讲）。4.6三相异步电动机的能耗制动一、为何采用能耗制动1.反接制动不易准确停车，且易造成反转。2.反馈制动比较经济，但只能在工况下使用。3.能耗制动易于实现、能够正确停车、比较常用的制动方法。二、电气原理图、机

41、械特性图 1.电气原理图见课本P83/T4.45a)或右上图。2.机械特性图见课本P83/T4.45b)或右下图。【！】电动机停车后应立即切断直流电源，否则会烧毁定子绕组；应串入可变电阻器调节制动力矩大小；应加上时间继电器控制制动时间的长短；【补充】有关制动元件的参数选择(摘自张运波主编工厂电气控制技术)： 制动电流: 额定电流，铭牌上有标识；变压器副边电压: 电动机两相绕组间的冷态电阻，实测。变压器原边电压: 变压器容量,考虑到变压器只是短时工作，实际容量取。二极管：每只管子流过的电流；反向耐压；再考虑(1.52)倍的安全裕量即可。4.7单相异步电动机O、概述 1.定义一种容量从几W到几百k

42、W、由单相交流电源供电的小型电动机。2.优点具有结构简单、成本低廉、运行可靠、应用广泛等一系列优点。一、单相异步电动机的磁场1.固有(自然)磁场在定子与转子的磁路和气隙中产生的、不旋转的交变脉动磁场： 。2.固有磁场的变换理论和实践证明：可以分解成两个大小相等、转 速相等、方向相反的两个旋转分磁场： 3.启动转矩(0)的分析及结论 分析：课本P84/T4.48很难理解，改用王进野、张纪良主编的电 机拖动与控制P279/T7.39，易于理解，也好向学生讲解。结论：a)在交变脉动磁场作用下的单相交流异步电动机没有启动能力，即。b)单相电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向完全取决于

43、启动方向。二、单相异步电动机的启动方法1.电容分相式启动（的单相异步电动机） 增加启动转矩接线图见P85/T4.49或右左图。 理论上讲：启动线圈的线径和匝数应都工作线圈； 但从制作工艺考虑：线径用一样的，只是匝数不同。正、反转接线图见P85/T4.49或右右图。 当需要正、反转时，互为工作线圈和启动线圈； 两个线圈的线径和匝数都按线圈制作！工作原理的解释按P85/T4.50即下图讲解。 启动绕组串入C后，其中的电流超前工作绕组中电流90°。通电后，在定子、转子及气隙间产生一个旋转磁场，使转子自行启动。2.罩极式启动（的单相异步电动机） 结 构 图见P86/T4.52或右下图。工作原

44、理仍按P86/T4.52讲解。 通过罩极的磁通分为两部分不过罩极的1通过罩极的2由于短路环的影响，使得2滞后于1，两者再合成后的效果产生一个由12移动的磁场在转子上产生一个启动转矩，使转子启动。【！】电容分相式是两个线圈1个电容器；罩极式是只有一个线圈1个罩极（铜环）。4.8同步电动机O、概述 1.实质也是一种三相交流电动机，相对于“异步”而言，只是“同步”的差别而已。2.用途大容量的电力传动；补偿电网的（发电厂中的交流发电机全部是同步发电机）。一、同步发动机的基本结构 1.定子异步电动机定子铁芯定子绕组(三相对称并通有三相交流电)机座；2.转子异步电动机磁极铁芯装在主磁极上的直流励磁绕组(通

45、有直流电)特别设置的鼠笼式启动绕组电刷集电环转轴；3.其他主要零部件端盖、风扇、防护罩、吊环等。二、转子主磁极的两种形状 1.隐极式气隙小且均匀、动平衡性能好、适用于高速电动机()；但制造相对麻烦。2.凸极式气隙大且不均匀、动平衡性能差、适用于低速电速电动机()；但制造相对简单。3. 转子的直流励磁功率(0.32) ，特别适用于大功率、高电压的场合。三、同步电动机的工作原理和特性 1.工作原理：定子绕组中通入对称三相交流电流后，产生一个旋转 速度的旋转磁场，称为“同步转速”；转子绕组中通入直流电后，又产生一个大小和极性固定 极对数与定子旋转磁场相同的直流励磁场；以上两个磁场相互作用，使得转子被

46、定子旋转磁场以 的“同步转速”一起旋转，即“同步电动机”。2.同步电动机的机械特性 在和一定的情况下，常数。即：运转速度是不随负载转矩变化而变化的。3.同步电动机的调节 基准(正常)励磁状态定子的和外加电压同相、 ，纯电阻负载同步电动机的磁动势定子电流产生的转子电流产生的磁通异步电动机情况又 当外加一定时，磁动势也一定，且忽略内部损耗时恒定显见：变化使得改变影响到改变引起会导致变化。 可利用调节转子的人为的使 全部磁动势由产生(定子) 定子的和外加电压同相(谓之“正常励磁”)。欠励磁状态直流励磁电流基准励磁电流时的状态，直流励磁的磁动势不足。定子的和外加电压不同相，感性负载，输入滞后于、，定子

47、正常励磁时的值，电源要供给电动机一部分励磁电流（能量）。此法电网的，一般不允许工作在欠励磁状态！过励磁状态直流励磁电流基准励磁电流时的状态，过剩。电源不仅不不需要供给励磁电流，而且电动机还向电网反馈回电感性电流与无功功率，正好补偿电网电感性负载的需要，（但仍1） 电容器的作用 电源的电容性负载（从电源吸取电容性电流和无功功率），输入超前于，电源也要供给电动机一部能量。4.同步电动机的启动同步电动机的优点运行速度恒定、可调、运行、适用于低速大功率场合作为通用调速电动机。同步电动机的缺点结构、价格、启动困难！异步启动法在转子磁极的极掌上加装鼠笼式绕组的启动绕组，启动时不加直流磁场，转速接近同步转速

48、时在通入直流励磁电流，在电阻旋转磁场和转子励磁磁场的相互作用下，把转子“拉入”同步运行。此时，启动绕组与旋转磁场同步，其中不再产生电动势和电流。变频启动法需要一个变频电源给定子供电，使电动机在低频下直接启动。启动时首先给转子直流励磁，再由低频到高频达到高速运行，从而克服了启动难、重载时失步和震荡问题。缺点是要增加一个变频电源，且励磁机要是非同轴的，否则低速时（）无法励磁。 第5章 控 制 电 动 机5.1步 进 电 动 机一、步进电动机的结构与工作原理 1.步进电动机的结构 （见P93/T5.1） 定子铁芯多个绕组。定子绕组的个数称为“相数”。转子铁芯用硅钢片叠成或软磁性材料做成呈凸极式结构。凸极的个数称为“齿数”。分类(根据转子的结构不同) a)反应式转子上无励磁绕组，光有铁芯；结构、运行频率、步距角(0.75°9°)，应用于数控机床、工业机器人；b)永磁式用永久磁铁做转子，功率、造价、效率、频率相应；步距角(7.5°18°)；c)混合式定子反应式，只是磁极上有控制绕组、极靴上有小齿；转子永久磁铁铁芯(同样切有小齿)。2.工作原理提前在黑板上用彩色粉笔画出P93/T5.2（