机电传动控制及其复习（课堂PPT）

1、.1第一章第一章 概述概述 定义定义：以电动机为原动机（动力源）驱动生产机：以电动机为原动机（动力源）驱动生产机械的系统的总称。械的系统的总称。 目的目的：将电能转换为机械能，实现生产机械的启：将电能转换为机械能，实现生产机械的启动、停止及速度调节，满足各种生产工艺过程的动、停止及速度调节，满足各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。要求，保证生产过程的正常进行。总复习总复习.2机电传动技术的发展机电传动技术的发展 动力源动力源：蒸汽机，内燃机，电动机：蒸汽机，内燃机，电动机 机电传动方式机电传动方式： 成组拖动：一台电机拖动多台设备，老方式，传成组拖动：一台电机拖动多台设备，老方式，

2、传动机构复杂，效率低。动机构复杂，效率低。 单电机拖动：一台电机拖动一台设备，比成组方单电机拖动：一台电机拖动一台设备，比成组方式进步。式进步。 多电机拖动：多台电机拖动一台设备，现代的传多电机拖动：多台电机拖动一台设备，现代的传动方法。动方法。.3第二章第二章 机电传动系统的动力学基础机电传动系统的动力学基础snmNmNLmNMtdndGDTT375min/22 D 单轴传动系统的惯性直径单轴传动系统的惯性直径（m）; G 单轴传动系统的重力单轴传动系统的重力（Kg）。）。 GD2 应视为一个整体物理量。应视为一个整体物理量。 运动方程式是研究机电传动系统最基本的方程式，运动方程式是研究机电

3、传动系统最基本的方程式， 由它可描述出系统运动的由它可描述出系统运动的状态状态及及特征特征。1 机电传动系统的运动方程式机电传动系统的运动方程式.42 2、传动系统的状态、传动系统的状态根据运动方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态：根据运动方程式可知：运动系统有两种不同的运动状态：:)1LM时时）稳稳态态（TT 0ddd tJT 即即0dd t，为常数，传动系统以恒速运动。为常数，传动系统以恒速运动。 T TM M = =T TL L时时传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。传动系统处于恒速运动的这种状态被称为稳态。 时时）：动动态态（LM)2TT 时时：LMTT 0ddd tJT 即

4、即 ,0dd t 传动系统加速运动。传动系统加速运动。时时：LMTT ,0ddd tJT 即即,0dd t 传动系统减速运动。传动系统减速运动。T TM M T TL L时时传动系统处于加速或减速运动的这种状态传动系统处于加速或减速运动的这种状态被称为被称为动态动态。dLMTTT .5 处于处于动态动态时，系统中必然存在一个动态转矩：时，系统中必然存在一个动态转矩：snmNmNdtdndGDT375min/22 它使系统的运动状态发生变化。其转矩平衡方程为：它使系统的运动状态发生变化。其转矩平衡方程为：TM = TL + Td上式表明，在任何情况下，电机所产生的转矩总是被轴上的负载上式表明，在

5、任何情况下，电机所产生的转矩总是被轴上的负载转矩（静态转矩）与动态转矩之和所平衡。转矩（静态转矩）与动态转矩之和所平衡。 由于传动系统有多种运动状态，相应的运动方程式由于传动系统有多种运动状态，相应的运动方程式 中的转速和转矩的方向就不同，因此需要约定方向中的转速和转矩的方向就不同，因此需要约定方向 的表达规则。的表达规则。.63 3、T TM M、T TL L、n n的参考方向的参考方向 因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，因为电动机和生产机械以共同的转速旋转，所以，一般以一般以（或（或n n）的转动方向为参考来确定转矩的正负。）的转动方向为参考来确定转矩的正负。 当当T TM M的

6、实际作用方向的实际作用方向与与n n的方向相同的方向相同时（时（符号同符号同），），取与取与n n相同相同的符号，的符号，T TM M为为拖动转矩拖动转矩；1)T1)TM M的符号与性质的符号与性质 当当T TM M的实际作用方向的实际作用方向与与n n的方向相反的方向相反时，取与时，取与n n相相反反的符号，的符号，T TM M为为制动转矩制动转矩。 .7拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。拖动转距促进运动；制动转距阻碍运动。 当当T TL L的实际作用方向的实际作用方向与与n n的方向相同时的方向相同时（符号反符号反），），取与取与n n相反相反的符号，的符号，T TL L为为拖动转矩拖动

7、转矩；2)T2)TL L的符号与性质的符号与性质 当当T TL L的实际作用方向的实际作用方向与与n n的方向相反时的方向相反时，取与，取与n n相同相同的符号，的符号，T TL L为为制动转矩制动转矩。.84 4 机电传动系统的负载特性机电传动系统的负载特性 前面讨论的机电传动系统运动方程中，负载转矩前面讨论的机电传动系统运动方程中，负载转矩T TL L 可能是可能是常数常数，也可能是，也可能是转速的函数转速的函数。 我们把我们把同一轴上同一轴上负载负载转矩转矩与与转速转速之间的之间的函数关系函数关系称为称为 机电传动系统的机电传动系统的负载特性负载特性。 就是生产机械的负载特性，有时也称为

8、生产机械的就是生产机械的负载特性，有时也称为生产机械的 机械特性机械特性。 今后均指电机轴上的负载特性。今后均指电机轴上的负载特性。 不同类型的生产机械在运动中受阻的性质是不同的，不同类型的生产机械在运动中受阻的性质是不同的， 其其负载特性曲线负载特性曲线的形状也有所不同，大致分为：的形状也有所不同，大致分为： 恒转矩型负载特性、离心式通风机型负载特性、恒转矩型负载特性、离心式通风机型负载特性、 直线型负载特性、恒功率型负载特性。直线型负载特性、恒功率型负载特性。.92.3.1 2.3.1 恒转矩型负载特性恒转矩型负载特性 这一类型负载特性的这一类型负载特性的特点特点是：是：负载转矩为常数负载

9、转矩为常数。 如图所示。如图所示。 依据依据负载转矩负载转矩与与运动方向运动方向的的关系关系，恒转矩型负载特性，恒转矩型负载特性 可分为可分为反抗性转矩反抗性转矩和和位能性转矩位能性转矩两种。两种。a a反抗转矩：又称摩擦性转矩，其反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点特点如下：如下： 由由摩擦摩擦、非弹性体非弹性体的的压缩压缩、拉伸拉伸与与扭转扭转等作用所产生等作用所产生 的负载转矩。的负载转矩。 反抗性转矩的方向恒与运动反抗性转矩的方向恒与运动方向相反方向相反，阻碍运动；，阻碍运动； 反抗性转矩的反抗性转矩的大小恒常不变大小恒常不变。.10 根据转矩正方向的约定可知，反抗性转矩恒与转速根据转矩正

10、方向的约定可知，反抗性转矩恒与转速n n 的方向相反时取正号，即：的方向相反时取正号，即： n n 为正方向时为正方向时T TL L 为正，特性在第一象限；为正，特性在第一象限； n n 为负方向时为负方向时T TL L 为负，特性在第三象限。为负，特性在第三象限。.11b b位能性转矩，其位能性转矩，其特点特点如下：如下： 位能性转矩的位能性转矩的大小恒常不变大小恒常不变； 作用方向不变作用方向不变，与运动方向无关与运动方向无关，即在某一方向，即在某一方向 阻碍运动而在另一方向促进运动。阻碍运动而在另一方向促进运动。 位能性转矩是由物体的位能性转矩是由物体的重力重力或或弹性体弹性体的的压缩压

11、缩、拉伸拉伸、 扭转扭转等作用所引起的负载转矩；等作用所引起的负载转矩；.12离心式通风机型负载特性离心式通风机型负载特性 离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的，离心式通风型机械特性是按离心力原理工作的， 如离心式鼓风机、水泵等，它们的如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩负载转矩T TL L的大小的大小 与与转速转速n n的平方的平方成成正比正比，即：，即：2LCnT 其中：其中：C C为常数。为常数。特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。.13直线型负载特性直线型负载特性 直线型负载的直线型负载的负载转矩负载转矩T TL L的大小与的大小与转速转速n n的大小的大小 成成正比正比，即，即

12、 ：CnT L其中：其中：C C为常数。为常数。特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。.14恒功率型负载特性恒功率型负载特性 恒功率型负载的恒功率型负载的负载转矩负载转矩T TL L的大小与的大小与转速转速n n的的 大小成大小成反比反比，即，即nCT L其中：其中：C C为常数。例如机床。为常数。例如机床。 实际应用中，负载可能是单一类型的，也可以是几种实际应用中，负载可能是单一类型的，也可以是几种 类型的复合。类型的复合。特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。.155 5 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件 机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，机电传动系统中，电动机与生

13、产机械连成一体， 为了使整个系统运行合理，就要使为了使整个系统运行合理，就要使电动机的机械电动机的机械 特性特性与与生产机械的负载特性生产机械的负载特性尽量尽量相匹配相匹配。 特性配合好坏的基本要求是特性配合好坏的基本要求是系统能稳定运行系统能稳定运行。1 1、机电系统稳定运行的、机电系统稳定运行的含义含义包括：包括：1) 1) 系统应能以一定速度匀速运行；系统应能以一定速度匀速运行；2) 2) 系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负载 转矩波动等）而使运行速度发生变化，应保证转矩波动等）而使运行速度发生变化，应保证 系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速

14、度。系统在干扰消除后能恢复到原来的运行速度。.162 2、机电系统稳定运行的条件、机电系统稳定运行的条件1) 1) 必要条件必要条件 电动机的输出转矩电动机的输出转矩T TM M和负载转矩和负载转矩T TL L大小相等大小相等， 方向相反方向相反。 从从T Tn n 坐标上看，就是电动机的机械特性曲线坐标上看，就是电动机的机械特性曲线 n n = =f f( (T TM M) )和生产机械的机械特性曲线和生产机械的机械特性曲线n n = =f f( (T TL L) ) 必须有交点，交点被称为必须有交点，交点被称为平衡点平衡点。.172) 2) 充分条件充分条件 系统受到干扰后，要系统受到干扰

15、后，要具有恢复到原平衡状态的具有恢复到原平衡状态的 能力能力，即：，即： 当干扰使速度上升时，有当干扰使速度上升时，有 T TM M T TL L 。 这是稳定运行的这是稳定运行的充分条件充分条件。 符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。符合稳定运行条件的平衡点称为稳定平衡点。.18 机电系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：机电系统稳定运行的充分必要条件也可表述为：电动机的机械特性电动机的机械特性n= f（Tm） 与负载特性与负载特性n= f（TL）有交点；）有交点；dndTdndTLM .19a a、b b两点是否为稳两点是否为稳定平衡点？定平衡点？a a点：点： 0LM TT当负载突然

16、增加后当负载突然增加后0LM TT0LM TT当负载波动消除后当负载波动消除后0LM TT 故故a a点为系统的稳定平衡点。点为系统的稳定平衡点。 同理同理b b点不是稳定平衡点。点不是稳定平衡点。 异步电动机异步电动机的机械特性的机械特性生产机械的生产机械的机械特性机械特性交点交点a a交点交点b b0LM TT分析举例分析举例.20 若我们约定：若我们约定： I Ia a 电枢电流；电枢电流； R Ra a 电枢电阻；电枢电阻； E E 电枢电动势；电枢电动势； U U 电机端电压；电机端电压； U Uf f 励磁绕组端电压；励磁绕组端电压； R Rf f 励磁调节电阻；励磁调节电阻； I

17、 If f 励磁绕组电流。励磁绕组电流。 由电磁学理论很容易由电磁学理论很容易 推得：推得：nnTKKRKUnteae 02 直流电机机械特性直流电机机械特性一般表达式一般表达式第第3章章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性.211 1、固有机械特性、固有机械特性 电机的机械特性有电机的机械特性有固有特性固有特性和和人为特性人为特性之分。之分。 固有特性固有特性又称又称自然特性自然特性，是指在额定条件下的，是指在额定条件下的 n = n = f f( (T T) )曲线。曲线。（1 1）估算电枢电阻估算电枢电阻R Ra a：NNNNNaIUIUPR)1)(75. 050. 0(

18、根据根据电机铭牌电机铭牌可以计算出关键点而绘出该电机可以计算出关键点而绘出该电机 在额定条件下的在额定条件下的 n = n = f f( (T T) ) 特性曲线。特性曲线。 即即根据根据电机铭牌电机铭牌计算出计算出理想空载点理想空载点和和额定运行点额定运行点 的坐标，再据此近似地画出的坐标，再据此近似地画出 n = n = f f( (T T) ) 特性曲线。特性曲线。.22（2 2）求求K Ke eN N：NaNNNenRIUK （3 3）求理想空载转速：求理想空载转速：NeNKUn 0（4 4）求额定转矩：求额定转矩：min/55. 9rNWNNmNNnPPT 重点重点.23 根据（根据

19、（0,n0,n0 0）和（）和（T Tn n,n,nN N）两点就可以作出他励电动机）两点就可以作出他励电动机 的机械特性曲线。的机械特性曲线。 正转时，在第一象限；正转时，在第一象限； 反转时，在第三象限。反转时，在第三象限。.24 人为机械特性是指公式人为机械特性是指公式 中的供电电压中的供电电压U U 或磁通或磁通 不是额定值、电枢电路中不是额定值、电枢电路中 接有外加电阻接有外加电阻R Radad时的机械特性。（三种）时的机械特性。（三种）nnTKKRKUnteae 02 2 2、人为机械特性、人为机械特性（1 1）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性；电枢回路中串接附加电阻时的人为

20、机械特性；（2 2）改变电枢电压改变电枢电压U U 时的人为机械特性；时的人为机械特性；（3 3）改变磁通改变磁通时的人为机械特性。时的人为机械特性。.253 3 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 启动电动机就是施电于电动机，使电动机转子转动启动电动机就是施电于电动机，使电动机转子转动 起来，达到要求转速的过程。起来，达到要求转速的过程。 对直流电动机而言，在未启动之前对直流电动机而言，在未启动之前n n =0=0、E E =0=0， 而而R Ra a一般很小。一般很小。 所以，当电动机被直接接入电网并施加额定电压时，所以，当电动机被直接接入电网并施加额定电压时， 启动电流为：

21、启动电流为：aNst/ RUI 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的 （10102020）倍。）倍。.26 过大的启动电流危害很大：过大的启动电流危害很大：（1 1） 对电动机本身的影响：对电动机本身的影响： 使电动机在换向过程中产生危险的火花，使电动机在换向过程中产生危险的火花， 烧坏整流子（换向器）；烧坏整流子（换向器）； 过大的电枢电流产生过大的电动应力，过大的电枢电流产生过大的电动应力， 可能引起绕组的损坏。可能引起绕组的损坏。 .27（2 2） 对机械系统的影响：对机械系统的影响： 启动转矩启动转矩与启动电流成与启动电流成正比正比例；例

22、； 巨大的巨大的启动转矩启动转矩在运动系统中产生很大的在运动系统中产生很大的 动态转矩动态转矩； 过大的过大的动态转矩动态转矩会在机械系统和传动机构中产生会在机械系统和传动机构中产生 过大的过大的动态转矩冲击动态转矩冲击，使机械传动部件损坏。，使机械传动部件损坏。.28（3 3）对供电电网的影响：）对供电电网的影响： 过大的启动电流可能会导致保护装置过大的启动电流可能会导致保护装置动作动作， 导致切断电源，导致切断电源，造成事故造成事故； 或者引起或者引起电网电压的下降电网电压的下降，影响其他负载的，影响其他负载的 正常运行。正常运行。因此，因此， 直流电动机是不允许直接启动的直流电动机是不允

23、许直接启动的若要启动，必须设法限制电枢电流！若要启动，必须设法限制电枢电流！例如：普通的例如：普通的Z2Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流型直流电动机，规定电枢的瞬时电流 不得大于额定电流的不得大于额定电流的1.51.52 2倍。倍。.294 4 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 调速调速（又称速度调节）与（又称速度调节）与速度变化速度变化是两个完全是两个完全 不同的概念不同的概念。 电动机的电动机的调速调速是在一定的负载条件下，人为地改变是在一定的负载条件下，人为地改变 电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。 如图所示：如图所示

24、：人为地改变人为地改变（或（或 调节）电枢回路的电阻大小调节）电枢回路的电阻大小 造成转速下降，故这种人为造成转速下降，故这种人为 改变某些参数而造成速度的改变某些参数而造成速度的 变化，称变化，称调速调速或或速度调节速度调节。.30a a 改变电枢电路外串电阻改变电枢电路外串电阻R Radad 从特性方程可看出，在一从特性方程可看出，在一 定的负载转矩定的负载转矩T TL L下，串入下，串入 不同的电阻可以得到不同不同的电阻可以得到不同 的转速。的转速。 在电阻分别为在电阻分别为R Ra a、R R1 1、R R2 2、 R R3 3的情况下，可以分别的情况下，可以分别 得到稳定工作点得到稳

25、定工作点A A、C C、D D和和E E，对应的转速为，对应的转速为 n nA A、n nB B、n nC C、n nD D。（。（ R Ra a R R1 1 R R2 2 U U1 1 U U2 2 U U3 3 ）.33 当当 = =N N、R Rad ad =0=0、改变电枢电压、改变电枢电压U U 时，理想空载时，理想空载 转速转速n n0 0将随电枢电压将随电枢电压U U 的变化而变化，但的变化而变化，但转速降转速降 n n却不变。却不变。 所以，在不同的电枢电压所以，在不同的电枢电压U U 下，下， 可得一组平行于固有机械特性可得一组平行于固有机械特性 曲线的人为机械特性曲线。曲

26、线的人为机械特性曲线。 由于电机绝缘材料耐压条件由于电机绝缘材料耐压条件 的限制，这种电压调速方法的限制，这种电压调速方法 只能在额定电压值以下调节。只能在额定电压值以下调节。 是一种电机是一种电机降速调速法降速调速法。特点：特点：nnTKKRRKUnNteaadNeN 02 .34例：将电机电枢供电电压由例：将电机电枢供电电压由U U1 1升到升到U UN N。 电压为电压为U U1 1时，电机工作在时，电机工作在U U1 1 特性的特性的b b点；此时，稳定转速点；此时，稳定转速 为为n nb b。 当电压突然上升到当电压突然上升到U UN N时，由于时，由于 机械系统的惯性作用，转速机械

27、系统的惯性作用，转速n n 不变，相应的反电动势也不变，不变，相应的反电动势也不变， 仍分别为仍分别为n nb b和和E Eb b。 但当不考虑电枢电路的电感时，电枢电流将由但当不考虑电枢电路的电感时，电枢电流将由 突然上升至突然上升至 ；abNgREUI abLREUI 1.35 电机转矩也由电机转矩也由 突然升至突然升至 ；LtLIKT gtgIKT 此时，电机的工作点虽然由此时，电机的工作点虽然由 b b点过渡到点过渡到g g点，但由于有点，但由于有 T Tg gTTL L，所以，所以，系统开始加速系统开始加速。 反电动势反电动势E E也会随着转速也会随着转速n n的的 上升而增大，电枢

28、电流则逐渐减少，电机转矩也上升而增大，电枢电流则逐渐减少，电机转矩也 相应地减少，电机的工作点沿相应地减少，电机的工作点沿U UN N由由g g点移动到点移动到a a点，点， 电机转矩又回到电机转矩又回到T TL L。.36改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题： 机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低； 在空载或轻载时，调速范围不大；在空载或轻载时，调速范围不大； 实现无级调速困难；实现无级调速困难； 在调速电阻上消耗大量电能等。在调速电阻上消耗大量电能等。 正因为缺点不少，目前已很少采用，仅

29、在有些起重正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重 机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。.37 当当U U = =U UN N、R Rad ad =0=0、而改变磁通、而改变磁通 时，时， 理想空载转速理想空载转速n n0 0和转速降和转速降n n都要随磁通都要随磁通 的变化的变化 而变化。而变化。 由于磁通由于磁通只能在低于只能在低于其其 额定值的范围额定值的范围内调节，而内调节，而 启动电流为常数，所以得到启动电流为常数，所以得到 的人为机械特性曲线如右的人为机械特性曲线如右 所示。是一种电机所示。是一种电机超速调速法超速调速法。

30、当磁通过分消弱后，如果负载转矩不变，电机电流当磁通过分消弱后，如果负载转矩不变，电机电流将大大增加，从而产生过载现象。将大大增加，从而产生过载现象。 必须注意的是：必须注意的是：当当=0=0时，电机转速将升到机械强度不允许的程度。时，电机转速将升到机械强度不允许的程度。因此，直流他励电机因此，直流他励电机启动前启动前必须必须先加励磁电流先加励磁电流，且在运转中决不允许励磁电流为零。且在运转中决不允许励磁电流为零。为此，直流他励电机在使用中，一般都设有为此，直流他励电机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护措施。保护措施。c c 改变电机主磁通改变电机主磁通nnTKKRRKUnNteaadNeN

31、02 .38 改变电机主磁通改变电机主磁通 的调速机械特性如图所示：的调速机械特性如图所示： 即改变主磁通即改变主磁通 可以达到调速的目的。可以达到调速的目的。 降速时沿降速时沿c-d-bc-d-b进行，升速时沿进行，升速时沿b-e-cb-e-c进行。进行。.39 可平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转可平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转 速以上调节；速以上调节； 调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制；调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制； 调速时维持电枢电压调速时维持电枢电压U U 和电枢电流和电枢电流I Ia a不变时，不变时， 电动机的输出功率电动机的输出功率P P=

32、=UIUIa a不变，属恒功率调速。不变，属恒功率调速。 普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的 1.2 1.2倍，所以，调速范围不大。倍，所以，调速范围不大。 所以，它往往和调压调速配合使用，即所以，它往往和调压调速配合使用，即在额定转在额定转 速下速下用用降压调速降压调速；在额定转速之上在额定转速之上用用弱磁调速弱磁调速。特点：特点：.405 5 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性1 1、制动与启动的定义：、制动与启动的定义： 启动：施电于电动机使电动机速度启动：施电于电动机使电动机速度从静止加速到从静止加速到 某一稳定转速某一稳

33、定转速的一种运动状态。的一种运动状态。 制动：电动机脱离电网，或使电动机转速制动：电动机脱离电网，或使电动机转速 从某一稳定转速开始减速到停止从某一稳定转速开始减速到停止或是或是 限制位能负载下降速度限制位能负载下降速度的一种运转状态。的一种运转状态。 注意：电动的制动与自然停车是两个不同的概念。注意：电动的制动与自然停车是两个不同的概念。.41a a 反馈制动反馈制动 电机正常接线时，在外部电机正常接线时，在外部 条件作用下，电机的条件作用下，电机的实际实际 转速转速n n大于大于其其理想空载转速理想空载转速 n n0 0，此时，电机即运行于，此时，电机即运行于 反馈制动状态。反馈制动状态。

34、例：例：电车，走平路时，其电机工作在电车，走平路时，其电机工作在 电动状态下，电磁转矩电动状态下，电磁转矩T T 克服克服 摩擦性负载转矩摩擦性负载转矩T Tr r，即，即T=TT=Tr r， 以转速以转速n na a稳定在工作点稳定在工作点a a。.42b b 反接制动反接制动 当他励电机的电枢电压当他励电机的电枢电压U U或电枢电动势或电枢电动势E E中的任一个中的任一个 在外部条件作用下改变了方向时，电机将运行于在外部条件作用下改变了方向时，电机将运行于 反接制动状态。反接制动状态。特点：特点：1 1）电动机的外加电枢电压）电动机的外加电枢电压U U 与感应电动势与感应电动势E E 的方

35、向的方向 在外界的作用下在外界的作用下由由相反相反变为变为相同相同；2 2）电动机的输出转矩）电动机的输出转矩T TM M与转速与转速n n的方向的方向相反相反。在反接制动中，把在反接制动中，把改变电枢电压改变电枢电压U U 的方向的方向所产生的反接制所产生的反接制动称为动称为电源反接制动电源反接制动；而把而把改变电枢电动势改变电枢电动势E E的方向的方向所产生的反接制动称为所产生的反接制动称为倒拉反接制动倒拉反接制动。 .43（1).1).电源反接制动电源反接制动 设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。 当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的

36、当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的 机械特性为：机械特性为：TKKRKUn2meae 其特性曲线如图（其特性曲线如图（b b）中的曲线）中的曲线1 1所示（正向）。所示（正向）。.44(2).(2).倒拉反接制动倒拉反接制动 设电机处于正向电动状态，以设电机处于正向电动状态，以n na a转速稳定运转，转速稳定运转， 提升重物。若用在电枢电路中串入附加提升重物。若用在电枢电路中串入附加限流电阻限流电阻 R Radad 的方法下放重物，这时，电机将由的方法下放重物，这时，电机将由固有特性固有特性 曲线曲线1 1的的a a点过渡到点过渡到人为特性曲线人为特性曲线2 2的的c c点，电机转矩

37、点，电机转矩 T T 远小于负载转矩远小于负载转矩T TL L。 因此，电机因此，电机 转速将沿着转速将沿着 曲线曲线2 2下降。下降。 到到d d点时，点时， 电机转速为电机转速为0 0， 重物停止上升。重物停止上升。.45C C 能耗制动能耗制动 电机在电动状态运行时，若把外施电枢电压电机在电动状态运行时，若把外施电枢电压U U突然突然 降为降为0 0，同时用一个附加电阻，同时用一个附加电阻R Radad短接电枢两端，即短接电枢两端，即 得到能耗制动状态。得到能耗制动状态。 此时电机成为发电机，将机械能转换为电能和热能。此时电机成为发电机，将机械能转换为电能和热能。 此时的机械特性曲线为图

38、中的曲线此时的机械特性曲线为图中的曲线2 2。1 1、旋转磁场的极数与旋转速度、旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度 被称为同步速度，用被称为同步速度，用n n0 0表示。表示。fn600 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数 用用p p 表示）即表示）即p=p=1 1。 电流变化经过一个周期（变化电流变化经过一个周期（变化360360电角度），旋转电角度），旋转 磁场在空间也旋转了一转（转了磁场在空间也旋转了一转（转了360360机械角度），机械角度）， 若电流的频率为若

39、电流的频率为f f，旋转磁场每分钟将旋转，旋转磁场每分钟将旋转6060f f 转，转， 即：即：第第4 4章章 交流电动机的工作原理及特性交流电动机的工作原理及特性 依次类推，当有依次类推，当有p p对磁极时，其转速为：对磁极时，其转速为：pfn600 所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比 而与磁级对数成反比。而与磁级对数成反比。 但但转子转速转子转速n n 恒小于旋转磁场转速（同步转速）。恒小于旋转磁场转速（同步转速）。 所以，称为异步电机。所以，称为异步电机。 所以，转子与旋转磁场才会永远有切割磁力线的所以，转子与旋转磁场才会永远有切割磁力线

40、的 相对运动，才有感应电动势和感应电流，才会产生相对运动，才有感应电动势和感应电流，才会产生 驱动转子的电磁转矩驱动转子的电磁转矩转子旋转的主要因素。转子旋转的主要因素。 我们把转速差我们把转速差( (n n0 0- -n n) )与与同步转速同步转速n n0 0的比值称为异步的比值称为异步 电动机的电动机的转差率转差率，用，用S S表示，即：表示，即：00nnnS 转差率转差率S S是分析异步电动机运行特性的主要参数。是分析异步电动机运行特性的主要参数。 通常，通常，异步电动机在额定负载时，异步电动机在额定负载时，n n 接近接近n n0 0， 转差率转差率S S 很小，一般为很小，一般为0

41、.0150.0150.0600.060。2 2、转差率、转差率 定子每相绕组中产生的定子每相绕组中产生的感应电动势感应电动势为：为：tNedd11 它也是正弦量，其有效值为：它也是正弦量，其有效值为： 1111444444fN.Nf.E 式中，式中，f f1 1为为e e1 1的频率。的频率。 因为旋转磁场和定子间的相对转速为因为旋转磁场和定子间的相对转速为n n0 0， 所以有所以有 6001pnf 它等于定子电流的频率，即它等于定子电流的频率，即 。 ff 1 定子每相绕组中还要产生定子每相绕组中还要产生漏磁电动势：漏磁电动势：tiLedd1L1L1 3 3、定子电路的分析、定子电路的分析

42、 加在定子每相绕组上的电压分为三个分量，即：加在定子每相绕组上的电压分为三个分量，即：)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL 如用复数表示，则为：如用复数表示，则为：)(j)()(1111111111EXIRIEERIUL 式中，式中， 和和 为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗，为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗，1R1XL111 2LfX 由于由于R R1 1和和X X1 1较小，其上电压降与电动势较小，其上电压降与电动势E E1 1比较起来，比较起来， 常可忽略，于是：常可忽略，于是： EU111EU 4 4、转子电路的分析、转子电路的分析 在讨论电机转矩之前，必须弄清转子

43、电路中的各项在讨论电机转矩之前，必须弄清转子电路中的各项 物理量：电动势物理量：电动势e2 2、转子电流、转子电流i2 2、转子电流频率、转子电流频率f2 2、 转子电路的功率因数转子电路的功率因数coscos2 2、转子绕组的感抗、转子绕组的感抗X X2 2。 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为：旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为：tNedd22 其有效值为其有效值为 ： 2222444444SfN.Nf.E 式中，式中，f f2 2为转子电动势为转子电动势e e2 2或转子电流或转子电流i i2 2相对于旋转相对于旋转 磁场的频率。磁场的频率。 因为旋转磁场和转子间的相对转速为

44、因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n n0 0- -n n。1000026060Sfpnnnn)nn(pf 在在 n n =0 =0 ，即，即S S =1=1时，转子电动势为：时，转子电动势为： 2120444Nf.E 为转子最大电动势。为转子最大电动势。202SEE 可见转子电动势可见转子电动势E E2 2 与转差率与转差率S S 有关。有关。 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而 在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。tiLedd2L2L2 因此，对于转子每相电路，有因此，对于转子每相电路，有 ：tiLR

45、ieRiedd)(2L222L2222 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 ：22222222j)(XIRIERIEL 式中，式中，R R2 2和和X X2 2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 。L21L22222LSfLfX 在在n n =0 =0 ，即，即S S =1 =1 时，转子感抗为：时，转子感抗为：L21202LfX 为转子最大感抗。为转子最大感抗。202SXX 可见转子感抗可见转子感抗E E2 2 与转差率与转差率S S 有关。有关。 转子每相电路的电流为：转子每相电路的电流为：2202220222222)SX(RSEXREI 可见可见转子电流转子电流I

46、 I2 2 也与转差率也与转差率S S 有关有关。当。当S S 增大，增大， 即转速即转速n n 降低时，转子与旋转磁场间的相对转速降低时，转子与旋转磁场间的相对转速 增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是 E E2 2 增加，增加，I I2 2 也增加。也增加。 转子电流转子电流I I2 2 随转差率随转差率S S 的变化关系如图的变化关系如图5.205.20所示。所示。 当当S S =0=0，即，即n n0 0-n =0-n =0，I I2 2 =0=0； 当当S S 很小时，很小时， ， ， 即与即与S S近似地成正比；近似地成正比；202S

47、XR 2202RSEI 当当S S 接近于接近于1 1时，时， ， 为常数。为常数。202SXR 20202XEI 由于转子有漏磁通由于转子有漏磁通L2L2，相应的感抗为，相应的感抗为X X2 2。 因此，因此，I I2 2比比E E2 2滞后滞后2角，角， 因而转子电路的功率因数为：因而转子电路的功率因数为：220222222222)(cosSXRRXRR 它也与转差率它也与转差率S S有关。有关。1cos2 当当S S很小时，很小时， ； 当当S S增大时，增大时，X2X2也增大，于是也增大，于是coscos 2 减小；减小； 当当S S接近于接近于1 1时，时，coscos 2 R2/X

48、20。可见电动势、电流、频率、感抗及功率因数都可见电动势、电流、频率、感抗及功率因数都与转速有关。与转速有关。5 5、三相异步电机的固有机械特性、三相异步电机的固有机械特性 三相异步电机的转矩是由旋转磁场的每极磁通三相异步电机的转矩是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流与转子电流I2 2 相互作用而产生的。相互作用而产生的。 其计算公式为：其计算公式为：22cos IKTt 该计算公式的另一表达式为：该计算公式的另一表达式为：220222222022212)()(SXRUSRKSXRUSRKT 其中，其中，Kt与电机结构有关的常数；与电机结构有关的常数； I2转子电流；转子电流； 每极磁通；每极磁

49、通； 2I2比比E2滞后角；滞后角； R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻； U1定子绕组相电压；定子绕组相电压；U电源电压；电源电压； X20电机不动时转子每相绕组的感抗；电机不动时转子每相绕组的感抗； K与电机结构、电源频率有关的常数。与电机结构、电源频率有关的常数。 从特性曲线上可以看出，其上有从特性曲线上可以看出，其上有 四个特殊点四个特殊点可以决定特性曲线的可以决定特性曲线的 基本形状和异步电动机的运行基本形状和异步电动机的运行 性能，这四个特殊点是：性能，这四个特殊点是：(1) T=0(1) T=0，n=nn=n0 0(S=0)(S=0)时，时，电动机处于电动机处于理想空载工

50、作点理想空载工作点，此时电动机的转速为，此时电动机的转速为理想空载转速理想空载转速即同步转速。即同步转速。(2) T=T(2) T=TN N，n=nn=nN N(S=S(S=SN N) )时，时，这时，电动机处于这时，电动机处于额定工作点额定工作点。其额定转矩和额定转差率为其额定转矩和额定转差率为 ：NnPTNN55. 9 0N0NnnnS 式中：式中：PN电机的额定功率；电机的额定功率；nN电机的额定转速，一般电机的额定转速，一般nN=(0.940.958)N0；SN电机的额定转差率，一般电机的额定转差率，一般SN=0.060.015；TN电机的额定转矩。电机的额定转矩。(3) T=T(3)

51、 T=Tstst，n=0(S=1)n=0(S=1)时，时，电动机处于电动机处于启动工作点启动工作点。将将S=1 1代入转矩公式中，可得：代入转矩公式中，可得：2202222stXRURKT 可见，异步电动机的启动转矩可见，异步电动机的启动转矩Tst与与U、 R2及及X20有关。有关。2202222stXRURKT 当施加在定子每相绕组上的电压降低当施加在定子每相绕组上的电压降低 时，启动转矩会明显减小；时，启动转矩会明显减小； 当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大； 若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。 通常把在固有

52、机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩与额定转矩TN 之比之比 st=Tst/TN 作为衡量作为衡量异步电动机启动能力异步电动机启动能力的一个的一个 重要数据。一般：重要数据。一般：2 . 10 . 1st (4) T=T(4) T=Tmaxmax，n=nn=nm m(S=S(S=Sm m) )时，时，电机处于电机处于临界工作点临界工作点。欲求转矩的最大值，可令欲求转矩的最大值，可令0 dndT得临界转差率：得临界转差率：202m/ XRS 再将再将Sm代入转矩公式中，即可得：代入转矩公式中，即可得：202max2XUKT 上式表明，上式表明，T Tmaxmax对电压

53、的波动很敏感。对电压的波动很敏感。电源电压过低会引起输出转矩明显下降，电源电压过低会引起输出转矩明显下降，甚至低于负载转矩而造成电机停转。甚至低于负载转矩而造成电机停转。 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩 之比之比 称为称为电动机的过载能力系数电动机的过载能力系数。Nmaxm/TT 它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小， 是电动机的又一个重要运行参数。是电动机的又一个重要运行参数。 鼠笼式异步电动机：鼠笼式异步电动机：2 . 28 . 1m 线绕式异步电动机：线绕式异步电动机：8 . 25 .

54、 2m （1 1）降低电动机电源电压时的人为特性）降低电动机电源电压时的人为特性 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn n0不变；不变；Sm不变；不变；Tmax随着电压的减小而大大地减小；随着电压的减小而大大地减小；Tst随着电压的减小而大大地减小。随着电压的减小而大大地减小。改变电源电压后的人为特性如图改变电源电压后的人为特性如图图所示。图所示。6 6、人为特性、人为特性（2 2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性 在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动

55、机电动机 端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的 压降压降，致使定子绕组相电压降低，致使定子绕组相电压降低, ,这种情况下的人为这种情况下的人为 机械特性与降低电源电压时的相似，如图所示。机械特性与降低电源电压时的相似，如图所示。（3 3）改变定子电源频率时的人为特性）改变定子电源频率时的人为特性 fKfXTTXRURKTXUKTnnnXRSpfn1,26020Nmax2202222st202max0m0202m0注意到：注意到： 一般变频调速采用恒转矩调速，一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，即希望最大转矩保持为恒值，为此在

56、改变频率的同时，电源为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使电压也要作相应的变化，使U/f =C，这在实质上是使电机，这在实质上是使电机气隙磁通保持不变。气隙磁通保持不变。fn 0fS/1m fT/1st 不不变变maxT因此，改变电源频率因此，改变电源频率后的机械特性后的机械特性如图所示。如图所示。 Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn n0不变；不变；Tmax不变；不变；Sm随着串接电阻的增加而增大。随着串接电阻的增加而增大。此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条

57、曲线，如图如图 (b) (b)所示。所示。（4 4）转子电路串电阻时的人为特性）转子电路串电阻时的人为特性 要求启动平滑要求启动平滑，即要求启动时加速平滑，以减小，即要求启动时加速平滑，以减小 对生产机械的冲击。对生产机械的冲击。 启动设备安全可靠启动设备安全可靠，力求，力求结构简单结构简单，操作方便操作方便。 启动过程中的功率损耗越小越好。启动过程中的功率损耗越小越好。 其中，其中，“足够大的启动转矩足够大的启动转矩”和和“启动电流越小启动电流越小 越好越好”是衡量电机启动性能的主要技术指标。是衡量电机启动性能的主要技术指标。7 7、三相异步电动机的启动特性、三相异步电动机的启动特性 异步电

58、动机本身的启动特性为：异步电动机本身的启动特性为：异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电动势和转子电流，从而引起很大的很大的转子电动势和转子电流，从而引起很大的定子电流，一般可达额定电流的定子电流，一般可达额定电流的5 57 7倍。倍。a. 定子电流大，定子电流大，Ist=(57)IN。b. 启动转矩小，启动转矩小，Tst=(0.81.5)TN。启动时启动时S=1=1

59、，转子功率因数，转子功率因数 很低，很低，2202222XRRcos 因而启动转矩因而启动转矩 却不大。却不大。ststmstcosIKT22 8 8、鼠笼式启动、鼠笼式启动 一般在一般在有独立变压器有独立变压器供电（即变压器供动力用电）供电（即变压器供动力用电） 的情况下，若电动机的情况下，若电动机启动频繁启动频繁时，电动机功率时，电动机功率小于小于 变压器容量的变压器容量的20%20%时允许直接启动；时允许直接启动； 若电动机若电动机不经常启动不经常启动，电动机功率，电动机功率小于小于变压器容量变压器容量 的的30%30%时也允许直接启动；时也允许直接启动； 如果如果没有独立的变压器没有独

60、立的变压器供电（即与照明共用电源）供电（即与照明共用电源） 的情况下，电动机的情况下，电动机启动较频繁启动较频繁，则常按经验公式来，则常按经验公式来 估算，满足下列关系则可直接启动：估算，满足下列关系则可直接启动：电动机功率电动机功率电源总容量电源总容量额定电流额定电流启动电流启动电流 443NstII1.1.直接启动直接启动2 2、电阻或电抗器降压启动、电阻或电抗器降压启动 其接线原理如图所示。其接线原理如图所示。 启动时，接触器启动时，接触器KM1断开，断开，KM 闭合，将启动电阻闭合，将启动电阻Rst串入定子串入定子 电路，使启动电流减小；电路，使启动电流减小； 待转速上升到一定程度后再