成都理工机电传动

1、机机 电电 传传 动动 控控 制制( (第四版第四版) )第五章第五章 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三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的转矩与机械特性三相异步电动机的转矩与机械特性三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的定子电路和转子电路三相异步电动机的调速方法与特性三相异步电动机的调速方法与特性三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性单相异步电动机单相异步电动机同步电动机同步电动机 三相交流电动机的基本结构和工作原理三相交流电动机的基本结构和工作原理 基本结构基本

2、结构 定子定子 转子转子 工作原理工作原理pfn60000nnnS 旋转磁场的旋转速度旋转磁场的旋转速度 旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 转子的旋转速度转子的旋转速度 三相交流电动机的额定参数三相交流电动机的额定参数 定子绕组的连接方法定子绕组的连接方法 额定参数额定参数 连接方法的选用连接方法的选用 三相交流电动机的转矩特性与机械特性三相交流电动机的转矩特性与机械特性fX,f/KTTXRURKTXUKTnnnXRSpfnNmaxstmaxmm2022022222020020201260 三相交流电动机的启动、制动和调速特性三相交流电动机的启动、制动和调速特性 固有启动特性固有启动特性

3、启动方法启动方法 调速方法与特点调速方法与特点 制动方法与特性制动方法与特性 单相交流电动机单相交流电动机 结构特点结构特点 启动方法启动方法 同步交流电动机同步交流电动机 结构特点结构特点 特性特性 启动方法启动方法 转转差率差率 S 由工作原理可知：转子的转速由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。（同步速度）要小。 转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是也是异步电动机异步电动机的由来。的由来。 定义：转速差定义：转速差(n0-n)与同

4、步转速与同步转速n0的比值称为异步电动机的转的比值称为异步电动机的转差率，用表示差率，用表示S，即，即00nnnS 转差率转差率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。 5.1.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场三相异步电动机的旋转磁场1 1 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 当电动机定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流都当电动机定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流都将产生自己的磁场。由于电流随时间的变化而变化，它们产生将产生自己的磁场。由于电流随时间的变化而变化，它们产生的磁场也将随时间的变化而变化

5、，而三相电流产生的总磁场的磁场也将随时间的变化而变化，而三相电流产生的总磁场(合合成磁场成磁场)不仅随时间的变化而变化，而且是在空间旋转的，故称不仅随时间的变化而变化，而且是在空间旋转的，故称旋转磁场旋转磁场。 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且且A相绕组的电流作为参考正弦量，即相绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕的初相位为零，则三相绕组组A、B、C的电流（相序为的电流（相序为ABC）的瞬时值为：）的瞬时值为：tIi sinmA )32sin(mB tIi)34sin(mC tIi2旋转磁场的旋转方向旋转磁场

6、的旋转方向 A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而B相绕组相绕组内的电流又超前内的电流又超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，当三相交流电的当三相交流电的ABC ，旋转磁场的旋转方向为从，旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方，即向顺时针方向旋转。向旋转。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调任意两根线对调，例如，将例如，将B，C两根线对调，使两根线对调，使B相与相与C相绕组中电流的相位对调。相绕组中电流的相位对调。 此时此时A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前C相绕组内的电流相绕组内的

7、电流2 /3，而，而C相绕组相绕组内的电流又超前内的电流又超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3。 3. .旋转磁场的极数与旋转速度旋转磁场的极数与旋转速度 磁极对数：磁极对数：定子磁场定子磁场N-S的个数，用的个数，用p表示。表示。当有当有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而与磁极对数所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁极对数成反比。成反比。 三相电动机的定子绕组有三相电动机的定子绕组有星形（星形（Y型）型）和和三角形三角形（形）形）两种不同的接法。两种不同的接法。星形（星形（Y型）接法型）接法三角形（三角形（形

8、）接法形）接法星形（星形（Y型）型）接法：末端相连，接法：末端相连，首端分别接三相交流电源。首端分别接三相交流电源。三角形（三角形（形）形）接法：首末端接法：首末端相连，分别接三相交流电源。相连，分别接三相交流电源。5.1.4 定子绕组线端连接方式定子绕组线端连接方式1线电压与相电压线电压与相电压 线电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；表示； 相电压相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用：每相绕组首、尾之间的电压，用U相相表示。表示。 对于星形接法：对于星形接法：相相UU31 对于三角形接法：对于三角形接法： 相相UU 12线电流与相电流线电流与相电流 线

9、电流：电网的供电电流，用线电流：电网的供电电流，用I1 表示；表示； 相电流：每相绕组的电流，用相电流：每相绕组的电流，用I相相表示。表示。 对于星形接法对于星形接法 ：相相II 1 对于三角形接法对于三角形接法 ：相相II31 cosUIP1113 3. .电动机的输入功率：电动机的输入功率：5.2.3 三相异步电动机的额定值三相异步电动机的额定值 电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定额定运行运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。电动机

10、的铭牌上。 1. 额定功率额定功率PN： 在额定运行情况下，在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率电动机轴上输出的机械功率。 NNNPP1 输出功率的一般表达式为：输出功率的一般表达式为： 12PP 其中：其中： 效率；效率； P1 输入功率输入功率 P2输出功率输出功率 输出功率和输出转矩的关系为：输出功率和输出转矩的关系为： cosIKnP.TM222559 I2转子电流转子电流 2. .额定电压额定电压UN： 在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。 如标有两种电压值（例如如标有两种电压值（例如220/380V），这表明定子绕组采用），

11、这表明定子绕组采用 /Y连接时应加的线电压值。连接时应加的线电压值。即：即： 三角形接法时，定子绕组应接三角形接法时，定子绕组应接220V的电源电压；的电源电压；星形接法时，定子绕组应接星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。的电源电压。 3. .额定频率额定频率f ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ Hz）。）。 50 f 如标有两种电流值（例如如标有两种电流值（例如10.35/5.9A），则对应于定子绕组为），则对应于定子绕组为 /Y连接的线电流值。连接的线电流值。 4. .额定电流额定电流IN ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，：在

12、额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。定子的线电流值。即：即： 三角形接法时，定子电流为三角形接法时，定子电流为10.35A；星形接法时，定子电流为星形接法时，定子电流为5.9A。 5. .额定转速额定转速nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。功率时，电动机的转速。 与额定转速相对应的转差率称为与额定转速相对应的转差率称为额定转差率额定转差率SN。 交流电动机型号含义交流电动机型号含义中小型异步电动机：中小型异步电动机：大型异步电动机：大型异步电动机：5.3 三相异步电动机的转距与机械特性三相异步电动机

13、的转距与机械特性 电磁转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要电磁转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要特性。特性。22tcosIKT22022212444)SX(RNf.SI 所以所以220222222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT 因为因为转矩特性转矩特性 式中，式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数； U1 、U定子绕组电压，电源相电压；定子绕组电压，电源相电压； R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻； X20 电动机不动（电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。）时转子

14、每相绕组的感抗。22222222222)(cosSXRRXRR 5.3.1 三相异步电动机的转距三相异步电动机的转距5.3.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 在异步电动机中，转速在异步电动机中，转速 n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。特性。 1固有机械特性固有机械特性 异步电动机在异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性定子和转

15、子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固称为固有（自然）机械特性。有（自然）机械特性。 根据根据 2202222)SX(RUSRT 00nnnS 0010 S,nn,T 电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。空载转速。理想工作点理想工作点额定工作点额定工作点临界工作点临界工作点启动工作点启动工作点pfnn600 NNN,2SSnnTT 电动机额定工作点。此时电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为额定转矩和额定转差率为 NnPTNN55. 9 0N0NnnnS 式中式中: PN电动机的额定功率；电动机的额定功率； n

16、N电动机的额定转速，一般电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。电动机的额定转矩。0N)985. 094. 0(nn 015. 006. 0N S额定工作点额定工作点 1, 0,3st SnTT 将将S=1代入转矩公式中，可得代入转矩公式中，可得2202222stXRURKT 电压降低，启动转矩会明显减小电压降低，启动转矩会明显减小转子电阻适当增大，启动转矩转子电阻适当增大，启动转矩会增大；会增大；而若增大转子电抗则会使启动而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。转矩大为减小。 通常把在固有机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动

17、转矩Tst与额定转矩与额定转矩TN之比之比 st=Tst/TN 称为启动能力系数，是衡量异步电动机启动能力的一称为启动能力系数，是衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。个重要数据。 2 . 10 . 1st 启动工作点启动工作点 mmmax,4SSnnTT 令令 0dSdT得临界转差率得临界转差率 202m/ XRS 再将再将Sm代入转矩公式中得代入转矩公式中得202max2XUKT 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 max=Tmax/TN称为电动机的称为电动机的过载能力系数过载能力系数。它表征了电动机能够承。它表征了电动机能够承

18、受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。受冲击负载的能力大小，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 . 2m 临界工作点临界工作点2人为机械特性人为机械特性 由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。 改变改变定

19、子电压定子电压U、定子电源频率定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗定子电路串入电阻或电抗、转转子电路串入电阻或电抗子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。等，都可得到异步电动机的人为机械特性。 （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 0n不变不变mS不变不变maxT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stT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 定子绕组外加电压为定子绕组外加电压为0.8UN:Tb=0.64Tma

20、x 定子绕组外加电压为定子绕组外加电压为UN: Ta=Tmax 定子绕组外加电压为定子绕组外加电压为0.5UN:Tc=0.25Tmax电压愈低，人为特性曲线电压愈低，人为特性曲线愈往左移。愈往左移。 三相交流异步电动机对电三相交流异步电动机对电网的波动非常敏感。网的波动非常敏感。 运行时，如电压运行时，如电压降低太多，会大大降降低太多，会大大降低它的过载能力与启低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或机发生带不动负载或者根本不能启动的现者根本不能启动的现象。象。（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

21、阻或电抗后，电动机端电压为在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，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压降，致使定子绕组电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似。这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似。（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，为此在即希望最大转矩保

22、持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使应的变化，使 U/f =C ，这在实质上，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。是使电动机气隙磁通保持不变。 fn 0fS/1m fT/1st 不不变变maxT（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 在三相线绕式异步电动机的转在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后，转子电路中子电路中串入电阻后，转子电路中的电阻为的电阻为2r2RR NrrstmrmTTXRRURRKTXUKTnnnXRRSpfnmax220222222202max0020220)()(260 Nrrstmrm

23、TTXRRURRKTXUKTnnnXRRSpfnmax220222222202max0020220)()(260 0n不变不变maxT不变不变mS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曲线。 stT电阻在一定的范围内时，增加电阻在一定的范围内时，增加5.4.1 鼠笼式异步电动机的启动方法鼠笼式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么鼠笼式异步电动机有直接启动和降压启动两种方法，采用什么启动方法，要根据实际情况而定。启动方法，要根据实际情况而定。 1直接启动（

24、全压启动）直接启动（全压启动） 直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接直接启动就是将电动机的定子绕组通过闸刀开关或接触器直接接入电源，在额定电压下进行启动。接入电源，在额定电压下进行启动。 特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。 直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。决于电动机的功率与供电变压器的容量之比

25、值。 5.4 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，一般在有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直时允许直接启动；接启动； 若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也时也允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下的情况下，电动机

26、启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。列关系则可直接启动。 电电动动机机功功率率电电源源总总容容量量额额定定电电流流启启动动电电流流 443NstII 例例5.2：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其 PN=20kW, Ist/IN=6.5 ，如果供电变压器（电源）容量为，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的且有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN 比值，功率为多比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？大的电动机则不允许直接启动？ 解：根据经验公式算出解：根据经验公式算出

27、5675720456043.II.kWkVANst 满足上述关系，故允许直接启动。满足上述关系，故允许直接启动。 kWNPkVA. 45604356 可算出，额定功率大于可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。的电动机不允许直接启动。 2电阻或电抗器降压启动电阻或电抗器降压启动 4自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动 3Y- 降压启动降压启动 5.4.2 线绕式异步电动机的启动方法线绕式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机的鼠笼式异步电动机的启动转矩小，启动电流大启动转矩小，启动电流大，因此不能满足，因此不能满足某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。某些生产机械需要高启动转

28、矩低启动电流的要求。 线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻，因此具有较大的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。的启动转矩和较小的启动电流，即具有较好的启动特性。 在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：在转子电路中串电阻的启动方法常用的有两种：逐级切除启动电逐级切除启动电阻法阻法和和频敏变阻器频敏变阻器启动法。启动法。T/Tmax代入代入 sm=R2/X20 化简得化简得: 2202222SXRUSRKTTmax=KU2/(2X20) sm=R2/X20 34. 5/2maxSSSSTTmm 此式为转矩此式为转矩-转差率特

29、性的实用表转差率特性的实用表达式，也称规格化转距转差率特性。达式，也称规格化转距转差率特性。SSSSTTmm/2max12maxmaxTTTTSSmPfSn60)1 ( 5.5 三相异步电动机的调速方法与特性三相异步电动机的调速方法与特性 其调速方法有：改变极对数其调速方法有：改变极对数p、改变转差率、改变转差率S(即改变电即改变电动机机械特性的硬度动机机械特性的硬度)和改变电源频率和改变电源频率f等。等。5.5.3 变频调速变频调速 pfnn600 变频调速是目前交流电动机调速的一种主要方法，它在许多方面已经取变频调速是目前交流电动机调速的一种主要方法，它在许多方面已经取代了直流调速系统，交

30、流调速技术已成为当前机电传动控制系统研究的主代了直流调速系统，交流调速技术已成为当前机电传动控制系统研究的主要内容之一。要内容之一。 变频调速用于一般鼠笼变频调速用于一般鼠笼式异步电动机，采用一个频式异步电动机，采用一个频率可以变化的电源向异步电率可以变化的电源向异步电动机定子绕组供电，这种变动机定子绕组供电，这种变频电源从称为频电源从称为变频器变频器。5.6 三相异步电动机的制动特性三相异步电动机的制动特性 异步电动机和直流电动机一样，亦有三种制动方式：反馈异步电动机和直流电动机一样，亦有三种制动方式：反馈制动、反接制动和能耗制动。制动、反接制动和能耗制动。 5.7.1 单相异步电动机的磁场

31、单相异步电动机的磁场 单相异步电动机的单相异步电动机的定子绕组为单相定子绕组为单相，转子一般为，转子一般为鼠笼式鼠笼式 。 当接入单相交流电源时，它在定子、当接入单相交流电源时，它在定子、转子气隙中产生一个磁场。转子气隙中产生一个磁场。 此磁场在空间并不旋转，只是此磁场在空间并不旋转，只是磁磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化化， 即即 tsinBBm 交流电源的角频率交流电源的角频率磁感应强度的幅值磁感应强度的幅值mB单相异步电动机单相异步电动机5.7 单相异步电动机的基本结构和工作原理单相异步电动机的基本结构和工作原理 其磁场曲线：其磁场曲线： 在电机系

32、统中，常把磁通在电机系统中，常把磁通大小随时间做大小随时间做正弦变化正弦变化的磁场的磁场称称脉动磁场。脉动磁场。 可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁可以证明，一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的脉动磁场（用磁感应强度场（用磁感应强度B表示），可以分解成两个转速相等而方向相反表示），可以分解成两个转速相等而方向相反的旋转磁场的旋转磁场 和和 ，磁感应强度的大小为：，磁感应强度的大小为：1mB2mB221/BBBmmm 两个旋转磁场的两个旋转磁场的同步转速同步转速为：为： pfn600 可分解可分解半径相同转向相反的两个圆形旋磁场半径相同转向相反的两个圆形旋磁场单相交流电通入

33、单相绕单相交流电通入单相绕组产生脉动磁场组产生脉动磁场 如果仅有一个单相绕如果仅有一个单相绕组，则在通电前转子原来组，则在通电前转子原来是静止的，通电后转子仍是静止的，通电后转子仍将静止不动。将静止不动。 若此时用手拔动它，若此时用手拔动它，转子便顺着拔动方向转动转子便顺着拔动方向转动起来，最后达到稳定运行起来，最后达到稳定运行状态。状态。 单相单相 异步电动机没有异步电动机没有启动能力启动能力，但一经推动后，它却能转动起，但一经推动后，它却能转动起来。来。 两个旋转磁场分别作用于两个旋转磁场分别作用于鼠笼式转子鼠笼式转子而产生两个方向相反的而产生两个方向相反的转矩。转矩。正向正向反向反向合成

34、合成T-S曲线曲线 结结 论：论： （1）在脉动磁场作用下的单相异步电动机）在脉动磁场作用下的单相异步电动机没有启动能力没有启动能力，即，即启启动转矩为零；动转矩为零； （2）单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，）单相异步电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态，其旋转方向不固定，完全取决于启动时的其旋转方向不固定，完全取决于启动时的旋转方向旋转方向。 因此，要解决单相异步电动机的应用问题，首先必须解决它的因此，要解决单相异步电动机的应用问题，首先必须解决它的启动转矩问题。启动转矩问题。 5.7.2 单相异步电动机的启动方法单相异步电动机的启动方法 单相异步电动机在启动时若能

35、产生一个旋转磁场，就可以建单相异步电动机在启动时若能产生一个旋转磁场，就可以建立启动转矩而自行启动，下面介绍常见的单相异步电动机。立启动转矩而自行启动，下面介绍常见的单相异步电动机。 电容分相式异步电动机电容分相式异步电动机 罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机 5.8 同步电动机的基本结构和工作原理同步电动机的基本结构和工作原理5.8.1 同步电动机的基本结构同步电动机的基本结构 定子定子：由铁心、定子绕组：由铁心、定子绕组（三相对称绕组，并通有对称（三相对称绕组，并通有对称三相交流电流）、机座以及端三相交流电流）、机座以及端盖等主要部件组成盖等主要部件组成 转子转子：包括主磁极、装在：

36、包括主磁极、装在主磁极上的主磁极上的直流励磁绕组直流励磁绕组、特、特别设置的鼠笼型启动绕组、电别设置的鼠笼型启动绕组、电刷以及集电环等主要部件。刷以及集电环等主要部件。 隐极式隐极式凸极式凸极式5.8.2 同步电动机的工作原理和运行特性同步电动机的工作原理和运行特性 1工作原理工作原理 电枢绕组通以对称三相交电枢绕组通以对称三相交流电流后，气隙中便产生一电流电流后，气隙中便产生一电枢旋转磁场，其旋转速度为同枢旋转磁场，其旋转速度为同步转速步转速pfn600 在转子在转子励磁绕组励磁绕组中通以直流电流后，同一空气隙中，又出现一中通以直流电流后，同一空气隙中，又出现一个大小和极性固定、极对数与电枢

37、旋转磁场相同的直流励磁磁场。个大小和极性固定、极对数与电枢旋转磁场相同的直流励磁磁场。这两个磁场的相互作用，使转子被电枢旋转磁场拖着以同步转速一这两个磁场的相互作用，使转子被电枢旋转磁场拖着以同步转速一起旋转，即起旋转，即“同步同步”电动机也由此而得名。电动机也由此而得名。 2机械特性机械特性 在电源频率在电源频率f 与电动机转子极对数与电动机转子极对数p为一定的情况为一定的情况下，转子的转速为一常数，下，转子的转速为一常数，n=n0，因此同步电动机具，因此同步电动机具有有恒定转速恒定转速的特性，它的运转速度是不随负载转矩而的特性，它的运转速度是不随负载转矩而变化的。同步电动机的机械特性。变化

38、的。同步电动机的机械特性。5.8.3 同步电动机的启动同步电动机的启动 同步电动机虽具有功率因数可以调节的优点同步电动机虽具有功率因数可以调节的优点,但却没但却没有像异步电动机那样得到广泛应用，这不仅是由于它的有像异步电动机那样得到广泛应用，这不仅是由于它的结构复杂、价格贵，而且它的启动困难。结构复杂、价格贵，而且它的启动困难。(a)二者相吸二者相吸 (b)二者相斥二者相斥由于惯性转子由于惯性转子产生摆动产生摆动 启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产启动时先不加入直流磁场，只在定子上加上三相对称电压以产生旋转磁场，鼠笼绕组中产生感应电势，即产生感应电流，从而使生旋转磁场，鼠笼

39、绕组中产生感应电势，即产生感应电流，从而使转子转动起来，等转速接近同步转速时，再在励磁绕组中通入直流转子转动起来，等转速接近同步转速时，再在励磁绕组中通入直流励磁电流，产生固定磁极的磁场，在定子旋转磁场与转子磁场的相励磁电流，产生固定磁极的磁场，在定子旋转磁场与转子磁场的相互作用下，便可把转子拉入同步。互作用下，便可把转子拉入同步。 为了启动同步电动机，以前常采用异步启动法，即在转子磁极为了启动同步电动机，以前常采用异步启动法，即在转子磁极的极掌上装有和鼠笼绕组相似的启动绕组，的极掌上装有和鼠笼绕组相似的启动绕组，如图如图5.65所示所示。习 题5.5 5.6 5.7 5.9 5.15 5.1

40、8 5.23第六章 控制电机交流伺服电动机交流伺服电动机小功率同步电动机小功率同步电动机力矩电动机力矩电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直线电动机直线电动机控制电动机控制电动机主要用来完成控制信号的传递和变换。主要用来完成控制信号的传递和变换。 传动生产机械用的传动生产机械用的传动电动机传动电动机主要用来完成能量的变换，具主要用来完成能量的变换，具有较高的力能指标有较高的力能指标(如效率和功率因数等如效率和功率因数等) ；控制绕组励磁绕组6.1.1 两相交流伺服电动机的结构6.1 交流伺服电动机6.1.2 基本工作原理pfn/600同步转速：同步转速：“自转自转”现象现象6.1.3 消除自转现

41、象的措施消除自转现象办法就是消除自转现象办法就是使转子导条具有较大电阻。使转子导条具有较大电阻。6.1.4 特性和应用 两相交流伺服电动机的控制方法有三种：两相交流伺服电动机的控制方法有三种：幅值控制；幅值控制；相位控制；相位控制；幅值幅值-相位控制。相位控制。1 . 62TKKRKUnteeccURmeKK ，式中，式中，电枢控制电压；电枢控制电压； 电枢回路电阻；电枢回路电阻； 每极磁通；每极磁通； 电动机结构常数。电动机结构常数。 由式由式(6.1)可以看出，改变控制电压可以看出，改变控制电压 或改变磁通或改变磁通 都可以控制都可以控制直流伺服电动机的转速和转向，前者称为直流伺服电动机的

42、转速和转向，前者称为电枢控制电枢控制，后者称为，后者称为磁场控制磁场控制。cU6.2 直流伺服电动机 从图看出，在一定负载转矩下，当磁通 不变时，如果升高电枢电压Uc电动机的转速就上升；反之，转速下降；当Uc 0时，电动机立即停止，因此，无自转现象。无无“自转自转”现象现象力矩电动机的分类力矩电动机的分类：直流力矩电动机异步力矩电动机同步力矩电动机交流力矩电动机力矩电动机6.3 力矩电动机 1.转矩大的原因转矩大的原因6.3.2 直流力矩电动机转矩大，转速低的原因直流力矩电动机转矩大，转速低的原因lB从直流电动机基本工作原理可知，设直流电动机每个磁极下磁感应强从直流电动机基本工作原理可知，设直

43、流电动机每个磁极下磁感应强度平均值为度平均值为aI，电枢绕组导体上的电流为，电枢绕组导体上的电流为，导体的有效长度为，导体的有效长度为，则每根导体所受的电磁力为，则每根导体所受的电磁力为lBIFa电磁转矩为电磁转矩为DlNBIDlNBIDNFT222aaND式中，式中，电枢绕组总匝数；电枢绕组总匝数； 电枢铁心直径。电枢铁心直径。DlNBIDlNBIDNFT222aa2. 转速低的原因转速低的原因导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电势为导体在磁场中运动切割磁力线所产生的感应电势为Blveav60Dnv式中，式中，导体运动的线速度，导体运动的线速度，。120/0aaDnNBlEU即即 NBl

44、DUna0120NBlDUna0120 由以上分析可知，在其他条件相同的情况下，增大电动机直径，减小轴由以上分析可知，在其他条件相同的情况下，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电动机的转矩和降低空载转速，故力矩电动机都做成扁向长度，有利于增加电动机的转矩和降低空载转速，故力矩电动机都做成扁平圆盘状结构。平圆盘状结构。6.5 直线电动机直线电动机：直线异步电动机、直线直流电动机和直线同步电动机三种。 6.5.1直线异步电动机的结构(a)旋转式旋转式 (b) 直线式直线式图图6.17 异步电动机的结构异步电动机的结构图图6.18 平板型直线电动机平板型直线电动机6.5.2 直线异步电动机的工

45、作原理图图6.19 直线电动机的工作原理直线电动机的工作原理直线电动机是由旋转电动机演变而来的，因而当初级的多相绕组通直线电动机是由旋转电动机演变而来的，因而当初级的多相绕组通入多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度入多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强度B按通电的相序顺序作直线移动按通电的相序顺序作直线移动(见图见图6.19)，该磁场称为，该磁场称为行波磁场行波磁场。用用sv表示，且表示，且 )cm/s(2sfv f式中，式中， -极距极距(cm)； -电源频率电源频率(Hz)。2m2cosKpIF 直线异步电动机的推力公式与三相异步电动机转矩公式相类似，即直

46、线异步电动机的推力公式与三相异步电动机转矩公式相类似，即KP2Im2cos式中：式中：-电机结构常数；电机结构常数； -初级磁极对数；初级磁极对数； -次级电流；次级电流； -初级一对磁极的磁通量的幅值；初级一对磁极的磁通量的幅值； -次级功率因数。次级功率因数。 极距是用极距是用槽数槽数来表示的来表示的, ,用用定子定子( (或转子或转子) )铁芯的槽数铁芯的槽数除以除以电机的极电机的极数数( (如六极电极为六如六极电极为六) )得极距得极距. . FvSvS在在推力作用下，次级运动速度推力作用下，次级运动速度应小于同步速度应小于同步速度，则滑差率，则滑差率为为ssvvvS故次级移动速度故次

47、级移动速度)1 (2)1 (sSfvSv 上式表明直线异步电动机的速度与电机极距及电源频率成正比，因此，上式表明直线异步电动机的速度与电机极距及电源频率成正比，因此，改变极距或电源频率都可改变电动机的速度。改变极距或电源频率都可改变电动机的速度。 与旋转电动机一样，改变直线异步电动机初级绕组的通电相序，就可与旋转电动机一样，改变直线异步电动机初级绕组的通电相序，就可改变电动机运动的方向，从而可使直线电动机作往复运动。改变电动机运动的方向，从而可使直线电动机作往复运动。习 题6.2 6.3 6.5 6.6 6. 9 6.11机机 电电 传传 动动 控控 制制( (第四版第四版) )步进电动机步进

48、电动机实物图步进电动机实物图 基本要求基本要求 掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；其物理意义； 掌握步进电动机的结构和工作原理，以及主要技术指标和掌握步进电动机的结构和工作原理，以及主要技术指标和特性。特性。步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。 每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角 ，简称为步距。 步进电动机的角位移与输入脉冲数角位移与输入脉冲数严格成比例，运行中无累积误差。累积误差。A-B-C-A1)基本工作原理基本工作原理13.1.1 步进电动机工作原

49、理2)通电方式通电方式 三相步进电动机一般有单三拍、单双六拍及双三拍等通电方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕组通电，而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。 单相轮流（三相单三拍）通电方式 指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。通电顺序为AB时，转子按顺时针方向一步一步转动。通电顺序改为A时，转子按逆时针方向一步一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。 电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（上例中转子有四个齿，则齿距角为90）电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完

50、一个齿距角，则步距角为30 因为定子绕组为三相，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，故称为三相单三拍通电方式。在这种通电方式下，每次只有一相控制绕组通电吸引转子，容易使转子在平衡估量附近产生振荡运行稳定性较差。另外，在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组开始通电，容易造成失步，因而实际上很少采用这种通电方式。 双相轮流（三相双三拍）通电方式： 按AB-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也30，运行稳定性较前者好。 因为它是两相绕组同时通电，故称为三相双三拍通电方式。其转子受到的感应力矩大，静态误差小，定位精度高。另外，转换时始终有

51、一相的控制绕组通电，所以工作稳定，不易失步。 单双相轮流（三相单、双六拍）通电方式： 按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。因为它是单、双相绕组轮流通电，故称为三相单双六拍通电方式，具有双三拍的特点。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15。单双拍运行单双拍运行 A-AB-B-BC-C-CA-A 6A-AB-B-BC-C-CA-A 6拍拍2 .1336036000ZKmNZ拍数齿距1 .13/3600ZKmNNKKZ拍数，状态系数转子齿数21 当定子通电循环一周时，转子转过一个齿距。设转子齿数为Z，则转

52、子齿距为：因为每通电一次，转子走一步，故步距角为:(单三拍、双三拍时，K=1；单、双六拍时，K=2) 13.1.2 实用的小步距角步进电动机003403360005 . 14032360若步进电动机的Z=40，三相单三拍运行时，其步距角若按三相六拍运行时，步距角 由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。2 .1336036000ZKmNZ拍数齿距根据 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f(HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为： N/fff3 .13f6fKmZ60602fKmZ26

53、02fn 相通电脉冲频率步进电动机转速例例 题题例例13.113.1一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有转子有4040个齿，脉冲源频率为个齿，脉冲源频率为600Hz600Hz，求：，求：(1)(1)写出一个循环的通电顺序写出一个循环的通电顺序, ,(2)(2)求步进电动机步距角求步进电动机步距角(3)(3)求步进电动机转速求步进电动机转速n n A-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-B-BA 0005 . 13240/360ZKm3602 min/ r150324060060ZKmf60n3 解解 (1)脉冲分配方式

54、有两种：脉冲分配方式有两种：例例13.213.2 若一台若一台 BFBF系列四相反应式步进电动机，系列四相反应式步进电动机，其步座角为其步座角为 1.81.80 0/0.9/0.90 0。试问：。试问： (1)1.8(1)1.80 0/0.9/0.90 0表示什么意思表示什么意思? ? (2) (2)转于齿数为多少转于齿数为多少? ? (3) (3)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。 (4)(4)在在A A相测得频率为相测得频率为400Hz400Hz时，其每分钟的转速为多少时，其每分钟的转速为多少? ? 50148 . 1360ZZKm3602000 以单

55、四拍计算(3) A-AB-B-BC-C-CD-D-DA解解 (1)根据步进电机结构的概念可知根据步进电机结构的概念可知1.80/0.90分别表示单四分别表示单四拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。拍运行的步距角和单双八拍运行的步距角。(4)(4)在在A A相测得频率为相测得频率为400Hz400Hz时，其每分钟的转速时，其每分钟的转速为多少为多少? ?解解 min/ r4805040060ZNNf60ZKmf60n4 相例例13-313-3 有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电动机定子励磁绕组，测得步进电动机的转十拍通电的步

56、进电动机定子励磁绕组，测得步进电动机的转速为速为100r100rminmin，已知转子有，已知转子有2424个齿。求：个齿。求： 写出通电顺序。写出通电顺序。 (2)(2)步进电机的步距角：步进电机的步距角： (3)(3)脉冲电源的频率。脉冲电源的频率。解：解： A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA脉冲分配方式有两种：脉冲分配方式有两种：(3)脉冲电源的频率脉冲电源的频率min/10060rnKmZfn，其中，根据HzKmZnf40060100245260(2)步距角步距角5 . 12452360360得，根据KmZ13.1.4 步

57、进电动机的主要特性与性能指标 1.步进电动机的主要特性1)距角特性 TSMAX 2 2 T 0 e 步进电动机的矩角特性步进电动机的矩角特性2)启动惯频特性 在负载转矩在负载转矩TL=0的条件下，步进电动机由的条件下，步进电动机由静止状态静止状态突然启动、不失步突然启动、不失步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率。地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率。启动惯频特性启动惯频特性 3)运行频率特性4)距频特性 矩频特性描述了步进电动机在负载转动惯量一定且稳态运行时的最大输出转矩与脉冲重复频率的关系。 在连续运行状态下，步进电动机的最大输出转矩随脉冲重复频率的升高而下降。如图所示为两种步进电动机的矩频特性 0f/