机电传动控制4

第四章交流电动机的工作原理及特性本章要点:

了解异步电动机的基本结构和工作原理掌握旋转磁场产生的机理；

掌握异步电动机的机械特性;

掌握异步电动机启动、调速、制动的方法；学会用机械特性的四个象限分析电动机运行状态；掌握单相异步电动机的启动方法和工作原理；了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性;

掌握各种异步和同步电动机的使用场所。第四章交流电动机的工作原理及特性第一节三相异步电动机的结构和工作原理交流电机异步电机、异步电动机同步电机三相异步电动机同步发电机同步电动机单相异步电动机分类:一、基本结构

转子第一节三相异步电动机的结构和工作原理定子定子铁心定子绕组机座转子铁心转子绕组转轴一、基本结构

转子第一节三相异步电动机的结构和工作原理定子定子铁心定子绕组机座转子铁心转子绕组转轴

三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流在定子铁心中产生旋转磁场。一、基本结构

转子第一节三相异步电动机的结构和工作原理定子定子铁心定子绕组机座转子铁心转子绕组转轴鼠笼式线绕式线绕式和鼠笼式的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成。线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速。第一节三相异步电动机的结构和工作原理一、基本结构

TCNS转差率

所以这种电动机称为异步电动机，也叫感应电动机。

定子线圈通三相交流电→产生旋转磁场→相当于转子切割磁力线运动→在转子回路中产生感应电流(右手定则)→带电导体在旋转磁场中受到电磁力(左手定则)→产生电磁转矩→使转子转动(方向与旋转磁场同向)→电动机转动.二、工作原理第一节三相异步电动机的结构和工作原理转子与定子磁场的转速不同n电流正方向为：从各相绕组的首端流到末端为正。

A——XB——YC——Z第一节相异步电动机的结构和工作原理三、旋转磁场的形成1、过程分析A

XBYCZ++A

XBYCZ++A

XBYCZ++A

XBYCZ++abcdSNSNSNSN三、旋转磁场的形成2.旋转磁场的旋转方向ACBACB三、旋转磁场的形成结论：旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。任意两根导线对调就可以改变磁场旋转方向3.旋转磁场的极数与旋转速度上述分析可以得出：电流经过一个周期变化（变化360电角度），旋转磁场在空间上也转过一转（转了360机械角度），若电流频率为f，旋转磁场每分钟旋转60f转，即n0=60f（一对极）。若将定子做如下改变：三、旋转磁场的形成结论：因此若有p对磁极，则磁场的转速为：

n0=60f/p过程分析：绕组在空间对称分布，相隔60度。电流变化1次，磁场在空间转过1/2转。此时，磁极对数p=2。3.旋转磁场的极数与旋转速度一、定子绕组的连接方式

当电动机接入电源的线电压等于电动机的额定相电压时，应接成三角形；若是相电压的倍，应接成星形。如：铭牌标有和380/220时，电源线电压为380V时接成星形，为220V时接成三角形。第二节三相异步电动机的额定参数

例电源线电压为380V，现有两台电动机，其铭牌数据如下，试选择定子绕组的连接方式。1.J32-4，功率1.0kW，连接方法/Y，电压220/380V，电流4.25/2.45A，转速1420r/min，功率因数0.79。2.J02-21-4，功率1.1kW，连接方法，电压380V，电流6.27A，转速1410r/min，功率因数0.79。

解：J32-4电动机应接星形（Y），如图(a)所示。

J02-21-4电动机应接成三角形（），如图(b)所示。第二节三相异步电动机的额定参数1．线电压与相电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1表示；相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用U相表示。对于星形接法：对于三角形接法：2．线电流与相电流线电流：电网的供电电流，用I1表示；相电流：每相绕组的电流，用I相表示。

星形接法：三角形接法：3.电动机的输入功率一、定子绕组的连接方式第二节三相异步电动机的额定参数1)型号，如Y90S-4、Y112M-4；2)额定功率PN：在额定情况下，电动机轴上输出的机械功率;3)额定电压UN：在额定情况下，定子绕组应加的线电压值;4)额定频率f：在额定情况下，定子外加电压的频率;5)额定电流IN：在额定情况下，定子的线电流值;6)额定转速nN：在额定情况下,电动机的转速;7)温升(或绝缘等级)。二、三相异步电动机的额定值第二节三相异步电动机的额定参数根据以上数据求出其他额定值：1)额定功率因数cosφN

：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦cosφN

。P=3UPIP

cosφN.2)额定效率：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时．电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为：3)额定负载转矩TN：电动机在额定转速下输出额定功率时,电机轴上的负载转矩。第二节三相异步电动机的额定参数三、三相异步电动机的能流图第二节三相异步电动机的额定参数第三节三相异步电动机的转矩与机械特性1、定子电路一、三相异步电动机的定子与转子电路第三节三相异步电动机的转矩与机械特性二、转子电路第三节三相异步电动机的转矩与机械特性第三节三相异步电动机的转矩与机械特性第三节三相异步电动机的转矩与机械特性

可见,三相异步电动机的转子电路的各个物理量如:转子感应电势E2、I2、X20、cos2等都与转差率S有关，也即与转速n有关。第三节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一、三相异步电动机的转矩直流电动机：E2I2E2φ2讨论：1）当cosφ2=1，纯电阻性负载，

I2与E2同向；2）当cosφ2<1，可以认为此时线圈中的电流是I2′=I2cosφ2

；3）当cosφ2=0，纯感性负载好，T=0。交流电动机：二、机械特性表达式1）物理表达式：2）参数表达式：三相异步电动机的转矩与机械特性二、机械特性表达式2）参数表达式：讨论：①当S＝0，n=（1-S）n0=

n0，为理想空载转速；②当S较小时，忽略电抗，则T与S近似线性关系；③当S较大时，随着转速的下降，转矩也变小。④

最大转矩Tmax=KU12/2X20；临界转差率sm=R2/X20。三相异步电动机的转矩与机械特性3）实用表达式：三相异步电动机的转矩与机械特性二、机械特性表达式三、固有机械特性

异步电动机在UN和fN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称为固有(自然)机械特性。四个特殊点：理想空载工作点：

T＝0，n＝n0，S＝0；三相异步电动机的转矩与机械特性2)

额定工作点：空载工作点额定工作点三、固有机械特性

异步电动机在UN和fN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称为固有(自然)机械特性。四个特殊点：3)临界工作点：T＝Tmax，n＝nm，(S＝Sm)，最大转矩Tmax=KU12/2X20；临界转差率sm=R2/X20。临界工作点第五节三相异步电动机的转矩与机械特性三、固有机械特性

异步电动机在UN和fN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称为固有(自然)机械特性。四个特殊点：第五节三相异步电动机的转矩与机械特性4)启动工作点：n＝0，(S＝1)，T＝TST；启动工作点三、固有机械特性第五节三相异步电动机的转矩与机械特性四、人为机械特性

由上式知，改变定子电压U1、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗、定子电源频率f1

等，都可得到异步电动机的人为机械特性。第五节三相异步电动机的转矩与机械特性1、降低电源电压时的人为机械特性

随电压的减小而变小，不变；特点:n0=60f/p不变；

随电压的减小而变小。第五节三相异步电动机的转矩与机械特性2、定子电路接入电阻或电抗时的人为特性特点:n0=60f/p

不变；

不变；变小；

减小。第五节三相异步电动机的转矩与机械特性n0=60f/p当f变小，n0

变小；3、改变定子电源频率时的人为特性

变大。

变大，变大；一般变频调速采用恒转矩调速，Tmax保持恒值，改变f时，U也作相应的变化，使U／f=常数，使气隙磁通不变;特点:第五节三相异步电动机的转矩与机械特性4、转子电路串电阻时的人为特性此时的人为特性是一条比固有特性较软的一条曲线。特点:n0=60f/p不变；

不变，变大；

变大。第五节三相异步电动机的转矩与机械特性TST>TL，且启动转矩越大越好；启动电流

IST越小越好，一般IST≥(4-7)IN；启动平滑，以减小对机械的冲击；启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便；启动功耗越小越好；其中，前两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。第六节三相异步电动机的启动特性一、对电动机启动的主要要求；启动电流大启动转矩小二、异步电动机的启动特性：第六节三相异步电动机的启动特性特点：直接启动电流大，由于功率因数低，启动转矩小。三、鼠笼型异步电动机的启动方式：

(1)全压直接启动

(2)降压启动第六节三相异步电动机的启动特性1.直接启动（全压启动）将电动机的定子绕组通过闸刀开关直接接入电源，在额定电压下进行启动。1.直接启动（全压启动）特点：控制线路简单；维修工作量小；

启动电流大；应用场合：用于中、小容量的异步电动机启动。第六节三相异步电动机的启动特性三、鼠笼型异步电动机的启动方式：直接启动的条件：独立变压器供电时：电动机启动频繁，电机功率小于变压器容量20％，电动机不经常启动，电机功率小于变压器30％。没有独立的变压器供电(即与照明共用电源)：电动机启动比较频繁，满足下列关系则可直接启动。第六节三相异步电动机的启动特性1.直接启动（全压启动）2.降压启动

启动时先降低电压，当转速接近额定值时，再恢复到额定电压。适用于启动时负载转矩不大的情况，如轻载或空载。常用的降压启动方式有：

定子串电阻或电抗器降压启动

Y—△降压启动 自耦变压器降压启动第六节三相异步电动机的启动特性特点：

1）定子电路串电阻或电抗器降压启动KM2FU1RKM1FRM3UU1第六节三相异步电动机的启动特性①

启动转矩小，适用于轻载或空载场合。②电阻器上的消耗能量大，不适应频繁启动场合，而电抗器成本太高。2.降压启动

启动时，定子绕组连成

Y

形，转速接近额定转速时，将定子绕组连成△形,电动机进入正常运行。2）Y—△降压启动优点：设备简单、经济；启动电流小；缺点：启动转矩小；启动电压不能按实际需要调节。适用场合：空载或轻载启动,且正常运行时,定子绕组为三角形连接的异步电动机。第六节三相异步电动机的启动特性2.降压启动星-角启动电流、启动转矩的相互关系：L1L2L3

UlZ1Z2Z3IST△L1L2L3N

Ul

UpZ1Z2Z3ISTY∵IST△=3IP△=3Ul

/

Z；

ISTY=

IPY

=（Ul

/3）/Z

∴ISTY=IST△/3，TSTY=TST△/3第六节三相异步电动机的启动特性UL－电源电压

Z－一相绕组的阻抗3）延边△降压启动特点：

与Y—△降压启动相比，相电压增大，且Y形部分绕组越小，电压越大。因此TST、IST都增加。第六节三相异步电动机的启动特性2.降压启动4）自耦变压器降压启动启动原理：Ul/

U2=Nl/

N2=1/

K，I1/

I2=K，K<1，降压启动时：

IST2＝I2=U2/Z=KU1/Z=KIST1

I1=KI2=

KIST2

=K2IST1，启动电流变小全压启动时：

IST1=U

l/

Z，第六节三相异步电动机的启动特性2.降压启动特点：相对于Y—△降压启动1）K是可以调节的，因此启动电压、启动转矩可通过不同的抽头来调节，具有调整灵活的优点。2）启动设备体积大，价格贵、维修困难。应用场合：通常只用于启动大型和特殊用途电动机。第六节三相异步电动机的启动特性4）自耦变压器降压启动2.降压启动四、线绕式异步电动机的启动方法线绕式异步电动机：能在转子电路中串电阻，具有较大启动转矩和较小的启动电流，启动特性较好。应用场合：大功率电机的启动。实现方法：逐级切除启动电阻法频敏变阻器启动第六节三相异步电动机的启动特性

鼠笼式异步电动机：启动转矩小，启动电流大，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。采用逐级切除启动电阻的方法，主要是为了使整个启动过程中电动机能保持较大的加速转矩。1.转子回路串多级电阻启动第六节三相异步电动机的启动特性四、线绕式异步电动机的启动方法2.串频敏变阻器启动工作原理：把涡流损耗等值为电阻R，且R∝f22，另感抗X∝f2

，频敏变阻器相当于电阻R和电抗X的并联电路。第六节三相异步电动机的启动特性

启动时，阻抗大，启动电流小，启动转矩大；当达到额定转速，f2较小阻抗近似为0，电机正常运行。四、线绕式异步电动机的启动方法特点：自动平滑调节启动电流和启动转矩；结构简单，运行可靠，无需经常维修；功率因数低，启动转矩的增大受到限制；不能用作调速电阻。应用场合：用于对调速没有什么要求、启动转矩要求不大、经常正反向运转的线绕式异步电动机的启动，它广泛应用于冶金、化工等传动设备上。第六节三相异步电动机的启动特性2.串频敏变阻器启动四、线绕式异步电动机的启动方法知：在一定负载下，想得到不同的转速n，则可以通过改变S、

f、

p

三个参数来实现。所以三相异步电动机有如下四种调速方法：调压调速、转子串电阻调速、串级调速、变极对数调速、变频调速和转子电路串电阻调速。由异步电动机的转矩、转速公式：第七节三相异步电动机的调速特性1、改变磁极对数调速

磁极对数p

的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。第七节三相异步电动机的调速特性

特点：多速电动机虽其体积稍大、价格稍高、只能有级调速、但因结构简单、效率高、特性好，调速时所需附加设备少，因此，广泛用于机电联合调速的场合，特别是中、小型机床。变极调速原理（单绕组双速电机）NSA1A2X1X2A1X1A2X2每相绕组中两个线圈并联时(p=1)

NNSSA1X1A2X2每相绕组中两个线圈串联时(p=2)

A1X1A2X2第七节三相异步电动机的调速特性2、变频调速

改变电源频率需要专门的变频装置，控制电路复杂、成本较高，但可实现大范围的无级调速，是交流调速的发展方向。特点：

n0=60f/p

，f降低，n0

变小，Sm

变大；U1=E1=4.44f1N1m，基频以下

U/f=常数

，m保持恒定，Tm不变；基频以上恒压弱磁调速；

无级调速，D较大；需要变频器。第七节三相异步电动机的调速特性3、调压调速特点：

n0=60f/p

不变，Sm不变，

TST、Tmax减小；能够实现无级调速；对于恒转矩负载，D较小，对于通风机负载，D较大；第七节三相异步电动机的调速特性4、转子电路串电阻调速特点：

n0，Tmax不变，Sm随R2增加而增加；有级调速，调速范围小，相对稳定性差；适用于线绕式异步电动机，设备简单，其启动电阻可兼作调速电阻。应用场合：用在重复短期运转的生产机械中.

例如，在起重、运输设备.第七节三相异步电动机的调速特性第八节三相异步电动机的制动特性制动：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。制动方式：反馈制动反接制动能耗制动n0NSn1.反馈制动因某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，异步电动机就进入发电状态。反馈电能给电网所以，反馈制动又称发电制动。第八节三相异步电动机的制动特性

这时电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向，即T与n的方向相反，起制动作用。情况一：负载转矩为位能性转矩如：起重机械下放重物时正转反转第八节三相异步电动机的制动特性

改变转子电路串入的电阻，可以调节重物下降速度，为了不致因电机转速太高而造成运行事故，转子附加电阻的值不允许太大。1.反馈制动情况二：在变极调速或变频调速过程中，使n0突然降低时。n0=60f/p第八节三相异步电动机的制动特性如：某生产机械采用双速电动机传动，由高速运行时为4极(2P＝4)，向低速8极(2P＝8)切换过程。1.反馈制动2、电源反接制动如果正常运行时异步电动机三相电源的相序突然改变，即电源反接，此时电动机出现制动状态。第八节三相异步电动机的制动特性

由于反接制动时电流很大．对鼠笼式电动机常在定子电路中串接电阻；对线绕式电动机则在转子电路中串接电阻，以减小电流。nn0NSTm

位能负载转矩超过电磁转矩的时，出现倒拉反接制动。例如启重机下放重物，为了使下降速度不致太快，就常用这种工作状态。3、倒拉反接制动第八节三相异步电动机的制动特性转子电路内串入较大的附加电阻

先切断交流电源，再在定子两相绕组内通一直流电，产生制动力矩。4、能耗制动第八节三相异步电动机的制动特性nn0NST

先切断交流电源，再在定子两相绕组内通一直流电，产生制动力矩。4、能耗制动第八节三相异步电动机的制动特性优缺点：①制动平稳,可以通过调节直流电流调节制动转矩

If=(2-3)IN；②不会反转；③需直流电源，当n=0时，要及时切断直流电源，否则会烧毁电机。。

第九节单相异步电动机单相异步电动机，是一种容量从几瓦到几百瓦，由单相交流电源供电的旋转电机，具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列优点，所以广泛用于电风扇、洗衣机、电唱机、吸尘器、医疗器械及自动控制装置中。单相异步电动机为什么会旋转？为什么需要启动电容？其机械特性怎样？AX一、工作原理:

定子绕组为单相，转子一般为鼠笼式，当接入单相交流电源时，它在定、转子气隙中产生交变脉动磁场。i

第九节单相异步电动机

此磁场在空间并不旋转，只是磁通或磁感应强度的大小随时间作正弦变化。单相异步电动机的磁场

脉动磁场可以分解成两个转速相同，方向相反的旋转磁场。一、工作原理:结论:1)单相异步电动机没有自启动能力；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，其旋转方向不固定．完全取决于启动时的旋转方向。

第九节单相异步电动机n=0，T=0，故不能启动1.电容分相式单相异步电动机启动绕组：BY绕组工作绕组：AX绕组适当选择参数C使BY绕组中的电流，在相位上超前AX绕组中的电流90度。通电后能产生一个旋转磁场，使其启动。

换向问题：改变C的串联位置

第九节单相异步电动机二、单相异步电动机的启动方法2.罩极式单相异步电动机

罩极部分未罩部分2

1

2滞后于1

第九节单相异步电动机掌握同步电动机的工作原理；了解同步电动机的结构；掌握同步电动机的运行特性;了解同步电动机的使用场所。第十节同步电动机的工作原理、特点及应用

本节要点T转差率

所以称为异步电动机。

定子线圈通三相交流电→产生旋转磁场→相当于转子切割磁力线运动→在转子回路中产生感应电流(右手定则)→带电导体在旋转磁场中受到电磁力(左手定则)→产生电磁转矩→使转子转动(方向与旋转磁场同向)→电动机转动.内容回顾：三相异步电动机的工作原理转子与定子磁场的转速不同！n第十节同步电动机的工作原理、特点及应用

NSn0一、异步电动机的同步运行

三相定子绕组通对称三相交流电流后，产生一旋转磁场。

第十节同步电动机的工作原理、特点及应用

若在转子中通以直流电流后，又出现一