第四章电机与控制电路

电动机的分类：电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机第４章发电机与电动机实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。机械能电能发电机电动机4.1三相异步电动机4.1.1.构造三相异步电动机的外形结构铁心：由内周有槽的0.5mm厚硅钢片叠成。U1----U2V1----V2W1----W2三相绕组机座：铸铁或钢板焊接支撑铁心和固定电机硅钢片装有三相绕组的定子1、定子定子绕组定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2Y联结W1U1V1W2U2

V2联结接线盒W2U2V2U1V1W12、转子鼠笼式绕线式转子铁心转子绕组转轴轴承0.5mm的硅钢片叠压笼型转子(1)笼型转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环连成一体，或用铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的变阻器上，以便改善电机的起动和调速性能。图4.7绕线式转子绕组与外接变阻器的连接

4.1.2三相异步电动机的工作原理U1W2W1ZV1V2o1、旋转磁场的产生tU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2

1)三相电流合成磁

场的分布情况600o分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。2)旋转磁场的极对数PC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC旋转磁场：工频：p=1时p=2时旋转磁场转速n1与极对数p的关系旋转磁场转速n1与频率f1和极对数p有关。可见:2.三相异步机的转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场电磁力FFF4.2.3转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速n1相等，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。转差率s

它是分析异步机运行的一个重要参数。一般S=2%---8%之间。4.2三相异步电动机的启动、调速与制动起动问题：起动电流大，起动转矩小。

大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：原因：4.2.1三相异步电动机的启动:三相异步电动机接通电源后，转子转速由零逐渐上升到稳定值的过程。启动方法有如下几种：1、直接起动：

n=0，s=1,接通电源。起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

在低压公共电网供电的系统中，电动机容量不超过10KW时，容许直接启动。在专用变压器供电系统中，单台电动机容量不超过变压器容量的20%～30%时，也允许直接启动。2、降压起动：在电动机启动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速升高接近稳定时，再加上全部额定电压，以正常运行的方法。

常用的降压启动方法：

（1）定子绕组串接入电阻

或电抗器的降压启动

常用的降压启动方法：(2)Y－换接启动。Y-Δ换接起动：在起动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。适用范围：正常运行时定子绕组是三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。优点：起动电流为全压起动时的1／3。自耦降压启动：利用三相自耦变压器降压作用，将启动电压减小来达到减小启动电流的目的。自耦变压器备有40％、60％、80％等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。(3)自耦变压器降压启动。1、改变定子绕组的电流频率

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~三种电气调速方法4.2.2三相异步电动机的调速

变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。2、改变定子绕组的磁极对数PA1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii••P=1采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1··A2X1X2SN3、改变转差率S调速

变转差率S的调速适用于绕线式电动机，是特有的一种调速方法。将电动机中的转子串入电阻，只要调电阻值大小，便可调速。该方法的优点是调速平滑、设备简单投资少。缺点是调节电阻的能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重等恒转矩的设备中。1、反接制动将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

4.2.3三相异步电动机的制动M3~运转制动•nF转子Tn02、能耗制动

在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。nF转子Tn0=0M3~+-运转制动•RP4.3三相异步电动机铭牌1、型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y160M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号(L,M,S)机座中心高（mm）三相异步电动机2.额定频率电动机加在电动机定子绕组上的交流电源频率。3.额定电压电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。4.额定功率电动机在额定电压、额定频率下，额定负载运行工作状态下电动机上的输出机械功率，又称电动机的容量。额定转矩：5.额定电流电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。6.额定转速电机在额定运行状态下的转子转速。7.接法电动机在额定电压作用下的三相定子绕组的连接方式。如电动机定子绕组额定电压为220V,电源电压为220V，则电动机三相绕组应做三角形连接；电源电压为380V时，电动机应做Y型连接。8.绝缘等级电动机定子绕组所用绝缘材料允许的最高温度等级。有：A、E、B、F、H、C等，对应的极限工作温度为：105℃

、120℃

、130℃

、155℃

、180℃和大于180℃。9.工作方式电动机正常连续使用时，允许连续运转的时间，一般分连续、短时和断续三种工作方式。4.5.1直流电机的构成：直流电机由定子、转子（电枢）和机座等部分构成。机座磁极励磁绕组转子4.5直流电动机1.转子（又称电枢）由电枢铁芯、电枢绕组、换向器组成。2.定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。由磁极、励磁绕组、机座、电刷装置等组成。1）他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。

4.5.2直流电动机的分类

直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机UUfIaM+_+_If他励IaUM+_If+_IE并励2.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。其特点是：为常数。4)复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3）串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。主要用于汽车启动机，其启动转矩大。串励UIf+_IaM1、直流电动机的构造4.5.3直流电动机的工作原理定子转子机座、主磁极、换向极、电刷装置等铁心、绕组、换向器作用是产生磁场和作电机的机械支撑产生感应电动势实现能量转换的关键部分。直流电机的主要结构：额定功率PN:

电机轴上输出的机械功率。额定电压UN:

额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）额定电流IN:

额定电压下轴上输出额定功率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。

三者关系：PN=UNIN

（：效率）额定转速nN:

在PN,UN,IN

时的转速。直流电机的转速一般在500r/min以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。

调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN

。

。2、直流电动机的额定值注意3、直流电机的基本工作原理IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于电刷和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后所受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。Ce

:

与电机结构有关的常数n:

电动机转速：磁通1）电枢感应电动势(反电势）

E=CenU–+EETnSbNdFFacII换向片电刷由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。式中：U—外加电压Ra

—绕组电阻2）电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UMCT:与电机结构有关的常数

:线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3）电磁转矩单位:(韦伯)，Ia

(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为4）转矩平衡关系

电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=CT

Ia当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程T2:机械负载转矩T0:空载转矩例：设外加电枢电压U一定，T=T2

(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia

、P入)

。T2nIa

Tem

EE=Cen4.5.4并励直流电动机的机械特性由图可求得由上分析可知：当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数。则IaUM+_If+_IEa令：由以下公式求得IaUM+_If+_IE4.5.4并励直流电动机的机械特性转速降式中：n=f(T)

特性曲线n0nNTN并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线n0Tn4.6直流电动机的起动、调速、转向与制动起动:直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；4.6.1.启动1.起动问题：(1)起动电流大(2)起动转矩大起动转矩为(10~20)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。2.起动方法

3.注意事项(1)电枢串电阻起动法(2)降压起动法：直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=CTIa),

电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。

(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势

E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。

(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。（Ea

IaT>>

T0

n飞车）4.6.2直流电动机的调速(以并励(他励)直流电动机为例）1）调速均匀平滑，可以无级调速。2）调速范围大，调速比可达200以上,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。主要优点：由转速公式:可见直流电机调速方法有三种。可见：在U一定的情况下，改变可改变转速n。1）改变磁通调速保持电枢电压U不变，改变励磁电流If(调Rf)以改变磁通。由式Rf

Ifn一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即改变磁通调速的方法：减小磁通，n只能上调。改变时的机械特性如图。TLTn（

减小）Rf增加O动画(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达３~４,例如530~2120r/min及310~1240r/min。

减小调速的特点：(1)若调速后

Ia

保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。使用调磁调速时应注意：2）改变电压调速调速特性是一组平行曲线n0"n0'电压降低Tc特性曲线n0nT0改变电压调速的特点:(1)工作时电压不允许超过UN

，而nU,所以调速只能向下调。(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(4)调速幅度较大。改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。3）电枢串电阻调速电枢中串入电阻,使n、

n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。Rann0T

电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此n只能下调。特点：(1)设备简单，操作方便。(2)机械特性软，稳定性差。(3)能量损耗大，只用于小型直流机。Ra

+

R电阻增大4.6.3直流电动机转向电磁转矩：T

=CT

Ia

(1)改变励磁电流的方向。(2)改变电枢电流的方向。注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。改变直流电机转向的方法有两种：4.6.4直流电动机的制动

当S打向下时，电动机与电源脱离，与RB相连形成回路。电枢有惯性继续旋转，励磁电路也继续工作。电枢绕组乃切割磁力线产生感应电动势，且方向不变。但此时电动机变为发电机向RB供电，其电流的方向与感应电动势的方向一致，但与电动机的工作状态正好相反，对转轴产生制动转矩TemB与电动机电枢的转向相反，使电机迅速停转。IfTemBRB制动IaB+U-电动IanTemM+Ea

–S由直流电动机、单向传动机构和操纵机构三大部分组成.直流电动机是起动机的核心。其作用是产生发动机起动时所需的电磁转矩。单向传动机构的作用是传递或切断发动机与起动机之间的扭矩。4.5.4车用起动机1、车用起动机基本组成操纵机构的作用是接通或切断起动机与蓄电池之间的主电路。车用起动机的直流电动机主要由磁极、电枢、换向器等部件组成。一般采用串励式直流电动机。一般的车用起动机的电动机有四个励磁绕组。励磁绕组有两种连接方式：励磁绕组全部串联；或励磁绕组两两串联之后再并联的复式接法。复式接法可以在绕组导体截面相同的情况下，增大起动电流，从而提高了起动转矩。功率大于7.35KW的起动机有