三相交流异步电动机及控制电路

三相异步交流电动机及控制电路电动机在生产设备和家用电器中获得广泛的应用。电动机可以将电能转换为机械能，为设备提供动力。在电动机中，既有电路问题和磁路问题，又有力学和热学问题。对这些问题进行讨论，有利于更好地使用电动机。本章先对三相异步电动机进行着重讨论，然后讨论直流电动机、单相异步电动机、同步电动机、伺服电动机、步进电动机的基本结构、基本工作原理以及基本问题，最后讲述选择电动机的基本方法。4.1三相异步电动机的基本结构和基本工作原理4.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机有绕线转子和笼形转子两种结构，绕线转子异步电动机的起动性能和调速性能都较好，但其造价较高。笼形转子异步电动机结构简单，容易维护，造价较低。三相异步电动机由定子和转子两部分组成，定、转子之间有气隙。图4.1是绕线转子异步电动机的剖面图。定子定子主要由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子铁心是磁路的一部分，起导磁作用。为了减少磁滞损耗和涡流损耗，定子铁心用0.5mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。硅钢片内圆边上冲有均匀分布的槽，用于嵌放三相对称绕组。定子绕组是定子电路的一部分，一般由绝缘铜线绕制并按一定规律连接成相绕组，根据具体情况可以将三个相绕组连接成星形或三角形。每个相绕组的首端和末端引接到出线盒的接线端子上。机座由铸铁或铸钢制成，起固定定子铁心、轴承、端盖的作用。在机座的表面及内部还采取了一些散热措施。转子转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心固定在转轴上，它是磁路的一部分，由0.5mm厚、外圆边上冲有均匀分布槽的硅钢片叠成，用于嵌放绕组。绕线转子绕组与定子绕组的结构一样。绕线转子绕组的三个单相对称绕组在内部连接成星形，其三个首端分别引接到转轴上的三个互相绝缘的滑环上，滑环通过电刷与外电路连接。笼形转子铁心的每个槽内嵌放有导体，这些导体的两端分别与两个导电端环连接，构成闭合的转子绕组。如果去掉铁心，转子绕组的形状像老鼠笼，因此也称为鼠笼式电动机。中、小型笼形转子电动机的转子绕组常常采用浇注铝的方法将导体、端环和风扇一次性地铸成一个整体，工艺简单，制造成本较低。4.1.2三相异步电动机的基本工作原理1.旋转磁场的产生三相对称交流电流通入在空间上互差120°的三相对称绕组中就能够在空间产生旋转的磁场。在图4.2中，三个单相绕组AX、BY、CZ是对称的，各相绕组在空间上互差120°，三个单相绕组连接成星形。如果通入三相对称绕组中的三相对称电流分别为（4.1）则三相对称电流所产生的磁场在空间的分布情况可以根据三相对称电流随时间变化而变化的情况得出。假定，电流从绕组首端（如A、B、C）流入时为电流的正方向，当电流的瞬时值为正时，绕组的首端用符号“X”标记、末端（如X、Y、Z）用“·”标记；反之，绕组的首端用“·”标记、末端用“X”标记。当ωt=0°时，ia=0,ib＜0,ic＞0。按规定标出绕组首、末端的标记，即B、Z用符号“X”标记，Y、C用“·”标记，如图4.3（a）所示。根据右手螺旋定则，可判断出三相电流所产生的合成磁场的方向是水平且向左。同理，当ωt=60°、120°、180°、240°、300°时，确定合成磁场的方向如图4.3（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示。从图4.3看出，当瞬时电流随时间变化一个周期时，合成磁场在空间旋转一圈。而且，瞬时电流的相位变化多大角度，合成磁场也在空间旋转多大角度。可以证明，合成磁场的磁动势大小是恒定的。由此可见，三相对称电流通入在空间位置上互差120°的三相对称绕组时，将在空间产生圆形旋转磁场。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，改变三相电流的相序可以改变旋转磁场的旋转方向，大家可以将三相对称电流ia、ib、ic对应通入上述三相对称绕组的BY、AX、CZ相中便很容易得出结论。如果各相绕组分别由两个绕组串联组成，如图4.4所示，可以产生一个四极旋转磁场。容易看出，当瞬时电流随时间变化两个周期，即变化720°时，旋转磁场旋转一圈，即旋转360°机械角度。瞬时电流随时间变化一个周期，即变化180°时，旋转磁场转过相邻的一对磁极在圆周表面所占的长度，即转过360°电角度。进一步对多极旋转磁场进行讨论，可以得出以下关系电角度=P×机械角度（4.2）（4.3）式中，p为旋转磁场的磁极对数；n0为旋转磁场的转速，称之为同步转速，单位为每分转，用符号r/min表示；f1为交流电流的频率。2.三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的原理图如图4.5所示，定子铁芯的槽内嵌放有连接成星形或三角形的三相对称绕组，转子绕组连接成闭合回路。在定子的三相对称绕组中通入三相对称电流时，将在气隙中产生以转速n0旋转的旋转磁场。设旋转磁场顺时针旋转，则转子导体逆时针切割磁场。根据电磁感应定律，转子导体中将产生感应电动势。由于转子绕组连接成闭合回路，转子导体将有感应电流流过。设电流的相位与电动势的相位相同，两者的方向可以由右手定则确定，如图4.5所示。带电的转子导体在磁场中将受到电磁力的作用，电磁力的方向可以由左手定则确定，如图4.5所示，转子导体的受力方向与磁场旋转方向相同。电磁力作用于转子表面的导体上形成电磁转矩M，使转子以转速n沿磁场旋转的方向旋转，从而实现了将电能转换成机械能。改变旋转磁场的旋转方向时，转子的旋转方向相应改变。由于转子中的电流是由感应电动势产生的，因此三相异步电动机又称为感应电动机。如果没有外力作用，转子转速n不会等于或大于旋转磁场的转速n0，否则不符合能量守恒原理。三相异步电动机吸收电源的电能后，先转换成磁场能量，然后通过气隙将磁场能量转换成转子的电能，转子旋转时将转子电能转换成转子轴上的机械能。在能量转换过程中，存在能量损耗，因此输出转速n不可能等于或超过输入转速n0。转子转速不等于旋转磁场转速称为不同步或异步，这是异步电动机得名的缘故。旋转磁场的转速即同步转速n0与转子转速n之差称为转差，转差△n=n0-n与同步转速n0之比称为转差率s，有（4.4）转差率是异步电动机的一个重要参数，根据转差率s的大小及正负，可以判断异步电动机的运行状态。当0＜s＜1、即0＜n＜n0时，异步电动机运行于电动状态，电动机吸收电源的电能并转换为转子轴上的机械能；当s＜0、即n＞n0时，异步电动机机于发电状态，电动机吸收作用于转子轴上的外力能量并转换成电能向电源回送；当s＞1、即n＜0时，异步电动机运行于电磁制动状态，电动机定子吸收电源的电能和转子吸收作用于转子轴上的外力能量都消耗在电动机内部。4.1.3铭牌三相异步电动机铭牌上标明了型号、额定数据、定子绕组连接方法、工作制等。型号主要说明产品代号和规格代号。例如，型号为YB-160M-4WF的三相异步电动机，说明为笼型转子、隔爆型、中心高160mm、中机座、4磁极、户外、防腐的三相异步电动机。产品代号为YR、YD、YDT、YQ、YZ的，分别表示绕线转子、多速、通风机用多速、高起动转矩、起重冶金用三相异步电动机。在标准环境温度下，电动机的绕组按规定连接、定子绕组加额定电压、带额定负载时的运行方式，称为额定运行。额定运行时的数据主要有：（1）额定电压UN指电动机额定运行时，定子绕组外接三相电源的线电压，也是电动机安全工作的最高线电压。（2）额定电流IN指电动机额定运行时，定子绕组取用的线电流，也是电动机按规定长期额定运行时定子绕组可以取用的最大线电流。（3）额定功率因数cos指电动机额定运行时，定子绕组相电压与相电流相位差的余弦值。（4）额定效率指电动机额定运行时的效率。（5）额定功率指电动机额定运行时，转轴上输出的机械功率。三相异步电动机的额定功率为（6）额定转速指电动机额定运行时的转速。4.2三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的定子与转子之间、变压器的原边与副边之间都是通过电磁感应联系的，讨论三相异步电动机的运行情况时可仿照变压器的方法进行。本节以绕线转子异步电动机为例进行讨论。4.2.1空载运行三相异步电动机轴上不带负载的运行称为空载运行。空载运行时，转子绕组流过电流并产生磁动势，此磁动势随着转子的旋转而成为幅值不变的旋转磁动势，其旋转速度为n。此时，气隙的旋转磁动势F0由定、转子磁动势合成。由于空载运行时，电动机只需克服本身的阻转矩，转子电流很小；而且，转子转速n接近同步转速n。，转子感应电动势的频率接近定子感应电动势的频率、即f2≈f1，因此转子磁动势的作用可以忽略，可以将空载运行看成是转子绕组开路而转子不转动的情况，这与变压器空载运行的情况几乎一样。三相异步电动机也有全磁通和漏磁通。同时与定、转子绕组交链的磁通称为主磁通，用符号Φm表示。主磁通是定、转子间能量传递的载体，它在气隙中以同步转速旋转，在定、转子绕组中感应出的电动势分别为（4.5）（4.6）空载运行时式中，Kw1、Kw2分别为定、转子绕组的绕组系数，它们是与绕组的构造及分布有关的常数。此时，定、转子电动势的变比为（4.7）仅与定子或转子绕组相链的磁通称为漏磁通，用符号Φ1σ、Φ2σ分别表示定、转子漏磁通。漏磁通包括槽漏磁通，端部漏磁通和谐波漏磁通三部分，它们不在定、转子之间传递能量，它们分别在定、转子绕组中感应的电动势称为漏感应电动势。定、转子漏感应电动势为（4.8）（4.9）空载运行时与变压器分析相同，空载运行时的励磁电流为（4.10）式中，为磁化电流，它与主磁通同相位；为铁损耗电流分量，它与-同相位。可以将定、转子电动势、漏电动势表示成压降的形式，有（4.11）（4.12）（4.13）空载运行时式中，Zm、rm、xm分别为励磁阻抗、励磁电阻、励磁电抗；x1、x2分别为定、转子绕组的漏电抗。三相异步电动机存在较大气隙，与变压器相比，其磁阻rm较大、励磁电抗xm较小、励磁电流较大、转子漏电抗x1及x2较小。与变压器分析相同，可列出空载运行时定、转子的电压平衡方程式为（4.14）（4.15）式中，，Z1、r1分别为定子绕组漏阻抗、电阻。4.2.2负载运行1.磁动势平衡方程式三相异步电动机轴上带有负载运行时称为负载运行。负载运行时，转子转速n降低，转子电动势和转子电流增大，转子旋转磁动势F2增大。此时，气隙中的磁动势F0由定子磁动势F1和转子磁动势F2合成。负载运行时，转子的感应电动势由定子磁动势F1以其相对于转子的转速△n=n0-n切割转子导体而产生，其频率为（4.16）转子感应电动势产生的转子感应电流频率也为f2，则转子旋转磁动势相对于转子的转速为（4.17）可见，定子磁动势F1和转子磁动势F2相对于转子的转速都是△n，因此定、转子磁动势是相对静止的。磁动势平衡方程式为（4.18）上式表明，负载运行时定子磁动势F1比空载运行时的气隙磁动势F0大，其一部分用于产生气隙磁动势F0，另一部分（-F2）用于抵消转子磁动势F2的作用，以维持气隙磁动势F0基本不变。可见，负载运行时的主磁通与空载运行时的主磁通基本相等。由于电流与磁动势成正比，用电流相量表示磁动势平衡的方程式为（4.19）式中，为负载时定子电流相量；为空载时定子电流相量，即励磁电流相量；为定子电流的负载分量相量，其产生的磁动势（-F2）与转子磁动势F2相等；=，为转子电流相量；，称为电流变比。可见，负载增大时，定子电流随转子电流的增大而增大，增大的部分所产生的磁动势用于抵消转子磁动势增加的部分。2.电压平衡方程式由于负载时气隙磁动势基本不变，因此主磁通和定、转子漏磁通也基本不变，定子的电压平衡方程式与空载运行时相同。负载时，转子电路有较大的电流通过，且转子感应电动势及感应电流的频率为f2=sf1，其电压平衡方程式为（4.20）（4.21）式中，、、分别为转子旋转时的转子感应电动势、漏感应电动势和漏电抗，它们与转子开路、静止不动时的转子感应电动势、漏感应电动势、漏电抗的关系分别为（4.22）（4.23）（4.24）3.等效电路直接利用式（4.7）、（4.14）、（4.15）、（4.19）和（4.20）来对异步电动机进行定量计算是很不方便的。可以通过折算的方法将定、转子之间既有磁联系、又有电联系的问题简化成纯电路问题，得出定、转子电路互相连接的等效电路。与变压器的折算不尽相同，异步电动机的定、转子绕组匝数不同、频率也不同，因此要先进行频率折算再进行绕组折算。频率折算的实质，是用一个静止的转子来等效实际的转子。绕组折算的实质，就是用一个相数、有效匝数与定子绕组相同的绕组来等效实际的转子绕组。折算后，异步电动机的基本方程式组（4.25）为式中，、、、、分别为转子电路折算后的电动势、电流、阻抗、电阻、电抗，且有、、、、。与变压器的方法相同，根据方程式组（4.25）可以得出异步电动机的T型等值电路分别如图4.6、图4.7所示。例4.1一台△接的四极三相异步电动机，UN=380V，50Hz，nN=1450n/min。若已知r1=0.1Ω，X1=1.7Ω，=0.4Ω，=3Ω，rm=6Ω，Xm=72Ω，试用T型等效电路计算定子电流及输入电功率。解：同步转速（r/min）额定转差率等效电路总阻抗定子电流定子功率因数（滞后）定子输入功率4.2.3电磁转矩与机械特性1.电磁转矩三相异步电动机运行时，定子从电源吸收电能并通过旋转磁场将电能传递给转子，使转子旋转并将电能转换成机械能。由于转子吸收电能是电磁感应作用的结果，因此转子电路吸收的电功率称为电磁功率，电磁功率可以由等效电路计算。（4.26）式中，为定子绕组的相数，称为转子功率因数。由于电磁功率最终转换成输出的机械功率，而转子机械功率应等于作用在转子上的转矩与它的机械角速度的乘积，作用于转子的转矩是电磁感应作用产生的，称为电磁转矩T，其角速度等于旋转磁场的角速度Ω0，有（4.27）式中，称为转矩常数，是一个只与电机结构参数及电源频率有关的常数。上式反映了电磁转矩与主磁通、转子电流、转子功率因数这三个物理量的关系，表明电磁转矩是转子导体的有功电流切割主磁场产生的。上式称为电磁转矩的物理表达式。由简化等效电路看出，转子电流为（4.28）有（4.29）上式反映了电磁转矩与电动机参数的关系，称为电磁转矩的参数表达式。由于电磁转矩正比于电源电压的平方，因此电源电压的下降将引起电磁转矩成平方地减小，使用三相异步电动机时应加以重视。2.机械特性根据电磁转矩的参数表达式可以绘出电磁转矩T与转差率S的关系曲线T=f(s)，如图4.8所示，称之为三相异步电动机的机械特性。在机械特性的cd段，负载增大使转速减小时，电磁转矩沿机械特性减小，使转速进一步减小直至n=0，因此异步电动机在cd段不能稳定运行。在机械特性的ac段中，负载转矩增大使转速减小时，电磁转矩沿机械特性相应增大，直至电磁转矩与负载转矩重新平衡、异步电动机以较低的转速重新稳定运行，因此ac段称为稳定运行段。在稳定运行段，转速随负载变化而变化不大，此类机械特性被称为硬特性。当定子绕组外加的电源电压和频率为额定值、不改变电动机本身的参数并按规定连接时，电动机的机械特性称为固有特性。固有特性上有几个特殊点，分别为（1）额定转矩点（SN，TN）三相异步电动机额定运行时，其效率和功率因数都比较高，电动机可以得到充分利用，额定转矩可以由铭牌数据计算(4.30)(2)最大转矩点（Sm，Tm）此时的转差率Sm称为临界转差率。最大转矩Tm与额定转矩TN的比值λT称为电动机的过载倍数，过载倍数越大，电动机的过载能力越大。普通三相异步电动机的过载倍数为1.6～2.0倍。（3）起动转矩点（1，Tst）此时转差率S=1，起动转矩Tst是电磁转矩在S=1、即n=0时的值。起动转矩与额定转矩的比值λst称为电动机的起动倍数。三相异步电动机起动时，虽然转子电流很大，但因转子功率因数很低，起动转矩并不大。普通笼型转子三相异步电动机的起动倍数为1～1.3倍。4.3三相异步电动机的起动、调速及制动4.3.1起动电动机接电源、转速由零开始增大到稳定状态的过程称为起动过程。三相异步电动机起动瞬间，S=1，由式（4.28）看出，此时的转子电流比正常运行时（S接近0）的转子电流大很多；由式（4.27）看出，由于此时的功率因数很低，因此起动转矩并不大。起动电流太大将造成一些不良后果。例如，使供电线路的电压下降，影响线路上其它电气设备的正常运行；同时，供电线路的电压下降也使起动电动机的起动转矩成平方地减小，导致起动困难。使起动电动机绕组过热，加速其绝缘材料的老化，甚至引起保护装置动作切断电源而造成起动失败。起动转矩过小将使起动失败或起动时间过长。因此，三相异步电动机的起动问题，就是设法将起动电流限制在允许范围内，设法使起动转矩满足实际起动要求。1.笼型转子异步电动机的直接起动如果笼型转子异步电动机的起动转矩满足实际要求，且起动电动机的容量在10KW以下或其起动电流满足下式的关系（4.31）那么允许直接起动。2.笼型转子异步电动机定子串电阻或电抗器起动采用定子串电阻或电抗器起动时，较大的电流将在定子电路中所串联的电阻或电抗器上产生较大的电压降，起到间接降低定子绕组电压的作用，起动电流因定子电压U1的降低而减小。当起动到转速接近稳定转速时，通过控制线路自动地切除串联电阻或电抗器，电动机继续加速直至稳定运行。采用这两种方法起动时，起动转矩随起动电流的减小而成平方地减小，即（4.32）式中，、分别是直接起动时起动转矩、起动电流，、是采取限流措施后，实际的起动转矩、起动电流。可见，当实际起动转矩过小且有＜（负载转矩）时，将可能出现起动失败的现象。这两种起动方法不受电动机定子绕组连接规定的限制。但是，在起动过程中，电阻上消耗大量电能，电抗器上消耗的电能极少。中、大容量的笼型转子异步电动机采用串电抗器起动时，其电能损耗相对较小。这两种方法只适用于轻载起动。3.笼型转子异步电动机的星形-三角形起动如果电动机铭牌上规定的连接方法是三角形接法，那么在起动时将定子绕组接成星形，使定子绕组的电压由三角形连接时的电源线电压降低为电源相电压，达到降低起动电流的目的。当起动到转速达到一定数值时，通过控制线路自动地将定子绕组改接成三角形，电动机继续加速直至稳定运行。采用这种起动方法时，实际起动转矩等于直接起动时起动转矩的1/3，即（4.33）可见，起动转矩下降较多。这种起动方法本身不产生损耗，方法简单，运行可靠，但是，只适用于规定连接方法为三角形接法，有六个出线端，500伏以下的电动机轻载起动。4.自耦变压器降压起动由第3章3.5知道，自耦变压器有调节电压的作用。起动时，利用专用的降压起动用自耦变压器将电源电压降低后再加到定子绕组上，以达到降低起动电流的目的。当起动到一定转速时，通过控制线路自动地将自耦变压器切除，电动机继续加速直到稳定运行。采用这种起动方法时，起动转矩随起动电流的减小而减小，即（4.34）使用时应注意进行起动转矩的校验，若不能满足，则应选择绕线转子异步电动机来拖动负载。这种起动方法初投资较大，控制线路相对较复杂。但是，由于其起动转矩随起动电流的减小而下降不多，是三相笼型转子异步电动机常用的起动方法。5.绕线转子异步电动机转子串联对称电阻起动绕线转子异步电动机的转子绕组可以通过滑环及电刷与外电路连接，转子串联对称电阻可以使转子电路总电阻增大。从式（4.28）及式（4.29）看出，增大转子电路的电阻时，既可减小起动电流，又可以增大起动转矩，这就是绕线转子异步电动机起动性能较好的缘故。起动过程中，随着转速的升高、转差率的减小，电动机的电流和电磁转矩也随之减小，转速升高的速率降低。为了保持转速升高的速率、缩短起动时间，通常采用转子串联对称电阻分级起动的方法，一般为三级起动。起动时，先将三段电阻全部接入，转速升高到适当数值时，通过控制线路自动地逐段切除电阻，直到转速接近稳定转速时切除最后一段电阻。每切除一段电阻，电动机的电流和电磁转矩又增大到最初起动时的数值，转速升高的速率随之增大到最初起动时的数值。这种起动方法控制线路较复杂，串联电阻消耗电能，切除串联电阻会引起转矩大幅度波动，起动不平滑。但是，串联电阻可以兼作调速用，一举两得。6.绕线转子异步电动机转子串联频敏变阻器起动频敏变阻器的形状与没有副绕组且原绕组接成星形的三相变压器相同，其铁心由厚铸铁或厚钢板叠成，因此频敏变阻器的铁损耗及其等效电阻都较大，而且涡流在厚叠片内的趋表效应很明显。起动时，转子频率很高，频敏变阻器铁损耗的等效电阻因趋表效应强烈而呈现很大的阻值，相当于转子串联对称大电阻起动，电动机的起动电流较小而起动转矩较大。在起动过程中，随着转速升高、转差率减小，转子频率（f2=sf1）降低，涡流的趋表效应减弱，涡流路径的截面增大、即等效电阻减小，相当于平滑地切除电阻。当转速升高到接近稳定值时，将频敏变阻器切除。这种起动方法起动性能好，起动平滑，控制线路简单，投资较少。但是，频敏变阻器不能作调速用。4.3.2调速负载不变时，通过改变电动机的参数或外部条件使转速数值改变的办法称为调速。由式（4.3）、（4.4）得（4.35）可见，改变电源频率f或改变磁极对数p或改变转差率s都可以实现调速。1.变频调速改变电动机电源的频率时，为了保持主磁通基本不变，必须在改变电源频率的同时相应地改变电源电压U1，使保持不变。因此，变频装置主要由晶闸管整流器和晶闸管逆变器（调频率）组成，通过控制线路实现电源（调电压）频率与电源电压同时改变并保持恒定。变频调速的平滑性好，实现了无级调速，机械特性较硬。而且，变频调速可以在造价低、结构简单、运行可靠的笼型转子异步电动机上实现。目前，变频技术已趋成熟，变频装置的造价越来越低，因此，变频调速已在生产和生活中得到广泛应用。2.变极调速适当改变定子绕组的接法时，可以使磁极对数P增倍或减半，即旋转磁场的转速n0减半或增倍，转子转速也相应地近似减半或增倍，从而实现调速。如果每相绕组由两个相同的部分组成，则可以通过改变每相绕组中各部分之间的连接方法来实现磁极对数的改变，如图4.9所示。每相绕组的两部分顺向串联时，产生四极磁场，反向并联时产生两极磁场。变极调速只适用于笼型转子异步电动机，它的转子磁极对数能够自动地随定子磁级对数的改变而改变。如果要使绕线转子异步电动机的转子极对数随定子磁极对数的改变而相应改变，那么改变定子绕组每相各部分连接方法的同时也要使转子绕组作同样的改接，这将造成控制线路异常复杂、而降低运行的可靠性，还造成电动机结构异常复杂而提高造价。变极调速是有级调速，在机械加工设备中应用较多。3.改变转差率调速在起重设备中，由于需要高起动转矩的电动机，常采用绕线转子异步电动机转子串对称电阻分级起动，其起动电阻也可以兼作调速用。负载转矩不变时，如果增加转子电阻，那么转子电流和电磁转矩随之减小，致使电磁转矩小于负载转矩，电动机减速，转速降低，转差率增大。随着转差率的增大，转子电流和电磁转矩也随之增大，直到电磁转矩与负载转矩重新平衡时，电动机以一个较低的转速重新稳定运行。在调速过程中，转差率改变了，但旋转磁场的转速没有改变，故称为改变转差率调速。绕线转子异步电动机转子串联对称电阻调速属于有级调速，串联电阻在调速时消耗电能，转速越低时电动机带负载运行的稳定性越差。但是，调速电阻可兼作起动用，一举两得。4.3.3制动通过使电动机产生一个方向与旋转方向相反的电磁转矩，或使电动机的旋转方向与电磁转矩方向相反，达到快速停转或限制转速目的的办法称为制动。三相异步电动机有能耗制动、反接制动和回馈制动三种制动方法。1.能耗制动三相异步电动机运行时，切断三相电源的同时，在定子绕组的任意两个中通入直流电流，可以产生一个方向与旋转方向相反的电磁转矩，如图4.10所示。直流电流通入定子两相绕组后，在气隙中产生恒定的磁场。三相电源切断后，惯性作用使转子仍然以原旋转方向旋转，转子导体以与原切割旋转磁场的方向相反的方向切割恒定磁场，所产生的电磁转矩方向与原电磁转矩方向相反，即与转子旋转方向相反，电磁转矩起阻碍转子旋转的作用，称为制动转矩。又因为电动机在制动过程中把转子旋转的机械能转换成电能，消耗在转子电路中，因此称为能耗制动。能耗制动可以自行实现电动机的准确停转。2.反接制动（1）改变定子相序的反接制动三相异步电动机运行时，如果改变定子三相绕组通入三相对称电流的相序，那么可以产生一个方向与旋转方向相反的电磁转矩，如图4.11所示。改变定子绕组的电流相序后，旋转磁场的旋转方向与原旋转磁场的旋转方向相反。转子在惯性作用下，以与切割原旋转磁场方向相反的方向切割旋转磁场，产生的电磁转矩方向与原电磁转矩方向相反，即与转子旋转方向相反，电动机运行于制动状态。改变定子相序的反接制动一般不能自行实现准确停转。对某些负载，如果转速下降到零时不及时切除电源，电动机将会反向起动。（2）负载倒拉制动三相绕线转子异步电动机提升位能（或重物）负载时，如果在转子串联适当的对称电阻，可以使电动机的旋转方向与电磁转矩方向相反，如图4.12所示。我们知道，改变绕线转子异步电动机转子电路的电阻时，转子电流和电磁转矩随之改变，电动机将以一个新的转速稳定运行。增加转子电阻时，电动机转速下降。当转子电阻增大到一定数值时，电动机转速为零。如果在电动机提升重物时使转速为零，则重物被吊在空中不动。此时，如果再增加转子电路电阻，转子电流和电磁转矩随之减小，电磁转矩小于负载转矩使转速再减小，则电动机反向旋转下放重物。由于转子反向旋转，转子导体以与原切割旋转磁场方向相同的方向切割原旋转磁场，产生的电磁转矩方向与原电磁转矩方向相同，即转子反向旋转而与电磁转矩方向相反，电动机运行于制动状态。这种制动方法适用于要求低速下放重物的场合。3.回馈制动当电动机处于制动状态，转子与旋转磁场同向旋转且转子转速高于旋转磁场转速时，称为回馈制动。在需要以较高转速下放重物时，常常采用回馈制动的方法。在提升重物时，先进行改变定子相序的反接制动，使提升重物的速度下降并过渡到下放重物，下放速度逐步增加到超过旋转磁场速度时，电动机的转向与电磁转矩方向相反，电动机运行于制动状态，如图4.13所示。电动机的转子受重物的重力作用而旋转，电动机吸收转子轴上的机械能并转换成电能回送电源，因此称为回馈制动。这时，电动机的作用是限制下放速度。4.4三相异步电动机的常用控制线路与安全用电4.4.1常用控制电器1.刀开关刀开关对称为刀闸开关，其结构示意图及符号如图4.14所示。刀开关有单极、双极、三极三种，主要用来接通或切断电源，不需频繁操作时也可用于控制小容量电动机的起动和停转。安装刀开关时，应使开关断开时静插座带电而触刀不带电，而且静插座在上方。选用刀开关时，应符合控制要求，并使刀开关的额定电压、额定电流分别不小于电源电压和负载电流。2.组合开关组合开关又称为转换开关，实质是一个旋转的多极刀开关。转动手柄时，动触片转动而使多对触片同时接通或断开，其结构示意图及符号如图4.15所示。组合开关有单极、双极、三极、四极等多种，主要用来接通或切断电源，或控制小容量电动机的起动和停转。3.按钮按钮的结构示意图及符号如图4.16所示，主要用来接通或切断控制电路。动断触点只在按下按钮时断开，松手后闭合；动合触点仅在按下按钮时闭合，松手后断开。使用按钮时，为便于辨别、防止误操作，常采用按钮帽颜色不同的按钮来控制不同的线路。按钮的额定电流为5A。4.行程开关行程开关的结构示意图及符号如图4.17所示。运动部件碰撞行程开关的顶杆时，动断触点、动合触点分别切断、接通相应的控制回路。5.交流接触器交流接触器的结构示意图及符号如图4.18所示。当吸引线圈得电时，接触器动作，主触点和动合辅助触点闭合，动断辅助触点断开。当吸引线圈失电时，接触器释放，各触点恢复原状。主触点用来接通或切断大电流的主电路，辅助触点用于接通或切断小电流的控制电路。选用交流接触器时，应使额定电压、额定电流分别不小于主电路的电源电压和负载电流，应使吸引线圈的额定电压等于控制电路的电源电压。6.中间继电器中间继电器的结构示意图与交流接触器相似，两者的工作原理相同。中间继电器的触点数比较多，触点用于切断或接通小电流的控制回路。选用中间继电器时，应使触点数符合控制要求，应使吸引线圈的额定电压等于控制电路的电源电压。7.时间继电器空气式时间继电器是利用空气的阻尼作用来实现延时的，其结构示意图及符号如图4.19所示。当线圈得电时，衔铁被吸合，活塞连杆在释放弹簧的作用下向下移动。被橡皮膜封闭的空气室内因进气不畅而造成空气稀薄，空气室外大气压力的作用使活塞连杆缓慢地下降。一段时间后，活塞连杆下降到终点，压合微动开关。线圈失电时，活塞连杆在恢复弹簧的作用下迅速复位。图4.19（a）为得电延时型时间继电器的结构示意图。将电磁、机械机构稍作改变，容易得到失电延时型时间继电器。四种触点的符号如图4.19（b）所示。8.热继电器热继电器的工作原理可以用图4.20说明。当主电路的电流长时间过大时，热元件的发热量足以使双金属片向上弯曲，扣板在弹簧的作用下将动断触点断开。按下复位按钮使扣板重新扣住时，动断触点重新闭合。热继电器主要用于实现电动机的过载保护，但不能实现短路保护。选用热继电器时，先根据电动机的额定电流来整定其动作电流，再根据整定电流值来选用热继电器。9.熔断器熔断器俗称保险丝，其熔体由低熔点的合金制成，常见的低压熔断器有瓷插式、螺旋式、管式熔断器，管式熔断器的结构示意图及熔断器的符号如图4.21所示。熔断器主要用作电动机或线路的短路保护，发生短路故障时，很大的短路电流使熔断器的熔体在极短时间内因过热而熔断，切断电源。选用熔断器时，应使熔断器的额定电压、额定电流分别大于或等于电源电压、负载电流，应使熔体的额定电流不过小也不过大。用于保护机床设备等不频繁起动的电动机时，熔体的额定电流取用于保护起重机等频繁起动的电动机时，熔体的额定电流取10.低压断路器低压断路器又称自动空气开关、自动开关等，它具有短路、过载及欠压保护等功能，其结构示意图及符号如图4.22所示。当主电路中的电流大于延时动作电流整定值时，过流脱扣器延长一段时间才脱扣，切断电源；电流越大则延长的时间越短；如果在延长的时间内主电路的电流下降到动作电流整定值以下，则脱扣器不会脱扣。当主电路发生短路时，过流脱扣器瞬时脱扣，切断电源。当主电路断电或电压下降到小于整定电压时，欠电压脱扣器瞬时脱扣，切断电源。主电路电压恢复正常后，负载不会自动恢复工作，避免由此造成的事故。4.4.2常用控制电路1.笼型转子异步电动机星形-三角形起动控制电路如图2.23为笼型转子异步电动机星形-三角形起动控制电路图，其起动控制过程如下：（1）合上低压继路器QF，引入电源。（2）按下起动按钮SB1。交流接触器KM1的线圈得电，使KM1的主触头闭合；KM1的辅助动合触点闭合，松开SB1、KM1的线圈保持得电，称为自保。同时，KM2的线圈得电，KM2主触点闭合，KM2辅助动断触点断开（防止KM3线圈得电），电动机在定子绕组被接成Y形的情况下起动。与此同时，时间继电器KT的线圈得电，延时开始。（3）起动到一定时间后，KT的延时断开动断触点断开，KM2失电，KM2主触点断开，KM2辅助动断触点闭合（为KM3得电作准备）。同时，KT的延时闭合动合触点闭合，KM3的线圈得电，KM3主触点闭合，KM3辅助动合触点闭合（自保），KM3辅助动断触点断开（防止KM2线圈得电），KT的线圈失电使其触点复位。电动机在定子绕组被接成三角形的情况下，加速到稳定运行。在图2.23中，与KM3线圈串联的KM2辅助动断触点，以及与KM2线圈串联的KM3动断触点，这两个触点起到联锁保护作用，不会出现KM2线圈与KM3线圈同时得电的现象。按下SB2，KM1、KM2、KM3的主触点均断开，电动机被切断电源而停转。2.正、反转控制线路如图2.24为三相异步电动机的正、反转控制电路图，其正、反转控制过程如下：（1）合上刀开关QK，引入电源。（2）按下SB1，KM1线圈得电并自保，同时KM1主触点闭合，电动机正转。同时，SB1的动断触点及KM1的动断触点均断开而锁住KM2线圈。（3）按下SB2，KM2线圈得电并自保，同时KM2主触点断开，电动机定子绕组的三相对称电流相序改变，电动机反转。同时，SB2的动断触点及KM2动断触点均断开锁住KM1线圈，KM1主触点断开。该电路图中设有机械和电气双联锁保护。3.能耗制动控制电路如图2.25所示为三相异步电动机能耗制动控制电路，其起动控制过程和制动过程如下：（1）合上QF，引入电源。（2）按下SB1，KM1线圈得电并自保，同时KM1主触点闭合，电动机直接起动，直到稳定运行。（3）按下SB2，KM1线圈失电，KM1主触点断开，电动机的定子旋转磁场消失，电动机在惯性作用下转动。同时，KM2线圈得电并自保，KM2主触点闭合，直流电流通入定子的两相绕组，能耗制动开始。同时，KT线圈得电并开始延时，一段时间后，KT的延时断开动断触点断开，KM2线圈失电，KM2主触点断开，切除直流电源，能耗制动结束，电动机停转。4.4.3安全用电1.安全电流与安全电压我国规定30mA.s（50HZ）为安全电流。也就是说，当人体通过30mA.s（50HZ）的电流且时间不超过1S时，人体几乎不会损伤。如果人体通过的电流超过安全电流的数值，则会致人伤残或死亡。我国规定，一般正常环境下的安全电压为50V(50HZ)。当空气潮湿或皮肤不清洁或地面导电时，规定的安全电压为24V或更低。2.保护接地与保护接零电气设备的金属部分与大地之间在电气上的可靠连接称为接地。保护接地与保护接零是保障人身安全、防止间接触电的有效措施。如果不采用任何保护措施，当电气设备的绝缘损坏使其金属外壳或金属框架带电、且被人接触到时，电流将在火线、人体、大地、分布电容、零线（或另一火线）、电源的回路中通过，危及人身安全。将电气设备的金属外壳或金属框架接地的措施称为保护接地，如图4.26所示。当电动机的A相绝缘损坏使其金属外壳带电且被人接触到时，则电流将在A相火线、人体与接地体并联电路、大地、B相（或C相）对地之间的分布电容、B相（或C相）火线、电源的回路中通过。由于人体电阻（约1700Ω）远大于接地电阻（小于4Ω），电流主要通过接地体而几乎不通过人体，起到了保障人身安全的作用。保护接地适用于电源中性点不接地的低压供电系统。将电气设备的金属外壳或金属框架接中性线的措施称为保护接零，如图2.27所示。当电动机的A相绕组绝缘损坏而使其金属外壳带电时，电流将在A相电源线、接零保护线、零线、电源的回路中通过而形成A相短路，很大的短路电流使熔断器的熔体熔断、切断电源。保护接零从根本上避免了间接触电事故的发生。3.安全用电知识为了自身及他人的安全，掌握以下一些知识是必要的：（1）不得用身体鉴定物体是否带电，不得用低压试电笔鉴定高电压是否带电。（2）安装或拆卸电气设备前，必须切断其电源。（3）使用电气设备前，应先确定供电线路及开关、插座的容量是否足够，防止供电系统过载引起电气火灾。（4）不得改变熔体的材料（如不得用铜、铁线代替保险丝）或随意加大熔断器的熔体，防止电气设备过载或短路时不能切断电源、引起供电系统过载甚至火灾。（5）断开或闭合刀开关前，应观察刀开关的塑料盖是否完好，防止电弧烧伤人体。发生短路的瞬间不得断开刀开关。（6）不得把电线挂在铁钉上、压在重物下，电线上不得搭挂物件，不得把其它金属线与电线缠绕或交叉搭接，防止电线绝缘损坏。（7）发现不明电线落地时，不得随意靠近。人在与落地高压线的距离10m内的地面上行走（或跨步站立）都可能遭到电击。（8）手握操作的金属外壳电气设备，其外壳应接地线或零线。（9）发现有人触电时，应设法在保证自身安全的前提下尽快切断电源，如将附近的开关断开，用绝缘的棍棒（干燥）或绳子（干燥）使电线和触电者分离。触电者脱离电源后，应使其仰卧并保持周围通风。遇触电者无心跳、无呼吸情况，应立即施行心脏挤压、人工呼吸。发现有人触电时，应设法尽快通知医院。（10）发现电气设备故障引起的火灾时，应设法在保护自身安全的前提下尽快切断电源，用二氧化碳或四氯化碳灭火器灭火，不得用水或普通酸性泡沫灭火器灭火。发现电气火灾时，应设法尽快通知消防队。4.5直流电动机直流电动机的起动性能和调速性能均较三相异步电动机好，虽然其结构比较复杂、维护困难，但是在对起动转矩或调速指标要求较高的许多机械设备仍然采用直流电动机驱动，如起重机械、电动机车、造纸机、轧钢机、龙门刨床、镗床等。4.5.1基本工作原理在图4.28中，一对磁极固定在定子内圆表面，磁极由直流电流励磁，产生恒定磁场。两磁极之间的转子表面嵌有导体，导体中通入直流电流。根据电磁力定律，转子带电导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩，使转子旋转。转子导体的受力方向及转子的电磁转矩方向如图4.28(a)所示。设转子的初始位置为0°位置，当转子在电磁转矩及惯性的作用下逆时针转过180°时，转子带电导体受力方向及电磁转矩方向均与0°位置时的情况相反，如图4.28(b)所示，转子将顺时针转过180°，如此不断往复转动。转子不能连续旋转的原因，是磁极下转子导体的电流方向在转子每转过180°时改变一次，使转子导体所受到的电磁转矩方向每过180°改变一次。为使转子连续旋转，必须采取电流换向措施，保证某磁极下转子导体的电流方向始终不变，如图4.29所示。图中，1、2为互相绝缘的圆弧形铜片，它们构成换向器，换向器固定在转子上随转子旋转；A、B为两只电刷，固定在定子上；电刷与换向器滑动接触，直流电流通过电刷、换向器流入转子导体。若直流电源的极性及两磁极的极性如图4.29所示，则N极（或S极）下的转子导体内电流方向总是由外向内（或由内向外），作用于转子的电磁转矩始终是逆时针方向，转子以逆时针方向连续转动。可见，直流电动机转子导体吸收电源的电能，通过电磁作用产生电磁转矩，使转子连续转动并将电能转换成机械能。转子好象是能量转换的中枢，故转子又称为电枢，流过转子导体的电流称为电枢电流。实际直流电动机的电枢绕组不止一个线圈，而是由许多沿电枢表面均匀分布并按一定规律连接的线圈组成，以提高电磁转矩的数值及其平稳程度。驱使电枢转动的电磁转矩T与每极磁通Φ、电枢电流Ia成正比，有（4.36）式中，CT为转矩常数，由电动机的结构决定。电枢旋转时，电枢绕组切割磁场会产生感应电动势，用右手定则可以判定感应电动势的方向是与电枢电流方向相反的，故称之为反电动势。反电动势Ea与每极磁通Φ、电枢转速n成正比，有（4.37）式中，CE为电势常数，由电动机的结构决定，且有CE=CT/9.55。设电动机电枢绕组的电阻为Ra，可画出电枢回路的电路如图4.30所示。根据克希荷夫电压定律，有（4.38）电枢电流为（4.39）电枢吸收的功率为（4.40）可见，直流电动机电枢吸收的电功率有两部分作用。一部分为，它消耗在电枢绕组上并转换成热能，使电动机发热，称为铜耗；另一部分为，它是电功率通过电磁作用转换为机械功率的部分，称为电磁功率。4.5.2直流电动机的基本结构和铭牌1.基本结构直流电动机由定子和电枢两部分组成，其剖面图如图4.31所示。定子为固定部分，包括主磁极、换向磁极、电刷装置、机座和端盖等。电枢为转动部分，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。主磁极的作用是产生主磁通，主磁极绕组通入直流电流。换向极是为消除换向器与电刷间的电磁性火花而设置的，换向极绕组与电枢绕组串联。电枢绕组是产生感应电动势、电磁转矩、实现机电能量转换的枢纽，电枢绕组由许多线圈有规律地连接而成。换向器的作用是将从电源输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，使某主磁极下线圈的电流方向恒定，从而产生恒定方向的电磁转矩。2.铭牌直流电动机的铭牌上标明其型号、额定数据、励磁方式等。型号主要说明产品代号和规格代号。例如，型号为Z-132L-TH的直流电动机，说明为中心高132mm、长机座、适用于湿热带地区使用的普通直流电动机。产品代号为ZZJ、ZQ、GZ、ZJ的分别表示起重冶金辅助直流电动机、直流牵引电动机（用于电力机车、工矿电机车的拖动）、晶闸管整流电源供电专用直流电动机、精密机床用直流电动机。直流电动机在标准环境温度下带额定负载、按规定励磁方式励磁且使励磁电流为额定值、电枢绕组加额定电压时的运行方式，称为额定运行。额定数据主要有：（1）额定电压UN指直流电动机额定运行时，电枢绕组外接电源的电压，也是电动机安全工作的最高电压。（2）额定电流IN指直流电动机额定运行时，电枢绕组流过的直流电流，也是电动机按规定长期额定运行时电枢绕组可以通过的最大电流。（3）额定功率PN指电动机额定运行时，轴上输出的机械功率（4.41）式中，为额定效率。（4）额定转速指电动机额定运行时的转速。根据铭牌上一些物理量的额定值，可以计算另一些物理量的额定值，如额定转矩为（4.42）励磁方式是指励磁绕组的供电方式，励磁方式与电动机的性能有密切关系。直流电动机有他励、并励、串励、复励几种励磁方式。他励方式的励磁绕组与电枢绕组分别由两个无关的直流电源供电，其机械特性为硬特性。并励方式的励磁绕组与电枢绕组并联，其机械特性为硬特性。串励方式的励磁绕组与电枢绕组串联，串励直流电动机的过载能力大，其机械特性为软特性。复励电动机有两个励磁绕组，一个励磁绕组与电枢绕组构成串联电路，另一个励磁绕组与该串联电路并联；如果两个励磁绕组的磁场方向相同，那么称为积复励，积复励直流电动机的机械特性较硬、过载能力较大。例4.2已知一台他励直流电动机的额定数据为：PN=40KW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，Ra=0.07Ω。试求反电动势、额定效率、额定电磁转矩和额定转矩。解：反电动势额定效率额定电磁转矩上式中，额定转矩可见，电磁转矩TdcN与输出转矩TN相差不大，说明直流电动机本身的机械损耗很小，常认为TdcN=TN。4.5.3直流电动机的起动、反转与调速1.并励直流电动机的机械特性转速n与电磁转矩T的关系曲线称为电动机的机械特性。并励直流电动机的机械特性方程为（4.43）当电源电压U不变时，主磁通Φ也基本不变，机械特性近似为一条下斜直线，如图4.32所示。图中，当负载转矩等于零时，电磁转矩T近似为零，此时的转速称为理想空载转速，用n0表示。有（4.44）由于电枢绕组电阻Ra很小，机械特性的斜率很小，转速随负载变化而变化的程度很小，因此并励直流电动机的机械特性为硬特性。设并励直流电动机稳定运行于机械特性上A点时，转速为nA，负载转矩TL与电磁转矩T平衡，即TL=T。如果负载转矩增大为，则T＜，转速n下降。从式（4.43）看出，电磁转矩T随转速n下降而增大，直至T=，电动机重新稳定运行，稳定转速为。如果负载转矩又减小为TL，变化过程相反，电动机重新稳定运行转速大于nA。可见，负载变化使转速改变时，并励直流电动机能自动地使电磁转矩与负载转矩重新平衡，使电动机重新稳定运行。2.起动直流电动机起动瞬间，n=0,Ea=CEΦn=0，此时的电枢电流称为起动电流，用符号Ist表示。由式（4.39）得（4.45）由于电枢绕组电阻Ra很小，所以起动电流Ist很大。过大的起动电流流过电枢回路，将会使电枢绕组因过热及电磁力过大而损坏、换向器因电磁性火花过大而损坏。同时，过大的起动电流会产生过大的冲击转矩，损坏传动机构的齿轮等，因此直流电动机不允许直接起动。从式（4.45）看出，减小起动电流的方法有两种，即降低电枢电压Ua或增大电枢电路的电阻。起动时与电枢绕组串联的电阻称为起动电阻，用符号Rst表示。起动电阻Rst及起动时电枢电压U/a可根据电动机本身能承受的最大电流及传动机构能承受的最大冲击转矩综合考虑。一般情况下，取或（4.46）电枢串电阻起动时，为使起动过程较短及避免一次性切除电阻时所造成的起动电流过大，通常采用电阻分级（一般为三级）起动且逐级切除电阻的方法。电阻分级起动的起动电阻可以用于调速。采用降低电枢电压的起动方法起动时，可以随着转速的升高、反电动势的增大同步地升高电枢电压，使整个起动过程的起动电流、起动转矩都保持在允许范围内的最大值上，起动过程较短、起动平滑，可调直流电源可用于调速。必须注意，起动时，要保证电枢绕组接电源之时有主磁通，最好是满磁通（主磁通达到额定值）。不论是起动、还是正常运行，励磁绕组失电都是危险的，都会造成电枢电流过大而损坏电枢绕组和换向器，造成空载运行的电动机“飞车”（转速极高）而损坏电动机的旋转部分及传动机构。因此，励磁绕组与电源的连接必须牢固。3.反转直流电动机的旋转方向由电磁转矩方向决定。改变电枢电流方向可以改变电磁转矩方向，从而实现电动机反转。改变励磁电流的方向也可以达到反转的目的，但是可能会因大电感电路中的电流突变，产生很大的电动势而击穿励磁绕组的绝缘，也可能会因换接过程中的瞬间失磁或换接失败造成电枢电路出现过大电流或电动机的“飞车”现象。4.调速由机械特性方程式看出，改变电枢电路电阻R或电源电压Ua或主磁通Φ，都可以实现调速。在负载不变的情况下，通过人为方法改变电动机转速的方法称为调速。（1）电枢串电阻调速由式（4.43）得，此时的机械特性方程为（4.47）式中，Rc为电枢电路串联的电阻。可见，电枢电路串联电阻增大时，转速下降；反之，转速上升。这种调速方法使机械特性变软，即转速随负载变化而变化的程度增大，运行的稳定性降低。而且，调速范围较小，也增加了电能损耗。但是，调速方法简单，在调速性能要求不高的场合应用较多，如起重设备、电力机车等。这种调速方法只能在额定转速以下调节转速，它属于无级调速。（2）改变电枢电压调速由式（4.43）得，此时的机械特性方程式为（4.48）式中，U/a为改变后的电枢电压。可见，电枢电压下降时，转速下降；反之，转速上升。这种调速方法没有改变机械特性硬度，运行稳定性较高。而且，调速范围较大，没有增加能量损耗。但是，需要专用的直流调压电源，在调速性能要求较高的场合应用较多。由于U/a≤UN，这种调速方法只能在额定转速以下调节转速，它属于无级调速。（3）改变主磁通调速在励磁电路中串联电阻、或采用直流调压电源给励磁电路供电并调节励磁绕组的电压，都可以达到改变励磁电流从而改变主磁通，实现调速的目的。励磁电流减小时，主磁通减小，转速上升；反之，转速下降。由于主磁通为额定值时，磁路已接近饱和，再增大磁通很困难，因此这种调速方法只在额定磁通以下调节磁通，即只在额定转速以上调节转速。又因为可调到的最高转速受到电动机最高转速的限制，因此调速范围不大。这种调速方法通常与改变电枢电压调速配合使用，以便得到较大调速范围。4.6单相异步电动机单相异步电动机所需电源方便、结构简单，在小型电气设备中应用广泛，单相异步电动机的结构与三相异步电动机的结构类似，但定子绕组为单相绕组。在单相绕组中通入单相变电流时，会产生一个交变的脉振磁场。这个交变的脉振磁场可以分解为两个振幅相等、速率相同、旋转方向相反的旋转磁场。这两个旋转磁场分别在转子中产生的两个电磁转矩大小相等、方向相反，不能使电动机起动。但是，如果用外力使电动机转子向某个方向转动一下，就打破了原有的磁场平衡，如果外力产生的转矩比电动机的阻转矩大，则转子朝这个方向旋转。4.6.1分相式单相异步电动机电容分相式单相异步电动机的定子上嵌有两个在空间相差90°的单相绕组，一个单相绕组用于运行，称为工作绕组；另一个单相绕组用于起动，称为起动绕组，起动绕组与电容器串联，接线如图4.33所示。在定子的两个单相绕组中通入单相交变电流时，工作绕组流过的电流将近似滞后于起动绕组流过的电流。设这两个绕组中的电流分别为这两个电流所产生的磁场在空间分布的情况，可以根据这两个电流随时间变化而变化的情况得出。在图4.34中，假设1及2分别为两个绕组的首端、1/及2/分别为两个绕组的末端；规定电流瞬时值为正时，电流从绕组首端流入，以符号“X”作为标记，反之以符号“.”作为标记。当时，。按规定标出绕组首、末端符号标记，即2、2/分别用“.”、“X”标记，如图4.34（a）所示，根据右手螺旋定则，可判断出两个单相电流所产生的合成磁场方向是水平向右的。同理，当时，可确定合成磁场方向如图4.34(b)、(c)、(d)、(e)所示。从图4.34看出，当瞬时电流随时间变化一周时，合成磁场在空间顺时针旋转一圈。可见，气隙中的合成磁场是旋转磁场，单相异步电动机获得起动转矩。这种单相异步电动机起动到稳定运行后，起动绕组可以切除，也可以不切除，分别称为电容起动电动机、电容运转电动机。在起动转矩要求较低的场合，起动绕组常常只串联电阻而不串联电容器。4.6.2罩极式电动机罩极式电动机的定子上安装有一对凸出的磁极，磁极上套有一个单相绕组。磁极的极靴表面开有凹槽，将磁极分成大、小不等的两部分。较小的部分套有短路环，称为罩住部分，如图4.35所示。当定子绕组通入单相交流电流时，会产生交变的脉振磁场。由于罩住部分穿过交变磁通时，在短路环中感应产生一个阻碍磁通变化的电流，使实际穿过罩住部分的磁通在相位上滞后于穿过未罩部分的磁通。脉振磁通先后通过未罩部分和罩住部分，形成了一个由未罩部分向罩住部分移行的磁场，该磁场切割转子导体，使转子顺移行磁场的移行方向旋转。由于移行磁场的移行方向不能改变，因此转子总是从未罩部分向罩住部分旋转。罩极式电动机的转向不能改变。4.7同步电动机负载在较大范围变化时，同步电动机具有保持转速恒定的优点。调节励磁电流，可以使同步电动机的功率因数改变；当励磁电流值合适时，同步电动机可以从电网吸收容性的无功功率，具有既能带负载、又能提高功率因数的可贵特性。4.7.1同步电动机的基本工作原理和结构1.结构同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构型式。由于旋转磁极式具有转子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同步电动机多采用旋转磁极式结构。根据转子形状的不同，旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种，如图4.36所示，凸极式多用于要求低转速的场合，其转子粗而短，气隙不均匀；隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。同步电机与其它旋转电机一样，由定子和转子两大部分组成。旋转磁极式同步电机的定子主要由机座、铁芯和定子绕组构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁芯采用薄硅钢片叠装而成，定子铁芯的内表面嵌有在空间上对称的三相绕组。转子主要由转轴、滑环、铁芯和转子绕组构成。为兼顾导磁性能和机械强度的要求，转子铁芯常采用高强度合金钢锻制而成；转子铁芯上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接；为便于起动，凸极式转子磁极的表面还装有用黄铜制成的导条，在磁极的两个端面分别用一个铜环将导条连接起来构成一个不完全的笼型起动绕组。2.工作原理同步电动机工作时，定子的三相绕组中要通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转。这就是同步电动机的基本工作原理。定子旋转磁场与转子的速度为，称为同步转速。它的大小只决定于电源频率的大小和定、转子的极数，不会因负载变化而改变。定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。4.7.2同步电动机的起动在同步电动机的定子三相绕组中通入频率为50Hz的三相对称电流时，气隙中所产生的旋转磁场以同步转速旋转，旋转磁场与静止的转子磁极之间有很大的转差，旋转磁场与转子磁极之间的吸引和排斥频繁交替，使平均转矩为零，不可能产生稳定的磁拉力使转子以同步转速旋转，同步电动机的起动必须采用其它方法。常用的同步电动机起动方法为辅助电动机起动法、异步起动法、变频起动法。所谓辅助电动机起动法，是借助一台与待起动的同步电动机同磁极数的异步电动机来起动同步电动机。异步起动法是凸极式同步电动机特有的起动法，依靠转子极靴上的笼形绕组来起动同步电动机。起动时，先将同步电动机加速到接近同步转速，然后再通入励磁电流，依靠同步电机定、转子磁场的磁拉力而产生电磁转矩，把转子牵入同步。同步电动机起动分两个阶段:异步起动和牵人同步。采用以上两种起动方法起动时，转子绕组不能直接短接、也不能开路，应串接一定阻值（通常为转子绕组电阻值的5～10倍）的电阻后可靠闭合，以防止起动失败或损坏转子绕组的绝缘。采用变频起动法可以实现平滑起动，变频起动法的应用越来越广泛。起动时，先在转子绕组中通入直流励磁电流，借助变频器逐步升高加在定子上的电源频率，使转子磁极在开始起动时就与旋转磁场建立起稳定的磁拉力而同步旋转，并在起动过程中同步增速，一直增速到额定转速值。4.8伺服电动机伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，它执行控制指令，将指令信号转换为转轴上的角位移或者角速度输出。伺服电动机的指令信号通常是电压信号，称为控制电压。改变控制电压的大小和极性，可使伺服电动机的转速和转向相应改变。伺服电动机分为交、直流两种型式。自动控制系统对伺服电动机的基本要求是：(1)无“自转”现象，伺服电动机应在控制电压为零时自行停转。(2)空载始动电压低,使伺服电动机从静止到稳定旋转所需的最低控制电压称为始动电压。始动电压越低,伺服电动机的灵敏度越高。(3)机械特性性线度好，能实现电动机转速的平滑调节。(4)响应迅速，要求电动机的机电时间常数小。4.8.1交流伺服电动机1.基本结构交流伺服电动机主要由定子和转子构成。定子铁芯通常用硅钢片叠压而成。定子铁芯表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，两相绕组在空间位置上互差电角度。转子的型式有两种，一种是鼠笼式转子，其绕组由高电阻率的材料制成，绕组的电阻较大；鼠笼转子结构简单，但其转动惯量较大。另一种是空心杯转子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是导条数很多的鼠笼转子，其杯壁很薄，因而其电阻值较大；转子在内外定子之间的气隙中旋转，因空气隙较大而需要较大的励磁电流；空心杯形转子的转动惯量较小，响应迅速。2.基本工作原理交流伺服电动机的工作原理可由图4.37来说明。图中，为励磁绕组，为控制绕组，两绕组由频率相同、相位不同的单相交流电源供电。在两个空间位置上互差电角度的定子绕组中，加上相位差为电角度的励磁电压和控制电压，将在电动机的气隙中产生旋转磁场。旋转磁场切割转子导条而在其中产生感应电势，闭合的转子回路中便有电流流过。带电的转子导体受磁场力的作用而产生电磁转矩，使转子旋转。改变控制电压的大小或相位，可改变旋转磁场的强弱程度，使转子转速改变。改变控制电压的极性，可使旋转磁场的旋转方向改变，从而使转子反转。这就是交流伺服电动机的基本工作原理。3.消除“自转”现象在学习单相异步电动机一章中得知，单相电动机起动后就不再需要起动绕组的作用了，在单相绕组的励磁作用下能够保持一定的旋转速度。如果交流伺服电动机在控制电压为零时照样旋转———即“自转”，那么就失去控制作用了。我们可以通过改变励磁绕组单独作用时的机械特性来实现“自转”现象的消除。只在励磁绕组中通入单相交流电流时，气隙中将产生脉振磁动势。如前所述，脉振磁动势可以分解成两个幅值相等、转向相反的旋转磁动势。气隙中正、反转向的旋转磁动势都会在电动机转子绕组中生成相应的电磁转矩。如果正、反转旋转磁动势单独作用于转子绕组，电动机就会象三相异步电动机那样旋转起来。正、反转旋转磁动势单独作用时对应的机械特性如图4.38中曲线1、2所示。实际上，正、反转旋转磁动势是同时作用的，正、反转旋转磁动势同时作用时对应的机械特性可以由曲线1、2合成，如图4.38中曲线3所示。从机械特性曲线3看出，励磁绕组单独作用时，电动机的电磁转矩作用方向是与转速方向相同的，电动机不会自行停转。如果要使控制电压为零时电动机能够自行停转，必须使励磁绕组单独作用时的电磁转矩作用方向与转速方向相反，即电磁转矩是制动性质的，其对应的机械特性应如图4.38中曲线4所示。机械特性4对应的电动机是没有起动转矩的，它是脉振磁动势在转子绕组中生成的电磁转矩与转子转速的关系曲线———机械特性。机械特性曲线4也应当由正、反转旋转磁动势分别作用于转子绕组时所对应的机械特性组合而成，作出合成机械特性曲线4所对应的两机械特性曲线5、6，如图4.38所示。将机械特性曲线5、6与1、2比较，发现机械特性曲线5、6其实是曲线1、2在转子电阻较大以致临界转差率大于1时的特例。由此可知，只要使交流伺服电动机的转子绕组有较大的电阻值，使其励磁绕组单独作用时的机械特性如图4.38中曲线4所示的形状，则电动机将在其控制电压的零时生成有制动性质的电磁转矩而自行停转，从而消除“自转”现象。这就是为什么交流伺服电动机的转子绕组电阻值通常较大的原因。4.控制方法改变交流伺服电动机转速值的方法，主要有幅值控制、相位控制、幅相控制三种。(1)所谓幅值控制，就是在保持控制电压与励磁电压的相位关系不变的条件下，通过改变控制电压的幅值来实现转速值的调节，其原理图如图4.39所示。图中移相器使控制电压与励磁电压保持的相位差，电位器使控制电压的幅值可调。改变控制电压的幅值，可使旋转磁动势的幅值改变，达到调节电动机转速的目的。控制电压的幅值越小，则转速越低；控制电压的幅值为零时，电动机停转。(2)所谓相位控制，就是在保持控制电压与励磁电压的幅值均不变的条件下，通过改变控制电压与励磁电压的相位差来实现转速值的调节，其调节原理可由图4.40说明。图中控制电压的幅值是不能改变的，移相器使控制电压的相位可调。改变控制电压与励磁电压的相位差角，将使控制电压垂直于励磁电压的分量改变，旋转磁动势的幅值因此改变，达到调节电动机转速的目的。越小，则转速越低；时，电动机停转。(3)所谓幅相控制，就是在改变控制电压幅值的同时，使控制电压与励磁电压的相位差角随之改变，以实现转速值的调节，其原理可由图4.41说明。图中，与励磁绕组串联的电容器使励磁电压与控制电压的相位不同，电位器使控制电压的幅值可调。一般地，当时，以使与的相位差角为所需串联电容器的电容量来确定电容器的大小。如前所述，改变控制电压的幅值时，可使电动机的转速相应变化。时，电动机的转速最高；时，电动机停转。我们知道，电动机转速的变化会引起其转子电流的变化。如果负载不变，则电动机的电磁转矩不变，转子电流的变化要求励磁磁动势作相应的变化，即要求励磁电流作相应的变化。也就是说，如果负载不变，那么改变控制电压的幅值时，电动机转速发生变化的同时，会引起励磁电流的变化。励磁电流的变化会引起电容电压和励磁电压的变化，从而使励磁电压与控制电压的相位角发生变化。可见，这一电路形式使励磁电压与控制电压的相位差角自动地随控制电压幅值的改变而改变，因此称之为幅相控制，幅相控制不需要移相器，在实际中应用较多。4.8.2直流伺服电动机1.基本结构传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的普通直流电动机，有他励式和永磁式两种，其结构与普通直流电动机的结构基本相同。杯形电枢直流伺服电动机的转子由非磁性材料制成空心杯形圆筒，转子较轻而使转动惯量小，响应快速。转子在由软磁材料制成的内、外定子之间旋转，气隙较大。无刷直流伺服电动机用电子换向装置代替了传统的电刷和换向器，使之工作更可靠。它的定子铁芯结构与普通直流电动机基本相同，其上嵌有多相绕组，转子用永磁材料制成。2.基本工作原理传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同，依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”现象。4.9步进电动机步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在自动控制系统中作执行元件。给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机。步进电动机的精度高、惯性小；不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而改变输出量与输入量之间的固定关系，其控制性能很好。步进电动机广泛用于数控机床、计算机外围设备等控制系统中。4.9.1基本结构步进电动机的种类很多，主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分。我们主要讨论单段式三相反应式步进电动机的结构和工作原理。单段式三相反应式步进电动机的结构分成定子和转子两大部分。定、转子铁芯由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相；转子上没有绕组。4.9.2基本工作原理单段式三相反应式步进电动机的工作原理可以由图4.42来说明。由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动。这就是反应式步进电动机旋转的机理。现以的通电顺序，使三相绕组轮流通入直流电流，观察转子的运动情况。当相绕组通电时，气隙中生成以为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子转到使1、3两转子齿与磁极对齐的位置上。如果相绕组不断电，1、3两转子齿就一直被磁极吸引住而不改变其位置，即转子具有自锁能力。相绕组断电、绕组通电时，气隙中生成以为轴线的磁场。在磁阻转矩的作用下，转子又会转动，使距离磁极最近的2、4两转子齿转到与磁极对齐的位置上。转子转过的角度为式中，称为步距角，即控制绕组改变一次通电状态后转子转过的角度。称为拍数，即通电状态循环一周需要改变的次数。为转子齿数。同理，相绕组断电、相绕组通电时，会使3、1两转子齿与磁极对齐，转子又转过。可见，