第1章電動機的工作原理及特性掌握直流電動機的電勢方程式，轉矩方程式和電壓平衡方程式；三相異步電動機的同步轉速和轉差率的概念;

掌握電動機的機械特性，特別是人工機械特性；掌握電動機起動，制動，調速的各種方法和應用場所；了解用機械特性來分析電動機運行狀態的方法;了解常用控制電機的應用場合.1.1直流電機的工作原理及特性1.直流電機的基本結構主磁極電樞換向器電刷裝置直流電機的結構圖剖面圖：電樞1；主磁極2；換向極4；機座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3；連接片4；云母環22.直流電機的基本工作原理

發電機電動機簡化為一對磁極,一個線圈1)感應電勢E2.直流電機的基本方程式

2)電磁轉矩T-一對磁極的磁通(Wb);n-電樞轉速(r/min);Ke-與結構有關的常數.式中:E-電動勢(V);-一對磁極的磁通(Wb);Ia-電樞電流(A);Kt-與結構有關的常數.式中:T-電磁轉矩(Nm);3.直流電動機的機械特性1.他激和并激直流電動機的機械特性1)原理電路圖1)直流電動機機械特性方程式直流電動機電樞電壓平衡方程式

上式為直流電動機機械特性的一般表達式式中,Ra為電樞電阻.以代入得:由將Ia值再代入,得::機械特性曲線n=f(T)4.固有(自然)機械特性和人工機械特性1)他激直流電動機的自然機械特性(正轉)在額定電壓,額定磁通,電樞電路內不外接電阻時的機械特性即為自然機械特性.額定負載時,轉速降落不多,是硬特性;金屬切削機床,冷軋機,造紙機等宜于選用硬特性的電動機.2)自然機械特性曲線的作法已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra,Ke,(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉速no計算:(3)額定轉矩Nn的計算:no,TN,找出兩個點,即理想空載點(o,no)和額定運行點(TN,nN),通過這兩點作出自然機械特性.3)舉例(1)一臺Z2-51型直流他激電動機,已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉速1500r/min,忽略損耗,求自然機械特性.解:分析只要求出理想空載點和額定運行點,就可繪出機械特性.

=0.71=0.132=1667r/min=35Nm4)電動機人工機械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機械特性在自然機械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機械特性方程式:附加電阻Rad越大,機械特性越軟.(2)改變電樞電壓的人工機械特性

U改變,但轉速降不變.因此,變電樞電壓的人工機械特性是一簇與自然機械特性平行的特性曲線.只允許在額定電壓以下調節.在后面的自動調速系統學習中有廣泛的應用.

隨U的變化而變化(3)改變磁通的人工機械特性從機械特性方程可知,改變磁通時,電動機的理想空載轉速和轉速降落都會隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調節,理想空載轉速和轉速降落都要增大-------弱磁增速.使用中,要防止電動機過載,更要防止飛車,因此,直流他激電動機設有失磁保護.串激直流電動機的機械特性1)特點:電樞電流就是激磁電流.2)機械特性分析:

第一段,電動機輕載時,機械特性具有雙曲線的形狀,理想空載轉速趨近無窮大.

第二段,電動機負載較重時,磁路趨于飽和,機械特性近似一條直線.3)注意事項:直流串激電動機不允許空載運行----飛車事故.

4直流他激電動機的起動特性直流他激電動機的起動電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動.限制其起動電流的方法有兩種.1.降壓起動:

組成SCR-M自動調速系統的起動環節.是后面學習的一個重點.2.電樞電路串外接電阻起動右圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖和起動特性,

其起動特性就是前面剛剛學習過的一種人工機械特性.5.直流他激電動機的制動特性直流他激電動機的工作狀態分為電動狀態和制動狀態,如右圖所示.圖中,(a)為電動狀態;(b)為制動狀態.1)特點:電動機的轉矩T與轉速n方向相反,電機處于發電工作狀態.2)制動形式:穩定的制動狀態;

過渡的制動狀態.3)制動方法有3種:

反饋制動;

反接制動;

能耗制動.1.反饋制動1)實現條件:外部作用使電動機的轉速n大于其理想空載轉速no.如,電車下坡,起重機下放重物.2)機械特性:正轉時,是第一象限的機械特性在第二象限內的延伸,如右圖所示.3)特點:(1)利用位能轉矩帶動電動機發電,將機械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時電動機的轉速仍高于理想空載轉速,運行不太安全.2.反接制動1)實現條件:電樞電壓或電樞電勢反向.2)分類:(1)電源反接制動.改變電樞電壓U的方向所產生的制動.機械特性方程式為;

為了限制制動時比較大的電樞電流,實施電源反接制動時,一定要在電樞電路中串入限流電阻.

應用在需要迅速減速或頻繁正反轉的機械上.(2)倒拉反接制動.改變電樞電勢方向所產生的制動.如:起重機的重物下降時,電樞反轉,電勢反向.此時,位能負載轉矩TL使重物下放,電動機轉矩TM反對重物下放-----制動.特點:適當選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉速,保證安全;

轉速穩定性較差.制動特性如右圖所示.是第一象限在第四象限的延伸或第三象限在第二象限的延伸.反接制動3.能耗制動1)實現條件:將電樞電壓突然降為零,串一外接電阻使電樞短接.此時電動機繼續旋轉產生的轉矩T與n反向-----制動.2)特點:制動時的機械能轉變為電能使外接電阻發熱而消耗,稱之為“能耗”;

穩定性好,電動機不可能反向起動.3)應用:要求迅速準確停車的場合;重物恒速下放.6.直流他激電動機的調速特性由直流他激電動機人工機械特性方程式直流電動機的調速方法:式中,Ke,Kt,Ra

均為常數,因此,電動機有3種調速方法

1.變電樞電路外接電阻Rad;2.變電樞電壓U;3.變磁通

.1.改變電樞電路外接電阻調速電動機電樞電路串電阻后,其人工機械特性如右圖示.1)應用:起重機,卷揚機;2)缺點:機械特性軟,實現無級調速困難;3)注意:串電阻調速與起動特性相似,但起動電阻與調速電阻不同.2.改變電動機電樞供電電壓調速變電樞電壓調速的機械特性如右圖.1)特點:容易實現無級調速;機械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動設備.2)應用;適用于恒轉矩負載,組成SCR-M系統，在工業生產中廣泛應用.第11章將重點學習.3.改變電動機主磁通調速變磁通調速的機械特性如右圖示.1)特點:可以實現無級調速;機械特性軟;調速范圍不大.2)應用:適用于恒功率負載.一般與調壓配合使用.3)注意:在額定轉速以上調節--------弱磁增速.例題例:一臺直流他激電機的額定數據為;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐;如果電動機在額定轉矩下運行,求(1)電動機的電樞電壓降到180V時,電動機的轉速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通為額定值的0.8時)時,電動機的轉速是多少?(3)電樞電路串入2歐的附加電阻時,電動機的轉速是多少?解:

(1)此時,U=180V,Ra=1.7歐=14例題求解(2)此時,U=UN=220V,Ra=1.7歐(3)此時,U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7(以上轉速單位為r/min)1.2三相異步電動機的工作原理及特性1).三相異步電動機的基本結構三相異步電動機由定子和轉子構成,定子和轉子之間有氣隙.(1)定子定子由鐵心,繞組,機座三部分組成.

鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成;

三相繞組連接成星形或三角形;

機座一般用鑄鐵作成,主要用于固定和支撐定子鐵心.(2)轉子轉子由鐵心和繞組組成.

轉子同樣由硅鋼片疊壓而成,壓裝在轉軸上;

轉子繞組分為鼠籠式和線繞式兩種.

線繞式異步電動機還有滑環,電刷機構.鼠籠式三相異步電動機的結構示意圖5.定子鐵心,6.定子繞組,7.轉軸,8.轉子,9.風扇,11.軸承,12.機座鼠籠電動機轉子和線繞電動機轉子繞組與外部接線2).三相異步電動機的工作原理(1)三相正弦交流電通入電動機定子的三相繞組,產生旋轉磁場,旋轉磁場的轉速稱之為同步轉速;(2)旋轉磁場切割轉子導體,產生感應電勢;(3)轉子繞組中感生電流;(4)轉子電流在旋轉磁場中產生力,形成電磁轉矩,電動機就轉動起來了.

電動機的轉速達不到旋轉磁場的轉速,否則,就不能切割磁力線,就沒有感應電勢,電動機就停下來了.轉子轉速與同步轉速不一樣,差那么一些,稱之為異步.

設同步轉速為no,電動機的轉速為n,則轉速差為;no-n;

電動機的轉速差與同步轉速之比定義為異步電動機的轉差率S,S是分析異步電動機運行情況的主要參數,且

3).三相異步電動機的旋轉磁場(1)旋轉磁場的產生設電動機為2極,每相繞組只有一個線圈.在0-T/2這個區間,分析有一相電流為零的幾個點.規定:當電流為正時,從首端進尾端出;電流為負時,從尾端進首端出.t=0時，iA=0;iB為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。按右手螺旋法則確定三相電流產生的合成磁場，如圖(a)中箭頭所示。t=0時，iA=0;iB為負，iC為正t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正(電流從A端流到X端)；iB為負(電流從Y端流到B端)；iC=0。此時的合成磁場如圖(b)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了π/3。t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正；iB為負；iC=0此時的合成磁場如圖(c)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了2π/3。t=T/3時，ωt=ωT/3=2π/3,iA為正;iB=0；iC為負此時的合成磁場如圖(d)所示。合成磁場從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了π。按以上分析可以證明：當三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉，這樣就產生了旋轉磁場。t=T/2時，ωt=ωT/2=π,iA=0；iB為正；iC為負。旋轉磁場的旋轉方向與三相交流電的相序一致;改變三相交流電的相序,即A-B-C變為C-B-A,旋轉磁場反向;要改變電動機的轉向,只要任意對調三相電源的兩根接線.(2)旋轉磁場的旋轉方向式中,f為電源頻率50HZ;p為電動機的磁極對數.電動機的磁極對數為1時,同步轉速為3000r/min;電動機的磁極對數為2時,同步轉速為1500r/min;電動機的磁極對數為3時,同步轉速為1000r/min.(3)旋轉磁場的旋轉速度-----同步轉速no

(4)定子繞組線端連接方式注意:三相繞組連接成星形,每相繞組承受相電壓220V;

三相繞組連接成三角形,每相繞組承受線電壓380V.3.三相異步電動機的電路分析1).定子電路分析電動機定子和轉子每相繞組的匝數分別為N1和N2.定子每相繞組產生的感應電動勢為:其有效值為

:定子和轉子電路的感應電勢定子電路分析其大小為:忽略R1和X1上的電壓降,有:考慮定子電流產生的漏磁通,用復數表示為:一相電路圖2).轉子電路分析其中旋轉磁場在轉子每相繞組中感應出的電動勢為:起動瞬間3.三相異步電動機的額定值電動機銘牌數據:額定功率PN;額定電壓UN;額定頻率f=50Hz;額定電流IN;額定轉速nN;有的參數要經過計算得出:額定效率額定負載轉矩額定效率額定負載轉矩4.三相異步電動機的能流圖P2等于P1減去電動機的總損耗電源輸入的功率P1:電動機的輸出功率P2(銘牌功率)舉例

解:1)由電勢計算公式得:3)額定轉速時,轉子電動勢的頻率2)轉子繞組開路時,f2=f1,得1)定子每相繞組感應電動機E1;2)轉子每相開路電壓E20;3)額定轉速時轉子每相繞組感應電動勢E2N.

例1:有一臺Y型接線的三相異步電動機,其額定參數為:功率90KW,UN=3000V,IN=22.9A,電源頻率f=50Hz,額定轉差率SN=28.5%,定子每相繞組匝數N1=320,轉子每相繞組匝數N2=20,旋轉磁場每極磁通0.023WB,求:舉例例2:一臺4極三相異步電動機,電源頻率50Hz,額定轉速1440r/min,轉子電阻0.02歐,轉子電抗0.08歐,轉子電動勢E20=20V,求:1)電動機的同步轉速;2)電動機起動時的轉子電流.解;1)電動機為4極,磁極對數p=2,有n0=60f/P=3000/2=1500r/min

2)電動機起動時的轉子電流4.三相異步電動機的機械特性1).三相異步電動機的轉矩

三相異步電動機的轉矩是由旋轉磁場的每極磁通與轉子電流相互作用而產生的:

代入用代入,合并上面幾個式子得轉矩又一公式:注意,轉矩與電壓平方成正比2).三相異步電動機的機械特性n=f(T)

固有機械特性(自然機械特性):在額定電壓和額定頻率下,定子和轉子電路中不接任何電阻或電抗時,電動機的機械特性.

(2)額定工作點

T=TN,n=nN,S=SN;此時有自然特性上有4個特殊點:(1)理想空載轉速點noT=0,n=no,S=0;(3)起動工作點

T=Tst,n=0,S=1;此時有(4)臨界工作點

T=Tanm,n=nm,s=Sm;有:自然機械特性人工機械特性介紹4種人工特性,即:降低定子電壓時,定子電路串入電阻或電抗時,變頻率時,線繞電動機轉子串電阻時.(1)降低電壓時的人工特性

電壓越低,人工特性曲線越往左移;

電動機的過載能力和起動轉矩會大大降低;

電壓降低,負載轉矩不變時,電動機過熱;

電壓降低太多,電動機將帶不動負載(不能起動).(2)定子電路串入電阻或電抗時的人工特性

定子電路串電阻或電抗時的人工機械特性如右圖中虛線2所示,1為電壓降低時的人工機械特性;

曲線2與曲線1相比較,最大轉矩要大一些.

(3)改變定子電源頻率時的人工特性

隨著頻率的降低,理想空載轉速只能在電源額定頻率以下調節;轉速no減小,臨界轉差率Sm減小,起動轉矩Tst增大,最大轉矩Tmax不變.(4)三相線繞式異步電動機轉子電路外接電阻時的人工特性電路圖如右圖中(a)所示,三相轉子繞組通過滑環電刷機構與外接電阻相聯接;起動轉矩增加(有利),理想空載轉速和最大轉矩不變.5.三相異步電動機的起動特性生產機械對電動機起動的要求是:起動轉矩大,起動電流小.

1).三相鼠籠式異步電動機的起動方法

三相異步電動機起動電流是額定電流的(5-7)倍,為滿足起動要求,三相異步電動機的起動方法分為直接起動和降壓起動兩類.

(1)直接起動(全電壓起動)適用范圍;

電動機功率<20%變壓器容量.

一般中小型鼠籠式異步電動機都采用全電壓直接起動.(2)降壓起動:容量大的電動機起動電流大,為了限制過大的起動電流,采用降壓起動.在工廠常用的降壓起動方法有4種:定子串電阻或電抗器,Y-△變換,自耦變壓器,延邊三角形.(1)定子繞組串電阻或電抗器降壓起動

電路圖如右圖;

不足之處:起動轉矩隨定子電壓的平方下降;

不經濟.應用場合:電動機空載或輕載起動.(2)Y-△降壓起動:只有正常運行時定子三相繞組是△接法的電動機才能采用Y-△降壓起動.對于國產JO,JO2,Y,Y2系列電動機,功率大于4.5kW的都是采用△接線.也就是說,大容量電動機都可以用Y-△降壓起動.

Y-△降壓起動的電氣原理圖如右圖所示.起動時,三相繞組接成Y形,運行時,繞組接成△形.電流下降1/3,轉矩也下降1/3.

特點:

電動機Y形起動過程中,可提高電動機的效率和功率因數;

起動轉矩小,只適用于空載或輕載起動的場合;

設備簡單,經濟;在機床工業上應用較普遍.(3)自耦變壓器降壓起動

特點:

起動電流小,而且可以調節;

不適用于頻繁起動;

體積大,重量重,價格高.與定子串電阻或電抗器起動相比較,在相同的起動轉矩情況下,起動電流要小.(4)延邊三角形起動

對電動機定子繞組和繞組出線有特殊要求;

起動時繞組一部分Y形,一部分△形接線;運行時繞組△接線.

制造成本高,接線復雜.2).三相線繞式異步電動機的起動方法.

線繞式電動機在轉子電路串電阻,可以獲得較大的起動轉矩以及較小的起動電流,即有良好的起動特性.(1).逐級切除起動電阻法

(1)電路圖:如右圖.轉子外接電阻為三相對稱電阻;當電動機容量大時,一般采用三相不對稱電阻.(2)起動過程:起動初瞬,電阻全部接入;在起動過程中,分三次切除外接電阻,人工特性往上提,電阻全部切除后,通過提刷機構,使轉子繞組短接,機械特性回到自然特性.(3)特點:在起動過程中,電動機能保持最大的加速轉矩.(2)頻敏變阻器起動法

(1)頻敏變阻器:它是一個鐵損很大的三相電抗器,鐵心用A3鋼板疊成,三相繞組接成Y形.(2)起動過程:起動初瞬,轉子電流頻率接近50Hz,鐵損大,即等效阻抗大,從而限制了起動電流,增大了起動轉矩.隨著轉速逐步上升,等效阻抗逐步減小;到轉速達額定轉速,相當轉子被短接,起動結束.(3)特點:起動過程能平滑進行,不需要控制電器;

功率因數低;

只能用于起動,而串電阻起動時,電阻還可用于調速.得得R=0.0732歐;由由下式(3)(2)6.三相異步電動機的制動特性

異步電動機制動方法有3種:反饋制動,反接制動,能耗制動.1).反饋制動(1)產生條件:

電動機的運行速度高于同步轉速.此時S<0,電機進入發電狀態,電能反饋給電網.(2)運行狀態:

有兩種情況.(1)位能轉矩負載的起重機在下放重物時的反饋制動狀態.

可使重物勻速下降如右圖中a點.b點是改變轉子外接電阻后的穩定工作點.(2)多速電動機和變頻調速電機的同步速突然降低時的反饋制動狀態.2).反接制動:分為電源反接和倒拉制動.

電源反接是突然改變三相電源的相序,旋轉磁場反向;而倒拉制動則出現在轉子位能負載超過電磁轉矩的時候.(1)電源反接:

轉子在由正變負的電磁轉矩和負載轉矩作用下迅速減速.反接制動時電流大,要在定子電路串電阻.在右圖c點要切斷電源(n=0),否則電動機將反向起動.反接制動:分為電源反接和倒拉制動.

(2)倒拉制動:

電動機減速至右圖c點,由于負載轉矩大于電磁轉矩,起重機的重物迫使電動機反轉,電動機進入反接制動狀態.3).能耗制動

(1)產生條件:

電動機定子繞組脫離交流電源后,立即通入低壓直流電,直流電建立一個恒穩磁場,產生制動轉矩,系統貯存的能量消耗在電阻上.(2)機械特性:制動時,特性從下圖中的特性曲線1之a點平移至特性曲線2之b點,在制動轉矩和負載轉矩的共同作用下,沿曲線2迅速減速,到n=0.(3)特點:當n=0時,T=0,電動機不可能反方向起動,能使電動機準確停車.7.三相異步電動機的調速特性由基本公式異步電動機的調速方法主要有三種:變磁極對數p;變轉差率S;變頻率f.可得異步電動機的轉速方程式為:和基本公式1).變磁極對數調速(1)方法:

改變定子繞組的連接,可以得到兩個不同的磁極對數.(2)多速電動機:

最多在電動機中嵌入兩套繞組,使繞組有不同的連接,可分別得到雙速,三速,四速電動機,雙速應用較多.4極2極變磁極對數調速3)特點:

結構簡單,效率高,特性好;體積大,價格高.在中小機床上應用比較多.雙速電動機的高低速轉換,一般是先低速,再轉換為高速.雙速電動機Y/YY2).轉子電路串電阻(變轉差率)調速(1)應用范圍:

只適用于線繞式異步電動機.(2)原理電路和機械特性與串電阻降壓起動相同.

線繞式異步電動機的起動電阻,適當增大電阻的容量,可作調速電阻用.(3)特點:

結構簡單,動作可靠;是有級調速.(4)應用:

用于重復短時工作制的生產機械,如起重機械.三相電磁調速異步電動機也屬于變轉差率調速3).變頻調速(1)原理:

由上式可知,改變交流電源的頻率,就可以