1、機電傳動控制(第五版)課件及其復習機電傳動技術的發展機電傳動技術的發展 動力源：蒸汽機，內燃機，電動機動力源：蒸汽機，內燃機，電動機 機電傳動方式：機電傳動方式： 成組拖動：一臺電機拖動多臺設備，老方式，傳動機構復成組拖動：一臺電機拖動多臺設備，老方式，傳動機構復雜，效率低。雜，效率低。 單電機拖動：一臺電機拖動一臺設備，比成組方式進單電機拖動：一臺電機拖動一臺設備，比成組方式進步。步。 多電機拖動：多臺電機拖動一臺設備，現代的傳動方法。多電機拖動：多臺電機拖動一臺設備，現代的傳動方法。第二章第二章 機電傳動系統的動力學基礎機電傳動系統的動力學基礎 D 單軸傳動系統的慣性直徑單軸傳動系統的慣性

2、直徑（m）; G 單軸傳動系統的重力單軸傳動系統的重力（Kg）。）。 GD2 應視為一個整體物理量。應視為一個整體物理量。 運動方程式是研究機電傳動系統最基本的方程式，運動方程式是研究機電傳動系統最基本的方程式， 由它可描述出系統運動的狀態及特征。由它可描述出系統運動的狀態及特征。1 機電傳動系統的運動方程式機電傳動系統的運動方程式2 2、傳動系統的狀態、傳動系統的狀態根據運動方程式可知：運動系統有兩種不同的運動狀態：根據運動方程式可知：運動系統有兩種不同的運動狀態：即即，為常數，傳動系統以恒速運動。為常數，傳動系統以恒速運動。 T TM M = =T TL L時時傳動系統處于恒速運動的這種狀

3、態被稱為穩態。傳動系統處于恒速運動的這種狀態被稱為穩態。 即即 傳動系統加速運動。傳動系統加速運動。即即傳動系統減速運動。傳動系統減速運動。T TM M T TL L時時傳動系統處于加速或減速運動的這種狀態傳動系統處于加速或減速運動的這種狀態被稱為動態。被稱為動態。 處于動態時，系統中必然存在一個動態轉矩：處于動態時，系統中必然存在一個動態轉矩： 它使系統的運動狀態發生變化。其轉矩平衡方程為：它使系統的運動狀態發生變化。其轉矩平衡方程為：TM = TL + Td上式表明，在任何情況下，電機所產生的轉矩總是被軸上的負載上式表明，在任何情況下，電機所產生的轉矩總是被軸上的負載轉矩（靜態轉矩）與動態

4、轉矩之和所平衡。轉矩（靜態轉矩）與動態轉矩之和所平衡。 由于傳動系統有多種運動狀態，相應的運動方程式由于傳動系統有多種運動狀態，相應的運動方程式 中的轉速和轉矩的方向就不同，因此需要約定方向中的轉速和轉矩的方向就不同，因此需要約定方向 的表達規則。的表達規則。3 3、T TM M、T TL L、n n的參考方向的參考方向 因為電動機和生產機械以共同的轉速旋轉，所以，一般因為電動機和生產機械以共同的轉速旋轉，所以，一般以以（或（或n n）的轉動方向為參考來確定轉矩的正負。）的轉動方向為參考來確定轉矩的正負。 當當T TM M的實際作用方向與的實際作用方向與n n的方向相同時（符號同），取與的方向

5、相同時（符號同），取與n n相相同的符號，同的符號，T TM M為拖動轉矩；為拖動轉矩；1)T1)TM M的符號與性質的符號與性質 當當T TM M的實際作用方向與的實際作用方向與n n的方向相反時，取與的方向相反時，取與n n相反的符相反的符號，號，T TM M為制動轉矩。為制動轉矩。 拖動轉距促進運動；制動轉距阻礙運動。拖動轉距促進運動；制動轉距阻礙運動。 當當T TL L的實際作用方向與的實際作用方向與n n的方向相同時（符號反），取的方向相同時（符號反），取與與n n相反的符號，相反的符號，T TL L為拖動轉矩；為拖動轉矩；2)T2)TL L的符號與性質的符號與性質 當當T TL L

6、的實際作用方向與的實際作用方向與n n的方向相反時，取與的方向相反時，取與n n相同的符號，相同的符號，T TL L為制動轉矩。為制動轉矩。4 4 機電傳動系統的負載特性機電傳動系統的負載特性 前面討論的機電傳動系統運動方程中，負載轉矩前面討論的機電傳動系統運動方程中，負載轉矩T TL L 可能是常數，也可能是轉速的函數。可能是常數，也可能是轉速的函數。 我們把同一軸上負載轉矩與轉速之間的函數關系稱為我們把同一軸上負載轉矩與轉速之間的函數關系稱為 機電傳動系統的負載特性。機電傳動系統的負載特性。 就是生產機械的負載特性，有時也稱為生產機械的就是生產機械的負載特性，有時也稱為生產機械的 機械特性

7、。機械特性。 今后均指電機軸上的負載特性。今后均指電機軸上的負載特性。 不同類型的生產機械在運動中受阻的性質是不同的，不同類型的生產機械在運動中受阻的性質是不同的， 其負載特性曲線的形狀也有所不同，大致分為：其負載特性曲線的形狀也有所不同，大致分為： 恒轉矩型負載特性、離心式通風機型負載特性、恒轉矩型負載特性、離心式通風機型負載特性、 直線型負載特性、恒功率型負載特性。直線型負載特性、恒功率型負載特性。2.3.1 2.3.1 恒轉矩型負載特性恒轉矩型負載特性 這一類型負載特性的特點是：負載轉矩為常數。這一類型負載特性的特點是：負載轉矩為常數。 如圖所示。如圖所示。 依據負載轉矩與運動方向的關系

8、，恒轉矩型負載特性依據負載轉矩與運動方向的關系，恒轉矩型負載特性 可分為反抗性轉矩和位能性轉矩兩種。可分為反抗性轉矩和位能性轉矩兩種。a a反抗轉矩：又稱摩擦性轉矩，其特點如下：反抗轉矩：又稱摩擦性轉矩，其特點如下： 由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉等作用所產生由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉等作用所產生 的負載轉矩。的負載轉矩。 反抗性轉矩的方向恒與運動方向相反，阻礙運動；反抗性轉矩的方向恒與運動方向相反，阻礙運動； 反抗性轉矩的大小恒常不變。反抗性轉矩的大小恒常不變。 根據轉矩正方向的約定可知，反抗性轉矩恒與轉速根據轉矩正方向的約定可知，反抗性轉矩恒與轉速n n 的方向相反時取正號，即

9、：的方向相反時取正號，即： n n 為正方向時為正方向時T TL L 為正，特性在第一象限；為正，特性在第一象限； n n 為負方向時為負方向時T TL L 為負，特性在第三象限。為負，特性在第三象限。b b位能性轉矩，其特點如下：位能性轉矩，其特點如下： 位能性轉矩的大小恒常不變；位能性轉矩的大小恒常不變； 作用方向不變，與運動方向無關，即在某一方向作用方向不變，與運動方向無關，即在某一方向 阻礙運動而在另一方向促進運動。阻礙運動而在另一方向促進運動。 位能性轉矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、位能性轉矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、 扭轉等作用所引起的負載轉矩；扭轉等作用所引起的

10、負載轉矩；離心式通風機型負載特性離心式通風機型負載特性 離心式通風型機械特性是按離心力原理工作的，離心式通風型機械特性是按離心力原理工作的， 如離心式鼓風機、水泵等，它們的負載轉矩如離心式鼓風機、水泵等，它們的負載轉矩T TL L的大小的大小 與轉速與轉速n n的平方成正比，即：的平方成正比，即：其中：其中：C C為常數。為常數。特性曲線如圖所示。特性曲線如圖所示。直線型負載特性直線型負載特性 直線型負載的負載轉矩直線型負載的負載轉矩T TL L的大小與轉速的大小與轉速n n的大小的大小 成正比，即成正比，即 ：其中：其中：C C為常數。為常數。特性曲線如圖所示。特性曲線如圖所示。恒功率型負載

11、特性恒功率型負載特性 恒功率型負載的負載轉矩恒功率型負載的負載轉矩T TL L的大小與轉速的大小與轉速n n的的 大小成反比，即大小成反比，即其中：其中：C C為常數。例如機床。為常數。例如機床。 實際應用中，負載可能是單一類型的，也可以是幾種實際應用中，負載可能是單一類型的，也可以是幾種 類型的復合。類型的復合。特性曲線如圖所示。特性曲線如圖所示。5 5 機電傳動系統穩定運行的條件機電傳動系統穩定運行的條件 機電傳動系統中，電動機與生產機械連成一體，機電傳動系統中，電動機與生產機械連成一體， 為了使整個系統運行合理，就要使電動機的機械為了使整個系統運行合理，就要使電動機的機械 特性與生產機械

12、的負載特性盡量相匹配。特性與生產機械的負載特性盡量相匹配。 特性配合好壞的基本要求是系統能穩定運行。特性配合好壞的基本要求是系統能穩定運行。1 1、機電系統穩定運行的含義包括：、機電系統穩定運行的含義包括：1) 1) 系統應能以一定速度勻速運行；系統應能以一定速度勻速運行；2) 2) 系統受某種外部干擾作用（如電壓波動、負載系統受某種外部干擾作用（如電壓波動、負載 轉矩波動等）而使運行速度發生變化，應保證轉矩波動等）而使運行速度發生變化，應保證 系統在干擾消除后能恢復到原來的運行速度。系統在干擾消除后能恢復到原來的運行速度。2 2、機電系統穩定運行的條件、機電系統穩定運行的條件1) 1) 必要

13、條件必要條件 電動機的輸出轉矩電動機的輸出轉矩T TM M和負載轉矩和負載轉矩T TL L大小相等，大小相等， 方向相反。方向相反。 從從T Tn n 坐標上看，就是電動機的機械特性曲線坐標上看，就是電動機的機械特性曲線 n n = =f f( (T TM M) )和生產機械的機械特性曲線和生產機械的機械特性曲線n n = =f f( (T TL L) ) 必須有交點，交點被稱為平衡點。必須有交點，交點被稱為平衡點。2) 2) 充分條件充分條件 系統受到干擾后，要具有恢復到原平衡狀態的系統受到干擾后，要具有恢復到原平衡狀態的 能力，即：能力，即： 當干擾使速度上升時，有當干擾使速度上升時，有

14、T TM M T TL L 。 這是穩定運行的充分條件。這是穩定運行的充分條件。 符合穩定運行條件的平衡點稱為穩定平衡點。符合穩定運行條件的平衡點稱為穩定平衡點。 機電系統穩定運行的充分必要條件也可表述為：機電系統穩定運行的充分必要條件也可表述為：電動機的機械特性電動機的機械特性n= f（Tm） 與負載特性與負載特性n= f（TL）有交點；）有交點；a a、b b兩點是否為穩定平兩點是否為穩定平衡點？衡點？a a點：點： 當負載突然增加后當負載突然增加后當負載波動消除后當負載波動消除后 故故a a點為系統的穩定平衡點。點為系統的穩定平衡點。 同理同理b b點不是穩定平衡點。點不是穩定平衡點。

15、異步電動機異步電動機的機械特性的機械特性生產機械的生產機械的機械特性機械特性交點交點a a交點交點b b0LM TT分析舉例分析舉例 若我們約定：若我們約定： I Ia a 電樞電流；電樞電流； R Ra a 電樞電阻；電樞電阻； E E 電樞電動勢；電樞電動勢； U U 電機端電壓；電機端電壓； U Uf f 勵磁繞組端電壓；勵磁繞組端電壓； R Rf f 勵磁調節電阻；勵磁調節電阻； I If f 勵磁繞組電流。勵磁繞組電流。 由電磁學理論很容易由電磁學理論很容易 推得：推得：直流電機機械特性直流電機機械特性一般表達式一般表達式第第3章章 直流電機的工作原理及特性直流電機的工作原理及特性1

16、 1、固有機械特性、固有機械特性 電機的機械特性有固有特性和人為特性之分。電機的機械特性有固有特性和人為特性之分。 固有特性又稱自然特性，是指在額定條件下的固有特性又稱自然特性，是指在額定條件下的 n = n = f f( (T T) )曲線。曲線。（1 1）估算電樞電阻估算電樞電阻R Ra a： 根據電機銘牌可以計算出關鍵點而繪出該電機根據電機銘牌可以計算出關鍵點而繪出該電機 在額定條件下的在額定條件下的 n = n = f f( (T T) ) 特性曲線。特性曲線。 即即根據電機銘牌計算出理想空載點和額定運行點根據電機銘牌計算出理想空載點和額定運行點 的坐標，再據此近似地畫出的坐標，再據此

17、近似地畫出 n = n = f f( (T T) ) 特性曲線。特性曲線。（2 2）求求K Ke eN N：（3 3）求理想空載轉速：求理想空載轉速：（4 4）求額定轉矩：求額定轉矩：重點重點 根據（根據（0,n0,n0 0）和（）和（T Tn n,n,nN N）兩點就可以作出他勵電動機）兩點就可以作出他勵電動機 的機械特性曲線。的機械特性曲線。 正轉時，在第一象限；正轉時，在第一象限； 反轉時，在第三象限。反轉時，在第三象限。 人為機械特性是指公式人為機械特性是指公式 中的供電電壓中的供電電壓U U 或磁通或磁通 不是額定值、電樞電路中不是額定值、電樞電路中 接有外加電阻接有外加電阻R Ra

18、dad時的機械特性。（三種）時的機械特性。（三種）2 2、人為機械特性、人為機械特性（1 1）電樞回路中串接附加電阻時的人為機械特性；電樞回路中串接附加電阻時的人為機械特性；（2 2）改變電樞電壓改變電樞電壓U U 時的人為機械特性；時的人為機械特性；（3 3）改變磁通改變磁通時的人為機械特性。時的人為機械特性。3 3 直流他勵電動機的啟動特性直流他勵電動機的啟動特性 啟動電動機就是施電于電動機，使電動機轉子轉動啟動電動機就是施電于電動機，使電動機轉子轉動 起來，達到要求轉速的過程。起來，達到要求轉速的過程。 對直流電動機而言，在未啟動之前對直流電動機而言，在未啟動之前n n =0=0、E E

19、 =0=0， 而而R Ra a一般很小。一般很小。 所以，當電動機被直接接入電網并施加額定電壓時，所以，當電動機被直接接入電網并施加額定電壓時， 啟動電流為：啟動電流為： 這個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的這個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的 （10102020）倍。）倍。 過大的啟動電流危害很大：過大的啟動電流危害很大：（1 1） 對電動機本身的影響：對電動機本身的影響： 使電動機在換向過程中產生危險的火花，使電動機在換向過程中產生危險的火花， 燒壞整流子（換向器）；燒壞整流子（換向器）； 過大的電樞電流產生過大的電動應力，過大的電樞電流產生過大的電動應力， 可能引起繞組的損壞

20、。可能引起繞組的損壞。 （2 2） 對機械系統的影響：對機械系統的影響： 啟動轉矩與啟動電流成正比例；啟動轉矩與啟動電流成正比例； 巨大的啟動轉矩在運動系統中產生很大的巨大的啟動轉矩在運動系統中產生很大的 動態轉矩；動態轉矩； 過大的動態轉矩會在機械系統和傳動機構中產生過大的動態轉矩會在機械系統和傳動機構中產生 過大的動態轉矩沖擊，使機械傳動部件損壞。過大的動態轉矩沖擊，使機械傳動部件損壞。（3 3）對供電電網的影響：）對供電電網的影響： 過大的啟動電流可能會導致保護裝置動作，過大的啟動電流可能會導致保護裝置動作， 導致切斷電源，造成事故；導致切斷電源，造成事故； 或者引起電網電壓的下降，影響

21、其他負載的或者引起電網電壓的下降，影響其他負載的 正常運行。正常運行。因此，因此，直流電動機是不允許直接啟動的直流電動機是不允許直接啟動的若要啟動，必須設法限制電樞電流！若要啟動，必須設法限制電樞電流！例如：普通的例如：普通的Z2Z2型直流電動機，規定電樞的瞬時電流型直流電動機，規定電樞的瞬時電流 不得大于額定電流的不得大于額定電流的1.51.52 2倍。倍。4 4 直流他勵電動機的調速特性直流他勵電動機的調速特性 調速（又稱速度調節）與速度變化是兩個完全調速（又稱速度調節）與速度變化是兩個完全 不同的概念。不同的概念。 電動機的調速是在一定的負載條件下，人為地改變電動機的調速是在一定的負載條

22、件下，人為地改變 電動機的電路參數，以改變電動機的穩定轉速。電動機的電路參數，以改變電動機的穩定轉速。 如圖所示：人為地改變（或如圖所示：人為地改變（或 調節）電樞回路的電阻大小調節）電樞回路的電阻大小 造成轉速下降，故這種人為造成轉速下降，故這種人為 改變某些參數而造成速度的改變某些參數而造成速度的 變化，稱調速或速度調節。變化，稱調速或速度調節。a a 改變電樞電路外串電阻改變電樞電路外串電阻R Radad 從特性方程可看出，在一從特性方程可看出，在一 定的負載轉矩定的負載轉矩T TL L下，串入下，串入 不同的電阻可以得到不同不同的電阻可以得到不同 的轉速。的轉速。 在電阻分別為在電阻分

23、別為R Ra a、R R1 1、R R2 2、 R R3 3的情況下，可以分別的情況下，可以分別 得到穩定工作點得到穩定工作點A A、C C、D D和和E E，對應的轉速為，對應的轉速為 n nA A、n nB B、n nC C、n nD D。（。（ R Ra a R R1 1 R R2 2 U U1 1 U U2 2 U U3 3 ） 當當 = =N N、R Rad ad =0=0、改變電樞電壓、改變電樞電壓U U 時，理想空載時，理想空載 轉速轉速n n0 0將隨電樞電壓將隨電樞電壓U U 的變化而變化，但轉速降的變化而變化，但轉速降 n n卻不變。卻不變。 所以，在不同的電樞電壓所以，在

24、不同的電樞電壓U U 下，下， 可得一組平行于固有機械特性可得一組平行于固有機械特性 曲線的人為機械特性曲線。曲線的人為機械特性曲線。 由于電機絕緣材料耐壓條件由于電機絕緣材料耐壓條件 的限制，這種電壓調速方法的限制，這種電壓調速方法 只能在額定電壓值以下調節。只能在額定電壓值以下調節。 是一種電機降速調速法。是一種電機降速調速法。特點：特點：例：將電機電樞供電電壓由例：將電機電樞供電電壓由U U1 1升到升到U UN N。 電壓為電壓為U U1 1時，電機工作在時，電機工作在U U1 1 特性的特性的b b點；此時，穩定轉速點；此時，穩定轉速 為為n nb b。 當電壓突然上升到當電壓突然上

25、升到U UN N時，由于時，由于 機械系統的慣性作用，轉速機械系統的慣性作用，轉速n n 不變，相應的反電動勢也不變，不變，相應的反電動勢也不變， 仍分別為仍分別為n nb b和和E Eb b。 但當不考慮電樞電路的電感時，電樞電流將由但當不考慮電樞電路的電感時，電樞電流將由 突然上升至突然上升至 ； 電機轉矩也由電機轉矩也由 突然升至突然升至 ； 此時，電機的工作點雖然由此時，電機的工作點雖然由 b b點過渡到點過渡到g g點，但由于有點，但由于有 T Tg gTTL L，所以，系統開始加速。，所以，系統開始加速。 反電動勢反電動勢E E也會隨著轉速也會隨著轉速n n的的 上升而增大，電樞電

26、流則逐漸減少，電機轉矩也上升而增大，電樞電流則逐漸減少，電機轉矩也 相應地減少，電機的工作點沿相應地減少，電機的工作點沿U UN N由由g g點移動到點移動到a a點，點， 電機轉矩又回到電機轉矩又回到T TL L。改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題：改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題： 機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩定度愈低；機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩定度愈低； 在空載或輕載時，調速范圍不大；在空載或輕載時，調速范圍不大； 實現無級調速困難；實現無級調速困難； 在調速電阻上消耗大量電能等。在調速電阻上消耗大量電能等。 正因為缺點不少，目前已很少采用，僅在有些起

27、重正因為缺點不少，目前已很少采用，僅在有些起重 機、卷揚機等低速運轉時間不長的傳動系統中采用。機、卷揚機等低速運轉時間不長的傳動系統中采用。 當當U U = =U UN N、R Rad ad =0=0、而改變磁通、而改變磁通 時，時， 理想空載轉速理想空載轉速n n0 0和轉速降和轉速降n n都要隨磁通都要隨磁通 的變化的變化 而變化。而變化。 由于磁通由于磁通只能在低于其只能在低于其 額定值的范圍內調節，而額定值的范圍內調節，而 啟動電流為常數，所以得到啟動電流為常數，所以得到 的人為機械特性曲線如右的人為機械特性曲線如右 所示。是一種電機超速調速法。所示。是一種電機超速調速法。當磁通過分消

28、弱后，如果負載轉矩不變，電機電流當磁通過分消弱后，如果負載轉矩不變，電機電流將大大增加，從而產生過載現象。將大大增加，從而產生過載現象。 必須注意的是：必須注意的是：當當=0=0時，電機轉速將升到機械強度不允許的程度。時，電機轉速將升到機械強度不允許的程度。因此，直流他勵電機啟動前必須先加勵磁電流，因此，直流他勵電機啟動前必須先加勵磁電流，且在運轉中決不允許勵磁電流為零。且在運轉中決不允許勵磁電流為零。為此，直流他勵電機在使用中，一般都設有為此，直流他勵電機在使用中，一般都設有“失磁失磁”保護措施。保護措施。c c 改變電機主磁通改變電機主磁通 改變電機主磁通改變電機主磁通 的調速機械特性如圖

29、所示：的調速機械特性如圖所示： 即改變主磁通即改變主磁通 可以達到調速的目的。可以達到調速的目的。 降速時沿降速時沿c-d-bc-d-b進行，升速時沿進行，升速時沿b-e-cb-e-c進行。進行。 可平滑無級調速，但只能弱磁調速，即在額定轉可平滑無級調速，但只能弱磁調速，即在額定轉 速以上調節；速以上調節； 調速特性較軟，且受電動機換向條件等的限制；調速特性較軟，且受電動機換向條件等的限制； 調速時維持電樞電壓調速時維持電樞電壓U U 和電樞電流和電樞電流I Ia a不變時，不變時， 電動機的輸出功率電動機的輸出功率P P= =UIUIa a不變，屬恒功率調速。不變，屬恒功率調速。 普通他勵電

30、動機的最高轉速不得超過額定轉速的普通他勵電動機的最高轉速不得超過額定轉速的 1.2 1.2倍，所以，調速范圍不大。倍，所以，調速范圍不大。 所以，它往往和調壓調速配合使用，即在額定轉所以，它往往和調壓調速配合使用，即在額定轉 速下用降壓調速；在額定轉速之上用弱磁調速。速下用降壓調速；在額定轉速之上用弱磁調速。特點：特點：5 5 直流他勵電動機的制動特性直流他勵電動機的制動特性1 1、制動與啟動的定義：、制動與啟動的定義： 啟動：施電于電動機使電動機速度啟動：施電于電動機使電動機速度從靜止加速到從靜止加速到 某一穩定轉速某一穩定轉速的一種運動狀態。的一種運動狀態。 制動：電動機脫離電網，或使電動

31、機轉速制動：電動機脫離電網，或使電動機轉速 從某一穩定轉速開始減速到停止從某一穩定轉速開始減速到停止或是或是 限制位能負載下降速度限制位能負載下降速度的一種運轉狀態。的一種運轉狀態。 注意：電動的制動與自然停車是兩個不同的概念。注意：電動的制動與自然停車是兩個不同的概念。a a 反饋制動反饋制動 電機正常接線時，在外部電機正常接線時，在外部 條件作用下，電機的實際條件作用下，電機的實際 轉速轉速n n大于其理想空載轉速大于其理想空載轉速 n n0 0，此時，電機即運行于，此時，電機即運行于 反饋制動狀態。反饋制動狀態。例：例：電車，走平路時，其電機工作在電車，走平路時，其電機工作在 電動狀態下

32、，電磁轉矩電動狀態下，電磁轉矩T T 克服克服 摩擦性負載轉矩摩擦性負載轉矩T Tr r，即，即T=TT=Tr r， 以轉速以轉速n na a穩定在工作點穩定在工作點a a。b b 反接制動反接制動 當他勵電機的電樞電壓當他勵電機的電樞電壓U U或電樞電動勢或電樞電動勢E E中的任一個中的任一個 在外部條件作用下改變了方向時，電機將運行于在外部條件作用下改變了方向時，電機將運行于 反接制動狀態。反接制動狀態。特點：特點：1 1）電動機的外加電樞電壓）電動機的外加電樞電壓U U 與感應電動勢與感應電動勢E E 的方向的方向 在外界的作用下由相反變為相同；在外界的作用下由相反變為相同；2 2）電動

33、機的輸出轉矩）電動機的輸出轉矩T TM M與轉速與轉速n n的方向相反。的方向相反。在反接制動中，把在反接制動中，把改變電樞電壓改變電樞電壓U U 的方向的方向所產生的反接制所產生的反接制動稱為電源反接制動；動稱為電源反接制動；而把而把改變電樞電動勢改變電樞電動勢E E的方向的方向所產生的反接制動稱為所產生的反接制動稱為倒拉反接制動。倒拉反接制動。 （1).1).電源反接制動電源反接制動 設電動機外加電樞電壓的參考方向為圖中所示。設電動機外加電樞電壓的參考方向為圖中所示。 當電壓的實際方向與參考方向相同時，電動機的當電壓的實際方向與參考方向相同時，電動機的 機械特性為：機械特性為： 其特性曲線

34、如圖（其特性曲線如圖（b b）中的曲線）中的曲線1 1所示（正向）。所示（正向）。(2).(2).倒拉反接制動倒拉反接制動 設電機處于正向電動狀態，以設電機處于正向電動狀態，以n na a轉速穩定運轉，轉速穩定運轉， 提升重物。若用在電樞電路中串入附加限流電阻提升重物。若用在電樞電路中串入附加限流電阻 R Radad 的方法下放重物，這時，電機將由固有特性的方法下放重物，這時，電機將由固有特性 曲線曲線1 1的的a a點過渡到人為特性曲線點過渡到人為特性曲線2 2的的c c點，電機轉矩點，電機轉矩 T T 遠小于負載轉矩遠小于負載轉矩T TL L。 因此，電機因此，電機 轉速將沿著轉速將沿著

35、曲線曲線2 2下降。下降。 到到d d點時，點時， 電機轉速為電機轉速為0 0， 重物停止上升。重物停止上升。C C 能耗制動能耗制動 電機在電動狀態運行時，若把外施電樞電壓電機在電動狀態運行時，若把外施電樞電壓U U突然突然 降為降為0 0，同時用一個附加電阻，同時用一個附加電阻R Radad短接電樞兩端，即短接電樞兩端，即 得到能耗制動狀態。得到能耗制動狀態。 此時電機成為發電機，將機械能轉換為電能和熱能。此時電機成為發電機，將機械能轉換為電能和熱能。 此時的機械特性曲線為圖中的曲線此時的機械特性曲線為圖中的曲線2 2。1 1、旋轉磁場的極數與旋轉速度、旋轉磁場的極數與旋轉速度 在交流電動

36、機中，旋轉磁場相對定子的旋轉速度在交流電動機中，旋轉磁場相對定子的旋轉速度 被稱為同步速度，用被稱為同步速度，用n n0 0表示。表示。 以上討論的旋轉磁場，具有一對磁極（磁極對數以上討論的旋轉磁場，具有一對磁極（磁極對數 用用p p 表示）即表示）即p=p=1 1。 電流變化經過一個周期（變化電流變化經過一個周期（變化360360電角度），旋轉電角度），旋轉 磁場在空間也旋轉了一轉（轉了磁場在空間也旋轉了一轉（轉了360360機械角度），機械角度）， 若電流的頻率為若電流的頻率為f f，旋轉磁場每分鐘將旋轉，旋轉磁場每分鐘將旋轉6060f f 轉，轉， 即：即：第第4 4章章 交流電動機的工

37、作原理及特性交流電動機的工作原理及特性 依次類推，當有依次類推，當有p p對磁極時，其轉速為：對磁極時，其轉速為： 所以，旋轉磁場的旋轉速度與電流的頻率成正比所以，旋轉磁場的旋轉速度與電流的頻率成正比 而與磁級對數成反比。而與磁級對數成反比。 但但轉子轉速轉子轉速n n 恒小于旋轉磁場轉速（同步轉速）。恒小于旋轉磁場轉速（同步轉速）。 所以，稱為異步電機。所以，稱為異步電機。 所以，轉子與旋轉磁場才會永遠有切割磁力線的所以，轉子與旋轉磁場才會永遠有切割磁力線的 相對運動，才有感應電動勢和感應電流，才會產生相對運動，才有感應電動勢和感應電流，才會產生 驅動轉子的電磁轉矩驅動轉子的電磁轉矩轉子旋轉

38、的主要因素。轉子旋轉的主要因素。 我們把轉速差我們把轉速差( (n n0 0- -n n) )與同步轉速與同步轉速n n0 0的比值稱為異步的比值稱為異步 電動機的轉差率，用電動機的轉差率，用S S表示，即：表示，即： 轉差率轉差率S S是分析異步電動機運行特性的主要參數。是分析異步電動機運行特性的主要參數。 通常，通常，異步電動機在額定負載時，異步電動機在額定負載時，n n 接近接近n n0 0， 轉差率轉差率S S 很小，一般為很小，一般為0.0150.0150.0600.060。2 2、轉差率、轉差率 定子每相繞組中產生的感應電動勢為：定子每相繞組中產生的感應電動勢為： 它也是正弦量，其

39、有效值為：它也是正弦量，其有效值為： 式中，式中，f f1 1為為e e1 1的頻率。的頻率。 因為旋轉磁場和定子間的相對轉速為因為旋轉磁場和定子間的相對轉速為n n0 0， 所以有所以有 它等于定子電流的頻率，即它等于定子電流的頻率，即 。 定子每相繞組中還要產生漏磁電動勢：定子每相繞組中還要產生漏磁電動勢：3 3、定子電路的分析、定子電路的分析 加在定子每相繞組上的電壓分為三個分量，即：加在定子每相繞組上的電壓分為三個分量，即： 如用復數表示，則為：如用復數表示，則為： 式中，式中， 和和 為定子每相繞組的電阻和漏磁感抗，為定子每相繞組的電阻和漏磁感抗， 由于由于R R1 1和和X X1

40、1較小，其上電壓降與電動勢較小，其上電壓降與電動勢E E1 1比較起來，比較起來， 常可忽略，于是：常可忽略，于是：4 4、轉子電路的分析、轉子電路的分析 在討論電機轉矩之前，必須弄清轉子電路中的各項在討論電機轉矩之前，必須弄清轉子電路中的各項 物理量：電動勢物理量：電動勢e2 2、轉子電流、轉子電流i2 2、轉子電流頻率、轉子電流頻率f2 2、 轉子電路的功率因數轉子電路的功率因數coscos2 2、轉子繞組的感抗、轉子繞組的感抗X X2 2。 旋轉磁場在轉子每相繞組中感應出的電動勢為：旋轉磁場在轉子每相繞組中感應出的電動勢為： 其有效值為其有效值為 ： 式中，式中，f f2 2為轉子電動勢

41、為轉子電動勢e e2 2或轉子電流或轉子電流i i2 2相對于旋轉相對于旋轉 磁場的頻率。磁場的頻率。 因為旋轉磁場和轉子間的相對轉速為因為旋轉磁場和轉子間的相對轉速為 n n0 0- -n n。 在在 n n =0 =0 ，即，即S S =1=1時，轉子電動勢為：時，轉子電動勢為：為轉子最大電動勢。為轉子最大電動勢。 可見轉子電動勢可見轉子電動勢E E2 2 與轉差率與轉差率S S 有關。有關。 和定子電流一樣，轉子電流也要產生漏磁通，從而和定子電流一樣，轉子電流也要產生漏磁通，從而 在轉子每相繞組中還要產生漏磁電動勢。在轉子每相繞組中還要產生漏磁電動勢。 因此，對于轉子每相電路，有因此，對

42、于轉子每相電路，有 ： 如用復數表示，則為如用復數表示，則為 ：式中，式中，R R2 2和和X X2 2轉子每相繞組的電阻和漏磁感抗轉子每相繞組的電阻和漏磁感抗 。 在在n n =0 =0 ，即，即S S =1 =1 時，轉子感抗為：時，轉子感抗為：為轉子最大感抗。為轉子最大感抗。可見轉子感抗可見轉子感抗E E2 2 與轉差率與轉差率S S 有關。有關。 轉子每相電路的電流為：轉子每相電路的電流為： 可見轉子電流可見轉子電流I I2 2 也與轉差率也與轉差率S S 有關。當有關。當S S 增大，增大， 即轉速即轉速n n 降低時，轉子與旋轉磁場間的相對轉速降低時，轉子與旋轉磁場間的相對轉速 增

43、加，轉子導體被磁力線切割的速度提高，于是增加，轉子導體被磁力線切割的速度提高，于是 E E2 2 增加，增加，I I2 2 也增加。也增加。 轉子電流轉子電流I I2 2 隨轉差率隨轉差率S S 的變化關系如圖的變化關系如圖5.205.20所示。所示。 當當S S =0=0，即，即n n0 0-n =0-n =0，I I2 2 =0=0； 當當S S 很小時，很小時， ， ， 即與即與S S近似地成正比；近似地成正比； 當當S S 接近于接近于1 1時，時， ， 為常數。為常數。 由于轉子有漏磁通由于轉子有漏磁通L2L2，相應的感抗為，相應的感抗為X X2 2。 因此，因此，I I2 2比比E

44、 E2 2滯后滯后2角，角， 因而轉子電路的功率因數為：因而轉子電路的功率因數為： 它也與轉差率它也與轉差率S S有關。有關。 當當S S很小時，很小時， ； 當當S S增大時，增大時，X2X2也增大，于是也增大，于是coscos 2 減小；減小； 當當S S接近于接近于1 1時，時，coscos 2 R2/X20。可見電動勢、電流、頻率、感抗及功率因數都可見電動勢、電流、頻率、感抗及功率因數都與轉速有關。與轉速有關。5 5、三相異步電機的固有機械特性、三相異步電機的固有機械特性 三相異步電機的轉矩是由旋轉磁場的每極磁通三相異步電機的轉矩是由旋轉磁場的每極磁通 與轉子電流與轉子電流I2 2 相

45、互作用而產生的。相互作用而產生的。 其計算公式為：其計算公式為： 該計算公式的另一表達式為：該計算公式的另一表達式為： 其中，其中，Kt與電機結構有關的常數；與電機結構有關的常數； I2轉子電流；轉子電流； 每極磁通；每極磁通； 2I2比比E2滯后角；滯后角； R2轉子每相繞組的電阻；轉子每相繞組的電阻； U1定子繞組相電壓；定子繞組相電壓；U電源電壓；電源電壓； X20電機不動時轉子每相繞組的感抗；電機不動時轉子每相繞組的感抗； K與電機結構、電源頻率有關的常數。與電機結構、電源頻率有關的常數。 從特性曲線上可以看出，其上有從特性曲線上可以看出，其上有 四個特殊點可以決定特性曲線的四個特殊點

46、可以決定特性曲線的 基本形狀和異步電動機的運行基本形狀和異步電動機的運行 性能，這四個特殊點是：性能，這四個特殊點是：(1) T=0(1) T=0，n=nn=n0 0(S=0)(S=0)時，時，電動機處于理想空載工作點，此時電動機的轉速為電動機處于理想空載工作點，此時電動機的轉速為理想空載轉速理想空載轉速即同步轉速。即同步轉速。(2) T=T(2) T=TN N，n=nn=nN N(S=S(S=SN N) )時，時，這時，電動機處于額定工作點。這時，電動機處于額定工作點。其額定轉矩和額定轉差率為其額定轉矩和額定轉差率為 ：式中：式中：PN電機的額定功率；電機的額定功率；nN電機的額定轉速，一般

47、電機的額定轉速，一般nN=(0.940.958)N0；SN電機的額定轉差率，一般電機的額定轉差率，一般SN=0.060.015；TN電機的額定轉矩。電機的額定轉矩。(3) T=T(3) T=Tstst，n=0(S=1)n=0(S=1)時，時，電動機處于啟動工作點。電動機處于啟動工作點。將將S=1 1代入轉矩公式中，可得：代入轉矩公式中，可得：可見，異步電動機的啟動轉矩可見，異步電動機的啟動轉矩Tst與與U、 R2及及X20有關。有關。 當施加在定子每相繞組上的電壓降低當施加在定子每相繞組上的電壓降低 時，啟動轉矩會明顯減小；時，啟動轉矩會明顯減小； 當轉子電阻適當增大時，啟動轉矩會增大；當轉子

48、電阻適當增大時，啟動轉矩會增大； 若增大轉子電抗則會使啟動轉矩大為減小。若增大轉子電抗則會使啟動轉矩大為減小。 通常把在固有機械特性上啟動轉矩通常把在固有機械特性上啟動轉矩Tst與額定轉矩與額定轉矩TN 之比之比 st=Tst/TN 作為衡量異步電動機啟動能力的一個作為衡量異步電動機啟動能力的一個 重要數據。一般：重要數據。一般：(4) T=T(4) T=Tmaxmax，n=nn=nm m(S=S(S=Sm m) )時，時，電機處于臨界工作點。電機處于臨界工作點。欲求轉矩的最大值，可令欲求轉矩的最大值，可令得臨界轉差率：得臨界轉差率：再將再將Sm代入轉矩公式中，即可得：代入轉矩公式中，即可得：

49、上式表明，上式表明，T Tmaxmax對電壓的波動很敏感。對電壓的波動很敏感。電源電壓過低會引起輸出轉矩明顯下降，電源電壓過低會引起輸出轉矩明顯下降，甚至低于負載轉矩而造成電機停轉。甚至低于負載轉矩而造成電機停轉。 通常把在固有機械特性上最大電磁轉矩與額定轉矩通常把在固有機械特性上最大電磁轉矩與額定轉矩 之比之比 稱為電動機的過載能力系數。稱為電動機的過載能力系數。 它表征了電動機能夠承受沖擊負載的能力大小，它表征了電動機能夠承受沖擊負載的能力大小， 是電動機的又一個重要運行參數。是電動機的又一個重要運行參數。 鼠籠式異步電動機：鼠籠式異步電動機： 線繞式異步電動機：線繞式異步電動機：（1 1

50、）降低電動機電源電壓時的人為特性）降低電動機電源電壓時的人為特性n0不變；不變；Sm不變；不變；Tmax隨著電壓的減小而大大地減小；隨著電壓的減小而大大地減小；Tst隨著電壓的減小而大大地減小。隨著電壓的減小而大大地減小。改變電源電壓后的人為特性如圖改變電源電壓后的人為特性如圖圖所示。圖所示。6 6、人為特性、人為特性（2 2）定子電路接入電阻或電抗時的人為特性）定子電路接入電阻或電抗時的人為特性 在電動機定子電路中外串電阻或電抗后，電動機在電動機定子電路中外串電阻或電抗后，電動機 端電壓為電源電壓減去定子外串電阻上或電抗上的端電壓為電源電壓減去定子外串電阻上或電抗上的 壓降，致使定子繞組相電

51、壓降低壓降，致使定子繞組相電壓降低, ,這種情況下的人為這種情況下的人為 機械特性與降低電源電壓時的相似，如圖所示。機械特性與降低電源電壓時的相似，如圖所示。（3 3）改變定子電源頻率時的人為特性）改變定子電源頻率時的人為特性一般變頻調速采用恒轉矩調速，一般變頻調速采用恒轉矩調速，即希望最大轉矩保持為恒值，即希望最大轉矩保持為恒值，為此在改變頻率的同時，電源為此在改變頻率的同時，電源電壓也要作相應的變化，使電壓也要作相應的變化，使U/f =C，這在實質上是使電機，這在實質上是使電機氣隙磁通保持不變。氣隙磁通保持不變。因此，改變電源頻率因此，改變電源頻率后的機械特性后的機械特性如圖所示。如圖所示

52、。n0不變；不變；Tmax不變；不變；Sm隨著串接電阻的增加而增大。隨著串接電阻的增加而增大。此時的人為特性將是一根比固有特性較軟的一條曲線，此時的人為特性將是一根比固有特性較軟的一條曲線，如圖如圖 (b) (b)所示。所示。（4 4）轉子電路串電阻時的人為特性）轉子電路串電阻時的人為特性 要求啟動平滑，即要求啟動時加速平滑，以減小要求啟動平滑，即要求啟動時加速平滑，以減小 對生產機械的沖擊。對生產機械的沖擊。 啟動設備安全可靠，力求結構簡單，操作方便。啟動設備安全可靠，力求結構簡單，操作方便。 啟動過程中的功率損耗越小越好。啟動過程中的功率損耗越小越好。 其中，其中，“足夠大的啟動轉矩足夠大

53、的啟動轉矩”和和“啟動電流越小啟動電流越小 越好越好”是衡量電機啟動性能的主要技術指標。是衡量電機啟動性能的主要技術指標。7 7、三相異步電動機的啟動特性、三相異步電動機的啟動特性 異步電動機本身的啟動特性為：異步電動機本身的啟動特性為：異步電動機在接入電網啟動的瞬時，由于轉子處于異步電動機在接入電網啟動的瞬時，由于轉子處于靜止狀態，定子旋轉磁場以最快的相對速度（即靜止狀態，定子旋轉磁場以最快的相對速度（即同步轉速）切割轉子導體，在轉子繞組中感應出同步轉速）切割轉子導體，在轉子繞組中感應出很大的轉子電動勢和轉子電流，從而引起很大的很大的轉子電動勢和轉子電流，從而引起很大的定子電流，一般可達額定

54、電流的定子電流，一般可達額定電流的5 57 7倍。倍。a. 定子電流大，定子電流大，Ist=(57)IN。b. 啟動轉矩小，啟動轉矩小，Tst=(0.81.5)TN。啟動時啟動時S=1=1，轉子功率因數，轉子功率因數 很低，很低，因而啟動轉矩因而啟動轉矩 卻不大。卻不大。8 8、鼠籠式啟動、鼠籠式啟動 一般在有獨立變壓器供電（即變壓器供動力用電）一般在有獨立變壓器供電（即變壓器供動力用電） 的情況下，若電動機啟動頻繁時，電動機功率小于的情況下，若電動機啟動頻繁時，電動機功率小于 變壓器容量的變壓器容量的20%20%時允許直接啟動；時允許直接啟動； 若電動機不經常啟動，電動機功率小于變壓器容量若

55、電動機不經常啟動，電動機功率小于變壓器容量 的的30%30%時也允許直接啟動；時也允許直接啟動； 如果沒有獨立的變壓器供電（即與照明共用電源）如果沒有獨立的變壓器供電（即與照明共用電源） 的情況下，電動機啟動較頻繁，則常按經驗公式來的情況下，電動機啟動較頻繁，則常按經驗公式來 估算，滿足下列關系則可直接啟動：估算，滿足下列關系則可直接啟動：1.1.直接啟動直接啟動2 2、電阻或電抗器降壓啟動、電阻或電抗器降壓啟動 其接線原理如圖所示。其接線原理如圖所示。 啟動時，接觸器啟動時，接觸器KM1斷開，斷開，KM 閉合，將啟動電阻閉合，將啟動電阻Rst串入定子串入定子 電路，使啟動電流減小；電路，使啟

56、動電流減小； 待轉速上升到一定程度后再將待轉速上升到一定程度后再將KM1閉合，閉合， Rst被短接，電動機接上全部電壓而趨于穩定運行。被短接，電動機接上全部電壓而趨于穩定運行。 缺點：缺點： 啟動轉矩隨定子電壓的平方關系啟動轉矩隨定子電壓的平方關系 下降，故它只適用于空載或輕載下降，故它只適用于空載或輕載 啟動的場合；啟動的場合； 不經濟，在啟動過程中，電阻器不經濟，在啟動過程中，電阻器 上消耗能量大，不適用于經常上消耗能量大，不適用于經常 啟動的電動機，若采用電抗器代替啟動的電動機，若采用電抗器代替 電阻器，則所需設備費較貴，且體積大。電阻器，則所需設備費較貴，且體積大。3 3、Y-Y- 降

57、壓啟動降壓啟動 啟動時，接觸器觸點啟動時，接觸器觸點KM和和KM1 1 閉合，閉合，KM2斷開，將定子繞組斷開，將定子繞組 接成接成Y Y； 待轉速上升到一定程度后再將待轉速上升到一定程度后再將KM1 斷開，斷開，KM2閉合，定子繞組接成閉合，定子繞組接成 ， 電機啟動過程完成，轉入正常運行。電機啟動過程完成，轉入正常運行。 設設U1為電源線電壓，為電源線電壓，IstY及及Ist 為定子繞組分別接成為定子繞組分別接成 星形及三角形的啟動電流（線電流），星形及三角形的啟動電流（線電流），Z為電動機為電動機 在啟動時每相繞組的等效阻抗。則有：在啟動時每相繞組的等效阻抗。則有：所以所以 即定子繞組接

58、成星形時的啟動電流只有接成三角形即定子繞組接成星形時的啟動電流只有接成三角形 時的啟動電流的時的啟動電流的1/31/3。 同樣，啟動轉矩也只有接成三角形時的同樣，啟動轉矩也只有接成三角形時的1/31/3。 Y-Y- 降壓啟動方法的優點是：降壓啟動方法的優點是： 設備簡單、經濟、啟動電流小；設備簡單、經濟、啟動電流小； Y-Y- 降壓啟動方法的缺點是：降壓啟動方法的缺點是：啟動轉矩小，且啟動電壓不能按實際需要調節，只啟動轉矩小，且啟動電壓不能按實際需要調節，只適用于空載或輕載啟動的場合；適用于空載或輕載啟動的場合；并只適用于正常運行時定子繞組接線為并只適用于正常運行時定子繞組接線為 的異步電的異

59、步電動機。動機。 由于這種方法應用廣泛，我國規定由于這種方法應用廣泛，我國規定4KW及其以上的及其以上的 三相異步的額定電壓為三相異步的額定電壓為380380V，連接方法為，連接方法為 ， 當電源線電壓為當電源線電壓為380380V時，它們就可用時，它們就可用Y-Y- 降壓啟動。降壓啟動。9 9、線繞式異步電動機的啟動方法、線繞式異步電動機的啟動方法 鼠籠式異步電動機的啟動轉矩小，啟動電流大，鼠籠式異步電動機的啟動轉矩小，啟動電流大， 因此不能滿足某些生產機械需要高啟動轉矩和因此不能滿足某些生產機械需要高啟動轉矩和 低啟動電流的要求。低啟動電流的要求。 線繞式異步電動機由于能在轉子電路中串電阻

60、，線繞式異步電動機由于能在轉子電路中串電阻， 因此具有較大的啟動轉矩和較小的啟動電流，因此具有較大的啟動轉矩和較小的啟動電流， 即具有較好的啟動特性。即具有較好的啟動特性。 在轉子電路中串電阻的啟動方法常用的有兩種：在轉子電路中串電阻的啟動方法常用的有兩種： 逐級切除啟動電阻法和頻敏變阻器啟動法。逐級切除啟動電阻法和頻敏變阻器啟動法。逐級切除啟動電阻法逐級切除啟動電阻法 采用逐極切除啟動電阻的方法，其目的和啟動采用逐極切除啟動電阻的方法，其目的和啟動 過程與他勵直流電動機采用逐級切除啟動電阻的過程與他勵直流電動機采用逐級切除啟動電阻的 方法相似，主要是為了使整個啟動過程中電機能方法相似，主要是