電機(jī)與拖動(dòng)知識要點(diǎn)楊天明陳杰版

1、緒 論在電能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進(jìn)行能量(或信號)傳遞與變換的電磁機(jī)械裝置，這些電磁機(jī)械裝置被廣義地稱為電機(jī)。變壓器是用于改變電壓即把一種類型的電能轉(zhuǎn)變成另一種類型的電能；電氣化、信息化時(shí)代，在性能、可靠性及容量等方面，對電機(jī)提出了更高的要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無刷直流電機(jī)、永磁同步無刷電機(jī)等得到了很大發(fā)展。同時(shí)，隨著新興行業(yè)的發(fā)展，微電機(jī)亦成為電機(jī)行業(yè)發(fā)展的亮點(diǎn)，是我國電工電器行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)品。電力拖動(dòng)技術(shù)，它具有許多其他拖動(dòng)方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動(dòng)機(jī)的類型多，且具有各種不同的運(yùn)行

2、特性來滿足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)的檢測和信號的變換與傳送方便，易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。凡是電流均會在其周圍產(chǎn)生磁場，這就是電流的磁效應(yīng)，即所謂“電生磁”全電流定律，磁場中沿任一閉合回路l 對磁場強(qiáng)度H 的線積分等于該閉合回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：磁場變化會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與線圈的匝數(shù)W 和線圈所交鏈的磁通對時(shí)間的變比率成正比，這是電磁感應(yīng)定律。第1篇 直流電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)通稱為直流電機(jī)，二者是可逆的。直流電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比，具有較好的啟動(dòng)性能、在較寬的范圍內(nèi)達(dá)到平滑無級地調(diào)速，同時(shí)又比較經(jīng)濟(jì)；所以廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、電

3、力機(jī)車、大型機(jī)床拖動(dòng)系統(tǒng)以及玩具行業(yè)中加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。同一臺電機(jī)，既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行又能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。1. 定子1) 主磁極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成。2. 轉(zhuǎn)子(電樞)1) 電樞鐵心電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損

4、耗。2) 電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。直流電機(jī)的電樞繞組按照連接規(guī)律的不同，電樞繞組分為單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、蛙繞組等多種類型單疊繞組的特點(diǎn)(1) 位于同一磁極下的各元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)，即ap。(2) 當(dāng)元件形狀左右對稱、電刷在換向器表面的位置對準(zhǔn)磁極中心線時(shí)，正、負(fù)電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，被電刷短路元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢最小。(3) 電刷桿數(shù)等于磁極數(shù)。單波繞組的特點(diǎn)(1) 上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1，與極對數(shù)無關(guān)。(2) 當(dāng)元件形

5、狀左右對稱、電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，支路電動(dòng)勢最大。(3) 單從支路對數(shù)來看，單波繞組可以只要兩根刷桿，但在實(shí)際電機(jī)中，為縮短換向器長度，以降低成本，仍使電刷桿數(shù)等于極數(shù)，亦即所謂采用全額電刷。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。按勵(lì)磁方式的不同，分為以下4類。1) 他勵(lì)直流電機(jī)勵(lì)磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系2) 并勵(lì)直流電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。3) 串勵(lì)直流電機(jī):勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)4) 復(fù)勵(lì)直流電機(jī)每個(gè)主磁極上套有兩套勵(lì)磁磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵(lì)繞組。直流電機(jī)不帶負(fù)載(即不輸出功率)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱為空載運(yùn)行直流電

6、機(jī)的換向換向是直流電機(jī)中一個(gè)非常重要問題，直流電機(jī)的換向不良，將會造成電刷與換向器之間產(chǎn)生電火花，嚴(yán)重的會使電機(jī)燒毀。附加電流對換向的影響:由于Ik 的出現(xiàn)，破壞了直線換向時(shí)電刷下電流密度的均勻性，從而使后刷端電流密度增大，導(dǎo)致過熱，前刷端電流密度減小，3. 裝置換向極直流電機(jī)容量在1kW以上一般均裝有換向極，這是改善換向最有效的方法，換向極安裝在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上2.1 直流電動(dòng)機(jī)基本的平衡方程式直流電動(dòng)機(jī)基本的平衡方程式是指直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電路系統(tǒng)的電壓平衡方程式、能量轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程式和機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。電樞導(dǎo)體切割主磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，根據(jù)右手定則可

7、知，S極下的感應(yīng)電動(dòng)勢方向?yàn)榱魅爰埫?，與電樞電流方向相反。由于電動(dòng)機(jī)中的感應(yīng)電動(dòng)勢有阻止電流流入電樞繞組的作用，因此稱它為反電動(dòng)勢。為了使電流能夠從電網(wǎng)流入電樞繞組，電動(dòng)機(jī)的端電壓應(yīng)該大于反電動(dòng)勢Ea ，即U > Ea。根據(jù)基爾霍夫第二定律，可以寫出電樞回路的電勢平衡方程式為Ua = Ea + Ia Rq + 2u (2.1)式中 a I 電樞電流；a r 電樞回路的電阻；s 2u 正負(fù)電刷的接觸電壓降落。在額定負(fù)載時(shí)1. 機(jī)械損耗機(jī)械損耗包括軸承和電刷的摩擦損耗及通風(fēng)損耗，它們都與轉(zhuǎn)速有關(guān)2. 鐵耗:是指電動(dòng)機(jī)的主磁通在磁路的鐵磁材料中交變時(shí)所產(chǎn)生的損耗。3. 銅耗是指電流流過電動(dòng)機(jī)中

8、相關(guān)繞組所產(chǎn)生的損耗，包括電樞回路(包括電樞繞組、串勵(lì)繞組、換向極繞組等)的銅耗a p 、電刷與換向器表面的接觸壓降損耗b p 以及勵(lì)磁回路中的銅耗f p 。轉(zhuǎn)矩平衡方程式 T = T2 + T 0(2.11)當(dāng)輸出功率增加時(shí)，電樞電流增加，電樞壓降增加，使轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用使轉(zhuǎn)速上升。電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與其轉(zhuǎn)矩(電磁轉(zhuǎn)矩)T 之間的關(guān)系，即n = f (T)曲線當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T 時(shí)，即帶負(fù)載的情況下，就存在n。所以直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條向下傾斜的直線，而且 斜率越大，n就越大，機(jī)械特性越“軟”；反之，特性越平坦，機(jī)械特性越“硬”。一般直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)

9、，當(dāng)沒有電樞外接電阻時(shí)，機(jī)械特性都比較硬。機(jī)械特性分為固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性兩種。固有機(jī)械特性當(dāng)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)端電壓U Un ，磁通 n ，電樞回路附加電阻Rk = 0時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。對照式(2.21)，此時(shí)的機(jī)械特性方程式為其特點(diǎn)是：(1) 對于任何一臺直流電動(dòng)機(jī)，其固有機(jī)械特性只有一條；(2) 由于Rk= 0，特性曲線的斜率 較小，n較小，特性較平坦，屬于硬特性。1. 電樞串接電阻時(shí)的人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性方程式:其機(jī)械特性如圖2.10 所示。與固有機(jī)械特性相比，電樞串接電阻時(shí)的人為機(jī)械特性具有如下一些特點(diǎn)：(1) 理想控制轉(zhuǎn)速與固有特性時(shí)相同，且不隨串接電阻K R 的

10、變化而變化；(2) 隨著串接電阻Rk的加大，特性的斜率加大，轉(zhuǎn)速降落n加大，特性變軟，穩(wěn)定性變差。第3 章 直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)把帶有負(fù)載的電動(dòng)機(jī)從靜止起動(dòng)到某一穩(wěn)定速度的過程為起動(dòng)過程，起動(dòng)時(shí)要求平穩(wěn)慢速起動(dòng)以縮短起動(dòng)時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率為了限制起動(dòng)電流，一般采取兩種方法：一種方法是在電樞電路內(nèi)串入適當(dāng)?shù)耐饧与娮?，來限制起?dòng)瞬時(shí)的過大的起動(dòng)電流，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，反電動(dòng)勢增大，電樞電流相對減小后再逐級切除外加電阻，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速。但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也不能過大，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)允許的最大電流，通常都是由電動(dòng)機(jī)的無火花條件和生產(chǎn)機(jī)械的允許強(qiáng)度所限制。從經(jīng)濟(jì)上要求起動(dòng)設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)和可靠

11、。為滿足這樣的要求，希望起動(dòng)電阻的級數(shù)越少越好，但起動(dòng)電阻過少會使起動(dòng)過程的快速程度和平滑性變差另一種方法是降低電樞電壓的降壓起動(dòng)。這種起動(dòng)方法的基本思想是：在起動(dòng)瞬間，反電動(dòng)勢很小，使外加電源電壓很低，這樣可防止產(chǎn)生過大的起動(dòng)電流。待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，反電動(dòng)勢增大，電流降低，這時(shí)再逐漸增加電樞兩端的外加電壓，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速，電壓的調(diào)節(jié)及電流的限制靠一些環(huán)節(jié)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，較為方便。這種方法適用于電動(dòng)機(jī)的直流電源是可調(diào)的。當(dāng)沒有可調(diào)電源時(shí)，為了使起動(dòng)過程平穩(wěn)，則宜采用上面介紹的串電阻起動(dòng)方法。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速可用機(jī)械方法、電氣方法或機(jī)械電氣配合的方法調(diào)速指標(biāo)在選擇和評價(jià)某種調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，

12、應(yīng)考慮下列指標(biāo)：調(diào)速范圍、調(diào)速的穩(wěn)定性及靜差度、調(diào)速的平滑性、調(diào)速的負(fù)載能力、經(jīng)濟(jì)性等。1) 調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)可能運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速max n 與最小轉(zhuǎn)速min n之比，近代機(jī)械設(shè)備制造的趨勢是力圖簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少齒輪變速機(jī)構(gòu)，從而要求拖動(dòng)系統(tǒng)能具有較大的調(diào)速范圍。2) 調(diào)速的相對穩(wěn)定性和靜差度所謂相對穩(wěn)定性，是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍內(nèi)變化時(shí)所引起的速度的變化，決定于機(jī)械特性的斜率,生產(chǎn)機(jī)械對機(jī)械特性的相對穩(wěn)定性的程度是有要求的。如果低速時(shí)機(jī)械特性較軟，相對穩(wěn)定性較差，低速就不穩(wěn)定，負(fù)載變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可能變得接近于零，甚至可能使生產(chǎn)機(jī)械停下來。因此，必須設(shè)法得到低

13、速硬特性，以擴(kuò)大調(diào)速范圍。靜差度(又稱靜差率)是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)在一條機(jī)械特性上運(yùn)行時(shí)，由理想空載到滿載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落n與理想空載轉(zhuǎn)速no 的比值，用百分?jǐn)?shù)表示，調(diào)速的平滑性:是指在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，相鄰兩級速度變化的程度，用平滑系數(shù)K表示直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法及其調(diào)速性能由直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可以看出，改變串入電樞回路的電阻Rk 、外加電樞兩端的電壓U 及主磁通 ，1. 電樞回路串接電阻調(diào)速，電樞回路串接電阻，不能改變理想空載轉(zhuǎn)速 ，只能改變機(jī)械特性的硬度。所串的附加電阻愈大，特性愈軟，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL 下，轉(zhuǎn)速也就愈低.這種調(diào)速方法，其調(diào)節(jié)區(qū)間只能是電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)。其機(jī)械

14、特性的硬度隨外串電阻的增加而減??；當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，低速時(shí)的機(jī)械特性很軟，負(fù)載的微小變化將引起轉(zhuǎn)速的較大波動(dòng).電樞回路串接電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是方法較簡單。但由于調(diào)速是有級的，調(diào)速的平滑性很差2. 改變電源電壓調(diào)速由直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可以看出，升高電源電壓U可以提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低電源電壓U 便可以減少電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)已是工作在額定狀態(tài)下，所以改變電源電壓通常都是向下調(diào)，即降低加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓，進(jìn)行降壓調(diào)速。由人為機(jī)械特性可知，當(dāng)降低電樞電壓時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速降低，但其機(jī)械特性斜率不變。它的調(diào)速方向是從基速(額定轉(zhuǎn)速)向下調(diào)的。這種調(diào)速方法是屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適于

15、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械。不過公用電源電壓通?？偸枪潭ú蛔兊模瑸榱四芨淖冸妷簛碚{(diào)速，必須使用獨(dú)立可調(diào)的直流電源，目前用得最多的可調(diào)直流電源是晶閘管整流裝置采用降低電樞電壓調(diào)速方法的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)的平滑性較高，另一特點(diǎn)是它的理想空載轉(zhuǎn)速隨外加電壓的平滑調(diào)節(jié)而改變。還有一個(gè)特點(diǎn)，就是可以靠調(diào)節(jié)電樞兩端電壓來起動(dòng)電動(dòng)機(jī)而不用另外添加起動(dòng)設(shè)備，這就是前節(jié)所說的靠改變電樞電壓的起動(dòng)方法。3. 改變電動(dòng)機(jī)主磁通的調(diào)速方法改變主磁通 的調(diào)速方法，一般是指向額定磁通以下改變。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)正常工作時(shí)，磁路已經(jīng)接近飽和，即使勵(lì)磁電流增加很大，但主磁通 也不能顯著地再增加很多。所以一般所說的改變主磁通 的調(diào)速方法，都是指往額

16、定磁通以下的改變。而通常改變磁通的方法都是增加勵(lì)磁電路電路，減小勵(lì)磁電流，從而減小電動(dòng)機(jī)的主磁通 。這種調(diào)速方法是恒功率調(diào)節(jié)，適于恒功率性質(zhì)的負(fù)載。這種調(diào)速方法是改變勵(lì)磁電流，所以損耗功率極小，經(jīng)濟(jì)效果較高。又由于控制比較容易，可以平滑調(diào)速，因而在生產(chǎn)中可到廣泛應(yīng)用。制動(dòng)與電動(dòng)的區(qū)別電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)按拖動(dòng)性能可分為電動(dòng)及制動(dòng)兩大類。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在外加電源的作用下，產(chǎn)生與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向一致的轉(zhuǎn)矩，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí)，即為電動(dòng)工作狀態(tài)。在電動(dòng)工作狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T 方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，為拖動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)把由電網(wǎng)取得的電能變成機(jī)械能輸出。通常情況下，電動(dòng)機(jī)都是工作在電動(dòng)狀態(tài)

17、下。在某些情況下，也需要電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)下。制動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)從某一穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能負(fù)載的下降速度時(shí)的一種運(yùn)轉(zhuǎn)過程。電力拖動(dòng)系統(tǒng)之所以需要工作在制動(dòng)狀態(tài)，是生產(chǎn)機(jī)械提出的要求，主要有以下3 種情況：(1) 生產(chǎn)機(jī)械為加快起動(dòng)和制動(dòng)過程，提高生產(chǎn)效率； (2) 當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械在高速工作過程中時(shí)，根據(jù)需要迅速降為低速或者迅速由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)； (3)有些位能負(fù)載為獲得穩(wěn)定的下放速度。1) 能耗制動(dòng)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)原來處于正向電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行。若突然將電樞電源斷掉，轉(zhuǎn)而加到制動(dòng)電阻Rk 上，由于機(jī)械慣性而轉(zhuǎn)速n不變，從而電動(dòng)勢Ea 亦不變。在電樞回路中靠 E a產(chǎn)生電樞電流I ，其方向與電動(dòng)

18、狀態(tài)時(shí)相反，那么電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T 亦與電動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩方向相反，也與轉(zhuǎn)速n方向相反，即T 起制動(dòng)作用，使系統(tǒng)減速，系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟呐c電樞回路的電阻上，即處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。能耗制動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)隔開，所以不需要從電網(wǎng)輸入電功率，而拖動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電功率完全由拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來，即完全消耗系統(tǒng)本身的動(dòng)能，能耗制動(dòng)的名稱就是由此而來。這種制動(dòng)方法的特點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)，簡單；在零速時(shí)沒有轉(zhuǎn)矩，可以準(zhǔn)確停車。制動(dòng)過程中與電源隔離，當(dāng)電源斷電時(shí)也可以通過保護(hù)線路換接到制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行安全停車，所以在不反轉(zhuǎn)以及要求準(zhǔn)確停車的拖動(dòng)系統(tǒng)中多采用能耗制動(dòng)。能耗制動(dòng)方法的缺點(diǎn)是其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小，因而拖

19、長了制動(dòng)時(shí)間。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在有些生產(chǎn)機(jī)械中采用二級能耗制動(dòng)的線路，2) 反接制動(dòng)對位能負(fù)載而言，反接制動(dòng)有兩種情況：一是轉(zhuǎn)速反相的反接制動(dòng)，一是電壓反接的反接制動(dòng)。(1) 轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)按某一方向接線(如正向)工作時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩L T 、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T 及轉(zhuǎn)速n的方向?yàn)檎螂妱?dòng)狀態(tài)，逐漸增加制動(dòng)電阻Rk，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降。由特性1 上的C n 降到特性2 上的D n ，以致降到特性3 上的nE，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。如再增大RK使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst < TL，(2) 電樞電壓反接的反接制動(dòng)。系統(tǒng)原來處于正向電動(dòng)狀態(tài)，T 、n、L T 各物理量的方向。若突然把電樞電壓反接，同時(shí)

20、在電樞回路中串入一個(gè)較大的制動(dòng)電阻Rk，因而電樞電流馬上反向，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦反向，變?yōu)榕cn方向相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因?yàn)檫@時(shí)還有電源電壓U 作用在電路上，系統(tǒng)會自行反轉(zhuǎn)而進(jìn)入反向電動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)如欲停車，切斷電源加上抱閘，負(fù)載停止運(yùn)動(dòng)，電壓反接制動(dòng)狀態(tài)到轉(zhuǎn)速為零時(shí)就算結(jié)束。反接制動(dòng)方法在制動(dòng)過程中要消耗較大的能量，因而從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看不夠經(jīng)濟(jì)。但從技術(shù)的觀點(diǎn)來看，制動(dòng)效果較好，在整個(gè)制動(dòng)過程中制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都很大，制動(dòng)時(shí)間安較短，并且在轉(zhuǎn)速為零時(shí)仍有很大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)不需要停車時(shí)，還可以自動(dòng)反轉(zhuǎn)，再反向起動(dòng)。3) 回饋(再生發(fā)電)制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流決定于什么？正常工作時(shí)的電流又決定于什么？變壓器的工

21、作原理下面以單相雙繞組變壓器為例分析其工作原理：在一個(gè)閉合的鐵心上纏繞兩個(gè)繞組，其匝數(shù)既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。如圖4.1 所示，兩個(gè)繞組之間只有磁的耦合，而沒有電的聯(lián)系。三相組式變壓器三相組式變壓器是由 3 個(gè)磁路相互獨(dú)立的單相變壓器所組成的，三相之間只有電的聯(lián)系而無磁的聯(lián)系。第 7 章 三相交流異步電動(dòng)機(jī)基本原理：把對稱的三相交流電通入彼此間隔120°電角度的三相定子繞組，可建立起一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中必然會產(chǎn)生感生電流，該電流在磁場的作用下產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場同方向的電磁轉(zhuǎn)矩,并隨磁場同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。交流電動(dòng)機(jī)的工作原理主要是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。1. 旋轉(zhuǎn)

22、磁場的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)磁場的速度也稱為“同步轉(zhuǎn)速”，用n1表示，其單位是“r/min”。它的大小由交流電源的頻率及磁場的磁極對數(shù)決定n1=60f/P (r/min)轉(zhuǎn)子是被旋轉(zhuǎn)磁場拖動(dòng)而運(yùn)行的，在異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它的轉(zhuǎn)速恒小于同步轉(zhuǎn)速n1，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)與磁場旋轉(zhuǎn)是同方向的，轉(zhuǎn)子比磁場轉(zhuǎn)得慢，轉(zhuǎn)子繞組才可能切割磁力線，產(chǎn)生感生電流，轉(zhuǎn)子也才能受到磁力矩的作用。所以，異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，總是n<n1，這也正是此類電動(dòng)機(jī)被稱作“異步”電動(dòng)機(jī)的由來。4. 轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速的比值，稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，即s =(n1-n)/n1 。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)剛要起動(dòng)

23、時(shí)，n = 0，s = 1；當(dāng)n = n1時(shí)，s = 0。異步電動(dòng)機(jī)正常使用時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速略小于但接近同步轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)差率一般小于5%。由于異步電動(dòng)機(jī)的定子產(chǎn)生勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)從電源吸收電能，并產(chǎn)生且通過旋轉(zhuǎn)磁場把電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能，所以與直流電機(jī)不同，交流電機(jī)定子是電樞。電動(dòng)機(jī)繞組排列的原則(1) 一個(gè)極距內(nèi)所有導(dǎo)體的電流方向必須一致；(2) 相鄰兩個(gè)極距內(nèi)所有導(dǎo)體的電流方向必須相反；(3) 若為雙層繞組，以上層繞組為準(zhǔn)，或以下層繞組為準(zhǔn)。三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，即n = f(T)。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與轉(zhuǎn)差率s 之

24、間存在著一定的關(guān)系，所以異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性通常也用s=f(T)的形式表示。1. 參數(shù)表達(dá)式在第一象限，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致，而0<n<n1，轉(zhuǎn)差率0<s<1。電磁轉(zhuǎn)矩T 及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 均為正，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；在第二象限，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致，但n>n1，故s<0，T<0，n>0，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；第四象限，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，n1>0，n<0，轉(zhuǎn)差率s>1，此時(shí)T>0，電動(dòng)機(jī)處于電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。(1) 同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)A：是電動(dòng)機(jī)的理想空載點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到了同步轉(zhuǎn)速。(2) 最大

25、轉(zhuǎn)矩點(diǎn)B：是機(jī)械特性曲線中線性段(AB)與非線性段(BC)的分界點(diǎn)，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為最大值Tmax，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為sm。結(jié)論： 最大轉(zhuǎn)矩Tmax與定子電壓UI的平方成正比，而sm與UI無關(guān)； Tmax與轉(zhuǎn)子電阻2 R無關(guān)，sm與2 R成正比； Tmax和sm都近似與(X1+ 2 X )成反比； 若忽略 R1，最大轉(zhuǎn)矩Tmax隨頻率增加而減小，(3) 起動(dòng)點(diǎn)C：在C 點(diǎn)s=l，n=0，電磁轉(zhuǎn)矩為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性人為改變電動(dòng)機(jī)的某個(gè)參數(shù)后所得到的機(jī)械特性，稱為人為機(jī)械特性，如改變U1、f1、p，改變定子回路電阻或電抗，改變轉(zhuǎn)子回路電阻或電抗下面介紹幾種常見的人為特性。1

26、. 降低定子端電壓的人為特性電動(dòng)機(jī)的其他參數(shù)都與固有特性相同，僅降低定子端電壓，這樣所得到的人為特性，稱為降低定子端電壓的人為特性，其特點(diǎn)如下：(1) 降壓后同步轉(zhuǎn)速n1不變，即不同U1的人為特性都通過固有特性上的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)。(2) 降壓后，最大轉(zhuǎn)矩Tmax隨21 U 成比例下降，但是臨界轉(zhuǎn)差率sm不變，為此，不同時(shí)U1的人為特性的臨界點(diǎn)的變化規(guī)律如圖7.47 所示。(3) 降壓后的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T st也隨21 U 成比例下降。2. 轉(zhuǎn)子回路串對稱三相電阻的人為特性對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，如果其他參數(shù)都與固有特性時(shí)一樣，僅在轉(zhuǎn)子回路中串入對稱三相電阻R ，所得的人為特性，稱轉(zhuǎn)子回路串對稱三相電阻

27、的人為特性。轉(zhuǎn)子串電阻的人為特性曲線如圖點(diǎn)如下：(1) n1不變，所以不同R 的人為特性都通過固有特性的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)。(2) 臨界轉(zhuǎn)差率sm 2 R R + ，說明sm會隨轉(zhuǎn)子電阻的增加而增加，但是Tmax不變。為此，不同R 時(shí)的人為特性如圖7.48 所示。圖 7.48 轉(zhuǎn)子串接電阻的人為機(jī)械特性3. 定子回路串三相對稱電阻或電抗時(shí)的人為特性三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)有直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)兩種方法。8.2.1 直接起動(dòng)直接起動(dòng)是最簡單的起動(dòng)方法。起動(dòng)時(shí)用刀開關(guān)、電磁起動(dòng)器或接觸器將電動(dòng)機(jī)定子繞組直接接到電源上，8.2.2 降壓起動(dòng)降壓起動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)降低加在定子繞組上的電壓，

28、起動(dòng)結(jié)束時(shí)加額定電壓運(yùn)行的起動(dòng)方式。1. 定子串接電抗器或電阻的降壓起動(dòng)方法：起動(dòng)時(shí)，電抗器或電阻接入定子電路；起動(dòng)后，切除電抗器或電阻，進(jìn)入正常運(yùn)行2. 星形三角形(Y)降壓起動(dòng)方法：起動(dòng)時(shí)定子繞組接成 Y 形，運(yùn)行時(shí)定子繞組則接成形，對于運(yùn)行時(shí)定子繞組為Y 形的籠型異步電動(dòng)機(jī)則不能用Y起動(dòng)方法。8.3 三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)前面在分析機(jī)械特性時(shí)已經(jīng)說明，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電路的電阻可以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)正是利用這一特性，起動(dòng)時(shí)在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻器或頻敏變阻器來改善起動(dòng)性能。 轉(zhuǎn)子回路串接電阻器起動(dòng)1. 起動(dòng)方法起動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子電路串接起動(dòng)電阻器，借以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)因轉(zhuǎn)子電阻

29、增大也限制了起動(dòng)電流；起動(dòng)結(jié)束，切除轉(zhuǎn)子所串電阻。為了在整個(gè)起動(dòng)過程中得到比較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，需分幾級切除起動(dòng)電阻。8.3.2 轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)頻敏變阻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：它是一個(gè)三相鐵心線圈，其鐵心不用硅鋼片而用厚鋼板迭成。鐵心中產(chǎn)生渦流損耗和一部分磁滯損耗，鐵心損耗相當(dāng)一個(gè)等值電阻，其線圈又是一個(gè)電抗，故電阻和電抗都隨頻率變化而變化，故稱頻敏變阻器三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速從異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式可以看出，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可分以下三大類：(1) 改變定子繞組的磁極對數(shù)p，稱為變極調(diào)速；(2) 改變供電電源的頻率f1，稱為變頻調(diào)速；(3) 改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，其方法有改變電壓調(diào)速、繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串

30、電阻調(diào)速和串級調(diào)速。變極調(diào)速在電源頻率不變的條件下，改變電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。若極對數(shù)減少一半，同步轉(zhuǎn)速就提高一倍，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也幾乎升高一倍。通常用改變定子繞組的接法來改變極對數(shù)，這種電動(dòng)機(jī)稱多速電動(dòng)機(jī)。變極調(diào)速主要用于各種機(jī)床及其他設(shè)備上。它所需設(shè)備簡單、體積小、質(zhì)量輕，但電動(dòng)機(jī)繞組引出頭較多，調(diào)速級數(shù)少，級差大，不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為因此，改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的電源頻率1 f ，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。在變頻調(diào)速的同時(shí)，為保持磁通m 不變，就必須降低電源電壓，使為常數(shù)。變頻調(diào)速由于其調(diào)速性能優(yōu)越，

31、即主要是能平滑調(diào)速、調(diào)速范圍廣、效率高，又不受直流電動(dòng)機(jī)換向帶來的轉(zhuǎn)速與容量的限制，故已經(jīng)在很多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，如軋鋼機(jī)、工業(yè)水泵、鼓風(fēng)機(jī)、起重機(jī)、紡織機(jī)、球磨機(jī)化工設(shè)備及家用空調(diào)器等方面。主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜、成本較高。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變定子電壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級調(diào)速都屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。這些調(diào)速方法的共同特點(diǎn)是在調(diào)速過程中都產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率。前兩種調(diào)速方法都是把轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電路里，很不經(jīng)濟(jì)，而串級調(diào)速則能將轉(zhuǎn)差功率加以吸收或大部分反饋給電網(wǎng)，提高了經(jīng)濟(jì)性能。1. 改變定子電壓調(diào)速對于轉(zhuǎn)子電阻大、機(jī)械特性曲線較軟的籠型異步電動(dòng)機(jī)而言，如加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，則負(fù)載TL對應(yīng)于不同的電源電壓U1、U2、U3，可獲得不同的工作點(diǎn)a1、a2、a3，如圖8.17 所示，顯然電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍很寬。缺點(diǎn)是低壓時(shí)機(jī)械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大，可采用帶速度負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)來解決該問題。改變電源電壓調(diào)速，這種方法主要應(yīng)用于籠型異步電