機電傳動控制 第三版 課件全套 凌永成 第1-6章 緒論、驅(qū)動用電動機-變頻器及其應(yīng)用

機電傳動控制本課程的主要內(nèi)容機電傳動系統(tǒng)的構(gòu)成與動力學(xué)分析驅(qū)動用電動機（以三相異步電動機為主）低壓電器結(jié)構(gòu)原理及其選用電氣控制系統(tǒng)（繼電器-接觸器控制系統(tǒng)）可編程序控制器及其應(yīng)用變頻器及其應(yīng)用本課程的技能建設(shè)

本課程在簡要介紹機電傳動系統(tǒng)的構(gòu)成與動力學(xué)分析方法之后，重點闡述和講授驅(qū)動用電動機、低壓電器、電氣控制系統(tǒng)、可編程控制器、變頻器的使用、維護與檢修知識。

學(xué)好本課程之后，學(xué)生能夠勝任常見機電傳動控制系統(tǒng)的使用與維護工作，掌握初步的機電傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計能力，具備作為機電傳動系統(tǒng)現(xiàn)場工程師的基本技能。本課程的學(xué)習(xí)方法認真聽課（基本的學(xué)習(xí)方式）仔細看書（教材要通讀三遍）家里沒礦的，就得多讀書，才能翻身。家里有礦的，也得多讀書，否則會坐吃山空，一敗涂地。我最痛恨的是——普通工農(nóng)子弟，卻沾染了一身官宦子弟的臭毛病——懶惰、散漫，飽食終日，無所用心。本課程的考核方法總成績=期末閉卷考試成績（70%）+平時成績（30%）紀律要求課堂上禁止玩手機，違者每次扣平時成績5分，30分扣完為止。不得遲到，違者每次扣平時成績5分，30分扣完為止。不得曠課，違者每次扣平時成績5分，30分扣完為止。友情提示每年都有學(xué)生因為本課程不及格而無法畢業(yè)，望慎重對待。斑斑血淚，殷鑒不遠，不可不察也！第1章

緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉機電傳動系統(tǒng)的構(gòu)成

熟悉機電傳動系統(tǒng)的負載特性

熟練掌握機電傳動系統(tǒng)的運動方程式能夠從動力學(xué)分析的角度提出加快機電傳動系統(tǒng)過渡過

程的方法1.1機電傳動系統(tǒng)1.1.1機電傳動系統(tǒng)與機電傳動控制1.機電傳動系統(tǒng)的組成

機電傳動系統(tǒng)一般由電力供應(yīng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機電傳動機構(gòu)及生產(chǎn)機械組成（圖1-1）。圖1-1機電傳動系統(tǒng)的組成2.機電傳動控制

電氣控制系統(tǒng)和機電傳動機構(gòu)是機電傳動系統(tǒng)的重要組成部分，也是機電傳動控制學(xué)科的主要研究內(nèi)容。

機電傳動控制的任務(wù)，就是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的起動、停止以及速度調(diào)節(jié)，滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求，確保生產(chǎn)過程得以高效、可靠地進行。

從廣義上講，就是使生產(chǎn)機械、車間、生產(chǎn)線、甚至整個工廠實現(xiàn)自動化和智能化。

從狹義上講，則專指控制電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械，實現(xiàn)經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)、高效的生產(chǎn)。1.1.2機電傳動系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機電傳動機構(gòu)的發(fā)展

機電傳動機構(gòu)的發(fā)展，經(jīng)歷了成組驅(qū)動（亦稱拖動）、單電機驅(qū)動到多電機驅(qū)動的演進歷程。（1）成組驅(qū)動

所謂成組驅(qū)動，就是由一臺電動機驅(qū)動一根天軸運轉(zhuǎn)，再由天軸通過帶輪和傳動皮帶拖動多個生產(chǎn)機械工作。圖1-2成組驅(qū)動（天軸分動）天軸傳動

成組驅(qū)動屬于電動機稀缺、昂貴時期的無奈之舉，現(xiàn)今已經(jīng)被淘汰。

成組驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動效率低、能量損耗大,工作可靠性差，一旦電動機出現(xiàn)故障，將造成成組的生產(chǎn)機械停車。（2）單電機驅(qū)動

單電機驅(qū)動是指每一臺生產(chǎn)機械，都由一臺電動機單獨驅(qū)動，較成組驅(qū)動已有很大進步。

但是，當(dāng)生產(chǎn)機械的運動部件較多時,則需要設(shè)置分動箱、離合器等機構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)仍嫌復(fù)雜,無法滿足生產(chǎn)工藝的特殊要求。圖1-3單電機驅(qū)動（立式鉆床）（3）多電機驅(qū)動

所謂多電機驅(qū)動方案，是指在大型、復(fù)雜的生產(chǎn)機械上，同一臺設(shè)備的每一個運動部件都由一臺專門的電動機進行驅(qū)動，且電動機的功率、機械特性以及安裝位置可以進行有針對性的、個性化的配置，以充分滿足生產(chǎn)工藝的實際需求。

隨著電動機品種的豐富、價格的降低、機械特性的多樣化，在機電傳動領(lǐng)域，開始逐步普及多電機驅(qū)動方案。搖臂鉆床

例如，龍門刨床的工作臺、左垂直刀架、右垂直刀架、側(cè)刀架、橫梁以及夾緊機構(gòu)，就是各自由一臺電動機驅(qū)動的。圖1-4龍門刨床2.電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展（1）繼電器—接觸器控制系統(tǒng)

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀初期。該系統(tǒng)通過繼電器和接觸器等低壓控制器件，實現(xiàn)對控制對象的起動、停車以及有級調(diào)速等控制。圖1-5繼電器—接觸器控制系統(tǒng)

繼電器—接觸器控制系統(tǒng)采用的是“硬邏輯”控制，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場合，難以實現(xiàn)控制關(guān)系的“隨機應(yīng)變”，因此，現(xiàn)在已經(jīng)被可編程序控制器控制系統(tǒng)取代。

但在相對簡單的電氣控制系統(tǒng)中，繼電器—接觸器仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。同時，在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，繼電器、接觸器依然作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件在大量使用。（2）可編程序控制器控制系統(tǒng)

得益于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器采用的是“軟邏輯”控制，當(dāng)生產(chǎn)機械的控制關(guān)系發(fā)生變化時，只需更改控制程序（即對控制軟件重新編程，很容易做到），就可以實現(xiàn)新的控制要求，而不需要對硬件做太多的調(diào)整。

因此，在生產(chǎn)工藝要求復(fù)雜多變的場合，可編程序控制器可以大顯身手，并已經(jīng)成為機電傳動控制系統(tǒng)的主流控制器件?？删幊绦蚩刂破鳎≒rogrammableLogicController，PLC）圖1-6可編程序控制器控制系統(tǒng)（3）數(shù)字控制系統(tǒng)

自1952年美國出現(xiàn)第一臺數(shù)控銑床，1958年出現(xiàn)加工中心之后，計算機數(shù)字控制（ComputerizedNumericalControl

，CNC）技術(shù)開始逐漸普及。

數(shù)字控制系統(tǒng)在機床行業(yè)的大量應(yīng)用，使工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、適應(yīng)性和自動化水平大為提高。同時，也為柔性制造系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。圖1-7德國恩格哈（Engelhardt）公司的數(shù)字控制系統(tǒng)（4）柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）由信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能夠適應(yīng)加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)。

柔性制造系統(tǒng)FMS與計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign，CAD）、計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）相融合，又促使工業(yè)生產(chǎn)向計算機集成制造系統(tǒng)（Computer/contemporaryIntegratedManufacturingSystems，CIMS）邁進。

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展除了與現(xiàn)代控制理論、計算機技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)之外，功率器件的發(fā)展也功不可沒。正是由于晶閘管（Thyristor，亦稱SiliconControlledRectifier，略作SCR）、門極可關(guān)斷晶體管（Gate-Turn-OffThyristor，GTO）、電力晶體管（GiantTransistor，GTR）、電力場效應(yīng)晶體管（Power-MetalOxideSemiconductorFET，P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate-BipolarTransistor，IGBT）等大功率電力電子器件（PowerElectronicDevice，亦稱功率半導(dǎo)體器件）的快速發(fā)展，為機電傳動系統(tǒng)提供了可靠的半導(dǎo)體變流設(shè)備，才使得上述各種控制系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。1.2機電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)分析1.2.1機電傳動系統(tǒng)的運動方程式

機電傳動系統(tǒng)是一個由電動機驅(qū)動、通過傳動機構(gòu)帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的整體。盡管電動機種類繁多，性能各異，生產(chǎn)機械的負載特性多種多樣，但從動力學(xué)的角度去分析，它們都應(yīng)服從動力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。1.單軸驅(qū)動系統(tǒng)運動方程式a）系統(tǒng)組成b）轉(zhuǎn)矩方向

圖1-8單軸驅(qū)動系統(tǒng)

當(dāng)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩

與負載轉(zhuǎn)矩

平衡時，轉(zhuǎn)速

或角速度

不變；加速度

或角加速度

等于零，即

這種運動狀態(tài)稱為靜態(tài)（相對靜止?fàn)顟B(tài)）或穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)）。

當(dāng)

時，轉(zhuǎn)速或角速度就要發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度，速度變化的大小與傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量

有關(guān)。圖1-8單軸驅(qū)動系統(tǒng)把上述各種參量的關(guān)系用方程式表示出來，則有：（式1-1）

——電動機的輸出轉(zhuǎn)矩（亦稱驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N·m）；

——生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——機電傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；

——機電傳動系統(tǒng)的角速度（rad/s）；

——時間（s）

就是機電傳動系統(tǒng)的運動方程式。

在工程計算中，常用轉(zhuǎn)速

代替角速度

，用飛輪慣量（亦稱飛輪轉(zhuǎn)矩）

代替轉(zhuǎn)動慣量

來進行系統(tǒng)的動力學(xué)分析。

由于（式1-2）

（式1-3）——機電傳動系統(tǒng)的重力（N）；——機電傳動系統(tǒng)的質(zhì)量（kg）；——重力加速度（m/s2）；——機電傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣性半徑（m）；——機電傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣性直徑（m）。

據(jù)此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式可以轉(zhuǎn)化為更為常用的工程形式

（式1-4）

式1-4中，常數(shù)375包含著

，因此，常數(shù)375具有加速度的量綱；而

是個整體物理量。

工程形式的系統(tǒng)運動方程式是研究機電傳動系統(tǒng)的最基本的方程式，它決定著機電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特征。記住它?。。。?）靜態(tài)當(dāng)

時，系統(tǒng)的加速度

，

為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)以恒速

運轉(zhuǎn)，機電傳動系統(tǒng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（亦稱穩(wěn)態(tài)）。（2）動態(tài)當(dāng)

時，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)加速運轉(zhuǎn)，處于加速狀態(tài)；當(dāng)

時，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時，機電傳動系統(tǒng)減速運轉(zhuǎn)，處于減速狀態(tài)。

機電傳動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)時，稱系統(tǒng)處于動態(tài)（亦稱非穩(wěn)態(tài)）。系統(tǒng)處于動態(tài)時，系統(tǒng)中必然存在一個動態(tài)轉(zhuǎn)矩

。（式1-5）

正是因為動態(tài)轉(zhuǎn)矩

的存在，才使得機電傳動系統(tǒng)的運動狀態(tài)發(fā)生了變化。因此，機電傳動系統(tǒng)的運動方程式1-1和1-4還可以轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式或者（式1-6）

電動機所輸出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

總是被生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩（即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）

和系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩

之和所平衡。

當(dāng)

時，

。此時，系統(tǒng)沒有動態(tài)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)恒速運轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，電動機輸出轉(zhuǎn)矩的大小，僅由電動機所驅(qū)動的負載轉(zhuǎn)矩決定。2.轉(zhuǎn)矩方向的確定

由于傳動系統(tǒng)有多種運動狀態(tài)，相應(yīng)的運動方程式中的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方向就不同，因此需要約定方向的表達規(guī)則。

因為電動機和生產(chǎn)機械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以，一般以

（或

）的轉(zhuǎn)動方向為參考來確定轉(zhuǎn)矩的正負。（1）

的符號與性質(zhì)

當(dāng)

的實際作用方向與

的方向相同時（符號相同），取與

相同的符號，

為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實際作用方向與

的方向相反時，取與

相反的符號，

為制動轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩促進運動；制動轉(zhuǎn)矩阻礙運動。（2）

的符號與性質(zhì)

當(dāng)

的實際作用方向與

的方向相同時，取與

相反的符號（符號相反），

為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實際作用方向與

的方向相反時，取與

相同的符號（符號相同），

為制動轉(zhuǎn)矩。

a）系統(tǒng)起動時b）系統(tǒng)制動時b）重物下降時

當(dāng)重物上升時：

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9a）所示。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：因此，重物上升時，

為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，

為制動轉(zhuǎn)矩。圖1-9a當(dāng)重物上升時

當(dāng)重物在上升過程中制動（圖1-9b）時，

為負，

為正。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：圖1-9b系統(tǒng)制動時

此時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩和加速度都是負的，它們使重物減速上升，直到停止為止，系統(tǒng)中由動能產(chǎn)生的動態(tài)轉(zhuǎn)矩被電機的制動轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩所平衡。

當(dāng)重物下降時，

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9c）所示。此時，系統(tǒng)的運動方程式為：

因此，重物下降時，

為制動轉(zhuǎn)矩，

為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。圖1-9c）

重物下降時3.多軸驅(qū)動系統(tǒng)的等效折算

為了便于對多軸驅(qū)動系統(tǒng)進行運行狀態(tài)的分析，一般是將多軸驅(qū)動系統(tǒng)等效折算為單軸驅(qū)動系統(tǒng)，即將多軸驅(qū)動系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量或直線運動部分的質(zhì)量折算到某一根軸（一般折算到電動機的輸出軸）上，將其轉(zhuǎn)化為等效的單軸驅(qū)動系統(tǒng)之后，再進行系統(tǒng)動力學(xué)分析。

負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩等效折算的基本原則是：折算前的多軸系統(tǒng)和折算后的單軸系統(tǒng)在能量關(guān)系或功率關(guān)系上保持不變，即遵循能量守恒原則或功率守恒原則。

在機電傳動領(lǐng)域，絕大多數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)實際上都是多軸驅(qū)動系統(tǒng)。1.2.2機電傳動系統(tǒng)的負載特性

前面討論的機電傳動系統(tǒng)運動方程中，負載轉(zhuǎn)矩

可能是常數(shù)，也可能是轉(zhuǎn)速的函數(shù)。我們把同一軸上負載轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系稱為機電傳動系統(tǒng)的負載特性。

機電傳動系統(tǒng)的負載特性就是生產(chǎn)機械的負載特性，有時也稱之為生產(chǎn)機械的機械特性。

如無特別說明，在本書中，機電傳動系統(tǒng)的負載特性均指折算到電動機輸出軸上的負載特性。

不同類型的生產(chǎn)機械在運動中受阻的性質(zhì)是不同的，其負載特性曲線的形狀也有所不同，大致可分為恒轉(zhuǎn)矩型負載特性、離心式通風(fēng)機型負載特性、直線型負載特性、恒功率型負載特性等幾種。1.恒轉(zhuǎn)矩型負載特性

這一類型負載特性的特點是負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。如圖1-10和圖1-11所示。

依據(jù)負載轉(zhuǎn)矩與運動方向的關(guān)系不同，恒轉(zhuǎn)矩型負載特性可分為反抗性轉(zhuǎn)矩和位能性轉(zhuǎn)矩兩種。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負載特性圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負載特性（1）反抗性轉(zhuǎn)矩

由摩擦、非彈性體的壓縮、拉伸與扭轉(zhuǎn)等作用所產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩稱為反抗性轉(zhuǎn)矩，又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩。

反抗性轉(zhuǎn)矩的方向恒與運動方向相反，阻礙運動；反抗性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負載特性

根據(jù)轉(zhuǎn)矩正方向的約定可知，反抗性轉(zhuǎn)矩恒與轉(zhuǎn)速

的方向相反時取正號，即

為正方向時，

為正，特性在第一象限；

為負方向時，

為負，特性在第三象限。（2）位能性轉(zhuǎn)矩

位能性轉(zhuǎn)矩是由物體的重力或彈性體的壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等作用所引起的負載轉(zhuǎn)矩。

位能性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變，作用方向不變，與運動方向無關(guān)，即在某一方向阻礙運動而在另一方向促進運動。圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負載特性

卷揚機起吊重物（圖1-12）時，由于重物的作用方向永遠向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩永遠作用在使重物下降的方向。當(dāng)電動機驅(qū)動重物上升時，

與

的方向相反；當(dāng)重物下降時，

和

的方向相同（圖1-11）。圖1-12卷揚機起吊重物2.離心式通風(fēng)機型負載特性

離心式通風(fēng)型機械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風(fēng)機、水泵等，它們的負載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的平方成正比，即：——摩擦阻力矩;——為常數(shù)

離心式通風(fēng)機型機械的負載特性曲線（最初是沿著虛線變化的）如圖1-13所示。圖1-13離心式通風(fēng)機型負載特性3.直線型負載特性

直線型負載的負載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的大小成正比，即：其中：

為常數(shù)。直線型負載的特性曲線如圖1-14所示。圖1-14直線型負載特性4.恒功率型負載特性

恒功率型負載的負載轉(zhuǎn)矩

的大小與轉(zhuǎn)速

的大小成反比，即其中：

為常數(shù)。圖1-15恒功率型負載的特性曲線

例如，機床在進行金屬切削加工過程中，粗加工時，切削量大，吃刀量大，負載轉(zhuǎn)矩大

，機床主軸低速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速低；精加工時，切削量小，吃刀量小，負載轉(zhuǎn)矩

小，機床主軸高速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高。但不管是粗加工還是精加工，負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為常數(shù)，即功率恒定不變。1.2.3機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行

機電傳動系統(tǒng)中，電動機與生產(chǎn)機械連成一體，為了使整個系統(tǒng)運行合理，就要使電動機的機械特性與生產(chǎn)機械的負載特性盡量相匹配。1.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的含義1）系統(tǒng)應(yīng)能以一定速度勻速運行；2）系統(tǒng)受某種外部干擾作用（如電壓波動、負載轉(zhuǎn)矩波動等）而使運行速度發(fā)生變化，應(yīng)保證系統(tǒng)在干擾消除后能恢復(fù)到原來的運行速度。特性配合好壞的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。2.機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件（1）必要條件

電動機的機械特性曲線

和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

必須有交點，交點被稱為平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別（2）充分條件

系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。這是穩(wěn)定運行的充分條件。符合穩(wěn)定運行條件的平衡點稱為穩(wěn)定平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件也可表述為：①電動機的機械特性曲線

和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

有交點；②

。下面分析

、

兩點是否為穩(wěn)定平衡點。圖1-16穩(wěn)定工作點的判別a點為穩(wěn)定平衡點；b點為非穩(wěn)定平衡點。1.2.4機電傳動系統(tǒng)的過渡過程

在實際工作中，機電傳動系統(tǒng)具有兩種運行狀態(tài)，即靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）。

當(dāng)機電傳動系統(tǒng)中電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩或負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，系統(tǒng)就要由一種穩(wěn)定運行狀態(tài)變化到另外一個穩(wěn)定運行狀態(tài)，這個變化過程稱為過渡過程。

在過渡過程中，電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流都要按照一定的規(guī)律變化，都是時間的函數(shù)。

處于靜態(tài)時，系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩為0，電動機以恒速運轉(zhuǎn)；處于動態(tài)時，系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩非0，電動機速度處于變化中。1.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的實際意義

大多數(shù)的生產(chǎn)機械對機電傳動系統(tǒng)的過渡過程都提出各自、多樣的要求。

如龍門刨床的工作臺、可逆式軋鋼機、軋鋼機的輔助機械等，它們在工作中需要經(jīng)常進行起動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。因此，都要求過渡過程盡量快，以縮短非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)率。

升降機、載人電梯、地鐵、鐵路機車、有軌電車等生產(chǎn)機械和運輸設(shè)備，則要求起動、制動過程平緩、順滑，加減速度變化不能過大，以保證安全生產(chǎn)和乘坐舒適性。

而造紙機、印刷機等生產(chǎn)機械，則必須限制其加速度的大小，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。如果加速度超過允許值，則可能損壞機器部件或造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。

在過渡過程中，能量損耗的大小，系統(tǒng)的準(zhǔn)確停車與各部分協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)等要求，都對機電傳動系統(tǒng)的過渡過程提出了不同的要求。

為滿足上述要求，必須研究過渡過程的基本規(guī)律，研究系統(tǒng)各參量對時間的變化規(guī)律，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等對時間的變化規(guī)律。

這樣，才能正確地設(shè)計、選擇機電傳動系統(tǒng)，為機電傳動系統(tǒng)的自動控制提出控制原則，設(shè)計出完善的起動、制動等自動控制線路，以求改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和減輕勞動強度。

這就是研究機電傳動系統(tǒng)過渡過程的目的和意義所在。2.機電傳動系統(tǒng)過渡過程的分析機電傳動系統(tǒng)之所以存在過渡過程，是因為存在以下慣性：(1)機械慣性

機械慣性反映在轉(zhuǎn)動慣量

或飛輪轉(zhuǎn)矩

，使轉(zhuǎn)速

不能發(fā)生突變。(2)電磁慣性

電磁慣性反映在電樞回路電感和勵磁繞組電感上，電樞回路電流

和勵磁磁通

不能突變。(3)熱慣性

熱慣性反映在溫度上，使溫度不能突變。

研究過渡過程的方法，一般是先列出反映變化規(guī)律的基本方程式，在此基礎(chǔ)上使用數(shù)學(xué)解析法，或者使用圖解法及實驗方法來求得過渡過程的解答。3.機電時間常數(shù)

深入的理論研究和數(shù)學(xué)分析表明，機電傳動系統(tǒng)過渡過程的時間，與系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩

和速度改變量成正比，而與動態(tài)轉(zhuǎn)矩成反比。

在這里，要引入一個反映機電傳動系統(tǒng)機械慣性的物理量——機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)

。是反映機電傳動系統(tǒng)機械慣性的物理量，通常稱為機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時間。

——機電時間常數(shù)（s）；

——理想空載轉(zhuǎn)速（r/min）；

——系統(tǒng)的起動轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩（N·m2）。

對于既定的機電傳動系統(tǒng)而言，其

和

值為常數(shù)。機電時間常數(shù)

直接影響機電傳動系統(tǒng)過渡過程的快慢。

大，則過渡過程進行的緩慢，過渡過程歷時間長；

反之，

小，則過渡過程進行的快捷，過渡過程歷時短。

所以，

是機電傳動系統(tǒng)中非常重要的動態(tài)參數(shù)。4.加快機電傳動系統(tǒng)過渡過程的方法（1）降低系統(tǒng)的

值

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和條件允許的條件下，采用兩臺電動機同軸拖動系統(tǒng)，或者直接采用小慣量電動機，均可有效降低機電傳動系統(tǒng)的

值。①兩臺電動機同軸拖動。②采用小慣量電動機。

小慣量電動機的電樞軸做得細長，轉(zhuǎn)動慣量小，且起動轉(zhuǎn)矩大，起動快，從而加速了過渡過程，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。例如，龍門刨床的工作臺采用兩臺電動機同軸驅(qū)動，其目的之一就在于此。采用兩臺直流電動機同軸驅(qū)動，與采用一臺電動機相比，系統(tǒng)的

值減小了15%，使過渡過程顯著加快。（2）提高動態(tài)轉(zhuǎn)矩

為了有效提系統(tǒng)的高動態(tài)轉(zhuǎn)矩

，可以從電動機的選擇和控制系統(tǒng)的設(shè)計兩方面采取措施。①合理選擇電動機。

目前，大慣量直流電動機(亦稱寬調(diào)速直流力矩電動機)已在很多場合下取代小慣量直流電動機。大慣量直流電動機的電樞做得短而粗，

值較大（缺點），但其最大轉(zhuǎn)矩

約為額定轉(zhuǎn)矩

的5～10倍（優(yōu)點），因此，大慣量直流電動機的快速響應(yīng)性指標(biāo)

仍然很好，并不比小慣量電動機差。

大慣量直流電動機低速時轉(zhuǎn)矩大，可直接驅(qū)動生產(chǎn)機械，使系統(tǒng)傳動精度得以顯著提高。加之散熱良好，抗過載能力強。因此，大慣量直流電動機在快速直流驅(qū)動系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。②優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計。

動態(tài)轉(zhuǎn)矩

越大，系統(tǒng)的加速度也越大，過渡過程的時間也就越短，系統(tǒng)的響應(yīng)性也就越好。

所以，希望在整個過渡過程中，電流(或轉(zhuǎn)矩)大，以加快系統(tǒng)的過渡過程，但又要限制其最大值，使其不超過電動機所允許的最大電流

或最大轉(zhuǎn)矩

。

為此，引入充滿系數(shù)的概念——充滿系數(shù)

表征在過渡過程中，電動機的起動電流與最大電流的接近程度。

充滿系數(shù)

越接近于1越好。若

，則說明在整個動態(tài)過程中，電動機的工作電流保持在最大值不變，亦即動態(tài)轉(zhuǎn)矩保持最大值不變，從而可以獲得最短的過渡過程。在機電傳動控制系統(tǒng)中，將在充滿系數(shù)

的條件下完成的過渡過程稱為最優(yōu)過渡過程。

例如，采用電樞串電阻多級起動的方法，其目的就是為了獲得較大的平均起動轉(zhuǎn)矩。起動電阻的級數(shù)越多，充滿系數(shù)

值越大，起動就越快。

再如，在晶閘管供電的直流驅(qū)動控制系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器的整定原則是盡量保證電樞電流波形在起動和制動過程中近似為矩形，從而使過渡過程最短，以接近最優(yōu)過程。本章到此結(jié)束機電傳動控制第2章驅(qū)動用電動機學(xué)習(xí)目標(biāo)了解直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和特點熟悉三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)含義熟練掌握三相異步電動機的結(jié)構(gòu)組成和機械特性

掌握三相異步電動機的選用與維護技能2.1電動機的分類與應(yīng)用

2.1.1電動機的分類

電動機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備?？蓮碾妱訖C的用途、電源種類、結(jié)構(gòu)形式、運轉(zhuǎn)特點等多個角度對電動機進行分類。圖2-1按照電動機的用途分類1.按照電動機的用途分類按照電動機的用途不同，可將電動機分成驅(qū)動用電動機和控制用電動機兩大類（圖2-1），每一類又都可以進行細分。驅(qū)動用電動機主要用于驅(qū)動各種生產(chǎn)機械、完成生產(chǎn)任務(wù)。對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械、機電設(shè)備的驅(qū)動，多采用三相異步電動機（圖2-2），直流電動機應(yīng)用較少。直流電動機主要用于驅(qū)動對調(diào)速性能要求較高的設(shè)備（如可逆式軋鋼機、高檔電梯等）。對于洗衣機、電冰箱、空調(diào)器、電風(fēng)扇等家用電器，則多采用單相電動機（圖2-3）作為動力裝置。圖2-2三相異步電動機（皖南YE4系列電動機）圖2-3驅(qū)動洗衣機的單相電動機控制用電動機主要用于實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的運動控制，可粗略地分為伺服電動機和步進電動機兩大類。伺服電動機（Servomotor，圖2-4）廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電動機軸上的機械輸出量，驅(qū)動被控制元件，從而達到控制目的。伺服電動機響應(yīng)性好，運轉(zhuǎn)速度可控，位置精度非常準(zhǔn)確，主要應(yīng)用在各種運動控制系統(tǒng)（尤其是隨動系統(tǒng)）中。一般來說，伺服電動機的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號的控制，且能夠隨著所加電壓信號的變化而連續(xù)變化；同時，伺服電動機的輸出轉(zhuǎn)矩能通過控制器輸出的電流進行控制。圖2-4伺服電動機步進電動機（steppingmotor，圖2-5）是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的電動機?；诓竭M電動機的這種特性，可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制步進電動機的角位移量，從而達到精確定位的目的。同時，還可以通過控制脈沖頻率來控制步進電動機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電動機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（這個固定的角度稱為一步）。目前，伺服電動機和步進電動機在高精度加工機床（如數(shù)控機床、數(shù)控加工中心等）上應(yīng)用極為廣泛。圖2-5步進電動機2.從其他角度分類按照使用的電源種類不同，電動機可分為交流電動機和直流電動機兩大類；按照運轉(zhuǎn)特點不同，電動機可分為同步電動機和異步電動機兩大類。同步電動機和異步電動機的區(qū)別在于其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是否一致。如果電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，則稱為同步電動機（synchronousmotor）；如果電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不同，則稱為異步電動機（AsynchronousMotor）。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié),在大功率、低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場合（如水泥回轉(zhuǎn)窯）,應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，永磁同步電動機（圖2-6）在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。異步電動機結(jié)構(gòu)簡單,制造、使用和維護均方便,運行可靠且成本較低，因此，在機電傳動控制領(lǐng)域，異步電動機的應(yīng)用極為普遍。圖2-6永磁同步電動機（用于新能源汽車）應(yīng)該指出，上述分類方法，是在宏觀上，從不同角度對電動機進行的粗略的類別劃分。對于一臺具體的電動機，可能同時隸屬于多個類別。例如，在機電傳動系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的、用于驅(qū)動生產(chǎn)機械工作的電動機（圖2-2），就屬于驅(qū)動用三相交流籠型異步電動機。圖2-2驅(qū)動用三相交流籠型異步電動機2.1.2電動機的功用1.驅(qū)動生產(chǎn)機械

異步電動機是各類電動機中應(yīng)用最為廣泛的一種。在我國，異步電動機的用電量約占總負荷的60％以上。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，三相異步電動機作為生產(chǎn)機械的驅(qū)動用電動機（原動機），應(yīng)用極為普遍。2.執(zhí)行控制任務(wù)

在機電傳動系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)高效和精益生產(chǎn)，大量采用電動機執(zhí)行控制任務(wù)。在自動控制系統(tǒng)中作為測量和比較元件、放大元件、執(zhí)行和計算元件的電動機統(tǒng)稱為控制用電動機。

在性能的要求上，對于驅(qū)動用電動機著重于起動過程中和運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的性能指標(biāo)，而對于控制用電動機，則著重于輸出量的大小，輸出特性的精確度和靈敏度，工作的穩(wěn)定性及輸出特性的線性度等方面。2.2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1概述

由于異步電動機（Asynchronousmachines）的轉(zhuǎn)子繞組電流是基于電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，因此，異步電動機又稱感應(yīng)電動機（Inductionmachines）。

異步電動機按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同，分為籠型異步電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機兩種。1.異步電動機的工作特點

異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子繞組電流直接取自交流電力系統(tǒng)。異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，重量輕，成本低。

異步電動機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。

異步電動機的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而其調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合（如驅(qū)動軋鋼機、卷揚機、大型機床等），不如直流電動機經(jīng)濟、方便。

此外，異步電動機運行時，需要從電力系統(tǒng)中吸取無功功率以勵磁，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變差。

因此，在大功率、低轉(zhuǎn)速場合（如驅(qū)動球磨機、大型壓縮機等）不如用同步電動機合理。

異步電動機具有接近恒速的負載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的驅(qū)動要求。2.異步電動機的應(yīng)用

由于異步電動機生產(chǎn)量大、使用面廣，要求其必須有繁多的品種、規(guī)格與各種機械配套。因此，異步電動機的設(shè)計、生產(chǎn)特別要注意標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。

在各類系列產(chǎn)品中，以產(chǎn)量最大、使用最廣的三相異步電動機系列為基本系列。此外，還有若干派生系列（在基本系列基礎(chǔ)上作部分改變導(dǎo)出的系列）、專用系列（為特殊需要設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的系列）。

異步電動機的種類繁多，有YB系列防爆型三相異步電動機，YS系列小功率分馬力三相異步電動機，Y、Y2、Y3系列三相異步電動機，YX3、YE2系列高效率三相異步電動機，YE3系列超高效率三相異步電動機，YZTE3系列鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動機，YVF2、YVF3系列變頻調(diào)速電動機等。2.2.2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)均由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件。圖2-7（a）

三相籠型異步電動機結(jié)構(gòu)圖圖2-7（b）

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機圖2-8三相異步電動機主要部件的拆分圖1．定子

定子（stator）是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相電動機的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。（1）外殼

三相異步電動機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。三相異步電動機的外殼（2）定子鐵心

異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚的硅鋼片（圖2-9）疊壓而成。圖2-9硅鋼片硅鋼片是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金，一般含硅量為0.5～4.5%。加入硅可顯著降低鐵心損耗（鐵損），提高最大磁導(dǎo)率。

由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，可減少由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用于嵌放定子繞圈（圖2-10）。（a）定子鐵心（嵌入部分繞組）

（b）定子鐵心（繞組嵌放完畢）圖2-10定子鐵心示意圖（3）定子繞組

定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。

定子繞組的線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制而成（圖2-11）。

中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。（a）定子繞組（由絕緣銅導(dǎo)線繞制而成）

圖2-11定子繞組（b）定子繞組（由絕緣鋁導(dǎo)線繞制而成）圖2-11定子繞組

定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1、V1、W1，末端分別標(biāo)為U2、V2、W2。這六個出線端在接線盒里的排列如圖2-12所示，可以接成星形或三角形。（a）星形連接

（b）三角形連接圖2-12定子繞組的聯(lián)結(jié)示意圖2．轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子（圖2-13）是用于輸出電磁轉(zhuǎn)矩的，主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組及轉(zhuǎn)子軸組成。圖2-13轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子鐵心（圖2-14）是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，套在轉(zhuǎn)子軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。定子鐵心的特點是內(nèi)圓開槽，而轉(zhuǎn)子鐵心的特點是外圓開槽。圖2-14轉(zhuǎn)子鐵心（2）轉(zhuǎn)子繞組

異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線式與籠型兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與籠型異步電動機。1）繞線式轉(zhuǎn)子繞組。繞線式轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，也是一個三相對稱繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)子軸上的三個與轉(zhuǎn)子軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連（圖2-15）。圖2-15繞線式轉(zhuǎn)子繞組

如圖2-16所示，繞線式轉(zhuǎn)子繞組可以與外串電阻器連接，便于實現(xiàn)電動機的串電阻減壓起動和調(diào)速。但在正常工作時，一般需將外接的電阻器短路。圖2-16繞線式轉(zhuǎn)子繞組與外串電阻器的連接1—集電環(huán)；2—電刷；3—變阻器2）籠型轉(zhuǎn)子繞組。為簡化結(jié)構(gòu)，可以銅質(zhì)導(dǎo)條（銅條）作為繞組，在轉(zhuǎn)子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖2-17所示。

由于這種結(jié)構(gòu)與關(guān)松鼠的籠子（圖2-18）非常相似，故稱籠型轉(zhuǎn)子。相應(yīng)地，采用籠型轉(zhuǎn)子的電動機，就稱為籠型電動機（圖2-19和圖2-20），亦稱鼠籠式電動機。圖2-17銅排轉(zhuǎn)子圖2-18關(guān)松鼠的籠子圖2-19籠型電動機（1）圖2-20籠型電動機（2）

由于銅的價格高，為降低制造成本，可以以鋁代銅，用鑄鋁的方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)、風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖2-21和圖2-22所示。圖2-21鑄鋁轉(zhuǎn)子（未裝輸出軸）100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。圖2-22鑄鋁轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)（裝有輸出軸）3．其他部分

其他部分包括端蓋（支承轉(zhuǎn)子軸、起防護作用）、風(fēng)扇（用來強制通風(fēng)，冷卻電動機）等部件。

三相異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙，簡稱氣隙，一般僅為0.2～1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以及使起動性能變差。2.2.3三相異步電動機的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

當(dāng)將電動機的三相定子繞組通入式2-1所示的對稱的三相電流（圖2-23）時，在不同時刻，三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場如圖2-24所示。式中，

、

、

——U、V、W三相定子繞組中的電流瞬時值，A；

——U、V、W三相定子繞組中的電流有效值，A；

——電角速度，rad/s；

——時間，s。式2-1圖2-23三相電流a)

t=0O時,=0，

＜0，

＞0圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場b)

t=120O時,＞0，=0，

＜0圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場

c)

t=240O時,

＜0，

＞0，=0

圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場d)

t=360O時,=0，

＜0，

＞0圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場

由圖2-24可知，三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)的磁場，在一個電流周期內(nèi)，旋轉(zhuǎn)磁場在電磁空間內(nèi)轉(zhuǎn)過360°。

旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，取決于三相電流的相序。

任意調(diào)換兩根電源進線，旋轉(zhuǎn)磁場的方向即發(fā)生改變，相應(yīng)地，電動機轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)方向也就發(fā)生改變。2.同步轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0稱為三相交流電動機的同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速n0與電動機定子繞組的磁極對數(shù)

有關(guān)。（a）三相繞組各由一個線圈構(gòu)成

（b）形成具有兩個磁極（1對磁極）的旋轉(zhuǎn)磁場圖2-25每相繞組只有一個線圈時的磁場分布情況（a）三相繞組各由兩個線圈串聯(lián)而成

（b）形成具有四個磁極（2對磁極）的旋轉(zhuǎn)磁場圖2-26每相繞組有兩個線圈串聯(lián)而成時的磁場分布情況

可以推導(dǎo)出，當(dāng)磁極對數(shù)

為任意整數(shù)值時，三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速式中，

——旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，r/min；

——電源頻率（Hz）；

——磁極對數(shù)（簡稱極對數(shù)）。磁極對數(shù)

123456同步轉(zhuǎn)速(r/min)300015001000750600500表2-1三相異步電動機的同步轉(zhuǎn)速（電源頻率=50Hz）2-23.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生圖2-27三相異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程4.“異步”運行與轉(zhuǎn)差率

在實際工作中，三相異步電動機的轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速

總是小于

，不能等于

。

也就是說，異步電動機工作時，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速

總是小于定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速

，這就是異步電動機名稱中“異步”的由來。

由于建立電磁轉(zhuǎn)矩的電流是通過電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，因此，異步電動機又稱感應(yīng)電動機。

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。式中，

——轉(zhuǎn)差率；

——旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速（r/min）；

——電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）。

異步電動機剛起動時，

，

；電動機在額定工況下運行時，

。2.3三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和機械特性2.3.1三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性1.電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式

由電機學(xué)原理，可知三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程式中，

——電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m。

——電動機常數(shù)，其值與電動機本身結(jié)構(gòu)有關(guān)；

——旋轉(zhuǎn)磁場每極的磁通量（Wb），在數(shù)值上，

等于氣隙中磁感應(yīng)強度的平均值與每極面積的乘積，

表征旋轉(zhuǎn)磁場的強度；

——轉(zhuǎn)子電流（A）；

——轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)。2.轉(zhuǎn)矩特性

電磁轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)差率

之間的關(guān)系,稱為電動機的轉(zhuǎn)矩特性。式中，

——電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；

——與電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源頻率有關(guān)的一個常數(shù)，

——異步電動機的轉(zhuǎn)差率；

——定子繞組的相電壓，亦即電源相電壓，V；

——轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻，Ω；

——電動機不轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子每相繞組的感抗，Ω。（2-5）3.轉(zhuǎn)矩特性曲線曲線稱為電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線。圖2-28三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線

電動機輸出額定轉(zhuǎn)矩

時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為額定轉(zhuǎn)差率

；電動機輸出最大轉(zhuǎn)矩

時，電動機處于臨界狀態(tài)，此時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率

；電動機輸出起動轉(zhuǎn)矩

時，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率

。2.3.2三相異步電動機的機械特性1.機械特性

當(dāng)電源電壓

和轉(zhuǎn)子電路參數(shù)為定值時，電動機的轉(zhuǎn)速

和電磁轉(zhuǎn)矩

的關(guān)系

稱為異步電動機的機械特性。圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線2.固有機械特性

異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式進行接線，并且在定子電路和轉(zhuǎn)子電路中不串聯(lián)任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有機械特性。（1）固有機械特性曲線的特殊工作點圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線1）理想空載工作點A。A點事實上并不存在。2）額定工作點B。圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線

為電動機的額定轉(zhuǎn)速，一般三相異步電動機的額定轉(zhuǎn)速。為電動機的額定轉(zhuǎn)差率，一般三相異步電動機額定轉(zhuǎn)差率。3）臨界工作點C。圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線

從機械特性曲線中可以看出，曲線的形狀以C點為界，ABC段與CD段的變化趨勢是完全不同的，C點就是一個臨界點（亦稱拐點）。并且C點對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩即為電機的最大轉(zhuǎn)矩

，C點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，C點對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率

。

最大轉(zhuǎn)矩

表征電動機能夠驅(qū)動負載的極限能力。電動機轉(zhuǎn)子軸上機械負載轉(zhuǎn)矩

不能大于

，否則將造成電動機堵轉(zhuǎn)(俗稱悶車)。

長時間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，電動機會因嚴重發(fā)熱而燒壞繞組，造成電動機燒毀。圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線

電動機的最大轉(zhuǎn)矩

與額定轉(zhuǎn)矩

的比值稱為電動機的過載能力系數(shù)，用

表示:圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線

普通Y系列籠型異步電動機，其過載能力系數(shù)為而供起重機械和冶金機械使用的YZ（異重）系列電動機和YR（異繞）系列繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其過載能力系數(shù)為

。4）起動工作點D。圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線

電動機在起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速

，轉(zhuǎn)差率

）下，轉(zhuǎn)子軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，稱為起動轉(zhuǎn)矩，用

表示。

起動轉(zhuǎn)矩

表征電動機在有載（驅(qū)動負載）狀態(tài)下的起動能力。如果起動轉(zhuǎn)矩

大于負載轉(zhuǎn)矩

，則電動機可以起動，否則電動機無法起動。圖2-29三相異步電動機的固有機械特性曲線

在電機學(xué)中，通常將在固有機械特性曲線上的起動轉(zhuǎn)矩

與額定轉(zhuǎn)矩

之比定義為電動機的起動能力系數(shù)，用

表示，即

起動能力系數(shù)

是衡量異步電動機起動能力強弱的一個重要指標(biāo)，一般

。（2）穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)

固有機械特性曲線可分為兩部分：ABC部分()稱為穩(wěn)定工作區(qū)，CD部分()稱為非穩(wěn)定工作區(qū)。圖2-30穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)

電動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)只限于曲線的ABC段。

電動機在

區(qū)間運行時,只要負載轉(zhuǎn)矩

小于

，則當(dāng)負載發(fā)生波動時,電磁轉(zhuǎn)矩總能自動調(diào)整到與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，使轉(zhuǎn)子適應(yīng)負載的增減以稍低或稍高的轉(zhuǎn)速繼續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。圖2-30穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)

如果電動機在穩(wěn)定運行中，負載轉(zhuǎn)矩

的增加超過了最大轉(zhuǎn)矩

，電動機的運行狀態(tài)將沿著機械特性曲線的CD部分下降，并越過臨界點——C點而進入非穩(wěn)定工作區(qū)，從而導(dǎo)致電動機停止運轉(zhuǎn)。

因此，最大轉(zhuǎn)矩

又稱崩潰轉(zhuǎn)矩。

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負載的變化而自動調(diào)整的能力稱為電動機的自適應(yīng)負載能力。

從機械特性曲線上可以看出，電動機在ABC段運行時，具有良好的自適應(yīng)負載能力，能夠穩(wěn)定地驅(qū)動機械負載工作。圖2-30穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)

在設(shè)計機電傳動系統(tǒng)時，應(yīng)確保電動機工作在ABC段。否則，機電傳動系統(tǒng)將無法穩(wěn)定工作。為了留有一定的安全裕度，在工程實踐中，一般都會躲開臨界工作點，而將電動機的工作區(qū)域選在圖2-30中畫短豎線的區(qū)域（以不越過B點左側(cè)為宜），以確保機電傳動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作。1）異步電動機穩(wěn)定運行的條件是

，即實際轉(zhuǎn)差率應(yīng)低于臨界轉(zhuǎn)差率。由固有機械特性曲線可推知：2）如果從空載到滿載時轉(zhuǎn)速變化很小，就稱該電動機具有硬機械特性。由圖2-30可知，三相異步電動機具有硬機械特性。3）需要說明的是，對于不隨轉(zhuǎn)速變化的恒轉(zhuǎn)矩負載（如機床刀架平移機構(gòu)等），電動機不能在

區(qū)域穩(wěn)定運行；圖2-30穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)

但風(fēng)機、水泵類負載，因其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，經(jīng)深入分析，其電動機可以在

區(qū)域穩(wěn)定運行。(2-5)3.人為機械特性

由式(2-5)可知，異步電動機的機械特性既與電動機本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，也與外加電源電壓、電源頻率有關(guān)。

將式(2-5)中的某些參數(shù)人為地加以改變而獲得的機械特性，稱為電動機的人為機械特性。前已述及，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)差率

之間的關(guān)系,稱為電動機的轉(zhuǎn)矩特性。(1)電源電壓的變化對機械特性的影響

由于異步電動機的人為機械特性對電網(wǎng)電壓的波動極為敏感，在工作過程中，若電網(wǎng)電壓降低過多，將使電動機的過載能力和起動轉(zhuǎn)矩大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)電動機帶不動負載或電動機根本無法起動的現(xiàn)象。

最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，當(dāng)電源電壓降低時，最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩會急劇減小，使電動機的人為機械特性急劇向左移動（收縮）。

由此可見，電源電壓

對電動機的機械特性影響極大。圖2-31電源電壓的變化對機械特性的影響(2)轉(zhuǎn)子電阻的變化對機械特性的影響由圖2-32可知，轉(zhuǎn)子電阻

的變化，對異步電動機的理論空載轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩沒有影響，但對臨界轉(zhuǎn)差率和起動轉(zhuǎn)矩均有影響。

隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，電動機的起動轉(zhuǎn)矩逐漸增大，并最終增大到最大值——電動機的最大轉(zhuǎn)矩

。圖2-32

轉(zhuǎn)子電阻的變化對機械特性的影響

在驅(qū)動同樣的負載轉(zhuǎn)矩時，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，電動機的轉(zhuǎn)速將逐漸下降，臨界轉(zhuǎn)差率也隨之增大。

由圖2-32不難看出，隨著轉(zhuǎn)子電阻

的增大，電動機的人為機械特性越來越軟。

如果電動機具有硬特性，則當(dāng)負載變化時，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速變化不大，電動機的運行特性會很好；如果電動機具有軟特性，則當(dāng)負載增加時，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速會下降較快，但起動轉(zhuǎn)矩較大，電動機的起動特性會很好。圖2-32

轉(zhuǎn)子電阻的變化對機械特性的影響

在設(shè)計機電傳動系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)不同場合和使用要求，選用機械特性不同的電動機。

在金屬切削機床的機電傳動系統(tǒng)中，應(yīng)選用機械特性較硬的電動機，而在重載起動狀態(tài)下工作的機電傳動系統(tǒng)（如起重設(shè)備、卷揚機等）中，則應(yīng)選用機械特性較軟的電動機。圖2-32

轉(zhuǎn)子電阻的變化對機械特性的影響2.4三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)與能效標(biāo)識

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在國產(chǎn)三相異步電動機的殼體上，均釘有電動機銘牌。

同時，在電動機的風(fēng)扇護罩上，均貼有電動機的能效標(biāo)識。通過銘牌和能效標(biāo)識（圖2-33），即可了解電動機的主要技術(shù)參數(shù)和能效等級。

正確識讀銘牌數(shù)據(jù)和能效標(biāo)識，對于合理選擇、使用電動機，具有重要意義。圖2-33三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)與能效標(biāo)識2.4.1三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)識讀

在電動機的外殼上都會釘有銘牌（圖2-34）。銘牌上注明該電動機的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，是選擇、安裝、使用和修理（包括重繞組）電動機的重要依據(jù)，銘牌的主要內(nèi)容如下：圖2-34電動機的銘牌1.型號

電動機的型號用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)等主要技術(shù)參數(shù)。GB/T4831-2016《旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)品型號編制方法》對國產(chǎn)異步電動機產(chǎn)品名稱代號做出了明確規(guī)定，見表2-2。產(chǎn)品名稱現(xiàn)行代號漢字含義老代號漢字含義異步電動機Y異J、JO交繞線式異步電動機YR異繞JR、JRO交繞防爆式異步電動機YB異爆JB、JBO交爆高起動轉(zhuǎn)矩式異步電動機YQ異起JQ、JQO交起表2-2異步電動機產(chǎn)品名稱代號圖2-35三相異步電動機的型號含義（Y132M—4）Y132M-4屬于Y（異）系列三相異步電動機，其詳細的型號含義如圖2-35所示。YS63-1-4屬于小功率分馬力三相異步電動機，其詳細的型號含義如圖2-36所示；圖2-36小功率分馬力三相異步電動機型號含義（YS63-1-4）YX3-160L-4-W屬于高效率三相異步電動機，其詳細的型號含義如圖2-37所示。圖2-37高效率三相異步電動機型號含義（YX3-160L-4-W）2.接法

異步電動機的三相定子繞組的連接方法有星形（Y形）接法和三角形（Δ形）接法之分。在電動機出廠時，容量小于或等于3kW的電動機，通常采用星形連接；容量大于或等于4kW的電動機，通常采用三角形連接。

在電動機的接線盒內(nèi)，三相定子繞組的6個端子，按照圖2-38所示的方式列出。同名繞組的首端用下腳標(biāo)1表示，末端用下腳標(biāo)2表示。

注意，同一個繞組的兩個端子是錯開的，并非排在同一列。圖2-38三相異步電動機端子的排列如果采用星形（Y形）接法，則可用接線盒內(nèi)自帶的導(dǎo)電連接片將W2、U2、V2三個端子連接在一起。然后，再將U1、V1、W1三個端子分別與三相電源線L1、L2、L3連接起來。同時，將保護接地線可靠地連接在接線盒內(nèi)的保護接地XE（PE）端子上。a）三相定子繞組的實際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個接線端子的接線方法

圖2-39星形（Y形）接法

如果采用三角形（Δ形）接法，則可用接線盒內(nèi)自帶的導(dǎo)電連接片（圖中黑色粗線條所示）將W2和U1端子、U2和V1端子、V2和W1端子分別連接在一起。然后，再將U1、V1、W1三個端子分別與三相電源線L1、L2、L3連接起來。同時，將保護接地線可靠地連接在接線盒內(nèi)的保護接地XE（PE）端子上。a）三相定子繞組的實際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個接線端子的接線方法

圖2-40三角形（Δ形）接法3.額定頻率(50Hz)4.額定電壓

額定頻率是指電動機所接的交流電源每秒鐘內(nèi)周期變化的次數(shù)，用

表示。我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為50Hz。

電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓的有效值，稱為三相異步電動機的額定電壓，用表示。一般額定功率在3kW以上的電動機，額定電壓為380V，其繞組出廠時為

形聯(lián)結(jié)。額定功率≤3kW的電動機，額定電壓為380/220V，繞組為Y/

聯(lián)結(jié)。其中，當(dāng)電源電壓為380V時，繞組應(yīng)為Y形聯(lián)結(jié)；電源電壓為220V時，繞組應(yīng)為

形聯(lián)結(jié)。額定電壓為380/220V，繞組為Y/

聯(lián)結(jié)。額定電壓為380/220V，繞組為Y/

聯(lián)結(jié)。額定電壓為380/220V，繞組為Y/

聯(lián)結(jié)。

一般規(guī)定，電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5%。因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值,從而使電動機過熱。5.額定電流

電動機在額定運行時定子繞組的線電流的有效值，稱為三相異步電動機的額定電流，用

表示，以安（A）為單位。

例如，Y/

6.73/11.64A表示在Y形連接下，電動機的線電流的有效值為6.73A，在

形連接下，電動機的線電流的有效值為11.64A。6.額定功率與效率

額定功率是指在額定運行時電動機轉(zhuǎn)子軸上所輸出的額定機械功率，用

表示，以千瓦（kW）或瓦（W）為單位。

電動機的效率是指電動機轉(zhuǎn)子軸輸出功率與電網(wǎng)輸入電動機功率的比值。電動機的效率越高，說明電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能的比值越高，在能量轉(zhuǎn)換過程中的損失越小。

籠型三相異步電動機的效率一般為

=75％~96％。在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用高效率的電動機。7.功率因數(shù)

三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負載時約為0.7~0.9?？蛰d時的功率因數(shù)很低，只有0.2~0.3。在額定負載時，電動機的功率因數(shù)最高。

為提高有功功率，應(yīng)盡可能使電動機工作在額定工況。為此，在實際使用中，應(yīng)選擇容量合適的電動機，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象（電動機長期處于空載或準(zhǔn)空載狀態(tài)，功率因數(shù)太低）。因為電動機是電感性負載，定子相電流比相電壓滯后一個

角，

就是功率因數(shù)。在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率

與視在功率

的比值，即

。8.額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速表示電動機在額定工作情況下運行時每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，用

表示。額定轉(zhuǎn)速一般略小于對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速

。如

，則

。式中，

——旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，

；

——電源頻率（Hz）；

——磁極對數(shù)。9.絕緣等級絕緣等級（InsulationLevel，InsulationClass）是指電動機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，表征電動機允許的最高工作溫度。GB/T11021-2014《電氣絕緣——耐熱性和表示方法》將電動機的絕緣等級分為Y、A、E、B、F、H、N、R等多個級別（表2-3）。表2-3電動機的絕緣等級絕緣等級YAEBFHNR暫未規(guī)定極限溫度/℃90105120130155180200220250及以上以前國產(chǎn)電動機最常用的絕緣等級為B級。但隨著電動機制造工藝水平的提高，目前最常用的絕緣等級為F級，H級絕緣等級也正在逐步推廣中