機(jī)電傳動(dòng)控制 第三版 課件全套 凌永成 第1-6章 緒論、驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)-變頻器及其應(yīng)用

機(jī)電傳動(dòng)控制本課程的主要內(nèi)容機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力學(xué)分析驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)（以三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力學(xué)分析方法之后，重點(diǎn)闡述和講授驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)、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(hù)與檢修知識(shí)。

學(xué)好本課程之后，學(xué)生能夠勝任常見機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的使用與維護(hù)工作，掌握初步的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，具備作為機(jī)電傳動(dòng)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(rèn)真聽課（基本的學(xué)習(xí)方式）仔細(xì)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(huì)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(shí)成績（30%）紀(jì)律要求課堂上禁止玩手機(jī)，違者每次扣平時(shí)成績5分，30分扣完為止。不得遲到，違者每次扣平時(shí)成績5分，30分扣完為止。不得曠課，違者每次扣平時(shí)成績5分，30分扣完為止。友情提示每年都有學(xué)生因?yàn)楸菊n程不及格而無法畢業(yè)，望慎重對待。斑斑血淚，殷鑒不遠(yuǎn)，不可不察也！第1章

緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成

熟悉機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性

熟練掌握機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式能夠從動(dòng)力學(xué)分析的角度提出加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過

程的方法1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)1.1.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)電傳動(dòng)控制1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)一般由電力供應(yīng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)機(jī)械組成（圖1-1）。圖1-1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成2.機(jī)電傳動(dòng)控制

電氣控制系統(tǒng)和機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，也是機(jī)電傳動(dòng)控制學(xué)科的主要研究內(nèi)容。

機(jī)電傳動(dòng)控制的任務(wù)，就是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的起動(dòng)、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(jìn)行。

從廣義上講，就是使生產(chǎn)機(jī)械、車間、生產(chǎn)線、甚至整個(gè)工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

從狹義上講，則專指控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、高效的生產(chǎn)。1.1.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程1.機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，經(jīng)歷了成組驅(qū)動(dòng)（亦稱拖動(dòng)）、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的演進(jìn)歷程。（1）成組驅(qū)動(dòng)

所謂成組驅(qū)動(dòng)，就是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一根天軸運(yùn)轉(zhuǎn)，再由天軸通過帶輪和傳動(dòng)皮帶拖動(dòng)多個(gè)生產(chǎn)機(jī)械工作。圖1-2成組驅(qū)動(dòng)（天軸分動(dòng)）天軸傳動(dòng)

成組驅(qū)動(dòng)屬于電動(dòng)機(jī)稀缺、昂貴時(shí)期的無奈之舉，現(xiàn)今已經(jīng)被淘汰。

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

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)是指每一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，都由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，較成組驅(qū)動(dòng)已有很大進(jìn)步。

但是，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí),則需要設(shè)置分動(dòng)箱、離合器等機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)（立式鉆床）（3）多電機(jī)驅(qū)動(dòng)

所謂多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，是指在大型、復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)械上，同一臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件都由一臺(tái)專門的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)的功率、機(jī)械特性以及安裝位置可以進(jìn)行有針對性的、個(gè)性化的配置，以充分滿足生產(chǎn)工藝的實(shí)際需求。

隨著電動(dòng)機(jī)品種的豐富、價(jià)格的降低、機(jī)械特性的多樣化，在機(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，開始逐步普及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。搖臂鉆床

例如，龍門刨床的工作臺(tái)、左垂直刀架、右垂直刀架、側(cè)刀架、橫梁以及夾緊機(jī)構(gòu)，就是各自由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)初期。該系統(tǒng)通過繼電器和接觸器等低壓控制器件，實(shí)現(xiàn)對控制對象的起動(dòng)、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(shí)現(xiàn)控制關(guān)系的“隨機(jī)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(shí)，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(jì)算機(jī)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(jī)械的控制關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，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(shí)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(jī)電傳動(dòng)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(tái)數(shù)控銑床，1958年出現(xiàn)加工中心之后，計(jì)算機(jī)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(jī)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(dòng)化水平大為提高。同時(shí)，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(jì)算機(jī)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(chǔ)運(yùn)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(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)。

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

電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展除了與現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)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(jī)電傳動(dòng)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(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析1.2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的整體。盡管電動(dòng)機(jī)種類繁多，性能各異，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性多種多樣，但從動(dòng)力學(xué)的角度去分析，它們都應(yīng)服從動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。1.單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式a）系統(tǒng)組成b）轉(zhuǎn)矩方向

圖1-8單軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

與負(fù)載轉(zhuǎn)矩

平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速

或角速度

不變；加速度

或角加速度

等于零，即

這種運(yùn)動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）。

當(dāng)

時(shí)，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(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

有關(guān)。圖1-8單軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（亦稱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m）；

——生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；

——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度（rad/s）；

——時(shí)間（s）

就是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。

在工程計(jì)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(dòng)慣量

來進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。

由于（式1-2）

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

據(jù)此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(gè)整體物理量。

工程形式的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式是研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的最基本的方程式，它決定著機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征。記住它！?。。?）靜態(tài)當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)以恒速

運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（亦稱穩(wěn)態(tài)）。（2）動(dòng)態(tài)當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，處于加速狀態(tài)；當(dāng)

時(shí)，系統(tǒng)的加速度

，

不為常數(shù)。此時(shí)，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)減速運(yùn)轉(zhuǎn)，處于減速狀態(tài)。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)或減速狀態(tài)時(shí)，稱系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)（亦稱非穩(wěn)態(tài)）。系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中必然存在一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

。（式1-5）

正是因?yàn)閯?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

的存在，才使得機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化。因此，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)所輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

總是被生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（即靜態(tài)轉(zhuǎn)矩）

和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

之和所平衡。

當(dāng)

時(shí)，

。此時(shí)，系統(tǒng)沒有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，僅由電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。2.轉(zhuǎn)矩方向的確定

由于傳動(dòng)系統(tǒng)有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(dá)規(guī)則。

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械以共同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以，一般以

（或

）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閰⒖紒泶_定轉(zhuǎn)矩的正負(fù)。（1）

的符號與性質(zhì)

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相同時(shí)（符號相同），取與

相同的符號，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相反時(shí)，取與

相反的符號，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩促進(jìn)運(yùn)動(dòng)；制動(dòng)轉(zhuǎn)矩阻礙運(yùn)動(dòng)。（2）

的符號與性質(zhì)

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相同時(shí)，取與

相反的符號（符號相反），

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

當(dāng)

的實(shí)際作用方向與

的方向相反時(shí)，取與

相同的符號（符號相同），

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

a）系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)b）系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)b）重物下降時(shí)

當(dāng)重物上升時(shí)：

為正，

也為正。

、

、

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

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖1-9a當(dāng)重物上升時(shí)

當(dāng)重物在上升過程中制動(dòng)（圖1-9b）時(shí)，

為負(fù)，

為正。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：圖1-9b系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)

此時(shí)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和加速度都是負(fù)的，它們使重物減速上升，直到停止為止，系統(tǒng)中由動(dòng)能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩被電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩所平衡。

當(dāng)重物下降時(shí)，

為正，

也為正。

、

、

的方向如圖1-9c）所示。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為：

因此，重物下降時(shí)，

為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，

為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖1-9c）

重物下降時(shí)3.多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效折算

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

負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)電傳動(dòng)領(lǐng)域，絕大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上都是多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。1.2.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性

前面討論的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中，負(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性。

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性就是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性，有時(shí)也稱之為生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性。

如無特別說明，在本書中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性均指折算到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載特性。

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

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

依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系不同，恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)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(fù)載特性圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負(fù)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(fù)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(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙運(yùn)動(dòng)；反抗性轉(zhuǎn)矩的大小恒常不變。圖1-10反抗轉(zhuǎn)矩的負(fù)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(shí)取正號，即

為正方向時(shí)，

為正，特性在第一象限；

為負(fù)方向時(shí)，

為負(fù)，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(fù)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(yùn)動(dòng)方向無關(guān)，即在某一方向阻礙運(yùn)動(dòng)而在另一方向促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。圖1-11位能性轉(zhuǎn)矩的負(fù)載特性

卷揚(yáng)機(jī)起吊重物（圖1-12）時(shí)，由于重物的作用方向永遠(yuǎn)向著地心，所以，由它產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩永遠(yuǎn)作用在使重物下降的方向。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)重物上升時(shí)，

與

的方向相反；當(dāng)重物下降時(shí)，

和

的方向相同（圖1-11）。圖1-12卷揚(yáng)機(jī)起吊重物2.離心式通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

離心式通風(fēng)型機(jī)械特性是按離心力原理工作的，如離心式鼓風(fēng)機(jī)、水泵等，它們的負(fù)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(jī)型機(jī)械的負(fù)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(jī)型負(fù)載特性3.直線型負(fù)載特性

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

恒功率型負(fù)載的負(fù)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(fù)載的特性曲線

例如，機(jī)床在進(jìn)行金屬切削加工過程中，粗加工時(shí)，切削量大，吃刀量大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大

，機(jī)床主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速低；精加工時(shí)，切削量小，吃刀量小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

小，機(jī)床主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高。但不管是粗加工還是精加工，負(fù)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(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械連成一體，為了使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行合理，就要使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性盡量相匹配。1.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的含義1）系統(tǒng)應(yīng)能以一定速度勻速運(yùn)行；2）系統(tǒng)受某種外部干擾作用（如電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等）而使運(yùn)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(yùn)行速度。特性配合好壞的基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。2.機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件（1）必要條件

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線

必須有交點(diǎn)，交點(diǎn)被稱為平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)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(yùn)行的充分條件。符合穩(wěn)定運(yùn)行條件的平衡點(diǎn)稱為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件也可表述為：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線

和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線

有交點(diǎn)；②

。下面分析

、

兩點(diǎn)是否為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。圖1-16穩(wěn)定工作點(diǎn)的判別a點(diǎn)為穩(wěn)定平衡點(diǎn)；b點(diǎn)為非穩(wěn)定平衡點(diǎn)。1.2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡過程

在實(shí)際工作中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)具有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動(dòng)態(tài)（暫態(tài)）。

當(dāng)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩或負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)就要由一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變化到另外一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)變化過程稱為過渡過程。

在過渡過程中，電動(dòng)機(jī)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(shí)間的函數(shù)。

處于靜態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為0，電動(dòng)機(jī)以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)；處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩非0，電動(dòng)機(jī)速度處于變化中。1.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的實(shí)際意義

大多數(shù)的生產(chǎn)機(jī)械對機(jī)電傳動(dòng)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(tái)、可逆式軋鋼機(jī)、軋鋼機(jī)的輔助機(jī)械等，它們在工作中需要經(jīng)常進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)、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(shí)間，提高生產(chǎn)率。

升降機(jī)、載人電梯、地鐵、鐵路機(jī)車、有軌電車等生產(chǎn)機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備，則要求起動(dòng)、制動(dòng)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(jī)、印刷機(jī)等生產(chǎn)機(jī)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(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)等要求，都對機(jī)電傳動(dòng)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(shí)間的變化規(guī)律，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等對時(shí)間的變化規(guī)律。

這樣，才能正確地設(shè)計(jì)、選擇機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)，為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制提出控制原則，設(shè)計(jì)出完善的起動(dòng)、制動(dòng)等自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。

這就是研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的目的和意義所在。2.機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的分析機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)之所以存在過渡過程，是因?yàn)榇嬖谝韵聭T性：(1)機(jī)械慣性

機(jī)械慣性反映在轉(zhuǎn)動(dòng)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(lì)磁繞組電感上，電樞回路電流

和勵(lì)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(shí)驗(yàn)方法來求得過渡過程的解答。3.機(jī)電時(shí)間常數(shù)

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

和速度改變量成正比，而與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩成反比。

在這里，要引入一個(gè)反映機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性的物理量——機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)

。是反映機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性的物理量，通常稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間。

——機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）；

——理想空載轉(zhuǎn)速（r/min）；

——系統(tǒng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·m）；

——系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩（N·m2）。

對于既定的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)而言，其

和

值為常數(shù)。機(jī)電時(shí)間常數(shù)

直接影響機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的快慢。

大，則過渡過程進(jìn)行的緩慢，過渡過程歷時(shí)間長；

反之，

小，則過渡過程進(jìn)行的快捷，過渡過程歷時(shí)短。

所以，

是機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)。4.加快機(jī)電傳動(dòng)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(tái)電動(dòng)機(jī)同軸拖動(dòng)系統(tǒng)，或者直接采用小慣量電動(dòng)機(jī)，均可有效降低機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的

值。①兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸拖動(dòng)。②采用小慣量電動(dòng)機(jī)。

小慣量電動(dòng)機(jī)的電樞軸做得細(xì)長，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)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(tái)采用兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，其目的之一就在于此。采用兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，與采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)相比，系統(tǒng)的

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

為了有效提系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

，可以從電動(dòng)機(jī)的選擇和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩方面采取措施。①合理選擇電動(dòng)機(jī)。

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

值較大（缺點(diǎn)），但其最大轉(zhuǎn)矩

約為額定轉(zhuǎn)矩

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

仍然很好，并不比小慣量電動(dòng)機(jī)差。

大慣量直流電動(dòng)機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，可直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，使系統(tǒng)傳動(dòng)精度得以顯著提高。加之散熱良好，抗過載能力強(qiáng)。因此，大慣量直流電動(dòng)機(jī)在快速直流驅(qū)動(dòng)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(jì)。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

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

所以，希望在整個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)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(gè)動(dòng)態(tài)過程中，電動(dòng)機(jī)的工作電流保持在最大值不變，亦即動(dòng)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(jī)電傳動(dòng)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(dòng)的方法，其目的就是為了獲得較大的平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)電阻的級數(shù)越多，充滿系數(shù)

值越大，起動(dòng)就越快。

再如，在晶閘管供電的直流驅(qū)動(dòng)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(dòng)和制動(dòng)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(jī)電傳動(dòng)控制第2章驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)熟悉三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)含義熟練掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和機(jī)械特性

掌握三相異步電動(dòng)機(jī)的選用與維護(hù)技能2.1電動(dòng)機(jī)的分類與應(yīng)用

2.1.1電動(dòng)機(jī)的分類

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備?？蓮碾妱?dòng)機(jī)的用途、電源種類、結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)等多個(gè)角度對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分類。圖2-1按照電動(dòng)機(jī)的用途分類1.按照電動(dòng)機(jī)的用途分類按照電動(dòng)機(jī)的用途不同，可將電動(dòng)機(jī)分成驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)兩大類（圖2-1），每一類又都可以進(jìn)行細(xì)分。驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械、完成生產(chǎn)任務(wù)。對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械、機(jī)電設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，多采用三相異步電動(dòng)機(jī)（圖2-2），直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較少。直流電動(dòng)機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)對調(diào)速性能要求較高的設(shè)備（如可逆式軋鋼機(jī)、高檔電梯等）。對于洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器、電風(fēng)扇等家用電器，則多采用單相電動(dòng)機(jī)（圖2-3）作為動(dòng)力裝置。圖2-2三相異步電動(dòng)機(jī)（皖南YE4系列電動(dòng)機(jī)）圖2-3驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)的單相電動(dòng)機(jī)控制用電動(dòng)機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制，可粗略地分為伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩大類。伺服電動(dòng)機(jī)（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(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，驅(qū)動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。伺服電動(dòng)機(jī)響應(yīng)性好，運(yùn)轉(zhuǎn)速度可控，位置精度非常準(zhǔn)確，主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)）中。一般來說，伺服電動(dòng)機(jī)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(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能通過控制器輸出的電流進(jìn)行控制。圖2-4伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（steppingmotor，圖2-5）是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的電動(dòng)機(jī)?；诓竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的這種特性，可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的。同時(shí)，還可以通過控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（這個(gè)固定的角度稱為一步）。目前，伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在高精度加工機(jī)床（如數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心等）上應(yīng)用極為廣泛。圖2-5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2.從其他角度分類按照使用的電源種類不同，電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類；按照運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)不同，電動(dòng)機(jī)可分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩大類。同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)（synchronousmotor）；如果電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)（AsynchronousMotor）。同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，永磁同步電動(dòng)機(jī)（圖2-6）在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,制造、使用和維護(hù)均方便,運(yùn)行可靠且成本較低，因此，在機(jī)電傳動(dòng)控制領(lǐng)域，異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為普遍。圖2-6永磁同步電動(dòng)機(jī)（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(dòng)機(jī)進(jìn)行的粗略的類別劃分。對于一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，可能同時(shí)隸屬于多個(gè)類別。例如，在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的、用于驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作的電動(dòng)機(jī)（圖2-2），就屬于驅(qū)動(dòng)用三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī)。圖2-2驅(qū)動(dòng)用三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī)2.1.2電動(dòng)機(jī)的功用1.驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械

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

在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)高效和精益生產(chǎn)，大量采用電動(dòng)機(jī)執(zhí)行控制任務(wù)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為測量和比較元件、放大元件、執(zhí)行和計(jì)算元件的電動(dòng)機(jī)統(tǒng)稱為控制用電動(dòng)機(jī)。

在性能的要求上，對于驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)著重于起動(dòng)過程中和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的性能指標(biāo)，而對于控制用電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.2.1概述

由于異步電動(dòng)機(jī)（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(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（Inductionmachines）。

異步電動(dòng)機(jī)按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同，分為籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)兩種。1.異步電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)

異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，重量輕，成本低。

異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、大型機(jī)床等），不如直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。

此外，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要從電力系統(tǒng)中吸取無功功率以勵(lì)磁，這會(huì)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(dòng)球磨機(jī)、大型壓縮機(jī)等）不如用同步電動(dòng)機(jī)合理。

異步電動(dòng)機(jī)具有接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)要求。2.異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

由于異步電動(dòng)機(jī)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(jī)械配套。因此，異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、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(dòng)機(jī)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(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的系列）。

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

三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖2-7（b）

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)圖2-8三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。三相異步電動(dòng)機(jī)的外殼（2）定子鐵心

異步電動(dòng)機(jī)定子鐵心是電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電路部分，三相電動(dòng)機(jī)有三相繞組，通入三相對稱電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個(gè)繞組又由若干線圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)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(dòng)機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相電動(dòng)機(jī)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(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)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(diǎn)是內(nèi)圓開槽，而轉(zhuǎn)子鐵心的特點(diǎn)是外圓開槽。圖2-14轉(zhuǎn)子鐵心（2）轉(zhuǎn)子繞組

異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)與籠型異步電動(dòng)機(jī)。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(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的串電阻減壓起動(dòng)和調(diào)速。但在正常工作時(shí)，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(gè)槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個(gè)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(dòng)機(jī)，就稱為籠型電動(dòng)機(jī)（圖2-19和圖2-20），亦稱鼠籠式電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)（1）圖2-20籠型電動(dòng)機(jī)（2）

由于銅的價(jià)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(dòng)機(jī)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(hù)作用）、風(fēng)扇（用來強(qiáng)制通風(fēng)，冷卻電動(dòng)機(jī)）等部件。

三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使起動(dòng)性能變差。2.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

當(dāng)將電動(dòng)機(jī)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(shí)，在不同時(shí)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(shí)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(shí)間，s。式2-1圖2-23三相電流a)

t=0O時(shí),=0，

＜0，

＞0圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場b)

t=120O時(shí),＞0，=0，

＜0圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場

c)

t=240O時(shí),

＜0，

＞0，=0

圖2-24三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場d)

t=360O時(shí),=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(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，在一個(gè)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(jìn)線，旋轉(zhuǎn)磁場的方向即發(fā)生改變，相應(yīng)地，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速n0與電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)

有關(guān)。（a）三相繞組各由一個(gè)線圈構(gòu)成

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

（b）形成具有四個(gè)磁極（2對磁極）的旋轉(zhuǎn)磁場圖2-26每相繞組有兩個(gè)線圈串聯(lián)而成時(shí)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(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程4.“異步”運(yùn)行與轉(zhuǎn)差率

在實(shí)際工作中，三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）。

異步電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，

，

；電動(dòng)機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)，

。2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性2.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性1.電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

由電機(jī)學(xué)原理，可知三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程式中，

——電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m。

——電動(dòng)機(jī)常數(shù)，其值與電動(dòng)機(jī)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(qiáng)度的平均值與每極面積的乘積，

表征旋轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。式中，

——電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；

——與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源頻率有關(guān)的一個(gè)常數(shù)，

——異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線。圖2-28三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線

電動(dòng)機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩

時(shí)，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為額定轉(zhuǎn)差率

；電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩

時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于臨界狀態(tài)，此時(shí)，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率

；電動(dòng)機(jī)輸出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

時(shí)，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率

。2.3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.機(jī)械特性

當(dāng)電源電壓

和轉(zhuǎn)子電路參數(shù)為定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

和電磁轉(zhuǎn)矩

的關(guān)系

稱為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線2.固有機(jī)械特性

異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式進(jìn)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(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。（1）固有機(jī)械特性曲線的特殊工作點(diǎn)圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線1）理想空載工作點(diǎn)A。A點(diǎn)事實(shí)上并不存在。2）額定工作點(diǎn)B。圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線

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

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

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

。

最大轉(zhuǎn)矩

表征電動(dòng)機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的極限能力。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩

不能大于

，否則將造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)(俗稱悶車)。

長時(shí)間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)因嚴(yán)重發(fā)熱而燒壞繞組，造成電動(dòng)機(jī)燒毀。圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線

電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩

與額定轉(zhuǎn)矩

的比值稱為電動(dòng)機(jī)的過載能力系數(shù)，用

表示:圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線

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

。4）起動(dòng)工作點(diǎn)D。圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線

電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，用

表示。

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

表征電動(dòng)機(jī)在有載（驅(qū)動(dòng)負(fù)載）狀態(tài)下的起動(dòng)能力。如果起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩

，則電動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)，否則電動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。圖2-29三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線

在電機(jī)學(xué)中，通常將在固有機(jī)械特性曲線上的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

與額定轉(zhuǎn)矩

之比定義為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力系數(shù)，用

表示，即

起動(dòng)能力系數(shù)

是衡量異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)能力強(qiáng)弱的一個(gè)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(jī)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(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)只限于曲線的ABC段。

電動(dòng)機(jī)在

區(qū)間運(yùn)行時(shí),只要負(fù)載轉(zhuǎn)矩

小于

，則當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩總能自動(dòng)調(diào)整到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，使轉(zhuǎn)子適應(yīng)負(fù)載的增減以稍低或稍高的轉(zhuǎn)速繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩

的增加超過了最大轉(zhuǎn)矩

，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)將沿著機(jī)械特性曲線的CD部分下降，并越過臨界點(diǎn)——C點(diǎn)而進(jìn)入非穩(wěn)定工作區(qū)，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

因此，最大轉(zhuǎn)矩

又稱崩潰轉(zhuǎn)矩。

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整的能力稱為電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)負(fù)載能力。

從機(jī)械特性曲線上可以看出，電動(dòng)機(jī)在ABC段運(yùn)行時(shí)，具有良好的自適應(yīng)負(fù)載能力，能夠穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)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(jì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)確保電動(dòng)機(jī)工作在ABC段。否則，機(jī)電傳動(dòng)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(shí)踐中，一般都會(huì)躲開臨界工作點(diǎn)，而將電動(dòng)機(jī)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(diǎn)左側(cè)為宜），以確保機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作。1）異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是

，即實(shí)際轉(zhuǎn)差率應(yīng)低于臨界轉(zhuǎn)差率。由固有機(jī)械特性曲線可推知：2）如果從空載到滿載時(shí)轉(zhuǎn)速變化很小，就稱該電動(dòng)機(jī)具有硬機(jī)械特性。由圖2-30可知，三相異步電動(dòng)機(jī)具有硬機(jī)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(fù)載（如機(jī)床刀架平移機(jī)構(gòu)等），電動(dòng)機(jī)不能在

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

但風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)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(dòng)機(jī)可以在

區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行。(2-5)3.人為機(jī)械特性

由式(2-5)可知，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性既與電動(dòng)機(jī)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(jī)械特性，稱為電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。前已述及，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

與轉(zhuǎn)差率

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

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

最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，當(dāng)電源電壓降低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)急劇減小，使電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性急劇向左移動(dòng)（收縮）。

由此可見，電源電壓

對電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性影響極大。圖2-31電源電壓的變化對機(jī)械特性的影響(2)轉(zhuǎn)子電阻的變化對機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩均有影響。

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

。圖2-32

轉(zhuǎn)子電阻的變化對機(jī)械特性的影響

在驅(qū)動(dòng)同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性越來越軟。

如果電動(dòng)機(jī)具有硬特性，則當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速變化不大，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性會(huì)很好；如果電動(dòng)機(jī)具有軟特性，則當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速會(huì)下降較快，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性會(huì)很好。圖2-32

轉(zhuǎn)子電阻的變化對機(jī)械特性的影響

在設(shè)計(jì)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合和使用要求，選用機(jī)械特性不同的電動(dòng)機(jī)。

在金屬切削機(jī)床的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，應(yīng)選用機(jī)械特性較硬的電動(dòng)機(jī)，而在重載起動(dòng)狀態(tài)下工作的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)（如起重設(shè)備、卷揚(yáng)機(jī)等）中，則應(yīng)選用機(jī)械特性較軟的電動(dòng)機(jī)。圖2-32

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

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(dòng)機(jī)的殼體上，均釘有電動(dòng)機(jī)銘牌。

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

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

在電動(dòng)機(jī)的外殼上都會(huì)釘有銘牌（圖2-34）。銘牌上注明該電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的重要依據(jù)，銘牌的主要內(nèi)容如下：圖2-34電動(dòng)機(jī)的銘牌1.型號

電動(dòng)機(jī)的型號用以表明電動(dòng)機(jī)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(jī)產(chǎn)品型號編制方法》對國產(chǎn)異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)Y異J、JO交繞線式異步電動(dòng)機(jī)YR異繞JR、JRO交繞防爆式異步電動(dòng)機(jī)YB異爆JB、JBO交爆高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩式異步電動(dòng)機(jī)YQ異起JQ、JQO交起表2-2異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品名稱代號圖2-35三相異步電動(dòng)機(jī)的型號含義（Y132M—4）Y132M-4屬于Y（異）系列三相異步電動(dòng)機(jī)，其詳細(xì)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(dòng)機(jī)，其詳細(xì)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(dòng)機(jī)型號含義（YS63-1-4）YX3-160L-4-W屬于高效率三相異步電動(dòng)機(jī)，其詳細(xì)的型號含義如圖2-37所示。圖2-37高效率三相異步電動(dòng)機(jī)型號含義（YX3-160L-4-W）2.接法

異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)出廠時(shí)，容量小于或等于3kW的電動(dòng)機(jī)，通常采用星形連接；容量大于或等于4kW的電動(dòng)機(jī)，通常采用三角形連接。

在電動(dòng)機(jī)的接線盒內(nèi)，三相定子繞組的6個(gè)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(gè)繞組的兩個(gè)端子是錯(cuò)開的，并非排在同一列。圖2-38三相異步電動(dòng)機(jī)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(gè)端子連接在一起。然后，再將U1、V1、W1三個(gè)端子分別與三相電源線L1、L2、L3連接起來。同時(shí)，將保護(hù)接地線可靠地連接在接線盒內(nèi)的保護(hù)接地XE（PE）端子上。a）三相定子繞組的實(shí)際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個(gè)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(gè)端子分別與三相電源線L1、L2、L3連接起來。同時(shí)，將保護(hù)接地線可靠地連接在接線盒內(nèi)的保護(hù)接地XE（PE）端子上。a）三相定子繞組的實(shí)際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組上應(yīng)加的線電壓的有效值，稱為三相異步電動(dòng)機(jī)的額定電壓，用表示。一般額定功率在3kW以上的電動(dòng)機(jī)，額定電壓為380V，其繞組出廠時(shí)為

形聯(lián)結(jié)。額定功率≤3kW的電動(dòng)機(jī)，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(shí)，繞組應(yīng)為Y形聯(lián)結(jié)；電源電壓為220V時(shí)，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(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓不能高于或低于額定值的5%。因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)滿載或接近滿載情況下運(yùn)行時(shí)，電壓過高或過低都會(huì)使電動(dòng)機(jī)的電流大于額定值,從而使電動(dòng)機(jī)過熱。5.額定電流

電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電流的有效值，稱為三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的線電流的有效值為6.73A，在

形連接下，電動(dòng)機(jī)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(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上所輸出的額定機(jī)械功率，用

表示，以千瓦（kW）或瓦（W）為單位。

電動(dòng)機(jī)的效率是指電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸輸出功率與電網(wǎng)輸入電動(dòng)機(jī)功率的比值。電動(dòng)機(jī)的效率越高，說明電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。7.功率因數(shù)

三相異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，在額定負(fù)載時(shí)約為0.7~0.9。空載時(shí)的功率因數(shù)很低，只有0.2~0.3。在額定負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)最高。

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

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(dòng)機(jī)在額定工作情況下運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，表征電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的絕緣等級分為Y、A、E、B、F、H、N、R等多個(gè)級別（表2-3）。表2-3電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)最常用的絕緣等級為B級。但隨著電動(dòng)機(jī)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