三相交流異步電動機及控制電路

三相異步交流電動機及控制電路電動機在生產(chǎn)設(shè)備和家用電器中獲得廣泛的應(yīng)用。電動機可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能，為設(shè)備提供動力。在電動機中，既有電路問題和磁路問題，又有力學(xué)和熱學(xué)問題。對這些問題進行討論，有利于更好地使用電動機。本章先對三相異步電動機進行著重討論，然后討論直流電動機、單相異步電動機、同步電動機、伺服電動機、步進電動機的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理以及基本問題，最后講述選擇電動機的基本方法。4.1三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理4.1.1三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)三相異步電動機有繞線轉(zhuǎn)子和籠形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動性能和調(diào)速性能都較好，但其造價較高?；\形轉(zhuǎn)子異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，容易維護，造價較低。三相異步電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間有氣隙。圖4.1是繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的剖面圖。定子定子主要由定子鐵心、定子繞組和機座組成。定子鐵心是磁路的一部分，起導(dǎo)磁作用。為了減少磁滯損耗和渦流損耗，定子鐵心用0.5mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。硅鋼片內(nèi)圓邊上沖有均勻分布的槽，用于嵌放三相對稱繞組。定子繞組是定子電路的一部分，一般由絕緣銅線繞制并按一定規(guī)律連接成相繞組，根據(jù)具體情況可以將三個相繞組連接成星形或三角形。每個相繞組的首端和末端引接到出線盒的接線端子上。機座由鑄鐵或鑄鋼制成，起固定定子鐵心、軸承、端蓋的作用。在機座的表面及內(nèi)部還采取了一些散熱措施。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸上，它是磁路的一部分，由0.5mm厚、外圓邊上沖有均勻分布槽的硅鋼片疊成，用于嵌放繞組。繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的結(jié)構(gòu)一樣。繞線轉(zhuǎn)子繞組的三個單相對稱繞組在內(nèi)部連接成星形，其三個首端分別引接到轉(zhuǎn)軸上的三個互相絕緣的滑環(huán)上，滑環(huán)通過電刷與外電路連接?；\形轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)嵌放有導(dǎo)體，這些導(dǎo)體的兩端分別與兩個導(dǎo)電端環(huán)連接，構(gòu)成閉合的轉(zhuǎn)子繞組。如果去掉鐵心，轉(zhuǎn)子繞組的形狀像老鼠籠，因此也稱為鼠籠式電動機。中、小型籠形轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子繞組常常采用澆注鋁的方法將導(dǎo)體、端環(huán)和風(fēng)扇一次性地鑄成一個整體，工藝簡單，制造成本較低。4.1.2三相異步電動機的基本工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生三相對稱交流電流通入在空間上互差120°的三相對稱繞組中就能夠在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。在圖4.2中，三個單相繞組AX、BY、CZ是對稱的，各相繞組在空間上互差120°，三個單相繞組連接成星形。如果通入三相對稱繞組中的三相對稱電流分別為（4.1）則三相對稱電流所產(chǎn)生的磁場在空間的分布情況可以根據(jù)三相對稱電流隨時間變化而變化的情況得出。假定，電流從繞組首端（如A、B、C）流入時為電流的正方向，當(dāng)電流的瞬時值為正時，繞組的首端用符號“X”標(biāo)記、末端（如X、Y、Z）用“·”標(biāo)記；反之，繞組的首端用“·”標(biāo)記、末端用“X”標(biāo)記。當(dāng)ωt=0°時，ia=0,ib＜0,ic＞0。按規(guī)定標(biāo)出繞組首、末端的標(biāo)記，即B、Z用符號“X”標(biāo)記，Y、C用“·”標(biāo)記，如圖4.3（a）所示。根據(jù)右手螺旋定則，可判斷出三相電流所產(chǎn)生的合成磁場的方向是水平且向左。同理，當(dāng)ωt=60°、120°、180°、240°、300°時，確定合成磁場的方向如圖4.3（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示。從圖4.3看出，當(dāng)瞬時電流隨時間變化一個周期時，合成磁場在空間旋轉(zhuǎn)一圈。而且，瞬時電流的相位變化多大角度，合成磁場也在空間旋轉(zhuǎn)多大角度?？梢宰C明，合成磁場的磁動勢大小是恒定的。由此可見，三相對稱電流通入在空間位置上互差120°的三相對稱繞組時，將在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與三相電流的相序一致，改變?nèi)嚯娏鞯南嘈蚩梢愿淖冃D(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，大家可以將三相對稱電流ia、ib、ic對應(yīng)通入上述三相對稱繞組的BY、AX、CZ相中便很容易得出結(jié)論。如果各相繞組分別由兩個繞組串聯(lián)組成，如圖4.4所示，可以產(chǎn)生一個四極旋轉(zhuǎn)磁場。容易看出，當(dāng)瞬時電流隨時間變化兩個周期，即變化720°時，旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)一圈，即旋轉(zhuǎn)360°機械角度。瞬時電流隨時間變化一個周期，即變化180°時，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過相鄰的一對磁極在圓周表面所占的長度，即轉(zhuǎn)過360°電角度。進一步對多極旋轉(zhuǎn)磁場進行討論，可以得出以下關(guān)系電角度=P×機械角度（4.2）（4.3）式中，p為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)；n0為旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，稱之為同步轉(zhuǎn)速，單位為每分轉(zhuǎn)，用符號r/min表示；f1為交流電流的頻率。2.三相異步電動機的基本工作原理三相異步電動機的原理圖如圖4.5所示，定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放有連接成星形或三角形的三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組連接成閉合回路。在定子的三相對稱繞組中通入三相對稱電流時，將在氣隙中產(chǎn)生以轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場順時針旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體逆時針切割磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于轉(zhuǎn)子繞組連接成閉合回路，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將有感應(yīng)電流流過。設(shè)電流的相位與電動勢的相位相同，兩者的方向可以由右手定則確定，如圖4.5所示。帶電的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力的作用，電磁力的方向可以由左手定則確定，如圖4.5所示，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的受力方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向相同。電磁力作用于轉(zhuǎn)子表面的導(dǎo)體上形成電磁轉(zhuǎn)矩M，使轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n沿磁場旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換成機械能。改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相應(yīng)改變。由于轉(zhuǎn)子中的電流是由感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，因此三相異步電動機又稱為感應(yīng)電動機。如果沒有外力作用，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不會等于或大于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0，否則不符合能量守恒原理。三相異步電動機吸收電源的電能后，先轉(zhuǎn)換成磁場能量，然后通過氣隙將磁場能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的電能，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時將轉(zhuǎn)子電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上的機械能。在能量轉(zhuǎn)換過程中，存在能量損耗，因此輸出轉(zhuǎn)速n不可能等于或超過輸入轉(zhuǎn)速n0。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速稱為不同步或異步，這是異步電動機得名的緣故。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差△n=n0-n與同步轉(zhuǎn)速n0之比稱為轉(zhuǎn)差率s，有（4.4）轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個重要參數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)差率s的大小及正負，可以判斷異步電動機的運行狀態(tài)。當(dāng)0＜s＜1、即0＜n＜n0時，異步電動機運行于電動狀態(tài)，電動機吸收電源的電能并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子軸上的機械能；當(dāng)s＜0、即n＞n0時，異步電動機機于發(fā)電狀態(tài)，電動機吸收作用于轉(zhuǎn)子軸上的外力能量并轉(zhuǎn)換成電能向電源回送；當(dāng)s＞1、即n＜0時，異步電動機運行于電磁制動狀態(tài)，電動機定子吸收電源的電能和轉(zhuǎn)子吸收作用于轉(zhuǎn)子軸上的外力能量都消耗在電動機內(nèi)部。4.1.3銘牌三相異步電動機銘牌上標(biāo)明了型號、額定數(shù)據(jù)、定子繞組連接方法、工作制等。型號主要說明產(chǎn)品代號和規(guī)格代號。例如，型號為YB-160M-4WF的三相異步電動機，說明為籠型轉(zhuǎn)子、隔爆型、中心高160mm、中機座、4磁極、戶外、防腐的三相異步電動機。產(chǎn)品代號為YR、YD、YDT、YQ、YZ的，分別表示繞線轉(zhuǎn)子、多速、通風(fēng)機用多速、高起動轉(zhuǎn)矩、起重冶金用三相異步電動機。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，電動機的繞組按規(guī)定連接、定子繞組加額定電壓、帶額定負載時的運行方式，稱為額定運行。額定運行時的數(shù)據(jù)主要有：（1）額定電壓UN指電動機額定運行時，定子繞組外接三相電源的線電壓，也是電動機安全工作的最高線電壓。（2）額定電流IN指電動機額定運行時，定子繞組取用的線電流，也是電動機按規(guī)定長期額定運行時定子繞組可以取用的最大線電流。（3）額定功率因數(shù)cos指電動機額定運行時，定子繞組相電壓與相電流相位差的余弦值。（4）額定效率指電動機額定運行時的效率。（5）額定功率指電動機額定運行時，轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率。三相異步電動機的額定功率為（6）額定轉(zhuǎn)速指電動機額定運行時的轉(zhuǎn)速。4.2三相異步電動機的運行原理三相異步電動機的定子與轉(zhuǎn)子之間、變壓器的原邊與副邊之間都是通過電磁感應(yīng)聯(lián)系的，討論三相異步電動機的運行情況時可仿照變壓器的方法進行。本節(jié)以繞線轉(zhuǎn)子異步電動機為例進行討論。4.2.1空載運行三相異步電動機軸上不帶負載的運行稱為空載運行?？蛰d運行時，轉(zhuǎn)子繞組流過電流并產(chǎn)生磁動勢，此磁動勢隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而成為幅值不變的旋轉(zhuǎn)磁動勢，其旋轉(zhuǎn)速度為n。此時，氣隙的旋轉(zhuǎn)磁動勢F0由定、轉(zhuǎn)子磁動勢合成。由于空載運行時，電動機只需克服本身的阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子電流很??；而且，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速n。，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的頻率接近定子感應(yīng)電動勢的頻率、即f2≈f1，因此轉(zhuǎn)子磁動勢的作用可以忽略，可以將空載運行看成是轉(zhuǎn)子繞組開路而轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動的情況，這與變壓器空載運行的情況幾乎一樣。三相異步電動機也有全磁通和漏磁通。同時與定、轉(zhuǎn)子繞組交鏈的磁通稱為主磁通，用符號Φm表示。主磁通是定、轉(zhuǎn)子間能量傳遞的載體，它在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢分別為（4.5）（4.6）空載運行時式中，Kw1、Kw2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的繞組系數(shù)，它們是與繞組的構(gòu)造及分布有關(guān)的常數(shù)。此時，定、轉(zhuǎn)子電動勢的變比為（4.7）僅與定子或轉(zhuǎn)子繞組相鏈的磁通稱為漏磁通，用符號Φ1σ、Φ2σ分別表示定、轉(zhuǎn)子漏磁通。漏磁通包括槽漏磁通，端部漏磁通和諧波漏磁通三部分，它們不在定、轉(zhuǎn)子之間傳遞能量，它們分別在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電動勢稱為漏感應(yīng)電動勢。定、轉(zhuǎn)子漏感應(yīng)電動勢為（4.8）（4.9）空載運行時與變壓器分析相同，空載運行時的勵磁電流為（4.10）式中，為磁化電流，它與主磁通同相位；為鐵損耗電流分量，它與-同相位。可以將定、轉(zhuǎn)子電動勢、漏電動勢表示成壓降的形式，有（4.11）（4.12）（4.13）空載運行時式中，Zm、rm、xm分別為勵磁阻抗、勵磁電阻、勵磁電抗；x1、x2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的漏電抗。三相異步電動機存在較大氣隙，與變壓器相比，其磁阻rm較大、勵磁電抗xm較小、勵磁電流較大、轉(zhuǎn)子漏電抗x1及x2較小。與變壓器分析相同，可列出空載運行時定、轉(zhuǎn)子的電壓平衡方程式為（4.14）（4.15）式中，，Z1、r1分別為定子繞組漏阻抗、電阻。4.2.2負載運行1.磁動勢平衡方程式三相異步電動機軸上帶有負載運行時稱為負載運行。負載運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n降低，轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流增大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢F2增大。此時，氣隙中的磁動勢F0由定子磁動勢F1和轉(zhuǎn)子磁動勢F2合成。負載運行時，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電動勢由定子磁動勢F1以其相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速△n=n0-n切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體而產(chǎn)生，其頻率為（4.16）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流頻率也為f2，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為（4.17）可見，定子磁動勢F1和轉(zhuǎn)子磁動勢F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速都是△n，因此定、轉(zhuǎn)子磁動勢是相對靜止的。磁動勢平衡方程式為（4.18）上式表明，負載運行時定子磁動勢F1比空載運行時的氣隙磁動勢F0大，其一部分用于產(chǎn)生氣隙磁動勢F0，另一部分（-F2）用于抵消轉(zhuǎn)子磁動勢F2的作用，以維持氣隙磁動勢F0基本不變?？梢姡撦d運行時的主磁通與空載運行時的主磁通基本相等。由于電流與磁動勢成正比，用電流相量表示磁動勢平衡的方程式為（4.19）式中，為負載時定子電流相量；為空載時定子電流相量，即勵磁電流相量；為定子電流的負載分量相量，其產(chǎn)生的磁動勢（-F2）與轉(zhuǎn)子磁動勢F2相等；=，為轉(zhuǎn)子電流相量；，稱為電流變比?？梢姡撦d增大時，定子電流隨轉(zhuǎn)子電流的增大而增大，增大的部分所產(chǎn)生的磁動勢用于抵消轉(zhuǎn)子磁動勢增加的部分。2.電壓平衡方程式由于負載時氣隙磁動勢基本不變，因此主磁通和定、轉(zhuǎn)子漏磁通也基本不變，定子的電壓平衡方程式與空載運行時相同。負載時，轉(zhuǎn)子電路有較大的電流通過，且轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流的頻率為f2=sf1，其電壓平衡方程式為（4.20）（4.21）式中，、、分別為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢、漏感應(yīng)電動勢和漏電抗，它們與轉(zhuǎn)子開路、靜止不動時的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢、漏感應(yīng)電動勢、漏電抗的關(guān)系分別為（4.22）（4.23）（4.24）3.等效電路直接利用式（4.7）、（4.14）、（4.15）、（4.19）和（4.20）來對異步電動機進行定量計算是很不方便的?？梢酝ㄟ^折算的方法將定、轉(zhuǎn)子之間既有磁聯(lián)系、又有電聯(lián)系的問題簡化成純電路問題，得出定、轉(zhuǎn)子電路互相連接的等效電路。與變壓器的折算不盡相同，異步電動機的定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)不同、頻率也不同，因此要先進行頻率折算再進行繞組折算。頻率折算的實質(zhì)，是用一個靜止的轉(zhuǎn)子來等效實際的轉(zhuǎn)子。繞組折算的實質(zhì)，就是用一個相數(shù)、有效匝數(shù)與定子繞組相同的繞組來等效實際的轉(zhuǎn)子繞組。折算后，異步電動機的基本方程式組（4.25）為式中，、、、、分別為轉(zhuǎn)子電路折算后的電動勢、電流、阻抗、電阻、電抗，且有、、、、。與變壓器的方法相同，根據(jù)方程式組（4.25）可以得出異步電動機的T型等值電路分別如圖4.6、圖4.7所示。例4.1一臺△接的四極三相異步電動機，UN=380V，50Hz，nN=1450n/min。若已知r1=0.1Ω，X1=1.7Ω，=0.4Ω，=3Ω，rm=6Ω，Xm=72Ω，試用T型等效電路計算定子電流及輸入電功率。解：同步轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)差率等效電路總阻抗定子電流定子功率因數(shù)（滯后）定子輸入功率4.2.3電磁轉(zhuǎn)矩與機械特性1.電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機運行時，定子從電源吸收電能并通過旋轉(zhuǎn)磁場將電能傳遞給轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并將電能轉(zhuǎn)換成機械能。由于轉(zhuǎn)子吸收電能是電磁感應(yīng)作用的結(jié)果，因此轉(zhuǎn)子電路吸收的電功率稱為電磁功率，電磁功率可以由等效電路計算。（4.26）式中，為定子繞組的相數(shù)，稱為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。由于電磁功率最終轉(zhuǎn)換成輸出的機械功率，而轉(zhuǎn)子機械功率應(yīng)等于作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩與它的機械角速度的乘積，作用于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩是電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的，稱為電磁轉(zhuǎn)矩T，其角速度等于旋轉(zhuǎn)磁場的角速度Ω0，有（4.27）式中，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是一個只與電機結(jié)構(gòu)參數(shù)及電源頻率有關(guān)的常數(shù)。上式反映了電磁轉(zhuǎn)矩與主磁通、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子功率因數(shù)這三個物理量的關(guān)系，表明電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的有功電流切割主磁場產(chǎn)生的。上式稱為電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式。由簡化等效電路看出，轉(zhuǎn)子電流為（4.28）有（4.29）上式反映了電磁轉(zhuǎn)矩與電動機參數(shù)的關(guān)系，稱為電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式。由于電磁轉(zhuǎn)矩正比于電源電壓的平方，因此電源電壓的下降將引起電磁轉(zhuǎn)矩成平方地減小，使用三相異步電動機時應(yīng)加以重視。2.機械特性根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式可以繪出電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率S的關(guān)系曲線T=f(s)，如圖4.8所示，稱之為三相異步電動機的機械特性。在機械特性的cd段，負載增大使轉(zhuǎn)速減小時，電磁轉(zhuǎn)矩沿機械特性減小，使轉(zhuǎn)速進一步減小直至n=0，因此異步電動機在cd段不能穩(wěn)定運行。在機械特性的ac段中，負載轉(zhuǎn)矩增大使轉(zhuǎn)速減小時，電磁轉(zhuǎn)矩沿機械特性相應(yīng)增大，直至電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩重新平衡、異步電動機以較低的轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定運行，因此ac段稱為穩(wěn)定運行段。在穩(wěn)定運行段，轉(zhuǎn)速隨負載變化而變化不大，此類機械特性被稱為硬特性。當(dāng)定子繞組外加的電源電壓和頻率為額定值、不改變電動機本身的參數(shù)并按規(guī)定連接時，電動機的機械特性稱為固有特性。固有特性上有幾個特殊點，分別為（1）額定轉(zhuǎn)矩點（SN，TN）三相異步電動機額定運行時，其效率和功率因數(shù)都比較高，電動機可以得到充分利用，額定轉(zhuǎn)矩可以由銘牌數(shù)據(jù)計算(4.30)(2)最大轉(zhuǎn)矩點（Sm，Tm）此時的轉(zhuǎn)差率Sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率。最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN的比值λT稱為電動機的過載倍數(shù)，過載倍數(shù)越大，電動機的過載能力越大。普通三相異步電動機的過載倍數(shù)為1.6～2.0倍。（3）起動轉(zhuǎn)矩點（1，Tst）此時轉(zhuǎn)差率S=1，起動轉(zhuǎn)矩Tst是電磁轉(zhuǎn)矩在S=1、即n=0時的值。起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值λst稱為電動機的起動倍數(shù)。三相異步電動機起動時，雖然轉(zhuǎn)子電流很大，但因轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，起動轉(zhuǎn)矩并不大。普通籠型轉(zhuǎn)子三相異步電動機的起動倍數(shù)為1～1.3倍。4.3三相異步電動機的起動、調(diào)速及制動4.3.1起動電動機接電源、轉(zhuǎn)速由零開始增大到穩(wěn)定狀態(tài)的過程稱為起動過程。三相異步電動機起動瞬間，S=1，由式（4.28）看出，此時的轉(zhuǎn)子電流比正常運行時（S接近0）的轉(zhuǎn)子電流大很多；由式（4.27）看出，由于此時的功率因數(shù)很低，因此起動轉(zhuǎn)矩并不大。起動電流太大將造成一些不良后果。例如，使供電線路的電壓下降，影響線路上其它電氣設(shè)備的正常運行；同時，供電線路的電壓下降也使起動電動機的起動轉(zhuǎn)矩成平方地減小，導(dǎo)致起動困難。使起動電動機繞組過熱，加速其絕緣材料的老化，甚至引起保護裝置動作切斷電源而造成起動失敗。起動轉(zhuǎn)矩過小將使起動失敗或起動時間過長。因此，三相異步電動機的起動問題，就是設(shè)法將起動電流限制在允許范圍內(nèi)，設(shè)法使起動轉(zhuǎn)矩滿足實際起動要求。1.籠型轉(zhuǎn)子異步電動機的直接起動如果籠型轉(zhuǎn)子異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩滿足實際要求，且起動電動機的容量在10KW以下或其起動電流滿足下式的關(guān)系（4.31）那么允許直接起動。2.籠型轉(zhuǎn)子異步電動機定子串電阻或電抗器起動采用定子串電阻或電抗器起動時，較大的電流將在定子電路中所串聯(lián)的電阻或電抗器上產(chǎn)生較大的電壓降，起到間接降低定子繞組電壓的作用，起動電流因定子電壓U1的降低而減小。當(dāng)起動到轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，通過控制線路自動地切除串聯(lián)電阻或電抗器，電動機繼續(xù)加速直至穩(wěn)定運行。采用這兩種方法起動時，起動轉(zhuǎn)矩隨起動電流的減小而成平方地減小，即（4.32）式中，、分別是直接起動時起動轉(zhuǎn)矩、起動電流，、是采取限流措施后，實際的起動轉(zhuǎn)矩、起動電流?？梢?，當(dāng)實際起動轉(zhuǎn)矩過小且有＜（負載轉(zhuǎn)矩）時，將可能出現(xiàn)起動失敗的現(xiàn)象。這兩種起動方法不受電動機定子繞組連接規(guī)定的限制。但是，在起動過程中，電阻上消耗大量電能，電抗器上消耗的電能極少。中、大容量的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機采用串電抗器起動時，其電能損耗相對較小。這兩種方法只適用于輕載起動。3.籠型轉(zhuǎn)子異步電動機的星形-三角形起動如果電動機銘牌上規(guī)定的連接方法是三角形接法，那么在起動時將定子繞組接成星形，使定子繞組的電壓由三角形連接時的電源線電壓降低為電源相電壓，達到降低起動電流的目的。當(dāng)起動到轉(zhuǎn)速達到一定數(shù)值時，通過控制線路自動地將定子繞組改接成三角形，電動機繼續(xù)加速直至穩(wěn)定運行。采用這種起動方法時，實際起動轉(zhuǎn)矩等于直接起動時起動轉(zhuǎn)矩的1/3，即（4.33）可見，起動轉(zhuǎn)矩下降較多。這種起動方法本身不產(chǎn)生損耗，方法簡單，運行可靠，但是，只適用于規(guī)定連接方法為三角形接法，有六個出線端，500伏以下的電動機輕載起動。4.自耦變壓器降壓起動由第3章3.5知道，自耦變壓器有調(diào)節(jié)電壓的作用。起動時，利用專用的降壓起動用自耦變壓器將電源電壓降低后再加到定子繞組上，以達到降低起動電流的目的。當(dāng)起動到一定轉(zhuǎn)速時，通過控制線路自動地將自耦變壓器切除，電動機繼續(xù)加速直到穩(wěn)定運行。采用這種起動方法時，起動轉(zhuǎn)矩隨起動電流的減小而減小，即（4.34）使用時應(yīng)注意進行起動轉(zhuǎn)矩的校驗，若不能滿足，則應(yīng)選擇繞線轉(zhuǎn)子異步電動機來拖動負載。這種起動方法初投資較大，控制線路相對較復(fù)雜。但是，由于其起動轉(zhuǎn)矩隨起動電流的減小而下降不多，是三相籠型轉(zhuǎn)子異步電動機常用的起動方法。5.繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串聯(lián)對稱電阻起動繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組可以通過滑環(huán)及電刷與外電路連接，轉(zhuǎn)子串聯(lián)對稱電阻可以使轉(zhuǎn)子電路總電阻增大。從式（4.28）及式（4.29）看出，增大轉(zhuǎn)子電路的電阻時，既可減小起動電流，又可以增大起動轉(zhuǎn)矩，這就是繞線轉(zhuǎn)子異步電動機起動性能較好的緣故。起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高、轉(zhuǎn)差率的減小，電動機的電流和電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，轉(zhuǎn)速升高的速率降低。為了保持轉(zhuǎn)速升高的速率、縮短起動時間，通常采用轉(zhuǎn)子串聯(lián)對稱電阻分級起動的方法，一般為三級起動。起動時，先將三段電阻全部接入，轉(zhuǎn)速升高到適當(dāng)數(shù)值時，通過控制線路自動地逐段切除電阻，直到轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時切除最后一段電阻。每切除一段電阻，電動機的電流和電磁轉(zhuǎn)矩又增大到最初起動時的數(shù)值，轉(zhuǎn)速升高的速率隨之增大到最初起動時的數(shù)值。這種起動方法控制線路較復(fù)雜，串聯(lián)電阻消耗電能，切除串聯(lián)電阻會引起轉(zhuǎn)矩大幅度波動，起動不平滑。但是，串聯(lián)電阻可以兼作調(diào)速用，一舉兩得。6.繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器起動頻敏變阻器的形狀與沒有副繞組且原繞組接成星形的三相變壓器相同，其鐵心由厚鑄鐵或厚鋼板疊成，因此頻敏變阻器的鐵損耗及其等效電阻都較大，而且渦流在厚疊片內(nèi)的趨表效應(yīng)很明顯。起動時，轉(zhuǎn)子頻率很高，頻敏變阻器鐵損耗的等效電阻因趨表效應(yīng)強烈而呈現(xiàn)很大的阻值，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子串聯(lián)對稱大電阻起動，電動機的起動電流較小而起動轉(zhuǎn)矩較大。在起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速升高、轉(zhuǎn)差率減小，轉(zhuǎn)子頻率（f2=sf1）降低，渦流的趨表效應(yīng)減弱，渦流路徑的截面增大、即等效電阻減小，相當(dāng)于平滑地切除電阻。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近穩(wěn)定值時，將頻敏變阻器切除。這種起動方法起動性能好，起動平滑，控制線路簡單，投資較少。但是，頻敏變阻器不能作調(diào)速用。4.3.2調(diào)速負載不變時，通過改變電動機的參數(shù)或外部條件使轉(zhuǎn)速數(shù)值改變的辦法稱為調(diào)速。由式（4.3）、（4.4）得（4.35）可見，改變電源頻率f或改變磁極對數(shù)p或改變轉(zhuǎn)差率s都可以實現(xiàn)調(diào)速。1.變頻調(diào)速改變電動機電源的頻率時，為了保持主磁通基本不變，必須在改變電源頻率的同時相應(yīng)地改變電源電壓U1，使保持不變。因此，變頻裝置主要由晶閘管整流器和晶閘管逆變器（調(diào)頻率）組成，通過控制線路實現(xiàn)電源（調(diào)電壓）頻率與電源電壓同時改變并保持恒定。變頻調(diào)速的平滑性好，實現(xiàn)了無級調(diào)速，機械特性較硬。而且，變頻調(diào)速可以在造價低、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機上實現(xiàn)。目前，變頻技術(shù)已趨成熟，變頻裝置的造價越來越低，因此，變頻調(diào)速已在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用。2.變極調(diào)速適當(dāng)改變定子繞組的接法時，可以使磁極對數(shù)P增倍或減半，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0減半或增倍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地近似減半或增倍，從而實現(xiàn)調(diào)速。如果每相繞組由兩個相同的部分組成，則可以通過改變每相繞組中各部分之間的連接方法來實現(xiàn)磁極對數(shù)的改變，如圖4.9所示。每相繞組的兩部分順向串聯(lián)時，產(chǎn)生四極磁場，反向并聯(lián)時產(chǎn)生兩極磁場。變極調(diào)速只適用于籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，它的轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)能夠自動地隨定子磁級對數(shù)的改變而改變。如果要使繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子極對數(shù)隨定子磁極對數(shù)的改變而相應(yīng)改變，那么改變定子繞組每相各部分連接方法的同時也要使轉(zhuǎn)子繞組作同樣的改接，這將造成控制線路異常復(fù)雜、而降低運行的可靠性，還造成電動機結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜而提高造價。變極調(diào)速是有級調(diào)速，在機械加工設(shè)備中應(yīng)用較多。3.改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速在起重設(shè)備中，由于需要高起動轉(zhuǎn)矩的電動機，常采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串對稱電阻分級起動，其起動電阻也可以兼作調(diào)速用。負載轉(zhuǎn)矩不變時，如果增加轉(zhuǎn)子電阻，那么轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小，致使電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機減速，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率增大。隨著轉(zhuǎn)差率的增大，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增大，直到電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩重新平衡時，電動機以一個較低的轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定運行。在調(diào)速過程中，轉(zhuǎn)差率改變了，但旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速沒有改變，故稱為改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串聯(lián)對稱電阻調(diào)速屬于有級調(diào)速，串聯(lián)電阻在調(diào)速時消耗電能，轉(zhuǎn)速越低時電動機帶負載運行的穩(wěn)定性越差。但是，調(diào)速電阻可兼作起動用，一舉兩得。4.3.3制動通過使電動機產(chǎn)生一個方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，或使電動機的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，達到快速停轉(zhuǎn)或限制轉(zhuǎn)速目的的辦法稱為制動。三相異步電動機有能耗制動、反接制動和回饋制動三種制動方法。1.能耗制動三相異步電動機運行時，切斷三相電源的同時，在定子繞組的任意兩個中通入直流電流，可以產(chǎn)生一個方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖4.10所示。直流電流通入定子兩相繞組后，在氣隙中產(chǎn)生恒定的磁場。三相電源切斷后，慣性作用使轉(zhuǎn)子仍然以原旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體以與原切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向相反的方向切割恒定磁場，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與原電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，即與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩起阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，稱為制動轉(zhuǎn)矩。又因為電動機在制動過程中把轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在轉(zhuǎn)子電路中，因此稱為能耗制動。能耗制動可以自行實現(xiàn)電動機的準(zhǔn)確停轉(zhuǎn)。2.反接制動（1）改變定子相序的反接制動三相異步電動機運行時，如果改變定子三相繞組通入三相對稱電流的相序，那么可以產(chǎn)生一個方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖4.11所示。改變定子繞組的電流相序后，旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與原旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反。轉(zhuǎn)子在慣性作用下，以與切割原旋轉(zhuǎn)磁場方向相反的方向切割旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與原電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，即與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，電動機運行于制動狀態(tài)。改變定子相序的反接制動一般不能自行實現(xiàn)準(zhǔn)確停轉(zhuǎn)。對某些負載，如果轉(zhuǎn)速下降到零時不及時切除電源，電動機將會反向起動。（2）負載倒拉制動三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機提升位能（或重物）負載時，如果在轉(zhuǎn)子串聯(lián)適當(dāng)?shù)膶ΨQ電阻，可以使電動機的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，如圖4.12所示。我們知道，改變繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子電路的電阻時，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變，電動機將以一個新的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。增加轉(zhuǎn)子電阻時，電動機轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到一定數(shù)值時，電動機轉(zhuǎn)速為零。如果在電動機提升重物時使轉(zhuǎn)速為零，則重物被吊在空中不動。此時，如果再增加轉(zhuǎn)子電路電阻，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小，電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速再減小，則電動機反向旋轉(zhuǎn)下放重物。由于轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體以與原切割旋轉(zhuǎn)磁場方向相同的方向切割原旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與原電磁轉(zhuǎn)矩方向相同，即轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)而與電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，電動機運行于制動狀態(tài)。這種制動方法適用于要求低速下放重物的場合。3.回饋制動當(dāng)電動機處于制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同向旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時，稱為回饋制動。在需要以較高轉(zhuǎn)速下放重物時，常常采用回饋制動的方法。在提升重物時，先進行改變定子相序的反接制動，使提升重物的速度下降并過渡到下放重物，下放速度逐步增加到超過旋轉(zhuǎn)磁場速度時，電動機的轉(zhuǎn)向與電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，電動機運行于制動狀態(tài)，如圖4.13所示。電動機的轉(zhuǎn)子受重物的重力作用而旋轉(zhuǎn)，電動機吸收轉(zhuǎn)子軸上的機械能并轉(zhuǎn)換成電能回送電源，因此稱為回饋制動。這時，電動機的作用是限制下放速度。4.4三相異步電動機的常用控制線路與安全用電4.4.1常用控制電器1.刀開關(guān)刀開關(guān)對稱為刀閘開關(guān)，其結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.14所示。刀開關(guān)有單極、雙極、三極三種，主要用來接通或切斷電源，不需頻繁操作時也可用于控制小容量電動機的起動和停轉(zhuǎn)。安裝刀開關(guān)時，應(yīng)使開關(guān)斷開時靜插座帶電而觸刀不帶電，而且靜插座在上方。選用刀開關(guān)時，應(yīng)符合控制要求，并使刀開關(guān)的額定電壓、額定電流分別不小于電源電壓和負載電流。2.組合開關(guān)組合開關(guān)又稱為轉(zhuǎn)換開關(guān)，實質(zhì)是一個旋轉(zhuǎn)的多極刀開關(guān)。轉(zhuǎn)動手柄時，動觸片轉(zhuǎn)動而使多對觸片同時接通或斷開，其結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.15所示。組合開關(guān)有單極、雙極、三極、四極等多種，主要用來接通或切斷電源，或控制小容量電動機的起動和停轉(zhuǎn)。3.按鈕按鈕的結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.16所示，主要用來接通或切斷控制電路。動斷觸點只在按下按鈕時斷開，松手后閉合；動合觸點僅在按下按鈕時閉合，松手后斷開。使用按鈕時，為便于辨別、防止誤操作，常采用按鈕帽顏色不同的按鈕來控制不同的線路。按鈕的額定電流為5A。4.行程開關(guān)行程開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.17所示。運動部件碰撞行程開關(guān)的頂桿時，動斷觸點、動合觸點分別切斷、接通相應(yīng)的控制回路。5.交流接觸器交流接觸器的結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.18所示。當(dāng)吸引線圈得電時，接觸器動作，主觸點和動合輔助觸點閉合，動斷輔助觸點斷開。當(dāng)吸引線圈失電時，接觸器釋放，各觸點恢復(fù)原狀。主觸點用來接通或切斷大電流的主電路，輔助觸點用于接通或切斷小電流的控制電路。選用交流接觸器時，應(yīng)使額定電壓、額定電流分別不小于主電路的電源電壓和負載電流，應(yīng)使吸引線圈的額定電壓等于控制電路的電源電壓。6.中間繼電器中間繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖與交流接觸器相似，兩者的工作原理相同。中間繼電器的觸點數(shù)比較多，觸點用于切斷或接通小電流的控制回路。選用中間繼電器時，應(yīng)使觸點數(shù)符合控制要求，應(yīng)使吸引線圈的額定電壓等于控制電路的電源電壓。7.時間繼電器空氣式時間繼電器是利用空氣的阻尼作用來實現(xiàn)延時的，其結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.19所示。當(dāng)線圈得電時，銜鐵被吸合，活塞連桿在釋放彈簧的作用下向下移動。被橡皮膜封閉的空氣室內(nèi)因進氣不暢而造成空氣稀薄，空氣室外大氣壓力的作用使活塞連桿緩慢地下降。一段時間后，活塞連桿下降到終點，壓合微動開關(guān)。線圈失電時，活塞連桿在恢復(fù)彈簧的作用下迅速復(fù)位。圖4.19（a）為得電延時型時間繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖。將電磁、機械機構(gòu)稍作改變，容易得到失電延時型時間繼電器。四種觸點的符號如圖4.19（b）所示。8.熱繼電器熱繼電器的工作原理可以用圖4.20說明。當(dāng)主電路的電流長時間過大時，熱元件的發(fā)熱量足以使雙金屬片向上彎曲，扣板在彈簧的作用下將動斷觸點斷開。按下復(fù)位按鈕使扣板重新扣住時，動斷觸點重新閉合。熱繼電器主要用于實現(xiàn)電動機的過載保護，但不能實現(xiàn)短路保護。選用熱繼電器時，先根據(jù)電動機的額定電流來整定其動作電流，再根據(jù)整定電流值來選用熱繼電器。9.熔斷器熔斷器俗稱保險絲，其熔體由低熔點的合金制成，常見的低壓熔斷器有瓷插式、螺旋式、管式熔斷器，管式熔斷器的結(jié)構(gòu)示意圖及熔斷器的符號如圖4.21所示。熔斷器主要用作電動機或線路的短路保護，發(fā)生短路故障時，很大的短路電流使熔斷器的熔體在極短時間內(nèi)因過熱而熔斷，切斷電源。選用熔斷器時，應(yīng)使熔斷器的額定電壓、額定電流分別大于或等于電源電壓、負載電流，應(yīng)使熔體的額定電流不過小也不過大。用于保護機床設(shè)備等不頻繁起動的電動機時，熔體的額定電流取用于保護起重機等頻繁起動的電動機時，熔體的額定電流取10.低壓斷路器低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)、自動開關(guān)等，它具有短路、過載及欠壓保護等功能，其結(jié)構(gòu)示意圖及符號如圖4.22所示。當(dāng)主電路中的電流大于延時動作電流整定值時，過流脫扣器延長一段時間才脫扣，切斷電源；電流越大則延長的時間越短；如果在延長的時間內(nèi)主電路的電流下降到動作電流整定值以下，則脫扣器不會脫扣。當(dāng)主電路發(fā)生短路時，過流脫扣器瞬時脫扣，切斷電源。當(dāng)主電路斷電或電壓下降到小于整定電壓時，欠電壓脫扣器瞬時脫扣，切斷電源。主電路電壓恢復(fù)正常后，負載不會自動恢復(fù)工作，避免由此造成的事故。4.4.2常用控制電路1.籠型轉(zhuǎn)子異步電動機星形-三角形起動控制電路如圖2.23為籠型轉(zhuǎn)子異步電動機星形-三角形起動控制電路圖，其起動控制過程如下：（1）合上低壓繼路器QF，引入電源。（2）按下起動按鈕SB1。交流接觸器KM1的線圈得電，使KM1的主觸頭閉合；KM1的輔助動合觸點閉合，松開SB1、KM1的線圈保持得電，稱為自保。同時，KM2的線圈得電，KM2主觸點閉合，KM2輔助動斷觸點斷開（防止KM3線圈得電），電動機在定子繞組被接成Y形的情況下起動。與此同時，時間繼電器KT的線圈得電，延時開始。（3）起動到一定時間后，KT的延時斷開動斷觸點斷開，KM2失電，KM2主觸點斷開，KM2輔助動斷觸點閉合（為KM3得電作準(zhǔn)備）。同時，KT的延時閉合動合觸點閉合，KM3的線圈得電，KM3主觸點閉合，KM3輔助動合觸點閉合（自保），KM3輔助動斷觸點斷開（防止KM2線圈得電），KT的線圈失電使其觸點復(fù)位。電動機在定子繞組被接成三角形的情況下，加速到穩(wěn)定運行。在圖2.23中，與KM3線圈串聯(lián)的KM2輔助動斷觸點，以及與KM2線圈串聯(lián)的KM3動斷觸點，這兩個觸點起到聯(lián)鎖保護作用，不會出現(xiàn)KM2線圈與KM3線圈同時得電的現(xiàn)象。按下SB2，KM1、KM2、KM3的主觸點均斷開，電動機被切斷電源而停轉(zhuǎn)。2.正、反轉(zhuǎn)控制線路如圖2.24為三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)控制電路圖，其正、反轉(zhuǎn)控制過程如下：（1）合上刀開關(guān)QK，引入電源。（2）按下SB1，KM1線圈得電并自保，同時KM1主觸點閉合，電動機正轉(zhuǎn)。同時，SB1的動斷觸點及KM1的動斷觸點均斷開而鎖住KM2線圈。（3）按下SB2，KM2線圈得電并自保，同時KM2主觸點斷開，電動機定子繞組的三相對稱電流相序改變，電動機反轉(zhuǎn)。同時，SB2的動斷觸點及KM2動斷觸點均斷開鎖住KM1線圈，KM1主觸點斷開。該電路圖中設(shè)有機械和電氣雙聯(lián)鎖保護。3.能耗制動控制電路如圖2.25所示為三相異步電動機能耗制動控制電路，其起動控制過程和制動過程如下：（1）合上QF，引入電源。（2）按下SB1，KM1線圈得電并自保，同時KM1主觸點閉合，電動機直接起動，直到穩(wěn)定運行。（3）按下SB2，KM1線圈失電，KM1主觸點斷開，電動機的定子旋轉(zhuǎn)磁場消失，電動機在慣性作用下轉(zhuǎn)動。同時，KM2線圈得電并自保，KM2主觸點閉合，直流電流通入定子的兩相繞組，能耗制動開始。同時，KT線圈得電并開始延時，一段時間后，KT的延時斷開動斷觸點斷開，KM2線圈失電，KM2主觸點斷開，切除直流電源，能耗制動結(jié)束，電動機停轉(zhuǎn)。4.4.3安全用電1.安全電流與安全電壓我國規(guī)定30mA.s（50HZ）為安全電流。也就是說，當(dāng)人體通過30mA.s（50HZ）的電流且時間不超過1S時，人體幾乎不會損傷。如果人體通過的電流超過安全電流的數(shù)值，則會致人傷殘或死亡。我國規(guī)定，一般正常環(huán)境下的安全電壓為50V(50HZ)。當(dāng)空氣潮濕或皮膚不清潔或地面導(dǎo)電時，規(guī)定的安全電壓為24V或更低。2.保護接地與保護接零電氣設(shè)備的金屬部分與大地之間在電氣上的可靠連接稱為接地。保護接地與保護接零是保障人身安全、防止間接觸電的有效措施。如果不采用任何保護措施，當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣損壞使其金屬外殼或金屬框架帶電、且被人接觸到時，電流將在火線、人體、大地、分布電容、零線（或另一火線）、電源的回路中通過，危及人身安全。將電氣設(shè)備的金屬外殼或金屬框架接地的措施稱為保護接地，如圖4.26所示。當(dāng)電動機的A相絕緣損壞使其金屬外殼帶電且被人接觸到時，則電流將在A相火線、人體與接地體并聯(lián)電路、大地、B相（或C相）對地之間的分布電容、B相（或C相）火線、電源的回路中通過。由于人體電阻（約1700Ω）遠大于接地電阻（小于4Ω），電流主要通過接地體而幾乎不通過人體，起到了保障人身安全的作用。保護接地適用于電源中性點不接地的低壓供電系統(tǒng)。將電氣設(shè)備的金屬外殼或金屬框架接中性線的措施稱為保護接零，如圖2.27所示。當(dāng)電動機的A相繞組絕緣損壞而使其金屬外殼帶電時，電流將在A相電源線、接零保護線、零線、電源的回路中通過而形成A相短路，很大的短路電流使熔斷器的熔體熔斷、切斷電源。保護接零從根本上避免了間接觸電事故的發(fā)生。3.安全用電知識為了自身及他人的安全，掌握以下一些知識是必要的：（1）不得用身體鑒定物體是否帶電，不得用低壓試電筆鑒定高電壓是否帶電。（2）安裝或拆卸電氣設(shè)備前，必須切斷其電源。（3）使用電氣設(shè)備前，應(yīng)先確定供電線路及開關(guān)、插座的容量是否足夠，防止供電系統(tǒng)過載引起電氣火災(zāi)。（4）不得改變?nèi)垠w的材料（如不得用銅、鐵線代替保險絲）或隨意加大熔斷器的熔體，防止電氣設(shè)備過載或短路時不能切斷電源、引起供電系統(tǒng)過載甚至火災(zāi)。（5）斷開或閉合刀開關(guān)前，應(yīng)觀察刀開關(guān)的塑料蓋是否完好，防止電弧燒傷人體。發(fā)生短路的瞬間不得斷開刀開關(guān)。（6）不得把電線掛在鐵釘上、壓在重物下，電線上不得搭掛物件，不得把其它金屬線與電線纏繞或交叉搭接，防止電線絕緣損壞。（7）發(fā)現(xiàn)不明電線落地時，不得隨意靠近。人在與落地高壓線的距離10m內(nèi)的地面上行走（或跨步站立）都可能遭到電擊。（8）手握操作的金屬外殼電氣設(shè)備，其外殼應(yīng)接地線或零線。（9）發(fā)現(xiàn)有人觸電時，應(yīng)設(shè)法在保證自身安全的前提下盡快切斷電源，如將附近的開關(guān)斷開，用絕緣的棍棒（干燥）或繩子（干燥）使電線和觸電者分離。觸電者脫離電源后，應(yīng)使其仰臥并保持周圍通風(fēng)。遇觸電者無心跳、無呼吸情況，應(yīng)立即施行心臟擠壓、人工呼吸。發(fā)現(xiàn)有人觸電時，應(yīng)設(shè)法盡快通知醫(yī)院。（10）發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備故障引起的火災(zāi)時，應(yīng)設(shè)法在保護自身安全的前提下盡快切斷電源，用二氧化碳或四氯化碳滅火器滅火，不得用水或普通酸性泡沫滅火器滅火。發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)時，應(yīng)設(shè)法盡快通知消防隊。4.5直流電動機直流電動機的起動性能和調(diào)速性能均較三相異步電動機好，雖然其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、維護困難，但是在對起動轉(zhuǎn)矩或調(diào)速指標(biāo)要求較高的許多機械設(shè)備仍然采用直流電動機驅(qū)動，如起重機械、電動機車、造紙機、軋鋼機、龍門刨床、鏜床等。4.5.1基本工作原理在圖4.28中，一對磁極固定在定子內(nèi)圓表面，磁極由直流電流勵磁，產(chǎn)生恒定磁場。兩磁極之間的轉(zhuǎn)子表面嵌有導(dǎo)體，導(dǎo)體中通入直流電流。根據(jù)電磁力定律，轉(zhuǎn)子帶電導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的受力方向及轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩方向如圖4.28(a)所示。設(shè)轉(zhuǎn)子的初始位置為0°位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩及慣性的作用下逆時針轉(zhuǎn)過180°時，轉(zhuǎn)子帶電導(dǎo)體受力方向及電磁轉(zhuǎn)矩方向均與0°位置時的情況相反，如圖4.28(b)所示，轉(zhuǎn)子將順時針轉(zhuǎn)過180°，如此不斷往復(fù)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)的原因，是磁極下轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電流方向在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過180°時改變一次，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體所受到的電磁轉(zhuǎn)矩方向每過180°改變一次。為使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須采取電流換向措施，保證某磁極下轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電流方向始終不變，如圖4.29所示。圖中，1、2為互相絕緣的圓弧形銅片，它們構(gòu)成換向器，換向器固定在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；A、B為兩只電刷，固定在定子上；電刷與換向器滑動接觸，直流電流通過電刷、換向器流入轉(zhuǎn)子導(dǎo)體。若直流電源的極性及兩磁極的極性如圖4.29所示，則N極（或S極）下的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)電流方向總是由外向內(nèi)（或由內(nèi)向外），作用于轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩始終是逆時針方向，轉(zhuǎn)子以逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動?？梢?，直流電動機轉(zhuǎn)子導(dǎo)體吸收電源的電能，通過電磁作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動并將電能轉(zhuǎn)換成機械能。轉(zhuǎn)子好象是能量轉(zhuǎn)換的中樞，故轉(zhuǎn)子又稱為電樞，流過轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電流稱為電樞電流。實際直流電動機的電樞繞組不止一個線圈，而是由許多沿電樞表面均勻分布并按一定規(guī)律連接的線圈組成，以提高電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值及其平穩(wěn)程度。驅(qū)使電樞轉(zhuǎn)動的電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通Φ、電樞電流Ia成正比，有（4.36）式中，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，由電動機的結(jié)構(gòu)決定。電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割磁場會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，用右手定則可以判定感應(yīng)電動勢的方向是與電樞電流方向相反的，故稱之為反電動勢。反電動勢Ea與每極磁通Φ、電樞轉(zhuǎn)速n成正比，有（4.37）式中，CE為電勢常數(shù)，由電動機的結(jié)構(gòu)決定，且有CE=CT/9.55。設(shè)電動機電樞繞組的電阻為Ra，可畫出電樞回路的電路如圖4.30所示。根據(jù)克希荷夫電壓定律，有（4.38）電樞電流為（4.39）電樞吸收的功率為（4.40）可見，直流電動機電樞吸收的電功率有兩部分作用。一部分為，它消耗在電樞繞組上并轉(zhuǎn)換成熱能，使電動機發(fā)熱，稱為銅耗；另一部分為，它是電功率通過電磁作用轉(zhuǎn)換為機械功率的部分，稱為電磁功率。4.5.2直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和銘牌1.基本結(jié)構(gòu)直流電動機由定子和電樞兩部分組成，其剖面圖如圖4.31所示。定子為固定部分，包括主磁極、換向磁極、電刷裝置、機座和端蓋等。電樞為轉(zhuǎn)動部分，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。主磁極的作用是產(chǎn)生主磁通，主磁極繞組通入直流電流。換向極是為消除換向器與電刷間的電磁性火花而設(shè)置的，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。電樞繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，電樞繞組由許多線圈有規(guī)律地連接而成。換向器的作用是將從電源輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，使某主磁極下線圈的電流方向恒定，從而產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。2.銘牌直流電動機的銘牌上標(biāo)明其型號、額定數(shù)據(jù)、勵磁方式等。型號主要說明產(chǎn)品代號和規(guī)格代號。例如，型號為Z-132L-TH的直流電動機，說明為中心高132mm、長機座、適用于濕熱帶地區(qū)使用的普通直流電動機。產(chǎn)品代號為ZZJ、ZQ、GZ、ZJ的分別表示起重冶金輔助直流電動機、直流牽引電動機（用于電力機車、工礦電機車的拖動）、晶閘管整流電源供電專用直流電動機、精密機床用直流電動機。直流電動機在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下帶額定負載、按規(guī)定勵磁方式勵磁且使勵磁電流為額定值、電樞繞組加額定電壓時的運行方式，稱為額定運行。額定數(shù)據(jù)主要有：（1）額定電壓UN指直流電動機額定運行時，電樞繞組外接電源的電壓，也是電動機安全工作的最高電壓。（2）額定電流IN指直流電動機額定運行時，電樞繞組流過的直流電流，也是電動機按規(guī)定長期額定運行時電樞繞組可以通過的最大電流。（3）額定功率PN指電動機額定運行時，軸上輸出的機械功率（4.41）式中，為額定效率。（4）額定轉(zhuǎn)速指電動機額定運行時的轉(zhuǎn)速。根據(jù)銘牌上一些物理量的額定值，可以計算另一些物理量的額定值，如額定轉(zhuǎn)矩為（4.42）勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式，勵磁方式與電動機的性能有密切關(guān)系。直流電動機有他勵、并勵、串勵、復(fù)勵幾種勵磁方式。他勵方式的勵磁繞組與電樞繞組分別由兩個無關(guān)的直流電源供電，其機械特性為硬特性。并勵方式的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，其機械特性為硬特性。串勵方式的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，串勵直流電動機的過載能力大，其機械特性為軟特性。復(fù)勵電動機有兩個勵磁繞組，一個勵磁繞組與電樞繞組構(gòu)成串聯(lián)電路，另一個勵磁繞組與該串聯(lián)電路并聯(lián)；如果兩個勵磁繞組的磁場方向相同，那么稱為積復(fù)勵，積復(fù)勵直流電動機的機械特性較硬、過載能力較大。例4.2已知一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：PN=40KW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，Ra=0.07Ω。試求反電動勢、額定效率、額定電磁轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩。解：反電動勢額定效率額定電磁轉(zhuǎn)矩上式中，額定轉(zhuǎn)矩可見，電磁轉(zhuǎn)矩TdcN與輸出轉(zhuǎn)矩TN相差不大，說明直流電動機本身的機械損耗很小，常認為TdcN=TN。4.5.3直流電動機的起動、反轉(zhuǎn)與調(diào)速1.并勵直流電動機的機械特性轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線稱為電動機的機械特性。并勵直流電動機的機械特性方程為（4.43）當(dāng)電源電壓U不變時，主磁通Φ也基本不變，機械特性近似為一條下斜直線，如圖4.32所示。圖中，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩等于零時，電磁轉(zhuǎn)矩T近似為零，此時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速，用n0表示。有（4.44）由于電樞繞組電阻Ra很小，機械特性的斜率很小，轉(zhuǎn)速隨負載變化而變化的程度很小，因此并勵直流電動機的機械特性為硬特性。設(shè)并勵直流電動機穩(wěn)定運行于機械特性上A點時，轉(zhuǎn)速為nA，負載轉(zhuǎn)矩TL與電磁轉(zhuǎn)矩T平衡，即TL=T。如果負載轉(zhuǎn)矩增大為，則T＜，轉(zhuǎn)速n下降。從式（4.43）看出，電磁轉(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)速n下降而增大，直至T=，電動機重新穩(wěn)定運行，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為。如果負載轉(zhuǎn)矩又減小為TL，變化過程相反，電動機重新穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速大于nA?？梢?，負載變化使轉(zhuǎn)速改變時，并勵直流電動機能自動地使電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩重新平衡，使電動機重新穩(wěn)定運行。2.起動直流電動機起動瞬間，n=0,Ea=CEΦn=0，此時的電樞電流稱為起動電流，用符號Ist表示。由式（4.39）得（4.45）由于電樞繞組電阻Ra很小，所以起動電流Ist很大。過大的起動電流流過電樞回路，將會使電樞繞組因過熱及電磁力過大而損壞、換向器因電磁性火花過大而損壞。同時，過大的起動電流會產(chǎn)生過大的沖擊轉(zhuǎn)矩，損壞傳動機構(gòu)的齒輪等，因此直流電動機不允許直接起動。從式（4.45）看出，減小起動電流的方法有兩種，即降低電樞電壓Ua或增大電樞電路的電阻。起動時與電樞繞組串聯(lián)的電阻稱為起動電阻，用符號Rst表示。起動電阻Rst及起動時電樞電壓U/a可根據(jù)電動機本身能承受的最大電流及傳動機構(gòu)能承受的最大沖擊轉(zhuǎn)矩綜合考慮。一般情況下，取或（4.46）電樞串電阻起動時，為使起動過程較短及避免一次性切除電阻時所造成的起動電流過大，通常采用電阻分級（一般為三級）起動且逐級切除電阻的方法。電阻分級起動的起動電阻可以用于調(diào)速。采用降低電樞電壓的起動方法起動時，可以隨著轉(zhuǎn)速的升高、反電動勢的增大同步地升高電樞電壓，使整個起動過程的起動電流、起動轉(zhuǎn)矩都保持在允許范圍內(nèi)的最大值上，起動過程較短、起動平滑，可調(diào)直流電源可用于調(diào)速。必須注意，起動時，要保證電樞繞組接電源之時有主磁通，最好是滿磁通（主磁通達到額定值）。不論是起動、還是正常運行，勵磁繞組失電都是危險的，都會造成電樞電流過大而損壞電樞繞組和換向器，造成空載運行的電動機“飛車”（轉(zhuǎn)速極高）而損壞電動機的旋轉(zhuǎn)部分及傳動機構(gòu)。因此，勵磁繞組與電源的連接必須牢固。3.反轉(zhuǎn)直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向由電磁轉(zhuǎn)矩方向決定。改變電樞電流方向可以改變電磁轉(zhuǎn)矩方向，從而實現(xiàn)電動機反轉(zhuǎn)。改變勵磁電流的方向也可以達到反轉(zhuǎn)的目的，但是可能會因大電感電路中的電流突變，產(chǎn)生很大的電動勢而擊穿勵磁繞組的絕緣，也可能會因換接過程中的瞬間失磁或換接失敗造成電樞電路出現(xiàn)過大電流或電動機的“飛車”現(xiàn)象。4.調(diào)速由機械特性方程式看出，改變電樞電路電阻R或電源電壓Ua或主磁通Φ，都可以實現(xiàn)調(diào)速。在負載不變的情況下，通過人為方法改變電動機轉(zhuǎn)速的方法稱為調(diào)速。（1）電樞串電阻調(diào)速由式（4.43）得，此時的機械特性方程為（4.47）式中，Rc為電樞電路串聯(lián)的電阻。可見，電樞電路串聯(lián)電阻增大時，轉(zhuǎn)速下降；反之，轉(zhuǎn)速上升。這種調(diào)速方法使機械特性變軟，即轉(zhuǎn)速隨負載變化而變化的程度增大，運行的穩(wěn)定性降低。而且，調(diào)速范圍較小，也增加了電能損耗。但是，調(diào)速方法簡單，在調(diào)速性能要求不高的場合應(yīng)用較多，如起重設(shè)備、電力機車等。這種調(diào)速方法只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，它屬于無級調(diào)速。（2）改變電樞電壓調(diào)速由式（4.43）得，此時的機械特性方程式為（4.48）式中，U/a為改變后的電樞電壓?？梢?，電樞電壓下降時，轉(zhuǎn)速下降；反之，轉(zhuǎn)速上升。這種調(diào)速方法沒有改變機械特性硬度，運行穩(wěn)定性較高。而且，調(diào)速范圍較大，沒有增加能量損耗。但是，需要專用的直流調(diào)壓電源，在調(diào)速性能要求較高的場合應(yīng)用較多。由于U/a≤UN，這種調(diào)速方法只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，它屬于無級調(diào)速。（3）改變主磁通調(diào)速在勵磁電路中串聯(lián)電阻、或采用直流調(diào)壓電源給勵磁電路供電并調(diào)節(jié)勵磁繞組的電壓，都可以達到改變勵磁電流從而改變主磁通，實現(xiàn)調(diào)速的目的。勵磁電流減小時，主磁通減小，轉(zhuǎn)速上升；反之，轉(zhuǎn)速下降。由于主磁通為額定值時，磁路已接近飽和，再增大磁通很困難，因此這種調(diào)速方法只在額定磁通以下調(diào)節(jié)磁通，即只在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。又因為可調(diào)到的最高轉(zhuǎn)速受到電動機最高轉(zhuǎn)速的限制，因此調(diào)速范圍不大。這種調(diào)速方法通常與改變電樞電壓調(diào)速配合使用，以便得到較大調(diào)速范圍。4.6單相異步電動機單相異步電動機所需電源方便、結(jié)構(gòu)簡單，在小型電氣設(shè)備中應(yīng)用廣泛，單相異步電動機的結(jié)構(gòu)與三相異步電動機的結(jié)構(gòu)類似，但定子繞組為單相繞組。在單相繞組中通入單相變電流時，會產(chǎn)生一個交變的脈振磁場。這個交變的脈振磁場可以分解為兩個振幅相等、速率相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個旋轉(zhuǎn)磁場分別在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的兩個電磁轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反，不能使電動機起動。但是，如果用外力使電動機轉(zhuǎn)子向某個方向轉(zhuǎn)動一下，就打破了原有的磁場平衡，如果外力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩比電動機的阻轉(zhuǎn)矩大，則轉(zhuǎn)子朝這個方向旋轉(zhuǎn)。4.6.1分相式單相異步電動機電容分相式單相異步電動機的定子上嵌有兩個在空間相差90°的單相繞組，一個單相繞組用于運行，稱為工作繞組；另一個單相繞組用于起動，稱為起動繞組，起動繞組與電容器串聯(lián)，接線如圖4.33所示。在定子的兩個單相繞組中通入單相交變電流時，工作繞組流過的電流將近似滯后于起動繞組流過的電流。設(shè)這兩個繞組中的電流分別為這兩個電流所產(chǎn)生的磁場在空間分布的情況，可以根據(jù)這兩個電流隨時間變化而變化的情況得出。在圖4.34中，假設(shè)1及2分別為兩個繞組的首端、1/及2/分別為兩個繞組的末端；規(guī)定電流瞬時值為正時，電流從繞組首端流入，以符號“X”作為標(biāo)記，反之以符號“.”作為標(biāo)記。當(dāng)時，。按規(guī)定標(biāo)出繞組首、末端符號標(biāo)記，即2、2/分別用“.”、“X”標(biāo)記，如圖4.34（a）所示，根據(jù)右手螺旋定則，可判斷出兩個單相電流所產(chǎn)生的合成磁場方向是水平向右的。同理，當(dāng)時，可確定合成磁場方向如圖4.34(b)、(c)、(d)、(e)所示。從圖4.34看出，當(dāng)瞬時電流隨時間變化一周時，合成磁場在空間順時針旋轉(zhuǎn)一圈?？梢?，氣隙中的合成磁場是旋轉(zhuǎn)磁場，單相異步電動機獲得起動轉(zhuǎn)矩。這種單相異步電動機起動到穩(wěn)定運行后，起動繞組可以切除，也可以不切除，分別稱為電容起動電動機、電容運轉(zhuǎn)電動機。在起動轉(zhuǎn)矩要求較低的場合，起動繞組常常只串聯(lián)電阻而不串聯(lián)電容器。4.6.2罩極式電動機罩極式電動機的定子上安裝有一對凸出的磁極，磁極上套有一個單相繞組。磁極的極靴表面開有凹槽，將磁極分成大、小不等的兩部分。較小的部分套有短路環(huán)，稱為罩住部分，如圖4.35所示。當(dāng)定子繞組通入單相交流電流時，會產(chǎn)生交變的脈振磁場。由于罩住部分穿過交變磁通時，在短路環(huán)中感應(yīng)產(chǎn)生一個阻礙磁通變化的電流，使實際穿過罩住部分的磁通在相位上滯后于穿過未罩部分的磁通。脈振磁通先后通過未罩部分和罩住部分，形成了一個由未罩部分向罩住部分移行的磁場，該磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，使轉(zhuǎn)子順移行磁場的移行方向旋轉(zhuǎn)。由于移行磁場的移行方向不能改變，因此轉(zhuǎn)子總是從未罩部分向罩住部分旋轉(zhuǎn)。罩極式電動機的轉(zhuǎn)向不能改變。4.7同步電動機負載在較大范圍變化時，同步電動機具有保持轉(zhuǎn)速恒定的優(yōu)點。調(diào)節(jié)勵磁電流，可以使同步電動機的功率因數(shù)改變；當(dāng)勵磁電流值合適時，同步電動機可以從電網(wǎng)吸收容性的無功功率，具有既能帶負載、又能提高功率因數(shù)的可貴特性。4.7.1同步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)同步電機有旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式兩種結(jié)構(gòu)型式。由于旋轉(zhuǎn)磁極式具有轉(zhuǎn)子重量小、制造工藝較簡單、通過電刷和滑環(huán)的電流較小等優(yōu)點，大中容量的同步電動機多采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。根據(jù)轉(zhuǎn)子形狀的不同，旋轉(zhuǎn)磁極式又可分為凸極式和隱極式兩種，如圖4.36所示，凸極式多用于要求低轉(zhuǎn)速的場合，其轉(zhuǎn)子粗而短，氣隙不均勻；隱極式多用于要求高轉(zhuǎn)速的場合，其轉(zhuǎn)子細而長，氣隙均勻。同步電機與其它旋轉(zhuǎn)電機一樣，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機的定子主要由機座、鐵芯和定子繞組構(gòu)成。為減小磁滯和渦流損耗，定子鐵芯采用薄硅鋼片疊裝而成，定子鐵芯的內(nèi)表面嵌有在空間上對稱的三相繞組。轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、滑環(huán)、鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成。為兼顧導(dǎo)磁性能和機械強度的要求，轉(zhuǎn)子鐵芯常采用高強度合金鋼鍛制而成；轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有勵磁繞組，其兩個出線端與兩個滑環(huán)分別相接；為便于起動，凸極式轉(zhuǎn)子磁極的表面還裝有用黃銅制成的導(dǎo)條，在磁極的兩個端面分別用一個銅環(huán)將導(dǎo)條連接起來構(gòu)成一個不完全的籠型起動繞組。2.工作原理同步電動機工作時，定子的三相繞組中要通入三相對稱電流，轉(zhuǎn)子的勵磁繞組通入直流電流。在定子三相對稱繞組中通入三相交變電流時，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流時，將產(chǎn)生極性恒定的靜止磁場。若轉(zhuǎn)子磁場的磁極對數(shù)與定子磁場的磁極對數(shù)相等，轉(zhuǎn)子磁場因受定子磁場磁拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于旋轉(zhuǎn)磁場的速度、方向旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動機的基本工作原理。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的速度為，稱為同步轉(zhuǎn)速。它的大小只決定于電源頻率的大小和定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)，不會因負載變化而改變。定子旋轉(zhuǎn)磁場或轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向決定于通入定子繞組的三相電流相序，改變其相序即可改變同步電動機的旋轉(zhuǎn)方向。4.7.2同步電動機的起動在同步電動機的定子三相繞組中通入頻率為50Hz的三相對稱電流時，氣隙中所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場與靜止的轉(zhuǎn)子磁極之間有很大的轉(zhuǎn)差，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極之間的吸引和排斥頻繁交替，使平均轉(zhuǎn)矩為零，不可能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁拉力使轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同步電動機的起動必須采用其它方法。常用的同步電動機起動方法為輔助電動機起動法、異步起動法、變頻起動法。所謂輔助電動機起動法，是借助一臺與待起動的同步電動機同磁極數(shù)的異步電動機來起動同步電動機。異步起動法是凸極式同步電動機特有的起動法，依靠轉(zhuǎn)子極靴上的籠形繞組來起動同步電動機。起動時，先將同步電動機加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后再通入勵磁電流，依靠同步電機定、轉(zhuǎn)子磁場的磁拉力而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，把轉(zhuǎn)子牽入同步。同步電動機起動分兩個階段:異步起動和牽人同步。采用以上兩種起動方法起動時，轉(zhuǎn)子繞組不能直接短接、也不能開路，應(yīng)串接一定阻值（通常為轉(zhuǎn)子繞組電阻值的5～10倍）的電阻后可靠閉合，以防止起動失敗或損壞轉(zhuǎn)子繞組的絕緣。采用變頻起動法可以實現(xiàn)平滑起動，變頻起動法的應(yīng)用越來越廣泛。起動時，先在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流勵磁電流，借助變頻器逐步升高加在定子上的電源頻率，使轉(zhuǎn)子磁極在開始起動時就與旋轉(zhuǎn)磁場建立起穩(wěn)定的磁拉力而同步旋轉(zhuǎn)，并在起動過程中同步增速，一直增速到額定轉(zhuǎn)速值。4.8伺服電動機伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，它執(zhí)行控制指令，將指令信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸上的角位移或者角速度輸出。伺服電動機的指令信號通常是電壓信號，稱為控制電壓。改變控制電壓的大小和極性，可使伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向相應(yīng)改變。伺服電動機分為交、直流兩種型式。自動控制系統(tǒng)對伺服電動機的基本要求是：(1)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，伺服電動機應(yīng)在控制電壓為零時自行停轉(zhuǎn)。(2)空載始動電壓低,使伺服電動機從靜止到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)所需的最低控制電壓稱為始動電壓。始動電壓越低,伺服電動機的靈敏度越高。(3)機械特性性線度好，能實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。(4)響應(yīng)迅速，要求電動機的機電時間常數(shù)小。4.8.1交流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子鐵芯通常用硅鋼片疊壓而成。定子鐵芯表面的槽內(nèi)嵌有兩相繞組，其中一相繞組是勵磁繞組，另一相繞組是控制繞組，兩相繞組在空間位置上互差電角度。轉(zhuǎn)子的型式有兩種，一種是鼠籠式轉(zhuǎn)子，其繞組由高電阻率的材料制成，繞組的電阻較大；鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，但其轉(zhuǎn)動慣量較大。另一種是空心杯轉(zhuǎn)子，它由非磁性材料制成杯形，可看成是導(dǎo)條數(shù)很多的鼠籠轉(zhuǎn)子，其杯壁很薄，因而其電阻值較大；轉(zhuǎn)子在內(nèi)外定子之間的氣隙中旋轉(zhuǎn)，因空氣隙較大而需要較大的勵磁電流；空心杯形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較小，響應(yīng)迅速。2.基本工作原理交流伺服電動機的工作原理可由圖4.37來說明。圖中，為勵磁繞組，為控制繞組，兩繞組由頻率相同、相位不同的單相交流電源供電。在兩個空間位置上互差電角度的定子繞組中，加上相位差為電角度的勵磁電壓和控制電壓，將在電動機的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條而在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，閉合的轉(zhuǎn)子回路中便有電流流過。帶電的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受磁場力的作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。改變控制電壓的大小或相位，可改變旋轉(zhuǎn)磁場的強弱程度，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速改變。改變控制電壓的極性，可使旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向改變，從而使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這就是交流伺服電動機的基本工作原理。3.消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象在學(xué)習(xí)單相異步電動機一章中得知，單相電動機起動后就不再需要起動繞組的作用了，在單相繞組的勵磁作用下能夠保持一定的旋轉(zhuǎn)速度。如果交流伺服電動機在控制電壓為零時照樣旋轉(zhuǎn)———即“自轉(zhuǎn)”，那么就失去控制作用了。我們可以通過改變勵磁繞組單獨作用時的機械特性來實現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的消除。只在勵磁繞組中通入單相交流電流時，氣隙中將產(chǎn)生脈振磁動勢。如前所述，脈振磁動勢可以分解成兩個幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢。氣隙中正、反轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)磁動勢都會在電動機轉(zhuǎn)子繞組中生成相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。如果正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁動勢單獨作用于轉(zhuǎn)子繞組，電動機就會象三相異步電動機那樣旋轉(zhuǎn)起來。正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁動勢單獨作用時對應(yīng)的機械特性如圖4.38中曲線1、2所示。實際上，正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁動勢是同時作用的，正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁動勢同時作用時對應(yīng)的機械特性可以由曲線1、2合成，如圖4.38中曲線3所示。從機械特性曲線3看出，勵磁繞組單獨作用時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩作用方向是與轉(zhuǎn)速方向相同的，電動機不會自行停轉(zhuǎn)。如果要使控制電壓為零時電動機能夠自行停轉(zhuǎn)，必須使勵磁繞組單獨作用時的電磁轉(zhuǎn)矩作用方向與轉(zhuǎn)速方向相反，即電磁轉(zhuǎn)矩是制動性質(zhì)的，其對應(yīng)的機械特性應(yīng)如圖4.38中曲線4所示。機械特性4對應(yīng)的電動機是沒有起動轉(zhuǎn)矩的，它是脈振磁動勢在轉(zhuǎn)子繞組中生成的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線———機械特性。機械特性曲線4也應(yīng)當(dāng)由正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁動勢分別作用于轉(zhuǎn)子繞組時所對應(yīng)的機械特性組合而成，作出合成機械特性曲線4所對應(yīng)的兩機械特性曲線5、6，如圖4.38所示。將機械特性曲線5、6與1、2比較，發(fā)現(xiàn)機械特性曲線5、6其實是曲線1、2在轉(zhuǎn)子電阻較大以致臨界轉(zhuǎn)差率大于1時的特例。由此可知，只要使交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子繞組有較大的電阻值，使其勵磁繞組單獨作用時的機械特性如圖4.38中曲線4所示的形狀，則電動機將在其控制電壓的零時生成有制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩而自行停轉(zhuǎn)，從而消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。這就是為什么交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子繞組電阻值通常較大的原因。4.控制方法改變交流伺服電動機轉(zhuǎn)速值的方法，主要有幅值控制、相位控制、幅相控制三種。(1)所謂幅值控制，就是在保持控制電壓與勵磁電壓的相位關(guān)系不變的條件下，通過改變控制電壓的幅值來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速值的調(diào)節(jié)，其原理圖如圖4.39所示。圖中移相器使控制電壓與勵磁電壓保持的相位差，電位器使控制電壓的幅值可調(diào)。改變控制電壓的幅值，可使旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值改變，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的?？刂齐妷旱姆翟叫?，則轉(zhuǎn)速越低；控制電壓的幅值為零時，電動機停轉(zhuǎn)。(2)所謂相位控制，就是在保持控制電壓與勵磁電壓的幅值均不變的條件下，通過改變控制電壓與勵磁電壓的相位差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速值的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)原理可由圖4.40說明。圖中控制電壓的幅值是不能改變的，移相器使控制電壓的相位可調(diào)。改變控制電壓與勵磁電壓的相位差角，將使控制電壓垂直于勵磁電壓的分量改變，旋轉(zhuǎn)磁動勢的幅值因此改變，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。越小，則轉(zhuǎn)速越低；時，電動機停轉(zhuǎn)。(3)所謂幅相控制，就是在改變控制電壓幅值的同時，使控制電壓與勵磁電壓的相位差角隨之改變，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速值的調(diào)節(jié)，其原理可由圖4.41說明。圖中，與勵磁繞組串聯(lián)的電容器使勵磁電壓與控制電壓的相位不同，電位器使控制電壓的幅值可調(diào)。一般地，當(dāng)時，以使與的相位差角為所需串聯(lián)電容器的電容量來確定電容器的大小。如前所述，改變控制電壓的幅值時，可使電動機的轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化。時，電動機的轉(zhuǎn)速最高；時，電動機停轉(zhuǎn)。我們知道，電動機轉(zhuǎn)速的變化會引起其轉(zhuǎn)子電流的變化。如果負載不變，則電動機的電磁轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)子電流的變化要求勵磁磁動勢作相應(yīng)的變化，即要求勵磁電流作相應(yīng)的變化。也就是說，如果負載不變，那么改變控制電壓的幅值時，電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的同時，會引起勵磁電流的變化。勵磁電流的變化會引起電容電壓和勵磁電壓的變化，從而使勵磁電壓與控制電壓的相位角發(fā)生變化?？梢?，這一電路形式使勵磁電壓與控制電壓的相位差角自動地隨控制電壓幅值的改變而改變，因此稱之為幅相控制，幅相控制不需要移相器，在實際中應(yīng)用較多。4.8.2直流伺服電動機1.基本結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的直流伺服電動機動實質(zhì)是容量較小的普通直流電動機，有他勵式和永磁式兩種，其結(jié)構(gòu)與普通直流電動機的結(jié)構(gòu)基本相同。杯形電樞直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子由非磁性材料制成空心杯形圓筒，轉(zhuǎn)子較輕而使轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)快速。轉(zhuǎn)子在由軟磁材料制成的內(nèi)、外定子之間旋轉(zhuǎn)，氣隙較大。無刷直流伺服電動機用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)的電刷和換向器，使之工作更可靠。它的定子鐵芯結(jié)構(gòu)與普通直流電動機基本相同，其上嵌有多相繞組，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。2.基本工作原理傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普通直流電動機完全相同，依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電動機轉(zhuǎn)動。通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電樞電壓越小，則轉(zhuǎn)速越低；電樞電壓為零時，電動機停轉(zhuǎn)。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，不會出現(xiàn)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。4.9步進電動機步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機，在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。給步進電動機輸入一個電脈沖信號時，它就轉(zhuǎn)過一定的角度或移動一定的距離。由于其輸出的角位移或直線位移可以不是連續(xù)的，因此稱為步進電動機。步進電動機的精度高、慣性小；不會因電壓波動、負載變化、溫度變化等原因而改變輸出量與輸入量之間的固定關(guān)系，其控制性能很好。步進電動機廣泛用于數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備等控制系統(tǒng)中。4.9.1基本結(jié)構(gòu)步進電動機的種類很多，主要有反應(yīng)式、勵磁式等。反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，依靠變化的磁阻生成磁阻轉(zhuǎn)矩工作。勵磁式步進電動機的轉(zhuǎn)子上有磁極，依靠電磁轉(zhuǎn)矩工作。反應(yīng)式步進電動機的應(yīng)用最為廣泛，它有兩相、三相、多相之分，也有單段、多段之分。我們主要討論單段式三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理。單段式三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)分成定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定、轉(zhuǎn)子鐵芯由軟磁材料或硅鋼片疊成凸極結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子磁極上均有小齒，定、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)相等。定子磁極上套有星形連接的三相控制繞組，每兩個相對的磁極為一相；轉(zhuǎn)子上沒有繞組。4.9.2基本工作原理單段式三相反應(yīng)式步進電動機的工作原理可以由圖4.42來說明。由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這就是反應(yīng)式步進電動機旋轉(zhuǎn)的機理?，F(xiàn)以的通電順序，使三相繞組輪流通入直流電流，觀察轉(zhuǎn)子的運動情況。當(dāng)相繞組通電時，氣隙中生成以為軸線的磁場。在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到使1、3兩轉(zhuǎn)子齒與磁極對齊的位置上。如果相繞組不斷電，1、3兩轉(zhuǎn)子齒就一直被磁極吸引住而不改變其位置，即轉(zhuǎn)子具有自鎖能力。相繞組斷電、繞組通電時，氣隙中生成以為軸線的磁場。在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子又會轉(zhuǎn)動，使距離磁極最近的2、4兩轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)到與磁極對齊的位置上。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為式中，稱為步距角，即控制繞組改變一次通電狀態(tài)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。稱為拍數(shù)，即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù)。為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。同理，相繞組斷電、相繞組通電時，會使3、1兩轉(zhuǎn)子齒與磁極對齊，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過。可見，