拖動基本原理

1、第三章 電動機拖動第一節(jié)電動機結(jié)構(gòu)（趙彥松）第一節(jié)的第一點直流電機結(jié)構(gòu) 錯誤！未定義書簽第一節(jié)的第二點交流電機結(jié)構(gòu) 錯誤！未定義書簽第一節(jié)的第三點同步電機結(jié)構(gòu) 錯誤！未定義書簽第二節(jié) 拖動基本原理（ 張巖）錯誤！未定義書簽第二節(jié)的第一點直流電機拖動原理及特性錯誤！未定義書簽第二節(jié)的第二點交流電機拖動原理及特性 錯誤！未定義書簽第二節(jié)的第三點同步電機拖動原理及特性 錯誤！未定義書簽第三章電動機拖動第二節(jié)拖動基本原理直流電機拖動原理及特性概述直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電 力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都

2、比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。1、電力拖動系統(tǒng)的運動方程和負載轉(zhuǎn)矩特性（1）電力拖動系統(tǒng)的運動方程式運動方程式電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉(zhuǎn)軸上的各種轉(zhuǎn)矩。根據(jù)如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉(zhuǎn)矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：dtd其中J d 為系統(tǒng)的慣性轉(zhuǎn)矩。dt圖3-1運動系統(tǒng)圖運動方程的實用形式:TeTGD-dn375 dt系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動的三種狀態(tài):dn1）當(dāng)Tem或一 =0時，系統(tǒng)處于靜止或恒轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。dtdn2）當(dāng)Tem Tl

3、或不0時，系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。-J n當(dāng)Tem CT.或0時，系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。dt常把GD2375或（Tem -T ）稱為動負載轉(zhuǎn)矩，把 dtT_稱為靜負載轉(zhuǎn)矩。運動方程式中轉(zhuǎn)矩正、負號的規(guī)定首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉(zhuǎn)方向為轉(zhuǎn)速的正方向，然后規(guī)定:1 ）電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)速的正方向相同時為正，相反時為負。2）負載轉(zhuǎn)矩Tl與轉(zhuǎn)速的正方向相同時為負，相反時為正。3）慣性轉(zhuǎn)矩GD2375的大小和正負號由dtTem和Tem的代數(shù)和決定。（2）負載的轉(zhuǎn)矩特性負載的轉(zhuǎn)矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。恒轉(zhuǎn)矩負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性是指生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩Tl與轉(zhuǎn)

4、速無關(guān)的特性。分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負載兩種。1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載圖3-2反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載2）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載圖3-3位能性恒轉(zhuǎn)矩負載恒功率負載特性恒功率負載特點是：負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即Tl與n成反比，特性曲線為一條雙曲線。圖3-4恒功率負載負載泵與風(fēng)機類負載特性圖3-5泵與風(fēng)機類負載負載2、他勵直流電動機的機械特性(1)機械特性的表達式直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機 處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n二f (Tem)由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：UCeRem2CeCT BTem稱為理想

5、空載轉(zhuǎn)速。一' UR實際空載轉(zhuǎn)速ng2 ToCe CeCT圖3-6他勵直流電動機的機械特性(2)固有機械特性和人為機械特性固有機械特性當(dāng)U二Un，=N , R二Ra時的機械特性稱為固有機械特性:UnCeNRaCeC NTem由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。人為機械特性當(dāng)改變U或R或得到的機械特性稱為人為機械特性。1)電樞串電阻時的人為特性保持U =Un，=N不變，只在電樞回路中串入電阻Rs的人為特性特點：1) r0不變，：變大；2)越大，特性越軟。2)降低電樞電壓時的人為特性保持R=Ra，=N不變，只改變電樞電壓時的人為特性:圖3-8降低電樞電壓時的人為特

6、性特點：l)n°隨U變化，1不變；2)U不同，曲線是一組平行線。3) 減弱勵磁磁通時的人為特性保持R =Ra ,U =U N不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻Rsf的人為特性:n = C - C j 2 TemCeC°Ct圖3-9減弱勵磁磁通時的人為特性特點：1)弱磁，n0增大；2)弱磁，-增大(3) 機械特性求取固有特性的求取已知Pn ,U N,l N ,nN，求兩點：理想空載點(Tem= 0,n= n0)和額定運行(Tem =T N ,n= nN )具體步驟:估算Ra："(2|嚴INNiNU I - p計算CeN和CtN : CeNNrNCt n =9.55Ce n

7、Un計算理想空載點:Tem 一 U,ro CeN計算額定工作點:TN = CT N 1 N ,門=nNr = n - BTm的基礎(chǔ)上，根據(jù)人為特性所對應(yīng)的參數(shù) Rs或U或變化，重新人為特性的求取 在固有機械特性方程 計算ro和然后得到人為機械特性方程式。(4) 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件處于某一轉(zhuǎn)速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達到新的平衡狀態(tài)，或者當(dāng)擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉(zhuǎn)速下繼續(xù)運行,則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。圖3-10電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件在A點，系統(tǒng)平衡Tem二Tl。 擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由

8、擾動使轉(zhuǎn)速有微小下降，轉(zhuǎn)速由rA上升到rA , Tem Tl。擾動消失，系統(tǒng)減速，回到 nA下降到nA, Tem Tl。擾動消失，系統(tǒng)加速，回到A點運行。A點運行。在B點，系統(tǒng)平衡Tem = Tl。擾動使轉(zhuǎn)速有微小增量，轉(zhuǎn)速由 點運行。擾動使轉(zhuǎn)速有微小下降，轉(zhuǎn)速由 點運行。圖3-11電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件BnB上升到nB, Tem Tl，系統(tǒng)加速。即使擾動消失，也不能回到nB下降到nB，Tem ：Tl，系統(tǒng)減速。即使擾動消失，也不能回到電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是：必要條件：電動機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性必須有交點，即存在Tem = Tl充分條件：在交點處，滿足：dTemdTL。d

9、ndn或者說，在交點的轉(zhuǎn)速以上存在Tem以T_ ,在交點的轉(zhuǎn)速以下存在 Tem Tl。3、他勵直流電動機的起動電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動瞬間，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流分別為CT 1 stRa起動時由于轉(zhuǎn)速為零，電樞電動勢為零，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值。過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓下降、影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時 過大的沖擊轉(zhuǎn)矩會損壞電樞繞組和傳動機構(gòu)。一般直流電動機不允許直接起動。為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。(1) 電樞回路串電阻起動Q起動過程以三級電阻起動時電動

10、機為例Sr/rR* + Rg = R圖3-12三級電阻起動 辺分組起動電阻的計算設(shè)對應(yīng)轉(zhuǎn)速ni、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有: b 點 R3I2 二Un - Eaic 點 R2 11 - u N 1 Ea1d 點 R2I2 =U|N -Ea2e 點 Rill 二Un -Ea2f 點 R1I2 =u N - Ea3 g 點 Ral1 =U N - Ea3比較以上各式得：& = R2 = R1 = 1 1R R Ra 1 2在已知起動電流比B和電樞電阻前提下，經(jīng)推導(dǎo)可得各級串聯(lián)電阻為:Rst1 = ( B-1)RaRst2 = ( B-1)反=珂12Rst3 = (

11、B-1) 3 Ra = Pst2XXXRstm = ( B-1) B Ra =3Rstm-1計算各級起動電阻的步驟:1 ）估算或查出電樞電阻 Ra ；2） 根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的最大電流丨1 ;3）選取起動級數(shù)m；4）計算起動電流比:5）計算轉(zhuǎn)矩：丁2 =#，校驗：T2 （1.11.3）T_如果不滿足，應(yīng)另選 T1或m 值并重新計算，直到滿足該條件為止。6）計算各級起動電阻。（2）降低電樞電壓起動當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可采用降壓方法起動。起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉(zhuǎn)速的 上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和

12、起動轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上，保證按需 要的加速度升速。降壓起動需專用電源，設(shè)備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應(yīng)用。4、他勵直流電動機的制動當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速方向相同時，電機運行于電動機狀態(tài)；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反時，電機運行于制動狀態(tài)。（1）能耗制動圖3-13能耗制動電動狀態(tài)，如圖所示。將開關(guān)S投向制動電阻Rb上即實現(xiàn)制動。由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動勢Ea方向不變。由Ea產(chǎn)生的電樞電流laB的方向與電動狀態(tài)時的la方向相反，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 TemB與T°m方向相反，為制動性質(zhì)，電機處于制動狀態(tài)。制動運行時，電機靠生產(chǎn)機械的慣性力的拖動

13、而發(fā)電，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在電 阻上，直到電機停止轉(zhuǎn)動。能耗制動時的機械特性為：圖3-14能耗制動時的機械特性A電動機狀態(tài)工作點B制動瞬間工作點c若電動機帶位能性負載，穩(wěn)定工作點0 電動機拖動反抗性負載，電機停轉(zhuǎn)改變制動電阻 Rb的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率，從而可以改變制動轉(zhuǎn)矩及下放負載的穩(wěn) 定速度。Rb越小，特性曲線的斜率越小，起始制動轉(zhuǎn)矩越大，而下放負載的速度越小。制動電阻越小，制動電流越大。選擇制動電阻的原則是：laB嚴 lmaxRaRb=(2 2.5 )InRa(22.5)InEa其中Ea為制動瞬間的電樞電動勢。能耗制動操作簡單， 但隨著轉(zhuǎn)速下降，電動勢減小

14、，制動電流和制動轉(zhuǎn)矩也隨著減小，制動效果變差。若為了盡快停轉(zhuǎn)電機，可在轉(zhuǎn)速下降到一定程度時，切除一部分制動電阻，增大制動轉(zhuǎn)矩。（2）反接制動CD電壓反接制動 電壓反接制動時接線如圖所示。h u電動1 FRe制動M圖3-15電壓反接制動接線開關(guān)S投向 電動”側(cè)時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。進行制動時，開關(guān)投向 樞回路串入制動電阻 Rb后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：制動"側(cè)，電aBUEaU Ea反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生很強的制動作用 電壓反接制動時的機械特性為：電壓反接制動。圖3-16電壓反接制動機械特性n UnCeNCeC N曲線如圖中B

15、C所示。工作點變化為：A= B= C。制動過程中U、匚、Tem均為負，而n、E&為正R =UI a 0表明電機從電源吸收電功率巳二T2 Q :- TemQ ： 0表明電機從軸上吸收機械功率Rm =EaIa ：0表明軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌谢芈冯姽β??？梢?，反接制動時，從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉(zhuǎn)變成的電功率一起消耗在電樞回 路電阻上。倒拉反轉(zhuǎn)反接制動倒拉反轉(zhuǎn)反接制動只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負載。在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻，即可實現(xiàn)制動匸向電動疚態(tài)提斤升取物（A點）負載作用下 電機反向旋 轉(zhuǎn)（下放重物）圖3-17倒拉反轉(zhuǎn)反接制動機械特性倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的機械特性方程就

16、是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很 大，有：CeCT NTl 0倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分。 拉反轉(zhuǎn)反接制動時的能量關(guān)系和電壓反接制動時相同。（3）回饋制動反向，由電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現(xiàn)n n0情況，此時Ea U , la反向，Te驅(qū)動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài) 回饋制動狀態(tài)?；仞佒苿訒r的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同。穩(wěn)定運行有兩種情況：圖3-18回饋制動穩(wěn)定運行當(dāng)電車下 坡時，運 行轉(zhuǎn)速可 能超過理 想空載轉(zhuǎn) 速,進入第 二彖限反動能載第限 壓制位人象 電接帶性進四發(fā)生在動態(tài)過程中

17、的回饋制動過程有以下兩種情況：CD降壓調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動圖3-19降壓調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動制動過程為Bn02線段BnnBA辺 增磁調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動圖3-20增磁調(diào)速時產(chǎn)生的回饋制動制動過程為Bn02線段回饋制動時由于有功率回饋到電網(wǎng)，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經(jīng)濟的。5、他勵直流電動機的調(diào)速電力拖動系統(tǒng)的調(diào)速可以采用機械調(diào)、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機構(gòu)速比進行調(diào)速的 方法稱為機械調(diào)速；通過改變電動機參數(shù)進行調(diào)速的方法稱為電氣調(diào)速。改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。調(diào)速前后,電動機工作在不同的機械特性上。他勵直流電動機

18、的轉(zhuǎn)速為：U-la(R Rs)Ce電氣調(diào)速方法：1。調(diào)壓調(diào)速；2。電樞串電阻調(diào)速；3。調(diào)磁調(diào)速。(1 )評價調(diào)速的指標CD調(diào)速范圍:D 二C靜差率(相對穩(wěn)定性)指負載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，轉(zhuǎn)速變化小，穩(wěn)定性好。no100%noFnno100% %越小，相對穩(wěn)定性越好； %與機械特性硬度和有關(guān)。DnmaxnmaxRmaxnmax"=nmin®min 一 厶門“,F n (1 - JD與、:%相互制約：越小，D越小，相對穩(wěn)定性越好；在保證一定的指標的前提下，要擴大 D , 須減少.汕，即提高機械特性的硬度。C調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，調(diào)速越平滑。相鄰兩級

19、轉(zhuǎn)速之比，為平滑系數(shù)：ni -1:越近1,平滑性越好，當(dāng)：=1時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有 限，稱為有級調(diào)速。C調(diào)速的經(jīng)濟性主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運行效率及維修費用等。(2) 調(diào)速方法(C電樞回路串電阻調(diào)速圖3-21電樞回路串電阻調(diào)速調(diào)速過程中電流和轉(zhuǎn)速的變化情況：訓(xùn)速過陽I!流變圖3-22調(diào)速過程中電流和轉(zhuǎn)速結(jié)論：帶恒轉(zhuǎn)矩負載時，串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。 優(yōu)點：電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡單，操作方便。 缺點： 1 ）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；2）低速時特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差3） 輕載時調(diào)速范圍小，額定負載時調(diào)速范圍一般為DW 2

20、;4）損耗大，效率低，不經(jīng)濟。對恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速前、后因增通不變而使電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流不變, 輸入功率不變，輸出功率卻隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。 降低電源電壓調(diào)速n岸A調(diào)速壓前11作點ALt/降壓驟間 工作點穩(wěn)定后1：作點圖3-23降低電源電壓調(diào)速降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程相似，調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時間變化的曲線 也相似。優(yōu)點：1 ）電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)無級調(diào)速。2）調(diào)速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩(wěn)定性好。3） 無論輕載還是負載，調(diào)速范圍相同，一般可達D=2。5? 12。4 ）電能損耗較小。缺點：需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直

21、流電源。（減弱磁通調(diào)速nt調(diào)節(jié)磁場前議工作點丁匸圖3-24減弱磁通調(diào)速 減弱磁通后，理想空載轉(zhuǎn)速上升，曲線的斜率值增大。弱磁調(diào)速前、后的電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化情況圖3-25弱磁調(diào)速前、后的電樞電流和轉(zhuǎn)速結(jié)論：磁場越弱，轉(zhuǎn)速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。優(yōu)點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，調(diào)速平滑性好。弱 磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本 不變，因此經(jīng)濟性是比較好。缺點：1）機械特性的斜率變大，特性變軟；2）轉(zhuǎn)速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般D<2

22、 ;為了擴大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓 調(diào)速。（3）調(diào)速方式與負載類型的配合容許輸出：指電動機在某一轉(zhuǎn)速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩和功率。充分利用：指在一定的轉(zhuǎn)速下電動機的實際輸出轉(zhuǎn)矩和功率達到它的容許值，即電樞電流達到額定值。當(dāng)電動機調(diào)速時，在不同的轉(zhuǎn)速下，電樞電流能否總保持為額定值，即電動機能否在不同轉(zhuǎn)速下都得 到充分利用，這個問題與調(diào)速方式和負載類型的配合有關(guān)。以電機在不同轉(zhuǎn)速都能得到充分利用為條件，他勵直流電動機的調(diào)速可分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速時，磁通G - “N保持不變，若在

23、不同轉(zhuǎn)速下保持電流la "n不變，即電機得到充分利用，容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率分別為：T ： Tem = Ct n 1 n = CcTn小PGn9550電動機的容許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，而容許輸出轉(zhuǎn)矩為恒值-恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。減弱磁通調(diào)速時，磁通事 是變化的，在不同轉(zhuǎn)速下若保持電流la = I N不變，即電機得到充分利用,容許輸出轉(zhuǎn)矩和功率別為：TTem = CT1 NCenC2nC2 nn 9550C29550Tn P 9550電動機的容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而容許輸出功率為恒值一一恒功率調(diào)速。為了使電動機得到充分利用，拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。拖動恒功率負載時，應(yīng)采 用恒功率

24、調(diào)速方式。對風(fēng)機類負載，三種方式都不是十分適合，但采用串電阻或降壓調(diào)速比弱磁調(diào)速合適 一些。思考題：他勵電動機的降壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，因此只能拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，這種說法是否正確？為什 么？ 6、串勵直流電動機的電力拖動（1）串勵電動機的機械特性CD固有特性I邛1 emIa =:TkUR. CT kURn2Tem -r 一CeCeC：2CekTem,CekTem = CTI a當(dāng)磁路不飽和時圖3-26固有特性當(dāng)磁路飽和時，磁通基本不變，機械特性與他勵直流電動機的機械特性相似。固有特性是指當(dāng)U =Un ， R=Ra時的特性，具有以下特點：1）它是一條非線性的軟特性，負載時轉(zhuǎn)速降落很大；2 ）空

25、載時，Tem =0， Ia =0，門=0,山=U Ce > = ：:， 4為無窮大。實際上，空載時存在剩磁, no為有限值，但值也很大 一一飛車”現(xiàn)象。因此串勵電動機不允許空載或輕載運行。23）由于Tem二Ia ，起動和過載時電樞電流大，故串勵電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。人為特性1 ）電樞串電阻的人為特性串入電阻后，轉(zhuǎn)速降增大，所以電樞串電阻的人為特性在固有特性的下方，且特性變得更軟。2）降低電壓的人為特性降低電壓時，理想空載轉(zhuǎn)速下降，人為特性下移。電壓下降后，電樞反電動勢隨之減少，轉(zhuǎn)速必然減 少，所以降低電壓的人為特性位于固有特性下方。3）改變磁通的人為特性改變磁通的方法是在勵磁繞

26、組上并聯(lián)一個分流電阻。與固有特性相比，在電樞電流相等情況下，勵磁 電流減少，磁通減少，所以人為特性位于固有特性上方。（2）串勵電動機的起動、調(diào)速與制動起動與調(diào)速為了限制起動電流，串勵電動機的起動方法與他勵電動機一樣，也采用電樞串電阻和降低電源電壓起 動。串勵電動機的調(diào)速也采用電樞串電阻、降壓和弱磁三種方法，其中串電阻常用，弱磁用得較少。辺制動串勵電動機若不考慮剩磁，理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大，因此不能有回饋制動。串勵電動機的制動只有能 耗和反接制動。能耗制動分他勵磁式和自勵式，反接制動分電壓反接和倒拉反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)反接制動。二、交流電機拖動原理及特性概述直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀先后誕生。在 2

27、0世紀上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問 世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀6070年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以 實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認為是天經(jīng) 地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。這時，直流電機具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機的應(yīng)

28、用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。1、三相異步電動機的機械特性（1）機械特性方程三相異步電動機的機械特性是指在一定條件下，電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即：（2）臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)距機械特性方程為一個二次方程，當(dāng)s為某一數(shù)值時，電磁轉(zhuǎn)矩有一最大值Tm。由數(shù)學(xué)知識可知，令dT/ds = 0 ,即可求得此時的轉(zhuǎn)差率，用sm表示，即：求得對應(yīng)時的電磁轉(zhuǎn)矩，即最大電磁轉(zhuǎn)矩值:臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)距的特點：CD當(dāng)電源的頻率及電機的參數(shù)不變時，最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與定子

29、繞組電壓 U1的平方成正比。 最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm和臨界轉(zhuǎn)差率sm都與定子電阻及定、轉(zhuǎn)子漏抗有關(guān)。C最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm和轉(zhuǎn)子回路中的電阻無關(guān)，而臨界轉(zhuǎn)差sm率則與成正比。(3) 固有機械特性方程C固有機械特性方程異步電動機的固有機械特性是指在額定電壓和額定頻率下，按規(guī)定方式接線，定、轉(zhuǎn)子外接電阻為零 時，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系，即T=f(s)曲線。C固有機械特性曲線C固有機械特性曲線的特點。曲線形狀分析：1) AB段。因s較大，且異步電動機中，近似為雙曲線。隨著s的減小，T反而增大。2) BO段。因s很小，近似為直線。隨著 s的減小，T亦減小。曲線的幾個特殊點的分析：1) 起動點A2) 同步點0

30、3) 臨界點B4) 額定點C(4) 人為機械特性方程三相異步電動機的人為機械特人為機械特性就是人為地改變電源參數(shù)或電機參數(shù)而得到的機械特性。性主要有以下兩種：C降低定子電壓的人為機械特性;圖3-28降低定子電壓的人為機械特性 轉(zhuǎn)子串電阻的人為機械特性。2、生產(chǎn)機械的負載特性般可以分生產(chǎn)機械的負載特性是指生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速n與負載轉(zhuǎn)矩TL之間的關(guān)系，即 n=f(TL )。為以下三種：(1) 恒轉(zhuǎn)距負載恒轉(zhuǎn)矩負載是指負載轉(zhuǎn)矩 TL的大小不隨轉(zhuǎn)速的改變而改變的生產(chǎn)機械。主要有兩種：Q反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載：負載轉(zhuǎn)矩的大小不變，但負載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機械運動的方向相反。位能性恒轉(zhuǎn)矩負載：不論生產(chǎn)機械運動的方

31、向變動與否，負載轉(zhuǎn)矩的大小和方向始終不變。(2) 恒功率負載恒功率負載是指負載所需的功率為恒定值。(3) 通風(fēng)機型負載通風(fēng)機型負載是指負載轉(zhuǎn)矩TL的大小與轉(zhuǎn)速n的平方成正比的生產(chǎn)機械。即TL = Kn2。生產(chǎn)機械的負載特性曲線(1)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載(2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負載(3)恒功率負載(4)通風(fēng)機型負載nn tl1-Tl-n°ll L圖3-29反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載圖3-30位能性恒轉(zhuǎn)矩負載圖3-31恒功率負載圖3-32通風(fēng)機型負載3、三相異步電動機的起動（1）起動的定義三相異步電動機的起動就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零開始到穩(wěn)定運行為止的這一過程。（2）起動的要求CD電動機應(yīng)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。 在保

32、證一定大小的起動轉(zhuǎn)矩的前提下，起動電流越小越好。（3）鼠籠式異步電動機的起動C直接起動1 ）直接起動的條件1LI電源總?cè)萘考樱?n盲|_ 電動機額定功率（陽）一般10kW以下的電動機都可以直接起動。2 ）直接起動的特點? 直接起動是最簡單的起動方法；? 直接起動時，起動電流很大。3）直接起動的接線起動時用閘刀開關(guān)、磁力起動器或接觸器將電動機定子繞組直接接到電源上。C降壓起動1 ）降壓起動的概念 降壓起動是指電動機在起動時降低加在定子繞組上的電壓，起動結(jié)束后加額定電壓運行的起動方式。2）降壓起動的特點? 降低電動機起動電流。? 由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此降壓起動時電動機的轉(zhuǎn)矩也減小

33、較多，故此法一般 適用于電動機空載或輕載起動。3）降壓起動的方法? 定子串接電抗器（或電阻）的降壓起動方法：起動時，將電抗器（或電阻）接入定子電路起到降壓的目的；起動后，切除所串的電抗器（或電阻）,電動機在全壓下正常運行。特點：減小了起動電流；能耗較大；電阻增加了控制柜的體積。? Y- 起動方法：起動時將定子繞組接成丫形，起動結(jié)束運行時定子繞組則改接成形。lTV W圖3-33 Y- 起動接線圖起動電流：起動電流是直接起動時的1/3起動轉(zhuǎn)距：Y- 起動時起動轉(zhuǎn)矩也是直接起動時的1/3。特點：不需要增加設(shè)備，方法簡單，價格便宜。載或空載情況下，應(yīng)優(yōu)先采用。定子繞組是接法。自耦變壓器（起動補償器）起

34、動方法：自耦變壓器也稱起動補償器。起動時將電源接在自耦變壓器初級，次級接電動機。起動結(jié)束后 切除自耦變壓器，將電源直接加到電動機上運行。起動轉(zhuǎn)距:特點：定子繞組采用 Y形或形接法都可以使用。缺點是設(shè)備體積大，投資較貴。? 延邊三角形起動特點：它介于自耦變壓器起動與Y- 起動方法之間；延邊三角形可采用不同的抽頭比，來滿足不同負載特性的要求; 優(yōu)點是節(jié)省金屬，重量輕；缺點是內(nèi)部接線復(fù)雜。接線圖:圖3-34延邊三角形起動接線圖（4）繞線式異步電動機的起動CD轉(zhuǎn)子串接電阻器起動1）方法起動時，在轉(zhuǎn)子回路中串接起動電阻器，借以提高起動轉(zhuǎn)矩，同時因轉(zhuǎn)子回路中電阻的增大也限制了 起動電流；起動結(jié)束，切除轉(zhuǎn)子

35、回路所串電阻。為了在整個起動過程中得到比較大的起動轉(zhuǎn)矩，需分幾級 切除起動電阻。2）起動接線圖和特性曲線圖3-34轉(zhuǎn)子串電阻起動接線圖和特性曲線3）特點? 在整個起動過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都是比較大的，適合于重載啟動，廣泛用于橋式起重機、卷揚機、 龍門吊車等重載設(shè)備。? 其缺點是所需起動設(shè)備較多，起動時有一部分能量消耗在起動電阻上，起動級數(shù)也較少。轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動1）頻敏變阻器實質(zhì)上是一臺鐵損很大的電抗器。它是一個三相鐵心線圈，其鐵心不用硅鋼片而用厚鋼板疊成。鐵心 中產(chǎn)生渦流損耗和一部分磁滯損耗，鐵心損耗相當(dāng)于一個等值電阻，其線圈又是一個電抗，其電阻和電抗 都隨頻率變化而變化。2）接線圖3）特點

36、? 具有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、維護方便、無觸點、運行可靠、起動平滑等優(yōu)點。? 它具有一定的線圈電抗，功率因數(shù)較低，起動轉(zhuǎn)矩要小一些，故一般適用于電機的輕載起動4、三相異步電動機的調(diào)速由'P可知調(diào)速的方法有：變極調(diào)速；變頻調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。（1 ）變極調(diào)速CD定義在電源頻率不變的條件下，改變電動機的極對數(shù)，電動機的同步轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，從而改變電動機 的轉(zhuǎn)速。C原理變定子繞組的接法，使之半繞組中的電流反向流通，極數(shù)就可以改變。這種因極數(shù)改變而使其同步速 發(fā)生相應(yīng)變化的電機，我們稱之為多速電動機。其轉(zhuǎn)子均采用鼠籠式轉(zhuǎn)子，因其感應(yīng)的極數(shù)能自動與定子 變化的極數(shù)相適應(yīng)。C接線圖亠 ij圖3-

37、35四極接線圖u V w圖3-36兩極接線圖(2 )變頻調(diào)速 原理：在定子繞組極對數(shù)一定的情況下，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與電源頻率fl成正比，所以連續(xù)地調(diào)節(jié)頻率就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。注意：在變頻調(diào)速中，由定子電勢方程式U1E仁4 44f1w1Kw1$m可以看出，當(dāng)降低電源頻率 fl調(diào)速時，若電源電壓 U1不變，則磁通 ©m將增加，使鐵心飽和，從而導(dǎo)致勵磁電流和鐵損耗的大量增加， 電機溫升過高，這是不允許的。因此在變頻調(diào)速的同時，為保持磁通©m不變，就必須降低電源電壓，使U1/f1為常數(shù)。另在變頻調(diào)速中，為保證電機的穩(wěn)定運行，應(yīng)維持電機的過載能力入不變。 特點：1)

38、一是能平滑無級調(diào)速、調(diào)速范圍廣、效率高；2) 二是因特性硬度不變，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好；3) 三是可以通過調(diào)頻改善起動性能；4) 主要缺點是系統(tǒng)較復(fù)雜、成本較高。(3 )改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速CD改變定子電壓調(diào)速?原理：對于轉(zhuǎn)子電阻大、機械特性曲線較軟的鼠籠式異步電動機，如所加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，則負載轉(zhuǎn)矩 TL對應(yīng)于不同的電源電壓 U1、U2、U3，可獲得不同的工作點，從而獲得 不同的轉(zhuǎn)速。? 特點：電動機的調(diào)速范圍很寬；C轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速? 原理：越大。缺點是低壓時機械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大。2=2色二常數(shù)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)點是方法簡單，主要用于中、小容量的繞線式異步電動機，如橋式起轉(zhuǎn)子串電阻時最大

39、轉(zhuǎn)矩不變，臨界轉(zhuǎn)差率加大。所串電阻越大，貝y運行段機械特性的斜率 轉(zhuǎn)子串電阻 R1前后有? 特點：動機等。C串級調(diào)速? 概念：串級調(diào)速，就是在異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串入一個三相對稱的附加電勢，其頻率與轉(zhuǎn)子電 勢相同，改變的大小和相位，就可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。? 分類：低同步串級調(diào)速，轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速；超同步串級調(diào)速，轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速。? 特點：它也是只適用于繞線式異步電動機。5、三相異步電動機的反轉(zhuǎn)與制動（1 ）三相異步電動機的反轉(zhuǎn)因此只要改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，就能使三相C原理 電動機的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向。異步電動機反轉(zhuǎn)。C方法互換電源的任意兩相，就可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。C接線圖電源電

40、源ABCABC正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)（2）三相異步電動機的制動CD目的i）在負載轉(zhuǎn)矩為位能性負載轉(zhuǎn)矩的機械設(shè)備中（例如起重機下放重物時，運輸工具在下坡運行時） 使設(shè)備保持一定的運行速度；2 ）在機械設(shè)備需要減速或停止時，電動機能實現(xiàn)減速和停止。C制動方法? 機械制動：利用機械裝置使電動機從電源切斷后能迅速停轉(zhuǎn)；?電氣制動：使異步電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T和電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n的方向相反。(電氣制動的方法1 )能耗制動?方法：將運行著的異步電動機的定子繞組從三相交流電源上斷開后，立即接到直流電源上。? 原理：當(dāng)定子繞組通入直流電源，將在電機中將產(chǎn)生一個恒定磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子因機械慣性按原轉(zhuǎn)速 方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體

41、會切割這一恒定磁場，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流。轉(zhuǎn)子 電流又和恒定磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T,根據(jù)右手定則可以判斷電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向相反，則T為一制動轉(zhuǎn)矩。在制動轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將迅速下降，當(dāng)n = 0時，T = 0 ,制動過程結(jié)束。? 特點：能耗制動的優(yōu)點是制動力強，制動較平穩(wěn)；缺點是需要一套專門的直流電源供制動用。2) 反接制動?電源反接制動方法：改變電動機定子繞組與電源的聯(lián)接相序，原理：當(dāng)電源的相序發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)磁場n1立即反轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩都改變方向。因機械慣性，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向未發(fā)生變化，則電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n方向相反，電機進入制動狀

42、態(tài)，這個制動過程我們稱為電源反接制動。? 倒拉反接制動方法：當(dāng)繞線式異步電動機拖動位能性負載時，在其轉(zhuǎn)子回路中串入很大的電阻。原理：在轉(zhuǎn)子回路串入很大的電阻，機械特性變?yōu)樾甭屎艽蟮那€，因機械慣性，工作點向下移。此時電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)電機減速至n = 0，電磁轉(zhuǎn)矩仍小于負載轉(zhuǎn)矩，在位能負載的作用下，電動機反轉(zhuǎn)，工作點繼續(xù)下移。此時因n<0,電機進入制動狀態(tài)，直至電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機才穩(wěn)定運行。3) 回饋制動? 方法：電動機在外力(如起重機下放重物)作用下，使其電動機的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場的同步速。? 原理：起重機下放重物。在下放開始時，n<n1 ,電動機處于電動狀

43、態(tài)。在位能性轉(zhuǎn)矩的作用下，電動機的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電勢、電流和轉(zhuǎn)矩的方向都發(fā)生了變化，電磁轉(zhuǎn)矩方 向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，成為制動轉(zhuǎn)矩。此時電動機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔莛佀碗娋W(wǎng)，所以稱回饋制動。6、三相異步電動機故障分析及維護(1) 起動前的準備(2) 起動時的注意事項(3) 運行中的監(jiān)視(4) 電動機的定期維修(5) 常見故障的診斷及排除方法三、同步電機拖動原理及特性概述同步電動機歷來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴格同步著稱的。只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉(zhuǎn) 速就絕對不變。采用電力電子裝置實現(xiàn)電壓 -頻率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行不能調(diào)速的面貌。動費事、重載時振蕩或失步等

44、問題也已不再是同步電動機廣泛應(yīng)用的障礙。1、同步電動機的電磁關(guān)系（1）同步電動機的電樞（定子）反應(yīng)CD電樞反應(yīng)同時將電樞電流I的磁場對同步電動機恒定不變磁場在氣隙中的影響，稱為該同步電動機的電樞反應(yīng)。C電樞反應(yīng)的作用和影響1）設(shè)電樞電流為I，電樞反應(yīng)產(chǎn)生的電動勢與每相電樞繞組的合成氣隙的電動勢為E0;2 ）當(dāng)I和E0（合成電動勢）同相時，有交軸反應(yīng)；3 ）當(dāng)I超前-E0時。直軸反應(yīng)起去磁作用；4 ）當(dāng)I滯后-E0時，直軸反應(yīng)起增磁作用；5） 當(dāng)I FO l<2 I fH I sin時電樞反應(yīng)是去磁的（F0是電磁力）。6）只要有交軸反應(yīng)，反應(yīng)后相位總要發(fā)生變化。（2）同步電動機的電動勢平衡

45、方程C電樞等效電路及矢量圖roEAN圖3-37電樞參考相量IdIq/Id (-Xd+Xq) oXd+Xq圖3-38凸極式電樞等效電路圖3-39電樞反應(yīng)相量圖輸入功率?1Pein機械損耗輸出功率卩2電磁功率Pa附加 損耗鐵損Pirec空載損耗辺電樞等效電路及矢量方程2)電動勢平衡方程，弋十即禹=& + £Ea=-jXJE產(chǎn) E屮 E謠Eih =JXKiIisEnd =jXzId二y兒二兀亠心同步電抗:乙二乙+ X卻;Xq - X杠+兒(磁場F和磁通Fj, FaqFf 1Fad氓丁處aq 叫adIzXq+Us in®"二 arcta nU cos®-

46、E。二 E。=JXd U cost2、同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩(1)同步電動機的功率平衡和轉(zhuǎn)矩平衡的關(guān)系圖3-40同步電動機的功率分布圖由圖3-40可得:R =Rm +FCu =mUi cos®le P2+P0 P2+PF1 Rmec 十 R = R - Eu = gE§l COS%和I分別為輸入功率因數(shù)和內(nèi)功率。轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩：0弋R2負載轉(zhuǎn)矩：-寸為同步角速度空載轉(zhuǎn)矩:R)PFe Pmec * P )(2)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系CD凸極式同步電動機 ?電磁功率：RemE I cos<；為E、與I 相位角。E cos =EqCOS?Eq = -E°-

47、Id(Xd -Xq)所以 Rm =0 -E°I cos甲IdIq(Xd -Xq)?電磁轉(zhuǎn)矩：Tem 二嚴 IL-E0ICOS? -ldlq(Xd - Xq)' 0忽略 PCu時：n日+曲'丄-丄 sin26Cuem 00 Xd200 (Xd Xq 丿I d = I sin ?I q = I cos?U sin ： - IqXq-E0 -U cos： - IdXd進一步得：m 理sinXd氏(丄2(Xq)sin 2式中：第一項為基本電磁功率；第二項為附加電磁功率。屮二arctan丄-U cos (p-瓦=IdXd +Crcos = XdIN sin屮 + %o詔V3隱極式同步電動機?電磁功率隘=gECOS E cos =E0cos?所以:Rm =mii(-E0)l cos?由于:Xd 二 Xq =Xt = X =XaRm 二 g (引 u si nrX