實用電工學 李源生 第六章106

實用電工學李源生主編第六章

變壓器與電動機

第六章變壓器與電動機

在電力系統(tǒng)中，對電能的傳輸、分配和使用上，變壓器都是關(guān)鍵的電氣設(shè)備，同時變壓器在通信、廣播、電氣測量、自控系統(tǒng)、電子設(shè)備等各種電子線路中都得到了極為廣泛的應用。

電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的電氣設(shè)備。隨著電力資源的不斷開發(fā)利用，電動機更加廣泛、普及，各行各業(yè)中生產(chǎn)機械的運動部件大多是由電動機來帶動的，其重要意義及應用在此不再詳述。

本章首先分析了變壓器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，然后主要介紹了三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其運行特性，對其起動、制動和調(diào)速控制進行了分析。同時介紹了直流電動機和步進電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。第一節(jié)變壓器

變壓器是一種靜止的、進行電能轉(zhuǎn)換的電氣設(shè)備。它是利用電磁感應的原理，將某一等級的交流電壓和電流轉(zhuǎn)變成同頻率另一等級電壓和電流的設(shè)備。其對電能的輸送、分配和使用具有重要意義，在電氣測量、電氣控制中都具有廣泛的應用。

本節(jié)對一般用途的變壓器基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運行情況作一介紹，以便掌握變壓器變電壓、變電流、變阻抗的三大作用，了解變壓器的額定值。第一節(jié)變壓器普通雙繞組變壓器的結(jié)構(gòu)型式有心式和殼式兩種。圖6-1a是心式單相變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖，其線圈環(huán)繞著鐵心柱，是應用最多的一種結(jié)構(gòu)型式。圖6-1b是殼式單相變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖，其線圈被鐵心包圍，僅用于小功率的單相變壓器和特殊用途的變壓器。

鐵心是變壓器磁路的主體部分，是變壓器線圈的支撐骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成，鐵心柱上裝線圈，而鐵軛則是連接兩個鐵心柱的部分，同時使磁路閉合。為了減小鐵心內(nèi)交變磁通引起的磁滯和渦流損耗，鐵心通常由表面涂有漆膜、厚度為0.35mm或0.5mm的硅鋼片沖壓成一定形狀后疊裝而成，完成變壓器一、二次側(cè)的電磁耦合任務。第一節(jié)變壓器線圈是變壓器電路的主體部分，擔負著輸入和輸出電能的任務。我們把變壓器與電源相接的一側(cè)稱為“一次側(cè)”，相應線圈稱為一次繞組，其匝數(shù)用N1表示，電磁量用下標數(shù)字“1”表示；而與負載相接的一側(cè)稱為“二次側(cè)”，相應線圈稱為二次繞組，其匝數(shù)用N2表示，電磁量用下標數(shù)字“2”表示。第一節(jié)變壓器圖6-1單相變壓器結(jié)構(gòu)示意圖圖6-2三相變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

a)心式b)殼式1-高壓線圈2-低壓線圈第一節(jié)變壓器通常一、二側(cè)繞組的匝數(shù)不相等，匝數(shù)多的電壓較高，稱為高壓繞組；匝數(shù)少的電壓較低，稱為低壓繞組。為了有利于處理線圈和鐵心之間的絕緣，通常總是將低壓繞組安放在靠近鐵心的內(nèi)層，而高壓繞組則套在低壓繞組外面，如圖6-2所示。

變壓器的最主要部分是鐵心和線圈，兩者裝配在一起構(gòu)成變壓器的器身。器身不置于油箱中的稱為干式變壓器。如果器身置于油箱中，稱為油浸式變壓器，大中型變壓器的器身都浸入盛滿變壓器油的封閉油箱中。變壓器油既是冷卻介質(zhì)，又是絕緣介質(zhì)，它使鐵心和線圈不被潮濕侵蝕，并通過油的對流，對鐵心與線圈進行散熱。

變壓器運行時，為了使輸出電壓控制在允許的變化范圍，通過油箱頂上的分接開關(guān)改變一次線圈匝數(shù)，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

各線圈對外線路的連接由絕緣套管引出。同時，為了使變壓器安全、可靠地運行，還設(shè)有油箱、儲油柜、安全氣道、分接開關(guān)、氣體繼電器等附件。第一節(jié)變壓器二、變壓器的工作原理

1.變壓器的空載運行

變壓器的一次繞組施加額定電壓，二次繞組開路(不接負載)的情況，稱為空載運行。圖6-3是普通雙繞組單相變壓器空載運行的示意圖，為了分析方便，把一、二側(cè)線圈分別畫在兩個鐵心柱上。

當一次繞組接電源電壓1，一次繞組中通過的電流稱為空載電流，用符號表示。建立變壓器鐵心中的磁場，故又稱為勵磁電流。由于變壓器鐵心由硅鋼片疊成，而且是閉合的，即氣隙很小，因此建立工作磁通(主磁通)Φ所需的勵磁電流并不大，其有效值約為一次繞組額定電流(長期連續(xù)工作允許通過的最大電流)的2.5％～10％。由物理學知識可知，主磁通在一次繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為

＝－j4.44N1fΦm

式中，f是電源頻率；Φm是主磁通的最大值。第一節(jié)變壓器圖6-3變壓器的空載運行第一節(jié)變壓器第一節(jié)變壓器第一節(jié)變壓器圖6-4變壓器的負載運行第一節(jié)變壓器第一節(jié)變壓器第一節(jié)變壓器

3.變壓器的阻抗變換作用

在電子線路中，常利用變壓器的阻抗變換功能來達到阻抗匹配的目的。

在圖6-5a中，負載阻抗接在變壓器二次側(cè)，而圖a中虛線框起的部分可以用一個等效的阻抗來代替，如圖6-5b所示。所謂等效，就是在電源相同情況下，電源輸入圖a和圖b電路的電壓、電流和功率保持不變。

第一節(jié)變壓器圖6-5變壓器的阻抗變換作用第一節(jié)變壓器第一節(jié)變壓器

第一節(jié)變壓器

第一節(jié)變壓器

第一節(jié)變壓器

第一節(jié)變壓器第一節(jié)變壓器

第二節(jié)三相異步電動機

交流電機主要分為同步電機和異步電機兩大類，同步電機主要用作發(fā)電機，而異步電機則主要用作電動機。大部分機械用異步電動機作為原動機。據(jù)統(tǒng)計，異步電動機的用電量約為總用電量的2/3，且具有運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等一系列優(yōu)點，所以異步電動機的應用是極為廣泛的。

一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機的結(jié)構(gòu)包括兩大部分：固定不動的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。圖6-6所示為三相異步電動機的外形結(jié)構(gòu)圖。定子和轉(zhuǎn)子之間有很小的空氣隙，氣隙一般為0.2～1.5mm，氣隙的大小對電動機性能影響很大。

第二節(jié)三相異步電動機圖6-6三相異步電動機外形結(jié)構(gòu)圖1-定子繞組2-軸承蓋3-軸4-軸承5-定子鐵心6-定子外殼7-轉(zhuǎn)子鐵心8-轉(zhuǎn)子導體9-端環(huán)10-冷卻風扇11-機座第二節(jié)三相異步電動機1.定子：由機座（外殼）、定子鐵心和定子繞組組成。機座起固定與支撐定子鐵心的作用，一般用鑄鐵鑄造而成；定子鐵心一般由厚0.5mm的硅鋼片疊壓而成，鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽，用來嵌放定子繞組；定子繞組是一個三相對稱繞組，由三相完全相同的繞組所組成，每個繞組為一相，三個繞組相差1200電角度。三相繞組的三個首端和三個末端都引出接于機座上的接線盒內(nèi)，可根據(jù)需要接成星形或三角形。

2.轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵心其作用與定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部，另一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心也是用硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上；轉(zhuǎn)子繞組分為繞線轉(zhuǎn)子型與籠型兩種。電動機根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組的不同，可分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與籠型異步電動機。

3.其他部分：包括端蓋、風扇、軸承等。端蓋除了起保護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用來支撐轉(zhuǎn)子軸。風扇則是用于通風散熱。

二、三相異步電動機的工作原理

三相異步電動機是利用分布在定子圓周上的三相繞組中通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中的感應電流相互作用而轉(zhuǎn)動的。第二節(jié)三相異步電動機圖6-7定子繞組示意圖a)繞組接線原理圖b)定子三相繞組示意圖第二節(jié)三相異步電動機1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

如圖6-7所示的三相異步電動機的定子鐵心中放置有三相對稱繞組U1U2、V1V2與W1W2，各相在定子內(nèi)腔中的位置互差1200電角度(因為磁極對數(shù)p=1，所以在圖中空間角度與電角度是等同的)，三相繞組如圖連成星形，即各相的末端U2、V2、W2連在一起，各相的首端U1、V1、W1分別接在三相電源上。則三相對稱電流可表示為

iU=Imsinωt

iV=Imsin(ωt-1200)

iW=Imsin（ωt-2400）

其波形如圖6-8所示。第二節(jié)三相異步電動機圖6-8三相對稱電流第二節(jié)三相異步電動機設(shè)電流正值時是從繞組的首端流進，末端流出；電流負值時則反向流動。

三相繞組通入三相電流后，每個繞組均產(chǎn)生各自的交變磁場，在空間形成合成磁場。在這里對高次諧波產(chǎn)生的磁場，不作分析，僅取一次基波分析，則有如圖6-9所示的四個瞬時合成磁場。

當ωt＝0時，iU＝00時，iV<O，即電流從末端V2流進，而從首端V1流出；iW>0，即電流從W1流進，由W2流出，如圖6-9a所示。用右手螺旋定則確定三個線圈中電流產(chǎn)生的合成磁場方向。這是一對磁極的的磁場，其合成磁場N、S兩極的位置如圖所示，即按圖所示的繞組分布方式，產(chǎn)生了極對數(shù)P=1的兩極磁場。第二節(jié)三相異步電動機圖6-9三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（p=1）ωt=00瞬間的磁場b）ωt=1200瞬間的磁場c）ωt=2400瞬間的磁場d）ωt=3600瞬間的磁場第二節(jié)三相異步電動機第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

4.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理

圖6-10是兩極三相異步電動機轉(zhuǎn)動原理示意圖。設(shè)磁場以同步轉(zhuǎn)速逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與磁場之間有相對運動。即相當于磁場不動、轉(zhuǎn)子導體以順時針方向切割磁力線，于是在導體中產(chǎn)生感應電動勢，其方向由右手定則確定，如圖6-10所示。由于轉(zhuǎn)子導體的兩端由端環(huán)連通，形成閉合的轉(zhuǎn)子電路，在轉(zhuǎn)子電路中便產(chǎn)生了感應電流。載流的轉(zhuǎn)子導體在磁場中受電磁力F的作用(電磁力的方向用左手定則確定)形成一電磁轉(zhuǎn)矩T，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子便沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，其轉(zhuǎn)速用表示。第二節(jié)三相異步電動機圖6-10轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機第二節(jié)三相異步電動機

圖6-11三相異步電動機的每相電路第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

式（6-25）反映了三相異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩T與定子相電壓、頻率、電動機參數(shù)及轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系。

2.三相異步電動機的機械特性

三相異步電動機的機械特性是指轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系，即n=f(T)曲線，或者轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系T＝f(s)，它們相互間的關(guān)系在坐標上形成的曲線即為機械特性曲線。式（6-25）實際上就是一個機械特性曲線的方程，進行描點繪制即可得到圖6-12所示三相異步電動機的固有機械特性曲線。研究機械特性的目的是為了分析電動機的運行性能。第二節(jié)三相異步電動機圖6-12三相異步電動機的固有機械特性曲線第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機

圖6-13異步電動機降低電壓時的人為機械特性第二節(jié)三相異步電動機由圖可知，當電動機在某一負載下運行時，若降低定子電壓，將使電動機轉(zhuǎn)速降低。轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子電流因此增大，從而引起定子電流的增大。若電動機電流超過額定值，則電動機最終溫升將超過允許值，導致使用壽命減小，甚至使電動機燒毀。若降壓過多，則可能導致最大轉(zhuǎn)矩小于總的負載轉(zhuǎn)矩，造成堵轉(zhuǎn)事故。

2）轉(zhuǎn)子電路中串接對稱電阻時的人為機械特性

對于三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其他條件都與固有特性時一樣，在三相轉(zhuǎn)子電路中分別串聯(lián)上大小相等的電阻，此時電動機的同步轉(zhuǎn)速不變，最大轉(zhuǎn)矩不變，而臨界轉(zhuǎn)差率則隨著串入電阻的增大而增大，故人為機械特性為一組通過同步點的曲線族，如圖6-14所示。

第二節(jié)三相異步電動機圖6-14轉(zhuǎn)子回路串入電阻時的人為機械特性第二節(jié)三相異步電動機

第二節(jié)三相異步電動機第三節(jié)直流電動機

與交流電動機相比，直流電動機結(jié)構(gòu)復雜、成本高、運行維護較困難。但直流電動機具有調(diào)速性能好、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強等優(yōu)點，在起動和調(diào)速要求較高的場合，如大型機床、軋鋼機、起重機及船舶、紡織等行業(yè)的機械中，仍得到廣泛應用。下面簡單介紹一下直流電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理。

一、直流電動機的基本結(jié)構(gòu)

直流電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-15所示。第三節(jié)直流電動機圖6-15直流電機的剖面示意圖1-電樞鐵心2-主磁極3-勵磁繞組4-電樞齒5-換向極繞組6-換向極鐵心7-電樞槽8-底座9-電樞繞組10-極靴11-機座第三節(jié)直流電動機1.定子部分

定子是直流電動機的靜止部分，其主要由主磁極、換向磁極、機座、電刷裝置等組成。

（1）主磁極主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成，磁極鐵心由1～1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成。磁極極靴沿氣隙表面成弧形，使極下氣隙磁通密度分布更接近正弦波。當在勵磁線圈中通入直流電流后，便產(chǎn)生主磁場。主磁極可以有一對、兩對或更多對，它是用螺桿固定在機座上。

（2）換向磁極換向磁極也是由鐵心和換向磁極繞組組成，位于兩主磁極之間，是比較小的磁極。其作用是產(chǎn)生附加磁場，以改善電機的換向條件，使電刷與換向片之間的火花減小。換向磁極繞組總是與電樞繞組串聯(lián)。換向極鐵心通常都用厚鋼板疊制而成，在小功率的直流電機中也有不裝換向磁極的。

（3）電刷裝置電刷將旋轉(zhuǎn)的電樞與固定不動的外電路相連，把直流電流引入或?qū)⒅绷鞲袘妱觿菀觥Ｋc換向器之間既要有緊密的接觸，又要有良好的相對滑動。電刷裝置由電刷及彈簧、刷握、刷桿座等組成，利用彈簧把電刷壓在轉(zhuǎn)子的換向器上。

（4）機座機座由鑄鋼或厚鋼板制成，用來安裝主磁極和換向磁極等部件和保護電動機，它既是電機的外殼，又是電機磁路的一部分。在機座的兩邊各有一個端蓋，端蓋的中心處裝有軸承，用以支持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸。第三節(jié)直流電動機2.轉(zhuǎn)子部分

直流電機的轉(zhuǎn)子又稱為電樞，其主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風扇等組成。

（1）電樞鐵心電樞鐵心通常用0.55mm厚且表面涂有絕緣的硅鋼片疊壓而成，其表面均勻開槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵心也是直流電機主磁路的一部分。

（2）電樞繞組電樞繞組由許多相同的線圈組成，按一定規(guī)律嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)，并與換向器聯(lián)接。其作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。

（3）換向器換向器又稱整流子，是直流電機的特有裝置。它由許多梯形銅片組成，片間用云母或者其他墊片絕緣。外表呈圓柱形，裝在轉(zhuǎn)軸上。每一換向銅片按一定規(guī)律與電樞繞組的線圈連接。在換向器的表面壓著電刷，使旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與靜止的外電路相通，其作用是將直流電動機輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，進而產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。

3.氣隙

氣隙是電機磁路的重要部分。轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)，定子與轉(zhuǎn)子之間必須要有氣隙，故稱工作氣隙。一般小型電機的氣隙為0.7～5mm，大型電機為5～10mm。由于氣隙磁阻遠大于鐵心磁阻，對電機性能有很大的影響，所以在拆裝直流電動機時應予以重視。第三節(jié)直流電動機二、直流電動機的工作原理

圖6-16為直流電動機的工作原理示意圖，如圖所示，電刷A、B兩端外接直流電源U，電流從電源的正極經(jīng)電刷A與換向片1流入電動機線圈，然后再經(jīng)換向片2與電刷B流回電源的負極，線圈中電流的方向為a→b→c→d。根據(jù)電磁力定律（），線圈邊ab與cd在磁場中分別受到電磁力的作用，其方向可用左手定則確定，如圖6-16所示。第三節(jié)直流電動機圖6-16直流電動機工作原理第三節(jié)直流電動機

此電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當電樞從圖6-16所示的位置轉(zhuǎn)過900時，這時線圈磁感應強度為0，因而電樞旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩消失，但由于機械慣性，電樞仍能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使電刷A、B分別與換向片2、1接觸，于是線圈中又有電流通過。此時電流從電源正極流出，經(jīng)過電刷A、換向片2、線圈到換向片1，經(jīng)電刷B流回電源負極，線圈中電流的方向為d→c→b→a。此時導體ab中的電流改變了方向，同時導體ab已由N極下轉(zhuǎn)到S極下，用左手定則判斷電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向未變，電樞仍按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機的基本原理。

換向器可以使電刷A始終與經(jīng)過N極面下的導體相連，電刷B始終與經(jīng)過S極面下的導體相連。通過換向器和電刷的作用，把直流電動機電刷間的直流電流轉(zhuǎn)變成線圈內(nèi)的交變電流，以確保電動機沿恒定方向旋轉(zhuǎn)。所以換向器是直流電機中改變電流方向的關(guān)鍵部件。

電動機拖動的生產(chǎn)設(shè)備常常需要作正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的運動，例如電力機車的前行和倒退等，這就要求電動機能正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。圖6-16所示的直流電動機逆時針旋轉(zhuǎn)需要獲得一個逆時針方向的轉(zhuǎn)矩，由電磁力定律（）和左手定則可知電磁力的方向取決于磁場極性和導體中電流的方向，所以直流電動機獲得反轉(zhuǎn)的方法有兩個：一是改變磁場極性；二是改變電源電壓的極性使流過導體的電流方向改變。應該注意：兩者只能改變其一，否則直流電動機的轉(zhuǎn)向不發(fā)生變化。

第三節(jié)直流電動機第四節(jié)步進電動機

步進電動機是一種特殊運行方式的控制電動機，它通過專用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組，在氣隙中產(chǎn)生類似于旋轉(zhuǎn)磁場的脈沖磁場。每輸入一個脈沖信號，電動機就移動一步。因此，步進電動機又稱為脈沖電動機，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。

步進電動機種類很多，按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式，按其運動方式分有旋轉(zhuǎn)型和直線型，通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進電動機又可分為反應式、永磁式、感應式。下面以應用較多的三相反應式步進電動機為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。

一、步進電動機的結(jié)構(gòu)

圖6-17為三相反應式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成。定子上均勻分布6個磁極，每兩個相對的磁繞有同一相繞組，三相控制繞組U、V、W接成星形，繞組接線如圖6-17所示。轉(zhuǎn)子是四個均勻分布的齒，齒寬等于定子極靴的寬度，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。第四節(jié)步進電動機圖6-17三相反應式步進電動機結(jié)構(gòu)示意圖第四節(jié)步進電動機二、工作原理

1.單三拍控制三相反應式步進電動機工作原理

圖6-18是單三拍控制方式的三相反應式步進電動機的工作原理圖。單三拍控制中的“單”是指每次只有一相控制繞組通電。從一相通電切換到另一相通電稱為一拍，“三拍”是指一個循環(huán)中共有三次切換。“三相”指定子為三相控制繞組。其工作原理為：

工作時，各相繞組按一定順序先后通電，當U相繞組通電時，V和W相繞組都不通電，由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點，所以轉(zhuǎn)子齒1和3與定子極U、U’對齊(負載轉(zhuǎn)矩為零時)，如圖6-18a所示；當U相脈沖結(jié)束，接著V相接入脈沖時，由于相同原因，轉(zhuǎn)子齒2和4的軸線與定子極V和V’軸線對齊，則轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)過300機械角度，如圖6-18b所示。當V相脈沖結(jié)束，隨后W相繞組通入脈沖時，轉(zhuǎn)子齒3和1的軸線與w和w’極軸線對齊，轉(zhuǎn)子再逆時針轉(zhuǎn)過300，如圖6-18c所示。如此循環(huán)往復按U→V→W→U的順序通電，氣隙中產(chǎn)生脈沖式的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子就會一步一步的按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)過300，該角度稱為步距角，用表示。單三拍運行方式容易造成失步，且由于單一控制繞組吸引轉(zhuǎn)子，也容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，運行穩(wěn)定性較差，較少使用。

電動機的轉(zhuǎn)速決定于電源電脈沖的頻率，頻率越高，轉(zhuǎn)速越快。電動機的轉(zhuǎn)向則取決于定子繞組輪流通電的順序。若電動機通電順序改為U—W—V—U，則電動機為順時針方向旋轉(zhuǎn)。定子繞組的通電順序及頻率大小，一般由數(shù)字邏輯電路或計算機軟件來控制。第四節(jié)步進電動機圖6-18單三拍控制三相反應式步進電動機工作原理圖a)U相通電b)V相通電c)W相通電第四節(jié)步進電動機第四節(jié)步進電動機

2.雙三拍控制步進電動機工作原理

三相雙三拍運行的通電按UV→VW→WU→UV進行，反向時按UW→WV→VU→UW順序通電。每次有兩相控制繞組同時通電，如圖6-19所示。步距角不變，仍為＝300。

圖6-19雙三拍運行工作原理圖a)U、V兩相通電b)V、W兩相通電第四節(jié)步進電動機

圖6-20三相六拍運行工作原理圖A)U相通電b)U、V兩相通電c)V相通電

第四節(jié)步進電動機第四節(jié)步進電動機

第五節(jié)三相異步電動機的控制

本節(jié)主要分析三相異步電動機的起動、制動和調(diào)速控制。

一、電動機的起動控制

電動機從接通電源開始，轉(zhuǎn)速由零上升到額定值的過程稱為起動過程。在生產(chǎn)過程中，電動機要經(jīng)常起動與停車，因此電動機起動性能將對生產(chǎn)與使用有直接的影響。

電動機在起動瞬間，轉(zhuǎn)子電流相當大，從而使定子電流也增大。起動電流往往達到額定電流的4～7倍。若電動機不是頻繁起動，則起動電流對電動機本身的熱影響尚不大，但是大的起動電流對電網(wǎng)供電將造成沖擊，使線路上產(chǎn)生很大的電壓降，這會使在一同線路上的其他負載不能正常工作。為了避免起動電流的不良影響，對不同情況應采用不同的起動方法，以盡可能減小起動電流。

1.籠型異步電動機的起動方法

籠型異步電動機不能在轉(zhuǎn)子回路中串接電阻，起動方法只有直接起動與減壓起動兩種。

第五節(jié)三相異步電動機的控制第五節(jié)三相異步電動機的控制

圖6-21籠型異步電動機定子串電阻減壓起動第五節(jié)三相異步電動機的控制

第五節(jié)三相異步電動機的控制

第五節(jié)三相異步電動機的控制第五節(jié)三相異步電動機的控制

圖6-22三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻起動a)電路圖b)機械特性第五節(jié)三相異步電動機的控制2）為了加速起動過程，當轉(zhuǎn)速上升到b點時，接觸器KM1觸點閉合，切除起動電阻Rst1，由于機械慣性，轉(zhuǎn)速在切除電阻的瞬間不變，工作點從b點過渡到曲線3的最大轉(zhuǎn)矩c點，并沿特性曲線3上升。

3）按上述過程，當電動機運行到d點時，KM2觸點閉合，切除Rst2，從d點過渡到e點、……、f點、g點，直到切除全部電阻，電動機運行在固有機械特性曲線1上，經(jīng)h點直到i點，T=TL，系統(tǒng)平衡，最后穩(wěn)定運行在i點。此時應用提刷裝置把電刷提起，將三個集電環(huán)短接。

在起動過程中電阻分三次切除，故稱為三級起動。在整個起動過程中，起動轉(zhuǎn)矩始終保持較大，最適合重載起動的設(shè)備，例如起重機、卷揚機、吊車等。缺點是需要的起動設(shè)備以及控制環(huán)節(jié)較多，同時起動電阻要消耗一部分能量。第五節(jié)三相異步電動機的控制

第五節(jié)三相異步電動機的控制圖6-23三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動第五節(jié)三相異步電動機的控制

第五節(jié)三相異步電動機的控制

第五節(jié)三相異步電動機的控制圖6-24能耗制動的機械特性a)電路圖b)機械特性能耗制動的機械特性曲線如圖6-24b所示，電動機運行時工作在曲線1的a點，當定子繞組改接直流電源時，由于慣性，電動機轉(zhuǎn)速不變，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，電動機工作在第二象限曲線2的b點，并從b點沿曲線2減速至坐標原點O。第五節(jié)三相異步電動機的控制對于繞線式轉(zhuǎn)子三相異步電動機，轉(zhuǎn)子回路還應串入制動電阻，限制轉(zhuǎn)子電流。此時的機械特性如圖6-24b中曲線3所示，電動機制動時從b’點減速至n＝0。

對于能耗制動的異步電動機，既要求有較大的制動轉(zhuǎn)矩，又要求定、轉(zhuǎn)子回路中電流不能太大。根據(jù)經(jīng)驗，一般取定子勵磁電流為電動機額定電流的1～2倍，通過調(diào)節(jié)直流電路串入的變阻器獲得。

第五節(jié)三相異步電動機的控制第五節(jié)三相異步電動機的控制

圖6-25倒拉反接制動機械特性第五節(jié)三相異步電動機的控制

第五節(jié)三相異步電動機的控制圖6-26兩相反接制動的機械特性對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，定子兩相反接制動時在轉(zhuǎn)子電路中串入電阻，則工作點由a點移到人為機械特性d點，轉(zhuǎn)速沿圖中線3迅速下降。顯然，這時可以獲得比較大的制動轉(zhuǎn)矩，所以改變制動電阻的數(shù)值可以調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩的大小。第五節(jié)三相異步電動機的控制

定子兩相反接制動控制線路將在下章中介紹。

電源反接制動和倒拉反接制動迅速，效果好。但將電網(wǎng)的輸入電能和負載輸入的機械能全部消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，能量損耗大。電源反接制動適用于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的機械。倒拉反接制動適用于起重設(shè)備，它能獲得任意低的速度來下放重物，安全性好。

第五節(jié)三相異步電動機的控制第五節(jié)三相異步電動機的控制

圖6-27變極原理示意圖a)順向串聯(lián)2=4b)反向串聯(lián)2=2c)反接并聯(lián)2=4通常利用改變定子繞組的接法來改變極數(shù)，這種電動機也稱多速電動機。多速電動機均采用籠型轉(zhuǎn)子，這是因為籠型轉(zhuǎn)子的極數(shù)能自動地與定子極數(shù)相適應。第五節(jié)三相異步電動機的控制定子繞組通過改變接法達到變極的原理是：三相繞組中的一相繞組如圖6-27所示，每相繞組都可以看成是由1和2兩個半繞組所組成的。圖6-27a表示兩個半繞組頭尾順向串聯(lián)，觀察電流流向可知，可形成4極磁場。在圖2-27b中，兩個半相繞組頭與頭或尾與尾反向串聯(lián)，則形成2極磁場。圖2-27c中兩個半相繞組頭尾并聯(lián)，也形成2極磁場。所以，只要將兩個半相繞組中的任一個半相繞組電流反向，極數(shù)就可以成倍增加或減少。

單繞組雙速異步電動機用得較多的接線方法有兩種，一種是繞組從單星形(每相只有一條支路)改接成雙星形(每相有兩條支路)寫作Y／YY，如圖6-28所示。另一種是從三角形改接成雙星形，寫作△／YY，如圖6-29所示。兩圖中三相電源變極前從1、2、3端輸入，4、5、6端不用，變極后從4、5、6端輸入，1、2、3端連接到一起。這兩種接法都能使電動機極數(shù)減小一半，但不同的接線方式電動機輸出是不同的。第五節(jié)三相異步電動機的控制圖6-28Y／YY接法變極調(diào)速圖6-29△／YY接法變極調(diào)速如變極前后電源電壓不變，繞組每相額定電流為不變，變極前后電動機的效率、功率因數(shù)不變，接成星形時，相電流等于線電流，所以Y／YY變極前后的輸出功率分別為所以由于Y聯(lián)結(jié)時極對數(shù)是YY聯(lián)結(jié)時的兩倍，同步轉(zhuǎn)速增加一倍，轉(zhuǎn)速也近似增加一倍，而電磁轉(zhuǎn)矩為第五節(jié)三相異步電動機的控制

由此可見，定子繞組從Y聯(lián)結(jié)改為YY聯(lián)結(jié)后，極對數(shù)減少一半，轉(zhuǎn)速增加一倍，輸出功率增大一倍，而輸出轉(zhuǎn)矩基本不變。Y/YY聯(lián)結(jié)方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于拖動起重機、電梯等恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速。

而對于△／YY聯(lián)結(jié)，假設(shè)條件不變，則其變極前后的輸出功率分別為

則

另外

以上公式說明改接前后，電動機的極對數(shù)減半，轉(zhuǎn)速增加一倍，功率近似保持不變，而轉(zhuǎn)矩近似減小一半，因此△／YY變極調(diào)速被稱為恒功率調(diào)速，適用于車床等恒功率負載。

變極調(diào)速因為轉(zhuǎn)速幾乎是成倍變化，所以調(diào)速的平滑性差，但它在每個轉(zhuǎn)速等級上都具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性好。多用于對調(diào)速要求不高且不需要平滑調(diào)速的場合。

第五節(jié)三相異步電動機的控制2.變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是通過改變電源頻率從而使電動機的同步轉(zhuǎn)速發(fā)生變化以達到調(diào)速的目的。

由定子電壓平衡方程式≈可知，若變頻時電源電壓保持額定值不變，則當下降時，主磁通增加，電動機磁路將進入飽和區(qū)域，從而導致空載電流和鐵心損耗的急劇增大，電動機溫升過高，這是不允許的。為此，變頻時為保持主磁通不變，必須同時調(diào)節(jié)電源電壓，使=常數(shù)，以期獲得良好的調(diào)速性能。

變頻調(diào)速的機械特性如圖6-30所示。圖中曲線1是電動機的固有機械特性，曲線2為降低頻率即時的人為機械特性，曲線3為頻率更低時的人為機械特性，其最大轉(zhuǎn)矩變小。原因在于：由于保持=常數(shù)，當頻率較低時，電源電壓也很低，則此時定子電阻的壓降已不能再忽略，而使、、、下降更嚴重，最大轉(zhuǎn)矩變小。第五節(jié)三相異步電動機的控制圖6-30變頻調(diào)速機械特性曲線4是從基頻向上調(diào)節(jié)頻率，因不能按比例升高電壓，只能保持不變，因此增大，減小，轉(zhuǎn)速增大。所以在基頻以上調(diào)速，最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩都變小。第五節(jié)三相異步電動機的控制變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、速度可連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，適用于高速傳動、車輛傳動、風機、水泵類負載和各種恒轉(zhuǎn)矩傳動，在惡劣環(huán)境中使用也有其優(yōu)越性。

變頻調(diào)速目前使用的是由普通晶閘管、GTR、GTO、IGBT等電力電子器件組成的變頻器。近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、矢量控制技術(shù)以及無速度傳感器技術(shù)的發(fā)展和應用，高性能、高效率的變頻調(diào)速器已經(jīng)得到了廣泛的應用。

3.改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法很多，定子調(diào)壓調(diào)速、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、轉(zhuǎn)子串附加電動勢調(diào)速(串級調(diào)速)等。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的特點是電動機同步轉(zhuǎn)速不變。這里僅介紹繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。第五節(jié)三相異步電動機的控制圖6-31繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速機械特性第五節(jié)三相異步電動機的控制由圖6-14可知，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻后同步轉(zhuǎn)速不變，最大轉(zhuǎn)矩不變，但臨界轉(zhuǎn)差率增大，機械特性運行段的斜率變大。圖6-31為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速機械特性圖，當電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，且時，轉(zhuǎn)子回路不串附加電阻時，電動機穩(wěn)定運行在a點,轉(zhuǎn)速為。當轉(zhuǎn)子串入時，轉(zhuǎn)子電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩T減小，電動機減速，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)子電動勢、轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩均增大，直到b點，為止，電動機將穩(wěn)定運行在b點，轉(zhuǎn)速為，顯然。當串入轉(zhuǎn)子回路電阻為、時，電動機最后將分別穩(wěn)定運行于c點與d點，獲得和轉(zhuǎn)速。所串附加電阻越