第四章電機與控制電路

電動機的分類：電動機交流電動機直流電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機他勵、并勵電動機串勵、復(fù)勵電動機第４章發(fā)電機與電動機實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的電工設(shè)備總稱為電機。機械能電能發(fā)電機電動機4.1三相異步電動機4.1.1.構(gòu)造三相異步電動機的外形結(jié)構(gòu)鐵心：由內(nèi)周有槽的0.5mm厚硅鋼片疊成。U1----U2V1----V2W1----W2三相繞組機座：鑄鐵或鋼板焊接支撐鐵心和固定電機硅鋼片裝有三相繞組的定子1、定子定子繞組定子三相繞組的聯(lián)接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2Y聯(lián)結(jié)W1U1V1W2U2

V2聯(lián)結(jié)接線盒W2U2V2U1V1W12、轉(zhuǎn)子鼠籠式繞線式轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)軸軸承0.5mm的硅鋼片疊壓籠型轉(zhuǎn)子(1)籠型轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)連成一體，或用鑄鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。(2)繞線式轉(zhuǎn)子同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。三相轉(zhuǎn)子繞組通常連接成星形，即三個末端連在一起，三個首端分別與轉(zhuǎn)軸上的三個滑環(huán)（滑環(huán)與軸絕緣且滑環(huán)間相互絕緣）相連，通過滑環(huán)和電刷接到外部的變阻器上，以便改善電機的起動和調(diào)速性能。圖4.7繞線式轉(zhuǎn)子繞組與外接變阻器的連接

4.1.2三相異步電動機的工作原理U1W2W1ZV1V2o1、旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生tU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2

1)三相電流合成磁

場的分布情況600o分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉(zhuǎn)的磁場

即：一個電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間轉(zhuǎn)過360°

若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場。2)旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)PC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC旋轉(zhuǎn)磁場：工頻：p=1時p=2時旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1與極對數(shù)p的關(guān)系旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1與頻率f1和極對數(shù)p有關(guān)?？梢?2.三相異步機的轉(zhuǎn)動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢E20旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場電磁力FFF4.2.3轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。由前面分析可知，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達到與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1相等，即異步電動機如果:無轉(zhuǎn)子電動勢和轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無轉(zhuǎn)矩因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速間必須要有差別。轉(zhuǎn)差率s

它是分析異步機運行的一個重要參數(shù)。一般S=2%---8%之間。4.2三相異步電動機的啟動、調(diào)速與制動起動問題：起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩小。

大電流使電網(wǎng)電壓降低，影響鄰近負(fù)載的工作頻繁起動時造成熱量積累，使電機過熱后果：原因：4.2.1三相異步電動機的啟動:三相異步電動機接通電源后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由零逐漸上升到穩(wěn)定值的過程。啟動方法有如下幾種：1、直接起動：

n=0，s=1,接通電源。起動時，n=0，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線速度很大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)子電流定子電流

在低壓公共電網(wǎng)供電的系統(tǒng)中，電動機容量不超過10KW時，容許直接啟動。在專用變壓器供電系統(tǒng)中，單臺電動機容量不超過變壓器容量的20%～30%時，也允許直接啟動。2、降壓起動：在電動機啟動時降低加在定子繞組上的電壓，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速升高接近穩(wěn)定時，再加上全部額定電壓，以正常運行的方法。

常用的降壓啟動方法：

（1）定子繞組串接入電阻

或電抗器的降壓啟動

常用的降壓啟動方法：(2)Y－換接啟動。Y-Δ換接起動：在起動時將定子繞組連接成星形，通電后電動機運轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速時再換接成三角形。適用范圍：正常運行時定子繞組是三角形連接，且每相繞組都有兩個引出端子的電動機。優(yōu)點：起動電流為全壓起動時的1／3。自耦降壓啟動：利用三相自耦變壓器降壓作用，將啟動電壓減小來達到減小啟動電流的目的。自耦變壓器備有40％、60％、80％等多種抽頭，使用時要根據(jù)電動機起動轉(zhuǎn)矩的要求具體選擇。(3)自耦變壓器降壓啟動。1、改變定子繞組的電流頻率

f=50Hz逆變器M3~整流器f1、U1可調(diào)+–~三種電氣調(diào)速方法4.2.2三相異步電動機的調(diào)速

變頻調(diào)速方法可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速,調(diào)速性能優(yōu)異，因而正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。2、改變定子繞組的磁極對數(shù)PA1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii??P=1采用變極調(diào)速方法的電動機稱作雙速電機，由于調(diào)速時其轉(zhuǎn)速呈跳躍性變化，因而只用在對調(diào)速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機床上。A1··A2X1X2SN3、改變轉(zhuǎn)差率S調(diào)速

變轉(zhuǎn)差率S的調(diào)速適用于繞線式電動機，是特有的一種調(diào)速方法。將電動機中的轉(zhuǎn)子串入電阻，只要調(diào)電阻值大小，便可調(diào)速。該方法的優(yōu)點是調(diào)速平滑、設(shè)備簡單投資少。缺點是調(diào)節(jié)電阻的能耗較大。這種調(diào)速方式廣泛應(yīng)用于各種提升、起重等恒轉(zhuǎn)矩的設(shè)備中。1、反接制動將接入電動機的三相電源線中的任意兩相對調(diào)，使電動機定子產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，從而獲得所需的制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動。

4.2.3三相異步電動機的制動M3~運轉(zhuǎn)制動?nF轉(zhuǎn)子Tn02、能耗制動

在斷開三相電源的同時，給電動機其中兩相繞組通入直流電流，直流電流形成的固定磁場與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子作用，產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)距（制動轉(zhuǎn)距），使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動。nF轉(zhuǎn)子Tn0=0M3~+-運轉(zhuǎn)制動?RP4.3三相異步電動機銘牌1、型號

磁極數(shù)(極對數(shù)p=2)例如：Y160M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機座長度代號(L,M,S)機座中心高（mm）三相異步電動機2.額定頻率電動機加在電動機定子繞組上的交流電源頻率。3.額定電壓電動機在額定運行時定子繞組上應(yīng)加的線電壓值。4.額定功率電動機在額定電壓、額定頻率下，額定負(fù)載運行工作狀態(tài)下電動機上的輸出機械功率，又稱電動機的容量。額定轉(zhuǎn)矩：5.額定電流電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。6.額定轉(zhuǎn)速電機在額定運行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。7.接法電動機在額定電壓作用下的三相定子繞組的連接方式。如電動機定子繞組額定電壓為220V,電源電壓為220V，則電動機三相繞組應(yīng)做三角形連接；電源電壓為380V時，電動機應(yīng)做Y型連接。8.絕緣等級電動機定子繞組所用絕緣材料允許的最高溫度等級。有：A、E、B、F、H、C等，對應(yīng)的極限工作溫度為：105℃

、120℃

、130℃

、155℃

、180℃和大于180℃。9.工作方式電動機正常連續(xù)使用時，允許連續(xù)運轉(zhuǎn)的時間，一般分連續(xù)、短時和斷續(xù)三種工作方式。4.5.1直流電機的構(gòu)成：直流電機由定子、轉(zhuǎn)子（電樞）和機座等部分構(gòu)成。機座磁極勵磁繞組轉(zhuǎn)子4.5直流電動機1.轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器組成。2.定子定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。由磁極、勵磁繞組、機座、電刷裝置等組成。1）他勵電動機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。

4.5.2直流電動機的分類

直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復(fù)勵電動機UUfIaM+_+_If他勵I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵2.并勵電動機勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。其特點是：為常數(shù)。4)復(fù)勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。3）串勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。主要用于汽車啟動機，其啟動轉(zhuǎn)矩大。串勵UIf+_IaM1、直流電動機的構(gòu)造4.5.3直流電動機的工作原理定子轉(zhuǎn)子機座、主磁極、換向極、電刷裝置等鐵心、繞組、換向器作用是產(chǎn)生磁場和作電機的機械支撐產(chǎn)生感應(yīng)電動勢實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。直流電機的主要結(jié)構(gòu)：額定功率PN:

電機軸上輸出的機械功率。額定電壓UN:

額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）額定電流IN:

額定電壓下軸上輸出額定功率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。

三者關(guān)系：PN=UNIN

（：效率）額定轉(zhuǎn)速nN:

在PN,UN,IN

時的轉(zhuǎn)速。直流電機的轉(zhuǎn)速一般在500r/min以上。特殊的直流電機轉(zhuǎn)速可以做到很低（如每分鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。

調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機，最大轉(zhuǎn)速不能超過1.2nN

。

。2、直流電動機的額定值注意3、直流電機的基本工作原理IU–+SbNacd直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于電刷和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后所受力(左手定則)按順時針方向旋轉(zhuǎn)。U–+U–+電刷換向片U–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的直流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。U–+EETnSbNdFFacII換向片電刷線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。Ce

:

與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n:

電動機轉(zhuǎn)速：磁通1）電樞感應(yīng)電動勢(反電勢）

E=CenU–+EETnSbNdFFacII換向片電刷由圖可知，電樞感應(yīng)電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。式中：U—外加電壓Ra

—繞組電阻2）電樞回路電壓平衡式–RaIaE+–+UMCT:與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

:線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3）電磁轉(zhuǎn)矩單位:(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為4）轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,它使電樞轉(zhuǎn)動。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即T=CT

Ia當(dāng)電動機軸上的機械負(fù)載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程T2:機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達到新的平衡點(Ia

、P入)

。T2nIa

Tem

EE=Cen4.5.4并勵直流電動機的機械特性由圖可求得由上分析可知：當(dāng)電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時,勵磁電流If和磁通不變，即=常數(shù)。則IaUM+_If+_IEa令：由以下公式求得IaUM+_If+_IE4.5.4并勵直流電動機的機械特性轉(zhuǎn)速降式中：n=f(T)

特性曲線n0nNTN并勵電動機在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速n的變化不大—硬機械特性（自然特性）。改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線n0Tn4.6直流電動機的起動、調(diào)速、轉(zhuǎn)向與制動起動:直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,燒壞換向器；4.6.1.啟動1.起動問題：(1)起動電流大(2)起動轉(zhuǎn)矩大起動轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN,造成機械沖擊，使傳動機構(gòu)遭受損壞。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。2.起動方法

3.注意事項(1)電樞串電阻起動法(2)降壓起動法：直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。(1)如果電動機是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=CTIa),

電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險。

(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢

E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負(fù)載的需要，電動機必將減速而停轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。

(3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭受嚴(yán)重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組燒壞。（Ea

IaT>>

T0

n飛車）4.6.2直流電動機的調(diào)速(以并勵(他勵)直流電動機為例）1）調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速。2）調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達200以上,因此機械變速所用的齒輪箱可大大簡化。主要優(yōu)點：由轉(zhuǎn)速公式:可見直流電機調(diào)速方法有三種。可見：在U一定的情況下，改變可改變轉(zhuǎn)速n。1）改變磁通調(diào)速保持電樞電壓U不變，改變勵磁電流If(調(diào)Rf)以改變磁通。由式Rf

Ifn一般只采用減少勵磁電流(減弱磁通)的方法調(diào)速,即改變磁通調(diào)速的方法：減小磁通，n只能上調(diào)。改變時的機械特性如圖。TLTn（

減?。㏑f增加O動畫(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受機械本身強度所限，n不能太高。(2)調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟，電流小，便于控制。(3)機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4)對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機,其調(diào)速幅度可達３~４,例如530~2120r/min及310~1240r/min。

減小調(diào)速的特點：(1)若調(diào)速后

Ia

保持不變，電動機在高速運轉(zhuǎn)時其負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。(2)這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速(如用于切削機床)。使用調(diào)磁調(diào)速時應(yīng)注意：2）改變電壓調(diào)速調(diào)速特性是一組平行曲線n0"n0'電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點:(1)工作時電壓不允許超過UN

，而nU,所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定性好。(3)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。(4)調(diào)速幅度較大。改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。3）電樞串電阻調(diào)速電樞中串入電阻,使n、

n0不變，即電機的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n。特性曲線如圖。Rann0T

電樞回路串電阻調(diào)速需在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉(zhuǎn)速下降，因此n只能下調(diào)。特點：(1)設(shè)備簡單，操作方便。(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。(3)能量損耗大，只用于小型直流機。Ra

+

R電阻增大4.6.3直流電動機轉(zhuǎn)向電磁轉(zhuǎn)矩：T

=CT

Ia

(1)改變勵磁電流的方向。(2)改變電樞電流的方向。注意：改變轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：4.6.4直流電動機的制動

當(dāng)S打向下時，電動機與電源脫離，與RB相連形成回路。電樞有慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，勵磁電路也繼續(xù)工作。電樞繞組乃切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且方向不變。但此時電動機變?yōu)榘l(fā)電機向RB供電，其電流的方向與感應(yīng)電動勢的方向一致，但與電動機的工作狀態(tài)正好相反，對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩TemB與電動機電樞的轉(zhuǎn)向相反，使電機迅速停轉(zhuǎn)。IfTemBRB制動IaB+U-電動IanTemM+Ea

–S由直流電動機、單向傳動機構(gòu)和操縱機構(gòu)三大部分組成.直流電動機是起動機的核心。其作用是產(chǎn)生發(fā)動機起動時所需的電磁轉(zhuǎn)矩。單向傳動機構(gòu)的作用是傳遞或切斷發(fā)動機與起動機之間的扭矩。4.5.4車用起動機1、車用起動機基本組成操縱機構(gòu)的作用是接通或切斷起動機與蓄電池之間的主電路。車用起動機的直流電動機主要由磁極、電樞、換向器等部件組成。一般采用串勵式直流電動機。一般的車用起動機的電動機有四個勵磁繞組。勵磁繞組有兩種連接方式：勵磁繞組全部串聯(lián)；或勵磁繞組兩兩串聯(lián)之后再并聯(lián)的復(fù)式接法。復(fù)式接法可以在繞組導(dǎo)體截面相同的情況下，增大起動電流，從而提高了起動轉(zhuǎn)矩。功率大于7.35KW的起動機有