電機及應(yīng)用項目4

電機及應(yīng)用項目4第一頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性子任務(wù)1交流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式4.1.1物理表達式電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式為:電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通和轉(zhuǎn)子電流有功分量的乘積成正比，這一表達式又稱為三相異步電動機的物理表達式。該表達式體現(xiàn)了電動機電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電動機轉(zhuǎn)子中電流大小成正比(也就是和電動機輸出功率大小成正比)，與定子磁通成正比，還與電動機本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。下一頁返回第二頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性我們可以利用這個條件分析三相異步電動機運行狀況和負載變化引起電動機運行狀態(tài)的變化情況。4.1.2參數(shù)表達式根據(jù)交流電動機定子和轉(zhuǎn)子的關(guān)系，可以得到的等效電路如圖4.1所示，它表示出了電動機定子和轉(zhuǎn)子的電路關(guān)系。由交流電動機定子和轉(zhuǎn)子的等效電路可以得到電動機的電磁功率關(guān)系式和轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系式:上一頁下一頁返回第三頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性由以上兩個關(guān)系式，可以得出電動機電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式:根據(jù)電動機電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式，可以繪制出電動機電磁轉(zhuǎn)矩曲線，如圖4.2所示。4.1.3實用表達式由圖4.2可知sm是電動機到達最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率。上一頁下一頁返回第四頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性由公式(4.1.5)可知，當(dāng)改變電動機轉(zhuǎn)子電阻時，可以改變到達最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率，同時也可使電動機的啟動轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，以利于啟動。所以可以利用電動機的這個公式來改善電動機的啟動性能。電動機的最大轉(zhuǎn)矩如公式(4.1.6)所示。從這個公式中可以看出，在電動機的電源相數(shù)、電動機的極數(shù)和電動機內(nèi)部參數(shù)不變的情況下，電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tm和電源電壓U1的平方成正比。所以在對電動機進行改變電源電壓控制的時候，就要考慮轉(zhuǎn)矩下降幅度較大時，電動機能否帶動負載。上一頁下一頁返回第五頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性電動機在旋轉(zhuǎn)的時候，它的電磁轉(zhuǎn)矩T也隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n進行變化。由轉(zhuǎn)矩公式得:在電動機內(nèi)部參數(shù)不變、電動機轉(zhuǎn)速比較高時，公式(4.1.7)也可以簡化為:上一頁下一頁返回第六頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性從公式(4.1.8)可以更直接地看出電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，也就可以利用它對電動機的運行進行分析，還可以更直接地分析出在負載變化時，電動機運行從一個平衡狀態(tài)進入另一個平衡狀態(tài)的過程。子任務(wù)2三相異步電動機的機械特性4.1.4固有機械特性電動機的固有特性就是在電動機的電壓為額定電壓、電動機的內(nèi)部參數(shù)不變的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速隨負載變化而變化的特性。電動機的固有特性曲線如圖4.3所示。電動機的固有特性曲線可以分成兩個部分且其中有幾個特殊點。上一頁下一頁返回第七頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性兩個部分中第一部分是Tst到Tm之間的部分，這一部分是電動機的不穩(wěn)定工作部分，也是電動機的過渡部分。電動機在這段的某一點工作時，由于擾動出現(xiàn)，負載轉(zhuǎn)矩大于電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，電動機將減速，轉(zhuǎn)速下降又會導(dǎo)致電動機電磁轉(zhuǎn)矩下降，這樣不斷循環(huán)直到電動機停止運行。電動機啟動時，電磁轉(zhuǎn)矩大于電動機的負載轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)速升高又導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩加大，直到電動機越過Tm點進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。第二部分是Tm到n0之間的部分，這是電動機的穩(wěn)定運行階段，也是電動機的運行部分。如果在這階段出現(xiàn)擾動，則負載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)速下降，同時電磁轉(zhuǎn)矩上升會使電動機再次進入新的平衡狀態(tài)。上一頁下一頁返回第八頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性特殊點有啟動轉(zhuǎn)矩Tst、額定轉(zhuǎn)矩TN、和最大轉(zhuǎn)矩Tm。啟動轉(zhuǎn)矩Tst是指電動機加上電源且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。額定轉(zhuǎn)矩TN就是電動機加上額定電壓且轉(zhuǎn)子上帶有額定負載時轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩Tm是電動機定子加上額定電壓且電動機軸上能夠產(chǎn)生的最大瞬時轉(zhuǎn)矩。為了描述電動機的啟動性能，引入啟動能力的概念，用λst表示。從概念上來說，電動機的啟動能力就是電動機的啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，即電動機的啟動轉(zhuǎn)矩Tst和電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN的比值，它是表征電動機能否順利啟動的一個參數(shù)。為保證電動機能夠順利啟動，其數(shù)值一般為1.8~2.0。上一頁下一頁返回第九頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性過載能力λm是描述電動機的另一個很重要的參數(shù)。電動機的過載能力定義為電動機的最大轉(zhuǎn)矩Tm與電動機的額定轉(zhuǎn)矩TN的比值。電動機的過載能力λm是表征電動機抗過載的能力，是電動機能夠承受的抗干擾能力的體現(xiàn)。電動機的抗過載倍數(shù)一般為1.6~2.5;對于特殊用途的電動機，λm的值可以達到3.3~3.4，實際選擇電動機的時候還要根據(jù)負載的波動情況來選擇不同抗過載能力的電動機。上一頁下一頁返回第十頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性4.1.5人為機械特性所謂三相異步電動機的人為特性，是指人為地改變電動機的參數(shù)或電源的參數(shù)所得到的電動機的機械特性。最為常見的改變參數(shù)有電源電壓U、電源頻率f和轉(zhuǎn)子回路電阻Ra。4.1.5.1改變電源電壓的人為機械特性由于電動機的同步轉(zhuǎn)速n1=60f/p，與電壓U無關(guān)，所以電動機的同步轉(zhuǎn)速不變。而電動機電磁轉(zhuǎn)矩和電源電壓的平方成正比，電源電壓減小則電動機的啟動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩都會按比例減小。電動機改變電源電壓的人為機械特性曲線如圖4.4所示。4.1.5.2改變轉(zhuǎn)子回路電阻的人為機械特性上一頁下一頁返回第十一頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性由于電動機的同步轉(zhuǎn)速不變，而電動機的臨界轉(zhuǎn)差率隨著轉(zhuǎn)子回路電阻的增大而正比增大，所以特性變軟，同時電動機的啟動轉(zhuǎn)矩會因此而增加。電動機改變轉(zhuǎn)子回路電阻的人為機械特性曲線如圖4.5所示。

4.1.5.3改變電源頻率的人為機械特性現(xiàn)在主要是應(yīng)用變頻器改變電源的頻率。電動機的同步轉(zhuǎn)速和電源頻率成正比，當(dāng)改變電源頻率時電動機的同步轉(zhuǎn)速也隨之變化。在其他參數(shù)不變的情況下，電動機的最大轉(zhuǎn)矩是不變的，但是電動機的啟動轉(zhuǎn)矩會隨著電源的頻率下降而升高。電動機改變電源頻率的人為機械特性曲線如圖4.6所示。

上一頁下一頁返回第十二頁，共77頁。任務(wù)1交流電動機的機械特性在電動機的人為機械特性曲線中可以看到，在負載不變的情況下，有的可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，有的可以改變電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，并且它們改變轉(zhuǎn)速和改變啟動轉(zhuǎn)矩的特點都不太一樣，這就要求在使用電動機的時候，要選擇合適的、符合要求的人為機械特性來控制電動機。上一頁返回第十三頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)

4.2.1啟動描述異步電動機要想工作就必須旋轉(zhuǎn)，否則就無法工作。轉(zhuǎn)子原來不轉(zhuǎn)動的電動機，在定子繞組加上交流電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零增加到穩(wěn)定值的過程，就叫異步電動機的啟動。啟動過程是電動機的一個過渡過程。在啟動初始狀態(tài)，電動機轉(zhuǎn)子還沒有旋轉(zhuǎn)起來的時候，相當(dāng)于變壓器輸出端短路的狀態(tài)，只是短路電流比變壓器小很多，啟動電流1，為電動機額定電流Ist的4~7倍。這對于額定電流較小的小功率電動機來說，啟動電流不算大，對電路和其他設(shè)備影響也不是太大;但對于大功率的電動機來說，因其本身額定電流就比較大，再乘上啟動倍數(shù)，啟動電流就相當(dāng)大了，這樣大的啟動電流將對相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。下一頁返回第十四頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)

(1)電動機帶額定負載啟動的時候，電動機的大啟動電流持續(xù)時間比較長，在啟動過程中會使保護跳閘，使電動機無法正常啟動。

(2)電動機帶額定負載啟動的時候，電動機的大啟動電流持續(xù)時間比較長，在定子繞組中產(chǎn)生很多熱量，繞組溫度升高使電動機繞組絕緣老化，絕緣質(zhì)量下降，電動機壽命縮短。(3)電動機啟動電流很大，會使電網(wǎng)電壓瞬間波動很大，影響同一線路內(nèi)其他設(shè)備的正常運行，如燈、計算機顯示器和電視屏幕的閃動等。(4)電動機啟動電流很大，會使電網(wǎng)內(nèi)電壓產(chǎn)生高次諧波，影響電網(wǎng)內(nèi)電子設(shè)備的正常工作以及產(chǎn)生誤動作。因此，電動機啟動的時候，既要保證有足夠的啟動轉(zhuǎn)矩，使電動機順利啟動，又要限制電動機啟動電流，減小電動機啟動電流的危害。上一頁下一頁返回第十五頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)

4.2.2三相籠型異步電動機的啟動三相籠型異步電動機的啟動方法有三種:第一種是直接啟動，就是將電動機的定子繞組直接連接到額定電源上的啟動方法。第二種是降壓啟動，就是采用一定的方法將電源電壓U降低，然后加在電動機的定子繞組上來降低啟動電流Ist，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值的時候，電源增加到額定電壓UN直至啟動結(jié)束。這種啟動方法的缺點是啟動的時候啟動電流Ist，下降的同時，啟動轉(zhuǎn)矩Tst，也跟隨下降，因此啟動時帶負載能力比較弱。第三種是變頻啟動，就是在啟動過程中，將電源通過變頻器或軟啟動器將電源頻率f和電壓U同時改變，然后加在電動機定子繞組上，這樣既減小了電動機的啟動電流，又增加了啟動轉(zhuǎn)矩。上一頁下一頁返回第十六頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)以上三種方法各有各的優(yōu)、缺點，使用的時候應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境合理選擇。4.2.2.1三相籠型電動機的直接啟動一般情況下，電動機若滿足下列條件之一就可以采用直接啟動。(1)額定容量在10kW以下的籠型異步電動機。(2)符合經(jīng)驗公式(4.2.1)時也可以直接啟動。直接啟動的優(yōu)點是所需設(shè)備少，啟動方式簡單，成本低。缺點是啟動的時候啟動電流相對比較大，在選用配線、控制設(shè)備、保護設(shè)備和保護調(diào)試的時候，應(yīng)該適當(dāng)加大系數(shù)。上一頁下一頁返回第十七頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)具體電路如圖4.7(a)所示，它是最簡單的啟動電路，電動機缺少過載保護;如圖4.7(b)所示的啟動電路具有過載保護和遠距離操作的能力。

4.2.2.2籠型異步電動機的降壓啟動降壓啟動方式是指首先用低壓進行啟動，而當(dāng)轉(zhuǎn)速n上升到比較高的時候，電壓再切換到額定電壓值。由于異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與定子繞組電壓U的平方成正比，因此降壓啟動時轉(zhuǎn)矩下降很多，會使電動機帶負載能力變差，僅適用于電動機輕載或空載時啟動，具體的方法如下。1.定子串電阻或電抗器降壓啟動在圖4.8(a)中，電動機定子串電阻啟動，電源電壓經(jīng)過刀開關(guān)和熔斷器進入啟動部分。上一頁下一頁返回第十八頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)啟動的時候，接觸器KM1的主觸點接通，電源經(jīng)過啟動電阻降壓后，電動機進入降壓啟動過程，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速達到一定值時，接觸器KM2接通、KM1斷電停止工作，電源電壓經(jīng)過KM2直接進入電動機，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高直到穩(wěn)定值，啟動結(jié)束。在圖4.8(b)中，電動機定子串電抗器啟動，電路圖及工作原理與定子串電阻相似。這種啟動方式不受電動機定子接線方式的限制，也就是說，定子繞組不論是Υ形連接，還是△形連接都適用。但是，由于電阻需要消耗一定的電能，所以現(xiàn)在已很少使用，基本退出了歷史的舞臺。2.Υ-△降壓啟動

Υ-△降壓啟動實質(zhì)上就是電動機Υ形連接啟動，而△形連接運行，這種啟動方式適用于運行過程中電動機是△形接法的電動機。上一頁下一頁返回第十九頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)由于電動機啟動時對定子繞組Υ形連接，所以繞組電壓U是額定電壓的。電動機降低了啟動電壓，啟動電流入，也同樣得到降低。由于啟動轉(zhuǎn)矩T與電壓U的平方成正比，所以電磁轉(zhuǎn)矩T降低為原來的1/3。這種啟動方式適用于空載啟動或輕載啟動。具體的啟動電路如圖4.9(a)所示。熱繼電器串聯(lián)在△形連接的內(nèi)部，測量的是相電流，熱繼電器通過的電流比較小，熱繼電器的選擇和動作電流的整定按照相電流進行。其基本工作原理是:接觸器KM1,KM3主觸點閉合，電動機電路接通，電動機作Υ形連接啟動;當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到較高的速度時，接觸器KM3斷開，電動機Υ形連接啟動過程結(jié)束;同時接觸器KM2主觸點閉合，電動機轉(zhuǎn)換成△形連接，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，直到其處于穩(wěn)定狀態(tài)，啟動結(jié)束。上一頁下一頁返回第二十頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)由于熱繼電器直接連接在主電路中，所以電動機功率不是特別大。遇到超大功率電動機時，采用圖4.9(b)所示的連接方式，用互感器接在線電路中，測量線電流。如果需要提高保護的可靠性，可以采用三相保護的形式，這種電路適用于超大功率電動機的過載保護和輕微的電動機匝間短路保護。三相籠型異步電動機的Υ-△降壓啟動適用于△形連接的電動機。特點是啟動電路簡單，運行經(jīng)濟可靠，廣泛用于輕載或空載啟動的電動機運行系統(tǒng)中，如通風(fēng)機負載、給排水的水泵電動機等啟動時均為輕載啟動，負載隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。3.定子接自耦變壓器降壓啟動上一頁下一頁返回第二十一頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)它主要利用自耦變壓器的變壓功能，將電源的額定電壓降低后加在電動機的定子繞組上，以減小電動機的啟動電流。電動機串接自耦變壓器啟動的電路如圖4.10所示，在KM2和KM3接通后，電源電壓經(jīng)變壓器降壓后加在電動機的定子繞組上，電動機在低壓作用下啟動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速達到一定值的時候，接通KM1，同時切斷KM2和KM3，使電動機在額定電壓作用下轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，直到電動機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定值，啟動結(jié)束。自耦變壓器降壓啟動的特點是電動機啟動時，電壓U降低，啟動電流也降低為電動機電流的關(guān)系為:上一頁下一頁返回第二十二頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)所以降低電壓后的啟動電流為:自耦變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流關(guān)系為自耦變壓器降壓啟動時，電動機連接在變壓器的二次側(cè)繞組上，電流，即:上一頁下一頁返回第二十三頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)故，4.2.2.3變頻器啟動或軟啟動裝置啟動1.變頻器啟動變頻器啟動就是利用變頻器將電動機啟動，啟動結(jié)束后轉(zhuǎn)換成額定電源電壓的啟動過程。用變頻器啟動就是在啟動過程中，將50Hz的交流電壓轉(zhuǎn)變成低頻率和低電壓的交流電，使電動機的啟動電流減小，但是啟動轉(zhuǎn)矩仍然比較大。隨著轉(zhuǎn)速的增加，頻率和電壓也增加，轉(zhuǎn)速不斷上升直到啟動結(jié)束。變頻器控制的電動機啟動可以達到恒轉(zhuǎn)矩啟動，啟動電流限制在1.5IN的范圍內(nèi)，同時在低速時可任意調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩，滿足有特殊要求的電動機控制。上一頁下一頁返回第二十四頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)基本控制電路可以簡單地連接成圖4.11所示的形式。變頻器還具有能耗制動和變頻調(diào)速的功能。隨著變頻器技術(shù)的日臻成熟，成本會比以前下降很多。這一技術(shù)是目前社會中應(yīng)用廣泛的啟動、調(diào)速和制動一體化技術(shù)。

2.軟啟動裝置啟動軟啟動裝置是在變頻器的啟動基礎(chǔ)上對啟動方面進行大量優(yōu)化后的裝置，所以利用軟啟動裝置進行啟動，其啟動性能比變頻器啟動優(yōu)化很多。且其簡化了變頻調(diào)速的功能，所以價格比變頻器要低一些。在只需要啟動的系統(tǒng)中，經(jīng)常應(yīng)用軟啟動裝置，以降低成本，其控制系統(tǒng)如圖4.12所示。上一頁下一頁返回第二十五頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)

4.2.3三相繞線式異步電動機的啟動三相繞線式異步電動機的啟動就是將轉(zhuǎn)子電路經(jīng)過滑環(huán)和電刷引出，在外面連接啟動電阻或頻敏變阻器進行啟動。因為轉(zhuǎn)子電路串接電阻使轉(zhuǎn)子電路電流減小，所以定子電路電流也相應(yīng)減小。轉(zhuǎn)子電路串接電阻使轉(zhuǎn)子功率因數(shù)得到提高，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與定子電壓功率角減小而轉(zhuǎn)矩升高，致使電動機減小啟動電流的同時增加了啟動轉(zhuǎn)矩。4.2.3.1轉(zhuǎn)子串電阻啟動轉(zhuǎn)子串電阻啟動的電路如圖4.13所示。在啟動過程中，所串入的電阻為三個電阻的總和。啟動過程中隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸減小電阻值，最后切除電阻。上一頁下一頁返回第二十六頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)啟動過程如下:(1)啟動開始的時候，KM1,KM2,KM3處于斷開的狀態(tài)。首先接通KM1，電動機加上額定電壓。由于電動機和變壓器原理相似，轉(zhuǎn)子串入電阻就相當(dāng)于變壓器二次側(cè)串入電阻，電動機的啟動電流得到減小。同時，轉(zhuǎn)子串入電阻時轉(zhuǎn)子電路總電阻增加，從圖4.13中可以看出:在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子電阻越大，啟動轉(zhuǎn)矩也就越大，電動機越容易啟動。

(2)在KM1閉合的過程中，接通KM4，將R:電阻切除，此時阻值減小，電動機曲線上移，轉(zhuǎn)入電動機R1+R2的曲線，電動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高。

(3)在較高轉(zhuǎn)速的情況下，接通KM3，將電阻R2+R3切除，電動機轉(zhuǎn)入R1電阻所在曲線，電動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高。上一頁下一頁返回第二十七頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)

(4)在轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速的時候，接通KM2將所有電阻切除，使電動機的轉(zhuǎn)子進入固有特性的工作狀態(tài)，電動機啟動結(jié)束，進入正常運行狀態(tài)。

4.2.3.2轉(zhuǎn)子繞組串頻敏變阻器啟動電動機繞線式轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動，就是在電動機轉(zhuǎn)子繞組上串聯(lián)頻敏變阻器進行啟動的方式，頻敏變阻器結(jié)構(gòu)如圖4.14(a)所示。它的鐵芯是用厚鋼板鉚制而成，繞組是用絕緣的漆包線繞制而成。其工作特點是:在電動機啟動開始的時候，定子和轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子切割磁力線的速度很大;轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很高電動勢的同時，轉(zhuǎn)子電動勢的頻率也相當(dāng)高。上一頁下一頁返回第二十八頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)高頻電動勢加在頻敏變阻器上產(chǎn)生高頻電流，這樣繞組產(chǎn)生高頻磁場;轉(zhuǎn)子鐵芯是由鋼板制成，產(chǎn)生很大的磁滯和渦流損耗，會消耗大量的能量，就相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子上串聯(lián)了較大的電抗，限制了啟動電流。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，定子和轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的頻率也降低，使頻敏變阻器中的磁滯和渦流損耗減小，也就相當(dāng)于轉(zhuǎn)子串聯(lián)的電抗減小直至啟動結(jié)束，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近定子磁場的轉(zhuǎn)速，頻敏變阻器的阻抗也就減小到最小，啟動結(jié)束?；究刂齐娐啡鐖D4.14(b)所示。接通電源控制開關(guān)QS，同時按下啟動控制按鈕，使接觸器KM1的主觸點閉合，接通電動機的定子電路，電動機在轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器的情況下啟動。這時頻敏變阻器產(chǎn)生高阻抗，減小了電動機的啟動電流。上一頁下一頁返回第二十九頁，共77頁。任務(wù)2交流電動機的啟動及其實現(xiàn)隨著電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子電動勢和頻率減小，頻敏變阻器的阻值減小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷升高直至啟動結(jié)束。這時控制電路接通KM2，將電動機轉(zhuǎn)子直接接成星形連接，頻敏變阻器啟動徹底結(jié)束。在啟動過程中，因為頻敏變阻器的磁滯和渦流損耗是電阻性的，所以啟動時相當(dāng)于轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻性負載，這樣既減小了啟動電流，又增大了電動機的啟動轉(zhuǎn)矩。上一頁返回第三十頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)

4.3.1制動方法所謂制動，就是指在電動機的轉(zhuǎn)子上施加或產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機減速或停止的過程。電動機的制動基本可以分為機械制動和電氣制動兩種形式。機械制動在這里我們就不研究了，現(xiàn)在主要學(xué)習(xí)電氣制動。電氣制動就是采用電氣的方法，使電動機轉(zhuǎn)子鐵芯上產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，最終使電動機快速停止或轉(zhuǎn)速下降的方法。電氣制動常見的有能耗制動、反接制動和回饋制動三種方法。在這三種制動方法中，可以根據(jù)實際工作選擇適合的方法來使用，而在實際生產(chǎn)中，變頻器和軟啟動器等設(shè)備本身就有制動的功能。下一頁返回第三十一頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)

4.3.2能耗制動能耗制動，可以簡單地理解成將電動機所儲存的機械能量消耗掉的制動方式，能耗制動的基本電路如圖4.15所示。接觸器KM1接通，電動機啟動運行。KM1斷開，電動機運行結(jié)束，同時閉合接觸器KM2，將變壓器的電源接通，也將整流輸出的直流電引入電動機，電動機便進入了能耗制動的過程。電動機定子繞組上通入直流電以后，使得空間氣隙產(chǎn)生一個固定方向的磁場，此時的轉(zhuǎn)子因慣性運轉(zhuǎn)而繼續(xù)切割磁力線及產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成感應(yīng)電流。由分析可知，該電流會產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，電動機的轉(zhuǎn)速就會因此而逐漸下降，直到電動機停止。電動機停止后人為或用時間繼電器控制切斷電源，也可以用轉(zhuǎn)速繼電器自動控制切斷電源。上一頁下一頁返回第三十二頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)能耗制動的特點就是能耗制動的制動轉(zhuǎn)矩相對小一些，這樣會減小對軸的損傷;同時也降低了制動的速度，轉(zhuǎn)速下降得比較緩慢，且比較平穩(wěn)。能耗制動時可根據(jù)經(jīng)驗來選取直流電源的電壓等級和限流電阻的功率及阻值。4.3.3反接制動反接制動也稱為反轉(zhuǎn)制動，就是將電源的任意兩相對調(diào)后，電動機定子產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，使電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，最終使電動機快速停止的制動方法。常見的反接制動形式有電源反接和倒拉反轉(zhuǎn)反接。

4.3.3.1電源反接制動上一頁下一頁返回第三十三頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)電源反接制動的接線方式如圖4.16所示，將電動機的任意兩根電源線對調(diào)，就改變了電動機的電源相序。交流電動機的旋轉(zhuǎn)方向是由電源相序決定的，所以電源相序發(fā)生改變，電動機的定子磁場旋轉(zhuǎn)方向也就跟隨改變，轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩的方向也會改變，但電動機的轉(zhuǎn)子因慣性而保持原來的旋轉(zhuǎn)方向不變，致使電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的加速度，電動機轉(zhuǎn)速快速下降，直到停止。具體工作過程:QS閉合，電源接通，系統(tǒng)進入準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。接觸器KM1主觸點閉合，電路接通，電動機正向旋轉(zhuǎn)工作。電動機工作結(jié)束需要停止時，斷開KM1的主觸點，電動機主電路斷電后因慣性而旋轉(zhuǎn)。上一頁下一頁返回第三十四頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)同時接通接觸器KM2，則KM2主觸點閉合，定子電流因U相與W相對調(diào)而產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的磁場，致使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速快速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到較低即接近停止的時候，轉(zhuǎn)速繼電器KV工作，切斷接觸器KM2所在電路。KM2斷電，其主觸點斷開制動電源，制動過程結(jié)束。由此可見，反接制動的特點是:(1)反接制動是直接利用交流電源進行制動的，不像能耗制動那樣需要直流電源，所以降低了成本。

(2)反接制動時定子產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向相反的磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線的速度比較高，這樣轉(zhuǎn)子的電流就比較大，并產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機快速降速或停止，制動效果好。上一頁下一頁返回第三十五頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)

(3)由于有轉(zhuǎn)速繼電器的介入，電動機轉(zhuǎn)速接近零時電動機自動停止，不用人為監(jiān)視看守。

(4)電路簡單，容易操作，方便維護、維修。(5)反接制動轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩很大，對軸產(chǎn)生相當(dāng)大的扭矩，容易損傷轉(zhuǎn)軸，所以反接制動盡量不要帶過大負載或?qū)S的強度要求應(yīng)高一些。能耗制動和反接制動是應(yīng)用比較普遍的兩種制動方式。能耗制動的制動過程比較慢，且需要直流電源部分，因而投資比較大，但是對軸損傷比較小，可以帶大負載制動;而反接制動的制動過程比較快，不需要額外的電源，但是對軸損傷比較大，因此電動機盡量不帶大負載，以免制動時損傷電動機的轉(zhuǎn)軸。上一頁下一頁返回第三十六頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)在實際工作中，應(yīng)根據(jù)負載的特點和要求選擇合適的制動方式。4.3.3.2倒拉反轉(zhuǎn)反接制動所謂倒拉反轉(zhuǎn)反接制動，就是從高處向下釋放重物的時候，給重物施加向上的牽引力，不至于重物做自由落體運動，最終使重物以設(shè)定的速度向下運行降落。倒拉反轉(zhuǎn)反接制動經(jīng)常用于高層建筑等環(huán)境中，當(dāng)需要從很高的位置向下放重物時，重物在高處具有很高的位能(重力勢能)，如果不加限制地從高處下放重物，則重物易摔壞。為了避免這一現(xiàn)象，必須給它施加一個向上的力，用來限制它下降的速度。限制重物下落速度的方法有機械式的，如采用抱閘的形式限制下降速度;還有電氣的方法，如采用倒拉反轉(zhuǎn)反接制動的形式。上一頁下一頁返回第三十七頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)倒拉反轉(zhuǎn)反接制動就是對繞線式電動機在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻，借助向上的電磁拉力來限制重物下降的速度，最后使重物安全降落。倒拉反轉(zhuǎn)反接制動時，電動機工作電路如圖4.17(a)電路部分。當(dāng)在開關(guān)QS閉合、KM1接通且電動機轉(zhuǎn)子繞組不外加電阻而直接連接的情況下，電動機對應(yīng)特性曲線②運行，此時負載的負載轉(zhuǎn)矩TL和電動機特性曲線相交點就是此時電動機勻速運行的上升狀態(tài)。當(dāng)重物運送到建筑物的頂點時，電動機停止以保證卸料。卸料結(jié)束，運送系統(tǒng)又要把建筑垃圾等和需要送到地面的物品運送到地面，這樣就進入了下降狀態(tài)。在下降以前將繞線式電動機轉(zhuǎn)子串入適當(dāng)?shù)碾娮璨⒔油娫?，此時電動機特性曲線變軟，如圖4.17(b)所示特性曲線中的①曲線。上一頁下一頁返回第三十八頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)電動機電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩相交于負轉(zhuǎn)速象限(第四象限)，表明重物正在下降，且由于電動機向上的轉(zhuǎn)矩使重物的下降速度比較緩慢，這樣也就達到了限制降落速度的目的。4.3.4回饋制動回饋制動也稱為發(fā)電機制動。電動機的定子接三相交流電源，轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生很高的電動勢，并將過高的電動勢回饋到電源(或電網(wǎng))的制動方式，叫做回饋制動或發(fā)電機制動。回饋制動的基本電路如圖4.18(a)所示，基本工作原理如圖4.18(b)所示。電動機帶動重物從右側(cè)N的位置向上移動，當(dāng)移動到頂端后重物開始向下移動，進入到M所在的斜面。上一頁下一頁返回第三十九頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)在電動機向下移動的過程中，電動機的牽引和重物本身的重力作用，使物體不斷加速。電動機低速的時候，定子的反電動勢就比較小;隨著電動機轉(zhuǎn)速升高，定子繞組的反電動勢也開始升高。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于電動機定子的同步轉(zhuǎn)速n，時，定子就相當(dāng)于一個數(shù)值很小的電抗，其反電動勢接近電源電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于電動機定子的同步轉(zhuǎn)速時，電動機轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個旋轉(zhuǎn)的磁場，使定子在該磁場的作用下開始發(fā)電。當(dāng)定子繞組發(fā)電產(chǎn)生的電動勢和定子自身的反電動勢疊加高于電源電壓時，電動機就處于發(fā)電狀態(tài)，并將所發(fā)出來的電能回送到電源(或電網(wǎng))。而此時電動機轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，電動機便處于制動狀態(tài)。上一頁下一頁返回第四十頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)這就是電動機回饋制動的基本過程，由于該過程比較少見，所以回饋制動的應(yīng)用也比較少見。4.3.5電容制動電容制動是指在運行著的異步電動機切斷電源后，迅速在定子繞組的端線上接入電容器來實現(xiàn)制動的一種方法，其電路如圖4.19所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)著的電動機斷開電源時，轉(zhuǎn)子因具有慣性而仍然繼續(xù)轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子周圍形成一個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場切割定子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過電容器組成閉合電路，對電容器進行充電，在定子繞組中形成勵磁電流，建立一個磁場，與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生一個阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的制動轉(zhuǎn)矩，使電動機迅速停止，完成制動過程。上一頁下一頁返回第四十一頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)在這個過程中，定子繞組中產(chǎn)生的也是交流電。如果將定子直接接通，定子繞組存在很大的電感，使轉(zhuǎn)子電流和定子產(chǎn)生的磁場不同步，則制動轉(zhuǎn)矩比較小，制動效果比較差。當(dāng)利用電容制動時，電容的電流相位正好與定子電感相位相反而相互抵消，使定子接近純電阻狀態(tài)，定子磁場和轉(zhuǎn)子電流同步，則轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生比較大的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快速下降，制動效果也比較好。工作過程:在工作結(jié)束的時候，切斷KM1接觸器，同時接通KM2接觸器，電動機由運行狀態(tài)進入制動狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速下降，定子電動勢和制動轉(zhuǎn)矩減小，直到最后結(jié)束。制動結(jié)束后電動機停止，電容也就停止工作了。上一頁下一頁返回第四十二頁，共77頁。任務(wù)3交流電動機的制動及其實現(xiàn)電容的連接方法有星形接法和三角形接法兩種，星形接法的時候電容兩端電壓為相電壓，同等制動效果時所需要的電容量比較大;而三角形接法時，電容兩端是線電壓，產(chǎn)生同樣的制動效果時所需要的電容量比較小。電容制動的過程比較平穩(wěn)，制動速度比較慢，對軸的沖擊力較小，不需要其他電源，能量損耗比較小，但是需要配備合適的電容器組。一般采用經(jīng)驗性的公式來計算三角形連接的電容器:C=4.85xkxl0。對于星形連接的電容器:C=8.4xkxl0,k=4~8。上一頁返回第四十三頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)

4.4.1變極調(diào)速變極調(diào)速就是改變電動機定子繞組的磁極對數(shù)的調(diào)速方法，這種方法只適用于調(diào)速電動機，而普通交流電動機是不能這樣進行的。首先，普通電動機的連接方式是固定的，每一相繞組是連接好且無法改變的;其次，電動機本身的參數(shù)不適合改變接法，如果硬性地改變電動機定子繞組的接線，則會使電動機損壞。變極調(diào)速的接線如圖4.20和圖4.21所示。變極調(diào)速的基本電路有兩種方式:第一種就是Υ連接轉(zhuǎn)變成ΥΥ連接，寫成Υ/ΥΥ電動機;第二種就是D連接轉(zhuǎn)變成ΥΥ連接，寫成D

/ΥΥ電動機。不管哪種方式都是將多極數(shù)轉(zhuǎn)化成少極數(shù)，這樣就會使電動機由低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到高轉(zhuǎn)速。下一頁返回第四十四頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)對于圖4.20所示的電路圖，接成Υ連接時電動機的兩組繞組是串聯(lián)，轉(zhuǎn)換成ΥΥ連接時兩組繞組是并聯(lián)。電動機由四極轉(zhuǎn)換成兩極，同步轉(zhuǎn)速也由1500r/min轉(zhuǎn)換成3000r/min。這種接法的電動機，不管繞組串聯(lián)還是并聯(lián)，相電壓都是不變的，這樣在設(shè)計和使用的過程中都要考慮電流的變化，因此這種電動機比較少見。對于圖4.21所示的電路，電路由△連接轉(zhuǎn)換成ΥΥ連接，電動機的極數(shù)由四極轉(zhuǎn)換成兩極，同步轉(zhuǎn)速也由1500r/min轉(zhuǎn)換成3000r/min。這種接法的電動機繞組角接時是兩組繞組串聯(lián)，星接時是兩組繞組并聯(lián)，這樣連接的電動機繞組的電流變化不大，較為常用。上一頁下一頁返回第四十五頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)變極調(diào)速的電動機具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好;無轉(zhuǎn)差損耗，效率高;接線簡單、控制方便、價格低;有級調(diào)速，級差較大，不能實現(xiàn)平滑調(diào)速。本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、起重設(shè)備、風(fēng)機和水泵等。

4.4.2變頻調(diào)速4.4.2.1基本工作原理變頻調(diào)速的基本原理:利用變頻器將50Hz的交流電源轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電源加在電動機的定子繞組上。由于電動機定子的電源頻率改變了，則電動機定子磁場的同步轉(zhuǎn)速也跟隨變化，這樣就改變了電動機的旋轉(zhuǎn)速度。上一頁下一頁返回第四十六頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)在電源頻率變化的時候，電動機定子磁通隨著頻率的減小而增加，當(dāng)定子磁通進入飽和狀態(tài)的時候就不再變化。此時電源頻率減小，定子的反電動勢下降，定子電流升高。為了消除這種現(xiàn)象，在改變頻率的同時，也需要減小變頻器的輸出電壓，即變頻器在變頻的同時也要改變電壓，這樣可以保證電動機的頻率和電壓始終處于合理的工作狀態(tài)。變頻器的基本接線端子名稱如圖4.22所示。在變頻控制過程中，電路接線如圖4.23所示。當(dāng)需要調(diào)速時可改變PIN接線端子連接的劃線變阻器的滑動觸頭，使進入PIN端子的電壓發(fā)生變化，變頻器的輸出頻率就隨之改變，電動機的轉(zhuǎn)速也就得到了調(diào)整。如果不需要改變電動機轉(zhuǎn)速，而需要電動機工作在工頻狀態(tài)，則只需斷開KM1、接通KM2即可。上一頁下一頁返回第四十七頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)

4.4.2.2變頻器的分類變頻器可分成交流—直流—交流變頻器和交流—交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交流—直流—交流變頻器。其特點是:效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗;應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機;調(diào)速范圍大、特性硬、精度高;技術(shù)復(fù)雜、造價高、維護檢修困難。廣泛用于要求精度高、調(diào)速性能較好的場合和城市供水系統(tǒng)中。4.4.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速就是通過加大轉(zhuǎn)子和定子磁場的轉(zhuǎn)速差來達到調(diào)速的目的。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法有改變定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速三種。上一頁下一頁返回第四十八頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)這些調(diào)速方法的共同特點是在調(diào)速過程中都產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率。前兩種調(diào)速方法都是把轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電路里，很不經(jīng)濟，而串級調(diào)速能將轉(zhuǎn)差功率加以吸收或大部分反饋給電網(wǎng)，提高了經(jīng)濟性能。4.4.3.1改變定子電壓調(diào)速對于轉(zhuǎn)子電阻大、機械特性曲線較軟的籠型異步電動機而言，如加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，則負載TL對應(yīng)于不同的電源電壓U1,U2，可獲得不同的工作點a1、a2，如圖4.24所示。改變定子電壓調(diào)速的缺點是低壓時機械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大，可采用帶速度負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)來解決該問題。由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此其最大轉(zhuǎn)矩會下降很多，電動機的調(diào)速范圍較小，一般籠型電動機難以應(yīng)用。上一頁下一頁返回第四十九頁，共77頁。任務(wù)4交流電動機的調(diào)速及其實現(xiàn)為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏變阻器。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，在調(diào)速為2:1以上的場合應(yīng)采用反饋控制，以達到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓裝置有串聯(lián)飽和電抗器、自藕變壓器以及晶閘管等幾種