大學(xué)課件-機(jī)電傳動(dòng)控制(完整)

第一章概述1.1機(jī)電傳動(dòng)的目的和任務(wù)1.2機(jī)電傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1.3課程的性質(zhì)和任務(wù)1.4課程的內(nèi)容安排1.5對(duì)本課程學(xué)習(xí)的基本要求1．1機(jī)電傳動(dòng)控制的目的與任務(wù)

一、機(jī)電系統(tǒng)的組成

機(jī)電系統(tǒng)完成生產(chǎn)任務(wù)的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件的原動(dòng)機(jī)（這里指的是各種電動(dòng)機(jī)）之總稱(chēng)控制電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)和控制電動(dòng)機(jī)的一整套電氣系統(tǒng)二、機(jī)電傳動(dòng)控制的任務(wù)

將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止以及速度的調(diào)節(jié)；

完成各種生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求；

保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。三、機(jī)電傳動(dòng)控制的目的

從廣義上講，機(jī)電傳動(dòng)控制的目的就是要使生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線、車(chē)間乃至整個(gè)工廠都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

從狹義上講，則指控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量的增加（效率）、質(zhì)量的提高（精度）、生產(chǎn)成本的降低、工人勞動(dòng)條件的改善以及能量的合理利用等。

1.1機(jī)電傳動(dòng)的目的和任務(wù)生產(chǎn)機(jī)械平面磨床生產(chǎn)機(jī)械織布機(jī)控制減速器電動(dòng)機(jī)1.1機(jī)電傳動(dòng)的目的和任務(wù)軋鋼機(jī)電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器減速器輸入(電動(dòng)機(jī))輸出(生產(chǎn)機(jī)械)

隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展，對(duì)機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求愈來(lái)愈高。

一些精密機(jī)床要求加工精度百分之幾毫米，甚至幾微米；

重型鏜床為保證加工精度和粗糙度，要求在極慢的穩(wěn)速下進(jìn)給，即要求系統(tǒng)有很寬的調(diào)速范圍；

軋鋼車(chē)間的可逆式軋機(jī)及其輔助機(jī)械，操作頻繁，要求在不到一秒的時(shí)間內(nèi)完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過(guò)程，即要求系統(tǒng)能迅速啟動(dòng)、制動(dòng)和反向；

對(duì)于電梯和提升機(jī)，則要求啟動(dòng)和制動(dòng)平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確地停止在給定的位置上；

對(duì)于冷、熱連軋機(jī)以及造紙機(jī)的各機(jī)架或分部，則要求各機(jī)架或各分部的轉(zhuǎn)速保持一定的比例關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；

為了提高效率，由數(shù)臺(tái)或十幾臺(tái)設(shè)備組成的生產(chǎn)自動(dòng)線，要求統(tǒng)一控制或管理。

諸如此類(lèi)的要求，都要靠電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.2機(jī)電傳動(dòng)控制的發(fā)展

機(jī)電傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)總是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展而發(fā)展的。機(jī)電傳動(dòng)控制的發(fā)展可從機(jī)電傳動(dòng)和控制系統(tǒng)兩方面來(lái)討論。一、機(jī)電傳動(dòng)的發(fā)展

成組拖動(dòng)——一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一根天軸（或地軸），然后再由天軸（或地軸）通過(guò)皮帶輪和皮帶分別拖動(dòng)多臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械。

單電機(jī)拖動(dòng)——一臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的各運(yùn)動(dòng)部件。

多電機(jī)拖動(dòng)——一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件分別由不同的電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。

特點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、一旦電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，將造成成組的生產(chǎn)機(jī)械停車(chē)；

這種拖動(dòng)方式較成組拖動(dòng)前進(jìn)了一步，但當(dāng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件較多時(shí)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍十分復(fù)雜；成組拖動(dòng)－單電機(jī)拖動(dòng)－多電機(jī)拖動(dòng)二．機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展

控制系統(tǒng)的發(fā)展伴隨控制器件的發(fā)展而發(fā)展。隨著功率器件、放大器件的不斷更新，機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，它主要經(jīng)歷了下面幾個(gè)階段：

1．繼電器—接觸器控制：出現(xiàn)在20世紀(jì)初，它僅借助于簡(jiǎn)單的接觸器與繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的啟動(dòng)、停車(chē)以及有級(jí)調(diào)速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；

2．電機(jī)放大機(jī)控制：3．磁放大器控制和大功率可控制水銀整流器控制：5．?dāng)?shù)字控制（CNC）：自動(dòng)化程度、通用性和加工效率。4．大功率可控整流元件晶閘管控制和功率晶體管控制

柔性制造系統(tǒng)（FMS）—由數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)搬運(yùn)車(chē)等組成的統(tǒng)一由中心計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械加工自動(dòng)線，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車(chē)間和自動(dòng)化工廠的重要組成部分。

機(jī)械制造自動(dòng)化高級(jí)階段是走向設(shè)計(jì)、制造一體化，即利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的完整系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計(jì)直到裝配、試驗(yàn)和質(zhì)量管理這一全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

為了實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的高效率、高柔性、高質(zhì)量，研制計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）是人們現(xiàn)在的任務(wù)。1.5對(duì)本課程學(xué)習(xí)的基本要求了解機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和基本規(guī)律；掌握常用電機(jī)、電器、晶閘管的工作原理主要特性，了解其應(yīng)用與選用；掌握繼電器－接觸器的工作原理，學(xué)會(huì)用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制；掌握常用的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理和特點(diǎn)，了解性能和應(yīng)用場(chǎng)所。學(xué)會(huì)分析機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法。11第二章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式2.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.3生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件122.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式電動(dòng)機(jī)（M）生產(chǎn)機(jī)械TLTM+TL圖2.1單軸拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）動(dòng)態(tài)（加速或減速）132.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式單軸機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式TM----電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TL----負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2---飛輪矩n-----轉(zhuǎn)速t-----時(shí)間14動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩

恒速正值加速負(fù)值減速2.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式152.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式TM與n同向?yàn)檎齌L與n相反為正啟動(dòng)時(shí)制動(dòng)時(shí)拖動(dòng)矩（TM、n同向）制動(dòng)矩（TM、n反向）TM與n符號(hào)相同，則TM作用方向與n相同，TM為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；TM與n符號(hào)相反，則TM作用方向與n相反，TM為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；TL與n符號(hào)相同，則TL作用方向與n相反，TL為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；TL與n符號(hào)相反，則TL作用方向與n相同，TL為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。162.1機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式例2-11.列出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式；2.說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。加速運(yùn)行狀態(tài)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩制動(dòng)矩制動(dòng)矩減速減速1172.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算

為了對(duì)多軸拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的分析，一般是將多軸拖動(dòng)系統(tǒng)等效折算為單軸系統(tǒng)。182.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算多軸旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載功率=折算后的負(fù)載功率速比依據(jù)系統(tǒng)傳遞功率不變的原則:傳動(dòng)效率負(fù)載功率:電動(dòng)機(jī)軸上的功率:傳動(dòng)效率：19多軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算（下放重物）2.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算負(fù)載功率:202.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.2.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算依據(jù)動(dòng)能守恒原則，折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為電機(jī)軸、中間軸、負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；電動(dòng)機(jī)軸與中間傳動(dòng)軸之間的速比；電機(jī)軸與負(fù)載軸之間的速度比；電機(jī)軸、中間軸、負(fù)載軸上的角速度中間軸、電機(jī)軸上的齒數(shù)。（旋轉(zhuǎn)型）212.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算2.2.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算依據(jù)動(dòng)能守恒原則，折算到電機(jī)軸上的總飛輪矩為（旋轉(zhuǎn)型）經(jīng)驗(yàn)公式電機(jī)軸、中間軸、生產(chǎn)機(jī)械軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩。式中，22直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪矩為多軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式2.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算23例2-2Z2/Z1=3，Z4/Z3=5，解（1）2.2轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪轉(zhuǎn)矩的折算24解（2）飛輪矩的折算近似計(jì)算252.3生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性生產(chǎn)機(jī)械的特性2.3.1恒轉(zhuǎn)矩型機(jī)械特性nTLT-TL（a）反抗轉(zhuǎn)矩

（摩擦轉(zhuǎn)矩）（T與n的方向恒為相反）nTTL（b）位能轉(zhuǎn)矩（因重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩）（T的方向恒定與無(wú)關(guān)）1262.3生產(chǎn)機(jī)械的特性2.3.2離心式通風(fēng)機(jī)型機(jī)械特性2.3.3直線型機(jī)械特性2.3.4恒功率型機(jī)械特性Tn0

T0離心式通風(fēng)機(jī)型機(jī)械特性Tn0直線型機(jī)械特性恒功率型機(jī)械特性Tn0272.4機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械連成一體，為了使系統(tǒng)運(yùn)行合理，就要使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性盡量相配合。特性配合好的一個(gè)基本要求是系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。

一、機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的含義1.系統(tǒng)應(yīng)能一定速度勻速運(yùn)行；2.系統(tǒng)受某種外部干擾（如電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等）使運(yùn)行速度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)保證在干擾消除后系統(tǒng)能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行速度。28

二、機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

從T—n坐標(biāo)上來(lái)看，就是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線n=f(TM)和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線n=f(TL)必須有交點(diǎn)，交點(diǎn)被稱(chēng)為平衡點(diǎn)。2.充分條件系統(tǒng)受到干擾后，要具有恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力，即：當(dāng)干擾使速度上升時(shí)，有TM<TL

；否則，當(dāng)干擾使速度下降時(shí)，有TM>TL。這是穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件。

符合穩(wěn)定運(yùn)行條件的平衡點(diǎn)稱(chēng)為穩(wěn)定平衡點(diǎn)。

1.必要條件電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩TM和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL大小相等，方向相反。

當(dāng)有外部干擾時(shí)，速度變化，而在外部干擾消除后，系統(tǒng)能恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行速度。29

分析舉例a、b兩點(diǎn)是否為穩(wěn)定平衡點(diǎn)？a點(diǎn)：

當(dāng)負(fù)載突然增加后

當(dāng)負(fù)載波動(dòng)消除后

故a點(diǎn)為系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。

同理b點(diǎn)不是穩(wěn)定平衡點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性交點(diǎn)a交點(diǎn)b30

判斷下圖b點(diǎn)是否是系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)？解

系統(tǒng)中有交叉點(diǎn)ｂ，當(dāng)△ｎ↑時(shí)ＴM<ＴLTM-TL<0

當(dāng)△ｎ↓時(shí)

ＴM＞ＴTM-TL>0

b點(diǎn)是平衡穩(wěn)定點(diǎn)△ｎｎ△ｎ注意：1.兩機(jī)械特性曲線的區(qū)別，

2.同時(shí)滿足二穩(wěn)定平衡條件。

2.4機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件31第三章直流電機(jī)的工作原理及特性3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性3.5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性3.6直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性32與異步電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便，而且要使用直流電源。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。（2）起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動(dòng)、停車(chē)。（3）易于控制。應(yīng)用：（1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車(chē)、無(wú)軌電車(chē)、中大型龍門(mén)刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方。（3）家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)玩具定義：機(jī)械能直流電能直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)33第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機(jī)的工作原理，直流電機(jī)的組成可分為定子、轉(zhuǎn)子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵(lì)磁繞組兩部分組成。

轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。

換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動(dòng)接觸。34第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)換向器定子轉(zhuǎn)子35第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(定子剖面圖)主磁極換向極36第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖）轉(zhuǎn)子換向片轉(zhuǎn)軸電樞線圈37第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(換向器圖）電刷換向片38把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為電機(jī)具有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和B。1—主磁極：勵(lì)磁繞組上加上直流電壓，勵(lì)磁繞組上有勵(lì)磁電流通過(guò)，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)。392—電樞繞組：在固定的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。3、4—換向器：電刷固定不動(dòng)，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，主要作用對(duì)發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢(shì)。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。3—換向片4—電刷40第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1.2直流電機(jī)的工作原理有關(guān)磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量

磁感應(yīng)強(qiáng)度B(磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向)NSNSNS電流方向右手螺旋法則41第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1.2直流電機(jī)的工作原理有關(guān)磁場(chǎng)的幾個(gè)物理量

右手定則左手定則B---磁感應(yīng)強(qiáng)度v---速度方向e---感應(yīng)電勢(shì)I---電流方向f---電磁力方向電磁感應(yīng)定理電磁力定理42直流發(fā)電機(jī)用右手定則判感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的方向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出電壓U+–NSEEIa第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

3.1.2直流電機(jī)的工作原理電樞繞組電阻Ra43直流電動(dòng)機(jī)U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II44注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無(wú)論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場(chǎng)的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。FFU+–NS電刷換向片II電磁轉(zhuǎn)矩45FFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)46電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1.電動(dòng)勢(shì)E

根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:式中：E——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；

Φ——對(duì)磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；

Ke——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

直流發(fā)電機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相同，被稱(chēng)為電源電動(dòng)勢(shì)。直流電動(dòng)機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相反，被稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)。472．電磁轉(zhuǎn)矩T

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，其大小可用如下公式表示：式中：T——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

Φ——對(duì)磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Kt——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt=9.55Ke48

直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用是不同的。

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。因此，在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。49第三章直流電機(jī)的工作原理及特性

他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)按勵(lì)磁方式分類(lèi)2503．3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

不同勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行特性也不盡相同，下面主要介紹在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的較廣泛的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的原理電路圖。3.3.1

他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性51

式中:——外加電樞電壓（V）；——感應(yīng)電勢(shì)（V）；——電樞電流（A）；——電樞回路內(nèi)阻（Ω）電樞回路部分勵(lì)磁回路部分52

即：……轉(zhuǎn)速特性……機(jī)械特性531.理想空載轉(zhuǎn)速：T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)速，用n0表示。2.轉(zhuǎn)速降落3.機(jī)械特性硬度

為了衡量機(jī)械特性的平直程度，引入機(jī)械特性硬度的概念，其定義為：理想空載點(diǎn)54

即轉(zhuǎn)矩變化與所引起的轉(zhuǎn)速變化的比值，稱(chēng)為機(jī)械特性的硬度。

根據(jù)

值的不同，可將電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分為三類(lèi)。

（1）絕對(duì)硬特性

（2）硬特性

>10

（3）軟特性

<10

551、固有機(jī)械特性

直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性指的是在額定條件（額定電壓UN和額定磁通

N

)下和電樞電路內(nèi)不外接任何電阻時(shí)的

n=f(T)

即:

直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)求出(0,n0)和(TN,nN)即可繪出固有的機(jī)械特性。

通常直流電動(dòng)機(jī)銘牌上給出額定功率PN

、額定電壓UN

、額定電流IN和額定轉(zhuǎn)速nN。

固有機(jī)械特性的計(jì)算步驟如下。56(1)估算電樞電阻Ra

依據(jù)：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的銅耗Ia2Ra約占總損耗

PN的50%～75%。式中：是額定運(yùn)行條件下電動(dòng)機(jī)的效率，且此時(shí)故得57(2)求

額定運(yùn)行條件下的反電勢(shì)為：故(3)求理想空載轉(zhuǎn)速:得(4)求額定轉(zhuǎn)矩:得根據(jù)兩點(diǎn)，就可作出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)近似是機(jī)械特性曲線582、人為機(jī)械特性

人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓U和勵(lì)磁磁通Φ的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機(jī)械特性。1.電樞回路中串接附加電阻時(shí)的人為特性電壓平衡方程式為：得到的人為機(jī)械特性方程式為：59

特性變軟理想空載速度不變；隨著電阻的增加，轉(zhuǎn)速降落增加；602.改變電樞電壓U時(shí)的人為特性

由于電動(dòng)機(jī)電樞繞組絕緣耐壓強(qiáng)度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調(diào)節(jié)，所以，不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下。理想空載速度隨著U的減小而減小；轉(zhuǎn)速降落不變；

特性硬度不變613．改變磁通

時(shí)的人為特性轉(zhuǎn)速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉(zhuǎn)速隨磁通的改變而變化；特性變軟62由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和它對(duì)應(yīng)的磁通只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

當(dāng)磁通過(guò)分削弱后：

（2）當(dāng)＝0時(shí)，從理論上說(shuō)，空載時(shí)電動(dòng)機(jī)速度趨近

，通常稱(chēng)為“飛車(chē)”；

當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，電樞電流為Ist

，長(zhǎng)時(shí)間的大電流會(huì)燒壞電樞繞組。

因此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前必須先加勵(lì)磁電流，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，決不允許勵(lì)磁電路斷開(kāi)或勵(lì)磁電流為零，為此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在使用中，一般都設(shè)有“失磁”保護(hù)。

（1）如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，將使電動(dòng)機(jī)電流大大增加而嚴(yán)重過(guò)載；63電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性例題

例3-1

一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電樞反電勢(shì)E＝E1，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=常數(shù)，外加電壓和電樞電路中的電阻均不變，問(wèn)減弱勵(lì)磁使轉(zhuǎn)速上升到新的穩(wěn)態(tài)值后，電樞反電勢(shì)將如何變化?是大于、小于還是等于E1?解

兩個(gè)已知條件，一個(gè)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＝常數(shù)；一個(gè)是從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)(而不涉及瞬態(tài)過(guò)程)。注意：從不能判斷E是如何變化的64例一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：，計(jì)算：（1）固有機(jī)械特性；（2）電樞串接電阻（3）電壓降為（4）磁通減弱為時(shí)的人為特性；時(shí)的人為特性；時(shí)的人為特性；（5）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)以的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，問(wèn)有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數(shù)。解（1）固有機(jī)械特性：

65固有特性為

理想空載點(diǎn)：

額定工作點(diǎn)：

連接這兩點(diǎn)，得固有特性曲線，如圖中曲線4。

66（2）時(shí)的人為特性

不變，

增大為

人為特性為

當(dāng)時(shí)

特性曲線如圖2.2.7中曲線1所示。（3）時(shí)的人為特性

斜率不變，變?yōu)?/p>

67人為特性為

當(dāng)時(shí)

特性曲線如圖2.2.7中曲線2所示。（4）時(shí)的人為特性

均變化

人為特性為

當(dāng)時(shí)

681串電阻特性8274固有特性165424813弱磁特性

2降壓特性

圖2.2.7人為機(jī)械特性

69（5）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)速下降為時(shí)，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電樞串入時(shí)，變化。

將代入機(jī)械特性：

得

應(yīng)串入的電阻為

70當(dāng)電壓下降時(shí)，由

得

3713.4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性一、啟動(dòng)特性

對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，在未啟動(dòng)之前n=0,E=0,而Ra一般很小。當(dāng)將電動(dòng)機(jī)直接接入電網(wǎng)并施加額定電壓時(shí)，啟動(dòng)電流為：

這個(gè)電流很大，一般情況下能達(dá)到其額定電流的（10～20）倍。過(guò)大的啟動(dòng)電流危害很大：

（1）對(duì)電動(dòng)機(jī)本身的影響：

?使電動(dòng)機(jī)在換向過(guò)程中產(chǎn)生危險(xiǎn)的火花，燒壞整流子；

?過(guò)大的電樞電流產(chǎn)生過(guò)大的電動(dòng)應(yīng)力，可能引起繞組的損壞；72

（2）對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響：

與啟動(dòng)電流成正比例的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，過(guò)大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩會(huì)在機(jī)械系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生過(guò)大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩沖擊，使機(jī)械傳動(dòng)部件損壞；

（3）對(duì)供電電網(wǎng)的影響：

過(guò)大的啟動(dòng)電流將使保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷電源造成事故，或者引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他負(fù)載的正常運(yùn)行。

因此，直流電動(dòng)機(jī)是不允許直接啟動(dòng)的，即在啟動(dòng)時(shí)必須設(shè)法限制電樞電流，例如普通的Z2型直流電動(dòng)機(jī)，規(guī)定電樞的瞬時(shí)電流不得大于額定電流的1.5～2倍。73二、啟動(dòng)方法

限制直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，一般有降壓?jiǎn)?dòng)和電樞回路串電阻啟動(dòng)兩種方式。1.降壓?jiǎn)?dòng)：

所謂降壓?jiǎn)?dòng)即在啟動(dòng)瞬間，降低供電電源電壓，隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)增大，再逐步提高供電電壓，最后達(dá)到額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。2.電樞回路串電阻啟動(dòng)

啟動(dòng)時(shí)，電樞回路串接啟動(dòng)電阻Rst,此時(shí)啟動(dòng)電流Ist=UN/(Ra+Rst)將受外加啟動(dòng)電阻的限制。隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。74電樞回路串電阻啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞電路和啟動(dòng)特性如圖所示：

直線1為電動(dòng)機(jī)電樞回路串接啟動(dòng)電阻時(shí)的機(jī)械特性，直線2為電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。啟動(dòng)電阻的大小就是保證啟動(dòng)電流為額定值的兩倍。75

從圖中不難看出：當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)切換到b點(diǎn)時(shí)，沖擊電流仍很大，為了解決這種現(xiàn)象，通常采用逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖所示為具有三段啟動(dòng)電阻的原理電路和啟動(dòng)特性。

圖中：－尖峰（最大）轉(zhuǎn)矩；－換接（最?。┺D(zhuǎn)矩76

由上可見(jiàn)，啟動(dòng)級(jí)數(shù)愈多，T1、T2愈與平均轉(zhuǎn)矩

接近，啟動(dòng)過(guò)程快而平穩(wěn)，但所需的控制設(shè)備也就愈多。我國(guó)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)控制柜都是按快速啟動(dòng)原則設(shè)計(jì)的，一般啟動(dòng)電阻為（3～4）段。

多級(jí)啟動(dòng)時(shí)，T1、T2的數(shù)值需按照電動(dòng)機(jī)的具體啟動(dòng)條件決定，一般原則是保持每一級(jí)的最大轉(zhuǎn)矩T1（或最大電流I1

）不超過(guò)電動(dòng)機(jī)的允許值，而每次切換電阻時(shí)的T2（或最小電流I2

）也基本相同，一般選擇：77一、速度調(diào)節(jié)和速度變化調(diào)速（又稱(chēng)速度調(diào)節(jié)）與速度變化是兩個(gè)完全不同的概念

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖所示。轉(zhuǎn)速的變化是人為改變（或調(diào)節(jié)）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱(chēng)調(diào)速或速度調(diào)節(jié)。3.5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性78

速度變化是指由于電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（增大與減?。┗蚱渌豢深A(yù)見(jiàn)因素引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升），如圖所示。

速度變化是在某條機(jī)械特性上，由于負(fù)載改變而引起的；而速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到的。79

速度變化

速度調(diào)節(jié)80二、調(diào)速方法從直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式

可知：改變串入電樞回路的電阻Rad

；改變電樞供電電壓U或主磁通

，都可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而在負(fù)載不變時(shí)可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到速度調(diào)節(jié)的要求，故直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有以下三種。

813.5.1電樞電路外串電阻Rad缺點(diǎn)1.機(jī)械特性變軟，穩(wěn)定性差；2.輕載時(shí)調(diào)速范圍不大；3.無(wú)級(jí)調(diào)速困難；4.電阻上消耗大量電能；適用于起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)。823.5.2改變電壓調(diào)速其中，

從特性可看出，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉(zhuǎn)速。如在電壓分別為UN、U1、U2、U3的情況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點(diǎn)a、b、c和d，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為na、nb、nc、nd。即改變電樞電壓可以達(dá)到調(diào)速的目的。83

改變電樞外加電壓調(diào)速有如下特點(diǎn)：1）當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速可以平滑無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；2）調(diào)速特性與固有特性互相平行，機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；3）調(diào)速時(shí)，因電樞電流與電壓U無(wú)關(guān)，且

=

N，轉(zhuǎn)矩T=Kt

N

Ia不變。

調(diào)速過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速特性稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性的調(diào)速方法適合于對(duì)恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速；4）可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，而不用其他啟動(dòng)設(shè)備。843.5.3改變主磁通φ從特性可看出，在一定的負(fù)載功率PL下，不同的主磁通

N、

1、

2、，可以得到不同的轉(zhuǎn)速na、nb、nc。即改變主磁通

可以達(dá)到調(diào)速的目的。85

改變電動(dòng)機(jī)主磁通特點(diǎn)：1）可以平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；2）調(diào)速特性較軟，且受電動(dòng)機(jī)換向條件等的限制。

普通他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，所以，調(diào)速范圍不大，若使用特殊制造的“調(diào)速電動(dòng)機(jī)”，調(diào)速范圍可以增加，但這種調(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積和所消耗的材料都比普通電動(dòng)機(jī)大得多；3）調(diào)速時(shí)維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=UIa電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。

在調(diào)速過(guò)程中，輸出功率不變的這種特性稱(chēng)為恒功率調(diào)速，這種調(diào)速適合于對(duì)恒功率型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速。86例一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：

帶額定負(fù)載運(yùn)行，求：

（1）欲使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為，電樞回路應(yīng)串多大電阻？

（2）采用降壓調(diào)速使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為，電壓應(yīng)降至多少伏？（3）減弱磁通使時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將升至多高？能否長(zhǎng)期運(yùn)行?解：

（1）

時(shí)，將各已知數(shù)代入

87得

電樞回路應(yīng)串電阻為

電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速

額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速降

降壓調(diào)速時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速

電樞電壓

（2）采用降壓調(diào)速使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為，電壓應(yīng)降至多少伏？88因?yàn)槌?shù)

所以

（3）減弱磁通使時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將升至多高？能否長(zhǎng)期運(yùn)行?89因?yàn)閹ь~定負(fù)載運(yùn)行，

電樞電流為

由于，所以不能長(zhǎng)期運(yùn)行。

4901．制動(dòng)與啟動(dòng)

啟動(dòng)：施電于電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)速度從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

制動(dòng)：使電動(dòng)機(jī)速度是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開(kāi)始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。2.制動(dòng)與自然停車(chē)1）自然停車(chē)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機(jī)械能使轉(zhuǎn)速慢慢下降，直到轉(zhuǎn)速為零而停車(chē)。這種停車(chē)過(guò)程需時(shí)較長(zhǎng)，不能滿足生產(chǎn)機(jī)械快速停車(chē)的要求；2）制動(dòng)：外加阻力轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)迅速停車(chē)。為了提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要加快停車(chē)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車(chē)等，要求電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)。3.6直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性913.電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)1)電動(dòng)狀態(tài)：

為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為阻轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能。電動(dòng)機(jī)的T和n方向相同,機(jī)械特性在1、3象限2）制動(dòng)狀態(tài)：為阻轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)的作用是吸收或消耗重物的機(jī)械能。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反，機(jī)械特性在2、4象限

924.電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)下的兩種情況1）使轉(zhuǎn)速迅速減速到停止，過(guò)渡的制動(dòng)狀態(tài)(n是變化的)2）限制位能負(fù)載的下降速度，穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài)(n=C)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的方法和制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部能量傳遞關(guān)系的不同，制動(dòng)方法分為三種：

反饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)933.6.1反饋制動(dòng)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，機(jī)械能變成電能向電源饋送稱(chēng)為反饋制動(dòng)特點(diǎn)：1）在外部條件的作用下，轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速；2）電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的作用方向與n的方向相反。941．電車(chē)走下坡路時(shí)的反饋制動(dòng)

設(shè)電車(chē)與地面的摩擦轉(zhuǎn)矩為T(mén)r

，阻轉(zhuǎn)矩；下坡時(shí)電車(chē)所產(chǎn)生的位能轉(zhuǎn)矩為T(mén)p，拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；且Tp>Tr

。

勻速走平路時(shí)（a點(diǎn)）：輸出轉(zhuǎn)矩TM用來(lái)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tr

。

在a—n0段：TM與n的方向相同，故為電動(dòng)狀態(tài)。在n0—b段：TM與n的方向相反，且工作速度大于理想空載轉(zhuǎn)速，故電動(dòng)機(jī)工作在反饋制動(dòng)狀態(tài)。952．電樞電壓突然下降時(shí)的反饋制動(dòng)

若電動(dòng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)將電樞電壓突然降低為U2，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€2，由于機(jī)械慣性，工作點(diǎn)由A轉(zhuǎn)換到B點(diǎn)。此時(shí)-TM-TL<0，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在TM、TL的共同的作用下沿著曲線2下降直到新的平衡點(diǎn)D。

在B—C段，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩TM的方向相反，運(yùn)行速度大于空載轉(zhuǎn)速n02，為反饋制動(dòng)狀態(tài)。96注意：反饋制動(dòng)只在調(diào)磁降速過(guò)程中產(chǎn)生Φ↑n↓TL3．調(diào)磁通調(diào)速過(guò)程中的反饋制動(dòng)97下放重物時(shí)的反饋制動(dòng)過(guò)程下放電動(dòng)狀態(tài)下放制動(dòng)狀態(tài)提升電動(dòng)狀態(tài)

a點(diǎn)→b點(diǎn)n↑E↑Ia↓-TM↓制動(dòng)矩B點(diǎn)→C點(diǎn)│n│>n0Ia=-Ia-TM→TM與n反方向制動(dòng)改變Rad改變下降的nRad太大n很高不安全98制動(dòng)簡(jiǎn)便可靠，不需改變接線能量回饋電網(wǎng)比較經(jīng)濟(jì)制動(dòng)只能在n>n0時(shí)，應(yīng)用范圍較窄適用于位能負(fù)載穩(wěn)定地下放的場(chǎng)合反饋制動(dòng)特點(diǎn)99

反接制動(dòng)具有如下特點(diǎn)：1）電動(dòng)機(jī)的外加電樞電壓U與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的方向在外界的作用下由相反變?yōu)橄嗤?）電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩TM與轉(zhuǎn)速n的方向相反。

在反接制動(dòng)中，把改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱(chēng)為電源反接制動(dòng)；而把改變電樞電動(dòng)勢(shì)E的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱(chēng)為倒拉反接制動(dòng)。3.6.2反接制動(dòng)1001．電源反接制動(dòng)

設(shè)電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓的參考方向?yàn)閳D中所示。

當(dāng)電壓的實(shí)際方向與參考方向相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為4101

當(dāng)電壓的實(shí)際方向與參考方向相相反時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為

其特性曲線分別如圖（b）中的曲線1和曲線2所示。102反向電動(dòng)正向電動(dòng)反接制動(dòng)位能負(fù)載反饋制動(dòng)103

注意:由于在反接制動(dòng)期間，電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電源電壓是串聯(lián)相加的，因此，為了限制電樞電流，電動(dòng)機(jī)的電樞電路中必須串接足夠大的限流電阻。

電源反接制動(dòng)一般應(yīng)用在生產(chǎn)機(jī)械要求迅速減速、停車(chē)和反向的場(chǎng)合以及要求經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的機(jī)械上。104制動(dòng)強(qiáng)烈而迅速有自動(dòng)反轉(zhuǎn)的可能，轉(zhuǎn)速接近零時(shí)應(yīng)立即切斷電源從電網(wǎng)吸取大量電能適用于要求迅速制動(dòng)的場(chǎng)合電源反接制動(dòng)特點(diǎn)1052.倒拉反接制動(dòng)(串接Rad改變斜率法)注意：這里T沒(méi)有反向選用不同的Rad可改變下放速度但不能太小，交叉點(diǎn)必須在第四象限106控制電路簡(jiǎn)單可實(shí)現(xiàn)低速下放重物適用于要求平穩(wěn)低速下放重物地場(chǎng)合倒拉反接制動(dòng)特點(diǎn)1073.6.3能耗制動(dòng)(U=0串接Rad)位能負(fù)載制動(dòng)狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行速度穩(wěn)定不會(huì)出現(xiàn)倒拉制動(dòng)那樣因計(jì)算不準(zhǔn)而引起不降反而上升的事故反抗負(fù)載制動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)出現(xiàn)反向起動(dòng)的危險(xiǎn)Rad不能太小I<Imax

電阻越小，產(chǎn)生的反向電流越大，制動(dòng)越快。108控制電路簡(jiǎn)單，平穩(wěn)可靠可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車(chē)制動(dòng)效果隨轉(zhuǎn)速成反比適用于要求減速平穩(wěn)，沒(méi)有反向而準(zhǔn)確停車(chē)地場(chǎng)合能耗制動(dòng)特點(diǎn)109正常接線可有三種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)反轉(zhuǎn)接線方法不同四象限對(duì)應(yīng)反轉(zhuǎn)狀態(tài)正轉(zhuǎn)狀態(tài)正常接線可有三種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)正轉(zhuǎn)110例一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：

(1)電動(dòng)機(jī)帶反抗性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行能耗制動(dòng)，欲使起始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，電樞回路應(yīng)串多大電阻？

(2)電動(dòng)機(jī)帶位能性額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以1000r／min的速度下放時(shí)，可用那些方法，電樞回路分別應(yīng)串多大電阻？

(3)電動(dòng)機(jī)帶反抗性額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行電壓反接制動(dòng)停車(chē)，欲使起始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，電樞回路應(yīng)串多大電阻?

(4)電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載，，欲以1800r／min的速度下放時(shí)，應(yīng)采用什么方法，電樞回路應(yīng)串多大電阻?

111解

（1）能耗制動(dòng)時(shí)串入的電阻計(jì)算電動(dòng)機(jī)的

理想空載轉(zhuǎn)速

額定電磁轉(zhuǎn)矩

(1)電動(dòng)機(jī)帶反抗性負(fù)載運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行能耗制動(dòng)，欲使起始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，電樞回路應(yīng)串多大電阻？

112時(shí)的轉(zhuǎn)速

能耗制動(dòng)起始時(shí)的電樞電動(dòng)勢(shì):

能耗制動(dòng)時(shí)電樞回路應(yīng)串電阻:113所需下放速度低于理想空載轉(zhuǎn)速，故可用能耗制動(dòng)或倒拉反接制動(dòng)方法下放該重物。用能耗制動(dòng)方法下放時(shí)，電樞回路應(yīng)串電阻由

用倒拉反接制動(dòng)方法下放時(shí)，由其機(jī)械特性表達(dá)式可得電樞回路應(yīng)串電阻的計(jì)算公式，因?yàn)?/p>

由

(2)電動(dòng)機(jī)帶位能性額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以1000r／min的速度下放時(shí)，可用那些方法，電樞回路分別應(yīng)串多大電阻？

114運(yùn)行時(shí)的電樞電動(dòng)勢(shì)

反接制動(dòng)停車(chē)時(shí)電樞回路應(yīng)串電阻:(3)電動(dòng)機(jī)帶反抗性額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行電壓反接制動(dòng)停車(chē)，欲使起始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，電樞回路應(yīng)串多大電阻?

115所需下放速度大于理想空載轉(zhuǎn)速，應(yīng)采用反饋制動(dòng)方法電樞回路串電阻時(shí)的機(jī)械特性方程式為代入

解之得電樞回路應(yīng)串電阻(4)電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載，，欲以1800r／min的速度下放時(shí)，應(yīng)采用什么方法，電樞回路應(yīng)串多大電阻?

5116第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程4.1研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的實(shí)際意義4.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析4.3機(jī)電時(shí)間常數(shù)4.4加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的方法117

第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.1研究機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的

實(shí)際意義

機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程─由一個(gè)穩(wěn)態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡的過(guò)程（動(dòng)態(tài)過(guò)程－啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速）。外因─系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系被破壞。內(nèi)因─貯能的慣性元件。（機(jī)械慣性、電磁慣性和熱慣性）實(shí)際意義─滿足生產(chǎn)的需要，必須研究轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流對(duì)時(shí)間的變化規(guī)律才能正確地選擇機(jī)電傳動(dòng)裝置、控制電路等。118

第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析利用相似三角形原理TMn代入上式得機(jī)電時(shí)間常數(shù)119第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析一階線性常系數(shù)非齊次微分方程全解僅考慮機(jī)械慣性的過(guò)渡過(guò)程n、T、I都是按指數(shù)規(guī)律變化的對(duì)（4.3）求導(dǎo)，代入運(yùn)動(dòng)方程式化簡(jiǎn)得120啟動(dòng)1.當(dāng)t=0、TM=Tst、n=0，加速度最大。3τ0.05n00.95n02.實(shí)際上當(dāng)t=（3～5）TM=TLn=ns3.令t=代入（4.8）n=0.632ns在數(shù)值上等于轉(zhuǎn)速在此時(shí)加速直線上升到穩(wěn)態(tài)ns所需時(shí)間。第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析121第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.2機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的分析停車(chē)電動(dòng)機(jī)從開(kāi)始自由停車(chē)過(guò)程中轉(zhuǎn)速也是按指數(shù)規(guī)律變化的。機(jī)電時(shí)間常數(shù)由運(yùn)動(dòng)方程式積分得tnns0.368ns122第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.3機(jī)電時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)的幾種表達(dá)式斜率K123第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.4加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的方法1.假設(shè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩不變，由初速n1到終速n2的時(shí)間為：2.由初速n1＝0到終速n2的時(shí)間為：124第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.4加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的方法減少系統(tǒng)的飛輪矩GD2（采用細(xì)長(zhǎng)圓柱形轉(zhuǎn)子）；增加動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩Td；力矩慣量比大的電動(dòng)機(jī)加快過(guò)渡過(guò)程的方法：3.由初速n1制動(dòng)到終速n2＝0的時(shí)間為：125第四章機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

4.4加快機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的方法從控制系統(tǒng)考慮啟動(dòng)過(guò)程中平均啟動(dòng)電流越大，啟動(dòng)越快。充滿系數(shù)K來(lái)衡量啟動(dòng)快慢K=1為最優(yōu)過(guò)程126第五章交流電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.2三相異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子電路5.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與機(jī)械特性5.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)5.5三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速5.6三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)5.7單相異步電動(dòng)機(jī)127第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子和勵(lì)磁線圈轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子線圈1285.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三相對(duì)稱(chēng)繞組AX，BY，CZ定子和轉(zhuǎn)子硅鋼沖片1295.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1305.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)ABC外接變阻器（啟動(dòng)和速度調(diào)節(jié)）滑環(huán)和電刷繞線轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)131磁場(chǎng)閉合線圈e方向用右手定則確定f方向用左手定則確定磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)5.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理132磁極旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（右手定則）閉合導(dǎo)線產(chǎn)生電流

i（左手定則）通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力5.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1331.線圈跟著磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)→兩者轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致

結(jié)論：2.線圈比磁場(chǎng)轉(zhuǎn)得慢異步134YBZXAC轉(zhuǎn)子定子定子繞組（三相）機(jī)座轉(zhuǎn)子：在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電流。三相定子繞組：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。135旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生AYCBZ(?)電流出(

)電流入X136旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生AXBYCZ137AXYCBZAXBYCZ合成磁場(chǎng)方向：向下5138XBZAYCAXYCBZAXYCBZAXYCBZ139旋轉(zhuǎn)方向：取決于三相電流的相序。改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向：換接其中兩相。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向140旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速大小

一個(gè)電流周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間轉(zhuǎn)過(guò)360°電流頻率為fHz，則磁場(chǎng)1/f秒旋轉(zhuǎn)1圈，每秒旋轉(zhuǎn)f圈。每分鐘旋轉(zhuǎn)：n0稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速141極對(duì)數(shù)（P）的概念A(yù)XBYCZ此種接法下，合成磁場(chǎng)只有一對(duì)磁極，則極對(duì)數(shù)為1。即：AXYCBZ142極對(duì)數(shù)（P）的改變C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'

將每相繞組分成兩段，按右下圖放入定子槽內(nèi)。形成的磁場(chǎng)則是兩對(duì)磁極。AXBYCZ143極對(duì)數(shù)C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'144極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系145三相異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速極對(duì)數(shù)每個(gè)電流周期磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過(guò)的空間角度同步轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速146電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速）:電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致，但

異步電動(dòng)機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)（轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁力線）無(wú)轉(zhuǎn)子電流

如果147

轉(zhuǎn)差率的概念：異步電機(jī)額定運(yùn)行中:轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之差。即：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間:（轉(zhuǎn)差率最大）148轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流的頻率：149第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.1.4定子繞組線端連接方式出線端排列短路片線電壓相電壓銘牌：Y/△－接線方式

380/220－不同接線應(yīng)加的線電壓150第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.2三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電路和轉(zhuǎn)子電路5.2.2轉(zhuǎn)子電路分析轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流有效值為E20－轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)電勢(shì)X2---轉(zhuǎn)子每相繞組漏磁感抗轉(zhuǎn)子電路功率因素為(I2遲后E2一個(gè)ψ2角)151第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.2.2轉(zhuǎn)子電路的分析152第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的額定值電動(dòng)機(jī)銘牌上的額定數(shù)據(jù)型號(hào)額定功率PN(輸出的機(jī)械功率)額定電壓UN(220/380V△/Y)額定頻率f(50HZ)額定電流IN(10.35/5.9A△/Y)額定轉(zhuǎn)速nN(額定轉(zhuǎn)差率SN)工作方式(定額)溫升(或絕緣等級(jí))電動(dòng)機(jī)重量153第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的額定值電動(dòng)機(jī)銘牌上不標(biāo)的額定數(shù)據(jù)額定功率因數(shù)cosψN額定效率ηN

額定轉(zhuǎn)矩TN

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)滑環(huán)電壓和轉(zhuǎn)子額定電流通常手冊(cè)上給出的數(shù)據(jù)就是額定值154第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的額定值例有一臺(tái)三相四極的異步電動(dòng)機(jī)，其額定技術(shù)數(shù)據(jù)為nN=1440r/min，R2=0.02Ω，X20=0.08Ω，電源頻率f1=50Hz，E20=20V，試求：(l)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0

：(2)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流I2st(3)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的頻率f2N；

(4)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)子電流I2N解

(1)n0=60f1/P=60×50/2=1500r/min

(2)(3)SN=(n0-nN)

/n0=(1500-1440)

/1500=0.04

f2N=SNf1＝0.04×50Hz=2Hz(4)155第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.2.4三相異步電動(dòng)機(jī)的能流圖輸入定子的電功率定子電路中的銅損轉(zhuǎn)子電路中的銅損輸入轉(zhuǎn)子的電磁功率鐵損(磁滯和渦流損耗)機(jī)械損失功率輸出的機(jī)械功率156第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距與機(jī)械特性5.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距157第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距U---定子繞組相電壓；R2------轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻；X20-----n=0時(shí)轉(zhuǎn)子每相繞組的感抗；K-------三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。1581．固有機(jī)械特性

異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉(zhuǎn)子電路中不串聯(lián)任何電阻或電抗時(shí)的機(jī)械特性稱(chēng)為固有（自然）機(jī)械特性。

根據(jù)

三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線如圖所示。第五章交流電動(dòng)機(jī)的工原理及特性

5.3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性159

從特性曲線上可以看出，其上有四個(gè)特殊點(diǎn)可以決定特性曲線的基本形狀和異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，這四個(gè)特殊點(diǎn)是：

電動(dòng)機(jī)處于理想空載工作點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為理想空載轉(zhuǎn)速。理想空載點(diǎn)額定運(yùn)行點(diǎn)啟動(dòng)點(diǎn)臨界點(diǎn)160

電動(dòng)機(jī)額定工作點(diǎn)。此時(shí)額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)差率為

式中:

PN——電動(dòng)機(jī)的額定功率；

nN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，一般

SN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率，一般

TN——電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。161電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工作點(diǎn)。

將S=1代入轉(zhuǎn)矩公式中，可得

可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與U、R2及X20有關(guān)。162

當(dāng)施加在定子每相繞組上的電壓降低時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)明顯減??；

當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻適當(dāng)增大時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大；

而若增大轉(zhuǎn)子電抗則會(huì)使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大為減小。

通常把在固有機(jī)械特性上啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN之比

st=Tst/TN

作為衡量異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)能力的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。163

電動(dòng)機(jī)的臨界工作點(diǎn)。欲求轉(zhuǎn)矩的最大值，可令得臨界轉(zhuǎn)差率

再將Sm代入轉(zhuǎn)矩公式中，即可得164

通常把在固有機(jī)械特性上最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比

稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)。它表征了電動(dòng)機(jī)能夠承受沖擊負(fù)載的能力大小，是電動(dòng)機(jī)的又一個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)。

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)

線繞式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率實(shí)用公式：T/Tmax代入sm=R2/X20化簡(jiǎn)得165

由上述分析可知：異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有關(guān)，也與外加電源電壓、電源頻率有關(guān)，將關(guān)系式中的參數(shù)人為地加以改變而獲得的特性稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。

改變定子電壓U、定子電源頻率f、定子電路串入電阻或電抗、轉(zhuǎn)子電路串入電阻或電抗等，都可得到異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。2.人為機(jī)械特性6166

（1）降低電動(dòng)機(jī)電源電壓時(shí)的人為特性不變不變隨著電壓的減小而大大地減小隨著電壓的減小而大大地減小

改變電源電壓時(shí)的人為特性如圖所示：167

如當(dāng)定子繞組外加電壓為UN、0.8UN、0.5UN時(shí)，轉(zhuǎn)子輸出最大轉(zhuǎn)矩分別為T(mén)a=Tmax、Ta=0.64Tmax和Ta=0.25Tmax

?？梢?jiàn)，電壓愈低，人為特性曲線愈往左移。

此外，電網(wǎng)電壓下降，在負(fù)載不變的條件下，將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率S增大，電流增加，引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱甚至燒壞。168

由于異步電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)非常敏感，運(yùn)行時(shí)，如電壓降低太多，會(huì)大大降低它的過(guò)載能力與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，甚至使電動(dòng)機(jī)發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載或者根本不能啟動(dòng)的現(xiàn)象。

例如，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)載TN

下，即使

m=2，若電網(wǎng)電壓下降到70%UN

，則由于這時(shí)

此外，電網(wǎng)電壓下降，在負(fù)載不變的條件下，將使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率S增大，電流增加，引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱甚至燒壞。電動(dòng)機(jī)會(huì)停轉(zhuǎn)169（2）定子電路接入電阻或電抗時(shí)的人為特性

在電動(dòng)機(jī)定子電路中外串電阻或電抗后，電動(dòng)機(jī)端電壓為電源電壓減去定子外串電阻上或電抗上的壓降，致使定子繞組相電壓降低,這種情況下的人為特性與降低電源電壓時(shí)的相似。170（3）改變定子電源頻率時(shí)的人為特性

一般變頻調(diào)速采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即希望最大轉(zhuǎn)矩保持為恒值，為此在改變頻率的同時(shí)，電源電壓也要作相應(yīng)的變化，使U/f=C，這在實(shí)質(zhì)上是使電動(dòng)機(jī)氣隙磁通保持不變。

因此，改變電源頻率的機(jī)械特性如圖所示171（4）轉(zhuǎn)子電路串電阻時(shí)的人為特性

在三相線繞式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入電阻后，轉(zhuǎn)子電路中的電阻為172不變不變隨著串接電阻的增加而增大，

此時(shí)的人為特性將是比固有特性較軟的一條曲線，如圖所示。隨著串接電阻的增加而增大。

173

采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的主要要求如下。

（1）有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證生產(chǎn)機(jī)械能正常啟動(dòng)。一般場(chǎng)合下希望啟動(dòng)越快越好，以提高生產(chǎn)效率。即要求電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，否則電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。

（2）在滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟動(dòng)電流越小越好。因?yàn)檫^(guò)大啟動(dòng)電流的沖擊，對(duì)于電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)本身都是不利的。

（3）要求啟動(dòng)平滑，即要求啟動(dòng)時(shí)加速平滑，以減小對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊。

（4）啟動(dòng)設(shè)備安全可靠，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

（5）啟動(dòng)過(guò)程中的功率損耗越小越好。第五章交流電動(dòng)機(jī)的工作原理及特性

5.4三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性174

其中，（1）和（2）兩條是衡量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的主要技術(shù)指標(biāo)。

異步電動(dòng)機(jī)本身的啟動(dòng)特性為：a.定子電流大，Ist=(5~7)IN

異步電動(dòng)機(jī)在接入電網(wǎng)啟動(dòng)的瞬時(shí)，由于轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以最快的相對(duì)速度（即同步轉(zhuǎn)速）切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出很大的轉(zhuǎn)子電勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流，從而引起很大的定子電流b.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小

啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大。175

異步電動(dòng)機(jī)的固有啟動(dòng)特性如圖所示：

顯然，異步電動(dòng)機(jī)的這種啟動(dòng)性能和生產(chǎn)機(jī)械的要求是相矛盾的，為了解決這些矛盾，必須根據(jù)具體情況，采取不同的啟動(dòng)方法。176一、鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)有直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)兩種方法，采用什么啟動(dòng)方法，要根據(jù)實(shí)際情況而定。1．直接啟動(dòng)（全壓?jiǎn)?dòng)）

直接啟動(dòng)就是將電動(dòng)機(jī)的定子繞組通過(guò)閘刀開(kāi)關(guān)或接觸器直接接入電源，在額定電壓下進(jìn)行啟動(dòng)。

?特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)定子繞組的工作電壓和額定電壓相等。

?直接啟動(dòng)的條件：由于直接啟動(dòng)的啟動(dòng)電流很大，因此，在什么情況下采用直接啟動(dòng)，有關(guān)供電、動(dòng)力部門(mén)都有規(guī)定，主要取決于電動(dòng)機(jī)的功率與供電變壓器的容量之比值。177

一般在有獨(dú)立變壓器供電（即變壓器供動(dòng)力用電）的情況下，若電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率小于變壓器容量的20%時(shí)允許直接啟動(dòng)；

若電動(dòng)機(jī)不經(jīng)常啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率小于變壓器容量的30%時(shí)也允許直接啟動(dòng)。如果沒(méi)有獨(dú)立的變壓器供電（即與照明共用電源）的情況下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)比較頻繁，則常按經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算，滿足下列關(guān)系則可直接啟動(dòng)。178

例5.2：有一臺(tái)要求經(jīng)常啟動(dòng)的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，其PN=20kW,Ist/IN=6.5，如果供電變壓器（電源）容量為560kVA，且有照明負(fù)載，問(wèn)可否直接啟動(dòng)？同樣的Ist/IN

比值，功率為多大的電動(dòng)機(jī)則不允許直接啟動(dòng)？

解：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式算出

滿足上述關(guān)系，故允許直接啟動(dòng)。

可算出，額定功率大于24kW的電動(dòng)機(jī)不允許直接啟動(dòng)。

1792．電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)

異步電動(dòng)機(jī)采用定子串電阻或電抗器的降壓?jiǎn)?dòng)原理接線圖如圖所示。

啟動(dòng)時(shí)，接觸器1KM斷開(kāi)，KM閉合，將啟動(dòng)電阻串入定子電路，使啟動(dòng)電流減??；

待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將1KM閉合，Rst被短接，電動(dòng)機(jī)接上全部電壓而趨于穩(wěn)定運(yùn)行。180?啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨定子電壓的平方下降，故它只適用于空載或輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合；

?不經(jīng)濟(jì)，在啟動(dòng)過(guò)程中，電阻器上消耗能量大，不適用于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，若采用電抗器代替電阻器，則所需設(shè)備費(fèi)較貴，且體積大。

特點(diǎn)：

1813．Y-

降壓?jiǎn)?dòng)

Y-

降壓?jiǎn)?dòng)的接線圖如圖所示:

啟動(dòng)時(shí)，定子繞組接成星形；待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將定子繞組接成三角形，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程完成而轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。

設(shè)U1為電源線電壓，IstY及Ist

為定子繞組分別接成星形及三角形的啟動(dòng)電流（線電流），Z為電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)每相繞組的等效阻抗。則有所以所以182Y-

降壓?jiǎn)?dòng)方法的特點(diǎn)：

?設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、啟動(dòng)電流??；

?啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且啟動(dòng)電壓不能按實(shí)際需要調(diào)節(jié)，故只適用于空載或輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合；?只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接線為

的異步電動(dòng)機(jī)。1834．自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)

自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)的原理接線圖如圖所示。由變壓器的工作原理知，此時(shí)，副邊電壓與原邊電壓之比為

啟動(dòng)時(shí)加在電動(dòng)機(jī)定子每相繞組的電壓是全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的K倍，因而電流也是全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的K倍，即I2=KIst；而變壓器原邊電流I1=KI2=K2Ist，即此時(shí)電網(wǎng)供電電流I1是直接啟動(dòng)時(shí)電流Ist的K2倍。184

特點(diǎn)：

?與Y-

降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)情況一樣，只是在Y-

降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的為定值，而自耦變壓器啟動(dòng)時(shí)的K是可調(diào)節(jié)的，這就是此種啟動(dòng)方法優(yōu)于Y-

啟動(dòng)方法之處，當(dāng)然它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也是全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的K2倍。?

變壓器的體積大、重量重、價(jià)格高、維修麻煩，不適于啟動(dòng)頻繁的電動(dòng)機(jī)。

?

在啟動(dòng)不太頻繁，要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、容量較大的異步電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較為廣泛。通常把自耦變壓器的輸出端做成固定抽頭，一般有K=80%、65%和50%三種電壓，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。185五、延邊三角形啟動(dòng)延邊三角形啟動(dòng)時(shí)定子繞組的連接(a)啟動(dòng)時(shí)的連接(b)運(yùn)行時(shí)的連接186啟動(dòng)方法啟動(dòng)電壓相對(duì)值KU=Ust/UN啟動(dòng)電流相對(duì)值KI=Ist′

/Ist啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值KT=Tst′/Tst直接（全壓）啟動(dòng)111定子電路串電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)0.80.650.50.80.650.50.640.420.25Y?Δ降壓?jiǎn)?dòng)0.570.330.33自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)0.80.650.50.640.420.250.640.420.25鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)幾種常用啟動(dòng)方法的比較187例：有臺(tái)拖動(dòng)空氣壓縮機(jī)的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，PN=40KW，nN=1465r/min，Ist=5.5IN，Tst=1.6TN，運(yùn)行條件要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于(0.9~1.0)

TN

，電網(wǎng)允許電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流不得超過(guò)3.5IN

。試問(wèn)應(yīng)選用何種啟動(dòng)方法。啟動(dòng)電流的相對(duì)值應(yīng)保證為只有當(dāng)自耦變壓器降壓比為0.8時(shí)，才可滿足KT≥0.56和KI≤0.64的條件。故選用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方法，變壓器的降壓比為0.8。解：按要求，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的相對(duì)值應(yīng)保證為188二、線繞式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，啟動(dòng)電流大，因此不能滿足某些生產(chǎn)機(jī)械需要高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩低啟動(dòng)電流的要求。

線繞式異步電動(dòng)機(jī)由于能在轉(zhuǎn)子電路中串電阻，因此具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的啟動(dòng)電流，即具有較好的啟動(dòng)特性。

在轉(zhuǎn)子電路中串電阻的啟動(dòng)方法常用的有兩種：逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻法和頻敏變阻器啟動(dòng)法。1．逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻法

采用逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法，其目的和啟動(dòng)過(guò)程與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)采用逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法相似，主要是為了使整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)能保持較大的加速轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)過(guò)程如圖所示：189190

2．頻敏變阻器啟動(dòng)法