電機(jī)與電力拖動(dòng)課件

緒

論

１概述

1802年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流在磁場(chǎng)中受力的物理現(xiàn)象，隨后由安培對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了科學(xué)的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了磁路定律及全電流定律。在此基礎(chǔ)上人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里制成了直流電動(dòng)機(jī)的模型。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律,為生產(chǎn)制造各種發(fā)電機(jī)提供了依據(jù)。隨后制成了直流發(fā)電機(jī)，替換了價(jià)格昂貴的電池，為直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了電源?？梢娫陔姍C(jī)與電力拖動(dòng)發(fā)展史上首先得到應(yīng)用的是直流電機(jī)。1871年凡麥爾發(fā)明了交流發(fā)電機(jī),1878年亞布洛契可夫用交流發(fā)電機(jī)和變壓器為他發(fā)明的照明裝置供電。1885年意大利物理學(xué)家費(fèi)拉利斯發(fā)現(xiàn)了兩相電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一年以后費(fèi)拉利斯和在美國(guó)的坦斯拉幾乎同時(shí)制成了兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的模型。

1888年多里沃多勃羅沃爾斯提出了三相制，并制成了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，奠定三相電路和三相電機(jī)的基礎(chǔ)。此后三相交流電迅速地發(fā)展起來,到20世紀(jì)初，各種三相交流電動(dòng)機(jī)均已設(shè)計(jì)制造成功。進(jìn)入20世紀(jì)以后，人們?cè)诮档碗姍C(jī)成本，減小電機(jī)尺寸,提高電機(jī)性能,選用新型電磁材料,改進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了大量工作，使現(xiàn)代電機(jī)與本世紀(jì)初的電機(jī)有很大差別。我國(guó)的電機(jī)工業(yè)，從新中國(guó)成立以來的50多年間，建立了獨(dú)立自主的完整體系。早在1965年我國(guó)就研制成功當(dāng)時(shí)世界上第一臺(tái)125kW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，顯示了我國(guó)電機(jī)工業(yè)的迅速掘起。近些年來，隨著對(duì)電機(jī)新材料的研究并在電機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝中利用計(jì)算機(jī)技術(shù),普通電機(jī)的性能得到提高、運(yùn)行更可靠；而控制電機(jī)的高可靠性、高精度、快速響應(yīng)使控制系統(tǒng)完成各種人工無法完成的快速復(fù)雜的精巧工作。

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程，需要使用各種各樣的生產(chǎn)機(jī)械。拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，可以采用氣動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電力拖動(dòng)。由于電力拖動(dòng)具有控制簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)性能好、損耗小、經(jīng)濟(jì)、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)控制等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械均采用電力拖動(dòng)。按照電動(dòng)機(jī)的種類不同，電力拖動(dòng)系統(tǒng)分為直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)和交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)兩大類。電力拖動(dòng)的發(fā)展過程，交、直流兩種拖動(dòng)方式并存于各生產(chǎn)領(lǐng)域，各時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平不同，它們所處的地位也有所不同。隨著自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,電力拖動(dòng)裝置的特性品質(zhì)的提高,極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量,提高了電力拖動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制,所以電力拖動(dòng)成為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)電氣自動(dòng)化的基礎(chǔ).

在交流電出現(xiàn)以前，直流電力拖動(dòng)是惟一的一種電力拖動(dòng)方式。而交流電動(dòng)機(jī)的研制成功，使交流電力拖動(dòng)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特別是精密機(jī)械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程的進(jìn)步，對(duì)電力拖動(dòng)在啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速提出了新的、更高的要求。在20世紀(jì)中期以前，相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)幾乎都是采用直流電力拖動(dòng)，而交流電力拖動(dòng)則主要用于恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能優(yōu)異這一突出優(yōu)點(diǎn)，但是直流電機(jī)有電刷和換向器，所以故障率比較高,直流電動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境也受到一定的限制（如不能在有易燃、易爆氣體及塵埃多的場(chǎng)合使用等），而且直流電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)、轉(zhuǎn)速、單機(jī)容量等也受到一定的限制。20世紀(jì)60年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速的方法不斷進(jìn)步和完善，其調(diào)速性能可與直流調(diào)速相媲美,

在很多應(yīng)用場(chǎng)合交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。而且交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速將會(huì)取代直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，可以說這是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。電能是現(xiàn)代能源中應(yīng)用最廣的二次能源,它的生產(chǎn)、變換、傳送、分配使用以及控制較為方便、經(jīng)濟(jì)，這些都離不開電機(jī)，電機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理工作，是將能量或信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的機(jī)械裝置,它應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類方法也很多。常見的分類方法為：按功能用途分，可分為常規(guī)電機(jī)和控制電機(jī)兩大類。按照電機(jī)的結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)速分類，可分為變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)。根據(jù)電源的不同，旋轉(zhuǎn)電機(jī)又分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。交流電機(jī)又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩類。綜合以上分類方法，可歸納如下：

直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電機(jī)同步電機(jī)同步發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)異步發(fā)電機(jī)異步電動(dòng)機(jī)交流電機(jī)異步電機(jī)電機(jī)控制電機(jī)變壓器（也屬交流電機(jī)的一種，但它靜止不動(dòng)）

２本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容本課程是電氣自動(dòng)化控制、供用電技術(shù)和機(jī)電一體化等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它是將“電機(jī)學(xué)”、“電力拖動(dòng)”和“控制電機(jī)”等課程有機(jī)結(jié)合而成的一門課。本課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握變壓器、交直流電機(jī)及控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,以及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、基本分析計(jì)算、電機(jī)選擇及試驗(yàn)方法，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和今后的工作打下必要的基礎(chǔ)，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生在電機(jī)及電力拖動(dòng)方面分析和解決問題的能力。本課程的內(nèi)容有直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)，變壓器，三相交流異步電動(dòng)機(jī)，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)，單相異步電動(dòng)機(jī)，同步電機(jī)，控制電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的選擇等。根據(jù)我系應(yīng)用電子技術(shù)、樓宇智能化工程技術(shù)和機(jī)電設(shè)備維修與管理等專業(yè)的特點(diǎn)，專業(yè)方向的需求以及課程的學(xué)時(shí)數(shù)，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行刪減，并自編《常用低壓電器及控制部分》和《電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》（校本教材書），作為擴(kuò)充性資料使用，同時(shí)要掌握各種常用低壓電器的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握交、直流電動(dòng)機(jī)的基本控制線路，要學(xué)會(huì)基本的控制線路設(shè)計(jì)和實(shí)踐動(dòng)手操作。３本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法

電機(jī)學(xué)及電力拖動(dòng)既是一門理論性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，又具有專業(yè)課的性質(zhì)，涉及的基礎(chǔ)理論和實(shí)際知識(shí)面廣，是電學(xué)、磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱學(xué)等學(xué)科知識(shí)的綜合，所以理論性較強(qiáng)。而用理論分析各種電機(jī)及拖動(dòng)的實(shí)際問題時(shí)，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工程觀點(diǎn)和工程分析方法。在掌握基本理論的同時(shí)，還要注意培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和計(jì)算能力，因此實(shí)踐性也較強(qiáng)。鑒于以上原因，為學(xué)好電機(jī)及電力拖動(dòng)這門課，學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住問題的本質(zhì)。（2）要抓住重點(diǎn)，即應(yīng)牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性。（3）要有良好的學(xué)習(xí)方法，可運(yùn)用對(duì)比的學(xué)習(xí)方法，找出各種電機(jī)的共性和特點(diǎn)，以加深對(duì)各種電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)性能和原理的理解。（4）學(xué)習(xí)時(shí)要理論聯(lián)系實(shí)際，重視試驗(yàn)和實(shí)踐。（5）要站在應(yīng)用的角度看電機(jī)，把電機(jī)視為拖動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)器件來學(xué)習(xí)，不宜過多地耗時(shí)于電機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器1．基本結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)質(zhì)是二次繞組（轉(zhuǎn)子繞組）可以旋轉(zhuǎn)的特殊變壓器。當(dāng)一次繞組（定子繞組）接單相交流電源勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過不同的角度時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組之間的磁耦合關(guān)系隨之改變，使旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角具有某種函數(shù)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，一般制成兩極電機(jī)。定、轉(zhuǎn)子鐵心采用高導(dǎo)磁率的軟磁材料或硅鋼片疊成。定、轉(zhuǎn)子鐵心的槽中均嵌有在空間位置上互差90°電角度、參數(shù)完全相同的兩套繞組。定子上的兩套繞組表示為

其有效匝數(shù)均為N1。轉(zhuǎn)子上的兩套繞組表示為Z1Z2和Z3Z4，其有效匝數(shù)為N2，如圖8.14所示。圖8.14正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)原理圖2．正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角

呈正弦或余弦關(guān)系，它可用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算、單相移相器、角度數(shù)字轉(zhuǎn)換、角度數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓?chǎng)合。正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理如圖8.14所示。在定子繞組D1D2施以交流勵(lì)磁電壓，則建立磁通勢(shì)F而產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子在原來的基準(zhǔn)電氣零位逆時(shí)針轉(zhuǎn)過

角度時(shí)，則圖8.14中的轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2、Z3Z4中所產(chǎn)生的電壓分別為（8-13）由上式，稱轉(zhuǎn)子的Z1Z2繞組為余弦繞組、稱Z3Z4繞組為正弦繞組。為了使正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器負(fù)載時(shí)的輸出電壓不畸變，仍是轉(zhuǎn)角的正余弦函數(shù)，則希望轉(zhuǎn)子正余弦繞組的負(fù)載阻抗相等；希望定子上的D3D4繞組自行短接，以補(bǔ)償由于負(fù)載電流引起的與F垂直的會(huì)引起輸出電壓畸變的磁通勢(shì)，因此D3D4繞組也稱補(bǔ)償繞組。3．線性旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

線性旋轉(zhuǎn)變壓器使轉(zhuǎn)子的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角

呈線性關(guān)系，即函數(shù)曲線為一直線，故它只能在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)用做機(jī)械角與電信號(hào)的線性變換。若用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦輸出繞組做輸出，則只能在

很小的范圍內(nèi)，使時(shí)，才有的關(guān)系。為了擴(kuò)大線性的角度范圍，將圖9.14接成如圖9.15所示，即把正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組D1D2與轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2串聯(lián)，成為一次側(cè)（勵(lì)磁方）。當(dāng)施以交流電壓后，經(jīng)推導(dǎo)，轉(zhuǎn)子繞組Z3Z4所產(chǎn)生電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角

有如下關(guān)系（8-14）當(dāng)ku取在0.56～0.6之間時(shí)，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角

在±60°范圍內(nèi)與輸出電壓呈良好的線性關(guān)系。圖8.15線性旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

圖8.16為用一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量差角的原理圖。圖中與發(fā)送機(jī)軸耦合的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為旋變發(fā)送機(jī)。與接收機(jī)軸耦合的旋轉(zhuǎn)變壓器稱為旋變接收機(jī)或旋變變壓器。前已述及，旋轉(zhuǎn)變壓器中定、轉(zhuǎn)子繞組都是兩相對(duì)稱繞組。當(dāng)用一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量差角時(shí)，為了減小由于電刷接觸不良而造成的不可靠性，常把定、轉(zhuǎn)子繞組互換使用，即旋變發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2加交流勵(lì)磁電壓Us1，繞組Z3Z4短路，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的定子繞組相對(duì)應(yīng)連接。接收機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組Z3Z4做輸出繞組，輸出一個(gè)與兩轉(zhuǎn)軸的差角

=

1-

2成正弦函數(shù)的電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)差角較小且用弧度表示時(shí)，該電動(dòng)勢(shì)近似正比于差角。可見一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器可用來測(cè)量差角。D—發(fā)送機(jī)定子繞組；D＇—接收機(jī)定子繞組；Z—發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子繞組；Z＇—接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組圖8.16用一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量差角原理圖旋轉(zhuǎn)變壓器與自整角機(jī)的比較

用一對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量差角的工作原理和用一對(duì)控制式自整角機(jī)測(cè)量差角的工作原理是一樣的。因?yàn)檫@兩種電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)都是脈振磁場(chǎng)，雖然定子繞組的相數(shù)不同（自整角機(jī)的定子繞組為三相，而旋轉(zhuǎn)變壓器為兩相），但都屬于對(duì)稱繞組，所以兩者內(nèi)部的電磁關(guān)系是相同的。但旋轉(zhuǎn)變壓器的精度比自整角機(jī)要高很多。

直流電動(dòng)的運(yùn)行原理

1.4.1直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組與電源連接關(guān)系的不同，直流電動(dòng)機(jī)可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)等類型。

1．他勵(lì)電動(dòng)機(jī)

勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電，勵(lì)磁電壓Uf與電樞電壓U彼此無關(guān)，如圖（）所示。

2．并勵(lì)電動(dòng)機(jī)

勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由同一電源供電，勵(lì)磁電壓Uf

等于電樞電壓U，如圖（b）所示并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相似。。3．串勵(lì)電動(dòng)機(jī)

勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后再接于直流電源，此時(shí)的電樞電流就是勵(lì)磁電流，如圖（c）所示。4．復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組并勵(lì)繞組與電樞繞組并聯(lián)后再與串勵(lì)繞組串聯(lián)，然后接于電源上，如圖（d）所示。。1.4.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式

1．電動(dòng)勢(shì)平衡方程式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，加在電樞兩端電壓為U，電樞電流為Ia，電樞電動(dòng)勢(shì)為Ea，由電動(dòng)機(jī)工作原理可知Ea是反電勢(shì)，若以U，Ea,Ia的實(shí)際方向?yàn)檎较?，則可列出直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式;

（1-19）式中為電樞回路電阻,包括電樞繞組電阻和碳刷接觸電阻

該平衡方程式表示了電源電壓除一小部分被電樞電阻損耗外，其余被電動(dòng)機(jī)吸收轉(zhuǎn)換為反電勢(shì)去帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2．轉(zhuǎn)矩平衡方程式

他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩,當(dāng)電動(dòng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

及空載轉(zhuǎn)矩T0

相平衡，即（1-20）由此可見，電動(dòng)機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩一部分與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，另一部分是空載損耗。

3．功率平衡方程式

直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，從電網(wǎng)吸取電功率，除去電樞回路的銅損耗，電刷接觸損耗及勵(lì)磁回路銅耗，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌猩系碾姶殴β省ｋ姶殴β什⒉荒苋坑脕磔敵觯囊徊糠质沁\(yùn)行時(shí)的機(jī)械損耗、鐵損和附加損耗，剩下的部分才是軸上對(duì)外輸出的機(jī)械功率。所以;

（1-21）其功率流程可見圖1.21。圖1.21直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖4.功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

重要關(guān)系式：空載損耗；軸承摩擦、冷卻風(fēng)扇風(fēng)阻、鐵心渦流損耗?？偟你~損耗；電樞回路的銅損耗，電刷接觸損耗及勵(lì)磁回路銅耗。軸上輸出功率功率平衡方程（他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)忽略勵(lì)磁損耗）：

所以（1-22）即軸上輸出轉(zhuǎn)矩T2＝電磁轉(zhuǎn)矩－空載轉(zhuǎn)矩T0

；

由于空載轉(zhuǎn)矩T0很小，僅為額定轉(zhuǎn)矩的2%～5%，所以在重載或額定負(fù)載下常被忽略不計(jì)；機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)軸上所帶的負(fù)載相平衡，即T2=TL

，（1-23）在額定情況下，額定轉(zhuǎn)速（r/min），額定轉(zhuǎn)矩（N·m），額定功率（W）；

直流電動(dòng)機(jī)的效率（1-24）1.4.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性所謂他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在,勵(lì)磁電流，電樞回路不串電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n,電磁轉(zhuǎn)矩和效率分別與輸出功率之間的關(guān)系。

1.轉(zhuǎn)速特性是指在，勵(lì)磁電流，電樞回路不串電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率之間的關(guān)系，即由和得轉(zhuǎn)速公式（1-25）圖1.22他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性

當(dāng)輸出功率增加時(shí)，電樞電流增加，電樞壓降增加，使轉(zhuǎn)速下降，同時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用，使氣隙磁通減小，又使轉(zhuǎn)速上升，上述兩者相互作用的結(jié)果，使轉(zhuǎn)速的變化呈略微下降，如圖所示。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化的穩(wěn)定程度用電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速調(diào)整率％表示：

％=％（1-26）式中——空載轉(zhuǎn)速

——額定負(fù)載轉(zhuǎn)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整率很小，％約為3％～8％

2．轉(zhuǎn)矩特性是指在,勵(lì)磁電流，電樞回路不串電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與輸出功率之間的關(guān)系，即。輸出功率，所以。由此可見

當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，為一通過原點(diǎn)的直線，實(shí)際上，當(dāng)增加時(shí)轉(zhuǎn)速n有所下降，因此的關(guān)系曲線將向上彎曲，而電磁轉(zhuǎn)矩,因此只要在的關(guān)系曲線上加上空載轉(zhuǎn)矩T0

，便可得到的關(guān)系曲線，如圖所示。

3．效率特性由功率平衡方程可知，電動(dòng)機(jī)的損耗主要包含有可變的銅損和不變的空載損耗，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，空載損耗為主，所以效率低；隨著負(fù)載的增加，電樞電流增加，銅損增加，空載損耗基本不變，但總損耗的增加的速度小于負(fù)載的增加速度，所以效率上升，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增大，銅損是按負(fù)載電流的平方增大，總損耗的增加得快，使得效率開始下降，如圖所示。可見，當(dāng)負(fù)載由小逐漸增大，效率曲線是先上升后下降，曲線出現(xiàn)效率最大點(diǎn)。

用數(shù)學(xué)方法求導(dǎo)，令，可以求出當(dāng)效率最高。即當(dāng)電機(jī)的空載損耗等于銅耗時(shí)效率最高.

效率特性告訴我們，當(dāng)在電動(dòng)機(jī)空載輕載和過載運(yùn)行時(shí)效率很低，額定負(fù)載時(shí)效率最高，所以使用和選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)盡量使電動(dòng)機(jī)工作在效率高的區(qū)域。

直流電機(jī)的磁場(chǎng)

直流電機(jī)的磁場(chǎng)是由主磁極產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞繞組電流產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)合成的一個(gè)合成磁場(chǎng)，它對(duì)直流電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩都有直接的影響，而且直流電機(jī)的運(yùn)行特性在很大程度上也取決于磁場(chǎng)特性。因此，研究直流電機(jī)的磁場(chǎng)是十分必要的。

1.2.1直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)直流電機(jī)空載（發(fā)電機(jī)與外電路斷開，沒有電流輸出；電動(dòng)機(jī)軸上不帶機(jī)械負(fù)載）運(yùn)行時(shí)，其電樞電流等于零或近似等于零。空載條件的描述為：U=UN、

P2=0、Ia=0、Ia≈0。因而空載磁場(chǎng)可以認(rèn)為僅僅是勵(lì)磁電流通過勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通勢(shì)所建立的。

如圖1.17為四極電機(jī)空載時(shí)磁場(chǎng)分布，當(dāng)勵(lì)磁繞組通入直流電流后，主磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，以N,S極間隔均勻地分布在定子內(nèi)圓周上，此時(shí)只有勵(lì)磁磁通勢(shì)單獨(dú)建立的空載磁場(chǎng)。由于每對(duì)磁極下的磁通所經(jīng)過的路徑不同，根據(jù)它們的作用可以分為兩類，其中占絕大部分的磁通是從主磁極的N極出來經(jīng)過氣隙進(jìn)入電樞的齒槽、電樞的磁軛、然后到達(dá)電樞鐵心另一邊的齒槽，再穿過氣隙，進(jìn)入主磁極的S極，通過定子磁軛回到N極，形成閉合磁回路。圖1.17直流電機(jī)空載時(shí)磁場(chǎng)分布1—極靴；2—極身;3—定子磁軛;4—?jiǎng)?lì)磁線圈;5—?dú)庀叮?—電樞齒；7—電樞磁軛主磁極與主極磁場(chǎng)(If)主磁極：套裝有勵(lì)磁繞組

主磁極是套裝有勵(lì)磁繞組的鐵芯。磁通

0隨著勵(lì)磁電流If的增大而增大，當(dāng)磁路的鐵磁材料處于未飽和時(shí)，鐵磁磁阻很小，磁通

0勵(lì)磁電流If成線性關(guān)系，當(dāng)磁路的鐵磁材料處飽和時(shí)，鐵磁磁阻增加很快，磁通

0勵(lì)磁電流If成非線性關(guān)系，磁通

0

增加一點(diǎn)，勵(lì)磁電流If增加的很快，如圖所示。未飽和和飽和的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為膝點(diǎn)。

同時(shí)交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組的這部分磁通，是直流電機(jī)進(jìn)行電磁感應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換所必須的，稱為主磁通

。另一小部分磁通從N極出來后并不進(jìn)入電樞繞組，而是經(jīng)過氣隙直接進(jìn)入相鄰的磁極或磁軛，它對(duì)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換工作不起作用，相反，使電機(jī)的損耗加大，效率降低，增大了磁路的飽和程度，這部分磁通稱為漏磁通

，一般

=（15～20）％

。圖1.18（a）為主磁場(chǎng)在電機(jī)中的分布情況。按照?qǐng)D中所示的勵(lì)磁電流方向，應(yīng)用右手螺旋定則，便可確定主極磁場(chǎng)的方向。在電樞表面上磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的地方是物理中性線m-m，它與磁極的幾何中性線n-n重合。幾何中性線與極磁軸線互差90電角度,即正交.圖1.18直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布示意圖

（a）主極磁場(chǎng)（b）電樞磁場(chǎng)（c）合成磁場(chǎng)1.2.2直流電機(jī)的電樞磁場(chǎng)

直流電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中有電流通過而產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)與主極磁場(chǎng)共同在氣隙里建立合成磁場(chǎng)。圖1.18（b）以電動(dòng)機(jī)為例的電樞磁場(chǎng)，它的方向由電樞電流確定。由圖可以看出，不論電樞如何轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞電流的方向總是以電刷為界限來劃分的。在電刷兩邊，N極面下的導(dǎo)體和S極面下的導(dǎo)體電流方向始終相反，只要電刷固定不動(dòng)，電樞兩邊的電流方向就不變，電樞磁場(chǎng)的方向不變，即電樞磁場(chǎng)是靜止不動(dòng)的。根據(jù)圖上的電流方向用左手定則可判定該臺(tái)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。1.2.3電樞反應(yīng)

所謂電樞反應(yīng)是指電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響，電樞反應(yīng)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響。如圖1.18（c）所示為主極磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)合在一起而產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)。與圖1.18（a）比較可見由于帶負(fù)載后出現(xiàn)的電樞磁場(chǎng)，對(duì)主極磁場(chǎng)的分布有明顯的影響，這種影響稱為電樞反應(yīng)，對(duì)磁場(chǎng)的影響如下；（1）電樞反應(yīng)使磁極下的磁力線扭斜，磁通密度分布不均勻，合成磁場(chǎng)發(fā)生畸變。磁場(chǎng)畸變的結(jié)果，使原來的幾何中性線n-n處的磁場(chǎng)不等于零，磁場(chǎng)為零的位置，即物理中性線m-m逆旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)

角度，物理中性線與幾何中性線不再重合。

（2）電樞反應(yīng)使主磁場(chǎng)削弱，電樞磁場(chǎng)使每一個(gè)磁極下的磁通勢(shì)發(fā)生變化，如N極下的左半部分主極磁通勢(shì)被削弱，右半部分的主極磁通勢(shì)被增強(qiáng)。每極下的合成磁通量仍應(yīng)與空載時(shí)的主磁通

相同。但在實(shí)際工作時(shí)，電機(jī)的磁路總是處在比較飽和的非線性區(qū)域，因此增強(qiáng)的磁通量小于減少的磁通量，故負(fù)載時(shí)每極合成磁通比空載時(shí)每極主磁通

小，稱此為電樞反應(yīng)的去磁作用。因此，負(fù)載運(yùn)行時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)略小于空載時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（3）由于磁通密度分布不均勻，使電樞繞組中每元件感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，造成換向片電位差不等，增加換向困難。但是應(yīng)該注意到；負(fù)載越大電樞電流越大，電樞磁場(chǎng)越強(qiáng)，電樞反應(yīng)的影響就越大，正是電樞磁場(chǎng)與主極磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。

直流電機(jī)的換向

由電機(jī)繞組連接分析可知，直流電機(jī)的電樞繞組是一閉合繞組，電刷把這一閉合電路分成幾個(gè)支路，每個(gè)支路的元件數(shù)相等。一個(gè)電刷兩邊所連接的兩條支路中電流方向相反，電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組元件從一個(gè)支路經(jīng)電刷，進(jìn)入另一個(gè)支路時(shí)，電流方向改變。繞組元件中電流改變方向的過程稱為換向。換向是直流電機(jī)中十分重要的問題，換向會(huì)使電刷和換向器之間產(chǎn)生火花，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞換向器與電刷，使電機(jī)不能正常工作和壽命縮短。我國(guó)對(duì)電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生的火花等級(jí)與允許的運(yùn)行狀態(tài)有相應(yīng)的規(guī)定。

1.5.1換向過程從換向開始到換向結(jié)束的過程就稱為換向過程。電樞繞組中每個(gè)元件都要經(jīng)過換向過程，所有元件在換向過程中的情況一樣，只需討論一個(gè)元件的換向過程就可以了。圖1.19表示1號(hào)元件的換向過程。設(shè)電刷的寬度等于一個(gè)換向片的寬度，電刷不動(dòng)，元件和換向器以v的速度自右向左運(yùn)動(dòng)。圖1.19元件1中的電流換向過程

電刷只與換向片1接觸，如圖1.19（a）所示，此時(shí)元件1處于電刷右邊的支路，元件中的電流等于支路電流+i，電流方向如圖，1號(hào)元件即將開始換向。元件移動(dòng)，電刷同時(shí)與換向片l和2接觸，如圖1.19（b）所示，此時(shí)1號(hào)元件被電刷短接，表明該元件正在換向，其電流從+i逐漸減小到零。元件繼續(xù)移動(dòng)，電刷只與換向片2接觸，如圖l.19（c）所示，此時(shí)元件1屬于電刷左邊的支路，元件中的電流方向改變且從零逐漸增大到-i，則1號(hào)元件結(jié)束換向。換向過程所需的時(shí)間稱為換向周期TK，通常只有千分之幾秒。

1.5.2換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流變化的特點(diǎn)

1．換向元件中的電動(dòng)勢(shì)（1）電抗電動(dòng)勢(shì)ex

在換向過程中，由于換向元件中電流從+i到-i的變化，在換向元件中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，其方向由楞次定律可知它總是阻礙原電流的變化，即方向應(yīng)與換向前電流+i方向相同。（2）旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)er

由于電樞反應(yīng)使幾何中性線上電刷處的磁場(chǎng)并不為零，換向元件旋轉(zhuǎn)移動(dòng)到此處時(shí)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向可用右手定則判斷，也是與繞組元件中原來電流方向相同?？偟母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)為

2．換向元件中電流變化的特點(diǎn)如果沒有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，圖1.19中換向片1逐漸離開電刷時(shí)，元件1中的電流從+i逐漸減小到零，電刷上電流密度是均勻的，稱為直線換向。實(shí)際上由于有

e的存在，使得電流變化受到阻礙而延遲，電刷后刷邊電流密度大，更易損壞，稱延遲換向。

1.5.3改善換向的方法如果換向不理想，在電刷處會(huì)產(chǎn)生火花。產(chǎn)生火花的原因除了電磁原因外，還可能因?yàn)閾Q向器表面不平整、不清潔、換向片間有絕緣突出，電刷與換向器接觸壓力不適當(dāng)?shù)?，這里主要從電磁原因入手，介紹一些改善換向的方法。要減小火花就要減小附加電流，即要減小換向元件的合成電勢(shì)

e，或增大電刷接觸電阻。常用以下的方法。

1．裝配換向極由換向元件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可知，當(dāng)電刷放在幾何中心線上時(shí)，換向元件只切割電樞磁場(chǎng)，如果在該處用換向磁極產(chǎn)生一個(gè)與電樞磁場(chǎng)反方向的換向磁場(chǎng)，使換向元件切割換向極磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，正好可以抵消換向元件切割電樞磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)er和換向元件的電抗電動(dòng)勢(shì)，則。電樞磁場(chǎng)與電樞電流成正比，所以換向磁極繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向極的極性必須正確，發(fā)電機(jī)的換向極極性與旋轉(zhuǎn)的方向前方的主極性相同，電動(dòng)機(jī)的換向極極性與旋轉(zhuǎn)方向的后方的主極性相同。2．正確選用電刷增加電刷接觸電阻可以減少附加電流。電刷的接觸電阻主要與電刷材料有關(guān)，目前常用的電刷有石墨電刷、電化石墨電刷和金屬石墨電刷等。石墨電刷的接觸電阻較大，金屬石墨電刷的接觸電阻最小。從改善換向的角度來看似乎應(yīng)該采用接觸電阻大的電刷，但接觸電阻大，則接觸壓降也增大，使能量損耗和換向器發(fā)熱加劇，對(duì)換向也不利，所以合理選用電刷是一個(gè)重要的問題。根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于換向并不困難，負(fù)載均勻，電壓在80V～120V的中小型電機(jī)通常采用石墨電刷，一般正常使用的中小型電機(jī)和電壓在220V以上或換向較困難的電機(jī)采用電化石墨電刷，而對(duì)于低壓大電流的電機(jī)則采用金屬石墨電刷。3．裝配補(bǔ)償繞組補(bǔ)償繞組嵌放在主磁極極靴上專門沖出的槽內(nèi)或勵(lì)磁繞組外面，該繞組與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與電樞反應(yīng)的磁通方向相反，用以抵消電樞反應(yīng)的磁通。裝配補(bǔ)償繞組使電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。因此，只有在負(fù)載變化很大的大、中型直流電機(jī)中使用。注:直流電機(jī)的換向過程是一個(gè)復(fù)雜而又抽象的問題，要求學(xué)生做一般的了解，關(guān)鍵是掌握改善換向的方法。

三相異步電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)

與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相似，三相異步電動(dòng)機(jī)也有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)三種方式。

4.3.1能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)的控制接線如圖4.14所示。正常工作時(shí)，Q合上，KM1閉合，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。制動(dòng)時(shí)，斷開KM1，電動(dòng)機(jī)脫離三相交流電源。同時(shí)迅速將KM2接通，將橋式整流電路輸出的單相直流電源接入定子繞組的某二相中并串入電阻，電機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)狀態(tài)，其制動(dòng)原理可用圖4.15說明。

圖4.14能耗制動(dòng)控制接線圖

當(dāng)斷交流送直流時(shí)，在電動(dòng)機(jī)定子繞組內(nèi)產(chǎn)生一恒定磁場(chǎng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割直流磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向由右手定則可以判斷，如圖4.15所示。通有電流的轉(zhuǎn)子處在恒定磁場(chǎng)中將受力，其方向由左手定則判斷為與原轉(zhuǎn)速方向相反，如圖4.15所示，故為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。能耗制動(dòng)的機(jī)械特性曲線如圖4.16中曲線1所示。當(dāng)負(fù)載為反抗性負(fù)載時(shí)，將制動(dòng)到轉(zhuǎn)速為零停車，此時(shí)應(yīng)斷開直流電源，停止工作。當(dāng)負(fù)載為位能性負(fù)載時(shí)，將反向下降，穩(wěn)定工作在某一轉(zhuǎn)速下，即實(shí)現(xiàn)限速下放。通過改變直流電壓的高低或所串入電阻的大小可以改變其制動(dòng)性能，如圖4.16中曲線3或曲線2所示。圖4.15能耗制動(dòng)原理圖圖4.16能耗制動(dòng)機(jī)械特性4.3.2反接制動(dòng)

反接制動(dòng)有電源兩相反接的反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)兩種形式。

1．電源兩相反接的反接制動(dòng)如圖4.17所示，對(duì)正在啟動(dòng)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，將KM1斷開，閉合KM2并串入電阻，則進(jìn)入制動(dòng)。圖4.17電源兩相反接的反接制動(dòng)接線控制圖

制動(dòng)原理可用圖4.18說明。由于電源兩相相序交換，定子繞組中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向也發(fā)生改變，即與原方向相反。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子此時(shí)在慣性作用下仍向原來方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向改變，于是轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)生了一個(gè)與原方向相反的感應(yīng)電流，進(jìn)而產(chǎn)生了一個(gè)與原轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。電源兩相反接制動(dòng)的機(jī)械特性如圖4.19所示，為反向串大電阻特性。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，將穩(wěn)定于停車；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)將穩(wěn)定于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖4.18電源兩相反向制動(dòng)原理圖4.19電源兩相反向機(jī)械特性2．倒拉反接制動(dòng)

倒拉反接制動(dòng)用于繞線形異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放重物時(shí)，以獲得穩(wěn)定下放速度，如圖4.20所示。

若原來電動(dòng)機(jī)工作在固有機(jī)械特性曲線上的A點(diǎn)提升重物，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路串入大電阻RB時(shí)，將工作于特性曲線2上的B點(diǎn)，此時(shí)拖動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，提升轉(zhuǎn)速將沿曲線2下降至零，過零后在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的拖動(dòng)下，電動(dòng)機(jī)將反向下降，穩(wěn)定運(yùn)行于D點(diǎn)。改變串入電阻RB的大小可以控制下降穩(wěn)定運(yùn)行速度。此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩起拖動(dòng)作用，而電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用，故稱倒拉反接制動(dòng)。圖4.20倒拉反接制動(dòng)原理及機(jī)械特性4.3.3回饋制動(dòng)

若三相異步電動(dòng)機(jī)原工作在電動(dòng)狀態(tài)，由于某種原因（如帶位能性負(fù)載下放或降壓調(diào)速過渡過程），在轉(zhuǎn)向不變的情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n超過同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)閚>n1，所以,這是回饋制動(dòng)的特點(diǎn)。因?yàn)檗D(zhuǎn)差率S＜0，所以轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)＜0，轉(zhuǎn)子電流反向，電磁轉(zhuǎn)矩反向，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子以高于同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)成電功率輸出回饋電網(wǎng)，成為一臺(tái)發(fā)電機(jī)。

三相異步電動(dòng)用于拖動(dòng)重物，在重物下降時(shí)，在位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n大于同步轉(zhuǎn)速n1，如圖4.21所示。圖（a）為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，圖（b）為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速后制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)為圖4.22中D點(diǎn)，下放的速度受到限制，以保證設(shè)備和人身的安全?；仞佒苿?dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路不允許串入電阻，否則穩(wěn)定運(yùn)行速度將非常高，如圖4.22中的D'點(diǎn)。圖4.21回饋制動(dòng)原理

圖4.22異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)機(jī)械特性

三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速4.4.1變極調(diào)速

所謂變極調(diào)速，就是通過改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的接線，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。變極調(diào)速方法一般適于籠型異步電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榛\型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組本身沒有固定的極對(duì)數(shù)，能自動(dòng)地與定子繞組相適應(yīng)。變極調(diào)速的電動(dòng)機(jī)往往被稱為多極電動(dòng)機(jī)，其定子繞組的接線方式很多，其中常見的一種是角接/雙星接，即△/YY，如圖4.23所示。

圖4.23變極調(diào)速定子接線圖

由定子繞組展開圖知：只要改變一相繞組中一半元件的電流方向即可改變磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)T1、T2、T3外接三相交流電源，而T4、T5、T6對(duì)外斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子繞組接法為△，極對(duì)數(shù)為2P，當(dāng)T4、T5、T6外接三相交流電源，而T1、T2、T3連接在一起時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組的接法為YY，極對(duì)數(shù)為P，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，其控制電路圖如4.24所示。4.24△/YY變極調(diào)速控制原理圖

其工作情況為：合上刀開關(guān)QS后，當(dāng)KM3閉合而KM1、KM2斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組為D接法，電動(dòng)機(jī)低速啟動(dòng)。當(dāng)KM3斷開，而KM2、KM1閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子繞組接成YY，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行?！?YY接法的調(diào)速方式適用于恒功率負(fù)載，其機(jī)械特性如圖4.25所示。

由機(jī)械特性知，變極調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎是成倍的變化，因此調(diào)速的平滑性差，但是穩(wěn)定性較好，特別是低速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。

圖4.25D/YY變級(jí)調(diào)速機(jī)械特性4.4.2變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是改變電源頻率從而使電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速變化達(dá)到調(diào)速的目的的。在一般情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s很小，所以可以近似地認(rèn)為n∝n1∝f1，為使電動(dòng)機(jī)得到充分利用，通常希望氣隙磁通維持不變，從電動(dòng)勢(shì)公式知，若要維持為常數(shù)，則U1必須隨頻率的變化成正比變化，即（“'”表示變頻后的量）。另一方面，為保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，希望變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過載能力不變。在忽略鐵磁飽和的影響并略去定子電阻時(shí)，有（4-10）其中所以要求（4-11）

即（4-12）

（1）對(duì)恒定轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，因?yàn)?，所以，既保證了電動(dòng)機(jī)的過載能力，又滿足了為常數(shù)的要求，這說明變頻調(diào)速特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。（2）對(duì)恒定功率負(fù)載而言，因?yàn)榧?，所以，說明當(dāng)時(shí)，則電動(dòng)機(jī)過載能力不變，但將發(fā)生變化。當(dāng)時(shí)，則保持不變，但過載能力發(fā)生變化。變頻調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍寬，靜差率小，穩(wěn)定性好，平滑性好能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，能適應(yīng)各種負(fù)載，效率較高，但它需要一套專門的變頻電源，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高，是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速發(fā)展的主要方向。4.4.3改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有三種：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。下面分別介紹。

1．定子調(diào)壓調(diào)速圖4.26為定子調(diào)壓的機(jī)械特性曲線，由圖可知對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，其調(diào)速范圍很窄，實(shí)用價(jià)值不大，但對(duì)于通風(fēng)機(jī)負(fù)載而言，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，如圖中虛線所示?？梢娖湔{(diào)速范圍很寬，所以目前大多數(shù)的風(fēng)扇采用此法。但是這種調(diào)速方法在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，轉(zhuǎn)子電阻上的損耗較大，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重，所以這種調(diào)速方法一般不宜在低速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。圖4.26定子調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性曲線2．轉(zhuǎn)子串接電阻調(diào)速該方法僅適用于繞線形異步電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械特性如圖4.27所示。圖中曲線是一束電源電壓不變，而轉(zhuǎn)子電路所串電阻值不同的機(jī)械特性曲線。從圖中不難看出，當(dāng)串入電阻越大時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行速度越低，且穩(wěn)定性也越差。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，設(shè)備投資不高，工作可靠。但調(diào)速范圍不大，穩(wěn)定較差，平滑性也不是很好，調(diào)速的能耗比較大。在對(duì)調(diào)速性能要求不高的地方得到廣泛的應(yīng)用，如運(yùn)輸、起重機(jī)械等。圖4.27轉(zhuǎn)子電路串接電阻改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的機(jī)械特性

3．串級(jí)調(diào)速所謂串級(jí)調(diào)速就是在繞線異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中引入一個(gè)附加電動(dòng)勢(shì)Ef來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法僅適于繞線異步電動(dòng)機(jī)。由異步電動(dòng)機(jī)的等值電路可以求得（4-13）串級(jí)調(diào)速時(shí)（4-14）

當(dāng)附加電動(dòng)勢(shì)的相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相位相反時(shí)，為負(fù)值，使串電動(dòng)勢(shì)后的轉(zhuǎn)子電流小于原來的電流，則＜，，直到時(shí)，電動(dòng)機(jī)在新的較低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降速的調(diào)速。當(dāng)附加電動(dòng)勢(shì)的相位與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)相位相同時(shí)，為正值，使串電動(dòng)勢(shì)后的轉(zhuǎn)子電流大于原來的電流，則＞，直到時(shí)，電動(dòng)機(jī)在新的較高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)升速的調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的調(diào)速性能比較好，但是附加電動(dòng)勢(shì)的獲取比較困難，故長(zhǎng)期以來未得到推廣。因此，這里僅就其原理做簡(jiǎn)要介紹。

三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)作為一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而帶動(dòng)其他機(jī)械進(jìn)行工作的設(shè)備，我們最關(guān)心的是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。所謂三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在一定條件下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系n=f（Tem）。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)差率s之間存在一定關(guān)系：，所以三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也往往用Tem=f（s）的形式表示。

4.1.1機(jī)械特性的表達(dá)式

根據(jù)前面章節(jié)的學(xué)習(xí)，我們知道三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路圖可以化簡(jiǎn)為如圖4.1所示。從電路的觀點(diǎn)分析知，電磁功率為；

圖4.1三相異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路圖一、電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

我們把公式進(jìn)行整理（利用前面已學(xué)的公式）可得；（4-1）式中——轉(zhuǎn)矩常數(shù)上式表明電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與主磁通成正比，與轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比，從物理概念上反映了Tem、、Φ1三者的關(guān)系，并符合左手定則。二、電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)子電流折算值為（4-2）電磁轉(zhuǎn)矩為（4-3）可見，（4-3）方程，它清楚地表示了異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差率與電動(dòng)機(jī)各參數(shù)之間的關(guān)系，下面我們就從這個(gè)公式出發(fā)，分析三相異步電動(dòng)機(jī)的固有特性及人為機(jī)械特性。

4.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

1．固有機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓和額定頻率下，按規(guī)定方法接線，定子、轉(zhuǎn)子外接電阻為零時(shí)，n（或s）與Tem的關(guān)系。對(duì)于某一臺(tái)確定的電動(dòng)機(jī)而言。機(jī)械特性方程式表明，此時(shí)只有n（或s）與Tem是變量，其余均為確定值。因?yàn)闄C(jī)械特性方程式是一個(gè)二次方程，故Tem存在最大值。以Tem為橫軸，n（或s）為縱軸，做出如圖4.2所示的三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線。圖4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線

由圖可見整個(gè)機(jī)械特性可以分成兩個(gè)部分。（1）H-P部分即sm>s>0范圍內(nèi)。在這一部分，隨著電磁轉(zhuǎn)矩Tem的增加，轉(zhuǎn)速降低。根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件，這部分為穩(wěn)定運(yùn)行工作部分，電動(dòng)機(jī)應(yīng)工作于這一范圍內(nèi)。此時(shí)機(jī)械特性曲線近似為一條直線。（2）P-A部分即1>s>sm范圍內(nèi)。這一部分隨著轉(zhuǎn)矩的減小，轉(zhuǎn)速也減小。此區(qū)域稱為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，三相異步電動(dòng)機(jī)一般不能穩(wěn)定地工作于這一范圍。因此，有時(shí)也將稱這一部分為非工作部分。為了進(jìn)一步描述三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的特點(diǎn)，下面重點(diǎn)研究幾個(gè)反映電動(dòng)機(jī)工作的特殊點(diǎn)。（1）理想空載點(diǎn)H

此時(shí)n=n1,s=0。因轉(zhuǎn)子電流I2=0，定子電流I1=I0，所以電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0。（2）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P

對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)而言，通過數(shù)學(xué)求導(dǎo)，令dTem/ds=0分析可知，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩Tm時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率為（4-4）進(jìn)而可求得最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm為；（4-5）由于忽略Ｒ１得近似表達(dá)式；

由此進(jìn)一步可知：

①三相異步電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率與電源電壓U1無關(guān)，只與電動(dòng)機(jī)自身的參數(shù)有關(guān)，且與轉(zhuǎn)子電阻成正比，所以改變轉(zhuǎn)子電阻的大?。ㄈ缭诶@線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路中串接變阻器）即可改變臨界轉(zhuǎn)差率。

②三相異步電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)。因此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的大小不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，只會(huì)影響產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率。

③最大電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電源電壓U1的平方成正比，而臨界轉(zhuǎn)差率卻與電源電壓無關(guān)。最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比叫過載能力，即，的值在電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)資料中可查到：一般異步電動(dòng)機(jī)在1.6～2.5之間，特殊用途的電動(dòng)機(jī)（如起重、冶金用電動(dòng)機(jī)）的值在3.3～3.4之間。是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，反映電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載波動(dòng)的能力。

（3）啟動(dòng)點(diǎn)A

電動(dòng)機(jī)工作在啟動(dòng)點(diǎn)A時(shí)n=0，s=1，。為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩或稱堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)，因此，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的大小是衡量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能好壞的技術(shù)指標(biāo)。由機(jī)械特性方程式知：（4-6）由式可知：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩的大小與電源電壓的平方成正比，同時(shí)也受轉(zhuǎn)子電阻大小的影響。為了衡量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，我們用電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比來表示。即，被稱之為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，反映電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力。一般在1.8～2.0之間。（4）額定點(diǎn)N

電動(dòng)機(jī)工作在額定點(diǎn)時(shí)，，由銘牌可知，可通過銘牌參數(shù)計(jì)算得到。額定工作點(diǎn)是希望的工作點(diǎn)。2．人為機(jī)械特性

所謂三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性是指：人為地改變電動(dòng)機(jī)的某些參數(shù)或電源電壓大小而得到的機(jī)械特性，人為機(jī)械特性的目的是為了獲得所需的拖動(dòng)性能。由上述內(nèi)容可知，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中電阻的大小或改變電源電壓的高低，其機(jī)械特性都將發(fā)生改變，下面著重討論這兩種常用的人為機(jī)械特性。

（1）降低電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性

降低電源電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（包括或）將按電壓的平方降低，但臨界轉(zhuǎn)差率不變。繪出不同電壓時(shí)某一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的人為特性曲線如圖4.3所示。由圖可見：降壓后的機(jī)械特性變“軟”，啟動(dòng)能力和過載能力都下降。如果此時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩則將停止運(yùn)轉(zhuǎn)；如果此時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速n下降，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)增大，導(dǎo)致電流增大，使電動(dòng)機(jī)過載，這樣長(zhǎng)期過載會(huì)使電動(dòng)機(jī)的溫升將超過允許值，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命，甚至燒毀繞組。圖4.3三相異步電動(dòng)機(jī)降低電源電壓時(shí)的人為機(jī)械特性（2）轉(zhuǎn)子電路串對(duì)稱電阻的人為機(jī)械特性

由式（4-4）、（4-5）、（4-6）知，在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中串入電阻則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化，也會(huì)發(fā)生變化，而最大轉(zhuǎn)矩不變，人為機(jī)械特性曲線如圖5.4所示。由圖可見，在一定范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子電阻，可以增加電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以起重機(jī)械上大多采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)。但若是串接某一數(shù)值的電阻使后，再繼續(xù)增大轉(zhuǎn)子電阻，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將開始減小。

以上三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性性能都是通過特性方程式分析得來的。但方程式較為復(fù)雜，而且一般情況下，三相異步電動(dòng)機(jī)的某些數(shù)據(jù)在產(chǎn)品目錄或銘牌上是查不到的，給方程式的定量運(yùn)算帶來不便。通過對(duì)方程式的分析，可以得到只反映電動(dòng)機(jī)運(yùn)行外部機(jī)械參數(shù)的實(shí)用表達(dá)式如下：（4-7）其中（4-8）

圖4.4異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接對(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

所謂三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程是指三相異步電動(dòng)機(jī)從接入電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)起，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速為止這一段過程。根據(jù)上一節(jié)的分析知，三相異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大，但轉(zhuǎn)子繞組中的電流I很大，通?？蛇_(dá)額定電流的4～7倍，從而使得定子繞組中的電流相應(yīng)增大為額定電流的4～7倍。這么大的啟動(dòng)電流將帶來下述不良后果。（1）啟動(dòng)電流過大使電壓損失過大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠使電動(dòng)機(jī)根本無法啟動(dòng)。（2）使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱，絕緣老化，從而縮短了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。（3）造成過流保護(hù)裝置誤動(dòng)作、跳閘。（4）使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而形成影響連接在電網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在保證一定大小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，還要求限制啟動(dòng)電流在允許的范圍內(nèi)。

4.2.1籠形異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有兩種方式，第一種是直接啟動(dòng)，即將額定電壓直接加在電動(dòng)機(jī)定子繞組端。第二種是降壓?jiǎn)?dòng)，即在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)降低定子繞組上的外加電壓，從而降低啟動(dòng)電流。啟動(dòng)結(jié)束后，將外加電壓升高為額定電壓，進(jìn)入額定運(yùn)行。兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)視具體情況具體確定。從電動(dòng)機(jī)容量的角度講，通常認(rèn)為滿足下列條件之一的即可直接啟動(dòng)，否則應(yīng)采用降壓?jiǎn)?dòng)的方法。（1）容量在10kW以下（2）符合下列經(jīng)驗(yàn)公式1．三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備少，啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單，成本低，是小型籠形異步電動(dòng)機(jī)主要采用的啟動(dòng)方法，如圖4.5所示。

圖4.5三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)

2．三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)

降壓?jiǎn)?dòng)方式是指在啟動(dòng)過程中降低其定子繞組端的外施電壓，啟動(dòng)結(jié)束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復(fù)到額定值。這種方法雖然能達(dá)到降低啟動(dòng)電流的目的，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小很多，故此法一般只適用于電動(dòng)機(jī)的空載或輕載啟動(dòng)，具體方法包括：（1）定子串電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng)

三相籠形異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)定子電路串入電阻或電抗器，使加到電動(dòng)機(jī)定子繞組端電壓降低，減少了電動(dòng)機(jī)上的啟動(dòng)電流。圖4.6是三相籠形電動(dòng)機(jī)定子繞組串電阻降壓?jiǎn)?dòng)的原理圖，其工作情況為：合上刀開關(guān)Q，在開始起動(dòng)時(shí)，KM1主觸點(diǎn)閉合，KM2主觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)電阻接入電源，電動(dòng)機(jī)在低壓狀態(tài)下開始啟動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)，使KM1斷開、KM2接通，切除了電阻，電源電壓直接加在電動(dòng)機(jī)上，啟動(dòng)過程結(jié)束。

這種啟動(dòng)方法不受電動(dòng)機(jī)定子繞組接法形式的限制，但由于啟動(dòng)電阻的存在，將使設(shè)備體積增大，電能損耗大，目前已較少采用。圖4.6三相異步電動(dòng)機(jī)定子方串電阻降壓?jiǎn)?dòng)（2）Y/△降壓?jiǎn)?dòng)

對(duì)于正常運(yùn)行為△形接法的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，若在啟動(dòng)時(shí)將其定子繞組接為Y形，則啟動(dòng)時(shí)其定子繞組上所加的電壓僅為正常運(yùn)行的，降低了啟動(dòng)電壓。目前生產(chǎn)的Y系列功率在4kV以上的中小型三相異步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組的規(guī)定接法一般為△形接法，所以在啟動(dòng)時(shí)，可以對(duì)其采用Y/△降壓?jiǎn)?dòng)方法，即在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，將定子繞組接成Y形接法，啟動(dòng)過程結(jié)束后，再接成△形接法。圖4.7是Y/△降壓?jiǎn)?dòng)的原理圖，其工作情況如下。

合上開關(guān)QF后，若要啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，則交流接觸器KM1和KM2的主觸點(diǎn)同時(shí)閉合，KM1將電動(dòng)機(jī)的定子繞組接成Y形，KM2將電源引到電動(dòng)機(jī)定子繞組端，電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于穩(wěn)定值時(shí)，KM1先斷開而后KM3立即閉合，將電動(dòng)機(jī)定子繞組的Y形接法解除而接成△形，進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)。三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的Y/△降壓?jiǎn)?dòng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，應(yīng)用較廣泛。但它只適用于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組為△接的電動(dòng)機(jī)。圖4.7Y/△降壓?jiǎn)?dòng)原理圖（3）定子串自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)

這種方法是利用自耦變壓器將電源電壓降低后再加到電動(dòng)機(jī)定子繞組端，達(dá)到減小啟動(dòng)電流的目的，如圖4.8所示。

設(shè)自耦變壓器的一次側(cè)電壓U1（即電源電壓），電流為I1，二次側(cè)電壓為U2，電流為I2，變壓比為k，則;

圖4.8自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)

啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)自耦變壓器后，加在三相籠形異步電動(dòng)機(jī)定子繞組端的線電壓為U1/k，此時(shí)電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓為全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的1/k，即式中——電動(dòng)機(jī)電壓為U1/k時(shí)的啟動(dòng)電流，即自耦變壓器二次側(cè)電流。

——電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的電流。

——電動(dòng)機(jī)電壓為U1/k時(shí)電網(wǎng)上流經(jīng)的電流，即自耦變壓器一次側(cè)電流，所以電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸取的電流。由于自耦變壓器一次側(cè)的電流小于二次側(cè)的電流，故在相同的啟動(dòng)電壓下，自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)比Y/△降壓?jiǎn)?dòng)向電源吸取的電流要小。圖5.8的控制原理是合上Q后，令KM1觸點(diǎn)先將自耦變壓器做星形連接，再由KM2接通電源，電動(dòng)機(jī)定子繞組經(jīng)自耦變壓器實(shí)現(xiàn)減壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，令KM1、KM2斷開而KM3閉合直接將全電壓加在電動(dòng)機(jī)上，啟動(dòng)過程結(jié)束，進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài)。自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)性能好，但線路相對(duì)較復(fù)雜，設(shè)備體積大，目前是三相籠形異步電動(dòng)機(jī)常用的一種降壓?jiǎn)?dòng)方法。4.2.2繞線形異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

三相繞線形異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中有三相繞組，可以通過滑環(huán)和電刷串接外加電阻。在上一節(jié)分析轉(zhuǎn)子串電阻的人為機(jī)械特性時(shí)已知：適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子串接電阻，可以減小啟動(dòng)電流并提高電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，繞線形異步電動(dòng)機(jī)正是利用了這一特性。按照繞線形異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子串接裝置的不同，有串電阻啟動(dòng)和串頻敏電阻器啟動(dòng)兩種方法。1．轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)

在這種啟動(dòng)方式中，由于電阻是常數(shù)，所以為了獲取較平滑的啟動(dòng)過程，將啟動(dòng)電阻分為幾級(jí)，在啟動(dòng)過程中逐級(jí)切除。圖4.9是繞線形異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的原理圖，圖4.10是機(jī)械特性曲線。圖4.9繞線形異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)原理圖

其工作情況為：合上刀開關(guān)Q后，交流接觸器KM1，KM2，KM3的主觸點(diǎn)全部斷開，全部電阻均接入電路，對(duì)應(yīng)工作的機(jī)械特性曲線為圖5.10中曲線1，從a點(diǎn)開始啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸升高。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到b點(diǎn)時(shí)，令KM1閉合，R1被短接，R2,R3仍串入電路，由于電阻減小而轉(zhuǎn)速不能突變，特性曲線瞬間過渡到曲線2上的c點(diǎn)并沿曲線2繼續(xù)加速。當(dāng)加速到d點(diǎn)時(shí)，令KM2閉合，R1,R2被短接，R3仍串入電路，由于電阻減小而轉(zhuǎn)速不能突變，特性曲線瞬間過渡到曲線3上的e點(diǎn)并沿曲線3繼續(xù)加速。當(dāng)加速到f點(diǎn)時(shí)，令KM3閉合，R1,R2,R3被短接，由于電阻減小而轉(zhuǎn)速不能突變，特性曲線瞬間過渡到固有機(jī)械特性曲線上的g點(diǎn)并沿固有機(jī)械特性曲線繼續(xù)加速，直到穩(wěn)定運(yùn)行，啟動(dòng)過程結(jié)束。圖4.10繞線形異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)機(jī)械特性

2．轉(zhuǎn)子繞組串頻敏變阻器啟動(dòng)

根據(jù)上述分析知：要想獲得更加平穩(wěn)的啟動(dòng)特性，必須增加啟動(dòng)級(jí)數(shù)，這就會(huì)使設(shè)備復(fù)雜化。為此采用了在轉(zhuǎn)子上串頻敏變阻器的啟動(dòng)方法。所謂頻敏變阻器，是由厚鋼板疊成鐵心并在鐵心柱上繞有線圈的電抗器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.11所示。它是一個(gè)鐵損耗很大的三相電抗器，如果忽略繞組的電阻和漏抗時(shí)，其一相的等效電路如圖4.12所示。

圖4.11頻敏變阻器結(jié)構(gòu)示意圖圖4.12頻敏變阻器一相等效電路

頻敏變阻器啟動(dòng)原理如圖4.13所示。合上開關(guān)Q，KM1閉合，電動(dòng)機(jī)定子繞組接通電源電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子頻率較高，f2≈f1，頻敏變阻器的鐵損很大，Rm和Xm均很大，且Rm＞Xm，因此限制了啟動(dòng)電流，增大了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子電流頻率下降，于是Rm、Xm隨n減小，這就相當(dāng)于啟動(dòng)過程中電阻的無級(jí)切除。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近于穩(wěn)定值時(shí)，KM2閉合將頻敏電阻器短接，啟動(dòng)過程結(jié)束。圖4.13三相繞線形異步電動(dòng)機(jī)串頻敏電阻器啟動(dòng)原理圖

電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

額定功率選擇的原則是：所選額定功率要能滿足生產(chǎn)機(jī)械在拖動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等）對(duì)功率和轉(zhuǎn)矩的要求并在此基礎(chǔ)上使電動(dòng)機(jī)得到充分利用。額定功率選擇的方法是：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí)負(fù)載（轉(zhuǎn)矩、功率、電流）大、小變化特點(diǎn)，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率，再根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)額定功率校驗(yàn)過載能力和啟動(dòng)能力。電動(dòng)機(jī)額定功率大小是根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作發(fā)熱時(shí)其溫升不超過絕緣材料的允許溫升來確定的，其溫升變化規(guī)律是與工作特點(diǎn)有關(guān)的，同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)時(shí)的額定功率大小也是不相同的。7.1.1電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與冷卻1．電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其內(nèi)部主要存在鐵損耗、銅損耗及機(jī)械損耗，這些損耗是以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來的，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其內(nèi)部的發(fā)熱量在單位時(shí)間內(nèi)是恒定的。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有兩方面的作用，一方面由電動(dòng)機(jī)吸收使其本身的溫度升高，另一方面向周圍環(huán)境散熱。可以用以下公式表示這一熱平衡關(guān)系發(fā)熱量＝吸熱量＋散熱量電動(dòng)機(jī)溫度的升高，就產(chǎn)生了與周圍環(huán)境的溫度差。我們將電動(dòng)機(jī)本身的溫度與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（40oC）的差值稱為溫升，用表示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的溫度升高到某一數(shù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部所增加的發(fā)熱量全部向周圍環(huán)境散發(fā)，電動(dòng)機(jī)本身的溫度不再升高，即溫度達(dá)到了穩(wěn)定值。電動(dòng)機(jī)的溫度達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)的狀態(tài)稱為熱穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的溫度值稱為穩(wěn)態(tài)溫度，對(duì)應(yīng)的溫升稱為穩(wěn)態(tài)溫升。

電動(dòng)機(jī)的溫升變化過程可以用下列方程式表示（7-1）式中

w——穩(wěn)態(tài)溫升

0——初始溫升，即溫升開始變化時(shí)的數(shù)值

t——溫升變化時(shí)間

T——熱時(shí)間常數(shù)熱時(shí)間常數(shù)T只與電動(dòng)機(jī)的體積和本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，它的大小反映了電動(dòng)機(jī)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)前的溫升變化速度。T越小，溫升變化越快；T越大，溫升變化越慢。根據(jù)式（7-1）可以作出電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過程的溫升變化曲線，如圖7.1所示。可見，電動(dòng)機(jī)的溫升是按指數(shù)規(guī)律變化的。

曲線1對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)初始溫升為零的情況，即溫升從電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)開始升高。曲線2對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)初始溫升不為零的情況，即溫升從電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)開始升高。由圖7.1看出，發(fā)熱過程開始時(shí)，初始溫升較小，即電動(dòng)機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差較小，向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量較少，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大部分被電動(dòng)機(jī)吸收，使電動(dòng)機(jī)的溫升增加較快。初始溫升越小，溫升增加得越快。隨著溫升的增加，電動(dòng)機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差逐步增大，向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量隨之逐步增加，使電動(dòng)機(jī)的溫升增加速度逐步減慢。如此一直到使電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)到穩(wěn)定值，發(fā)熱過程結(jié)束。圖7.1電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過程的溫升變化曲線

在構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的所有材料中，絕緣材料的耐熱性能是最差的，而絕緣材料又是電動(dòng)機(jī)中最重要的材料之一。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，如果絕緣材料因溫度過高而損壞，那么電動(dòng)機(jī)的繞組中將出現(xiàn)匝間或相間短路現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行，甚至被燒毀。各種絕緣材料的耐熱性能不盡相同。為使電動(dòng)機(jī)能達(dá)到正常的使用年限（約為20年），規(guī)定了各種絕緣材料的工作溫度不能超過某一數(shù)值，即不能超過允許的最高工作溫度值。通常將各種絕緣材料對(duì)應(yīng)的允許最高工作溫度值用絕緣材料等級(jí)來表示，電動(dòng)機(jī)有A，E，B，F(xiàn)，H等五級(jí)，如表7.1所示。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，如果其內(nèi)部溫度超過絕緣材料允許的最高工作溫度值時(shí)，絕緣材料的老化速度將加快。超過的溫度差值越大，絕緣材料的老化速度越快。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的溫度太高時(shí)，絕緣材料將被燒壞。

表7.1電動(dòng)機(jī)絕緣材料等級(jí)等級(jí)絕緣材料允許最高溫度（℃）A