《機電傳動控制》教案

機電傳動控制教案

學(xué)院、系：機械電子工程學(xué)院機電系

任課教師：_______________________

授課專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化

課程學(xué)分：______________________

課程總學(xué)時：60學(xué)時

課程周學(xué)時：______________________

機電傳動控制教學(xué)進程

周

課

次

次章節(jié)計劃學(xué)時教學(xué)手段教學(xué)環(huán)境

21§1.1§1.2§1.3§2.12講授多媒體教室

§2.3§2.4

22§3.1§3.2§3.32講授多媒體教室

31§3.4§3.5§3.62講授多媒體教室

32§5.1§5.2§5.3§5.42講授多媒體教室

41§5.4§5.5§5.7§5.82講授多媒體教室

42§6.1§6.2§6.3§6.42講授多媒體教室

§6.5

51§6.7§7.1§7.2§7.32講授多媒體教室

52§7.4§7.5§7.62講授多媒體教室

61電動機原理習(xí)題討論課2輔導(dǎo)多媒體教室

62§8.12講授多媒體教室

71§8.12講授多媒體教室

72§8.22講授多媒體教室

81實驗課繼電器接觸器控2指導(dǎo)機電實驗室

制實驗

82習(xí)題討論課：§8.3§8.42輔導(dǎo)多媒體教室

91§9.12講授多媒體教室

92§9.22講授多媒體教室

101實驗課：可編程序控制器2指導(dǎo)機電實驗室

認(rèn)識實驗

102§9.3§9.32講授多媒體教室

111實驗課：可編程序控制器2指導(dǎo)機電實驗室

編程練習(xí)

112§10.1§10.22講授多媒體教室

121§10.3§10.5§10.62講授多媒體教室

122實驗課：晶閘管特性及觸2指導(dǎo)機電實驗室

發(fā)原理

131§11.1§11.22講授多媒體教室

132§11.3§11.42講授多媒體教室

141§12.12講授多媒體教室

142§13.1§13.22講授多媒體教室

151§13.32講授多媒體教室

152§13.42講授多媒體教室

161實驗課2指導(dǎo)機電實驗室

162題討論課2輔導(dǎo)多媒體教室

2

河北科技大學(xué)教案用紙

第1_次課2學(xué)時

上次課復(fù)習(xí)：

本次課題（或教材章節(jié)題目）：§L1目的和任務(wù)§1.2發(fā)展概況§1.3內(nèi)容安排§2.1運動方程式§

2.3生產(chǎn)機械的機械特性§2.4穩(wěn)定條件

教學(xué)要求：了解機電傳動的目的、任務(wù)和發(fā)展概況，掌握機電傳動系統(tǒng)的運動方程、各種生產(chǎn)機械的特

性和機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。

重點：機電傳動系統(tǒng)的運動方程、各種生產(chǎn)機械的特性、機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。

難點：機電傳動系統(tǒng)的運動方程、機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件.

教學(xué)手段及教具：多媒體教學(xué)

講授內(nèi)容及時間分配：

§1.1、§1.2、§1.3------0.5學(xué)時

§2.1、§2.3、§2.4——1.5學(xué)時

課后作業(yè)習(xí)題2.10、2.11

參考資料

第1頁

第一章概述

§1.1機電傳動的目的和任務(wù)

1.傳動——運動的傳遞（能量）

傳動的分類（按機械動能傳遞方法）

（1）機械傳動a.齒輪

b.杠桿如：自行車驅(qū)動力、鏈傳動

c肢帶

d.機構(gòu)等剎車、連桿機構(gòu)

傳遞力或力矩（機械能）

（2）流體傳動a.液壓與氣動（壓力能）

b.液力傳動（流體動能）

（3）機電傳動（電力拖動）

（4）另外還有其它的傳動方式。

注：有時，在一個生產(chǎn)機械中由幾種傳動形式聯(lián)合工作。

2.機電傳動一（本課程研究的內(nèi)容）

以電動機為原動機驅(qū)動生產(chǎn)機械的傳動系統(tǒng)

服務(wù)對象：各種生產(chǎn)機械

機械能

----------電動機------------------生產(chǎn)機械

它是一種由電能轉(zhuǎn)變成機械能的傳動系統(tǒng)，所以有時也稱為電力傳動或電刀嬴

3.機電傳動控制

目前：由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)機械的自動化程度和生產(chǎn)精度不斷提高,

所以要求機電傳動系統(tǒng)不僅完成能量轉(zhuǎn)換的工作還要對傳動過程進行控制。

本課程所研究的就是這二部分內(nèi)容。傳動及控制

所以課程名稱叫《機電傳動控制》

4.機電傳動控制的任務(wù)

—控制電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械設(shè)備,實現(xiàn)具體的工作要求

--舉例：天車的吊起、制動

機床切削過程

電梯平穩(wěn)升降及定位

軋機的換向等

§1.2機電傳動發(fā)展概況

簡單的可以分為：a.成組拖動（傳動）

b.單電機拖動

c.多電機拖動

三個階段

從控制系統(tǒng)的功率器件上分類：

a.接觸器和繼電器時代

b.電機放大機及磁放大機時代

2

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C.可控硅（晶閘管）

另外，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了

a.模擬控制

b.數(shù)字控制（數(shù)控機床）

§1.3內(nèi)容安排

1.《機械電子》專業(yè)是一個以機為主機電結(jié)合的專業(yè).課程設(shè)置（具了解）基本上是這樣的

《電路基礎(chǔ)》電學(xué)基礎(chǔ)

《模擬電子》電子技術(shù)（弱電）

《數(shù)字電子》計算機技術(shù)

《機電傳動控制》包括了所有應(yīng)掌握的強曳內(nèi)容

用以上四門課程取代了機械專業(yè)的《電工學(xué)》課程。

2.本門課包括以下幾個方面：

（1）電機原理及特性：交、直、特殊、三?一匕章

（2）電器及控制：接觸器，繼電器;保護及控制器八章

（3）可編程序控制器：（PC）原理及應(yīng)用九章

（4）可控硅原理及應(yīng)用：晶閘管十章

（5）調(diào)速系統(tǒng)：交流、直流，電力拖動H一~、十二章

（6）步進電機調(diào)速系統(tǒng)：自動化十三章

3.課程特點綜合性比較強（面寬）

實踐性比較強與生產(chǎn)實踐聯(lián)系較強（教學(xué)實驗）

4.教學(xué)實驗計劃開五個：

5.學(xué)時安排：

由于作者建議用90學(xué)時講授，實際他用大約70學(xué)時

我們目前安排了60個學(xué)時。

教學(xué)實驗建議開八個實際開出了五個

我們目前條件可開六個但學(xué)時數(shù)的關(guān)系開五個

第二章機電傳動的動力學(xué)基礎(chǔ)

§2.1運動方程式

1.對于一個電動機輸出軸上的運動情況有

Tm電機的輸出扭矩

TL電機的負(fù)載扭矩

3為角速度

J轉(zhuǎn)動慣量

n為轉(zhuǎn)速

k為常數(shù)

2.意義：Tm與TL之差將產(chǎn)生加速度

第3頁

當(dāng)Tm>TL時，力口速

當(dāng)Tm<TL時，減速

當(dāng)Tm=TL時，勻速（平衡）

3.Tm與TL的正反。

TmTm

以轉(zhuǎn)速的方向為準(zhǔn)（n）

Trn：與n同向時為正（拖動）反之為負(fù)（制動）

TL：與n反向時為正（制動）反之為負(fù)（拖動）

解釋：提升重物

升：Tm為正，TL正

降：TL為負(fù)，Tm負(fù)（制動）第5頁2個圖

§2.3生產(chǎn)機械的機械特性

機械特性：生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)軸（電機軸）上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。

分為以下幾種

§2.3.1恒轉(zhuǎn)矩機械特性

特點：負(fù)載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，TL=C可分為:反抗（摩擦）與n同號（總制動）

位能方向一定

反抗轉(zhuǎn)矩位能轉(zhuǎn)矩離心風(fēng)機特性

例切削力吊重物

§2.3.2離心風(fēng)機特性

特點：Tc=cn2與轉(zhuǎn)速平方成正比

§2.3.3直線型特性

特點:TL=cn

§2.3.4恒功率型特性

特點:TL=c/n

直線型恒功率型

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§2.4機電傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件

電動機的機械特性是Tm=f(n)曲線及彩動衣忿忿壽遂的函數(shù)關(guān)系

生產(chǎn)機械的機械特性是TL=f(n)曲線及負(fù)載在恁於金遂的函數(shù)關(guān)系

當(dāng)電動機作為生產(chǎn)機械的原動機(動力源)時，兩個函數(shù)中的n為同一個參數(shù)。

在運行中由運動方程式可知,要想穩(wěn)定運行，速度應(yīng)勻速不變及TL=Tm時及是穩(wěn)定的一

個條件，所以系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件之一是

1、電動機和生產(chǎn)機械的機械特性曲線應(yīng)有交點

此處：Tm=TL(勻速),

例：曲線1和2,附合這個條件，有a、b交點

曲線1和3,不附合卜一'一一_a

另外，應(yīng)有抗干擾能力：

當(dāng)有外來干擾時會引起n變化

當(dāng)干擾消失后，n應(yīng)恢復(fù)原狀態(tài)

所以另一個穩(wěn)定條件是：

2、當(dāng)有外加干擾使n變化時，干擾消除后n應(yīng)能自行恢復(fù)到原狀態(tài)。

這件條件的判斷原則是：

當(dāng)ntTm<TL

當(dāng)nITm>TL

由運動方程看幾一￡=/羋=0

當(dāng)干擾使nt時，干擾消除后希望nI這時如Tm-TL<0則負(fù)加速

當(dāng)干擾使nI時，干擾消除后希望nt這時如Tm-TL>0則正加速

例：a,b兩點

a點，當(dāng)nT時TmX—Tm'《

當(dāng)干擾消除后由于在n'處Tm-TL<0,所

b點，當(dāng)nT時TmT—Tm'

當(dāng)干擾消除后由于在ri''處Tm-TL>0,所以nT至4n*'

直到a點處平衡

Tm'TLT：

第5頁

第之次課2學(xué)時

上次課復(fù)習(xí)：

機電傳動系統(tǒng)的運動方程、各種生產(chǎn)機械的特性、機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。

本次課題（或教材章節(jié)題目）：§3.1直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理§3.2直流發(fā)電機

§3.3直流電動機的機械特性

教學(xué)要求：掌握直流電機的基本工作原理及特性，特別時直流電動機的機械特性。

重點：直流電機的基本工作原理及特性。

難點：直流電機的基本工作原理及特性。

教學(xué)手段及教具：多媒體教學(xué)

講授內(nèi)容及時間分配：

§3.1、§3.2——1學(xué)時

§3.3——1學(xué)時

課后作業(yè)習(xí)題3.3、3.4、3.5、3.6

參考資料

6

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第三章直流電機的工作原理

電機的分類：a發(fā)電機，電動機

b直流，交流、步進

特點:直流電動機：可以實現(xiàn)無級調(diào)速（優(yōu)點），在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中應(yīng)用多

交流電動機：簡單、便宜、但調(diào)速復(fù)雜

步進電動機：用脈沖工作、易于數(shù)字控制

直流發(fā)電機：一般用來為直流電動機配套;但可控硅取代很多的發(fā)電機

§3.1直流電機的基本結(jié)構(gòu)和原理

§3.1.1直流電機的結(jié)構(gòu)

主要部件：勵硅繞組（定子線圈）用來產(chǎn)生磁場

電樞繞組（轉(zhuǎn)子線圈）通有工作電流

換向器保持電樞繞組的電流方向不變

鐵芯（定子、轉(zhuǎn)子）導(dǎo)磁及支撐

作用：簡述

其它：略

§3.1.2直流電機的基本工作原理

以單個電樞繞組線圈為例說明

一、發(fā)電機（根據(jù)右手定則）

勵磁繞組通電產(chǎn)生一磁場

＞A點總與N極側(cè)的一邊相連

＞B點總與N極側(cè)的一邊相連

＞轉(zhuǎn)子（電樞線圈）由原動機拖動，以轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動

＞這時，N邊切割磁力線產(chǎn)生電勢指向外

S邊切割磁力線產(chǎn)生電勢指向內(nèi)

＞AB兩點就產(chǎn)生了電勢E=Ke①n

當(dāng)有負(fù)載RL時，就產(chǎn)生電流I

＞這時，E=Ke①n

二、電動機（根據(jù)左手定則）

＞在人8兩點加電壓，在電樞中產(chǎn)生電流I

＞則N邊受力,S邊反向受力，形成轉(zhuǎn)矩T=Km①la

＞電樞轉(zhuǎn)動后，切割磁力線產(chǎn)生反電勢E=Ke?n

＞當(dāng)n到一定值后，Ia=（U-E）/Ra

滿足T后穩(wěn)定下來。

注：在發(fā)電機中E=Ke①n是輸出電勢

當(dāng)laHO時，T=Km①la（負(fù)載轉(zhuǎn)矩）為原動機負(fù)載，疑1a為負(fù)載

第7頁

在電動機中Tm=Km①la為輸出動力

Em=Ke①n為反電勢

當(dāng)Tm大nt[TM-TL=J(dw/dt)]EMt(U-EM)IIa=(U-EM)/RaITMI

一是負(fù)載

§3.2直流發(fā)電機

對于直流電機按其勵磁方法分為以下幾種情況：

他勵：磁繞組有獨立的電源與電樞無關(guān)

并勵：勵磁繞組與電樞并聯(lián)

串勵：勵磁繞組與電樞串聯(lián)

復(fù)勵：有串也有并勵

§321他勵發(fā)電機

1.電原理圖

由于獨立Uf,If

所以負(fù)載電流1=電樞電流la

2.空載特性

當(dāng)發(fā)電機空載(反0)及轉(zhuǎn)速(n)不變時,輸出電勢與勵磁電流的關(guān)系曲線

當(dāng)If小時直線(不飽和)

If大時，彎曲(開始飽和)

If更大，平直(飽和，中不變)

3.外特性曲線

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速(n)和勵磁(①)不變時,輸出電壓(U)與負(fù)載電流(D之間的關(guān)系曲

避

注：當(dāng)latRaiatU=E-IaRaI

§3.2.2并勵發(fā)電機

1.電原理圖:

由于Ii?I

所以la^I

2.電壓建立過程

由于事先沒有勵磁電壓U所以If=0

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動時，沒有磁場所以不會產(chǎn)生E。

并勵發(fā)電應(yīng)滿足以下幾個條件

(1)在磁極上有剩磁(弱的磁場)當(dāng)nt產(chǎn)生一個小E產(chǎn)生一個小If

(2)勵磁磁場與剩磁場的方向相同電壓建立起來

(3)Rf不能太大兩方面，一方面是線圈電阻，一是外接電阻

3.并勵發(fā)電機的工作點

一方面是空載曲線

一方面是是勵磁電流曲線共同決定

當(dāng)飽和彎曲后產(chǎn)生交點

4.外特性

8

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與他勵一樣，但由于UIIfI所以所以UI得多

§3.2.3復(fù)勵發(fā)電機

1.電原理圖

并勵hb=U/Rm

串勵I(lǐng)f=Ia

當(dāng)It,Iat,U=E-IaRaI,If=U/RfbI,@I

（bt,Ut

所以，復(fù)勵發(fā)電機在一定的工作范圍內(nèi)外特性比較平坦

§3.3直流電動機的機械特性

直流電動機由分為他勵、并勵、串勵和變勵

§3.3.1他勵電動機的機械特性

＞電原理圖

由電路原理公式,推導(dǎo)出

Ra1

n=需KeKt①'

=n（）△n

說明：n0與輸出轉(zhuǎn)扭T無關(guān)所以稱為理想空載轉(zhuǎn)速;

而An反映負(fù)載對轉(zhuǎn)速的影響.是負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速誤

差

＞機械特性：

（if）勵磁電流與電樞電壓（U）不變時轉(zhuǎn)速（n）與扭矩

由上式可知機械特性如圖if

＞機械特性硬度：,~,

B=dT/dno-1—F^

對于電機按值分類如下：

絕對硬度B=8

硬B210

軟P＜10

三種在生產(chǎn)中都有應(yīng)用

＞機械特性分固有機械特性和人為機械特性

固有：在額定條件下（n）與（T）的關(guān)系

人為：人為改變參數(shù)時得到的機械特性,如改變U,串聯(lián)電阻R等

（一）他勵直流電動機的固機械特性

由

n=—U——-T

Ke①KeK,①:’

第9頁

（二）人為機械特性

1.電樞串電阻

由：

n=U_Ra+T

_KeKt①

＞當(dāng)太小時反電勢E=Ke①n

＞當(dāng)11大時Ia=(U-E)/Ra燒坯

＞當(dāng)丁1.小時E=Ke①n因為①所以nt飛車

＞所以①】不能太多

（并勵比較人為特性降壓時U）

§3.3.2串勵電動機

這時Ia=If從而有

1.當(dāng)TJ因為I尸L也?。═=KmcDL）

2.當(dāng)Tt大時①飽和，平坦

3.不能空載（飛車）

特點：

起動扭矩大用于吊車電車的驅(qū)動

起動時特性軟。

§3.3.3復(fù)勵

有串，他（并）勵兩個繞組

具有兩者的優(yōu)點，可根據(jù)要求來設(shè)計，串、并磁場強度來達(dá)到所需的值

10

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第支次課2學(xué)時

上次課復(fù)習(xí)：

直流電機的基本工作原理、直流他勵電動機的固有機械特性和人為機械特性

本次課題（或教材章節(jié)題目）：§3.4直流他勵電動機的啟動特性§3.5直流他勵電動機的調(diào)速特性§

3.6直流他勵電動機的制動特性

教學(xué)要求：掌握直流他勵電動機的啟動特性、調(diào)速特性和制動特性

重點：直流他勵電動機的啟動特性、調(diào)速特性和制動特性

難點：直流他勵電動機的啟動特性、調(diào)速特性和制動特性

教學(xué)手段及教具：多媒體教學(xué)

講授內(nèi)容及時間分配：

§3.4、§3.5、——1學(xué)時

§3.6——1學(xué)時

課后作業(yè)習(xí)題3.10、3.16、3.17、3.18

參考資料

第n頁

§3.4直流他勵電動啟動特性

1.電動機的啟動就是使n從。Tn.的過程

啟動初期n=0;E=Ke①n=0(反電動勢)

這時：Ia=(U-E)/Ra?U/Ra

一般Ra(電樞直流電阻)很小,以減小工作中的損耗和發(fā)熱(Ia2Ra是發(fā)熱量)

所以這時la將很大，達(dá)10-201

結(jié)果可能會引起

(1)換向器打火

(2)產(chǎn)生很大的力矩，對負(fù)載產(chǎn)生沖擊

(3)電路的保護器無法設(shè)計

2.所以一般的直流電動機不允許直接啟動

在啟動時設(shè)法限制電樞電流

一般的有以下兩種方法

(1)降壓啟動使U從小到大逐漸增加到

U

(2)電樞回路串聯(lián)電阻啟動

注:對于降壓啟動需要電源電壓可調(diào)。

3,電樞串聯(lián)電阻啟動

(1)單段(串聯(lián)一級電阻)

當(dāng)啟動時KM斷，這時從開始按a變化當(dāng)?shù)絋L時，KM合，由于n不能突變，所以從A

到B點產(chǎn)生沖擊T比較大，這時，有較大的la和T

如圖所示

12

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§3.5直流他勵電動機的調(diào)速特性

電動機的調(diào)速

是指電動機的外負(fù)載（T）不變的情況下，人為的改變電動機的工作參數(shù),使工作速度發(fā)

生變化的情況。

速度調(diào)節(jié)：因生產(chǎn)機械提出的變速要求：如汽車、車床

速度變化：由于T的變化引起（系統(tǒng)的特性決定）

例如：自行車調(diào)整變速器（變速比）

如圖所示:當(dāng)TL-TL時這時速度變化n-n'

由于電動機有：

URa+

n=中-KeK,0,

當(dāng)T不變時，影響的參數(shù)有U,中，Ra

所以調(diào)速的方式可以有以下三種，變電壓U;變磁通；變電阻R

一、串聯(lián)電阻調(diào)速

在電樞回路中串聯(lián)電阻Rd改變其機械特性，引起調(diào)速

由圖可知：當(dāng)Rt時nl（TL不變）

特點：1、當(dāng)Rt時B!機械特性變軟

2、TL越小,An（速度變化）越小

不同TL,調(diào)速范圍不一樣

3、電阻耗能大（發(fā)熱）

由于la比較大，當(dāng)Rt時FRt

4、不易實現(xiàn)無級調(diào)速（大功率變阻器）

5、調(diào)速的設(shè)備比較簡單（分級調(diào)節(jié)）

一般不常用這種方式

二、變電樞電壓調(diào)速

當(dāng)U改變時，no變

當(dāng)T不變時,U-Un-n'

特點：1、當(dāng)U改變時，引起no變化這時An不變

所以B不變,是一組平行線

2、不同的TL時，調(diào)速范圍一樣（An）

3、當(dāng)nI電源功率也I節(jié)能

4、通過專門的電源，可實現(xiàn)無級調(diào)速

5、啟動不需其它的設(shè)備（用降既可實現(xiàn)）

6、電源設(shè)備，需要專門設(shè)計，現(xiàn)已配套

用直流電動機的調(diào)速中，主要采用這種形式

三、改變磁通調(diào)速

由電機人為特性可知：可以改變勵磁電流If

由于磁路已飽和（額定力"處）Ift時小不變，所以只能在的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，即弱磁調(diào)速

特性如圖：

當(dāng)4>I時,國t,Ant

特點：1、只能弱磁調(diào)速（（DI）可以無級變速，調(diào)速范圍在額定n-之上

2,6I,引起機械特性變?nèi)魾I

3、調(diào)速范圍不大，受電機的允許最高轉(zhuǎn)速限制（機械，換向器等）

第13頁

4、適用于恒功率調(diào)節(jié)

由于色（使EFI,（U-EF）/Ra=Iat.Tt,nf,EF"laI,（UIa=P不變）恒定

§3.6直流他勵電動機的制動特性

拖動（電動）：驅(qū)動負(fù)載運動（工作）

制動：制止負(fù)載運動（減速）

自然停車：斷電后自然停止

制動的用途：快速停車，與位能轉(zhuǎn)矩平衡，精確定位.

分類：反饋制動，反接制動，能耗制動.

3.6.1反饋制動

原理:當(dāng)電動機工作在反饋制動狀態(tài)時,n>no,位于二四相限TM反方向n=no+An

特點:轉(zhuǎn)速較高.舉例說明:放下重物

362反接制動

一.電源反接制動

原理:將電源反接產(chǎn)生制動（短時）

特點：電流大應(yīng)串限流電阻,（U+E）/Ra=Ia

時間長會引起反轉(zhuǎn)

二.倒拉反接制動

原理：增大Ra,交點在四相限，反轉(zhuǎn)時才輸出足夠

的扭矩Tm與負(fù)載平衡（位能扭矩）

特點：調(diào)整Ra可改變制動的速度

舉例:提升重物

3.6.3能耗制動

原理：樞斷電后,串聯(lián)電阻短路連接.

n不為0時產(chǎn)生la,及T=Ke①la的制動轉(zhuǎn)矩

特點：調(diào)整電阻大小可改變制動性能

舉例：反抗轉(zhuǎn)矩不會反向啟動

位能轉(zhuǎn)矩速度穩(wěn)定

14

河北科技大學(xué)教案用紙

第4次課2學(xué)時

上次課復(fù)習(xí)：

流他勵電動機的啟動特性、調(diào)速特性和制動特性

本次課題（或教材章節(jié)題目）：§5.1異步電動機的結(jié)構(gòu)和原理§5.2異步電機的定子和轉(zhuǎn)子

§5.3三相異步電機的轉(zhuǎn)矩與機械特性§5.4三相異步電機的啟動特性

教學(xué)要求：了解異步電動機的基本結(jié)構(gòu)，掌握異步電動機的工作原理、機械特性、啟動特性

重點：異步電動機的工作原理、機械特性、啟動特性

難點：異步電動機的工作原理、機械特性、啟動特性

教學(xué)手段及教具：多媒體教學(xué)

講授內(nèi)容及時間分配：

§5.1——1.0學(xué)時

§5.2——0,2學(xué)時

§5.3——0,5學(xué)時

§5.4——0,3學(xué)時

課后作業(yè)習(xí)題5.1、5.3、5.6

參考資料

第15頁

第五章交流電動機的工作原理

＞交流電機分:異步電動機:三相

單相

同步電動機：

＞異步電動機:結(jié)構(gòu)簡單、便宜，是應(yīng)用最多的一種電動機

＞同步電動機:特性絕對硬B-8,可以作為發(fā)電機使用

§5.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理

§5.1.1三相異步電動機的結(jié)構(gòu)

定子、中間裝有定子繞組及定子、鐵芯、外殼

轉(zhuǎn)子、有的裝繞組（有的是籠式）

其它參見書略

§5.1.2三相異步電動機的工作原理

工作原理：基于定子線圈能夠產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，假設(shè)有一個旋轉(zhuǎn)磁場來分析

如圖中N、S的磁場以no旋轉(zhuǎn)

＞轉(zhuǎn)子則切割磁力線而產(chǎn)生電流（右手定電流I方向）

＞電流在磁場中切割磁力線而產(chǎn)生力及力矩（左手定方向）

＞它與no方向相同，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來

＞在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動中，n比no小

原因：轉(zhuǎn)子力矩Tm=Km＜DIz其中。為旋轉(zhuǎn)磁場磁通小

轉(zhuǎn)子電流Iz-ez/Rz其中Rz為轉(zhuǎn)子電阻。

轉(zhuǎn)子電勢ez=Ke6An其中An=n（）-n轉(zhuǎn)子線圈切割磁

力線的相對轉(zhuǎn)速

當(dāng)n=no時，ez=0,Iz=0,Tm=0

＞no稱為理想空載轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）

＞實際由于Tm不等于0;所以n＜no

＞由以上分析可知△n=no-n不等于0是保證交流電機運轉(zhuǎn)的一個重要條件所以稱為異步電

動機

＞以轉(zhuǎn)差率來表示他的運行情況:S=（n0-n）/no

＞對于-一般的異步電機（籠型）轉(zhuǎn)子電阻Rz很小所以只需不大的S就能產(chǎn)生大的Iz和Tm

＞一般的在額定轉(zhuǎn)速時S為0.015?0.06比較小

§5.1.3三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場

16

河北科技大學(xué)教案用紙

以上是基于在電機中有一個旋轉(zhuǎn)磁場為根據(jù)分析的，這一節(jié)我們分析旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

一、由于三相電源，所以定子中有三相繞組（120夾角）

對于三相繞組中的電流也差120如圖

由圖分析當(dāng)電角度3t=0時的合成磁場方向為0

iA=Isin（3t）:iis=Isin（?t+120）:ic=Isin（wt+240）

當(dāng)3t=0iA=0;in—A;ic=A磁場位置0度

當(dāng)3t=60IA=A;in=-A;ic=0磁場位置轉(zhuǎn)60度

當(dāng)3t=120iA=A;i“=0;ic=-A磁場位置轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)120度

依此類推下去，可知

當(dāng)三相交流電在定子繞組中產(chǎn)生三相電流后，則三相繞組電流的合成磁場是旋轉(zhuǎn)的。

二、旋轉(zhuǎn)磁場的方向

A

AA

于ABC三繞組如果將任意兩根對調(diào)，則經(jīng)分析可知向反方向旋轉(zhuǎn)（請同學(xué)自己分析）作業(yè)

＞對于交流異步電動機當(dāng)需要反向時只需對調(diào)兩根電源線既可（三根中任意）

三、旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度

1、上面討論時在電機中有一對磁極（二極）它的極對數(shù)為p=l

這時電流變化一個周期，磁場轉(zhuǎn)一圈

所以:磁場旋轉(zhuǎn)速度（同步）為

電源頻率f（50Hz）X60=3000{r/min}

2、當(dāng)把定子線圈做成兩組（A,A',B,B'、C、C'）

各自串聯(lián)時，如圖這時各相繞組夾角60

當(dāng)3t=0時，磁場方向0度

3t=60時，磁場方向30度

3t=120時，磁場方向60度

這時有兩對N、S磁極既p=2

當(dāng)3t轉(zhuǎn)小磁場轉(zhuǎn)@/2

所以這時磁場旋轉(zhuǎn)速度=60（72=1500{r/min}

注：由于A、B、C的各相空間夾角為60=120/2

所以當(dāng)電源變化一個周期時，磁場只轉(zhuǎn)半圈既圈/2

極對數(shù)及極數(shù)：極對數(shù)p

第17頁

極數(shù)（磁極數(shù)）=2p

一般的對于對于p=2的電機稱為四極電機

人們通常以極數(shù)稱呼電機，各種極數(shù)的電機的no

2極（p=l）n（）=3000（）

4極（p=2）no=1500（）

6極（p=3）n0=1000（）

8極（p=4）no=750（）

一般的額定轉(zhuǎn)速低于這個值，如4極電機區(qū)1450左右

§5.1.4定子繞組的線連接方式

在三相電機的接線盒中有六個端子DI、D2、D3、D4、D5、D6

首端D1,2,3

末端D4,5,6

對于電動機有星形（Y）和三角形接法（△）

對于星形Y對于△形

對于一個電動機應(yīng)根據(jù)銘牌和電源決定接法

如三相電源380V時

電機繞組是220V時，應(yīng)Y接法

電機繞組是380V時，應(yīng)△接法

一般的銘牌都給出了接法及對應(yīng)電壓

如Y/A,380/220

A,380V

18

河北科技大學(xué)教案用紙

§5.2三相異步電動機的定子和轉(zhuǎn)子電路

§521定子電路分析

過程略：

結(jié)論：定子電路的感應(yīng)電動勢有效值Ei=4.44fN中（切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生）

定子電流頻率f尸f電源頻率

定子電壓UQ&（不考慮漏磁）

§5.2.2轉(zhuǎn)子電路分析R2,X2

結(jié)論：轉(zhuǎn)子電流頻率f2=Sf|

轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢有效值E2=4.44f22中=4.44Sf及①

切割旋轉(zhuǎn)磁場速度△n=n「n

啟動時S=1E20=4.44Sf.N2O）=4.44f.N2O常數(shù)

E2=SE20

轉(zhuǎn)子感抗X2=2Jif?L2=2JTSfL啟動時S=1X20=2nSfL=2nfL（最大）

轉(zhuǎn)子功率因數(shù)COS62=R/

當(dāng)n=0時COSM最大

當(dāng)產(chǎn)小時COS62最小

§523額定值

1.型號：

2.額定功率：PN

3.額定電壓：UN

4.額定頻率：fN

5.額定電流：IN

6.額定轉(zhuǎn)速：nN

7.工作方式：連續(xù)，短時重復(fù)，短時

8.溫升：絕緣等級

9重量:

10.額定功率因數(shù)COS4>2

11.額定效率nz

12.額定轉(zhuǎn)矩：啟動，最大

13.線繞轉(zhuǎn)子電動機的滑環(huán)靜止電壓和電流

電動機的額定轉(zhuǎn)矩{P}N.M=9.55{P}W/{n}r/min

作業(yè)：5.15.2

§5.3三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩與機械

由于電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是它的輸出，

所以要研究電動機的機械特性T—n的關(guān)系

第19頁

§5.3.1三相異步電動轉(zhuǎn)矩

一、轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)COS42對輸出扭矩T的影響

1、當(dāng)i與E同相,即電感為零時

在每一磁極下面的轉(zhuǎn)子導(dǎo)線電流同方向

2、當(dāng)電阻為零時，i滯后E90度

在每一磁極下面的導(dǎo)線電流一半對一半

3、當(dāng)COS<I）2<1時，導(dǎo)線電流一邊大一邊小產(chǎn)生電磁扭矩

**（一般的籠型電機的轉(zhuǎn)子電感比較?。?/p>

4、三相異步電動轉(zhuǎn)矩

§5.3.2三相異步電動的機械特性

可分為固有機械特性和人為機械特性

一、固有機械特性

在額定條件下（電壓、頻率、接線方式）電機的固有T—n特性曲線對于曲線如圖它由四個特

殊點決定

1、2O2oT=O時（同步S=0）

稱為理想空載工作點n=no

2、T=TN時S=S

額定工作點

這時SN=（no-nN）/n0

TN=9.55PN/nN

PN為電機額定功率（W）

n、電機額定轉(zhuǎn)速（r/min）

入額定轉(zhuǎn)差率S=0.06~0.015

3、T=Tstn=O（S=l）

啟動工作點，這時

R2為轉(zhuǎn)子電阻

X20為轉(zhuǎn)子靜止電抗

U電源電壓（定子）

對于啟動轉(zhuǎn)矩Tst受

（1）電源電壓，U影響較大，U波動，T平方關(guān)系變化

（2）轉(zhuǎn)子電阻R2合適Tst有較大值

（3）電感X20大Tst下降

一般用啟動能力系數(shù)Ast來表示電動機啟動能力的好壞，

2

_R2U

TSL-K22

入St=Tst/TN（一般人st21）R2+X2O

異步電機工作的條件是啟動Tst與負(fù)載TL

4、當(dāng)T=TmaxS=Smn=nm

臨界工作點

這時Tmax=KU2/2X20Sm=R2/X2o

由于TTm”8U2所以電源波動對扭矩最大值影響很大

在電機工作過程中：負(fù)載變化（沖擊）不能〉Tmax

20

河北科技大學(xué)教案用紙

以過載能力系數(shù)入m來表示

入m~Tm/TN

一般鼠籠式為1.8-2.2

線繞式2.5~2.2

二、人為機械特性

人為改變參數(shù)（U,R或XI,R2等）

1、降低電源電壓U

當(dāng)U下降時Tmax下降Tst下降

noSmnm不變

這時曲線變化如圖右

2、定子電路串電阻電抗（感）

這時由于阻抗的分壓作用使得U下降所以與上面

相似:

區(qū)別是阻抗分壓與電流大小有關(guān)，這時定子電壓是

變化的（1）U下降（2）串電阻

3、改變電源頻率

當(dāng)改變f時，no變化但由于X”X20都變化

不能只改變f一般使U/f=Const

這時入8fsm8i/fTst81/fTmax不變

flnoISmtTsttTmax不變

4、轉(zhuǎn)子串電阻

只有線繞式的轉(zhuǎn)子能實現(xiàn)

這時Tmax不變SmI

§5.4三相異步電動啟動特性

對于三相異步電動機啟時，應(yīng)保證：

1、有足夠的啟動轉(zhuǎn)矩，TM2TL~能夠正常啟動

2、啟動電流不會對電網(wǎng)造成大的沖擊一使電壓下降過多（影響其它電機工作）

一般希望電流越小越好（在能啟動的情況下）

另外:滿足啟動過程平滑、安全簡單、節(jié)能等

實際上，當(dāng)電動機在啟動工作初期、

由于n=0轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度no-n=no

~~轉(zhuǎn)子感生電動勢E大啟動電流也大~達(dá)5?7倍

這時Cos。不大所以T"不大

§541鼠籠式異步電動機的啟動方法

一、直接啟動（全壓啟動）

就是啟動時，電動機直接加電網(wǎng)電壓,這時啟動電流比較大所以不是所有的電機都可能這樣

使用。

1、一般的，當(dāng)有獨立的變壓器供動力電時

當(dāng)電機功率＜30%變壓器功率時（頻繁）

第21頁

電機功率＜20%變壓器功率時（不頻繁）

可以直接啟動

2、當(dāng)與照明合用時，應(yīng)滿足以下關(guān)系

啟動電流Ist/A3里源總?cè)萘?KVA

額定電流IN/A4、-TX電動機功率/KW

（一般不允許電網(wǎng)電壓下降5%）

直接啟動的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表5.1

二、電阻降壓啟動

在定子中串聯(lián)電阻（或電抗器貴）

過程：KM1合KM2斷降壓KM2合

由人為特性，可知當(dāng)串電阻時，啟動力矩下降很快（平方）

特點:~（1）適用于空載啟動（輕載）

（2）電阻耗能（電抗器太貴，體積大）

三、丫一△啟動

接線方法如圖右工作過程：

＞KM1合KM3合KM2開這時Y接法繞組電壓220V（啟動電壓）

＞KM3開KM2合KM1合這時△接法繞組電壓380V（工作電壓）

這時啟動電流1是直接啟動的1/3

啟動扭矩T是直接啟動的1/3

特點：

1、啟動電流小，所需設(shè)備簡單

2、力矩小，適于空載啟動（輕載）

3、電機額定電壓必須是380V形接法

4、有專門的Y-啟動器

四、自耦變壓器降壓啟動

聯(lián)接方法如圖右工作過程：

＞KM1開，KM2,KM3合變壓器降壓啟動

＞K=N2/N,R,U2

對于自耦變壓器工作于降壓方式時Tst=K—

＞電壓U2=KU|R2+X?

＞電流II=LT=（K*I2）：UI/U2=NI/N2=I2/II=1/K

圖示于單相的工作情況

＞由于U2=KUE=K*I（I為全壓U時的工作電流）

＞這時，h=K*L=K2*I（原邊電流只有實際啟動電流的K2倍）

＞啟動扭矩，T2=K?Tst（因為：U2=KU,而TLP）

當(dāng)KM1合，K2,KM3分時：電機正常工作

特點：

1、在相同的啟動電流下，從電網(wǎng)吸取的電流減小，即T相同時,I下降

2、自耦變壓器副邊有多個抽頭，所以啟動電壓可選

3、啟動設(shè)備多且體積大，成本比較高

4、不適于頻繁啟動（過電流工作）

5、有一定的啟動轉(zhuǎn)矩（適用輕載）

6、用在不能Y一△啟動的場合，（Y形接法工作的電機）

22

河北科技大學(xué)教案用紙

第5次課2學(xué)時

上次課復(fù)習(xí)：

異步電