中職-電工電子技術(shù)第四章-電動機(jī)

楊凌《電工電子技術(shù)》第4章電動機(jī)化學(xué)工業(yè)出版社

第4章

電動機(jī)

電動機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，或者完成信號的轉(zhuǎn)換和傳遞控制。電動機(jī)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活和科研的各個領(lǐng)域。

電動機(jī)分為交流電動機(jī)和直流電動機(jī)兩大類。交流電動機(jī)又分為異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩大類。生產(chǎn)上主要用的是交流電動機(jī)，特別是三相異步電動機(jī)。本章主要討論三相異步電動機(jī)，對單相異步電動機(jī)及同步電動機(jī)僅作簡單介紹，最后扼要介紹了直流電機(jī)和兩種常用控制電機(jī)。4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

一、三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

電動機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分及其他附件所組成的。下圖是具有籠型轉(zhuǎn)子的三相交流異步電動機(jī)拆卸后的結(jié)構(gòu)圖。三相籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)

4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

1.定子定子是電動機(jī)的固定部分，主要由鐵心和繞在鐵心上的三相繞組構(gòu)成，鐵心一般是由表面涂有絕緣漆的0.5mm硅鋼片疊壓而成，其內(nèi)圓周表面均勻分布一定數(shù)量的槽孔，用以嵌置三相定子繞組，每相繞組分布在幾個槽內(nèi)，整個繞組和鐵心固定在機(jī)殼上，如下圖所示。電動機(jī)定子

4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

定子中三相繞組的六個接線端子從接線盒中引出，其排列如下圖所示。使用時可以根據(jù)情況將定子繞組接成星形或三角形。U1V1W1W2U2V2Y電源△電源（a）接線盒（b）星形連接（c）三角形連接三相異步電動機(jī)定子接線盒4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

當(dāng)電動機(jī)每相繞組的額定電壓等于電源的相電壓時，繞組應(yīng)作星形連接；當(dāng)電動機(jī)每相繞組的額定電壓等于電源的線電壓時，繞組應(yīng)作三角形連接。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，主要由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的圓柱體，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組，如下頁圖（a）所示?；\式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)壓進(jìn)銅條，銅條兩端分別焊在兩個銅環(huán)（端環(huán)）上，如下頁圖（b）所示。

為了節(jié)省銅材料，中、小型電動機(jī)一般都將熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽中，連同短路端環(huán)以及風(fēng)扇葉片一次澆鑄成形，這樣的轉(zhuǎn)子不僅制造簡單而且堅固耐用，如上圖（c）所示。4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

（a）轉(zhuǎn)子鐵心沖片（b）籠式繞組（c）鑄鋁的籠式繞組籠式轉(zhuǎn)子4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

3.其他附件除定子、轉(zhuǎn)子兩大部分外，電動機(jī)還有端蓋、軸承、軸承蓋、風(fēng)扇葉和接線盒等附件。三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，運行可靠，使用和維護(hù)方便。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。可以用來拖動機(jī)床、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、起重卷揚設(shè)備、礦山機(jī)械、輕工機(jī)械、農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械。據(jù)統(tǒng)計，90%的電力拖動的機(jī)械用的是異步電動機(jī)，異步電動機(jī)用電量占電網(wǎng)總負(fù)荷的50%以上。4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

二、三相異步電動機(jī)的銘牌電動機(jī)的外殼上都有一塊銘牌，標(biāo)出了電動機(jī)的型號以及主要技術(shù)數(shù)據(jù)，以便能正確使用電動機(jī)。下圖為一臺三相異步電動機(jī)的銘牌。50Hz4.0kW8.8A編號Y-112M-4三相異步電動機(jī)型號××電機(jī)廠380V1440r/minLW82dB接法△防護(hù)等級IP4445kg工作制SIB級絕緣標(biāo)準(zhǔn)編號年月4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

電動機(jī)型號（Y-112M-4）指國產(chǎn)Y系列異步電動機(jī)，中心機(jī)座高度為112mm，“M”表示中機(jī)座（“L”表示長機(jī)座，“S”表示短機(jī)座），“4”表示旋轉(zhuǎn)磁場為四極。下面從銘牌上具體讀取其技術(shù)參數(shù)。（1）額定功率PN（4.0kW）表示電動機(jī)在額定工作狀態(tài)下運行時輸出的機(jī)械功率。（2）額定電壓UN（380V）表示定子繞組上應(yīng)施加的線電壓。通常功率3kW以下的異步電動機(jī)有380V和220V兩種額定電壓，寫成380/220V，相應(yīng)的接法有兩種，即Y/△。

4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

電動機(jī)功率4kW以上時，額定電壓一般為380V，定子繞組作三角形連接。（3）額定電壓IN（8.8A）表示電動機(jī)額定運行時定子繞組的線電流。若定子繞組有星形和三角形兩種接法時，相應(yīng)的額定電流應(yīng)有兩種數(shù)值。（4）額定轉(zhuǎn)速nN（1440r/min）表示電動機(jī)在額定運行時的轉(zhuǎn)速。（5）防護(hù)方式（IP44）表示電動機(jī)外殼防護(hù)的方式為封閉式電動機(jī)。（6）頻率f（50Hz）表示電動機(jī)定子繞組輸入交流電源的頻率。4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

（7）工作制（工作制S1）表示電動機(jī)可以在銘牌標(biāo)出的額定狀態(tài)下連續(xù)運行。S2為短時運行，S3為短時重復(fù)運行。（8）絕緣等級（B級絕緣）表示電動機(jī)各繞組及其他絕緣部件所用絕緣材料的等級。絕緣材料按耐熱性可分為Y、A、E、B、F、H、C七個等級，如下表所示。絕緣等級YAEBFHC最高允許溫升/度(oC)90105120130155180>180目前，國產(chǎn)Y系列電動機(jī)一般采用B級絕緣。此外，銘牌上標(biāo)注“LW82dB”是電動機(jī)的噪聲等級。

4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

型號滿載數(shù)據(jù)堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩功率/kW電壓/V接法轉(zhuǎn)速/(r/min)電流/A效率功率因數(shù)溫升/oC額定電流額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y-112M-44380△14408.80.850.828072.02.2除銘牌上標(biāo)出的參數(shù)之外，在產(chǎn)品目錄或電工手冊中還有其他一些技術(shù)數(shù)據(jù)，如下表所示。（9）功率因數(shù)指在額定負(fù)載下定子電路的功率因數(shù)。三相異步電動機(jī)的功率因數(shù)在額定負(fù)載時約為0.7～0.9，在輕載和空載時較低，空載時只有0.2～0.3。因此，必須正確選擇電動機(jī)的容量，防止“大馬拉小車”，并力求縮短空載時間。4.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和銘牌

（10）效率指電動機(jī)在額定負(fù)載時的效率。它等于額定狀態(tài)下輸出功率與輸入功率之比，即（11）溫升指額定負(fù)載時，繞組的工作溫度與環(huán)境溫度的差值。（12）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)電流即啟動轉(zhuǎn)矩Tst和啟動電流Ist。4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

一、三相交流旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

當(dāng)三相異步電動機(jī)定子繞組通入對稱三相交流電后，轉(zhuǎn)子便會旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的先決條件是定子繞組要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。為了研究問題簡便，將電動機(jī)定子簡化為三相六槽結(jié)構(gòu)。在空間上互差120o的三相繞組U1U2、V1V2、W1W2中分別通入三相交流電流iA、iB、iC（如下頁圖（a）所示），將產(chǎn)生各自的交變磁場，其三個交變磁場將合成為一個兩極旋轉(zhuǎn)磁場（如下頁圖（b）所示）。各繞組中電流的參考方向為從首端U1、V1、W1流入，從末端U2、V2、W2流出。4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)p與定子繞組的空間排列有關(guān)。圖（b）所示是每相繞組只有一個線圈的情況，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對磁極（兩極）。（a）三相繞組通入三相交流電（b）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生U1V1W1U2V2W2iAiBiC4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

電流變化一周期，兩極旋轉(zhuǎn)磁場（p=1）在空間旋轉(zhuǎn)一周。若電流頻率為f（Hz），則旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1=60f（r/min）。若使定子旋轉(zhuǎn)磁場為四極（p=2），可以證明，電流變化一周期，旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)半周（180o），則n1=60f/2（r/min）。按類似方法可推得，具有p對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(又稱同步轉(zhuǎn)速)為

n1=60f/p(r/min)

由上式可知，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1取決于電源頻率f和電動機(jī)的磁極對數(shù)p。中國工頻f=50Hz，于是得出不同磁極對數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速如下頁表所示。4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

磁極對數(shù)p123456旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1300015001000750600500旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向與通入電動機(jī)定子繞組的電流相序一致。若要使旋轉(zhuǎn)磁場反轉(zhuǎn)，只需把三根電源線中的任意兩根對調(diào)即可。如若將U、W對調(diào)，則U1U2繞組通入iC相電流，W1W2繞組通入iA相電流，即改變了通入電動機(jī)定子繞組的三相電流相序，可以作圖證明，旋轉(zhuǎn)磁場與原來旋轉(zhuǎn)方向相反。

不同磁極對數(shù)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速n1順時針方向旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于磁場不動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體逆時針方向切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流，用右手定則判定其方向。有電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場中受到電磁力的作用，用左手定則判定轉(zhuǎn)子受力的方向。二、三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理及轉(zhuǎn)差率

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子能在旋轉(zhuǎn)磁場作用下轉(zhuǎn)動的原理可用下圖來說明。異步電動機(jī)的運轉(zhuǎn)原理4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

電磁力對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向順時針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1同方向，不難理解，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1（若n2=n1，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間不存在相對運動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不再切割磁力線，轉(zhuǎn)子所受電磁力F=0），有n1>n2，故稱為異步電動機(jī)。通常把同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2的差值與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s表示。即

s=(n1－n2)/n1

轉(zhuǎn)差率s是描繪異步電動機(jī)運行情況的重要參數(shù)。4.2三相異步電動機(jī)的工作原理

電動機(jī)在啟動瞬間,n2=0,s=1,轉(zhuǎn)差率最大;空載運行時;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2接近于同步轉(zhuǎn)速n1,轉(zhuǎn)差率s最小?？梢?轉(zhuǎn)差率s反映了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速差異的程度，即電動機(jī)的異步程度。例如,Y-160M-4型三相異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)nN=1460(r/min),其同步轉(zhuǎn)速n1=1500(r/min),則額定轉(zhuǎn)差率sN=(n1－nN)/n1=0.027。一般情況下，異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)差率sN=0.02～0.06。當(dāng)三相異步電動機(jī)空載時,由于電動機(jī)只需克服摩擦阻力和空氣阻力,故轉(zhuǎn)速n2很接近同步轉(zhuǎn)速n1,轉(zhuǎn)差率s很小,一般約為0.004～0.007。4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

為了全面地了解三相異步電動機(jī)的工作情況，需要弄清楚一個重要的物理量—電磁轉(zhuǎn)矩，下面討論相關(guān)的幾個問題。一、電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2的關(guān)系曲線稱為電動機(jī)的機(jī)械特性曲線，見右圖。圖中，啟動轉(zhuǎn)矩Tst為電動機(jī)啟動時對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩；額定轉(zhuǎn)矩TN為電動機(jī)帶額定負(fù)載時的電磁轉(zhuǎn)矩；最大轉(zhuǎn)矩Tm為電動機(jī)運行中具有的最大電磁轉(zhuǎn)矩。BDn2nN三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線Tst0(2%～6%)n1n1TNTATmC4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

1.當(dāng)電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩Tst大于負(fù)載阻力矩TL時，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)起來，并在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下逐漸加速，此時電磁轉(zhuǎn)矩隨n2的增加逐漸增大（沿曲線DC段上升），一直增大到最大轉(zhuǎn)矩Tm。而后，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，電磁轉(zhuǎn)矩反而逐漸減小（沿曲線CA段下降），最終當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載阻力矩TL時，電動機(jī)就以某一轉(zhuǎn)速勻速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。2.異步電動機(jī)一經(jīng)啟動很快就進(jìn)入機(jī)械特性曲線的AC段，并在其某一點上穩(wěn)定運行。電動機(jī)AC段工作時若負(fù)載加重，負(fù)載阻力矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，會使電動機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降，但與此同時，電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的下降而增大，從而與負(fù)載阻4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

力矩達(dá)到新的平衡，使電動機(jī)以比原來稍低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。若負(fù)載的阻力矩超過了最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm，負(fù)載阻力矩則會一直大于電磁轉(zhuǎn)矩（TL>T），再也不存在一個新的平衡點使T=TL，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將會很快下降直到停止，處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。堵轉(zhuǎn)時電動機(jī)定子繞組的電流可達(dá)到額定值的4～7倍，時間梢長將損壞電動機(jī)。3.機(jī)械特性曲線中AC段為異步電動機(jī)的穩(wěn)定運行區(qū)。從空載（對應(yīng)曲線上A點，轉(zhuǎn)速n1）到滿載（對應(yīng)曲線上B點，轉(zhuǎn)速nN）轉(zhuǎn)速下降很少，僅為額定轉(zhuǎn)速的2%～6%。只要

4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

負(fù)載阻力矩介于A～C區(qū)間內(nèi)，均可以找到平衡點穩(wěn)定運行。因此AC段也稱為異步電動機(jī)的硬機(jī)械特性，這種特性適合于大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械對拖動的要求。4.過載能力與啟動能力電動機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為電動機(jī)的過載能力，一般電動機(jī)的過載能力約為1.9～2.2。電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為電動機(jī)的啟動能力，一般電動機(jī)的啟動能力約為1.7～2.2。二、電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的關(guān)系由于用電負(fù)荷的變化，電網(wǎng)電壓往往會發(fā)生波動。而電4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩對電壓很敏感，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，將引起電磁轉(zhuǎn)矩T大幅度降低?？梢宰C明，電磁轉(zhuǎn)矩T與電動機(jī)定子繞組上所加電壓U的平方成正比，即

T∝U2

右圖是電源電壓變化時的機(jī)械特性曲線。圖中畫出了幾條不同電壓時的機(jī)械特性曲線。n2電源電壓變化時的機(jī)械特性曲線U20U1>U2>U3TU3U14.3三相異步電動機(jī)的運行分析

當(dāng)電動機(jī)負(fù)載的阻力矩TL一定時，由于電壓降低，電磁轉(zhuǎn)矩T下降，將使電動機(jī)有可能帶不動原有的負(fù)載，于是轉(zhuǎn)速下降，電流增大。如果電壓下降過多，以致最大轉(zhuǎn)矩也低于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，則電動機(jī)會被迫停轉(zhuǎn)，時間稍長，電動機(jī)會因過熱而損壞。三、輸出轉(zhuǎn)矩與輸出功率的關(guān)系若電動機(jī)在運行中帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩為T2，軸上輸出的機(jī)械功率為P2，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n2，則由力學(xué)知識可知

T2=9550P2/n24.3三相異步電動機(jī)的運行分析

電動機(jī)在額定狀態(tài)下運行時，有

TN=9550PN/nN

式中，TN為電動機(jī)輸出的額定轉(zhuǎn)矩，單位為N·m（牛頓·米）；PN為電動機(jī)輸出的額定功率，單位為kW（千瓦）；nN為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min（轉(zhuǎn)/分鐘）。【例4-1】已知某三相異步電動機(jī)的額定功率PN=4kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1440r/min，試求額定轉(zhuǎn)矩TN、啟動轉(zhuǎn)矩Tst、最大轉(zhuǎn)矩Tm（過載能力為2.2，啟動能力為1.8）。若電動機(jī)滿載運行，定子繞組上電壓下降20%時，電動機(jī)能否繼續(xù)旋轉(zhuǎn)？能否在此狀態(tài)下滿載啟動？4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

【解】額定轉(zhuǎn)矩TN=9550×(PN/nN)=9550×(4/1440)=26.5N·m

啟動轉(zhuǎn)矩Tst=1.8TN=1.8×26.5=47.8N·m

最大轉(zhuǎn)矩Tm=2.2TN=2.2×26.5=58.4N·m

當(dāng)電壓降低20%時，根據(jù)T∝U2，對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩為

T′st=0.82Tst=0.64Tst=0.64×47.8=30.6N·mT′m=0.82Tm=0.64Tm=0.64×58.4=37.4N·m

滿載運行時，因為TL=TN=26.5N·m<T′m，所以降壓后能在新的平衡點以新的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。滿載啟動時，因為TL=TN=26.5N·m<T′st，所以降壓后可滿載直接啟動。4.3三相異步電動機(jī)的運行分析

【例4-2】在【例4-1】中，若UN=380V，cosφ=0.82，Ist/IN=7.0，效率η=0.84，求額定電流、啟動電流?！窘狻恳驗樾仕?/p>

求得

IN=8.8A故

Ist=7.0IN=7.0×8.8=61.6A4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

一、三相異步電動機(jī)的啟動電動機(jī)從接通電源至正常運轉(zhuǎn)的過程稱為啟動過程。這一過程對于小型電動機(jī)需幾秒鐘，大型電動機(jī)則需十幾秒甚至幾十秒。大型電動機(jī)在啟動過程中由于啟動電流很大，將導(dǎo)致供電線路電壓在電動機(jī)啟動瞬間突然降低，以致影響同一線路上的其他電氣設(shè)備正常工作。如果多次頻繁啟動，還會使電動機(jī)由于熱量堆積，導(dǎo)致?lián)p壞。因此必須采用適當(dāng)?shù)膯臃椒ǎ詼p小啟動電流。常用的啟動方法有以下幾種。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

1.直接啟動（全壓啟動）電動機(jī)直接與電源相連的啟動方法稱為直接啟動。直接啟動的異步電動機(jī)要受到供電變壓器容量的限制，一般要求啟動時線路壓降不應(yīng)超過線路額定電壓的5%。在線路壓降允許的前提下，一般10kW以下的異步電動機(jī)可以直接啟動。2.降壓啟動為了保證電網(wǎng)供電質(zhì)量及適應(yīng)生產(chǎn)機(jī)械需要，容量較大的籠式三相異步電動機(jī)均采用降壓啟動。即電動機(jī)啟動時降低加在電動機(jī)定子繞組上的電壓，待啟動結(jié)束時再恢復(fù)到額

4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

定電壓運行?；\式三相異步電動機(jī)常用的降壓啟動方法有定子繞組串電阻（電抗）降壓啟動；自耦變壓器降壓啟動；Y-△降壓啟動。而繞線式三相異步電動機(jī)則采用轉(zhuǎn)子繞組串電阻啟動。（1）定子繞組串電阻（或電抗）降壓啟動如下頁圖所示。啟動時，將SA1閉合，三相電源電壓經(jīng)電阻R接到三相交流電動機(jī)定子繞組上，電動機(jī)降壓啟動。待啟動完畢后，將SA2閉合，切除掉電阻R，定子繞組直接與電源相連，全壓運行。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

L1RFU

M3～L2L3SA2SA1電阻器常用合金電阻絲或鑄鐵制成，價格較低，但啟動時發(fā)熱量較大，功率損耗較大，不適合用于頻繁啟動的電動機(jī)。用電抗器降壓啟動，發(fā)熱量小，功率損耗小，但價格較高。定子繞組串電阻降壓啟動

4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

（2）自耦變壓器降壓啟動如右圖所示。啟動時，將SA1閉合，SA2置于降壓啟動位置。這時，定子繞組承受的是自耦變壓器的副邊電壓，由于變壓器變比K>1，故電動機(jī)降壓啟動，定子繞組電流較全壓啟動時減小，反映到原邊電路，輸電線路上的電流將更小一些。L1FUM3～L2L3SA2SA1全壓運行降壓啟動自耦變壓器降壓啟動4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

待電動機(jī)啟動完畢后，將SA2切換到全壓運行位置上，電動機(jī)正常運行。該方法一般適用于容量較大的籠式異步電動機(jī)。（3）星形（Y）—三角形（△）降壓啟動如下頁圖所示。正常工作時定子繞組三角形連接的電動機(jī)，啟動時可先換接成星形。啟動時，將開關(guān)SA1閉合，SA2置于Y形連接的位置上，電動機(jī)定子繞組星形連接降壓啟動。待啟動完畢后，再將開關(guān)SA2切換到三角形連接的位置上，電動機(jī)正常運行。這種降壓啟動，由于電動機(jī)每相繞組上的電壓降為額定值的，使得啟動轉(zhuǎn)矩、啟動電流均為三角形4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

△YW2V2U2W1V1U1L1FUL2L3SA2SA1連接時的1/3。

這種方法適合于電動機(jī)輕載或空載啟動。

Y-△換接降壓啟動

4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

二、三相異步電動機(jī)的調(diào)速調(diào)速是指人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)n1=60f/p可知，異步電動機(jī)的調(diào)速方法如下。1.變極（p）調(diào)速這種方法是將定子繞組的接線端引出，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)改變繞組接法，以改變磁極對數(shù)，構(gòu)成多速電動機(jī)。用得最多的是雙速電動機(jī)，也有三速或四速的電動機(jī)。其產(chǎn)品為YD系列。通常有4/2極、6/4極、8/4極、8/6極、12/6極。也有6/4/2極、8/4/2極、8/6/4極，還有12/8/6/4極等多種產(chǎn)品。這種調(diào)速是步極式的調(diào)速方法。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

2.變頻（f）調(diào)速U可調(diào)+－U變頻調(diào)速方框圖3～50Hz可控整流器f可調(diào)M3～逆變器這種調(diào)速是通過改變異步電動機(jī)供電電源的頻率來實現(xiàn)的。上圖是變頻調(diào)速的方框圖。可控整流器先將50Hz的交流電變換成電壓可調(diào)的直流電，再由逆變器將直流電變換成頻率可調(diào)的三相交流電，從而實現(xiàn)三相異步電動機(jī)的無級調(diào)速。近年來，電力半導(dǎo)體器件的成本在不斷降低，可靠性在不斷增強(qiáng)，這種調(diào)速方法得到了越來越廣泛的使用。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

4.變壓調(diào)速這種調(diào)速方法是用電抗器或自耦變壓器來降低定子繞組上所承受的電壓，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)矩，獲得一定的調(diào)速范圍。這種方法常用于拖動風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載。家用電器中的風(fēng)扇就是用這種方法調(diào)速的。三、三相異步電動機(jī)的制動電動機(jī)電源斷開后，由于慣性作用，尚需一段時間才能完全停下來。在某些應(yīng)用場合，要求電動機(jī)能夠準(zhǔn)確停位和迅速停車，以提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)安全。在電動機(jī)斷開電源后，采用一定措施使電動機(jī)停下來稱為電動機(jī)的制動。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

制動的方法有機(jī)械制動和電氣制動兩種,在此介紹電氣制動.常用的電氣制動方法有能耗制動、反接制動、回饋制動等。1.能耗制動能耗制動的原理如下圖所示。L1φ+M3～L2L3n1=0F－n2當(dāng)切斷三相電源時，接通直流電源，直流電流通過定子繞組產(chǎn)生固定不動的磁場，轉(zhuǎn)子電流與直流電流固定磁場相互作用產(chǎn)生與電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)制動。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

這種方法是把電動機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，消耗在制動器電阻上，故稱為能耗制動。制動轉(zhuǎn)矩的大小與直流電流的大小有關(guān)，制動電流一般為電動機(jī)額定電流的0.5～1倍。能耗制動能量消耗小，制動平穩(wěn)，無沖擊，但需要直流電源。2.反接制動反接制動的原理如下頁圖所示。在電動機(jī)停車時，將接至定子電源線中的任意兩相反接，旋轉(zhuǎn)磁場將反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子慣性轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)制動。應(yīng)特別指出的是，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時，應(yīng)利用某種控制電路將電源自動切斷，否則電動機(jī)將反轉(zhuǎn)。4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

反接制動時，由于旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速很大，因而電流較大，對功率較大的電動機(jī)制動時應(yīng)考慮限流。反接制動方法簡單、效果較好，但能量消耗較大。L1φM3～L2L3n1Fn23.回饋制動如果電動機(jī)拖動的位能性負(fù)載下落時，電動機(jī)反而被負(fù)載拖動，此時電動機(jī)定子繞組如果通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場且轉(zhuǎn)速為n1，當(dāng)負(fù)載拖動電動機(jī)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2超過同步轉(zhuǎn)速n1時，電動4.4三相異步電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動

機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將受到反方向的作用力，如右下圖所示。

n1NMSFn2n2Fn2>n1回饋制動此時的重物將不致因自由下落不斷加速造成危險，而在制動力的作用下勻速下落，使重物能平穩(wěn)地放下。這種制動方法常在起重、運輸設(shè)備中被應(yīng)用。在上述制動狀態(tài)下，電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流將反相，與之相應(yīng)定子繞組中電流也要反相，電動機(jī)成為被下落的重物拖動的發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的能量回饋給電源，故稱為回饋制動。4.5單相異步電動機(jī)

單相異步電動機(jī)是由單相電源供電的小功率電動機(jī)。日常生活中的電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機(jī)、攪拌機(jī)、抽排油煙機(jī)等均采用單相異步電動機(jī)作動力。由于單相異步電動機(jī)繞組通過單相交變電流，若電動機(jī)定子鐵心上只有單相繞組，所產(chǎn)生的磁通是交變脈動磁通，它的軸線在空間上是固定不變的，這樣的磁通是不可能使轉(zhuǎn)子啟動旋轉(zhuǎn)的。因此必須采用另外的啟動措施。下面介紹兩種常用的籠式單相異步電動機(jī)。4.5單相異步電動機(jī)一、電容分相式單相異步電動機(jī)U2U1i1i2u+－CFU籠式轉(zhuǎn)子V2V1SA1右下圖為電容分相式單相異步電動機(jī)的定子電路。其定子具有兩個繞組U1U2、V1V2，它們在空間互差90o。其中U1U2稱為工作繞組，流過的電流為i2；V1V2繞組中串有電容器，稱為啟動繞組，流過的電流為i1。兩個繞組接在同一單相交流電源上。適當(dāng)選擇電容器C的容量，可使兩個繞組中的電流i1、i2相位差為90o，這樣在空間上互成90o的兩相繞組通入互差90o的兩相交流電，便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，如下頁圖所示。4.5單相異步電動機(jī)互差90o的兩相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場4.5單相異步電動機(jī)2u+－C1SA1SA2在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子就會沿旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，有的單相異步電動機(jī)不采用電容分相，而是采用在啟動繞組中串入電阻的方法，使得兩相繞組中的電流在相位上存在一定的電角度，也可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電容分相式異步電動機(jī)改變轉(zhuǎn)向的方法是通過切換開關(guān)把電容器改接到另一個繞組上，或?qū)⑷我焕@組的首末端互換。右圖表示通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1改變轉(zhuǎn)向的電路圖。4.5單相異步電動機(jī)二、罩極式單相異步電動機(jī)罩極式單相異步電動機(jī)定子鐵心做成凸極式，轉(zhuǎn)子仍為鼠籠式，如右下圖所示。在定子磁極上開一個槽，將磁柱分成兩部分，在較小的磁極上套一個短路銅環(huán)，稱為罩極。在磁極上繞有單相繞組，當(dāng)通入單相交流電時，鐵心中便產(chǎn)生交變磁通。在交變磁通的作用下，銅環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流。由楞次定律可知，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場將阻礙原來4.5單相異步電動機(jī)磁場的變化，使罩極穿過的磁通滯后于未罩銅環(huán)部分穿過的磁通，如同磁通總是從未罩部分向罩極移動?？傮w上看，好像磁場在旋轉(zhuǎn)，從而獲得啟動轉(zhuǎn)矩。下圖表示電流變化半周期磁通變化的情況。4.5單相異步電動機(jī)罩極上的銅環(huán)是固定的，而磁場總是從未罩部分向罩極移動，故磁場的轉(zhuǎn)動方向是不變的。所以，罩極式單相異步電動機(jī)不能改變轉(zhuǎn)向，它的啟動轉(zhuǎn)矩較分相式單相異步電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩小，一般用在空載或輕載啟動的臺扇、排風(fēng)機(jī)等設(shè)備中。4.6同步電動機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同，這類電動機(jī)稱為同步電動機(jī)。同步電動機(jī)主要分三相同步電動機(jī)和微型同步電動機(jī)兩類。一、三相同步電動機(jī)三相同步電動機(jī)也分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。其定子與三相異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)完全相同，也是由機(jī)座、定子鐵心、定子三相繞組等組成。三相繞組也可以接成星形或三角形。通入三相交流電后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子通常由凸出的磁極上裝有直流勵磁繞組，下頁圖（a）為三相同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。4.6同步電動機(jī)W2+W1V2V1U1U2u－n2=n1n1NSSNn2（a）（b）當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電時，便產(chǎn)生恒定的磁極，該磁極被定子旋轉(zhuǎn)磁場吸住并拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。上圖（b）為三相同步電動機(jī)的運轉(zhuǎn)原理圖。為了保證轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)速度相同，轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁極對數(shù)必須相等。4.6同步電動機(jī)三相同步電動機(jī)啟動方式：異步啟動，同步運轉(zhuǎn)。即轉(zhuǎn)子邊沿安裝許多類似籠式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條，如右圖所示。啟動時，轉(zhuǎn)子上的直流勵磁繞組不通電，使轉(zhuǎn)子先異步啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，再通入直流勵磁電流，旋轉(zhuǎn)磁場就會立即吸住轉(zhuǎn)子同步運轉(zhuǎn)。三相同步電動機(jī)在運行中有以下特點。1.恒速性4.6同步電動機(jī)只要同步電動機(jī)所帶負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩不超過允許值，其轉(zhuǎn)速總是等于同步轉(zhuǎn)速。所以同步電動機(jī)常用于拖動要求恒速的生產(chǎn)機(jī)械，例如合成氨廠的壓縮機(jī)、水泵、碎石機(jī)等。2.功率因數(shù)可調(diào)性同步電動機(jī)可以通過對轉(zhuǎn)子勵磁電流的調(diào)節(jié)來改變電動機(jī)本身的功率因數(shù)。當(dāng)cosφ=1時，電動機(jī)呈電阻性，相當(dāng)于純電阻性負(fù)載，此狀態(tài)稱準(zhǔn)勵磁狀態(tài)；當(dāng)減小勵磁電流，可使電動機(jī)呈感性，相當(dāng)于感性負(fù)載，此狀態(tài)稱欠勵磁狀態(tài)；當(dāng)增大勵磁電流，可使電動機(jī)呈容性，相當(dāng)于容性負(fù)載，此4.6同步電動機(jī)狀態(tài)稱過勵磁狀態(tài)。利用三相同步電動機(jī)可將自身轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪载?fù)載這一特點，在電網(wǎng)中，可和電容器一樣起到提高功率因數(shù)的作用。在工廠中，功率較大的電動機(jī)常使用同步電動機(jī)，以改善全廠的功率因數(shù)。三相同步電動機(jī)與三相異步電動機(jī)相比較，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴，需交、直流電源供電，且不能調(diào)速，作為動力機(jī)械使用受到一定的限制，但可以作為同步補(bǔ)償機(jī)使用，使其空載運行，向電網(wǎng)輸送無功電流，提高功率因數(shù)。二、微型同步電動機(jī)4.6同步電動機(jī)微型同步電動機(jī)是一種不需外加直流電源的小容量單相同步電動機(jī)。所使用的是單相交流電源。具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及轉(zhuǎn)速恒定等特點，廣泛應(yīng)用于自動化裝置、記錄儀器、錄音機(jī)、電影機(jī)設(shè)備中。微型同步電動機(jī)的定子單相異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同，均為單相繞組，為了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其定子也有電容式和罩極式。其轉(zhuǎn)子按結(jié)構(gòu)和作用原理的不同，可分為反應(yīng)式、磁滯式和永磁式三類。1.反應(yīng)式同步電動機(jī)反應(yīng)式同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是用軟磁材料做成凸極式，邊沿

4.6同步電動機(jī)安裝籠式導(dǎo)條，當(dāng)定子繞組通入單相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，轉(zhuǎn)子異步啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子被旋轉(zhuǎn)磁場磁化產(chǎn)生磁極，如下頁圖（a）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速稍有差異，就會使磁力線扭曲，即旋轉(zhuǎn)磁場的軸線轉(zhuǎn)子縱軸不重合，如下頁圖（b）所示。而磁力線總是力圖沿磁阻最小的路徑通過，于是便有迫使轉(zhuǎn)子縱軸向旋轉(zhuǎn)磁場軸線重合的轉(zhuǎn)矩（即磁阻轉(zhuǎn)矩）產(chǎn)生，最終轉(zhuǎn)子在磁阻轉(zhuǎn)矩的作用下與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)式同步電動機(jī)廣泛應(yīng)用于自動記錄裝置、電鐘、電唱機(jī)等設(shè)備中。4.6同步電動機(jī)2.磁滯式同步電動機(jī)磁滯式同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是用硬磁材料制成的圓柱形，轉(zhuǎn)子中間開槽使轉(zhuǎn)子沿不同方向的磁阻不同，在定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，將產(chǎn)生一定的磁阻轉(zhuǎn)矩。另一方面，由于轉(zhuǎn)子是由硬4.6同步電動機(jī)磁材料制成，具有較強(qiáng)的磁滯效應(yīng)，又將產(chǎn)生磁滯轉(zhuǎn)矩，見下圖。圖(a)為開始時轉(zhuǎn)子被定子旋轉(zhuǎn)磁場所磁化的示意圖。（a）（b）4.6同步電動機(jī)而當(dāng)定子磁極旋轉(zhuǎn)一角度θ后，轉(zhuǎn)子上已被磁化的磁性并未小時，表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極軸線之間將出現(xiàn)空間位置的夾角θ，即磁滯角。磁滯角θ的存在，使氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子磁極的作用力F分解為徑向作用力Fn和切向作用力Ft。切向作用力Ft可形成磁滯轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，見上頁圖（b）所示?？梢?，磁滯式同步電動機(jī)是受磁滯轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩共同作用而旋轉(zhuǎn)的。這種同步電動機(jī)運行功率因數(shù)較低。3.永磁式同步電動機(jī)4.6同步電動機(jī)永磁式同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵制成的凸極式。當(dāng)定子繞組通過單相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場后，轉(zhuǎn)子永久磁場將產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場相同的磁極數(shù)，因而被定子旋轉(zhuǎn)磁場拖入同步運轉(zhuǎn)。為了保證轉(zhuǎn)子順利啟動，轉(zhuǎn)子凸極邊沿上安裝籠式條，使轉(zhuǎn)子異步啟動，若電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性很小，且速度較低，也可不裝籠式導(dǎo)條自動啟動。這種電動機(jī)廣泛應(yīng)用于自動化儀表內(nèi)的計時機(jī)構(gòu)中。※4.7直流電動機(jī)直流電動機(jī)以其良好的調(diào)速性能和啟動性能，在電力拖動中占有一定的地位。對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械（例如龍門刨床、鏜床、軋鋼機(jī)等）或者需要較大啟動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械（例如起重機(jī)械、電力牽引設(shè)備等）往往采用直流電動機(jī)來驅(qū)動。一、直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動原理直流電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，下頁圖為直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖中，N、S為直流電動機(jī)定子主磁極，主磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電，產(chǎn)生固定磁場?！?.7直流電動機(jī)※4.7直流電動機(jī)線圈abcd裝在可轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵心上，合稱電樞，線圈稱為電樞繞組。與電樞繞組兩端相連的是兩個彼此絕緣的圓弧形銅片，即換相片。電刷AB緊壓在換相片上并與外加直流電源相通。電刷是固定不動的，而換相片隨電樞一起轉(zhuǎn)動，以此保證在電源極性不變的前提下，電樞線圈所受的電磁力始終維持電樞沿某一方向轉(zhuǎn)動。二、直流電動機(jī)的勵磁方式上頁圖中，磁極N、S的產(chǎn)生一般有兩種方法。一種是用永久磁鐵。而廣泛使用的是給定子鐵心上的勵磁※4.7直流電動機(jī)繞組通入直流。按勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，直流電動機(jī)可分為他勵、并勵、串勵、復(fù)勵四種。電路如下圖所示。圖中If為勵磁繞組上的電流，Ia為電樞繞組上的電流。U+－EIfM+－IaU+－EIfM+－IaU+－EIfM+－IaIf2If1U+－EM+－Ia（a）他勵（b）并勵（c）串勵（d）復(fù)勵上述四種直流勵磁電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如下頁圖所示?！?.7直流電動機(jī)他勵、并勵nnN0串勵TNT復(fù)勵他勵和并勵直流電動機(jī)具有硬機(jī)械特性。當(dāng)負(fù)載增大時轉(zhuǎn)速略有下降，但變化不大。所以這種電動機(jī)調(diào)速范圍廣，適用于需要調(diào)速的軋機(jī)、金屬切削機(jī)床、紡織印染、造紙和印刷機(jī)械。