李发海电机与拖动基础第四版第八章
电机与拖动 第4版 第8章 他励直流电动机电力拖动
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8.3 他励直流电动机的调速
(1)改变电枢电阻调速
n n0 nc b
a Ra1 c
Ra2
O
TL
Te
调速方向 n < nN
Ra↑→ n↓ Ra↓→ n↑
n
n0 b
a c
O TL
n
Ra1
n0 bc
Ra2
TL
Te O
I
Ia
＋
＋ Ra
U
Ua E
－
－
a Ra1 Ra2 Te
If ＋ Uf －
电机与拖动
第8章 他励流电动机电力 拖动
目录
8.1 他励直流电动机的机械特性 8.2 他励直流电动机的起动 8.3 他励直流电动机的调速 8.4 他励直流电动机的制动 8.5 他励电动机的四象限运行
第八章 直流电机电力拖动
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8.1 他励直流电动机的机械特性
机械特性 n = f (Te) 当Ua、Ra、If = 常数。
第八章 直流电机电力拖动
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8.3 他励直流电动机的调速
(1)改变电枢电阻调速
n
一般为有级调速（Ra连续变化成本较大） 稳定性变差
n0 nc b
a Ra1 c
＞
Ra↑→ β↑→α↓→δ↑
理想空载转速 机械特性的硬度
第八章 直流电机电力拖动
n n0
O
Te
3/46
8.1 他励直流电动机的机械特性
(1)固有机械特性 n f (Te) | UaN、Ra、IfN
n n0 n0' nN
O
T0
TN
特点-硬特性 静差率 δ ∊ [3%, 8%]
电机及拖动基础课件第四版全演示文稿
； 合成磁通
；n 电机转速
2-6 感应电动势和电磁转矩
P=2的直流电动机感应电动势分析
电枢空间位置与电角度的关系
N
元件的指定支路边电流变化波形
ia , Ф
+Ф
电角度
1
8
6
+
S
_
_
+
7
4
5
N
第三十二页，共146页。
3
0
π
2π
t
S
2
-Ф
由于磁极与换向电刷的配合,使电枢元 件边的电流极性与磁极极性总保持相 对一致性。当电流相角度发生半周变 化即π时，元件边切割的磁通也正好
1-1 磁路的基本定律
一、（电）磁场存在的基本要素
1. 磁场源，励磁源，励磁电流
2. 磁路，磁通路径
二、（电）磁场的基本物理量
1. 磁通
描述 通过一定横截面积的磁力线总数
符号
类型 矢量
量纲 Wb ； 1 Wb = 108 lines • 磁感应强度 ，磁通密度
描述 通过单位面积的磁力线数量
符号 B 类型 矢量
0 Bx ldx
由于每个磁极下的磁通为
0 Bx ldx
；Da 电枢转轴直径
第三十七页，共146页。
2-6 感应电动势和电磁转矩
电枢（P对磁极）总电磁转矩为
Tem
2p Z
4a
Ia
Cm
Ia
电磁转矩 Tem 的大小与每极磁通和电枢电流的乘积成正比
— 思考 —
1. 当电枢回路电流为零时，是否能确定Ea为零？
2-4 直流电机的励磁方式和磁场
一、直流电机的基本励磁结构
电机与拖动基础答案(第四版)
第1章绪论重点与难点正确理解磁感应强度、磁通量、磁场强度等物理量及铁磁材料的磁化特性，掌握载流导体在磁场中的安培力及电磁感应定律。
变压器电动势数学表达式的符号因其正方向规定不同而不同，这是难点。
思考题解答1.1 通电螺线管电流方向如图所示，请画出磁力线方向。
答向上，图略。
1.2 请画出图所示磁场中载流导体的受力方向。
答垂直导线向右，图略。
1.3 请画出图1.3所示运动导体产生感应电动势的方向。
答从向方向，图略。
1.4 螺线管中磁通与电动势的正方向如图所示，当磁通变化时，分别写出它们之间的关系式。
图图图图答Φ-Φ第2章电力拖动系统动力学重点与难点1. 单轴电力拖动系统的转动方程式：各物理量及其正方向规定、方程式及对其理解，动转矩大于、等于或小于零时，系统处于加速、恒速或减速运行状态。
2. 多轴电力拖动系统简化时，转矩与飞轮矩需要折算。
具体计算是难点但不是重点。
3. 反抗性和位能性恒转矩负载的转矩特性、风机和泵类负载的转矩特性、恒功率负载的转矩特性。
4. 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件。
5. 思考题是重点。
思考题解答2.1 选择以下各题的正确答案。
(1) 电动机经过速比j=5的减速器拖动工作机构，工作机构的实际转矩为飞轮矩为，不计传动机构损耗，折算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩依次为.(2) 恒速运行的电力拖动系统中，已知电动机电磁转矩为，忽略空载转矩，传动机构效率为0.8，速比为10，未折算前实际负载转矩应为.(3) 电力拖动系统中已知电动机转速为，工作机构转速为，传动效率为0.9，工作机构未折算的实际转矩为，电动机电磁转矩为，忽略电动机空载转矩，该系统肯定运行于.加速过程恒速减速过程答 (1) 选择。
因为转矩折算应根据功率守恒原则。
折算到电动机轴上的工作机构转矩等于工作机构实际转矩除以速比，为；飞轮矩折算应根据动能守恒原则，折算到电动机轴上的工作机构飞轮矩等于工作机构实际飞轮矩除以速比的平方，为(2) 选择。
李发海电机与拖动基础第四版第九章
图 9.15 等效磁极
9.4 同步电动机功率因数的调节
9.4.1 同步电动机功率因数的调节 同步电动机在电源电压 U 、频率 f 不变，其有功负载保持常数 时，改变其励磁电流，就能调节它的功率因数。 忽略空载转矩，同步机负载不变，可认为是电磁转矩不变，即
将 、 、 分别在绕组中的感应电动势表示为 、 和
，根据图 9.6给定的各电量正方向可立出 A 相回路的电压方
程式为
（9-1）
式中， 是定子绕组的一相电阻， 是定子绕组的一相电抗。
由于磁路线性， 为纵轴
电枢反应电抗，对同一台电机都是数。
把式（9-2）、式（9-3）代入式（9-1）
与最大电磁转矩 分别为：
9.3.5 稳定运行
1. 当电动机在 θ
范围内拖动负载见图 9.14（a），在
角时，电磁转矩与负载转矩相平衡即
，
当负载增到 时，转子减速使 θ 角增至 ，与其对应的电磁转矩
为 ，若此时
则电机继续同步运行。而当负载又恢复到
图 9.14 同步电动机的稳定运行
时，电动机的 θ又恢复到 ，
9.5（b）中，将 单独在主磁路里产生的磁通称横轴电枢磁通
画在图 9.5（c）中，两者都以同步速逆时针旋转。
图 9.5 纵轴与横轴磁通势及磁通
电枢磁通势 的大小为 纵轴磁通势 可写成 横轴磁通势 可写成
由于三相对称，只取其一相，则与纵轴和横轴对应的电流可
分别表示成 与 ，根据关系式
可得：
9.2.3 凸极同步电动机电压平衡方程式
式中第一项时主要的，为励磁功率，
即
，见图 9.12 曲线 1,。
电机及推动基础答案第四版
2-14 直流电动机的调速方法有几种？各有何特点？
答：由电动机的转速表达式可知调速方法有三种：
（1）改变励磁电流调速：通过调节励磁回路的附加电阻实现调速，由于励磁电流不大，消耗功率小，这是一种简单经济的方法；由于调节电阻为零时（即不串电阻）为最低转速，故只能从额定转速往上调，又称弱磁调速；机械特性斜率（又称为硬度）发生变化，并上下移动；由于受机械性能限制，调速范围不大；为使电机在调速过程中得到充分利用，对不同转速下的容许电流都为额定电流，则容许负载特性为恒功率特性，一般用于恒功率调速。
5-5等效电路中的 代表什么？能不能不用电阻而用电感和电容来代替，为什么？
答： 代表与机械负载对应的附加电阻，即该电阻消耗的电功率实际为电动机输出的机械功率。
因输出功率为有功功率故只能用电阻代替而不能用无功元件电感或电容代替。
注：异步电动机的等值电路与变压器的等值电路有无差别？作异步电动的等值电路时，用等效的不动的转子代替旋转的转子，要求保持哪些量不变？
2-5单迭绕组和单波绕组的元件联接规律有何不同？同样极对数为P的单迭绕组和单波绕组的支路对数为何相差P倍？
答：单迭绕组元件联接规律为：将同一磁极的元件串联构成电刷间的支路，故支路2a=磁极数2P；
单波绕组元件联接规律为：将同一极性的元件串联构成支路，由于电机只有两种磁极即N、S，故支路数2a=2.
2-7 直流电动机有那几种励磁方式？在不同励磁方式下，线路电流、电枢电流、励磁电流有何关系？
答：直流电机的励磁方式有4 种：他励、并励、串励和复励。
2-8 什么因素决定直流电动机电磁转矩的大小？电磁转矩的性质和电动机运行方式有何关系？
答：由电磁转矩的计算公式可知：其大小由取决于电机结构参数的转矩常数、每极磁通量（可通过改变励磁电流改变）、电枢电流（可通过改变电枢电压改变）所决定的。
电机与拖动基础第四版李发海教案4共22个教案.docx
电机与拖动基础教案4直流电机的磁路图3. 8为一台四极直流电机空载（只有励磁电流）时的磁场示意图。
若7为一个磁极上的励磁绕组匝数，励磁电流为1时，每极的励磁磁通势为：F二I N定子磁觇/电枢磁觇图3.8四极直流电机空载时的磁场示意图图中主磁通的路径是：从N极、经气隙、经电枢齿、经电枢辄、到启一部分电齿、再到气隙、经S极、经定子辄、回到N极。
称为主磁路。
图中只与励磁绕组相链的磁通为漏磁通，其所经过的路径称为漏磁路。
3. 3.2空载时气隙磁通密度的分布波形如果把磁路看作一个截面为长方形的磁管，如图3. 9所示，磁管截面宽为A、长为电枢轴向有效长度L o磁管所包围的导体总电流为2 = 2 则根据磁路欧姆定律，磁管内的磁通为:其中分别为气隙、电枢齿磁极和定子彳厄等子殳的，礙阻“汝口采只考虑气隙磁阻，(3-1) 可写为：①'=-=生(3-2)2IJ R mS 贝寸磁管气卩瑕半殳白勺童阻为:式中3为磁极内表面与电扌区外表而间的长度。
将(3・3)代入(3-2)得:图3.9直流电机的主磁路若气障中处白勺磁场开］磁密B 衣示，贝寸有：(3-4)_____________ 2F (• 2R ml+Rma •(3-1)乜才区车厄、主B =空="△厶 丄A A /式中F 为每极励磁磁通势，单位为A ;为气隙长度，单位为mm ;为空气磁导率，近似真空磁导率，即图3. 10 (a)为极靴形状图；图3. 10 (b)为气隙磁密分 图；(b) 图中1为均匀气隙时的气隙磁密；2为不均匀气隙时的气隙磁密3. 3. 3空载磁化特性—般把空载时气隙每极磁通①与空载励磁磁通势F 或空载 励磁电流I 的关系，即①二f (F)，或①二f ⑴，称为空载 磁化 特性。
如图3. 11所示(3-6)尹主磁通电机磁路由气隙和铁磁材料两部分组 成。
由于气隙磁导率为常数，故气隙磁 通与磁通势成线性关系，见其隙线2 o铁磁材料具有饱和现象，当①增大 到一定值以后，励磁磁通势急剧增大，使 空载磁化特性出现饱和现象，如曲线1。
李发海电机与拖动基础第四版第十一章
（2）电动机各部分温度均匀；
（3）周围环境温度不变。
电动机单位时间内产生的热量为 ， 时间内产生的热量为 。
电动机单位时间内散出的热量为 ， 时间内散出的热量为 。
上式中 为温升；A为散热系数，表示温升 1 时，每秒散热量。
在 时间内，电机的发热等于本身吸热与向外发热之和，即
（11-1）
整理后得
令
11.3.1 电动机种类的选择 1. 电动机的主要种类（见表 11. 2）
生产机械的工艺要求是选择电机的先决条件，除外，还要考 虑各类电机的性能特点、所需电源、价格高低、维修方便与否 等诸多因素。表 11.3 列出了各种电机的主要性能特点。
2. 电动机种类选择时考虑的主要内容 （1）电动机的机械特性
异步电动机和同步电动机的过载倍数指最大转矩倍数 。校核
时应考虑交流电网电压向下波动
，因此最大转矩要按
来计算。应略大于可能出现的最大转矩。
对启动的校核也因负载机械而异。风机、水泵类负载启动转矩
很小 ，不必校核。而具有反抗性或位能性恒转矩负载机械，满
负荷能否启动，需要校核。鼠笼式三相异步电动机的启动能力
2. 轴伸个数 电机有单轴伸与双轴伸两种，一般采用单轴伸。 3. 防护方式 电机的防护方式有开启式、防护式、封闭式和防暴式几种。 开启式电机的定子两侧和端盖两侧都有很大的通风口。散热 好，价格便宜，但易进灰尘、水滴和杂物。 防护式电机机座下面有通风口。散热好，能防止水滴、杂物 落入电机内，不能防潮气和灰尘。 封闭式电机的机座和端盖均无通风孔，完全封闭。它又分自 冷式、自扇式、它扇式、管道通风式和密封式。前四种可在多 土、潮湿、有腐蚀气体、易火灾的环境中使用；密封式可浸泡 在液体中，如潜水泵。
，对温度未完全冷却的电机再启动，其 为某一具体值。
电机与拖动基础答案(第四版)6-12章
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大
(5)
最大幅值为 F 的两极脉振磁通势，空间正弦分布，每秒钟脉振 50 次。可
以把该磁通势看成由两个旋转磁通势 和 的合成磁通势：旋转磁 通势幅值 和 的大小为，转向，转速为 极数为，每个瞬间 与 的位置相距脉振磁通势 F·的距离（电角度）. (6) 三相对称绕组通入电流为 ω ω ω 。合成磁通势的性质是, 转向是从 绕组轴线转向转向。若 f=ω π 电机是六极的，磁通势转速 为 。当 ω 瞬间，磁通势最大幅值在轴线处。 (7) 某交流电机电枢只有两相对称绕组，通入两相电流。若两相电流大小相等， 相位差 电机中产生的磁通势性质是。若两相电流大小相等，相位差 磁通势性质是。若两相电流大小不等，相位差 磁通势性质 为。在两相电流相位相同的条件下，不论各自电流大小如何，磁通势的性质为. (8) 某交流电机两相电枢绕组是对称的，极数为 2。通入的电流 领 ，合成磁通势的转向便是先经绕组轴线转 电角度后到绕 先 组轴线,转速表达式为 (9) 某三相交流电机电枢通上三相交流电后，磁通势顺时针旋转，对调其中的 两根引出线后，再接到电源上，磁通势为时针转向，转速变。 (10) 某两相绕组通入两相电流后磁通势顺时针旋转，对调其中一相的两引出线 再接电源，磁通势为时针旋转，转速变。 答 (1) 9.66; π 脉振； 两极，50 次； 12F，相反，3000, 2，相等； 旋转磁通势， 、C、 相绕组； 圆形旋转磁通势，椭圆形旋转磁通势，椭圆形旋转磁通势，脉振磁通势；
(4) (5) (6) (7)
(9) 逆，不； (10) 逆，不。 6.15 一台接法的交流电机定子如果接电源时有一相断线，电机内产生什么性质 的磁通势?如果绕组是△接法的，同样的情况下，磁通势的性质又是怎样的? 答 接法的交流电机定子如果接电源时有一相断线，无论断点在进线上还是在相 绕组上，都相当于引进了一个电源线电压，通电的两相绕组流过同一个电流， 只能形成脉振磁通势。 如果绕组是△接法，当断点在进线上时，相当于△接法的绕组只引进了一个线 电压，三相绕组的电流相位相同或相差 只能形成脉振磁通势；当断
李发海电机与拖动基础第四版第一章
在电机学中，习惯上用左手定则确定 f 的 方向如图1.6 所示。
1.2.8 电磁感应定律 1. 切割电动势
在均匀场中，当直导体L、磁感应强度B、 导体相对运动方向V 三者相互垂直时，导 体中的感应电动势为
图 1.6 左手定则应用
在电机学中，习惯上用右手定则确定 电动 势 e 的方向。如图1.7 所示。
1.2.5 铁磁材料的磁化特性
铁磁材料(如铁、镍、钴)的的磁导率 µ >> µ0 ，且还 与磁场强度及物质磁化历史相关，因此铁磁材料的 µ 不是一个常数。用试验方法测得的B-H 曲线如图1.4所 示。
图 1.4 铁磁材料的磁化特性 1 磁滞回线上升分支 2 平钧磁化特性 3磁滞回线下降分支
磁化曲线有如下特点: 非线性 饱和性 磁滞回线性
电机与拖动基础
李发海 王 岩 编著
普通高等教育 “十 — 五”国家级规划教材
第一章 绪论
1.1 课程性质
电能是使用最广泛的一种能源。 电机是电能与机械能相互转换的设备。把机械能 转换为电能的电机称为发电机。反之, 把电能转换 成机械能的电机称为电动机。
电动机拖动生产机械运转完成既定的工艺要求, 称为电力拖动。 在电力拖动控制系统还大量用到控制电机。
导磁物质中的磁场用磁场强度H表示，它与磁密的
关系为：
B = µH
磁场强度的单位为安培/米(A/m)。µ为导磁物质的磁
导率，真空中的磁导率 µ0 =4π x 107 H/m. 铁磁材料 的 µ >> µ0
1.2.4 安培环路定律
在磁场中，沿任意一个闭合回路的磁场强度线积分
等于该回路所环链的所有电流代数和,即
当磁滞回线较窄时,可用其平均值,即基本磁化曲线[图1.4(a)中 曲线2]来计算。图1.4(b) 是铁磁材料的基本磁化特性。
第08章-同步电机原理
图8-5 励磁磁通
-10-
第八章 同步电机原理
二、凸极同步电动机的双反应原理
对于电枢磁动势Fa 单独在电机主磁路中产生磁通时的情况， 则比励磁磁动势Ff 产生磁通时的情况复杂。由于Fa 与Ff 的空间 位置不一定相同，所以只要Fa 与Ff 的空间位置不相同，就必然 使Fa的方向不在直轴方向。对于凸极式同步电动机，由于气隙 的不均匀，即使知道电枢磁动势Fa 的大小和位置，也无法 求得磁通。
-22-
第八章 同步电机原理
考虑以上这些关系，得
Pem
3
E0U s Xd
s in
3U
s
2
1 Xq
1 Xd
cos
s in
Pem
3
E0U s Xd
s in
3Us2 X d X q 2XdXq
sin 2
（8-19） （8-20）
接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压Us、 电源的
-13-
第八章 同步电机原理
考虑到式（8-2）的关系，即有
Is Id Iq
（8-6）
即把电枢电流 Is 按相量的关系分解成两个分量： 量是 Id ，另一个分量是 Iq ，其中 Id 产生磁动势
一个分
Fad ； Iq
产生磁动势 Faq 。
Id
Fad
Is
Iq
Faq
-14-
第八章 同步电机原理
三、同步电动机的电压方程
1. 凸极同步电动机的电压方程
不管是励磁磁通 f ， 还是直轴磁通 ad 和交轴磁通 aq，都
是以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感
电机与拖动基础答案 第四版
第1章绪论重点与难点正确理解磁感应强度、磁通量、磁场强度等物理量及铁磁材料的磁化特性，掌握载流导体在磁场中的安培力及电磁感应定律。
变压器电动势数学表达式的符号因其正方向规定不同而不同，这是难点。
思考题解答1.1 通电螺线管电流方向如图所示，请画出磁力线方向。
答向上，图略。
1.2 请画出图所示磁场中载流导体的受力方向。
答垂直导线向右，图略。
1.3 请画出图1.3所示运动导体产生感应电动势的方向。
答从向方向，图略。
1.4 螺线管中磁通与电动势的正方向如图所示，当磁通变化时，分别写出它们之间的关系式。
图图图图答Φ-Φ第2章电力拖动系统动力学重点与难点1. 单轴电力拖动系统的转动方程式：各物理量及其正方向规定、方程式及对其理解，动转矩大于、等于或小于零时，系统处于加速、恒速或减速运行状态。
2. 多轴电力拖动系统简化时，转矩与飞轮矩需要折算。
具体计算是难点但不是重点。
3. 反抗性和位能性恒转矩负载的转矩特性、风机和泵类负载的转矩特性、恒功率负载的转矩特性。
4. 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件。
5. 思考题是重点。
思考题解答2.1 选择以下各题的正确答案。
(1) 电动机经过速比j=5的减速器拖动工作机构，工作机构的实际转矩为飞轮矩为，不计传动机构损耗，折算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩依次为.(2) 恒速运行的电力拖动系统中，已知电动机电磁转矩为，忽略空载转矩，传动机构效率为0.8，速比为10，未折算前实际负载转矩应为.(3) 电力拖动系统中已知电动机转速为，工作机构转速为，传动效率为0.9，工作机构未折算的实际转矩为，电动机电磁转矩为，忽略电动机空载转矩，该系统肯定运行于.加速过程恒速减速过程答 (1) 选择。
因为转矩折算应根据功率守恒原则。
折算到电动机轴上的工作机构转矩等于工作机构实际转矩除以速比，为；飞轮矩折算应根据动能守恒原则，折算到电动机轴上的工作机构飞轮矩等于工作机构实际飞轮矩除以速比的平方，为(2) 选择。
电机及拖动基础第4版思考题与习题解答
思考题与习题解答《电机及拖动基础》（4版）第一章直流电机1-1 在直流电机中，电刷之间的电动势与电枢绕组某一根导体中的感应电动势有何不同？解：前者是方向不变的直流电动势，后者是交变电动势；前者由多个电枢元件（线圈）串联而成，电动势相对后者的绝对值要大。
1-2 如果将电枢绕组装在定子上，磁极装在转子上，则换向器和电刷应怎样放置，才能作直流电机运行？解：换向器放置在定子上，电刷放置在转子上，才能作直流电机运行1-3 直流发电机和直流电动机中的电磁转矩T 有何区别？它们是怎样产生的？而直流发电机和直流电动机中的电枢电动势，a E 又有何区别？它们又是怎样产生的？解：直流发电机的电磁转矩T 是制动性质的，直流电动机的电磁转矩T 是驱（拖）动性质的，它们都是由载流导体在磁场中受到的电磁力，形成了电磁转矩；直流发电机的电枢电动势E a 大于电枢端电压U ，直流电动机的电枢电动势E a 小于电枢端电压U ，电枢电动势E a 都是运动导体切割磁场感应产生的。
1-4 直流电机有哪些主要部件？各起什么作用？解：直流电机的主要部件有定子：主磁极（产生主极磁场）、机座（机械支撑和导磁作用）、换向极（改善换向）、电刷（导入或导出电量）；转子：电枢铁心（磁路的一部分，外圆槽中安放电枢绕组）、电枢绕组（感应电动势，流过电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换）、换向器（与电刷一起，整流或逆变）1-5 直流电机里的换向器在发电机和电动机中各起什么作用？解：换向器与电刷滑动接触，在直流发电机中起整流作用，即把线圈（元件）内的交变电整流成为电刷间方向不变的直流电。
在直流电动机中起逆变作用，即把电刷间的直流电逆变成线圈（元件）内的交变电，以保证电动机能向同一个方向旋转。
1-6 一台直流发电机，min,/1450,230,145r n V U kW P N N N ==-求该发电机额定电流。
解： A U P I N N N 43.630230101453=⨯==1-7 一台Z4-250-42他励直流电动机，min,/1000%,46.90,440,160r n V U kW P N N N N ===-η求其额定电流和额定负载时的输入功率。
李发海电机与拖动基础第四版第二章
续稳定运行。
图2.14 为不稳定运行的例子。
当电压向下波动时，机械特性
由曲线 1 变为曲线 1 ' ，工作点
由A 到 B，
，
电机继续加速，无法与负载转矩
图2.14 电力系统的不稳定运行
相交。故该系统不稳定。
因此：稳定运行的充要条件是：
且在
处，d T d TL
dn dn
第二章完
图 2.11 恒功率负载的转矩特性
2.3.2 电力拖动系统稳定运行的条件 系统稳定运行（恒速不变）的必要条件是动转矩为零。 即 T = T L (忽略空载转矩)。在图2.12中两条曲线的交点A满足该
条件，A点称为工作点。
当干扰出现时，系统能否稳定运行？干扰消失后，系统能否
回到原来的工作点上继续运行？能则为稳定系统，否则为不稳
2.2 多轴电力拖动电力简化
图2.3 电力拖动系统的简化
当传动机构带有减速齿轮箱时，形成多轴拖动系统。如图 2.3 (a) 所示。为了简化多轴系统的分析计算，通常把负载转矩 与系统飞轮矩折算到电动机轴上来，变多轴为单轴系统。
2.2.1 工作机构为转动情况时，转矩与飞轮矩的折算 1. 转矩折算
按折算前后功率不变的原则，有
TF
图2.2 单轴电力拖动系统
式中：
其中：m 为系统转动部分的质量，单位为㎏ ; G 为系统转动部分的重力，单位为N ; 为系统转动部分的转动惯量半径，单位为 m； D 为系统转动部分的转动惯量直径，单位为 m； g 为重力加速度，一般取 g=9.80 m /s 2
将上两式代入转动方程，化简后得：
图2.9 位能性恒转矩负载的转矩特性
（a）实际特性
（b）折算后特性
2.泵类负载的转矩特性 特点：转矩大小与转速平方成正比。特性如图2.10所示。
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(a) 接线图
(b)机械特性
启动过程如下：
（1）K1、K2、K3 均闭合，转子串电阻 启动， 启动点为曲线 3上的 a 点，启动转矩 T1 TL ，转速上升。 （2）转速沿曲线 3上升至 b 点时，K3 闭合，切断启动阻 RS 3 ， 启动点移至曲线 2 上的 c 点，又获得了足够电磁矩 ，转
动性转矩。 8.5.2 能耗制动 1. 能耗制动的基本原理
图 8.14 三相异步电动机电动运行
1—固有机械特性；2—降低频率的人为机械特性； 3—电源为负相序时的固有机械特性
设异步电动机以转速 n 逆时针电动状态运行，突然切断源，
同时将直流通入定子绕组（打开 合上 ）见图 8.15 。此间，
由于惯性，电动机转速不能突变，维持逆时针转动，转子绕组中
图 8.4 Y-Δ 启动时的启动电流 (a)直接启动 (b)Y-Δ 启动
, 线启动电流为
当Y接启动时，如图8.4 (b) 所示，每相启动电压为 每相启动电流为 电流 为 ，则 ，于是有 ，那么启动
，
（8-4）
上式说明采用 Y-Δ 启动，使启动电流降低到直接启动的 三分之
一，若直接启动时的启动转矩为
器体积大，价格贵、也不能启动重负载。
8.2.4 三相反并晶闸管降压启动 用三相反并晶闸管降压启动器启动，即将三相反并晶闸管串联 在三相交流电源与被控电动机之间，由控制器控制电机启动如图
（8-6）所示。通过控制器改变导通
角实现降压启动。 这种启动又称软启动。启动时频率 不变，但波形偏离了正弦形，产生了 一些谐波，使电机损耗增大，性能变
在不频繁的启动中，常采用串入水电阻启动。其启动转矩比串 电抗启动要大些。 8.2.2 Y-Δ 启动 对于定子绕组接成Δ形运行的鼠笼异步电动机，可用 Y-Δ 降 压启动法来减小启动电流，接线见图 8.3所示。
图8.3 Y-Δ 启动接线图
当定子绕组 Δ 接启动时，每相启动电流为
，如图 8.4 (a) 。
根据上述关系，在不同机械特性上，参阅图 8.13（b）有
令
，为启动转矩比，则有
推出启动时各级电阻为：
当
时，由图 8.13（b）可得
在固有机械特性上，根据 T S ，可得
或
把式（8-10）与（8-11）代入式（8-9）中最后一式，解得 或把式（8-10）与式（8-12）代入式（8-9）中最后一式解得 式（8-13）与式（8-14）为计算启动电阻的依据公式。
式（8-1）是启动电流 I1S 和启动转矩 TS 的表达式
(8-1)
由上式可知，降低启动电流的方法有：降低电源电压；加大定
子边电阻或电抗；加大转子边电阻或电抗。但需注意过份加大 转子电阻反而使启动转矩减小。 在供电变压器容量较大时，7.5 kW以下的电机通常可直接 启动。
8.2
三相鼠笼式异步电动机降压启动
图 8.9 深槽式异步 电动机机械特性
双鼠笼异步电动机转子上装有两套鼠笼，外笼电阻率高、截面
小，而内笼电阻率低、截面大。如图 8.10 (a) 所示。 电机启动时，转子电流频率高，内笼电抗大、电流小，外笼电
抗小、电流大，外笼起主要作用，外笼又称启动笼。正常运行
时，转子电流频率很低，电流分配主要取决于电阻，内笼电流比 外笼大，内笼起主要作用，内笼又称运行笼。
不断降低，导致损耗
也不断减小，启动完毕
近似为零，可将频敏变阻器切
图 8.12 转子串频敏变阻器的机械特 性 1- 固有特性 2-人为特性
8.4.2 转子串电阻分级启动
1.转子串电阻分级启动 图8.13 为线绕式三相异步电动机转子串电阻分级启动的接线 图与机械特性。
图 8.13 转子串 电阻 分级启动
，则
，Y-Δ 启动时的启动电流为
（8-5）
此种方法只适用于轻负载启动。
8.2.3 自耦变压器(启动补偿器)降压启动
鼠笼式三相异步电动机采用自耦变压器降压的启动电路如图 8.5 所示。启动时将 K 倒向启动边，转速升高后将 K 倒向运行 边。电机进入运行状态。 图 8.6 为其一相电路图， 是自耦变压器的一次电压， 是二
8.5
三相异步电动机的各种运行状态
在不同负载的条件下，改变异步机的电源电压、相序、
频率及转子所串电阻，异步机就会运行在四个象限的不 同状态。
8.5.1 电动运行
在图 8.14 的机械特性中，第一
象限的工作点，如 A 、B 点为正
向电动运行状态；第三象限的工
作点，如 C 点为反向电动运行状
态。电动状态下的电磁转矩为拖
第八章 三相异步机的启动与制动
8.1 三相异步机的直接启动
三相异步机在额定电压下直接启动时，由于主磁通低，功
率因数又低，导致启动电流大，而启动转矩并不大的结果。 此刻的启动电流（堵转电流） 而启动转矩（堵转转矩） 上两式中， 为启动电流倍数， ， ，
为启动堵转倍数。
图 8.1 为直接启动时的固有 机械特性与电流特性。
和，磁滞涡流损耗大，则
有
较大，同样由于
较小，故
饱和，励磁电流较大，励磁电抗
。可见，串入频敏变阻器后使电流 功率因数大
图 8.11 线绕式异步 机串频敏变阻器启动
得到了限制，但电流下降并不多，又保证了足 够的启动电流；同时由于
大提高，启动转矩明显增大。
启动过程中，随转速增加转子电流频率
不断减小，则电阻 除。 利用频敏变阻器启动异步电动 机可获得启动特性接近最大启动 转矩的机械特性，见图 8.12中的 的曲线 2 ，曲线 1 为固有机械特 性。 不断减小，电抗 时，转子电流频率很小，
漏抗较大，深槽电机就更大，则有
，转子电流大小主要
取决于
效应。
，且电流分布极不均匀，槽底电抗大电流小，槽口电
抗小电流大，电流分布见图 8.8 (b) 中的曲线1，这种现象称趋表
正常运行时， 抗很小，
很低，转子漏电 ，转子电流主要取
决于电阻，且集肤效应不明显，电
流分布见图 8.8 (b) 中的曲线 2 。 所以，深槽电机在启动时由于集 肤效应导致转子电阻增大，获得了 较大的启动力矩。转速升至正常值
图 8.1 直接启动 1—电流特性； 2—固有机械特性
小容量异步电动机的启动电流对系统的影响不大，一般可直
接启动；但大容量异步电动机启动时，导致变压器输出电压短时 下降幅度大，造成如下影响： （1）由于电压太低，电机的启动转矩下降很多，重负载时不 能启动。 （2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，如电灯变暗， 数控设备失常，重载异步电动机停转等。
速继续上升。
（3）转速沿曲线 2上升至 d 点时，K2 闭合，切断 RS 2 ，启动点 移至 e 点，并沿曲线 1 继续升速。 （4）当转速升至 f 点时，K1 闭合，切断所有外接电阻，启动点 移至固有特性上的 g 点，然后继续升速，稳定运行在工作点 j 。
2.作图法计算启动电阻
在 0 s sm 的范围内，可近似将机械特性看成直线，为 计算启动电阻带来方便。设启动级数 m=3，见图 8.13（b）。作 图计算启动电阻的步骤如下。 （1）通过 n = n1，T=0 和 n nN ， TN
根据图8.2（b）的等效电路可以得
由于电机设计时 Z k 取值很小，则可认为 X k Zk Rk jX k 。 即可把 直接与外串电抗相加。设外串电抗为 X时，电动机定
与电机直接启动的额定电压 U 之比为 u，则有： 子电压降 U 1 N
(8-2)
显然，定子串电抗启动降低了启动电流，也降低了启动转矩， 只适用电机空载和轻载启动。 工程中常根据允许的启动电流 I1' S 来计算外串电抗 X ，根据 （8-2）式得 （8-3） 其中电动机的短路阻抗为：
图 8.10 双鼠笼异步电动机 (a) 转子槽与槽漏磁通 (b) 机械特性
在图 8.10 (b) 中，曲线 1 为外笼机械特性，曲线 2 外内笼机械
特性，曲线 3 为合成机械特性。由曲线 3 可知，双鼠笼异步电动
机的启动转矩比较大。 双鼠笼异步电动机比普通异步电动机转子漏抗大，功率因数 低，效率相差不大。 总之，加大转子电阻或选用深槽和双鼠笼槽的转子槽形均能
差。其优点是启动电压可由低到高连
续可调，避免了启动电流对电网和电 机的冲击。
图（8-7）三相反并联晶闸管软启动
8.3
高启动转矩的三相鼠笼式异步电动机
8.3.1 转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机
选用电阻率较大的新材料作鼠笼导条，或减小鼠笼导条截面都
使鼠笼转子电阻增加，从而使启动转矩、最大转矩、额定转差率
9550 PN nN
两点画出固有
机械特性。
（2）确定最大启动转矩T1和切换转矩T2。通常取 T1 0.85Tm ， 取 （3）通过启动点 启动机械特性曲线 3 。 。 与理想空载点，画第一级
（4）经曲线 3上的 b点水平右移至T=T1处，找到第二机械特性
曲线 2上的 c点，再与理想空载点连接，画出第二级机械特性。
（5）用同样的方法画出第三级启动机械特性。 （6）从第三级启动特性上的 f 点向右平移至T =T1得到交点 g ， g 点也必须是固有机械特性上的点，即 g 为三条曲线交点时，则 作图正确，否则需修改TI、T2大小，重新作图，直至正确。 完成作图后即可计算各级启动电阻 根据式（7-14）可知，当T为常数时，转子电阻与对应转差率 成正比，即 。据此，当T=T1不变时可推出：
都变大，运行段机械特性变软。 高转差率的异步电动机适用于要求启动转矩大或带冲击性负载 的机械。但转子电阻大，正常运行时效率较低，该类电动机价格 也较贵。
8.3.2 深槽式鼠笼异步电动机 深槽鼠笼异步电动机的槽形深而窄，其交流磁通分布不均（槽 底部分的漏磁通多，槽口部分的漏磁通少）见图 8.8 (a) 。 电机刚启动时，S=1，转子电流频率 较高，转子