电机及驱动技术1

最大转 矩点
起动点
第一象限中n＜n1，T＞0为电动运行方式。
第二象限中n ＞ n1，T＜0为发电运行方式。 Sm—临界转差率，sm≈0.2 在电动运行状态下：0 ＜s ＜sm时，s增加，T也增加。 S=Sm时T达到最大值Tm
S=Sm后，增加S，电磁转矩反而减小。
总结： ①当电机参数及电源频率不变时，Tm与电源电压的平方成正 比，但sm与U1无关。 ②改变转子电阻可以改变产生最大转矩Tm时的转差率—仅对
可见，随着f1的增加，最大转矩Tm会减小。
结论：
1、同步转速n1∝f1，机械特性曲线的斜率不变。 2、频率接近额定频率且小于额定频率时可以保证Tm不变， 频率高于额定频率时Tm减小；频率低于额定频率较多时Tm 同样减小。
论述题
1、鼠笼式三相异步电动机为何能转动？
2、鼠笼式三相异步电动机工作时转子绕组中有无
2、减压起动
对于不适合直接起动的情况只能采用降低电压的方式来限制 电流，由于Tem与U1成正比，所以这种方法只适合于空载或 轻载起动的情况。 ⑴ 定子电路串电阻或电抗器减压起动
①起动线路
S的值在0～1之间，空载时n ≈n1；若通电但转子未转则有
n=0，此时S=1。 正常运转时S=0.01～0.06 3、运行状态 ⑴ 电动机运行状态
转子在电磁转矩的驱动下旋转，转向与电磁场旋转方向相同，
且有n1 >n>0, 0＜S≤1 ⑵ 发电机运行状态 转子的转动为外部机械动力驱动，且转速n >n1，方向与n1 同向，此时电磁转矩成为制动转矩。
所以磁通Φ减小。
改善起动特性：
绕线转子异步电动机：转子回路串接电阻。 笼型异步电动机：对转子作适当改进—深槽式电动机，双笼 型电动机。 4.3.2 笼型异步电动机的起动
分为直接起动和减压起动两种方法
1、直接起动 也称全压起动，适合于小容量电机的起动。在一般电网容量 下，7.5kw以下的电动机可认为是小容量电动机，对电网容 量大的情况下，较大功率的电动机也可以直接起动。 通常要求起动电流引起的电网压降＜10%～15%线路电压。
Y形连接
△形连接
4、防护等级：以IP表示防护等级，后跟两位数字，第一位
表示防尘的等级0～6（7级），第二位表示防水等级0～8
（9级）。如IP45， IP68等 4.2 三相异步电动机的机械特性 4.2.1描述在一定条件下电动机的转速n与电磁转矩Tem之间 的关系 即n=f(Tem)。由于n=（1-s）n1 所以机械特性也用 Tem= f(S)的形式表示，简称T-S曲线。 一、机械特性的物理表达式
绕线式转子异步电机有用。
发电
电动
制动
为了保证电机寿命，不能使电机长期工作在Tm上。即实际
工作点TN应小于Tm ，所以电机都具备一定的过载能力。过 载能力以KT表示：
Tm KT .......... ........ 5 7 TN
一般电动机KT=1.6 ～2.2；起重、冶金机械 KT=2.2 ～2.8 4.2.2 起动转矩 S=1 （n=0）时的转矩称为起动转矩。
第四章 三相异步电动机的基本原理
4.1 三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.1 基本结构 主要有定子、转子及其它辅助零部件构成。 定子的铁芯由硅钢片叠成，并在内圆上冲有槽，槽中嵌放线圈。 转子同样由硅钢片叠放而成，外圆上冲有槽，槽中所嵌线圈有
两种情况：
⑴鼠笼转子 ⑵绕线转子 另外转子与定子之间还有气隙存在，气隙越小越好，实际上由 于机械加工及其它条件所限，气隙不能太小，一般中小型电机 0.2～1.5mm。
电流？
3、电磁转矩在S为什么值时达到最大值？
4、Sm与电源电压有什么关系？
4.3 三相异步电动机的启动
三相异步电动机的启动指的是电机的转子由静止开始加速到 额定转速的过程。 为避免电流冲击的问题，起动过程应满足如下要求： ① 起动电流小（减少对电网的冲击）。
② 起动转矩大（缩短起动时间）。
③ 起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便。 ④ 起动过程的能量损耗越小越好。 4.3.1异步电动机的固有起动特性
交流电动机结构照片
4.1.2 基本工作原理
1、原理
定子铁芯中嵌有三相绕组U1-U2,V1-V2,W1-W2。三相绕组 中通入三相交流电时会产生旋转磁场，该磁场的速度为同步 转速n1 。 由右手定则可以得出转子中感生电流方向，又左手定则可以
得出转子受力方向，从而得出转子旋转方向。
相 当 于 转 子 向 该 方 向 切 割 磁 力 向 转子在旋转磁场的拖动下运转
Tem CT m I 2 cos 2 5 1 3 pN1k w1 CT 2
CT—异步电动机的电磁转矩系数
ΦM—异步电动机的每极磁通 I’2—转子相电流折算值（转子相电流折算到定子上的电流值） cosφ2—转子电路的功率因数 Kw1—基波电动势绕组系数
直接起动时起动电流倍数：
I st kI 5～7 .......... .......5 - 16 I N1
起动转矩倍数：
Tst k st 0.9～1.3.......... .......... .5 17 TN
直接起动应满足的条件为：
I st 1 电源容量（kVA ） [3 ]......... 5 18 I N1 4 起动电机容量（kW）
p 3U R / s T em ...... 5 4 '2 ' 2 2f1 ( R1 R2 / s ) ( X 1 X 2 )
（下标为“1”的参数表示定子参数）
该式直接表达了电磁转矩Tem与转差率s的关系，由此可以得 出特性曲线。 二、特性曲线
2 1 2
' 2
同步转速点
额定工 作点
4.3.1异步电动机的固有起动特性
将笼型或绕线转子异步电动机直接接入电源起动，而不 采取任何措施，这样的起动特性称为固有起动特性。主要指 的是起动电流和起动转矩。 异步电动机在起动时转差率S=1（n=0）此时电流却很大，
约为额定电流的5～7倍，可此时的转矩却不大，通常约为额
定转矩的0.9～1.3倍（有些电机会大些）。 起动电流大，起动转矩不大的原因主要有： ①起动时功率因数低 ②起动电流大，定子漏阻抗压降大，使定子电动式E1减小，
' p 3U12 R2 T st ...... 5 8 '2 2 ' 2 2f1 ( R1 R2 ) ( X 1 X 2 )
可见：
1、起动转矩Tst仅与电机本身的参数及电源电压有关，与电 机所带的负载无关。 2、对三相绕线转子异步电动机来说，在一定范围内增大转 子电阻（转子电路外接电阻），可以增大起动转矩。 3、对三相鼠笼式异步电动机，转子不能外接电阻，在额定 电压下Tst是恒值。 4、将Tst与TN的比称为起动转矩倍数Kst 。只有当Kst ＞1时
1、固有机械特性：异步电动机在额定电压和频率下，按规 定接线方式接线；定子、转子外接电阻为0时的转速与电磁 转矩T的关系曲线。 2、人为机械特性：人为地改变电动机参数或电源参数而得 到的机械特性。 ⑴ 降低定子电压时的人为机械特性 Tem∝U12
当电机在某一负载下运行时，降低电压将使电机转速降低，
转差率s增大；s增大会导致转子电动势的增加，而电流会因 此而增大，引起定子电流增加。长期如此会使电机寿命受影
响（温升）。
⑵ 转子电路中串入对称电阻 这种方式只适合于绕线转子电动机。 串入电阻后Tm不变n1也不变， Sm随电阻Rad的增加而增加，
若电阻Rad选择合适可以使S=Sm=1，
则有：Tst=Tm。 此时若再增加Rad则Tst反而会减小。
⑶ 定子电路中串接电阻或电抗的人为特性
定子电路中分别接入对称的电抗Xst， 则随着Xst的增加Tm、Tst及Sm会减小。 多用于降压起动的情况，限制起动电流。
⑷ 改变电源频率的人为特性
① 工作频率从额定频率向下调
公式：
U1 E1 4.44 f1 N1k w1 m .......... ..4 19
60 常数 ' 2 ( L 1 L 2 ) p
Δnm—最大转矩Tm时的转速降。为常数表示特性线为平行。
R
' 2
Tm
3 pU12
' 4f1[ R1 R12 ( X 1 X 2 ) 2 ]
3 pU12 1 3p U1 2 U1 2 忽略R1 : Tm 2 ( ) ( ) ' ' 4f1 X 1 X 2 8 ( L 1 L 2 ) f1 f1
n1 n S 0 n1
⑶ 电磁制动
在电源作用下旋转磁场为n1，外部机械拖动转子以n旋转，
方向与n1相反。此时电磁转矩为制动转矩，电源输入的能量 与外部机械能在电机内部变为热能。 由于n 与n1方向相反，所以为“—”。
故：
n1 n n1 (n) S 1 n1 n1
0≤S≤1
若转子转速 n与同步转速 nFra Baidu bibliotek相同，即
n =n1则不会有切割磁力线效果，也就不会在转子中产生感
生电动势及电流，转子便不能转动，因此异步电机工作的 必要条件是n <n1。 由于达不到同步转速，因而称为异步电机，也称为感应电 机。 2、转差率S 定义为：
n n1 n S .......... .......... .( 4 1) n1 n1
电动情况下： 0<n<n1;
发电情况下： n>n1;
制动情况下： n<0;
-∞<S<0
S>1
4.1.3 电机的铭牌和主要系列
1.铭牌：标有电机的主要技术参数
型号：Y—表示异步电机 YR—表示绕线转子异步电机 Y180L—8 异步电动机，中心高180mm，长机座 8极 （同步转速750rpm）
2.额定值
' I2 ' E2 ' ( R2 / s ) 2 X '22
.......... ...... 5 2 .......... 5 3
cos 2
R /s
' ( R2 / s ) 2 X '22
' 2
E2’：折算到定子上的转子电动势
R2’：折算到定子上的转子每相电阻
Xδ2’：折算到定子上的转子漏抗
①额定电压：UN正常工作状态下电机定子绕组上的线电压 值V,KV
②额定电流:IN额定状态下运行时的线电流A，kA
③额定功率：PN额定状态下，转子轴上输出的机械功率kW，
W 对于三相交流电机：
PN 3U N I N N cos N 10 kW
3
ηN—额定效率
cosφN—电机额定功率因数 当ηN cosφN=0.8时： IN≈2PN 即我们通常所说的一个千瓦两个电流。
电机才能起动。
Tst K st TN
4.2.3 稳定运行范围
对于恒转矩负载，可以判定可以平衡稳定地工作与A点，而在
B点则可以平衡，但不稳定。 固对恒转矩负载a b段为稳定运行区，b c段为非稳定运行区。 对于风机类负载则可以在C点平衡稳定运行，故而风机类负载 可以在整条曲线上平衡稳定运行。
4.2.4 固有机械特性和人为机械特性
由此，忽略R1时U1/f1为常数时，Tm也为常数。f1较低时R1造
成的误差不可忽略，此时会造成Tm减小。
② 工作频率从额定频率向上调
由于定子电压不能超过额定值，即U1=UN1，故随着f1增加
Φm会减小。亦即： f1 Φm
由
U N1 2 3p Tm 2 ( ) ' 8 ( L 1 L 2 ) f1
④额定频率：fN—Hz
⑤额定转速：nN—rpm
2级电机： 4级电机： 6级电机： 8级电机： 同步转速 3000rpm 同步转速 1500rpm 同步转速 1000rpm 同步转速 750rpm
60 f1 n1 p
P—极对数（即极数/2）
3、接线 分为△和Y形两种接法，若标定为220/380V △/Y则表示 220 V时为△接法，380V时为Y形接法。
E1 U1 .......... .5 14 变形： m 4.44 f1 N1k w1 4.44 f1 N1k w1
因此：f1 Φm
Φm增加，导致磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数降低， 铁心损耗增加，所以电机发热增加。 避免的方法：降低电源电压。
' R2 60 f1 nm n1 nm sm n1 ' X1 X 2 p