电机拖动控制(机电传动控制)交流电机

将S=1代入式（5.27），可得
Tst
K
R2U 2
R22
X
2 20
（5.30）
（4）T=Tmax，n=nm（S=Sm），为电动机的临 界工作点。欲求转矩的最大值，可由式（5.27）
令dT/dS=0，而得临界转差率
Sm R2 / X 20
（5.31）
再将Sm代入式（5.27），U即2 可得 Tmax K 2X 20
i iA
T/6
0
iB T/2
iC
T t
T/6
T/6
T/6
图5.8 三相电流的波形图
(a) t 0
(b) t T 6
(c) t T 3 (d)
图5.11 两级旋转磁场逆时针旋转
t T 2
A相绕组内的电流，导前于B相绕组内的电流 2π/3，而B相绕组内的电流有导前于C相绕组 内的电流2π/3，同时图5.9中所示旋转磁场的 旋转方向也是从A-B-C，即向顺时针方向旋转。 所以，旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序 一致。
1、固有机械特性
nS n0 0 nN SN nm Sm
0
1
TN Tst Tmax
T
图5.23 异步电动机的固有机械特性
异步电动机在额定电压和额定频率下， 用规定的接线方式，定子和转子电路中 不串联任何电阻或电抗式的机械特性称 为固有（自然）机械特性。
从特性曲线上可以看出，其上有四 个特殊点可以决定特性曲线的基本形状 和异步电动机的运行性能，这四个特殊 点是：
得，任何两相以上的多相电流，流过 相应的多相绕组，都能产生旋转磁场。
5.1.4 定子绕组线端连接方式
定子三相绕组的接线方式（Y形或△形） 的选择，和普通三相负载一样，须视电源的 线电压而定。
如果电动机所接入之电源的线电压等于电 动机的额定相电压（即每相绕组的额定电 压），那么，它的绕组应该接成三角形；如 果电源的线电压是电动机额定相电压的倍， 那么，它的绕组就应该接成星形。
U1 V1 W1 W2 U2 V2
A BC X YZ
图5.16 三角形连接
星形
三角形
图5.17 电动机定子绕组的连接
从电源输送到定子电路的电功率
P1 3U1I1 cos1
输入功率与输出功率的比值，称为电动机的效
率，即
P2 P1 VP
P1
P1
（5.23）
若将和忽略不计，则
P2 T2 Pe T
图5.29 鼠笼式异步电动机 的直接启动
2、电阻或电抗器降压启动
KM
1KM Rst
M 3
图5.30 定子串电阻或 电抗的降压启动
3、Y-△降压启动
KM
A
B
C
2KM
X
Y
Z
1KM 1KM
图5.31 Y—△降压启动
4、自耦变压器降压启动
KM
M 3
1KM I1
T N1 N2
U1 U2 I2
2KM
(b)
路的功率因数 cos有2 关。
T Kt I2 cos2
（5.25）
式中，Kt ——仅与电动机结构有关的常数。
将式（5.14）代入式（5.21）得
I2
S(4.44 f1N2)
R22 (SX 20 )2
（5.26）
(a) cos2 1
(b) cos2 0
图5.22 cos2 对T 的影响
(c) cos2 < 1
要改变旋转磁场的旋转方向（亦即改变电动机 的旋转方向）时，只要把定子绕租接到电源的 三根导线中的任意两根对调即可。
3、旋转磁场的极数与旋转速度
图5.12 产生四级旋转磁场的定子绕组
(a) t 0
(b) t T 6
(c) t T 3 (d)
图5.13 四级旋转磁场逆时针旋转
t T 2
具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。从 上述分析可以得出，电流变化经过一个周期 （变化3600电角度），旋转磁场在空间也旋转 了一转（转了3600机械角度），若电流的频率 为f，旋转磁场每分钟将旋转60f转，以n0表之， 即：
（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操 作方便。
（5）启动过程中的功率损耗越小越好。
其中，（1）和（2）两条是衡量电动机 启动性能的主要技术指标。
n n0
0 Tst
图5.28 异步电动机的固有 启动特性
Ist I,T
5.4.1 鼠笼式异步电动机的启动方法 1、直接启动（全压启动）
QG
FU
KM
M 3
Tmax T
图5.24 改变电源电压是的 人为特性
1）降低电动机电源电压时的人为机械特性
2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性
nS n0 0
2
UN
nm Sm
1
1S
或X
降U
R
1S
串
0
1
T
图5.25 定子电路外接电阻火 电抗是的人为特性
3）改变定子电源频率时的人为特性
n n0
S 0
a
nm Sm
f
b
c
式中，T——电动机的电磁转矩； T2——电动机轴上的输出转矩，且
T2
P2
9.55 P2 n
（5.24）
5.3 三相异步电动机的转矩与 机械特性
5.3.1 三相异步电动机的转矩
三相异步电动机的转矩式由旋转磁场的每
极磁通φ与转子 I2相互作用而产生的，它与
φ和 的I乘2 积成正比，此外，它还与转子电
2.性能与应用： 三相异步电动机： 结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较 好的稳态和动态特性。作为生产中的动力，广泛使用。
同步电动机： 具有绝对硬的机械特性，应用在转速稳定性要求非常高
的场合，可做发电机用，也可做电动机用。
5.1 三相异步电动机的结构和 工作原理
5.1.1 三相异步电动机的基本结构
n0 =60f
当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速
度仅为一对磁场时的一半，即每分钟60f/2转。
依此类推，当有p对磁极时，其转速为
（5.5）
n0 60 f / p
旋转磁场的旋转速度（即同步转速） n0与电流的频率成正比而与磁极对数 成反比。标准工业频率（即电流频率） 为50Hz。
旋转磁场不仅可以由三相电流来获
通常电动机的铭牌上标有符号Y/△和数字 380/220，前者表示定子绕组的接法，后者 表示对应于不同接法应加的线电压值。
U1
V1
W1
W2
U2
V2
X
Y
Z
A
Bຫໍສະໝຸດ Baidu
C
图5.14 出线端的排列
L1 L2 L3
L1 L2 L3
L1 L2 L3
L1 L2 L3
U1 V1 W1 W2 U2 V2
AB C XYZ
图5.15 星形连接
5.3.2 三相异步电动机的机械特性
T-S曲线：式（5.27）所表示的电磁转矩T和 转差率S的关系T=f(S)。
在异步电动机中，转速n=(1-S)n0，为了符合 习惯画法，可将T-S曲线转换成转速与转矩之间 的关系n-T曲线，即n=f(T)称为异步电动机的机 械特性。它有固有机械特性和人为机械特性之 分。
转子与旋转磁场之间的转差率是保证转子旋转的主要因素。
定子绕组的 三相交流电
旋转磁场n0 转子感应电流
转差率s
转子转速n
（a）定子绕组与电源的连接 图5.6 三相异步电动机
（b）工作原理
转差率：由于转子转速不等于同步转速，所以
把这种电动机称为异步电动机，而把转速差
(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的
iA I m sin t
iB
Im
sin(t
2
3
)
iC
Im
sin(t
4
3
)
（5.2）
（5.3） （5.4）
➢当三相电流随时间不断变化时，合成磁场的方向在空间也 不断旋转，这样就产生了旋转磁场。
2.旋转磁场的旋转方向： A
iA A
X
Z
Y
C B
A
iB B
iC C
iA A
X
Z
Y
C
B
iB
B
iC
C 图5.10 将B、C两根线对调改变绕组中的电流相序
第五章 交流电动机的工作 原理及特性
5.1 三相异步电动机的结构和工作原理 5.2 三相异步电动机的机械特性 5.3 三相异步电动机的启动特性 5.4 三相异步电动机的调速特性 5.5 三相异步电动机的制动特性 5.6 单相异步电动机
第五章 交流电动机的工作原理 及特性
概述 1. 分类：
交流电动机： 三相异步电动机（或称感应电动机） 同步电动机
采用电动机拖动生产机械，对电动 机启动的主要要求如下： （1）有足够大的启动转矩，保证生产机 械能正常启动。一般场合下希望启动 越快越好，以提高生产效率。电动机 的启动转矩要大于负载转矩，否则电 动机不能启动。 （2）在满足启动转矩要求的前提下，启 动电流越小越好。
（3）要求启动平滑，即要求启动时平滑加强， 以减少对生产机械的冲击。
转差率，用S表示。
在这种电动机中，S转 子n0n电0 n流的产生和（电5能.1）的传
递是基于电磁感应现象，所以异步电动机又称
为感应电动机。
5.1.3 三相异步电动机的旋转磁场
1、旋转磁场的形成
当电动机定子绕组通以三相电流时， 各相绕组中的电流都将产生自己的磁场。 由于电流随时间变化，它们产生的磁场也 将随时间变化，而三相电流产生的总磁场 （合成磁场）不随时间变化，而且是在空 间旋转，故称为旋转磁场。
2.转子 组成：
1）铁心—也是电动机磁路的一部分，转子铁 心、气隙与定子铁心构成电动机的完整磁路。 2）绕组—多采用鼠笼式，它是在转子铁心槽 里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端 环上而组成
转子外形
鼠笼式绕组
图5.3 鼠笼式转子
转子铁心 图5.3 铝铸的鼠笼式转子
异步电动机的转子绕组除了鼠笼式外 还有绕线式，绕线式由线圈组成绕组放入 转子铁心糟里，转子绕组一般是联接成星 形的三相绕组，转子绕组组成的磁极数与 定子相同，线绕式转子通过轴上的滑环和 电刷在转子回路中介入外加电阻，用以改 善启动性能与调节转速。
（5.32）
过载能力系数：电动机在固有机械特性上最 大电磁转矩与额定转矩之比
m Tmax / TN
（5.33）
转矩—转差率特性的实用表达式（规范化转
矩—转差率特性）：
T
2Tmax
S /(
Sm
Sm S
)
（5.34）
2、人为机械特性
nS n0
nm Sm
0.5UN 0.8UN UN
c
b
a
0 1 Tc Tb
（1）T=0，n=n0（S=0），电动机处于理
想空载工作点，此时电动机的转速为理 想空载转速n0。
（2）T=TN，n=nN（S=SN），为电动机
额定工作点。此时额定转矩和额定转差
率为
TN
9.55 PN nN
（5.28）
SN
n0 nN n0
（5.29）
（3）T=Tst，n=0（S=1），为电动机的启动 工作点。
iA
A A
X Y
Z
C
iB B
B
（a）嵌放情况 图5.7 定子三相绕组
iC C
（b）星形连接图
➢三相电流的瞬时值可表示为（相序为A-B-C）：
i
iA
iB
iC
T/6
0
T/2
T t
T/6
T/6
T/6
图5.8 三相电流的波形图
(a) t 0
(b) t T 6
(c) t T 3
(d) t T 2
图5.9 两级旋转磁场顺时针转向
图5.1 三相异步电动机的结构
定子铁芯钢片 定子线圈 转子铁芯钢片 转子线圈
图5.2 定子与转子的钢片
1.定子 组成：
1）铁心—是电动机磁路的一部分，由0.5mm的硅 刚片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流 损耗；
2）绕组—电动机的电路部分，由许多线圈连接而 成；
3）机座—用于固定和支撑定子铁心。 4）端盖
再将式（5.26）和式（5.22）代入式（5.25），并考虑到式 （5.6）和式（5.10），则得出转矩的另一个表示式
T
K
SR2U12 R22 (SX 20 )2
K
SR2U 2 R22 (SX 20 )2
（5.27）
式中，K——与电动机结构参数、电源频率有关的 一个常数；
U1，U——定子绕组相电压，电源相电压； R2——转子每相绕组的电阻； X20——电动机不动（n=0）时转子每相绕组 的感抗。
f1
0
1 Tst
TL
f2
Tmax
T
图5.27 改变定子电源频率时的 人为特性
4）转子电路串联电阻时的人为特性
M 3
R2
R2r
nS n0 0
nm Sm
Smτ
0 1
R2 R2 +R2r
Tmax
T
(b)
（a)
图5.27 绕线式异步电动机转子电路串电阻 （a)原理接线图 (b)机械特性
5.4 三相异步电动机的启动特性
转子绕组
滑环
转轴
变
电刷
阻
器
图5.5 绕线式转子绕组与外加变阻器的连接
总结：
定子 铁心
定子
定子 绕组
机座
三相异步 电动机
端盖 转轴
转子
转子 铁心
转子 绕组
笼型转 绕线型 子绕组 转子绕组
5.1.2 三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机是基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电 流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流） 的相互作用使转子旋转。
(a)
图5.32 自耦变压器的降压启动 (a)原理接线图 (b)一相电路
5、延边三角形启动
1
6
1
.
2
UL
6
.
2
UL
5
3
7
8
5 9
3
7
8
4 9
4
(a)
(b)
图5.33 延边三角形启动时定子绕组的连接
(a)启动时的连接 (b)运行时的连接
5.4.2 绕线式异步电动机的启动方法 1、逐级切除启动电阻法