电机原理及拖动

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1、电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动茂名学院自动化系茂名学院自动化系 叶叶伟伟2021/6/41电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动本课程的性质、任务及学习方法1、性质：在工业电气自动化专业中，电机原理及拖动是一门十分重要的专业基础课或称技术基础课。2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还要有一定深度的了解。3、学习方法：要注意它既有基础理论的学习，又有结合工程实际综合应用的性质。要逐渐地培养学员的工程观点，掌握工程问题的处理方法。2

2、021/6/42电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动目 录vv第一章 直流电机原理vv第二章 电力拖动系统的动力学基础vv第三章 直流电动机的电力拖动vv第四章 变压器vv第五章 三相异步电动机原理vv第六章 三相异步电动机的电力拖动vv第七章 同步电动机vv第八章 控制电机vv第九章 电力拖动系统中电动机的选择2021/6/43电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第一章 直流电机原理 1.1 直流电机的用途、结构及工作原理一、直流电机的用途 1.直流电动机的用途:在工业生产中,利用电动机的轴上转矩拖动生产机械,对产品进行加工. 2.直流发电机的用途:作

3、为电源设备二、直流电机的结构 1.静止部分 (1)主磁极:由极身和极掌组成,固定在磁轭 (机座)上.在磁极上套入激磁绕 组(线圈).主磁极总是偶数,且N 极和S极相间出现.极掌对激磁 绕组起支撑作用,且使磁通在气 隙中有较好的分布波形.极掌线圈极身磁轭2021/6/44电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(2)换向极:它位于相邻两主磁极之间,构造与主磁极相似,其 作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花.(3)机座:一般把厚钢板弯成圆筒形,然后再焊成机座,也可采 用铸钢件.其作用一方面是作为各磁极间的磁路,故 又称为磁轭,另一方面机座作为电机的机械支架,主 磁极和换向极就

4、固定在磁轭上.(4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以 保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可 以自由旋转.(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向. 2021/6/45电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.转动部分 (1)电枢铁心:电枢铁心由0.5毫米厚且冲有齿和槽的硅钢 片迭成.铁心钢片沿轴向迭装,以降低电枢铁 心在磁场中旋转时所产生的磁滞和涡流损 耗,从而提高电机的效率.电枢铁心一

5、方面作 为电机磁路的一部分,另一方面便于将电枢 绕组安装在电枢铁心的槽内,起着固定电枢 绕组的作用. (2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.2021/6/46电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(3)换向器:其作用是使电枢绕组的绕组元件中的电流 进行 方向的交换,起着电流换向作用.电枢绕组元件 的引线就焊在换向片上.3.气隙 在极掌和电枢之间有一空气隙.气隙是电机的重要 组成部分,它的大小和形状对电机 性能有很大的影响.4

6、.其他部分 (1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承. (2).通风装置:作用是冷却电机.2021/6/47电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、直流电机的基本工作原理 1.直流发电机的基本工作原理 为了说明方便,作下列规定: (1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的 导体称为S导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用 表示. N b2 b1 Sabn Sban b2 b1

7、 N2021/6/48电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动基本原理: 由于导体切割了磁力线,因而在导体内将产生感应电动势.根据右手定则,N导体中电势方向为 ;而S导体中电势方向为 ;即二者方向相反. N导体和S导体在交换(a和b位置),但是,b 1和b2极性是恒定的,即b1恒为正,b2恒为负,故在电刷两端输出脉动的直流电压.综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负. et02021/6/49电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 2.直流电动机

8、的基本工作原理 Sabn SabnNa、b导体中电流方向如左所示，由左手定则可知S导体和N导体受力均为逆时针方向,因而使电枢逆时针方向旋转.通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。2021/6/410电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1.2 直流电机的空载磁场 发电机:由主磁极产生的气隙磁通与电枢绕组切割而产 生电势. 电动机:电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩. 分析电机磁场是分析电机运行状态的必要步骤. 空载磁场:电枢无电流时的磁场.它是电机中最基本

9、的磁场.一、电机的磁化曲线 主磁通(通过气隙进入电枢)激磁磁势所产生的磁通 漏磁通(不经过电枢) 漏磁通不能在电枢中产生电势也不产生电磁转矩,但它存在却增加了磁极和磁轭的饱和程度.主磁通是实现机电能量转换所必需的.2021/6/411电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动主磁通所经磁路:两个气隙、两个电枢齿、一个电枢轭、两个主磁极铁心和一个 主磁极轭等五段。由磁路中的欧姆定律： wf If = Rm wf 一个主磁极上激磁绕组的匝数； If 激磁绕组中的激磁电流； Rm 该段的磁组； 磁通量 1说明:当I较小时磁路的磁阻为气隙 磁阻且为常数,故If与是线性的 If较大时铁心饱

10、和,磁阻加大增 加变慢If与为非线性关系. 电机的饱和程度对电机的性能有很 大的影响. If022021/6/412电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布气隙磁密的概念： 是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁通。因而气隙磁密实际上是指电枢表面的磁通密度。 气隙磁密=主磁极作用产生部分+电枢磁势作用部分主磁极磁势单独作用（电枢电流为零时）： 气隙在极掌下大致是均匀的。但在极尖以外时，主磁通所经气隙加大，磁密减小，并在两主磁极中间的几何中线上下降为零。B2021/6/413电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1.

11、3 直流电机的电枢绕组一、概述 电机的电枢绕组是电机的主要组成部件。 电机必须通过电枢绕组与气隙磁场相互作用才能实现 能量转换。 绕组类型：（1）单迭绕组；（2）复迭绕组；（3）单 波绕组；（4）复波绕组；（5）混合绕组。 其中，单迭和单波绕组是最基本的直流电枢绕组，是了解其他绕组的基础。二、单迭绕组 1 有关技术名词 （1）极轴线：它是将主磁极平分为左右两部分的直线。 2021/6/414电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（2）极距：它是相邻两主磁极极轴线之间的距离，在相邻主磁极之间，与上述距离大小相等的距离，也叫极距。 （3）几何中线：是在相邻两 极轴线之间并且与这两

12、极轴线等距离的直线，两相邻主磁极以几何中线为轴作位置上的对称分布。以nn表示。NnN 极轴线NS.nNS极距2021/6/415电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.单迭绕组元件 单迭绕组由迭绕组元件按一定规律排列联接而成.绕组元件实际上是一个线圈,可以是多匝,也可以的单匝的. 绕组元件结构原理: a1b1及a2b2部分称为元件边, 用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2 将元件边联结起来,使两元件 边中电势在元件中迭加. 端线c1d1及c2d2 称为引线,d1为 元件的首端,d2为末端.元件 的首端和末端分别焊接在 不同的换向上. a1b1称为第一元件边,右边a2b2称为

13、第二元件边.mnd2a1b1a2b2c1d1VNS2021/6/416电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1416151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 N1N2S1S2A1A2B1B2_+_+ +n3.单迭绕组展开图2021/6/417电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数

14、均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表

15、示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

16、15 16 1图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向

17、片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元

18、件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 号

19、码上打“.”的,表示被电刷短路的元件 .当元件的两元件边的距离恰是一个极距时,由于电刷放在极轴线处的换向片上,故被电刷短接的元件的两个元件边正处在两相邻 几何中线上. . . . . .2021/6/418电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动4.绕组电路分析: 元件2、3、4电势方向相同组成一个支路，元件6、7、8电势方向相同组成一个支路，但方向与2、3、4组成支路电势相反。 元件10、11、12与2、3、4支路电势方向相同故将电刷A1、A2接在一起；14、15、16与6、7、8支路电势方向相同故将B1、B2接在一起，引出正、负两个电极。 并联支路图: 每个主磁极下的元件串

20、联成一条支路,共有四条并联支路a=b=p ,输出电流Ia=2aia ,a为并联支路数、ia为去路电流；p为主磁极对数；b为电刷对数。 A2+ +_2 3 48 7 610 11 1216 15 1419513A1B1B2_A2+ +_2 3 48 7 610 11 1216 15 1419513A1B1B2_2021/6/419电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1.4 直流电机的电枢反应 电枢反应:电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响。 电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，它还受 电刷位置的影响。 一、电枢磁动势与电枢磁场 二极直流电机电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布

21、图。 几点说明： 1.因电刷接触的换向片与几何中性线处的导体相连,故把电刷画在几何中姓线处的导体上. 2.绕组只画一层,都在电枢表面上. 3.电流方向以电刷为分界线. 4.电枢磁场以电刷为极轴线,电刷 处磁势最强,主磁极的极轴线处 电枢磁势为零.电枢磁势与主磁极 磁势正交,称交轴电枢磁势 .NSNS2021/6/420电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 把电枢圆周从电刷处切开展成直线并以主磁极轴线与电枢表面的交点为空间坐标的起点,这点的电枢磁动势为零.电枢磁动势沿空间的分布:电枢线负荷- 电枢圆周表面单位 长度上的安培导体数. A= 应用全电流定律,有Hl=2Ax 认为总

22、磁势全部降在两段气隙上 2Fax=2Ax 即 Fax=Ax磁密 Bax=0Hax=0Fax /N ia DnNSFax0x xx xxnxBax2021/6/421电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、电刷位于几何中性线上时的电枢反应 此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这电枢反应为交轴电枢反应。 电机合成磁场Bx= B0x+Bax正方向规定：磁力线进入转子 为负,出来为正. 所以,主磁极磁通密度在N极下为负,在S极下为正.可知:磁场波形发生了畸变. (1)发电机:前极尖增磁,后极尖去磁. (2)电动机:前极尖去磁,后极尖增磁. 如不考虑磁路饱和,则增去磁量相等总磁

23、通量不变. NSnnn几何中线发电机nnn电动机二、电刷位于几何中性线上时的电枢反应 此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这电枢反应为交轴电枢反应。 电机合成磁场Bx= B0x+Bax正方向规定：磁力线进入转子 为负,出来为正. 所以,主磁极磁通密度在N极下为负,在S极下为正.可知:磁场波形发生了畸变. (1)发电机:前极尖增磁,后极尖去磁. (2)电动机:前极尖去磁,后极尖增磁. 如不考虑磁路饱和,则增去磁量相等总磁通量不变. (3)物理中线移到m-mmm物理中线B0xBaxBx2021/6/422电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 当磁路饱和时因磁势和磁通密度之

24、间不再成线性关系在磁场相加的区域磁密下降.所以交轴电枢反应总有一些去磁作用.三、电机上偏离几何中性线时的电枢反应 电枢磁势分为两部分：交轴磁势和顺轴磁势。 Fa = Faq + Fad 当发电机顺旋转方向移动电刷或电动机逆移时顺轴电势Fad去磁，反之顺轴电势助磁。 右图为发电机电刷顺移或电动机电刷逆移后的电枢反应。Fa FadFaqNSACBDnfnd 2021/6/423电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1.5 直流电机的电枢电动势与电磁转矩一、直流电机的电枢电动势 电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电

25、动势产生的刷间电动势 。 刷间电动势等于其中一条支路的电动势。 推导过程: 设绕组为整距元件,电刷在几何中线在. 如电枢绕组总导体数为N, 并联电路数为2a 则绕组每条支路的导体数为N/(2a).如每根导体的平均电动势eav,则支路电动势即刷间电动势, N 一根导体的平均电动势为 eav =BavlV Bav-为一个极下的平均磁密, Bav =2aeavEa = l 2021/6/424电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动导体切割磁场的速度v用每分钟转速表示有V=2pn/60 所以, eav= 2p =2p Ea =(N/2a) 2pn/60 =(pN/60a) n =Ce

26、 n 这是一个十分重要的公式 ,式中Ce = pN/(60a)为电动势常数,是一个决定于电机结构的参数. 电枢电动势与每极磁通成正比,与转速正比. B-wb(韦伯) n- r/min (每分钟.转) Ea- V(伏特)n 60n602021/6/425电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、直流电机的电磁转矩电磁转矩：电枢导体在磁场中受力所形成的总转矩。先求每根导体平均受力 fav =Bavia - 导体有效长度 ia- 导体电流每根导体平均转矩为 Tav = Bavia D- 电枢直径电枢总转矩为 T= N = =CTIaIa为电枢电流 ia=Ia/(2a) 单位为A(安

27、培);CT=pN /(2a) 是与电机结构有关的常数,称为转矩常数.单位 N m ,CT =9.55CeD22P2 Ia2a2 apNIa2021/6/426电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1.6 直流发电机一、直流发电机的分类1.他励直流发电机:励磁电流由另外的 独立直流电源供给.2.自励直流发电机:它用自已发出的电 给自已的励磁绕组励磁. (1) 并励发电机：它的励磁绕组跨接在电枢两端,与电枢并联. (2) 串励发电机励磁绕组与电枢串联,励磁电流 就是电枢电流. (3) 复励发电机:既有并励绕组又有串励绕组. 励磁消耗的功率一般只占直流发电机额定功率的1%3%GIa

28、UEa IfUfGGGUGUIaIfIfI它激 并激 串激2021/6/427电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、直流发电机的基本方程式三大平衡方程式：电压平衡、转矩平衡、功率平衡。三大平衡方程式：电压平衡、转矩平衡、功率平衡。（一）电压平衡方程式 U =Ea IaRa U- 电枢电压 Ra- 电枢回路总电阻 (二) 转矩平衡方程式 Ia方向和Ea一致. 当发电机稳定运行时 T1 =T + T0 T1为原动机拖动转矩. T为发电机电磁转矩. T0 为空载转矩.】T1nTT0NS2021/6/428电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(三) 功率平衡方

29、程式 P1 =PM + p0 P1为原动机从轴上送入直流发电机的机械功率.PM 为电磁功率.P0 空载损耗功率. P0 =pm + pFe +ps pm:机械摩擦损耗 pFe :铁损耗 ps:附加损耗电磁功率多数转为电功率P2 因PM =T =CTIa = =2021/6/429电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 P2= PM pCu 即电枢输出功率P2为电磁功率PM 减去电 枢回路的电阻铜损耗pCu 由电压平衡方程 U =Ea IaRa 得 UIa =EaIaI2aRa即 综合后得 P1 =P2 + pCu + pm + pFe +ps = P2 +p直流发电机功率流程

30、图 pm + pFe +ps 注:没有把励磁功率计算 pCu= I2aRa 在P1之内. P2= PM pCu P2 =UIa P1 PM= EaIa2021/6/430电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、他励直流发电机特性研究条件：保持转速n不变且等于额定转速nN.三个物理量：电枢电压U、电枢电流Ia、励磁电流If (一）空载特性U=f(If) n=c .Ia=0 因 Ea=Cen, Ce和n为常数，所以 Ea与成正比。即U=f(If)曲线与磁化曲线=f (If )形状相同。 UIfUNIfNc发电机的额定电压工作点一般选在开始饱和的弯曲处C点，当If=0时，U0，这

31、是剩磁所致称为剩磁电压Us=2% 4% UN2021/6/431电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二）外特性 U = f ( Ia ) n =c =nN常数 If =常数 调励磁If和负载Ia 。使U =UN，电机工作在额定状态 调Ia测U得外特性 U = f ( Ia ) 曲线 是一条略微向下倾斜的曲线 U=Ea IaRa U Ia IaRa U国家标准规定：用发电机由额定 状态过渡到空载时的电压升高 对额定电压的比率表示电压变化率U % = U % = 5% 10% 常数。Ea (电枢反应去磁）UIaUNIN0U02021/6/432电机原理及拖动电机原理及拖动电机

32、原理及拖动电机原理及拖动四、并励直流发电机（一）并励直流发电机的自励条件 （1）发电机必须有剩磁，如果无剩磁，必须用另外的直流电源充磁。 （2）励磁绕组并联到电枢两端，线端的接法应与旋转方向配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致。 （3）励磁回路的总电阻 必须小于临界电阻。 在建立正常电枢电压的过程中，励磁电流 If一直在上升 励磁回路电压平衡方程为： 励磁回路场阻线空载特性IfUAUo=2021/6/433电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动在A点之前Uo - Rf if0 if 当达到A点时，U0=RfIf, Lf dif/dt=0, If不再变化，电压稳

33、定在A点，发电机能建立起正常电压。（二）外特性 n=常数 、励磁回路总电阻不变时 U =f (I )关系曲线。并励比它励电机外特性下降得快原因有三：（1）电阻压降 （2）电枢反应去磁 （3）U If 磁路退饱 和，导致励磁电流下降电压降低，使负载电流不再增加反而减小。并励它励UI2021/6/434电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动1.7 直流电动机一、直流电机的可逆原理一、直流电机的可逆原理 一台直流电机，在满足一定条件下它可以作发电机运行，也可以作为电动机运行。称为可逆性原理。过程分析：发电机状态到电动机状态的过渡。假设开始时发电机向直流电网供电，电网电压U恒定不变。

34、各量方向如图所示。 发电机中电流与电势方向一致，电机的电磁转矩T为顺时针方向。与原动机拖动转矩T1方向相反。 U 稳定运行时稳定运行时 T1 = T+T0 电动势电动势 Ea U 电流顺电动势方向流向电网。电流顺电动势方向流向电网。能量关系：能量关系：T1 EaIa Uia 机械功率机械功率 电功率电功率 输出电功率输出电功率T1【eiIaEaNSnT T02021/6/435电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动当撤掉原动机后 n Ea Ia T稳定运行时稳定运行时 T= T0 +Tm反电势反电势 Ea EaIa变向T变逆时针电机运行在电动状态【NSEaIaTnT0Tmei

35、U2021/6/436电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、直流电动机基本方程式二、直流电动机基本方程式 (一) 电压平衡方程式 U = Ea + IaRa Ea- 反电动势 Ia- 电枢回路电流 Ra-电枢回路电阻 (二) 转矩平衡方程式当电机稳定运行时 T = T0 + T2 T- 电磁转矩, 或 T= T0 + Tm T0 - 空载转矩 Tm- 负载转矩 当T2 = Tm 时转速稳定 T2- 输出转矩 (三) 功率平衡方程式 P1 = Pm + pcu UIa =EaIa + I2aRa2021/6/437电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 电

36、机从电网吸收的电功率 P1 =UIa 减去电枢绕组铜损Pcu=I2aRa 余下的为电枢的电磁功率PM =EaIa. 而 PM =EaIa = T=T0 +T2 =p0 + P2 所以 P1= Pcu + p0 + P2功率流程图:PM =EaIa = TP1 =UIaP2=T2 P0=pm+pFe+psPcu=I2aRaPf (励磁功率)2021/6/438电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、他励直流电动机特性三、他励直流电动机特性目的：为正确使用电动机。几种靜特性：（1）转速特性 ；（2）转矩特性 ； （3）效率特性 ；（4）机械特性 从使用电动机的角度，机械特性是电

37、动机最重要的一种特性从使用电动机的角度，机械特性是电动机最重要的一种特性（一）转速特性 U=UN If=IfN 电枢无外串电阻即R=Ra 因 Ea=UN-IaRa=Cen所以 2021/6/439电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动Ia=0时 n=n0 为理想空载转速;n=Ia=IaRa/Ce 为转速降.所以,机械特性为略微向下倾斜的一条直线机械特性为略微向下倾斜的一条直线.(三) 效率特性 （二）转矩特性T=CTIa 为一过原点直线当U=UN、If=IfN、电枢无外串电阻，即R=Ra时效率特性=f(Ia)= 令d/dIa =0可求得效率最高条件当电动机中不变损耗等于可变损

38、耗当电动机中不变损耗等于可变损耗时，效率最高。且通常出现在时，效率最高。且通常出现在 Ia=75% 100% 区域内。区域内。 nn0Ia0IaN、T2021/6/440电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（四）机械特性 U=常数、常数、If =常数、常数、R =Ra +Rc =常数时常数时,n=f (T)变化关系变化关系.当当U=UN、If= IN、Ra=0时，称时，称n=f (T)为自然机械特性。为自然机械特性。否则，称为人造机械特性。否则，称为人造机械特性。由直流电动机电压平衡方程可知： U=Ea+Ia( Ra + Rc) Ea =Cen T =CT ia联解得： 人

39、造特性。 自然特性。 n=nn0TTanN02021/6/441电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性上的两个特殊点: (1) 理想空载点 T=0,n=n0 ; (2) 额定工作点 T =TN, n =nN . 电动机工作在额定状态时,转速降为一般根据额定时的数据 (UN、IN、nN 、Ra) ,求出 CeN 和CT N，进而对工作点进行计算。 2021/6/442电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动四、串励直流电动机及复励直流电动机 串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流，它随负载串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流，它随负载的变化而变化。复励电动

40、机是并励直流电动机和串励直的变化而变化。复励电动机是并励直流电动机和串励直流电动机的结合，它兼有两者的特点。流电动机的结合，它兼有两者的特点。（一）串励直流电动机的转矩特性n= f (Ia)经变换得 一条非线性曲线分磁化曲线的不饱和和饱和两部分讨论：（1）Ia较小、磁路不饱和磁通与电流成正比， R0 为电枢回路总电阻2021/6/443电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动将=K1Ia代入后得 为一条双曲线 当电动机空载、电流很小时，可能引起“飞车”事故，所以串励直流电动机不允许空载运行，也不允许用皮带传动。（2）当Ia较大、磁路饱和时： =K2 为一常数，这时为一条稍有下降

41、的直线，但转速降比他励直流电动机稍大 。如特性1 nIao122021/6/444电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）串励直流电动机的转矩特性 T =f (Ia)由转矩公式 T =CTIa , 及磁化曲线 = f (Ia)- 非线性（1）Ia较小、磁路不饱和时 = K1 Ia 与Ia成正比， T = CT K1Ia2 -抛物线 （2）Ia很大、磁路饱和时 =K2 为一常数与Ia无关， T =CTK2Ia - 为一直线特性如曲线2所示。 串励直流电动机适用于起动比较困难，且不空载的生串励直流电动机适用于起动比较困难，且不空载的生产机械。如电力机车。产机械。如电力机车。（

42、三）串励直流电动机的机械特性 n=f(T) 一般表达式 不饱和时饱和时2021/6/445电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性曲线如右图1所示。特点：（1）轻载时特性软，重载时为一条略微下倾的直线。 （2）轻载时转速很高，曲线与纵坐标轴无交点。串励电动机不允许空载运行。（四）复励直流电动机的机械特性 复励：既有并励绕组又有串励绕组。 复励电动机兼有并励和串励两种电动机的优点。 串励绕组使起动转矩增加，并励绕组使复励电动机可以轻载运行和空载运行。不存在“飞车”的问题。机械特性介于并励和串励之间。如图2所示。图1nnNTNTnnNTNT图22021/6/446电机原理及

43、拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第八节 直流电机换向简介换向：直流电机在运行过程中，旋转的电枢绕组中一些直流电机在运行过程中，旋转的电枢绕组中一些 元元 件从一条支路经过电刷进入另一条支路，在这件从一条支路经过电刷进入另一条支路，在这 一过程中，元件电流改变方向，这一过程称为换向。一过程中，元件电流改变方向，这一过程称为换向。 换向的过程正是元件被电刷短路的过程，元件短路过程结束就是换向结束，这时元件完全进入另一条支路。一、换向过程ia1 22iaiaiava 1 2 3va 1 2 32ia1 2iaiava 1 2 32ia1 22021/6/447电机原理及拖动电机原理及拖

44、动电机原理及拖动电机原理及拖动分三个阶段:(1)开始,电刷与1号换向片完全接触,元件1和元 件2属右面支路,电流为+ia. (2)电刷同时与换向片1和2接触,元件1被电刷短 路,元件1中的电流在从+ia向-ia变化. (3)电刷完全与换向片1脱离,完全与换向片2接 触,元件1完全进入左支路,电流为-ia.1622ia116121212ia1212ia21612ia22021/6/448电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、直线换向、延迟换向与超越换向（一）直线换向 直线换向是一种最基本的换向过程，换向元件中的电流按直线规律变化。条件：换向元件中无电势，且只考虑电刷接触电阻

45、。特点：（1）在换向过程中，电刷下不会产生火花。因为 换向元件中的电流由+ia连续 变化至-ia，没有换向电流必 须通过空气而造成火花。 （2）在换向过程中，电刷两左右两侧电流密度是均匀的。故电刷左右两侧发热也是均匀的。TK-ia+ia12ti2021/6/449电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)延迟换向 电机正常运行时换向元件中产生以下几种电势使e0(1)自感电动势eL 换向元件中电流变化时产生的eL eL = - Ldi/dt(2)互感电动势eM 同时换向的几个元件之间产生的互感电动势 eM= - Mdi/dt 称 er= eL+ eM 为电抗电势,其方向与+i

46、a相同.(3)电枢反应电势ea 换向元件切割电枢磁场产生的感应电势,其方向与er一致,也是反对换向电流变化的. 结果使电流不能随时间成线性关系变化且变化较慢.曲线2所示.称之为延迟换向. 延迟换向使电刷的前刷边电流密度小,后刷边电流密大,因此后刷边出现较大的火花.2021/6/450电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、改善换向的方法方法：在换向元件中产生与er和ea方向相反的电势ek.方法一：在主磁极的几何中性处加一换向磁极。极性与 电枢磁场的极性相反，其绕组 一般与电枢绕组串联方法二：移刷改善换向。发电机顺移，电动机逆移。 移动的角度（物理中线与几何中线之夹角）四、火

47、花、环火及补偿绕组 换向不良电刷下产生火花，严重时影响电机工作。环火是处于最大磁密处的元件电压出现最大值，在元件连接的两个换向片间产生电弧短路而形成环火。补偿绕组与电枢绕组串联以消除电枢反应进而消除环火。2021/6/451电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第二章 电力拖动系统的动力学基础 第一节典型生产机械化的运动形式及转矩一、电力拖动系统的基本概念电力拖动:以电动机为原动机拖动生产机械运转的拖动方 式.电力拖动系统:由电动机、机械传动机构、生产机械的工 作机构、电动机的控制设备以及电源等五 部分组成的综合机电装置。电源电动机传动机构工作机构控制设备2021/6/452

48、电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、典型生产机械的运动形式和转矩（一）运动形式1、单轴旋转系统特征：电动机的转子与负载轴通过联轴器连接在一起。 所有运动运动部分均以同一转速旋转。如通风机。2、多轴旋转系统特征：各轴转速不同，主轴转速比电动机转速低。电动机 转子通过皮带轮和减速机与主轴相连接。如车床。3、多轴旋转和平移运动系统特征：负载既有旋转运动又有平移运动。如起重机的起重 小车。4、多轴旋转和升降运动系统特征：负载既有旋转又有升降运动。如起重机的提升机构。2021/6/453电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）生产机械的转矩性质两种类型：1、

49、摩擦力产生的转矩- 反抗性转矩 特点- 转矩方向总是与旋转方向相反。 2、重力作用产生的转矩- 位能性转矩 特点- 作用方向与生产机械的旋转方向无关 电力拖动系统的运动规律的分析主要研究作用在电动机轴上的转矩与电动机转速变化之间的关系n= f(T).分析方法：先对单轴运动系统进行分析，得出一般规律 对多轴运动系统，则通过折算等效成单轴运 动系统后再运用单轴运动系统的规律。2021/6/454电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第二节 电力拖动系统和运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程式作用在电机轴上的转矩: 电动机的电磁转矩T 电动机的空载转矩T0 生产机械转矩TmT0

50、+Tm =TL为电动机的负载转矩,为轴的角速度.J为对转轴的总转动惯量J=JR+Jm.根据力学刚体转动定律及各量参考方向得转动方程式TTLTT0Tm电动机 JR生产机械Jm2021/6/455电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 转矩单位为N m;J为Kgm2 ;为rad/s 该式是研究电力拖动系统各种运转 状态的基础。在工程计算中，常用n代替；用飞轮力矩GD2代替J。其关系为m- 转动部分的质量，kg; G- 转动部分的重力，N；- 转动部分的回转半径，m; D- 回转直径，m;g- 重力加速度，取g=9.81m/s2运动方程式变为 GD2总飞轮惯量为实用形式T- TL=

51、Td为动态转矩 2021/6/456电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动Td=0,dn/dt=0,电动机以恒定转速旋转或静止不动.称静止状 态. Td0,dn/dt0- 系统处于加速状态 Td0,dn/dt0, 电动机输出功率; T与反方向时 T 0, 生产机械从拖动系统中吸收 能量;反之表示放出机械功率给系统.2021/6/458电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第三节 多轴电力拖动系统转矩及飞轮力矩的折算一、多轴旋转系统负载转矩及飞办力矩的折算（一）负载转矩的折算折算的原则：保持折算前后系统传递的功率不变。设 折算前多轴系统中负载功率为Tmm, 折

52、算后等效单轴系统的功率为Tmeq则有 Tmm =Tmeq 故 Tmeq GDR2T j1j2m TmGDm2GD12生产机械电动机1等效负载GD2eqT Tmeq电动机GDR2T j1j2m TmGDm2GD12生产机械电动机12021/6/459电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动j=/m=n/nm - 传动机构的总速比。j为各级速比之积。 j=j1j2实际中考虑传动效率c时： c为各级传动效 率之积（二）飞轮力矩的折算折算原则：折算前后系统总动能不变。方程式得单轴系统等效转动惯量Jeq,即 2021/6/460电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动上式

53、两边同乗以4g得折算到电动机轴上的飞轮力矩GD2eq，即 两个中间轴n个中间轴 主体部分 占比重很小 故有估算公式 = 1.1-1.25 2021/6/461电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动多轴系统折算到电动机轴上时的等效单轴系统的运动方程式可写成 TL= T0 +Tmeq二、平移运动系统的折算 桥式起重机的起重小车、龙门刨床等， 其工作机构作平移运动。工作台刨刀 工件FmT nT0 Teqnm电动机vm2021/6/462电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（一）阻力Fm的折算折算原则：折算前后功率不变。 切削时切削功率为 Pm =Fm vm Fm

54、反映到电动机轴上，表现为负载转矩Tmeq,电动机轴上的切削功率为Tmeq。不考虑传动机构的损耗时，可得 Tmeq = Fm vm 考虑传动机构的损耗时Fm为平移部件的阻力，单位为N2021/6/463电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、平移运动部件质量的折算折算原则：折算前后系统贮存动能不变。运动部件的动能为折算到电动机轴上后，等效飞轮力矩为GD2meq,其动能为另上二式相等得 2021/6/464电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动注意：求总飞轮力矩时还需计算传动机构各旋转轴飞轮 力矩的折算值。方法与多轴旋转系统飞轮力矩折算方法同。三、工作机构为升

55、降运动时转矩与飞轮力矩的折算等效负载转矩和等效飞轮力矩 T n T0Tmnmvm2R 等效负载N Teq2021/6/465电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 第四节 负载的机械特性负载的机械特性：生产机械工作机构的转矩与转 速之间的函数关系。一、恒转矩负载特性（一）反抗性恒转矩负载特点：转矩由摩擦力产生的，它的绝对值大小不变，但作 用方向总是与旋转方向相反，是阻碍运动的制动转矩.Tmnm02021/6/466电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）位能性恒转矩负载由重力作用产生。特点：是工作机构的转矩绝对值大小恒定不变，而且 作 用方向也保持不变。

56、 特性位于第一、第四象限 且与纵轴平行的直线。二、风机、泵类负载机械特性1 均为流体机械，其转矩与转速的二次方成正比，只能单方向旋转。三、恒功率负载机械特性2 常数 TmTmnm0nT0122021/6/467电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第三章 直流电动机的电力拖动 第一节 他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机机械特性的一般概念一、他励直流电动机机械特性的一般概念条件：电源电压U、气隙磁通、电枢回路总电阻R均为 常数。电动机转速与电磁转矩之关系 n =f( T )推导过程： 由电枢回路电压平衡方程式 将Ea=Cen , T =CT Ia代入后得 = n0 -

57、T2021/6/468电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动特性曲线 两个特殊点： A点（T=0，n=n0=U/Ce) 理想空载转速 B点（n=0,T=Tk=CTIk) =U/(Ra+Rc)- 堵转电流 堵转转矩在A点和B点，因电动机的电磁功率PM=EaIa=0,无能量转换。第一象限内：T0 ,n0 方向一致,T为拖动转矩,T n n 原因 U、 、Ra+Rc均为常数条件下，T Ia = T/CT AnnTTBnn00TkEa =U Ia(Ra+Rc)n =Ea/Ce 2021/6/469电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动在第二象限内：n 0,且n n0

58、, 所以Ea0,且EaU,电枢电流成为阻碍运动的制动转矩。Ia与Ea方向一致，电机输出能量，电源吸收能量。在第三象限内：n0,电机反转，Ea0,与n反方向成为制动转矩2021/6/470电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动表达式如T=TN时 nN= n0 - nN 称nN 为额定转速降因电枢电阻Ra很小,所以nN 很小故固有特性属于硬特性。 为一条略微向下倾斜的直线nNnn0nNTNT2021/6/471电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）人为机械特性 当人为改变参数U、电枢外串电阻Rc时的机械特性三种人为机械特性：1. 电枢串电阻的人为机械特性M

59、UNIfNrst1rst2rst3KM1KM2KM3RaRst1Rst2Rst3gRst3Rst2Rst1RanT1 T IaTL T2abdfwcen0I2I12021/6/472电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动外串电阻的机械特性方程式特点：理想空载转速不变且与外串电阻无关， 外串电阻越大特性斜率越大，特性越软。2.改变电源电压的人为机械特性R=Ra,= N,调U U1U2U32021/6/473电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性方程式3.减弱气隙磁通的人为机械特性 U=UN,R=Ra, 调TL n Ia ( T )当上升到C点时T=TL

60、 达到新的平衡,此时n=nc当于拢消失,系统将由C到D A回到原工作点.故该系统能稳定运行.A点是稳定的工作点.ABDnTTL231C2021/6/477电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动可以证明,一个电力拖动系统能稳定运行的充分必要条件是:1、电动机的机械特性与负载的机械选择性必须相交，在交点处T=TL，实现了转矩平衡。2、在交点处（dT/dt）(dTL/dt)=0不符合第二个条件,系统不能稳定运行.如负载减小转速增加,T增加最终损坏电机.ATLBTLA2021/6/478电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第二节 他励直流电动机的起动和反转一、他励

61、直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动 起动电动机时，应当先给电动机的励磁绕组加入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后再接通电枢回路。 电动机一般不允许把电枢直接接到额定电压的电源上即直接起动。以防电机烧坏和机械损坏。 IN，故必须把起动电流限制在允许范围之内。一般最大允许电流为(1.52)IN2021/6/479电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动间接起动的两种方法: 1、降压起动， 2、串电阻起动（一）降压起动 降压起动方法在起动过程中能量损耗小,起动平稳,便于实现自动化,但需要一套直流电源,增加了设备投资.UfIfIaU调压电源M1U=UNTN1.2TN2T

62、NnT1234562021/6/480电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二) 电枢回路串电阻起动串电阻是为了限制起动电流不超过允许值.以Rst或 rst表示.电枢回路中应串入的起动电阻值为MUNIfNrst1rst2rst3KM1KM2KM3RaRst1Rst2Rst3MRst3Rst2Rst1RanT1 T IaTL T2abdfwcen0I2I12021/6/481电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动起动过程中应分段逐步切除起动电阻.最终全部切除Rst,电动机运行在自然特性上.(三) 起动电阻的计算 各级起动电阻的计算,应以在起动过程中最大起动电

63、流I1及切换电流I2不变为原则. 常取 I1=1.5-2IN 令I1/I2 = 称为起动电流比.因切换前后瞬间电枢电阻压降相等,即 I2RST3=I1Rst2 或 Rst3= Rst2 I2Rst2 = I1Rst1 Rst2= Rst1 I2 Rst1 = I1 Ra Rst1= RaI2=1.1-1.2IN2021/6/482电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动推广到一般情况,如起动级数为m,则 Rstm= mRa计算起动电阻时可能有以下两种情况:1.起动电阻级数m尚未确定步骤步骤:(1)根据电动机铭牌数据估算根据电动机铭牌数据估算Ra. (2)根据生产机械对起动时间、

64、平稳性以及根据生产机械对起动时间、平稳性以及电动机的最大允许电流，确定电动机的最大允许电流，确定I1及及I2并计算并计算 Rstm及 Rstm=UN/I1 ， =I1/I2 2021/6/483电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 要求起动时间短时，取较大的I1；要求起动转矩平稳、起动冲击小时，需要较多的起动级数，这时应取较小的值。（3）由）由Ra、Rstm及及，按下式计算起动级数：按下式计算起动级数：（4）由）由m/求出新的求出新的/ (5) (5)计算各段起动电阻计算各段起动电阻rst1=Rst1-Ra= rst1=Rst1-Ra= / Ra-Ra=(Ra-Ra=(/-

65、1) RaRarst2=Rst2-Rst1= rst2=Rst2-Rst1= / Rst1-Rst1- Rst1= Rst1= / rst1rst1 应把m凑成整数m/2021/6/484电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动推广到一般情况: rSTm= /rst(m-1)2.起动级数m已知 这时可根据电动机最大允许电流确定I1并计算 如如I2过大或过小过大或过小,说明级数说明级数m确定得不合理确定得不合理,应减应减小或增加级数小或增加级数. 最后按第最后按第(5)计算各段起动电阻计算各段起动电阻.2021/6/485电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二

66、、他励直流电动机的反转二、他励直流电动机的反转电动机反向运转电磁转矩T必须反向 。而 T=CTIa 故方法有二 （1）磁场反向 （2）电枢反向1.电枢反向接线图 2.机械特性3.机械特性方程式 FFRRRc1 Rc2 Rc3K1 k2 k3IfRf+-n0n0T2021/6/486电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第三节 他励直流电动机的调速一一.电动机调速的基本概念电动机调速的基本概念调速 机械调速:改变传动机构的速比,属有级调速 电气调速:人为地改变电动机的参数从机械特性上,改变工作点,电动机的转速就能改变两种情况:1.负载变但机械特性 不变, 2.负载不变而变电机参

67、数有级调速无级调速AB132nTTLnBnAn0TL/2021/6/487电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动几个术语: 基速:电动机的额定转速nN,上调速:额定转速nN以上的调速,下调速:基速以下的调速.无级调速:电机的转速可平滑地加以调节.有级调速:不能平滑调节,只能给出几种速度.二二.他励直流电动机的调整方法他励直流电动机的调整方法由机械特性方程式 调电枢回路外串电阻 调电源电压U 调气隙磁通 2021/6/488电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(一)电枢串电阻调速 U=UN, = N 调Rc特点:1.各条特性有相同的理想空载转速各条特性有相同

68、的理想空载转速n0 2.在额定负载下在额定负载下,能提供的最高转速为额定能提供的最高转速为额定nN 故属基速以下调节故属基速以下调节.且为有级调速且为有级调速. 3.串电阻越大串电阻越大,稳定转速越低稳定转速越低. 4.若为恒转矩负载若为恒转矩负载,则稳定运行时则稳定运行时 T=TL 电枢电流电枢电流Ia=T/CT N =常数常数,即与转速无关即与转速无关.缺点缺点: 1.不能实现无级调速不能实现无级调速, 2.能耗大效率低能耗大效率低. 3.特性软特性软,转速的稳定性差转速的稳定性差.2021/6/489电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)降低电源电压调速 Rc=0

69、 , = N ,调UUN机械特性方程式特点:1.各条特性互相平行各条特性互相平行, 2. 在负载相同时转速在负载相同时转速 降降n相同且均与固相同且均与固 有特性相同有特性相同,即即 n= 3.对恒转矩负载对恒转矩负载Ia=C,与转速无关与转速无关.铜耗铜耗 为为 与转速无关且数值很小与转速无关且数值很小,故故 效效 率高率高. nTU=UNU1U2U3UNU1U2U3TLABCDn0nAnBncnD2021/6/490电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动4.能实现平滑无级高速能实现平滑无级高速 该调速方法是基速以下调速该调速方法是基速以下调速,能提供的最高转能提供的最高转

70、速为电动机的额定转速速为电动机的额定转速nN,由于能实现平滑无级调由于能实现平滑无级调速速,特性硬特性硬,转速的稳定性好转速的稳定性好,故是一种性能优越的故是一种性能优越的调速方法调速方法,广泛应用于要求较高的系统中广泛应用于要求较高的系统中.(三三)减弱磁通调速减弱磁通调速 U=UN, R=Ra , 调调21ABCTLN12T/n2021/6/491电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动升速过程:设原工作在B点,T=TL,= 2现减小=1 Ea=Ce 1nB特点特点:1.弱磁调速只能在基速以上的范围内调节弱磁调速只能在基速以上的范围内调节. 即即.n nNN21ABCTLN

71、12T/nIa=(U-Ea)/RaT=CT Ia(Ia增加多于的减少)TL n 到C点稳定.T=TL 但Ia增加了.2021/6/492电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.在电流较小的励磁回路内进行调节在电流较小的励磁回路内进行调节,方便功耗小方便功耗小.3.便于实现无调速便于实现无调速.4.由于转速越高由于转速越高,电机换向困难电机换向困难,机械强度也不准许机械强度也不准许 转速太高转速太高.一般升到一般升到1.21.5nN,特殊电机特殊电机34 nN, 在实际生产中在实际生产中,通常把降压调速和弱磁调整结合通常把降压调速和弱磁调整结合起来使用起来使用,以实现双向调速

72、以实现双向调速.扩大调速范围扩大调速范围.三、调速的性能指标三、调速的性能指标用性能指标来比较各种调速方法的优劣.主要的调速指标: 1.调速范围D nmax,nmin为在额定 负载时的数值.2021/6/493电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.静差率 在某一调节转速下,电动机从理想空载到额定负载时转速的变化率. 静差率小,转速的相 对稳定性好.D和由生产加工部门提出具体要求,由于转速越低越大.所以,对的要求也是对最低转速的要求. 确定了D也同时被确定下来了.nNnNnmaxnminDn012021/6/494电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(三

73、)调速系统的平滑性 用调速时相邻两级转速之比来说明,即 K值越接近1,调速的平滑性就越好.k=1时为无级调速.(四)经济指标四、电动机调速时允许输出的转矩和功率四、电动机调速时允许输出的转矩和功率 表示电动机在调速时所具备的带负载能力.它的前题条件是合理地使用电动机.合理意指保证电动机长期运行时Ia=IN不变.2021/6/495电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(一)恒转矩调速方式 指在某种调速方法中,若保持Ia=IN不变时,电动机允许的转矩也保持T=TN不变,与转速无关.电枢串电阻调速和降压调速中= N,当Ia=IN条件下, T=Ce N IN =TN也不变,与n无关

74、,属恒转矩调速.(二)恒功率调速方式 指在某种调速方法中,若保持Ia=IN不变,则电动机允许输出的功率也基本保持不变,与转速无关. 在他励直流电动机弱磁调速方法中U=UN,保持 时,T=C2/n,电动机输出功率P=T n/9550与n无关,属恒功率调速方式.Ia=IN不变 2021/6/496电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动五、电动机的调速方式与负载类型的配合五、电动机的调速方式与负载类型的配合 当电动机的负载为恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式与其匹配。 当电动机的负载为恒功率负载时，应采用恒功率调速方式与其匹配。2021/6/497电机原理及拖动电机原理及拖动电机原

75、理及拖动电机原理及拖动第四节 他励直流电动机的制动一、制动的一般概念一、制动的一般概念 所谓制动，就是使拖动系统从某一稳定转速开所谓制动，就是使拖动系统从某一稳定转速开始减速到停车，或使其在某一转速下稳定运行。始减速到停车，或使其在某一转速下稳定运行。 机械制动：机械抱闸属外加力。制动 电气制动：使电动机产生与原转动方向 相反的电磁转矩来实现制动。自由停车：拉断电源靠摩擦使电机慢慢停车。 在制动过程中电动机是吸收来自负载侧的能量，此时电动机工作在发电机状态。2021/6/498电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电动和制动状态的判定： 电动状态 T0 ,输出功率 制动状态

76、T0,吸收功率制动状态在实际应用中有两种情况:(1)用于拖动系统的减速停车 电动机的制动状态仅出现在降速过程中,是一个过渡过程,常称为制动过程.(2)用于位能负载限速运行 电磁转矩T与靠重力使物体下放的负载转矩相抗恒.当T=TL时重物稳速下放.称之为制动运行.TTL2021/6/499电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、能耗制动二、能耗制动（一）能耗制动过程 K1闭合，K2断开系统处 于正转电动运行当K1断开， K2闭合时Ia反向，制动开始。n Ea =0 制动过程结束，n=0，Ia=0，T=0UNK1K1K2K2IaEaIfUfRcEaIfUfn TTLRcIan T

77、TL02021/6/4100电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动能耗制动时的机械方程式 U=0，= N能耗制动过程的功率流程图： 电机从轴上输入功率电机从轴上输入功率P2扣除空载损耗后转为扣除空载损耗后转为电功率电功率PM，都消耗在电，都消耗在电阻阻Ra+Rc上。上。ABTLTLTBnT0P2PM=T=EaIaIa2（Ra+Rc）P02021/6/4101电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动制动电流越大制动效果越好,但最大制动电流同时受换向条件和过载能力限制.由下式决定: Ea为制动开始时电动 机的电枢电动势.为了加快制动过程工程中常采用分级能耗制动.A

78、 B,C D,E F切换瞬间电动机转速不变.每次切换后瞬间均应保证 Ia=Iamax使平均制动转矩增加,制动时间缩短.Ra+Rc1+Rc2Ra+Rc2RaABCDFE0TTL2021/6/4102电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)能耗制动运行 只能在拖动位能性负载时才可能发生. 最终在C点稳定运行 n=nc0(反转下放重物)电动机将位能转化为电磁能并都消耗在电阻上.TLTL/TnABCUNIaEaGn TTLVaEaGn TTLVIaRcGGTLEan TVcGIaRc2021/6/4103电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、反接制动三、反接

79、制动（一）电压反接制动1.接线图 K1为正转开关, K2为反转开关 Rc为限流电阻.2.机械特性方程式3.机械特性曲线K1K1K2K2RcUNUfCTTLnABn0-n0TB-TLD2021/6/4104电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电压反接制动时,U=UN0,Ea0,电枢电流由电枢回路电压平衡方程式能量平衡关系:电网供给的电能UNIa0,电功率PM=EaIa=T0 ,说明电功率输出,电动机轴上功率P2=T2 TL则电动机要反方向启动,故当转速降到零时应拉断电源.PM=EaIa=TP2=T2 P1=UNIaP02021/6/4106电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理

80、及拖动电机原理及拖动(二)电势反接制动只有他励直流电动机拖动位能性负载时才会发生.1.电压平衡方程式UN- Ea=Ia(Ra+Rc)在第一 限内为正转电动停车过程A B C在第四 限内C点处因TLT故电动机开始反转,直到TL=T在D点稳定运行.此时Ea以反向与UN共同产生制动转矩与TL相抗衡.TTLnABcD-nDnAEaGn TTLVaUNKRcIaEan TVdGIaTLUN2021/6/4107电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 由于电动势反接制动可以在第四象限稳定运行所以是制动运行状态.主要用于起重机提升机构低速下放重物. 电动势反接制动时电动机输入的机械能是由位

81、能负载减少的位能提供.四、回馈制动四、回馈制动 （一）他励直流电动机回馈制动的基本概念 电动状态时： 电动机从电源输入电 功率UIa0,即,电源输出能量,电动机 吸收能量.并供给机械负载.能量从电源侧流向电动机能量从电源侧流向电动机2021/6/4108电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动回馈制动状态时: Ia改变方向,电磁转矩也由原拖动转矩变为制动转矩. UIaU1(BC段)到C点时U1=Ea, Ia=0回馈制动过程结束.CD段又回到电动状态,D点为稳定工作点.A U=UNU=U1BCDnTIa反向流向电源侧2021/6/4110电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动

82、电机原理及拖动(三)位能负载下放重物时的回馈制动被吊在空中的重物,在松开机械闸后反向起动电动机反转电动(A B)EaGn TTLVcIaRcABCnT-n0EaGn TTLVcIaRcUN反转回馈制动(B C)2021/6/4111电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动五、他励直流电动机四象限运行的分析方法五、他励直流电动机四象限运行的分析方法电动机的固有机械特性及人为机械特性位于直角电动机的固有机械特性及人为机械特性位于直角坐标的四个象限之中坐标的四个象限之中 在在、象限内为电动状态象限内为电动状态 。 、象限内为制象限内为制动状态。动状态。A，B，C，D，E为电动机的工为

83、电动机的工作点。作点。新状态：新状态： （1）停车）停车 （2）在新）在新 的工作点上稳定运行。的工作点上稳定运行。nT0ABCDE正向回馈制动电压反接制动过程正向电动运行反向电动运行反向回馈制动运行能耗制动能耗制动运行电势反接制动运行2021/6/4112电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第五节 电力拖动系统的过渡过程一、电力拖动系统的过渡过程的一般概念一、电力拖动系统的过渡过程的一般概念 电力拖动系统的过渡过程是指拖动系统从一个稳定状态到另一个稳定状态中间的过程。产生原因：系统中存在机械惯性和电磁惯性，即 飞轮力矩和电感、电容储能元件。研究的问题：求电力拖动系统的动态

84、特性，即 T、n、Ia等随时间变化的规律。方法：建立系统的微分方程式并求解。2021/6/4113电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动直流他励电动机微分方程组：为了满足生产机械对过渡过程的不同要求，需要对电力拖动系统过渡过程的规律进行分析，以正确地选择及合理使用电力拖动装置，提高生产率、质量，减轻劳动强。2021/6/4114电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二他励直流电动机拖动系统过渡过程的数学分析二他励直流电动机拖动系统过渡过程的数学分析（一）机械过渡过程的一般表达式1.转速的变化规律n=f ( t )系统运动方程式为电动机的机械特性方程式 稳态转

85、速ns 机电机时间常数 TM2021/6/4115电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动变为标准型:它的通解为C由初始条件确定,当t=0 时,n=ni得 C=ni-ns 代入后得n的解析式n0nsniTs=TLTi2021/6/4116电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.电磁转矩的变化规律T=f ( t )3.电枢电流的变化规律Ia=f(t)由T=CTIa 得2021/6/4117电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)机械过渡过程解析式的讨论1.n=f ( t ) T=f ( t ) Ia=f(t)三式具有相同的形式,都有 两个

86、分量,即稳态分量和自由分量(动态分量). 按指数规律变化,起始于初始值,终止于稳态值.TntttxtntxTsTxTinsnxni2021/6/4118电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.过渡过程时间的长短取决于TM的大小.3.初始值、稳态值和机电时间常数是决定机械过初始值、稳态值和机电时间常数是决定机械过渡过程的三个要素。渡过程的三个要素。可由机械特性求得，再利用机械过渡过程的解析式计算过渡过程曲线。4.过渡过程时间的计算:达到稳态值的时间:理论上为t=,实算取 t=4TM 2021/6/4119电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动达到某一数值时所

87、需时间:n=nx所需时间T=Tx或Ia=Ix时所经时间 或 三、起动的过渡过程三、起动的过渡过程（一）起动过渡过程曲线的计算串电阻起动时（一级）：初始转速ni=0， 初始转矩Ti=Tst；稳定转速ns=na，Ts=TL机电时间常数 2021/6/4120电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动把三要素代入相关式得：（三）逐级切除电阻时过渡过程的计算1.n=f(t)曲线的计算 以三级起动为例第一级: 初始转速 ni1=0,稳定转速为ns1斜率 故机电时间常数nTttATLBTstn0t=4TMIa2021/6/4121电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动解析式

88、第一级经历的时间为 nx1为切除第一级起动电阻瞬间电动机的转速.nTttntst1tst2 tst3tsttst1tst2tst3tstnsns2ns1nx1nx22021/6/4122电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动任意级:转速解析式各段时间通式:2.T=f(t)曲线的计算 2021/6/4123电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动四、能耗制动过渡过程四、能耗制动过渡过程（一）拖动反抗性恒转矩负载能耗制动机械特性与负载机械特性交于C点视C点为假想的稳定工作点。满足了TL=常数的条件。实际能耗制动的起始点为B点，到坐标原点0结束。TBTBTLnntt

89、ABCTT0t02021/6/4124电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动起始值 ：ni=nA，Ti=TB0) (T0) 0C段并未出现,故对应的过渡过程用虚线表示.过渡过程时间t0的计算: 将t0时n=0代入n=f(t) 2021/6/4125电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动注意:利用以上公式计算时,nc及TB应代负值.(二)拖动位能性恒转矩负载 与反抗性负载相同.所需时间为t0.D点为稳定工作点0 D段的过渡过程初始值为n=0,T=0;稳态值为n=nD0,T=TL2,代入一般公式Ct0TL2TBnDnCDABnttTTn0B 00 Dt0B 00

90、 DTL1TL2TBB 02021/6/4126电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动得到:注:上式中的时间t是从t=t0算起的.所需时间 为t=4TM.过渡过程总时间为两段所需时间之和,即 t=t+4TM五、反接制动过渡过程五、反接制动过渡过程（一）拖动反抗性恒转矩负载1.如只用于停车而不需要反转.当过渡过程进行到n=0时,应立即断电抱闸.2021/6/4127电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动过渡过程为B E ( C )段.起始点:ni=nA ,Ti=TBC点为虚稳定点:ns=nC0,TTL,tt0)2021/6/4128电机原理及拖动电机原理及拖动

91、电机原理及拖动电机原理及拖动2.如反接制动用于电动机反转过渡过程分成两段:第一段:B E ,计算方法与反接制动停车同.第二段:E D,D点为稳定运行工作点,起始 值ni=0,Ti=TE0,稳态值 ns=nD,Ts=TL机电时间常数TM不变.式中时间t的起算点为t0总时间为: t0+4TM解析式2021/6/4129电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)拖动位能性恒转矩负载D点为稳定运行工作点分两段组成:1.从B E与反抗性负载反接制动停车时相同.2.从E D,初始点为E(ni=0,Ti=TE0),稳态点 为D(ns=nD0)nABEDCTL1TL2t0ntB EE D2

92、021/6/4130电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动解析式:T的起始点为t0六、过渡过程中的能量损耗六、过渡过程中的能量损耗（一）过渡过程能量损耗的一般情况 总损耗p=p0+pCua ，其中铜损pCua =Ia2RaIa在过渡过程中较大，故pCua 占比重大可认为p pCua。2021/6/4131电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动假定： 1.= N. 2.U=常数. 3.电枢回路总电阻为Ra1 =Ra+Rc. 4.电动机为理想空载,即TL=T0+Tm=0.在拖动系统的过渡过程中,电动机电压方程 电枢回路电感小可怱略故有:电磁功率EaIa=T; 输

93、入功率UIa=而T-TL=J d/dt, TL=0,故电磁转矩T=Jd/dt 2021/6/4132电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动于是有:设过渡过程从t1时刻到t2时刻,相应由1到2,则该段的能量损耗为:表明:过渡过程中的能量损耗仅取决于过渡过程中的能量损耗仅取决于J、0 及开始和终了时的及开始和终了时的1、 2，与过渡过程与过渡过程 的时间无关。的时间无关。2021/6/4133电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）理想空载起动过程中的能量损耗特性1：初始1=0， 终止2= 0能耗说明： 输入到电枢回路的能量J 02有一半 消耗掉了，另一半转

94、变为系统的动 能贮存起来。（三）理想空载能耗制动过程的能量损耗T00-01232021/6/4134电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动特性2： 电机与电网没有能量转换关系 A=0初始1= 0，终止2=0,能耗 A=（四）理想空载反接制动过程中的能量损耗特性3：初始1= 00,终止2=0,因此 A=J 02AK= 能耗A=说明:电源输入的能量A和系统释放的能量AK 全部消耗掉了.2021/6/4135电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(五)理想空载反转过程中的能量损耗0x1rmr1从而Z0Zm2021/6/4163电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及

95、拖动电机原理及拖动二、短路试验二、短路试验用于测量变压器的铜损耗，并据测得数据计算变压器的短路参数Zk、rk、xk。方法及注意事项：1、短路试验常在高压进行。即将低压侧短路， 在高压侧加电压并测量电压、电流和功率。2、用调压器由零开始上调直到电流达到额定时止。测量并记录Uk、Ik和pk。3、此时I0很小，故铁损耗小可忽略。测得的功耗 为绕组上的铜耗。计算公式2021/6/4164电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动计算公式式中各量为每相的数值绕组换算到750时的阻值为实验时的室温.阻抗换算后变为短路试验可以在高压侧进行也可以在低压侧进行高压侧和低压侧的参数值符合折算规律.2

96、021/6/4165电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动额定短路电压 UkN=I1NZk刚好等于变压器额定工作时的阻抗压降,是变压器的一个重要数据,标在变压器的铭牌上,用标么值表示.标么值=实际值/基值. 一般选额定值为基值.符号:在右上角加“*”号,如U1*当选U1N为电压基值、ZN= U1N/ I1N为阻抗基值时，即额定短路电压的标么值与短路阻抗的标么值相等。在变压器铭牌上标 和 是一致的。2021/6/4166电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第五节变压器的运行特性运行特性是指外特性U2=f (I2)及效率= f (I2)一、外特性与电压调整率一

97、、外特性与电压调整率外特性不仅与漏阻抗和负载电流有关，而且与负载的性质有关。外特性是在一次电压和负载性质不变时，输出电压随负载变化的关系曲线。即U1=C，cos2=C。 纯电阻性负载特性较平直；电感性负载电压下降较纯电阻时大；电容性负载特性上翘。2021/6/4167电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电压调整率：U1=C， cos2=C 时，二次侧空载 电压与负载电压之差对空载电压的 比值，常用百分数表示，也可用标 么值表示。百分数表示折算到一次侧电压调整率与短路阻抗、负载电流及负载性质有关。计算公式如下：2021/6/4168电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电

98、机原理及拖动设U为电压调整率如带额定负载时I1=I1N，有用标么值表示则有如电流不为额定值，并定义I1/I1N=为负载系数，则2021/6/4169电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 电压调整率除与负载及短路参数有关以外，还与负载性质有关。常用电力变压器=1，cos2=0.8时,二、变压器的效率与效率特性二、变压器的效率与效率特性 变压器输出有功功率与输入有功功率之比称为变压器的效率，用符号表示，有将输出功率用损耗表示2021/6/4170电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动式中铁损耗pFep0，铜损耗额定负载时有任意负载下有又如不计负载电流引起的二次

99、侧端电压的变化，代入原式中得对三相变压器，p0、pkN和SN均为三相之值。2021/6/4171电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动变压器的效率特性曲线 最大时的条件为：可变损耗等于不变损耗即或 一般变压器多设计成m=0.5-0.6时效率最高,这时pkN为p0的3-4倍.由于变压器并不经常满载运行,铜损耗随昼夜和季节的变化而变化,铁损耗只要投入运行就基本保持不变,因此把铁损耗设计小些是合理的.mmm2021/6/4172电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第六节 三相变压器注:前述的单相变压器的基本方程式、等效电路、相量图以及各项性能的分析完全适用于三相

100、变压器。由于负载对称，故取一相按单相分析。一、三相变压器的磁路系统一、三相变压器的磁路系统两类：各相磁路互不相关，如组式变压器； 各相磁路相互关联，如心式变压器。1.三相组式变压器 由三个独立的单相变压器组成,磁路各相彼此无关,自成回路.优点:制造运输方便,备用变压器容量小.缺点:占地面积大、所用硅钢片多、成本高。2021/6/4173电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动磁路系统图2.三相心式变压器磁路结构特点:三相磁路相互关联,每相磁通都要经过另两相磁路闭合.vuwU1V1W1U2V2W2u1v1w1uvw2021/6/4174电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电

101、机原理及拖动二、三相变压器的电路二、三相变压器的电路-绕组联结图绕组联结图联结组：用来表示变压器一次和二次侧对应电动 势的相位关系。（一）三相绕组的联结法主要有三种类型：星形联结、三角形联结和曲折 形联结。符号表示：高压绕组用大写Y、D和Z表示，低压 绕组分别用小写y、d和z表示。 高压绕组的首端分别用大写字母U1、V1、W1表示，尾端以U2、V2、W2表示。 低压绕组的首端用小写字母u1、v1、w1表示，尾端以u2、v2、w2表示2021/6/4175电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动绕组联结的三种类型示意图星形Y”三角形 曲折Zu1、v1、w1u1、v1、w1u2、v

102、2、w2u2、v2、w2有中性线引出YN无中性线引出Y顺序:u1u2-v1v2-w1w2 u1u2-w1w2-v1v22021/6/4176电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)单相变压器联结组 由于一次绕组和二次绕组套在同一铁心柱上,交链一个主磁通,所以一次和二次绕组电动势的相位关系只有两种:1.同相, 2.反相,即相位差1800.决定因素: 1. 绕组绕制方向, 2.首尾端标号的标法.四种具体情况: (1)绕向相同,标号也相同 (2)绕向相同,标号位置不同 (3)绕向不同,标号位置相同 (4)绕向不同,标号位置也不同2021/6/4177电机原理及拖动电机原理及拖动

103、电机原理及拖动电机原理及拖动图1 同相位 图2 反相位U1U2u1u2U1u1u2U2U1u1u2U2U1U2u1u2图3反相位图4同相位2021/6/4178电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动结论: 单相变压器一次和二次绕组的电动势的相位是单相变压器一次和二次绕组的电动势的相位是同相还是相反同相还是相反,决定于两绕组的首端决定于两绕组的首端(或尾端或尾端)是是否是同名端否是同名端,如是同名端则电动势相位相同,如不是同名端,电动势相位相反,差180.变压器的联结组: 用时钟表示法来表示一次绕组和二次绕组对应的相位关系.使一次绕组电动势相量指向时钟表面的“12”,这时对应的

104、二次绕组电动势相量指向时钟的几,就是第几组.注注:单相变压器是相电势之相位关系单相变压器是相电势之相位关系,三相变压器三相变压器是线电压之相位关系是线电压之相位关系.2021/6/4179电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(三)三相变压器联结组几点说明:1.同一相一次绕组和二次绕组电动势的相位关系, 用是否为同名端来判断.符号-在首(尾)端处打“.”2.三相变压器的一次绕组和二次绕组的联结方式用 Y, y、Y，d、D，y、D，d、Z.等标号表示. 其中大写字母表示一次绕组的联结法,小写字母表 示二次绕组的联结法.3.一次侧的线电动势相量指向时钟的12(视为分针) 相应二次

105、侧的线电动势相量指向时钟的几点(视为 时针)就称为第几联结组.2021/6/4180电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动具体情况如下:1.Y,y联结联结U1V1W1u1v1w1w2v2u2U1V1W1U2V2W2u1v1w1w2v2u2. . . . . . .U2V2W2. . .u2w2v2V1u1w1Y,y0U2V2W2U1V1W1U2V2W2U1V1W1w2v2V1u1w1u2Y,y6.2021/6/4181电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动Y,y4和Y,y8联结组:Y,y4联结组:将Y,y0联结组二次侧标号改成:w1,u1,v1 Y,y8联结

106、组: 将Y,y0联结组二次侧标 号改成v1,w1,u1 这时U2V2W2. . .U1V1W1. . .w1u1v1v2u2w2U2V2W2U1V1W1和 同相位比 滞后1200 比 超前120012002021/6/4182电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动注意:在推移的过程中在推移的过程中,二次侧的相序不能改变必二次侧的相序不能改变必 须与一次侧相序保持一致须与一次侧相序保持一致.Y,y10 和Y,y2联结:Y,y10联结: 将Y,y6二次推移为w1,u1,v1则Eu1v1 相位引前于EU1V1600 EU1V1(12点) Eu1v1Y,y2联结: 将Y,y6二次推移

107、为V1,w1,u1则Eu1v1相位 EU1V1滞后于EU1V1600 , Eu1v1时针指向2点钟. 600(10点)(2点)6002021/6/4183电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.Y,d联结联结(1)Y,d11联结: (2) Y,d1联结组 一次不变, 二次三角形的联 结顺序为 u1u2-v1v2- w1w2 U2V2W2. . .U1V1W1u1v1w1w2v2u2.U2V2W2U1V1W1w2v2V1u1w1u22021/6/4184电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(3)Y,d3联结组 把Y,d11二次u、v、w推移为w、u、v。即

108、二次线电势顺时针旋转1200（由原11点转到现在3点）（4）Y，d7联结组 把Y,d3二次w、u、v推移为v、w、u。则相量由原3点转到现在的7点。E（一次）E（二次）12点3点E（一次）12点E（二次）7点2021/6/4185电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（5）Y，d5联结组 把Y，d11二次同名端改标法，其它不变则二 次相量顺时针转1800即由原11点转到5点。（6）Y，d9联结组 把Y，d5联结组二次推移为w、u、v即可。 12点E（一次）E（二次）5点1500E（一次）E（二次）5点15009点顺转12002021/6/4186电机原理及拖动电机原理及拖动电

109、机原理及拖动电机原理及拖动三、三相变压器绕组联结方式和磁路系统对电动三、三相变压器绕组联结方式和磁路系统对电动 势波形的影响势波形的影响在三相变压器中，励磁电流I0和波形为尖顶波还是正弦波，取决于三相绕组的联结方式。 I0为尖顶波 E（）为正弦波； I0为正弦波 E （）为平顶波（含有 三次谐波）或为正弦波。一次绕组为YN或D联结时 I0为尖顶波；一次绕组为Y,y时 三相变压器组(各相磁路独立) = 1+ 3 使e的峰值过大不 利绝缘I0为正弦波2021/6/4187电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动如为三相心式变压器Y,y 各相3同相位走磁阻大 I0为正弦波 的漏磁路故

110、值很小 e=e1+e3 e1.即电动 势波形接近正弦波一次绕组为Y,d联结 I0为正弦波结论:1. Y,y联结中存在的问题联结中存在的问题 (1) e中含有较大的三次中含有较大的三次谐波的成份谐波的成份,即为平顶波即为平顶波,且对绝缘不利且对绝缘不利(组式组式和壳式和壳式);(2)e中只有很小的三次谐波成份中只有很小的三次谐波成份,但铁但铁损加大效率降低损加大效率降低. 为平顶波,其中3 e23 i23 23. 23与3 相位差1800.即电动势接近正弦波.2021/6/4188电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.三相变压器只要有一侧联结成三角形三相变压器只要有一侧联结

111、成三角形,就不存在就不存在Y,y联结中所出现的问题联结中所出现的问题.即三次谐波分量带来即三次谐波分量带来的问题的问题.四、四、Y，yn联结联结 与Y，y联结基本一样，在三铁心柱变压器中可以采用，在三相变压器组中不宜采用。2021/6/4189电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 第七节 特殊变压器一、自耦变压器一、自耦变压器 是一种单绕组变压器。特点:二次绕组是一次绕组 的一部分,u1u2部分为 公共部分.数量关系:变比 U1NU1U2I1NI12I2NU2NN2N1-N2u1u22021/6/4190电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 I12=I2

112、N-I1N额定容量:自耦变压器的优点: 节省原材料、体积小、重量轻、安装运输方便、价格低、损耗小、效率高。缺点： 一次和二次绕组有电的联系，故低压方用电设备的绝缘强度及过电压保护均需按高压方考虑。电磁容量传导容量2021/6/4191电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、电流互感器二、电流互感器 是用于测量的变压器。把电网大电流变换为适于测量的量级，一般为5A。特点： 1. 一次匝数少，二次匝数多属升压变压器。 2. 二次直接接电流表(内阻很小)相当于短路. 3.普通变压器属恒电压器件,而电流互感器属恒电流器件(一次侧串联在被测电路中),即一次电流为常数不受二次电流的影响

113、.测量原理: 由 知如I0很小 则 I1=(N2/N1)I2 2021/6/4192电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动I0越小计算出的I2误差也越小.具体办法是减少铁心磁通密度.使用注意事项: 1.为了安全,二次侧应牢固地接地. 2.二次侧不允许开路.在换接电流表时要先按下短路开关,以防二次绕组开路. 3.二次绕组回路接入的阻抗不能超过允许值,否则会使电流互感器的精度下降.AI1I22021/6/4193电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、整流变压器三、整流变压器 作为整流装置的电源变压器，用来把电网电压转换成整流装置所需的电压。（一）单相半波整流

114、电路中的变压器1.输出的直流平均电压2.一、二次电流有效值 3.一,二次侧容量i1i2idudu2u1RL计算容量2021/6/4194电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)单相桥式整流电路中的变压器利用系数均为0.815i2idudu2u1u2udidi2ttt2021/6/4195电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动利用系数: 直流输出功率对各容量之比. 一次侧为0.372,二次侧为0.286,平均利用系数0.3242021/6/4196电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第五章 三相异步电动机原理第一节 异步电动机的用途、结

115、构及其本工作原理一、异步电动机的用途一、异步电动机的用途 发电机（主要用途）交流电机 同步电机 电动机（变频调速） 异步电机 电动机（有多种调速方法）同步和异步： 看转子转速与旋转磁场转速是否相同，相同为同步机，相异为异步机。 2021/6/4197电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动异步电动机应用最为广泛：显著优点：结构简单、价格低廉、运行可靠、坚 固耐用并有较好的工作特性。主要缺点：功率因数稍差。二、三相异步电动机的结构二、三相异步电动机的结构由定子和转子组成，定转间有气隙（小好）。按转子结构不同分笼型笼型和绕线绕线转子两种。定子同。（一）定子由定子铁心铁心、定子绕组绕

116、组和机座机座三个主要部分组成。铁心内圆周槽安放定子三相对称绕组。2021/6/4198电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)转子异步电动机转子由转子铁心、转子绕组的转轴组成。转子铁心的外圆周上槽内安放转子绕组。 绕线型：常接成Y形，可串入电阻 启动和调整速时用。转子绕组 笼 型：由槽内导条和端环构成三相 对称闭合绕组。三、异步电动机的基本工作原理三、异步电动机的基本工作原理定子加三相对称电压后，定子三相对称绕组流过三相对称电流，在气隙圆周上产生一个旋转磁场。2021/6/4199电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动同步转速：旋转磁场的转速称为同步转速

117、n1。基本原理：旋转磁场切割转子绕组并在绕组回路 中产生电流，电流在磁场中受力是使转 子沿旋转磁场方向旋转。稳定运行：当电磁转矩与负载转矩相等时，电动机 稳定在某一转速下运行。异步：在正常电动运行下，转子的转速n2一定小于 同步转速n1，即存在转速差，故称异步。 正是有转速差n才会产生转子的电磁转矩 电机才能转起来。2021/6/4200电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动转差率S： S是异步电动机的一个 重要参数,Se=0.02- 0.05之间. 1 s0 电动状态;sn1 再生发电制动; s1,n0 反接制动.四、异步电动机的铭牌数据四、异步电动机的铭牌数据（1）额定功

118、率PN：指电动机额定运行时轴端输 出的机械功率，单位一般为KW。（2）额定电压UN：电机额定运行时定子所加的 线电压。V或KV2021/6/4201电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（3）额定电流IN：定子加额定电压，轴端输出额 定功率时的定子线电流，单位A。（4）额定频率f1：我国工频为50HZ。（5）额定转速nN：额定运行时转子的转速，单 位为r/min。五、国产异步电动机的主要系列五、国产异步电动机的主要系列 （1）JO2系列 老式一般用途小型笼型异步电动机，封闭自扇冷式。（2）Y系列 取代JO系列的新系列小型通用笼型异步电动机。 （3）YR系列 新系列绕线转子异步

119、电动机。2021/6/4202电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第二节 交流电机的绕组和它的感应电动势三相异步电动机和同步电机它们的三相对称绕组产生的感应电动势是完全一样的。一、导体电动势一、导体电动势以二极同步发电机为例（一）导体电动势的频率二极时，转子转一圈导体电动势变化一个周期。如极对数为P，转子转速为n1导体电势频率SNn1U12021/6/4203电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）导体电动势的波形导体电动势为 故波形决定于磁密B气隙磁密沿空间分布的波形B的波形不是标准的正弦波. 电动势波形与磁密相一致.注: B是空间位置或空间电角度的

120、函数,而导体电动势eU1是t的函数.SNBeU1t（二）导体电动势的波形导体电动势为 故波形决定于磁密B气隙磁密沿空间分布的波形B的波形不是标准的正弦波. 电动势波形与磁密相一致.注: B是空间位置或空间电角度的函数,而导体电动势eU1是t的函数.空间电角度是空间几何角度的P(磁极对数)倍.2021/6/4204电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电角度和电动势变化的时间是一致的.结论:绕组中含有高次谐波.消除办法:采用矩绕组和分布的形式.(三)导体基波电动势的有效值 瞬时值表达式 有效值为2021/6/4205电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、匝

121、电动势及元件电动势二、匝电动势及元件电动势线匝：把N极下的导体和S极下的导体连成一个单 匝线圈。节距y：两个导体之间的距离，用槽数或弧长表 示。整距线匝：y=（极距），yI0, 转子有电流I2并产生转子旋转 磁动势F2,又f1=f2其它条件也相同,故 （2）F1和F2同向、同速旋转,合成为气隙圆 周上的磁动势F0。 （3）F0产生E1和E22021/6/4231电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（一）电磁关系定子侧转子侧2021/6/4232电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电压方程式磁动势方程式等效电路2021/6/4233电机原理及拖动电机原理及

122、拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）转子绕组的折算折算原则：折算前后磁动势关系不变，各种功率折算原则：折算前后磁动势关系不变，各种功率 关系不变。关系不变。（1）电动势的折算E2 E2/ 折算前后应有 Ke为异步电动机定、转子电动势比，它等于定、转子绕组等效匝数比。2021/6/4234电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（2）电流的折算按折算前后保持转子磁动势不变原则进行。（3）阻抗的折算 折算前后功率不应变化的原则。定、转子电流比定、转子相数比，绕线型m1=m22021/6/4235电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（三）折算 后的方程式、等效电

123、路和相量图方程式等效电路图U1I1I2/I0E！r1r2/x1x2/rmxm注：如外加额定电压，电流很大，可能烧坏电机。2021/6/4236电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 第五节 转子转动时的异步电动机正常工作时，异步电动机转子绕组是闭合的，转子是旋转的，轴上输出机械功率。一、转子电路一、转子电路由于转子频率发生了变化，所以 发生变化（一）转子频率 n为转子转速电势阻抗电流S是电机的转差率2021/6/4237电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）转子电动势（三）转子阻抗转子电阻基本不变 r2S= r20= r2转子阻抗与频率f2有关且成正比

124、x2S=2sfL2=sx20（四）转子电流E20是转子不转时的电势2021/6/4238电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、定、转子的磁动势平衡关系二、定、转子的磁动势平衡关系 定子磁动势F2对定子的相对转速为结论： 无论转子转速n为何值，转子旋转磁动势F2与定子旋转磁动势 F1总是同速同向旋转，两个磁动势相对静止。磁动势平衡方程式 产生E1 ,E2 F1+F2=F0 合成磁势 或 F1=F0-F22021/6/4239电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动上式说明上式说明:无论电动机是理想空载还是带负载运无论电动机是理想空载还是带负载运 行合成磁势行

125、合成磁势F0不变不变.理解为 只要U1不变E1就不变,则磁通 和F0基本不变.三、折算与等效电路三、折算与等效电路特点：异步电动机转动时，转子电动势与定子电 动势不仅数值不同，频率也不等。折算后应使2021/6/4240电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动折算方法、步骤： 1.先把电动机折算成假想的不转的电动机. 这时 f1=f2 旋转方向和转速F2折算前后不变原则,含义有二 幅值和相位因F2和I2成正比,所以可视为I2折算前后不变.折算前转子电流 折算前实际转子电流不转的假想转子电流f2f12021/6/4241电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动频率

126、折算后定、转子等效电路2.把转子折算到定子电路方法与异步电动机转子不转时的折算完全相同.因此,折算后转子电动势方程式为Sf1f2f1=f22021/6/4242电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动等效电路2021/6/4243电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动工程上常用简化后的型等效电路:它是把励磁电路移到输入端,并在励磁回路串Z12021/6/4244电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第六节异步电动机的功率传递与转矩平衡一、异步电动机的功率传递与损耗一、异步电动机的功率传递与损耗pcu1pFepcu2pm+psP2P1PMP1p

127、cu1pFePMpcu2PmPm2021/6/4245电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电磁功率PM（通过磁场经过气隙传到转子）或总机械功率Pm转子回路总电阻称转差功率一般很小占电磁功率大部分2021/6/4246电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动轴头上实际输出的功率P2二、电磁转矩二、电磁转矩两种表达方式物理表达式轴承摩擦和风阻摩擦高次谐波和漏磁引起2021/6/4247电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动整理后三、转矩平衡关系三、转矩平衡关系异步电动机稳定运行时，有三个转矩作用于系统。1.拖动系统转动的电磁转矩T;2.被拖动的

128、负载转矩Tm,它是阻转矩;3.电机的空载摩擦转矩T0TTmT0轴上实输出转矩2021/6/4248电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第七节 异步电动机的参数测定由空载试验测励磁参数,由短路试验测短路参数.一、空载试验一、空载试验 空载是电动机输出轴上不带机械负载。（不是转子开路）特点：转子转速与理想空载转速相同，I2=0 实测 的功耗p0主要包括pCu1、pFe1和pm。2021/6/4249电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动空载参数的计算励磁参数计算2021/6/4250电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、短路试验（堵转试验

129、）二、短路试验（堵转试验）机械损耗为零，铁损耗和附加损耗很小，测得的功率损耗只有定转子铜损耗。短路参数计算对大中型电机r1= r2/=（1/2）rkx1= x2/=（1/2）xk2021/6/4251电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 第八节 异步电动机的工作特性 指在定子电压额定、频率额定时，n=f（P2）、I1=f（P2）、cos1（P2）、T=f（P2）和=f（P2）的关系曲线。一、一、 n=f（P2）是一条稍微向下倾斜的近似直线。 P2由空载到满载PN转速变化很小S=0.015-0.05二、二、 I1=f（P2）近似正比关系。三、三、 cos1（P2）空载时最低，

130、接近额定时最大，负载过大反而降低。四、 T=f（P2）近似正比关系。五、 =f（P2）当可变损耗与不变损耗相等时，效率最高，一般出现在0.7-1.1PN2021/6/4252电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第六章第六章 三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第一节 三相异步电动机的机械特性第二节 笼型异步电动机的起动第三节 绕线转子异步电动机的起动第四节 三相异步电动机的调速 第五节 三相异步电动机的各种运行状态第六节 异步电动机拖动系统的机械过渡过程 及能量损耗 电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2021/6/4253电机原理及拖动电机

131、原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 第一节 三相异步电动机的机械特性定义: 当定子电压、频率及绕组参数都 固定时，电动机的转速与电磁转矩之间的函数关系n=f（T）。因S=（1-n/n1）又机械选择性呈非线性，故常写成T=f（s）形式。 物理表达式 T=f（s） 参数表达式 实用表达式 2021/6/4254电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动一、机械特性的物理表达式一、机械特性的物理表达式由转矩公式式中m、I2和cos都是s的函数，故可定性分析出机械特性曲线的大致形状。（一） m与s的关系 E1与m关系为 E1与U1关系为2021/6/4255电机原理及拖动电机原理及拖

132、动电机原理及拖动电机原理及拖动气隙磁通m当S较小时(空载到满载)m= mB= C(常数)当S增大,I1要增大,而E1减小使m减小,并S=1时 m=0.5 mBmmB0.5mBS012021/6/4256电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)I2/与S的关系由异步电动机等效电路知当S很小(空载到满载时)成正比以后随s增大,I2增长缓慢I2/S00.512021/6/4257电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(三)cos与s的关系S很小时cos=1S增大, cos减小结论:S较小时,T随s成正比增大;当S较大时,T随S增大而减小即,在s=0-1期间T有

133、最大值出现.cosS00.51.2021/6/4258电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性曲线大致形状二、机械特性的参数表达式二、机械特性的参数表达式因电磁转矩还可表示为由简化等效电路知TSTmax1 0n0 12021/6/4259电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动综合后得参数表达式 参数指: U1,f1及结 构参数特性曲线s nTA0 n1Tmax1 0BCs=0,n=n10s1 n1 n n1-n电动状态 n n1 n1-ns1 n1 n n1-n反接制动sm2021/6/4260电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动讨

134、论第一象限的机械特性三个特殊点三个特殊点A、B、C：1.同步运行点A s=0,T=0 无机电能量转换2.最大转矩点B s=0 sm T s 斜率为负;s sm 时T s 斜率为正称sm为临界转差率,其值计算为令dt/ds=0,求出ABCTs n0 n11 0sm2021/6/4261电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动最大电磁转矩Tmax结论结论:1.最大电磁转矩最大电磁转矩Tmax与定子电压与定子电压U1的平方成正比的平方成正比2.增大转子电阻增大转子电阻r2/时时Tmax不变不变sm增加增加,即特性斜率变即特性斜率变软软3. Tmax、 sm与与(x1+x2/)成反比成

135、反比2021/6/4262电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动3.起动点C 该点s=1,n=0,电磁转矩为初始起动转矩Tst.其值为结论结论:(1) 在给定的定子频率及电动机参数的条件下在给定的定子频率及电动机参数的条件下, Tst与电压与电压U1的平方成正比的平方成正比.(2) 在一定的范围内在一定的范围内,增加转子回路电阻增加转子回路电阻r2/,可以增可以增大起动转矩大起动转矩Tst.(3) 当当U1、f1一定时，（一定时，（x1+x2/）越大，）越大， Tst就越小就越小2021/6/4263电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、机械特性的实用表

136、达式三、机械特性的实用表达式 是一种不必知道绕组参数也可写出机械特性的实用方法。目的是为了便于工程上分析和计算.用参数表达Tmax除以T并归算后有考虑到一般情况下sm=0.1-0.2; r1=r2/,因此q=0.2-0.4,式中分子中q 2.2021/6/4264电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动最后得出实用表达式说明:(1) 为电动机的过载倍数,可从产品目录上查到.(2)TN为电动机的额定电磁转矩,由下式近似求得额定功率KW额定转速转/分钟2021/6/4265电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(3)临界转差率sm.如果知道机械特性上某点的T和相应

137、的s例如,当T=TN时, s=sN 则又考虑到如电动机在额定负载范围内运行S很小额定负载时s才约为0.012-0.05额定转差率(n1-nN)/n12021/6/4266电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动可进一步简化为说明在0ssm的范围内三相异步电动机的机械特性呈线性关系,具有与他励直流电动机相似的特性四、固有机械特性四、固有机械特性条件：定子加额定电压和频率，转子绕组短路（绕线型转子不串电阻）时的机械特性。2021/6/4267电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动固有机械特性曲线注：1.A点为额定工作点, 其对应的转速、转矩、 电流及功率等即为额定

138、值2.B点为最大转矩点,最大转矩 是三相异步电 动机的主要性能指标之一,标致着电机的过载能力. m= /TN3.堵转点C 对应的Tst规定为堵转转矩.堵转电流为定子电流有效值IkNTmax Tmax Ts n0 n1TmaxsmTstTNsN nN1 0AB BC2021/6/4268电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动五、人为机械特性五、人为机械特性所谓人为机械特性就是改变机械特性的某一参数后所得到的机械特性。由参数表达式可知:调U1、f1、p、r1、 r2/、x1、x2/均可改造固有特性为人造机械特性。（一）降低定子电压的人为机械特性其它参数不变只调节U1UN,在相同的

139、转差率s下,电动机产生的电磁转矩将与(U1/UN)2成正比.2021/6/4269电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动表达式特点特点: (1)同步转速不变同步转速不变. (2)临界转差率临界转差率sm与定子电压无关与定子电压无关. (3)最大转矩最大转矩Tmax、初始起动转矩、初始起动转矩Tst均与定子均与定子 电压的平方成正比地降低。电压的平方成正比地降低。 连续改变定子电压即可得到连续变化的一族人造机械特性曲线。sssmABTU1UNTmaxTst2021/6/4270电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）定子回路外串三相对称电阻或电抗的人为 机

140、械特性特点：特点： 临界转差率、最大转矩、初始起动转矩都临界转差率、最大转矩、初始起动转矩都随外串电阻或电抗的增大而减小。同步转速不随外串电阻或电抗的增大而减小。同步转速不变。变。ssmsmTssmsmTxcxc =0Rc=0Rc00112021/6/4271电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（三）转子回路串三相对称电阻时的人为机械特性特点： （1）最大电磁转矩不变 （2）人为特性都通过同 步运行点 （3）临界转差率增大 （4）初始起动转矩增大转差率的比例推移： 在同一负载转矩下，两条特性上转差率之比与转子回路电阻之比相等。ABs0T1TLr2r2+Rcsmsmss020

141、21/6/4272电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动关系式 表明当转子回路串入附加电阻时,若保持电磁转矩不变,则串入附加电阻后电动机的转差率将与转子回路中的电阻成正比地增加.如取最大转矩,则转子绕组Y联结2021/6/4273电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第二节笼型异步电动机的起动一、对笼型异步电动机起动的要求一、对笼型异步电动机起动的要求（1）起动电流不能太大电机堵转时电流最大I1=IKN=4-7IN（2）要有足够的起动转矩在起动过程中电动机产生的最小转矩应满足使电网电压下降转矩减小起动困难影响电网其它用电设备工作2021/6/4274电机原理

142、及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动注： 为最大负载转矩KV=0.85-0.95为电压波动 系数;Ks=1.15-1.2为保证有足够 转矩所采用的安全系数 (3)起动设备要简单,价格低廉,便于操作及维护.TminTLmaxTKNTLmaxnT0加速转矩2021/6/4275电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、笼型异步电动机的直接起动二、笼型异步电动机的直接起动 把电动机经开关或接触器直接接到具有额定电压的电网上。 从笼型电动机本身来说都允许直接起动，原则上只要起动电流对电网造成的电压降不超过允许值，应优先采用直接起动方法起动。三、笼型异步电动机的减压起动三、

143、笼型异步电动机的减压起动目的：限制起动电流以满足直接起动电网电压降 的要求。2021/6/4276电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动初始起动电流Ist因s=1 时I0可忽略,所以I1 =Ist=-I2,由等效电路可知由于堵转电流IkN=UN/ZK,因此有说明为使初始起动电流降至为使初始起动电流降至Ist= IkN,只需将定子只需将定子电压减至电压减至U1= UN即可即可.2021/6/4277电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动缺点: 起动的初始转矩降低到TSt=2TK.因此减压起动的方法仅适用于对初始起动转矩要求不高的场合.方法一:定子串电阻或电抗减

144、压起动.1.原理和接线图 起动电流在外串的电阻或电抗上产生压降,降低了定子绕组上的电压,从而减小了起动电流.MRSt1KM2KM2021/6/4278电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.电阻和电抗的工程计算确定减压系数 校验最小转矩Tmin电阻或电抗计算堵转电流倍数加速系数2021/6/4279电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动式中方法二:Y-D起动1.原理 起动过程中定子绕组采用Y形联接,每相电压减小至 ,当起动结束后再接成D形,电动机在UN下稳定运行.定子星形联结定子三角形联结2021/6/4280电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机

145、原理及拖动星形起动时,初始起动电流为如用三角形起动时,初始起动电流为因此有减压系数UUNIstWVUWVUNUUNIstWVUWVUNIKN（a）（b）2021/6/4281电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动由于所以Y-D起动时,堵转转矩TK、最小转矩Tmin都降低为额定电压时的1/3。Y-D起动的优点： 起动电流小、起动设备简单、价格便宜、操作方便。不足之处：起动转矩小。适用范围：仅适用于30KW以下的小功率电动机 空载或轻载起动。（三）自耦变压器减压起动以自耦变压器的一相电路为例说明。2021/6/4282电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动设电压

146、比为kA=N1/N2减压系数=U/UN=1/KA电动机的起动电流电网供给的初始起动电流初始起动转矩优点：起动电流较小，起动转矩较大。UNUN1N2IstIst2021/6/4283电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 第三节 绕线转子异步电动机的起动 对于大功率重载起动的情况，或频繁起制动，一般采用绕线转子异步电动机，转子串电阻或转子串频敏变阻器起动，以限制起动电流和增大起动转矩，缩小起动时间减少电动机发热。一、转子串三相对称电阻分级起动一、转子串三相对称电阻分级起动 一般采取分级切除起动电阻的方法，以提高平均起动转矩和减小电流与转矩的冲击。2021/6/4284电机原理及

147、拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动起动过程最大起动转矩T1TLJ点为起动结束后的稳定运行点.T=TL起动电阻计算依据如已知sm和该机械特性上某点的转矩T,则对应的sT1TLT2TS n1 0gecbdfjR1R2R3r2Tmaxa2021/6/4285电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动即T=T1时T=T2时-为转矩函数2021/6/4286电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动由特性1可知a点的sa=sm11,在b点sb=sm1 2,因此有对特性曲线1及2,当T=T1时,按比例推移关系可知:考虑到sb=sc,则同理可推导出转子回路总电阻之间存

148、在等比级数关系,公比为q.转矩函数比2021/6/4287电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动如起动为m级,则各起动级转子回路总电阻为q的计算:在g点和a点,按比例推移关系可知在固有特性上,sg和sN之间有2021/6/4288电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动由上两式可知为T=TN时的转矩函数计算起动电阻的步骤:1.已知起动级数m(1)计算sN,N及TN2021/6/4289电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(2)确定1,一般取最大起动转矩T1=(0.8-0.9)(3)计算q(4)校验切换转矩T2.(5)计算各级总电阻R1-Rm

149、以及各段电阻 rc1-rcm.2021/6/4290电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动2.级数m尚没确定(1)确定T1和T2并计算1和2及q= 1/ 2(2)计算m(3)按m计算q并校验T2(4)按校验通过的q计算各级起动电阻.m凑整后为m2021/6/4291电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、转子串频敏变阻器起动二、转子串频敏变阻器起动 其为电阻大小随转子频率（或转速）自动变化而不必逐级切除电阻而实现无级起动的起动设备。结构：是由厚钢板叠成铁心，在铁心柱上绕有线圈的电抗器。特点：漏电阻Rm大与频率成正比。不足之处： 功率因数低、起动转矩较小，最

150、大转矩有所下降。适用于频繁起制动的机械。2021/6/4292电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动第四节三相异步电动机的调速一、三相异步电动机调整方法概述一、三相异步电动机调整方法概述由调速方法：（1）改变转差率调速因T1=常数转差功率S=Ps/PM调Ps即可调速2021/6/4293电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动改变ps的方法：一种是把全部转差功率都转换成热能的形式消耗掉，是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低。如降定子电压调速、转子串电阻调速等。此法的缺点：是系统的效率低，且转速越低效率 越低。第二种是能将转差功率的绝大部分回馈电网的绕线型异步

151、电动机的串级调速。突出优点是系统运行效率高。（2）改变同步转速2021/6/4294电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(一)变极原理1.异步电动机的同步转速n1与极对数p成反比.2.变极调速仅适用于笼型转子异步电动机.3.三相异步电动机定子绕组产生的极对数是由定子绕组的接线方式决定的.用改变绕组联接方法来获得两种或多种极对数.又称倍极比.变极原理:1U11U2u1u2u3u4NSNSNSSu1u2u3u4两线圈正向串联四极电机N2021/6/4295电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动 把定子每相绕组的线圈等分为两组,每组线圈称为半相绕组.使其中一个半

152、相绕组电流反向即变极.NNSSu1u2u3u4u4u3u2u11U11U21U21U1二极线圈反向串联二极线圈反向并联NS2021/6/4296电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动注:在改变定子绕组联结使电动机的极对数改变以后,必须倒换加在定子绕组上电源的相序,否则电机将反转.(二)变极电动机三相绕组的联结方法三相之间一般可采用单Y(每相一条支路)、双Y（每相两条支路）和D（每相一条支路）三种联结方法。 从少极数到多极数一般采用YY/D、YY/Y联结方法。1.YY/Y联结方法2021/6/4297电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电动机定子绕组有六个出

153、线端.说明:(1).低速运行时接成Y,即1U,1V,1W接三相电源,2W,2V,2U断开.这时每相的两个半相绕组正向串联,电流方向相同,对应转速为n1极对数为p.(2).高速运行时接成YY,即1U,1V,1W短接,2W,2V,2U接三相电源(已改相序),每相的半个绕组反向并联1U 1V1W1V1W1U2W 2V 2U2W2V2UI1I1I1I1I12I1YYY2n1n1T2021/6/4298电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动联结,其中半相绕组电流反向,故极对数减一半为p/2,转速提高一倍为2n1.(3).变极前后电磁转矩不变,输出功率减小1/2.2.YY/D联结方法此法

154、接近于恒功率调速方式.2W2V 2U2W2V2U1U 1V 1W1U 1V1WI1I12I1DYYTD/TYY=PD/PYY=0.866D联接YY联接2021/6/4299电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(三)变极调速的优缺点优点: 设备简单、运行可靠、机械特性硬、损耗小、采用不同联结方法可获得恒转矩或恒功率调速特性。缺点： 只能分级调节转速，而且只能有两个或三个转速。三、三相异步电动机的变频调速三、三相异步电动机的变频调速基本原理： 当极对数p一定时，三相异步电动机的同步2021/6/4300电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动转速n1与定子电源的

155、频率f1成正比，改变f1即可改变同步转速，达到调速的目的。基频： 定子的额定频率称为基频。变频调速可从基频向下调节，也可向基频以上调节。（一）向基频以下调节的变频调速定子每相电压U1E1，气隙磁通为如在调f1时仍保持U=UN不变，则m要增大，主磁路必然过饱和，而使励磁电流急剧增大，铁2021/6/4301电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动损耗增加，cos下降。解决办法： 采用定子电压与频率配合控制，即在下调f1时同时下调定子电压U1。两种具体方法1.保持E1/f1=C(常数) 为恒磁通控制方式,这时气隙磁通为常值.电磁转矩为2021/6/4302电机原理及拖动电机原理及拖

156、动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性方程机械特性特点:上式中除sf1之外其余都是常数,在负载一定的情况下有结论:在不同频率下由负载转矩TL产生的转速降仅由TL决定,与f1无关.故在不同的f1值时各条机械特性是相互平行的.常数2021/6/4303电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动临界转差率和最在电磁转矩的计算令dT/ds=0,求得再将sm代入T=f(s)方程中可求得最大电磁转矩结论: 调定子频率不影响最大电磁转矩,但临界转差率与定子频率成反比.2021/6/4304电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性曲线优点: 恒磁通变频调速的调速方法与直流

157、他励电动机的降压调速相似.1.机械特性硬、调速范 围宽、低速运行时稳定 性好。2.由于频率可连续调节,所以变频调速为无级调速,调速的平滑性好.3.转差率小,因此转子铜耗小,效率高.nn1n1n1f1f2f3f1f2f3TLTmaxT02021/6/4305电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动因转子电流若T=常数,sf1也为常数,由上式知I2也为常数.与f1无关,当T=TN时, I2= I2N.故恒磁通变频调速属于恒转矩调速方式.2.保持U1/f1=常数此种方法的配合方式为近似恒磁通控制方式.是异步电动机变频调速常采用的一种配合控制方式.2021/6/4306电机原理及拖动电

158、机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性方程式最大电磁转矩2021/6/4307电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动临界转差率机械特性曲线特点:1.最大电磁转矩随定子频 率的降低而减小.尤其是 频率较低时更明显.2.临界转差率与定子频率 成反比.3.此法因m常数,故属于近似的恒转矩调速方式nTfNf1f1f12021/6/4308电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)向基频以上调节的变频调速当f1fN上调时,因若保持m不变必需使U1UN,这是不允许的,故保持U1=UN,上调f1, mFN ,r1和其它各项比可忽略,则得最大转矩时的转速降常数2

159、021/6/4309电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性曲线特点: 1.稳定运行区段各曲线 相互平行.2.最大电磁转矩随频率 增加成平方减小,临界 转差率与频率成反比.3.因电磁功率 正常运行时s很小故fNfn1nn近似为常数2021/6/4310电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动此法属于近似恒功率调速方式.四、降低定子电压调速四、降低定子电压调速（一）原理及机械特性特点: 各条特性有相同的理想空载点;最大转矩时的转速nm不变;在同一转速下,电磁转矩正比于电压的平方.问题:调速范围窄,如不采取措施则无实用价值.UNUnTn12021/6/431

160、1电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动降低定子电压调速是一种消耗转差功率的调速方法.U1 ( m) 若维持T=TL不变必I2而转差功率说明对恒转矩负载,降压调速时转速越低,转差率越大,定、转子电流也越大，消耗的转差功率也越大。降压调速时异步电动机的电磁转矩为当 时T1/s，这种调速方法不属于恒转矩调速方式，也不是恒功率调速方式。2021/6/4312电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动（二）降压调速的特点及应用1.只适用于高转差率笼型电动机或绕线转子电动机.最适合拖动风机及泵类负载.2.损耗大,效率低.拖动恒转矩负载在低速下长期运行时,会导致电动机严重发

161、热.3.低速运行时,转速稳定性差.4.调速装置简单,价格便宜.还可作笼型电动机的起动设备.(三)扩大降压调速稳定运行范围的方法方法1: 采用转速负反馈控制.2021/6/4313电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动原理示意图调节过程:当负载增加时调压器交流电网电动机测速机AAT放大器 触发器Ugd给定UUfUNU1U1Tn2021/6/4314电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动机械特性特性a-a为有转速负反馈时的机械特性较无反馈时a-b为硬即提高了运行时的稳定性,扩大了调速范围.(四)变极调压调速原理:靠变极给出不同的转速层次,靠调压实现在不同转速层间

162、的平滑无级调节.aabU1U1TnTLTL2021/6/4315电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动五、绕线转子异步电动机转子串电阻调速五、绕线转子异步电动机转子串电阻调速根据比例推移，在A、B、C、D点有电磁转矩当I2=I2N，T=TN，与s无关，属于恒转矩调速方法。Tnn1r2r2+Rc1r2+Rc2r2+Rc3r2+Rc2TL=TN2021/6/4316电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动因转差功率故转速越低，s越大，消耗在转子回路中的转差功率就越大。调速系统的效率也越低。此法的不足：1.在低速运行时机械特性很软,转速稳定性不好.当要求的静差率较小

163、时,调速范围就不能太宽.2.只能分级调节转速.3.适用于对调速精度要求不高的生产机械.如起重机、通风机等。2021/6/4317电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动六、绕线转子异步电动机串级调速六、绕线转子异步电动机串级调速（一）串级调速原理 在异步电动机转子回路中串入一个与转子电动势sE2频率相同、相位相同或相反的附加电动势Ead，利用调节Ead的大小来调节转速的一种调速方法。当定子电压及负载转矩都保持不变时，I2为常数。又正常运行时s小，则sE2+ Ead常数即改变Ead可调s，实现电动机转速的调节。.sE2.r2I2.Ead.x22021/6/4318电机原理及拖动电

164、机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动次同步串级调速：若式中取负号，则当Ead在0-E2之间变化时，即可在同步转速以下调节电动机的转速。超同步串级调速：式中取正号，增大Ead时s减小，n提高。当增大到某一值时，s=0、n=n1,达到同步转速,如再增大Ead,则sn1,电机在高于同步转速下运行.从功率关系当在次同步串级调速中Ead将吸收功率忽略转子回路铜损耗后Ps=Pad2021/6/4319电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动因此,改变Ead即可调节转差功率,从而改变了转差率s,达到调速的目的.Ead吸收的功率不再转化为损耗 而是加以利用或者回馈电网,所以串级调速是属于转

165、差功率回收型的调速方法,效率较高.(二)晶闸管次同步串级调速方法:将转子电势进行整流,然后在直流回路中串入一个与整流后的转子电动势极性相反的直流附加电动势.优点: 避免了随时改变附加电动势频率的麻烦.2021/6/4320电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动原理示意图UdUId负载电机整流器逆变器变压器电网2021/6/4321电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动串调系统的机械特性当Id=0时,转差率和相应转速当Id不太在时,T=KtId成线性关系,这时当负载转矩不大时当负载转矩不大时,串调系统串调系统的机械特性与他励直流电动机的机械特性与他励直流电动机

166、降压调速时报机械特性相似降压调速时报机械特性相似.=90n2021/6/4322电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(三)串级调速的效率1.能量流图2.能量关系式PP1PMPcu1+pFePm+psPmP2PsPcu2+pBPB2021/6/4323电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动3.系统的效率电动机低速运行时,因s较大,所以Ps大,电网实际输入的功率P减小,故系统效率高.系统的主要优缺点优点:调速平滑无级,机械特性硬,效率高.缺点:功率因数低尤其在深调速时更为严重. 系统的功率因数coscos,而调速是靠调U=f(). 调速范围不能太宽,否则将增大

167、设备容量,不经济,通常调速范围在1.5-2之间比较合理.2021/6/4324电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电动机的过载能力下降,大约减小17%左右. 第五节 三相异步电动机的各种运行状态一、电动运行状态一、电动运行状态如拖动反抗恒转矩负载正转电动时位于第1象限反转时要改变相序，n1和T均改变方向电机反转，位于第3象限。电动机吸收电能，输出机械能给生产机械。TLTn-TLn1-n12021/6/4325电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动二、反接制动二、反接制动定子任意两 相绕组对调后接入电源，同时在转子回路串入三相对称电阻Rc。因n0,T1电磁功

168、率,机械功率,转差功率U V WTTLnn1U V Wnn1nTLTRcTL-TLABC2021/6/4326电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动功率关系说明在反接制动时,电动机既要从电网吸取电功率,又要从轴上输入机械功率.电磁功率和机械功率都转变为转差功率,消耗于转子回路的电阻中.当转速降到C点n=0,电动机是否能停车或反转视T和TL的比较结果而定,如 T TL 停车,反之反向起动.在第三象限稳定运行.2021/6/4327电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动(二)转子反向的反接制动在拖动位能性负载时会发生.在A点稳定提升重物现想下放重物,在转子回路中

169、串入大电阻,减速到C点时因T0,n1.与定子两相反接制动时相同,故能量关系也一样.ACBDTn2021/6/4328电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三三 、回馈制动、回馈制动当笼型转子异步电动机拖动位能性负载高速下放重物时，可将电动机定子绕组按反相序接入电网。反接前重物停在空中nA=0，反接后n1改变方向T改变方向，电动机在反向电磁转矩和负载转矩共同作用下快速反向旋转。A BB-nACTL1TL2n-n12021/6/4329电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动在B点，T=0，在负载转矩的作用下将继续升速，并T0,直到C点T=TL2高速下放重物.B

170、C 在第四象限C点因T0,n0,为制动状态s0因机械功率电磁功率说明在下放重物时位能负载能量减小的同时把能量反送给电动机并回馈给电网.2021/6/4330电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动四、能耗制动四、能耗制动原理: 制动时将定子交流电源断开,然后立即使定子两相绕组经限流电阻接到直流电源上,在气隙中建立一个固定磁场.旋转的转子中产生感应电势和电流,产生的电磁转矩T与转子旋转方向相反. 电动机轴上的功率P2=TT,电机减速, 角拉大,T增加,电动机可能在新的平衡点A运行.0 0,如TTL则电动机将会在B点稳定运行而不会停转。-自转消除办法：加大转子笼条电阻。 最大转矩不

171、变，但临界转差率与转子电阻成比例地增大从而改变了机械特性。Ts-s+T+T-TTLAB2021/6/4378加大转子电阻后的机械特性:T总是反对转子旋转的起制动作用。所以，一旦Uc=0，成为单相，电动机会马上停止。交流伺服电动机的特性及控制方法：1.改变控制电压Uc幅值时的机械特性2. 正常工作时,Uf=常数,Uc可调节,故为两3.相不对称系统。Ts-s+T+T-T2021/6/4379特性曲线特点：1.Uc= Uf=0时,n0n12.Uc越低, n0也越低,极限情况,当Uc=0,n0=0.3.如电压对称,则T-=0, T=T+,n0=n14.当TL=常数时,调Uc可改变n, Uc越大,n越高

172、.Ts+s-T-T+T0212021/6/43802.交流异步伺服电动机的控制方法 靠改变Uc实现。（1）幅值控制 保持Uc与Uf相差90度不变，仅改变Uc的幅值大小，结果可调节转子转速的高低。（2）相位控制 保持Uc幅值不变，仅改变Uc的相位，当Uc改变180度时，电机反转。（3）即 Uc幅值，又改变Uc的相位2021/6/4381第四节 旋转变压器一、概述 旋转变压器是输出电压与转子转角呈某种函数关系的精密感应式微电机。 基本结构与普通绕线转子异步电动机相似，但定、转子绕组都是在空间相差90度电角度的两相对称绕组。二、正、余弦旋转变压器的工作原理 输出电压与转子转角呈正弦或余弦关系。（一）

173、空载运行D1 D2 定子一相绕组Z1Z2 转子一相绕组Z1Z2D1D2d1d2Z1Z2D1D2d1d2Z1D1D2d1d2Z22021/6/43821.转角=0 定、转子电动势为2.如转子转过 转子电动势为转子感应电动势与转角的余弦成正比.Z1Z2D1D2d1d2Z1D1D2d1d2Z2FsFs2021/6/4383如在转子上再加一套与Z1Z2绕组在空间相差900的绕组Z3Z4，则其上感应电动势为这套绕组感应电动势与转角成正弦关系。结论： 在空载时，只有定子磁动势、转子输出电压与转角成正、余弦关系。2021/6/4384(二） 正、余弦旋转变压器的负载运行1.=00时 定、转子绕组产生的磁动势

174、都在定子绕组的轴线方向上。磁势平衡式磁动势与空载时相同。2. =00时转子绕组磁动势含有交轴分量磁势Fq,会改变磁场,引起误差.Z1D1D2d1d2Z2FSFrFdFq2021/6/43853. 转子侧补偿的正、弦旋转变压器 在转子上加上一正弦绕组,如两相对称、负载阻抗也相同、则两绕组中的交轴磁动势刚好相互抵消。4. 定子侧补偿的正、余弦旋转变压器 当转子绕组交轴磁势不能完全消除时，靠定子绕组D3-D4来消除 Z4D1D2D4D3Z1Z2Z3ZrZrZs2021/6/4386三、线性旋转变压器的工作原理 线性旋转变压器的输出电压与转角成正比。UrZ4D1D2D4D3Z1Z2Z3Z2Us2021

175、/6/4387第五节 自整角机一、概述 自整角机是一种对角速度的偏差有自整步能力的控制电机，使机械上互不相连的两根转轴或多根转轴能自动保持相同的转角或同步旋转。 广泛用于显示装置和随动系统中。 在系统中通常是两台或多台自整角机组合使用。产生信号的一方为发送机，接收信号的一方为接收机。 力矩式自整角机：用于同步指示系统自整角机 控制式自整角机：用于随动系统 2021/6/4388二、力矩式自整角机 定子有三相对称绕组（同步绕组），转子上安放单相励磁绕组。规定,当发送机和接收机的励磁绕组轴线与三相同步绕组中的U相绕组轴线重合时为转子的初始位置,这时发送机的偏移转角1和接收机的偏移转角2 都为零。D

176、UFDWFDVFDVJDWJDUJZ1FZ2FZ2JZ1J发送机接收机2021/6/4389原理: 当励磁绕组通电,两台自整角机都产生单相脉振磁场。在同步绕组中感应出相应的电动势，发送机电动势为接收机电动势为2021/6/4390 当偏移角1= 2，则失调角= 1- 2=00，这时三相绕组回路中没有电流，自整角机中就没有转矩产生。 当偏移角1= 2，自整角机中就有转矩产生。转矩迫使接收机跟随发送机旋转，使1= 2时为止。自整步作用三、控制式自整角机接收机初始位置与发送机差90度，当1= 2=00，则失调角= 1- 2=00时，Ur =0DUFDWFDVFDVJDWJDUJZ1FZ2FZ2JZ1

177、JUr当偏移角1= 2，2021/6/4391控制式自整角机原理示意图12001200UrZ1fDUF2021/6/4392WVUVWU第六节 步进电动机 每输入一个脉冲,电动机转过一个步矩角。也称脉冲电动机。步进电动机基本工作原理图示只给U相通电 只给V相通电 UUWWVV312412342021/6/4393第九章 电力拖动系统中电动机的选择一、正确选择电动机的意义 在首先应满足生产机械的要求的前提下，合理地选择电动机的类型、运行方式、额定转速及额定功率，使电动机在高效率、低损耗的状态下可靠地运行，以达到节能和提高综合经济效益的目的。 中小型三相异步电动机，在我国应用十分广泛，其装机容量达

178、3亿KW，用电量约占总发电量的60%，约3500亿KWh。由于电动机选用不合理，每年浪费的投资约10亿元，浪费电能50KWh以上。二、决定电动机额定功率的主要因素 主要考虑两个因素：1、电动机的发热及温升； 2、电动机的短时过载能力。 对于笼型电动机还要考虑起动能力。2021/6/4394 电动机的损耗最终转变为热能，而使各部分的温度升高，使与该部件相接触的绝缘材料将迅速老化使其机械强度和绝缘性能很快降低，寿命大大缩短。 铁心和绕组是产生损耗和发出热量的主要部件。电机中常用的绝缘材料，按其耐热能力，分为A、E、B、F和H等五级。绝缘级别AEBFH最高允许温度（0C）105120130155180最高允许温升（K）6075801051252021/6/4395电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动电机原理及拖动三、确定电动机额定功率的方法最基本的方法： 依据机械负载变化的规律，绘制电动机的负载图，然后根据电动机的负载图计算电动机的发热和温升曲线，从而确定电动机的额定功率。负载图：电动机功率或转矩与时间的关系图。实用方法： 统计法- 通过对同类负载所选用的电动机额定功率进行统计计算和分析，从中找出电动机额定功率与该类负载主要参数间的关系，得出相应的电动机额定功率的计算公式。2021/6/4396