电气传动系统动力学基础.doc

1、第一章 电气传动系统动力学基础1.1 电气传动系统的运动方程式电力拖动装置通常由电动机、工作机构、控制设备和电源四部分组成。电动机和工作机构之间一般还有传动机构，把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。（一） 运动方程式电动机（M ）生产机械TLTMM+TLM图2.1 单轴拖动系统对于直线运动，方程式为FF Z= m dtv(N)式中 F拖动力 FZ阻力 m 惯性力 m 的单位为 kg 对于旋转运动，方程式为TT Z =J dt（Nm）式中 T拖动转矩TZ阻转矩（或称负载转矩）J dt惯性转矩（或称加速转矩）通常将转动惯量 J 用飞轮矩 GD2 来表示，它们之间的关

2、系为J=mp2= g4GD式中 m 与 G转动部分的质量（kg）与重量（N ） ；与 D惯性半径与直径（m） ；g=9.81m/s2 重力加速度再将机械角速度 用转速 n 表示，则可得运动方程式的实用形式T TZ= 3752dt式中 GD2飞轮矩 Nm2电动机的工作状态可由运动方程式判断（1）当 T=TZ ， dtn=0 ，则 n=0 或 n=常值电动机静止或等速旋转，即拖动系统稳定运行。（2）当 TTZ ， dtn0 ，电力拖动系统加速运行。（3）当 T n a，T M TL ，即 n(干扰)，消除后 TM - TL 0，加速第二章 直流电动机的传动特性2.1 直流电机的基本工作原理及结构一

3、、直流电机的基本结构1、主磁极建立主磁场（N、S 交替排列）a、 主极铁心磁路，由 1.01.5mm 厚钢板构成b、 励磁绕组电路、由电磁线绕制2、机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3、电枢铁心磁路，0.5mm 厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4、电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）5、换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料）（ MTfn）（ LTfn n na a a a 稳定工作点的判别6、电刷装置a、 电刷石墨或金属石墨b、 刷握、刷杆、连线（铜丝辨）换向极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）二、基本工作原理直流电机的构成（1）.定子：

4、主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）.气隙*注意：同步电机旋转磁极式；直流电机旋转电枢式。1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1） 原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2） 特点：e=BLV；a、 电枢绕组中电动势是交流电动势b、 由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、 电枢电动势原动势；电磁转矩阻转矩（与 T、n 反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1） 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2） 特点：f

5、=BiL a、 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、 电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。c、 电枢电动势反电势（与 I 反向） ；电磁转矩驱动转矩（与n 同向）*说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。7、3、脉动的减小电枢绕组由许多线圈串联组成三、励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式） 他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：

6、以并激绕组为主，以串激绕组为辅。*说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。四、直流电机的型号和额定值(type and rated values)1.型号： Z 2-9 2铁心长度代号机座号第二次改型设计直流2.额定值额定功率：发电机 PN：输出电功率；电动机 PN：输出机械功率；额定电压：U N；额定电流：I N；额定值之间的关系：发电机：P N= UN IN；电动机：P N= UNIN N。2.2 直流电动机的运行特性1转矩转速特性（机械特性）电磁转矩 Te 与转速 n 之间的关系曲线n=f（Te）或 Te= f（n）*（1）n= f（Te）与励磁方式有关（2）自然（固有）机械特性与人

7、工（人为）机械特性U=UN Rfj=0 Iaj=0 NU0aj（3）硬特性与软特性2工作特性指 U=UN= 常数 Rfj=0 时 n,Te, 与 P2 的关系曲线(1) 转速特性 n=f(P2)或 n=f(Ia)(2) 转矩特性 Te=f(P2)(3) 效率特性 =f(P 2)一、 并励直流电动机的运行特性（一）转矩转速特性指 U=UN=常数,R f=常数,n=f(T e)1接线图2表达式 Ea=U-IaRa=Cen; I a=Te/CTn=(U-IaRa)/Ce=U/C e-R aIa/Ce=U/C e-R aTe/CTCe 2=n0-RaTe/ CTCe 23N=f(T e)曲线 *特点：

8、硬特性4引起 n 下降的原因T2TeIaIaRa nn 0R a/ CTCe 2n（二）工作特性1转速特性 n=f(Ia)或 n=f(P2)（1）表达式（2）分析：P 2T 2T eI an（3）并励直流电动机的转速调整率nn=(n 0-nN)/nN*n=(38)%励磁绕组不允许断开2转矩特性（1）表达式（2）分析3效率特性同其它电机：可变损耗等于不变损耗时， max2.3 直流电动机的起动特性直流电动机的起动1对起动性能的要求：Tst 足够大Ist 尽量小（小于允许值）2起动方法（1）直接起动直接将电枢投入 UN 起动（2）电枢回路串变阻器起动起动时在电枢回路串入起动电阻 Rst（3）降压起

9、动起动降低电枢绕组电压 U n1 , sn1)转速旋转。(2) 转子导体运动（相对磁场，磁场转速慢）切割磁力线，产生感应电动势，进而产生电流。电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相反的制动转矩。(3) 电机从轴上吸收机械功率，经过气隙耦合再向电网输出电功率。3电磁制动状态 ( n1)转子逆着磁场方向旋转，此时电机既从电网吸收电功率又从轴上吸收机械功率，它们都消耗在电机内部变成损耗。3.1.3 三相异步电动机的旋转磁场（1）旋转磁场的产生三相异步电动机定子三相对称绕组通入三相对称电流便可产生旋转磁场。为分析方便，设三相定子对称绕组 AX、BY 和 CZ 接成 Y 形，如图 15-44 所示。所

10、谓对称是指这三个绕组匝数相同，结构一样，互隔 120。设三相定子绕组通入的对称三相电流为 tIimAsin120BitIiC三相电流的波形如图 15-45 所示，并规定电流正方向由始端指向末端，图中实际电流的流入端用 表示，流出端用表示。为了分析合成磁场的变化规律，我们任选几个特定时刻图 15-44 定子三相绕组进行分析。360,24,10, tttt （a） 0 (b) 120 (c) 240 (d) 360tt tt图 15-45 两极旋转磁场的形成当 时，i A=0，i B 为负， iC 为正，其实际方向见图 15-45a。依右手螺t旋定则，其合成磁场如图中虚线所示。它具有一对（即两个）

11、磁极：N 极和 S极，且与 A 相绕组平面重合。同理可得在 120、240和 360时的合t成磁场如图 15-45b、c、d 所示。可见，当定子绕组通入对称三相电流后，就产生旋转磁场，且该磁场是随电流的交变而在空间有规律地不断旋转。 （两极时，电一周期，磁场转一圈）（2）旋转磁场的转向从上面的分析中还可发现，合成磁场的转动方向是由 A 相绕组平面转向 B相绕组平面再到 C 相绕组平面，周而复始地继续旋转下去。从图 15-45 又可看出，旋转磁场的转向与三相绕相通入三相电流的相序是一致的。所以只要对调三根电源线中的任意两相接线，旋转磁场必将反向旋转。（3）旋转磁场的转速由以上两级（即极对数 p=

12、1）旋转磁场的分析可知，电流变化一周，磁场也正好在空间旋转一周，若电流频率为 ，则两极旋转磁场每分钟的转速为1fn1=60 （r/min） 。f在 实 际 应 用 中 ， 常 使 用 极 对 数 p 1 的 多 磁 极 电 动 机 。 而 旋 转 磁 场 的 极 对 数与 定 子 绕 组 的 安 排 有 关 。 若 每 相 绕 组 至 少 由 两 个 线 圈 串 联 组 成 。 见 图 15-46（ a） 、（ b） 所 示 ， 各 绕 组 始 端 之 间 在 空 间 相 差 60， 则 通 入 对 称 三 相 电 流 后 便 产 生 四极 旋 转 磁 场 ， 即 磁 极 对 数 为 p=2。

13、 这 时 由 图 15-46（ c） 、 （ d） 分析可知，电流变化0i t120240360iCiBiAA AX XBBYY ZCCZAXBYCZAXBYCZn1 n1 n1n1一周，旋转磁场在空间只转过 1/2 圈，即转速为 min/26011rfn（ a） 绕 组 安 排 （ b） 绕 组 接 法 （ c） 0 时 （ d） 120 时tt图 15-46 四极旋转磁场由此可见，只要按一定规律安排和联接定子绕组，就可获得不同极对数的旋转磁场，产生不同的转速，其关系为：（4-min/601rpfn23）在我国，工频交流电 =50Hz，所以，不同磁极对数的旋转磁场转速如表1f15-4。表 1

14、5-4磁极对数 p 1 2 3 4 5 6磁场转速（r/min）1n3000 1500 1000 750 600 500（4）异步转动原理与转差率转动原理当电动机定子对称三相绕组通入顺序三相电流时，电动机内部就产生一个顺时针方向的旋转磁场。设某瞬间的电流及两极磁场如图 15-47 所示，并以转速顺时针旋转。由于转子导体与旋转磁场间的相对运动而在转子导体中产1n生感应电动势。若把旋转磁场视为静止，则相当于转子导体逆时针方向切割磁ABCABCNNS S NN SSiAACABBZ XYiBiCXZ YCABCXAXYBYZCZ力线，感应电动势的方向可用右手定则来判定。因为转子绕组是闭合的，所以会产

15、生与感应电动势同方向的感应电流。这样，上半部转子导体的电流是从纸面流出来的，下半部则是流进去的。正如所知，通电（载流）导体在磁场中要受到电磁力作用，故载有感应电流的转子导体与旋转磁场相互作用便产生电磁力 F，其方向可用左手定则判断。此力对转轴形成一个与旋转磁场同向的电磁转矩，使得转子沿着旋转磁场的方向以 n 的转速旋转起来。转差率异步电动机转子的转速 n 永远低于旋转磁场的转速 n1。因为如果 n=n1，转子与旋转磁场间就没有相对运动，转子导体就不切割磁力线，也就没有感应电势和感应电流产生，所以也不会产生电磁转矩使转子转动了。nn 1，异步电动机因此得名，n 1 称为同步转速。又因为转子电动势

16、和电流是通过电磁感应产生的，故异步电动机又叫感应电动机。转子的转速是随着轴上机械负载的变化而略有变化的。当电动机拖动的机械负载转矩增大时，转速 n 将要下降。旋转磁场与转子转速存在着转速差（n 1-n）是异步电动机工作的一个特点。通常，我们将这个转速差与同步转速 n1 之比称为转差率，用 s 表示。即（15-24）1ns它是反映异步电动机运行情况的一个重要物理量。当异步电动机接通电源起动瞬间 n=0，所以 s=1。电动机转差率的变化范围为0s1中、小型电动机在额定运行时的转差率一般为 sN （0.020.06） 。例 15-4 已知一台异步电动机的额定转速为 nN=720r/min，电源频率

17、f 为50Hz，试问该电机是几极的？额定转差率为多少？解：由于电动机的额定转速应接近于其同步转速，所以可知n1=750r/min依公式（15-22）得图 15-47 异步转动原理图n1nFFNS470561nfp所以该电动机是 8 极电机。额定转差率为 04.721sN3.1.4 定子绕组线端连接方式3.1.5 异步电动机的额定值额定功率：电机轴上输出的机械功率 W , kW额定电压：定子绕组线电压 V额定电流：定子绕组线电流 A额定频率：电网频率即工频 50HZ额定转速：额定工况下的转子转速 r/min另外有：额定运行时的效率 和额定运行时的功率因数NNcos关系式： NIUPcos3定子三

18、相绕组 Y 接时 ；定子绕组 接时 NNUI3NNI33.2 三相异步电动机的定子电路和转子电路3.2.1 定子电路分析图 15-41 三相异步电动机的接线图C CA A BBW2 W2U1U1U2 U2V2 V2V1 V1 W1W1ZZ XX YY(a) Y 联接 (b) 联接异步电动机的电磁关系可以参照变压器的电磁关系析之，不同的是副边短路，且因转动而使转子电流频率与电源频率不同。对于定子中的每相绕组，与变压器原绕组一样，如图 15-48 所示的等效电路。忽略铜损与漏磁时（15-26）114.kNfEV其中 k1为绕组系数，因每相绕组分布在不同的定子槽内 k1，一般空载时， V197%E

19、1额定负载时， V193%E 1。而转子电路中的每相（鼠笼式每根转子导体便为一相）绕组，虽说其内阻 R2与漏抗X2均不大，但因其转速（负载大小）的变化与各种工作情况之别，电流与频率的变化均比较剧烈，直接影响电动机的运行特性，也是影响其电磁转矩的重要因素，所以都需虑及。3.2.2 转子电路分析首先，转子电流的频率 是转子导体切割旋转磁场而产生，其切割速度为（ n1-n） ，2f故 （15-111260sfnpnf 27）起动时 n=0， s=1，则 与变压器相符，且为最大值。12f额定负载时 0.02 s0.06，故工频情况下， 3H 2，为超低频。从而转子漏感抗f（15-28）01222 sX

20、LsfLX转子中感应电动势（15-29）2021224.4. sENfsfE其中 也均为 n=0 时的情况，与变压器相符。为最大值，或2120LfX210者说感性最强。转子中电流 图 15-48 电动机每相等值电路f1X1 X2R1 R2IVI1E2f20 0.2 0.4 0.6 0.8 sI2I2cos 2cos 211（15-30）20222 XsREI转子电路的功率因数（15-31）202coss与 s 的关系如图 15-49 所示。2I3.3 三相异步电动机的转矩和机械特性3.3.1 三相异步电动机的转矩1、物理表达式物理表达式描述了电磁转矩与磁通、转子有功电流的关系，即 2cosIC

21、TmMe因为： 2211211221 coscos602coscs ICIkNpmnIkNfmIEP mmem 式中， 称为异步电动机转矩常数2212 IkkpkNpCiNiM 2、参数表达式参数表达式描述了电磁转矩与参数的的关系，即 21212XsRfpUmTem图 15-49 与 s 的关系22co,I因为： 所以 得上式pfXsRUIsmPe12122211emPT讨论 曲线)(sfTem（1）电源电压、频率一定时，认为参数不变，电磁转矩只与转差率有关，曲线如右图示。 （5.26Fig ）（2） s=1 起动时，电抗起主要作用，R 2/s 相对较小。（3）s 接近零时，R 2/s 相对较

22、大起主要作用 .（4） s 等于零时，到同步速 n=n1 时,T em=0最大电磁转矩：令 得： 正号为电动机，负号为发0dsTem2121ax2124XRfpUmTXsm电机通常，电阻值远远小于电抗值，上式简化为： )(421max2XfpUTRs讨论：（1）频率一定时，最大转矩与电源电压平方成正比。（2）最大转矩与转子电阻无关，但出现最大电磁转矩时得转差率 s与 成比例。利用这个特点，可以在转子绕组（绕线式）中串电2R阻改变转差率（速度） 。（3） 频率一定，最大转矩与漏抗成反比。（4）电机过载能力 kM=1.6 2.5 范围，它是电机的重要性NTkmax能指标之一。起动转矩：令 s=1

23、得 21212XRfpUmTst对于绕线式电机，转子回路可以串电阻，使电机起动时获得最大转矩，212 XRstm起动转矩倍数 （1.0 2.0 ）NsttTk异步电动机性能指标包括：经济指标：效率、功率因数技术指标：最大转矩倍数(1.62.5) 、起动转矩倍数（1.02.0） 、起动电流倍数（47）3、实用表达式该表达式常用于电力拖动系统设计，根据电机已知数据获得实用表达式： memsT2ax3.4 三相异步电动机的起动特性3.4.1 三相异步电动机的起动1、概述起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程；起动电流：n=0,S=1 时的电流。 kst ZUxrI 12121)(

24、)(起动电流倍数： 75NstiIk起动转矩：n=0，s=1 时的电磁转矩。21() 21stemstst strIPTI起动电流大的原因：此时处于短路。起动转矩不大的原因：1） 减少； 使 Tst 不大。m2） 减小；2cos起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动设备简单，可靠。2、鼠笼式异步电动机的起动直接起动优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，须足够大的电源；适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。*如何判断是否能起动：起动电流；起动转矩；二者必须同时满足。降压起动如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压

25、，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。*适用：容量大于 20kW 并带轻载的情况。 定子回路串电抗器起动； ststIk1 ststTk21式中：k 为电动机端电压之比，且 k1。用 Y- 起动适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且三相绕组首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用。； ststYI31ststYT31自耦补偿器（自耦变压器）起动； ststIkI2 ststk2优点：一般有三个抽头，有不同的选者。缺点：设备费用较高。*三种起动方法的比较 ：3.4.2 特殊结构的笼型异步电动机1、深槽式异步电动机结构：定子：与普通鼠笼电动

26、机一样；转子：槽深而窄, 120bh工作原理：同双鼠笼式异步电动机。*双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。2、双鼠笼式异步电动机结构定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：有两套鼠笼 上层笼： 大，黄铜或青铜，截面小，r 2 上 大起动笼下层笼： 小，紫铜，截面大，r 2 下 小工作笼漏磁通分布情况：由于缝隙的存在， 下 上 ，即 x2 下 x2 上 。运行原理起动时，s=1，f 2 最大，转子漏抗 x2 大，电流分布取决于 x2，x 2 下 x2 上 ，转子电流集中于上笼（趋肤效应）-起动笼起主要作用，又r 2 上 大Tst；2

27、cos正常运行：s N=0.010.06，很小f 2S 很小x 2 很小电流取决于 r2，r 2下 小电流分布在下笼，此时漏抗 x2 小， Temcos优缺点 优点：较大的 Tst 和较小 Ist；缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。3.4.3 绕线式异步电动机的起动转子：一般均接成 Y 形，正常三相绕组通过滑环短接，若转子绕组直接短接情况下起动，与鼠笼一样， Ist 大，Tst 不大。1、在转子回路串起动变阻器起动在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。一般取最大加速转矩 T1=(0.70.85)T m，切换转矩 T2=(1.1

28、1.2)TN。优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。2、在转子回路串接频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。3.5 三相异步电动机的调速特性概述1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。2.转速公式： )1(60)1(SpfnS3.调速方法：变极调速；变频调速；改变转差率 S 调速。4.调速性能：调速范围；调速的稳定性；调速的平滑性；调速的经济性。3.5.1 改变定子端电压调速

29、属于改变转差率调速 Sm 不变；适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。*电磁调速异步电动机-滑差电动机一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速范围广，起动转矩大，已被广泛应用。3.5.2 转子回路串电阻调速属于改变转差率调速 Sm 改变；串电阻前后保持转子电流不变，则有：； ；SRN2 N22cos电磁转矩为： 保持不变，即属于恒转矩调速。ICTmMe优点：简单、可靠、价格便宜；缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速。3.5.3 变极调速前言：可以采用两套绕组，但为了提高材料的利用率，一般采用单绕组变极，即通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的

30、磁动势，以实现变极调速。1. 变极原理S N S Na1 x1 a2 x2A X2p=4N Sa1 x1 a2 x2A X2p=22.变极绕组的连接方法： YY(2pp)；顺串 Y反串 Y（2pp） ；YY(2pp)。说明：变极前后，三相绕组的相序发生改变，为保证电动机的转向不变，须对调定子两相绕组的出线端。3.变极前后转矩和功率的变化设定子绕组相电压为 ，相电流为 ，则输出功率为XU1I cos312IUpX变极前后两种极对数下， 、 不变，并近似认为 ，则得：cosPempInPTXem11YYY(2pp)；Y 接时绕组相电流为：I；YY 接时绕组相电流为：2I；则变极前后电磁转矩之比为：

31、 1)2(pIUTXY结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速。YY(2pp)；同步角速度之比： 2pY 接相电压为： ，相电流为：I；YY 接相电压为： ，相电流为：XU3XU2I，则两种极对数下输出功率之比为： 86.02312 IpTPXYY结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速。*说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，但只能实现有极调速。单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂，故变极调速不适宜超过三种速度。3.5.4 变频调速1.概述异步电动机的转速： ；当转差率 S 变化不大时，n 近似正比)1(60Spfn于频率 ，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。1f

32、单一调频， 不变， 电机得不到充分利U1fm)(axTemk用； 磁路过饱和，励磁电流1f ，1cospFe保持 不变，调 同时，调 ， 不变。 m1f1Umk)()(12mXemNkfUT2.恒转矩调速电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有 ，eNT则，若令电压随频率作正比变化： ，1)()(12MXemNkfUT 1fUX则主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。3.恒功率调速电机变频调速前后它的电磁功率相等，即 ，则11emNemTP1）若主磁通不变：1fTemN2）若过载能力不变： ，主磁通发生变化；1fUX*优点：调速范

33、围广，平滑性好。*缺点：价格比较贵。3.6 三相异步电动机的制动特性电动机在断开电源后，由于惯性会继续转动一段时间后才停转。为了缩短辅助工时，提高生产率，保证安全，有些生产机械要求电动机能准确、迅速停车，这就需要用强制的方法迫使电动机迅速停车，这就叫制动。制动的方法有电磁抱闸机械制动和电气制动。这里只介绍电气制动的原理。所谓电气制动，就是使电动机产生一个与转动方向相反的电磁转矩，快速停车。常用的电气制动方法有能耗制动和反接制动等，现分述如下。3.6.1 能耗制动当电动机断开三相交流电时，立即向定子绕组通入直流电，定子绕组产生一个静止的磁场（不论极性如何） ，这时，继续依惯性转的转子导体便切割磁

34、场而产生感应电动势和电流，其方向可用右手定则判断。转子导体电流又与磁场相互作用而产生同旋转方向相反的电磁制动转矩（可用左手定则判定其方向） ，使电动机迅速停车，原理如图 15-61 所示。由于这种方法是用消耗转子的动能（转换成电能）来进行制动的，所以称为能耗制动。调节直流电流的大小，可以控制制动转矩的大小。一般直流电流可调节为额定电流的0.51 倍。这种方法准确、平稳、耗能小，但需直流电源。M3+S1S2Rn10nF1F1 nF1FrSNn1图 15-61 能耗制动原理图 图 15-62 反接制动原理3.6.2 反接制动反接制动就是当要求电动机停车时，通过任意对调三相定子绕组的两相电源来实现的

35、。两相电源对调后，旋转磁场反向，电磁转矩也反向而起制动作用。原理如图 15-62 所示。当制动至转速接近于零时，应立即断开电源，否则电动机将反转，通常这任务是由速度继电器来实现的。由于反接制动时旋转磁场与转子的相对转速（ n1+n）很大，制动电流也就很大，所以通常在制动时要在定子或转子电路中串接电阻以限制制动电流。这种制动方法简单、快速，但准确性较差，耗能大，冲击较强烈，易损坏机械零件。3.6.3 反馈制动3.7 单相异步电动机结构：定子为单相绕组（有起动和工作绕组） ；转子为鼠笼式。3.7.1 工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为 F+、F -，建立起正转和反转磁场

36、 +、 -，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩 T+、T -，叠加后即为推动转子转动的合成转矩 T。设电动机转速为 n，则对正转磁场而言，转差率 s+为s+ = =s1对反转磁场而言，转差率 s-为s- = =2-s1n*单相异步电动机的 T=f(s)曲线：*单相异步电动机的特点：转子静止时，合成转矩为 0，即单相异步电动机无起动转矩。当 s1 时，T0，且 T 无固定方向，取决于 s 的正负。由于反向转矩的作用，合成转矩减小，过载能力低。3.7.2 起动方法1.分相起动电动机 电容起动电动机：转向：由起动绕组转向工作绕组； 电容运转电动机：实为两相异步电

37、动机； 电阻起动电动机：起动转矩小，只适用于比较容易起动的场合。2.罩极电动机结构特点：凸极定子，工作绕组为集中绕组，极靴表面的 处开槽，小314极部分罩短路环（即为罩极绕组） ；工作特点：电动机起动转矩很小，只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中，容量一般在 3040 瓦以下；转向：由未罩部分转向被罩部分。*小结：分相电动机可通过改变并联到单相电源的两绕组的任一个的首、末端，即可改变其转向。3.8 同步电动机3.8.1 同步电动机基本结构三相同步电动机在结构上与三相同步发电机相同，如图 15-78 所示。定子（电枢）与三相异步电动机的定子结构完全相同，也由铁心和三相绕组组成。转子磁极由铁心和励

38、磁绕组构成。磁极铁心上的励磁绕组经滑环和电刷通入直流电励磁，使各磁极产生 N、S 交替排列的极性。同步电动机的转子磁极按其结构形状分为凸极式和隐极式两种。如图 15-79（a ）和（b）所示。大容量、高速同步电动机多为隐极式；凸极式虽极数较多，但制造工艺简单、过载能力强、运行稳定性好，一般中、小型同步电动机多采用凸极式。（a）凸极式 （b）隐极式图 15-78 三相同步电动机的原理结构 图 15-79 转子磁极的两种结构三相定子绕组联结成星形或三角形，通以三相对称正弦交流电流时，和三相异步电动机一样，产生幅值恒定、转速均匀的旋转磁场。而转子磁极的极对数在制造上恰与定子旋转磁场的极对数相等，故转

39、子磁极被旋转磁场吸引以同步转速旋转，如图 15-80 所示。转速为：（15-40 ）pfn160图 15-80 三相同步电动机的转动原理 图 15-81 三相同步电动机的机械特性只要负载转矩不超过电动机的最大转矩，转子的转速总等于同步转速，与所带负载的大小无关。其机械特性为绝对硬特性，如图 15-81 所示。3.8.2 同步电动机的工作原理和运行特性同步电动机的电磁转矩取决于转子磁极轴线与旋转磁场中心线间的夹角 ，见图 15-80。当 角为 0时，电磁转矩为零，转子只受径向拉力。随着 角的增大，电磁力的切向分量增大，电磁转矩增大， 角等于 90时，电磁转矩最大。而负载的变化只影响 角的大小，不

40、会改变转速。实际运行中，0 90，当负载转矩大于最大转矩时电动机会失去同步（简称失步） 。一般要求，最大电磁转矩 Tm 与额定负载转矩 TN 之比：T m/TN1.8。在额定负载下运行时， 角约为 30左右。改变转子励磁电流的大小，可以调节电动机的功率因数，是三相同步电动机一个非常重要的特点。在定子电压和负载转矩不变的情况下，改变励磁电流的大小，会引起转子磁通和定子绕组中感应电动势的变化，从而引起定子电流和功率因数等的相应变化。定子相电流与相电压同相时的励磁状态称为正常励磁，此时 cos =1，同步电动机为电阻性负载，仅从电网上吸取有功功率；当励磁电流小于正常励磁电流时，相电流滞后于相电压，电

41、动机呈电感性，为欠励状态；当励磁电流大于正常励磁电流时，相电流领先于相电压，电动机呈电容性，称为过励状态。欠励或过励状态时，同步电动机在消耗有功功率的同时还向电网提供无功功率。因此在工业生产中同步电动机多在过励状态下运行，以改善接有电感性负载的供电系统的功率因数，即所谓同步补偿机。另外，同步电动机本身没有自起动能力，必须先用某种方法将转子拖动到同步转速或接近同步转速时才能起动运行。常用的起动方法为异步起动法。在制造同步电动机时将转子磁极边缘上安装一套鼠笼型起动绕组。起动时，先不给转子绕组励磁，而用适当阻值的电阻将励磁绕组接成闭合回路。接通三相电源时电动机为异步工作状态，当电机接近同步转速时，再切断转子电阻，为励磁绕组接通直流励磁，使转子产生磁场，被定子旋转磁场吸引，拖入同步运行状态。同步电动机主要用于大功率、恒速、长期连续运行的机械，如：鼓风机、水泵、球磨机等。或用于电网的无功功率补偿，以提高电网利用律。第四章 电气传动系统中电动机的选择4.1 电动机容量的选择4.1.1 电动机的发热与冷却