1、2022-11-19执行元件及控制第二章常用电动机执行元件及控制第二章执行元件及控制第二章常用电动机常用电动机执行元件及控制第二章常用电动机2 交流电动机的作用交流电动机的作用 执行元件及控制第二章常用电动机3 1.对电动机的控制要求 2.稳态控制要求 3.动态控制要求执行元件及控制第二章常用电动机4u 提高可控性、精度和快速性u 适应数字化的发展u 电动机组合化u 电动机电子化u 小型化、实用化、多功能执行元件及控制第二章常用电动机5工业方面：工业方面：机床、中、小型轧钢设备、轻工机械、起机床、中、小型轧钢设备、轻工机械、起重机械，矿山机械等。重机械，矿山机械等。农业方面农业方面：脱粒机、粉
2、碎机、排灌机械及加工机械。脱粒机、粉碎机、排灌机械及加工机械。家用电器家用电器：电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。电风扇、空调机、洗衣机、电冰箱等。交流异步电动机交流异步电动机:由交流电源供电由交流电源供电,结构简单结构简单,性能良好性能良好,价格便宜价格便宜,使用维使用维护方便，是使用最广的动力机。护方便，是使用最广的动力机。执行元件及控制第二章常用电动机定子定子 产生旋转磁场。产生旋转磁场。转子转子 产生感应电流和电磁转矩。产生感应电流和电磁转矩。外形外形执行元件及控制第二章常用电动机三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成此外，还有
3、端盖、机座、轴承、风扇等部件。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。定定子子机座机座端端盖盖执行元件及控制第二章常用电动机机座机座端盖端盖转子转子轴承轴承定子定子执行元件及控制第二章常用电动机三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组组成。组组成。定子绕组定子绕组机座机座铁心铁心执行元件及控制第二章常用电动机定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。定子铁心是由冲有槽孔的硅钢片叠压而成。执行元件及控制第二章常用电动机11在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组在定子槽孔中放置三相彼此独立的绕组U1U2V1V2W1W2三相电源三相电源U1V1W1W2U
4、2V2 接线盒接线盒三相定子绕组的接法三相定子绕组的接法 星形连接。星形连接。三相电源三相电源U1U2V1V2W1W2执行元件及控制第二章常用电动机三相定子绕组的接法三相定子绕组的接法 三角形连接。三角形连接。U1U2V1V2W1W2三相电源三相电源U1V1W1W2U2V2 接线盒接线盒三相电源三相电源执行元件及控制第二章常用电动机 是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁是由嵌放在转子铁心槽内的导电条组成，在转子铁心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。心的两端各用一个导电端环把所有的导电条连接起来。笼型转子笼型转子二、转子二、转子 由转子铁心和绕组组成。由转子铁心和绕组组成。转
5、子铁心转子铁心转子绕组转子绕组执行元件及控制第二章常用电动机 绕线转绕线转子子外接电阻外接电阻电刷电刷滑环滑环转子铁心转子铁心转子绕组转子绕组执行元件及控制第二章常用电动机15转子绕组转子绕组可 变 电 阻可 变 电 阻器器滑环滑环电刷电刷转转子子手手柄柄绕线转子结构示绕线转子结构示意意执行元件及控制第二章常用电动机16执行元件及控制第二章常用电动机17一、一、转动原理转动原理nn1NSn1FF外力拖动蹄行磁铁旋转，形成空间旋转磁场，旋转方外力拖动蹄行磁铁旋转，形成空间旋转磁场，旋转方向为顺时针，转速向为顺时针，转速n1。旋转磁场旋转磁场蹄形磁蹄形磁铁铁转子转子 短路线圈短路线圈 模型机模型机
6、 图图4-1-1 电磁感应定律电磁感应定律-右手定则右手定则 电磁力定律电磁力定律-左手定则左手定则转子导电铜条与旋转磁场之间发生相对运动，产生感转子导电铜条与旋转磁场之间发生相对运动，产生感应电动势，方向由右手定则确定。应电动势，方向由右手定则确定。执行元件及控制第二章常用电动机18n1NSn1FFn电磁力电磁力F使转子与旋转磁场同方使转子与旋转磁场同方向（顺时针）转动向（顺时针）转动,转速转速n。在感应电动势的作用下，产生转子电流。在感应电动势的作用下，产生转子电流。转子电流与磁场相互作用，产生电转子电流与磁场相互作用，产生电磁力磁力F，方向用左手定则确定。，方向用左手定则确定。同理，当磁
7、场逆时针方向转动时同理，当磁场逆时针方向转动时,转子也将逆时针方向转动。转子也将逆时针方向转动。执行元件及控制第二章常用电动机19(二二)转差率转差率s异步电动机的转动原理：是建立在旋转磁场与转子导异步电动机的转动原理：是建立在旋转磁场与转子导体相对运动的基础上。体相对运动的基础上。因此，转子的转速因此，转子的转速n必定低于旋转磁场的转速必定低于旋转磁场的转速n1,即即n n1。正是由于转子的转速正是由于转子的转速n与旋转磁场的转速与旋转磁场的转速n1之间存在之间存在差异差异,这种类型的电动机称为异步电动机。这种类型的电动机称为异步电动机。n与与n1之间的异步程度对于电动机的特性有重要影响。之
8、间的异步程度对于电动机的特性有重要影响。执行元件及控制第二章常用电动机20如果如果:执行元件及控制第二章常用电动机21转差率转差率s是表示异步电动机运行状态的重要物理量。是表示异步电动机运行状态的重要物理量。转差率转差率转子轴上的阻转矩越大转子轴上的阻转矩越大,异步程度越大异步程度越大;反之反之,则异步程则异步程度较小。转差率度较小。转差率s就反映了这种异步程度。就反映了这种异步程度。电动机起动瞬间电动机起动瞬间 n=0 s=1理想空载时理想空载时 n=n1 s=0s 的变化范围的变化范围 01执行元件及控制第二章常用电动机22旋转磁场：极性与强弱（每极下的磁通量）旋转磁场：极性与强弱（每极下
9、的磁通量）不变，以确定的方向和转速在空间旋转的磁场。不变，以确定的方向和转速在空间旋转的磁场。通入对称三相电流，即可产生旋转磁场。通入对称三相电流，即可产生旋转磁场。执行元件及控制第二章常用电动机23对称三相绕组对称放置在定子铁心圆周的内表面。对称三相绕组对称放置在定子铁心圆周的内表面。对称三相绕组对称三相绕组:星形、三角形连接。以星形为例星形、三角形连接。以星形为例三相绕组：端外接三相电源三相绕组：端外接三相电源,三相电流：正方向自绕组的首端指向末端。三相电流：正方向自绕组的首端指向末端。WUViViWU1V1W1iUVWU1U2V2V1W2W1UiUiViW执行元件及控制第二章常用电动机2
10、4（一）两极旋转磁场的产（一）两极旋转磁场的产生生VWU1U2V2V1W2W1UiUiViWiU=Im sin tiV=Im sin(t-120 )iW=Imsin(t+120 )相序相序 UVW对称三相电流对称三相电流 ti0iUiViW执行元件及控制第二章常用电动机25 ti0iUiViW6018090UViUWU1V1W1iVU2W1V2U1V1W2SNt=60WUViViWU1V1W1W1V2U1V1W2NSU2t=0执行元件及控制第二章常用电动机26t=90NSW2U2U1V1V2W1UVWiUiViWU1V1W1W1iViWV1U1UVWNSW1V2U1V1W2U2t=180执行元
11、件及控制第二章常用电动机27W1V2U1V1W2NSU2U2W1V2U1V1W2SNt=60t=0t=90NSW2U2U1V1V2W1NSW1V2U1V1W2U2t=180结论：结论：对称放置对称放置(空间位置差空间位置差120 角角)的对称三相绕组，的对称三相绕组，通入对称三相电流时，在空间产生强弱不变、转速恒定通入对称三相电流时，在空间产生强弱不变、转速恒定的旋转磁场。的旋转磁场。执行元件及控制第二章常用电动机28（二）旋转磁场的旋转方向（二）旋转磁场的旋转方向由三相绕组通入三相电流的相序决定。由三相绕组通入三相电流的相序决定。相序相序 UVW旋转磁场在空间的旋转方向从旋转磁场在空间的旋转
12、方向从U相绕组相绕组V相绕组相绕组W相绕组。旋转磁场顺时针方向转动。相绕组。旋转磁场顺时针方向转动。改变通入三相电流的相序，如将改变通入三相电流的相序，如将V相相、W相绕组与电相绕组与电源的连线对调，旋转磁场将逆时针方向转动。源的连线对调，旋转磁场将逆时针方向转动。iUUU1iViWVWV1W1UU1iUVWiViWV1W1相序相序U-W-V相序相序U-V-W执行元件及控制第二章常用电动机29（三）（三）旋转磁场的转速旋转磁场的转速-同步同步转速转速同步转速同步转速n1 rmin（每分钟的转数）。（每分钟的转数）。同步同步转速：旋转磁场相对于静止空间的转速。转速：旋转磁场相对于静止空间的转速。
13、以上分析的是二极旋转磁场（磁极对数以上分析的是二极旋转磁场（磁极对数 p=1），交流电），交流电变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周。变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周。交流电频率交流电频率f1=50Hz，则同步转速，则同步转速 n1=5060=3000rmin改变电动机三相绕组的结构，可使旋转磁场的磁极对数改变电动机三相绕组的结构，可使旋转磁场的磁极对数 p=1、2、。执行元件及控制第二章常用电动机30即：即：o tAXBYCZAXYCBZ执行元件及控制第二章常用电动机31CYABCXYZAXBZAXBYC执行元件及控制第二章常用电动机32极对数极对数旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与
14、三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关CYABCXYZAXBZ0执行元件及控制第二章常用电动机33 表表1 同步转速同步转速n1与磁极对数与磁极对数p的关系的关系具有具有p对磁极的旋转磁场对磁极的旋转磁场同步转速同步转速(rmin)增加磁极对数增加磁极对数 p=2（四极旋转磁场）旋转磁场的转速（四极旋转磁场）旋转磁场的转速较前者减半。较前者减半。同步转速同步转速 执行元件及控制第二章常用电动机34极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速旋转磁场转速旋转磁场转速n1与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。执行元件及控制第二章常用电动机35一、
15、型号一、型号Y系列电动机型号的表示方法示例系列电动机型号的表示方法示例Y 160 M 4磁极数磁极数机座类别代号机座类别代号S-短机座短机座M-中机座中机座L-长机座长机座表示机座中心高表示机座中心高(mm)表示异步电动机表示异步电动机铭牌铭牌 提供电动机的型号、额定值和主要技术数据，是提供电动机的型号、额定值和主要技术数据，是正确、合理使用电动机的依据。正确、合理使用电动机的依据。执行元件及控制第二章常用电动机36二、功率二、功率(额定功率额定功率)PN电动机在额定状态下（电源电压为额定电压、电流是额电动机在额定状态下（电源电压为额定电压、电流是额定电流）运行定电流）运行,转轴上输出的机械功
16、率。单位转轴上输出的机械功率。单位 W或或kW。三、电压三、电压(额定电压额定电压)U1N电动机在额定状态下运行电动机在额定状态下运行,定子绕组所应加的线电压。定子绕组所应加的线电压。四、电流四、电流(额定电额定电流流)I1N电动机在额定状态下运行电动机在额定状态下运行,输出额定功率时输出额定功率时,定子绕组定子绕组的线电流。的线电流。五、接五、接法法 电动机在额定电压下运行电动机在额定电压下运行,定子三相绕组的连接方法。定子三相绕组的连接方法。Y系列电动机额定电压系列电动机额定电压UIN=380VPN 3kW 定子绕组定子绕组Y连接连接 PN 4kW 连接。连接。执行元件及控制第二章常用电动
17、机37六、频率六、频率fN我国使用的电力标准频率是我国使用的电力标准频率是50Hz。七、转速七、转速(额定转速额定转速)nN电动机在额定状态下运行时的转速。电动机在额定状态下运行时的转速。八、功率因数八、功率因数cos是定子绕组相电流滞后相电压的角度。是定子绕组相电流滞后相电压的角度。在额定工作状态下在额定工作状态下,三相异步电动机的三相异步电动机的功率因数功率因数cos约在约在0.70.9之间。空载或轻载运行时，之间。空载或轻载运行时，cos较低，较低，仅为仅为0.20.3。九、效率九、效率在额定工作状态下在额定工作状态下,输出机械功率输出机械功率PN与输入电功率与输入电功率PIN之比。之比
18、。执行元件及控制第二章常用电动机38效率效率在接近额定工作状态下运行在接近额定工作状态下运行,电动机的效率最高，可达电动机的效率最高，可达0.9左右。轻载运行时，效率则大大降低。左右。轻载运行时，效率则大大降低。合理选择电动机的功率具有重要的经济意义（节约电合理选择电动机的功率具有重要的经济意义（节约电能）。能）。例题例题1 型号为型号为Y-160M-4的三相异步电动机的三相异步电动机,PN=11kW、nN=1460rmin、U1N=380V,联接。额定运行时，效率联接。额定运行时，效率=0.88、cos=0.84,TSTTN=1.9、=TmaxTN=2.2。计算：（计算：（1）额定电流）额定
19、电流I1N；（3）额定转矩）额定转矩TN；（4）最大电磁转矩）最大电磁转矩Tmax；（3）起动转矩）起动转矩Tst。（2）额定转差率）额定转差率SN；执行元件及控制第二章常用电动机39解解:(1)计算额定电流计算额定电流电动机在额定状态下运行输入的电功率电动机在额定状态下运行输入的电功率定子绕组的额定电流定子绕组的额定电流(三相对称绕组的线电流三相对称绕组的线电流)(2)计算额定转差率计算额定转差率额定转差率额定转差率该电动机的磁极对数该电动机的磁极对数 p=2,同步转速同步转速 n1=1500rmin。执行元件及控制第二章常用电动机40(3)计算额定转矩计算额定转矩(4)最大电磁转矩最大电磁
20、转矩Tmax=2.2TN=2.271.95=158.29Nm(5)起动转矩起动转矩Tst=1.9TN=1.971.95=136.71Nm执行元件及控制第二章常用电动机41 电磁转矩是决定电动机输出机械功率大小的重要电磁转矩是决定电动机输出机械功率大小的重要因素，也是电动机的一项性能重要指标。因素，也是电动机的一项性能重要指标。旋转磁场每个磁极下的磁通量旋转磁场每个磁极下的磁通量,表示磁场的强弱。表示磁场的强弱。I2 转子绕组电流有效值。转子绕组电流有效值。cos2 转子绕组电路功率因数（转子绕组电路是电转子绕组电路功率因数（转子绕组电路是电感性电路）。感性电路）。一、一、三相异步电动机三相异步
21、电动机电磁转矩的基本公式电磁转矩的基本公式CT 转矩常数转矩常数电机结构决定的系数电机结构决定的系数执行元件及控制第二章常用电动机42二、二、定子绕组电路的分析定子绕组电路的分析旋转磁场的磁通量旋转磁场的磁通量与电源电压与电源电压U1的关系的关系旋转磁场以同步转速旋转磁场以同步转速n1切割静止的定子绕组切割静止的定子绕组,在定子绕在定子绕组电路产生感应电动势组电路产生感应电动势,感应电动势的有效值感应电动势的有效值E1=4.44f1N1 旋转磁场每个磁极下的磁通量。旋转磁场每个磁极下的磁通量。f1 交流电源的频率。交流电源的频率。N1 每相定子绕组的匝数。每相定子绕组的匝数。略去定子绕组导线电
22、阻、漏磁通等次要因素的影响，略去定子绕组导线电阻、漏磁通等次要因素的影响，可近似认为电源电压的有效值可近似认为电源电压的有效值U1E1 U1E1=4.44f1N1执行元件及控制第二章常用电动机43旋转磁场每个磁极下的磁通量旋转磁场每个磁极下的磁通量结论：结论：f1和和N1均为定值，则均为定值，则单一的由电源电压单一的由电源电压U1确定。确定。当当U1不变时，不变时，基本恒定，且与电动机转轴上的机械负基本恒定，且与电动机转轴上的机械负载无关。载无关。(一一)转子电量的频率转子电量的频率f2f2=sf1转子电量频率转子电量频率f2与转差率与转差率s呈正比呈正比,即与转子的转速即与转子的转速n有有关
23、关电动机起动瞬间电动机起动瞬间,转速转速n=0,转差率转差率s=1,转子电量频率转子电量频率f2最高最高,用用f20表示表示f20=f1执行元件及控制第二章常用电动机44电动机起动后电动机起动后,转速转速n升高升高,转差率转差率s减小减小,转子电量频率转子电量频率f2降低。正常运行时，降低。正常运行时，s约在（约在（0.0150.06）之间）之间,f2则则在（在（0.0753）Hz之间。之间。(二二)转子绕组的感应电动势转子绕组的感应电动势E2E2=4.44f2N2 旋转磁场每个磁极下的磁通量。旋转磁场每个磁极下的磁通量。f2 转子绕组电路电量转子绕组电路电量的频率。的频率。N2 每相转子绕组
24、的匝数。每相转子绕组的匝数。将将f2=sf1代入上式代入上式E2=4.44sf1N2转子绕组的感应电动势转子绕组的感应电动势E2也与也与转差率转差率s有关。有关。电动机起动瞬间电动机起动瞬间,s=1,感应电动势感应电动势E2最大值最大值,用用E20表示表示E20=4.44f1N2执行元件及控制第二章常用电动机45电动机正常运行时电动机正常运行时E2=sE20电动机的转速电动机的转速n越高越高,转差率转差率s越小越小,转子绕组的感应转子绕组的感应电动势电动势E2越小。越小。(三三)转子绕组电路的电流转子绕组电路的电流I2和功率因数和功率因数2=cos2转子绕组等效电路转子绕组等效电路+R2jX2
25、I2E2感抗感抗 X2=2L2=2f2L2=2sf1L2起动瞬间起动瞬间s=1X20=2f20L2=2f1L2电动机运行时的感抗电动机运行时的感抗X2=sX20转子绕组电路的电转子绕组电路的电流流执行元件及控制第二章常用电动机101scos2I2I2cos2上式中上式中E20、R2、X20均为常数，均为常数，I2只与转差率只与转差率s有关，是单值函数。有关，是单值函数。I2随随s的变化曲线如图所示。的变化曲线如图所示。曲线表明，随着转子转速曲线表明，随着转子转速n的增加（的增加（s减小），减小），I2减小减小转子绕组电路是电感性电路，功率因数转子绕组电路是电感性电路，功率因数2=cos2随随s
26、的变化曲线如图所示。的变化曲线如图所示。曲线表明，起动瞬间曲线表明，起动瞬间 s=1，功率因数，功率因数2=cos2最小。最小。执行元件及控制第二章常用电动机47总结以上分析，电动机起动瞬间总结以上分析，电动机起动瞬间s=1，f20、E20、X20都都是恒定值。电动机运行时，是恒定值。电动机运行时，f2、E2、X2以及以及2=cos2都与都与转差率转差率s有关。此点，在分析三相异步电动机运行特性和有关。此点，在分析三相异步电动机运行特性和使用问题时非常重要。使用问题时非常重要。四四、转矩特性转矩特性 K 常数常数电机结构决定电机结构决定U1 交流电源电压的有效值。交流电源电压的有效值。R2 转
27、子绕组电路的电阻。转子绕组电路的电阻。X20 起动瞬间起动瞬间s=1时，转子绕组电路的感抗时，转子绕组电路的感抗。U1、R2、X20为定值，电磁转矩为定值，电磁转矩T是转差率是转差率s的单值函数。的单值函数。执行元件及控制第二章常用电动机48电磁转矩电磁转矩T与转差率与转差率s的关系的关系T=f（s）称为异步电动机称为异步电动机的的转矩特性。转矩特性。转矩特性转矩特性 T=f（s）用曲线表示。用曲线表示。电动机的转差率电动机的转差率 0 s 1b是临界点。是临界点。Tm 最大电磁转矩。最大电磁转矩。sm 临界转差率。临界转差率。Tst 起动转矩。起动转矩。0-b段段 稳定运行区（稳定运行区（0
28、 s sm）。）。b-a非稳定运行区（非稳定运行区（s sm）。）。smsT0s=1n=0 起起动动Tmn=n1理想空理想空载载baTst执行元件及控制第二章常用电动机49五、机械特性五、机械特性 U1、R2、X20 为常数，转速为常数，转速n与电磁转矩与电磁转矩T的关系称为的关系称为机械特性。机械特性。n=f(T)机械特性更直接的表示了转速机械特性更直接的表示了转速n与与电磁转矩电磁转矩T的关系。的关系。（一）（一）稳定运行区和非稳定运行区稳定运行区和非稳定运行区Tmn0TbcaTLnd1）ab段与转矩特性段与转矩特性ob段的对应，段的对应，是稳定运行区。是稳定运行区。2）bc段与转矩特性的
29、段与转矩特性的ba段对应，是非稳定运行区。段对应，是非稳定运行区。电动机以某一恒定转速电动机以某一恒定转速n稳定运行时，应保持转矩平衡。稳定运行时，应保持转矩平衡。执行元件及控制第二章常用电动机50（二）起动过程（二）起动过程电动机接入三相电源，若启电动机接入三相电源，若启动转矩动转矩Tst负载转矩负载转矩TL，电，电动机转矩和转速从动机转矩和转速从n=f（T）曲）曲线线c点开始上升。在点开始上升。在bc段，段，n T转速转速n加速上升，并加速上升，并越过临界点越过临界点b进入稳定运行区。进入稳定运行区。此后，转速此后，转速n T，直至电，直至电磁转矩磁转矩T=TL，起动过程结束。，起动过程结
30、束。bTmn0Tca执行元件及控制第二章常用电动机51（三）三个重要的电磁转矩（三）三个重要的电磁转矩1.额定转矩额定转矩TN电动机在额定状态下运行电动机在额定状态下运行,转轴上的机械负载是额定负载转轴上的机械负载是额定负载,电动机输出额定机械功率电动机输出额定机械功率PN,转速是转速是额定额定转速转速nN,电动机电动机所产生的电磁转矩就是额定转矩所产生的电磁转矩就是额定转矩TN。计算公式计算公式转矩转矩TN的单位的单位 牛米牛米(Nm)nN的单位的单位 转每分转每分(rmin)PN的单位的单位 千瓦千瓦(kW)执行元件及控制第二章常用电动机52计算举例计算举例三相异步电动机三相异步电动机Y1
31、60M-4PN=11kW、nN=1460 rmin额定转矩额定转矩2.最大电磁转矩最大电磁转矩Tmax最大电磁转矩最大电磁转矩Tmax:机械特性机械特性临界点所对应的电磁转矩临界点所对应的电磁转矩,又又称临界转矩，所对应的转差称临界转矩，所对应的转差率称为临界转差率率称为临界转差率sm。Tmax是在一定的电源电压是在一定的电源电压U1下电动机能够提供的最大电下电动机能够提供的最大电磁转矩。磁转矩。bn0TcaTmnm执行元件及控制第二章常用电动机53最大电磁转矩最大电磁转矩Tmax临界转差率临界转差率sm0.8U1cTmnmbn0TaU1过载系数过载系数 执行元件及控制第二章常用电动机54(2
32、)Tmax与转子绕组电路的电阻与转子绕组电路的电阻R2无关无关,但但Sm与与R2成正成正比。比。bn0TcaTmaxU1保持不变保持不变,R2增大增大,曲线下曲线下移移,特性变软特性变软,起动转矩加大起动转矩加大执行元件及控制第二章常用电动机55这一特点使绕线转子异步电动机具有较好的起动特性这一特点使绕线转子异步电动机具有较好的起动特性和调速特性。和调速特性。3.起动转矩起动转矩TSt bTmn0Tcanm电动机接通电源的瞬间，转速电动机接通电源的瞬间，转速n=0、转差率、转差率s=1，电动机所产生，电动机所产生的电磁转矩即为起动转矩的电磁转矩即为起动转矩TSt。计算公式计算公式起动转矩起动转
33、矩TSt越大，电动机带负载起动的能力越强。越大，电动机带负载起动的能力越强。起动能力起动能力 TStTN一般笼型转子异步电动机的一般笼型转子异步电动机的TStTN约在约在12.2之间。之间。Tst执行元件及控制第二章常用电动机56（一）起动时存在的问题（一）起动时存在的问题1.起动电流大，起动电流大，Ist 等于定子绕组的线电流，约为（等于定子绕组的线电流，约为（57）IN。过大的起动电流造成电网电压剧烈波动，影响其它用电设备的过大的起动电流造成电网电压剧烈波动，影响其它用电设备的运行。运行。2.起动转矩起动转矩TSt小，原因是小，原因是cos2小。小。T=CTI2 cos2电动机接通电源，转
34、子由于惯性还未来电动机接通电源，转子由于惯性还未来得及转动，转速为得及转动，转速为0。转子从静止。转子从静止(n=0、s=1)到稳定恒速运行，中间所经历的过程。到稳定恒速运行，中间所经历的过程。一一、起动起动n1n=0转子转子起动转矩过小导致启动时间长、增加能耗，甚至不能起动转矩过小导致启动时间长、增加能耗，甚至不能起动电动机。通常起动电动机。通常Tst仅为仅为(12.2)TN,只能用于轻载起只能用于轻载起动。动。三相异步电动机的起动、反转和制动介绍三相异步电动机的起动、反转和制动介绍执行元件及控制第二章常用电动机57（二）起动方法（二）起动方法尽量优先考虑使用。尽量优先考虑使用。一般功率在一
35、般功率在7.5kW以下的电动机均可使用。以下的电动机均可使用。对于功率较大、不允许直接起动的三相异步电动对于功率较大、不允许直接起动的三相异步电动机，在起动时降低电动机的电源电压机，在起动时降低电动机的电源电压U1，以限制起动，以限制起动电流电流Ist，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢，待电动机转速接近稳定转速时，再把电压恢复为正常值。复为正常值。起动转矩起动转矩TSt与外加电压与外加电压U1平方成正比，在降压起平方成正比，在降压起动的同时也大大的降低了起动转矩，因此这种方法只动的同时也大大的降低了起动转矩，因此这种方法只使用于轻载或空载起动。使用于轻载或空载起动。执行元件及控制第二章常
36、用电动机执行元件及控制第二章常用电动机1 12 23 3直流电动机的基本结构（直流电动机的基本结构（难点难点）电动机的铭牌数据及主要系列（电动机的铭牌数据及主要系列（重点重点）直流电动机的一般调速方法（直流电动机的一般调速方法（扩展知识点扩展知识点）执行元件及控制第二章常用电动机执行元件及控制第二章常用电动机 大型电动机大型电动机 执行元件及控制第二章常用电动机小型电动机小型电动机执行元件及控制第二章常用电动机1 1 直流电动机基本结构：直流电动机基本结构：定子定子、转子转子和和结构件结构件（端盖、轴承等）（端盖、轴承等）三大部分组成。三大部分组成。执行元件及控制第二章常用电动机由永久磁铁做成
37、。由永久磁铁做成。磁极上绕线圈，线圈中通过直流电磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。，形成电磁铁。磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。为励磁。定子包括机座、主磁极、换向磁极、前后端盖定子包括机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和电刷装置等几部分。和电刷装置等几部分。执行元件及控制第二章常用电动机2 2）转子转子(电枢电枢)转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢电枢”，它包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。，它包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。电枢铁心电枢铁心的作用：导磁和嵌放电枢绕组的作用：导磁和嵌放电枢
38、绕组;电枢绕组电枢绕组的作用：作发电机时产生感应电动势；的作用：作发电机时产生感应电动势；换向器换向器的作用：作发电机时将电枢导体感应的交的作用：作发电机时将电枢导体感应的交流电压经由电刷转变成直流电压输出，作电动机流电压经由电刷转变成直流电压输出，作电动机时将电路中的直流电压经由电刷转变成交流电压时将电路中的直流电压经由电刷转变成交流电压输入电枢。输入电枢。执行元件及控制第二章常用电动机1 1直流电机的主要结构直流电机的主要结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合
39、：与换向片配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定定子子转转子子电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器换向器：与电刷装置配合：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴轴承承执行元件及控制第二章常用电动机直流电动机工作原理直流电动机工作原理 直流电动机与交流电直流电动机与交流电动机原理大致相似，动机原理大致相似，也是基于也是基于电磁感应电磁感应的的原理，原理，使得转
40、轴受使得转轴受到一个力的作用旋转到一个力的作用旋转起来。起来。电磁感应原理电磁感应原理 产生感应电压或感应产生感应电压或感应电流的现象。电流的现象。执行元件及控制第二章常用电动机1 1）直流电动机线圈动态转动图）直流电动机线圈动态转动图执行元件及控制第二章常用电动机2 2）线圈受力和转动分析）线圈受力和转动分析受力分析：受力分析：由左手定则由左手定则得得abab受力向上，受力向上，cdcd受受力向下。这两个力不力向下。这两个力不是平衡力。是平衡力。运动分析：运动分析：在这两个力在这两个力作用下，线圈作顺时作用下，线圈作顺时针转动。针转动。执行元件及控制第二章常用电动机线圈到了线圈到了9090
41、受力分析：受力分析：此时换此时换向器与碳刷没接触，向器与碳刷没接触，线圈不受力。线圈不受力。运动分析：运动分析：由于惯由于惯性线圈将继续转动性线圈将继续转动。执行元件及控制第二章常用电动机线圈过了线圈过了9090后后 换向器换向器：线圈转过线圈转过9090后，换向器换后，换向器换向，线圈上电流发向，线圈上电流发生变化。生变化。受力分析受力分析：线圈转：线圈转过过9090后后abab受力向受力向下，下，cdcd受力向上。受力向上。运动分析运动分析：线圈继：线圈继续顺时针转动。续顺时针转动。执行元件及控制第二章常用电动机线圈转到线圈转到270270 受力分析受力分析：线圈转到线圈转到270270时
42、，换向器又和时，换向器又和碳刷没接触，线圈不碳刷没接触，线圈不受力。受力。运动分析：运动分析：由于惯性由于惯性线圈继续转动。线圈继续转动。换向器：换向器：此时，换向此时，换向器又换向，电流方向器又换向，电流方向也变化，线圈仍继续也变化，线圈仍继续顺时针转动。顺时针转动。v换向器可自动改变线圈中电流方向，使线圈不停地转动下去换向器可自动改变线圈中电流方向，使线圈不停地转动下去。执行元件及控制第二章常用电动机3 3直流电动机的分类直流电动机的分类 励磁绕组与电源的连接方式被称为励磁励磁绕组与电源的连接方式被称为励磁方式。方式。按照不同的励磁方式，按照不同的励磁方式，直流电直流电动机可以分为动机可以
43、分为他励、他励、并励、并励、串励和复串励和复励励四种。四种。执行元件及控制第二章常用电动机(a a)他励；他励；(b b)并励；并励；(c c)串励；串励；(d d)复励复励执行元件及控制第二章常用电动机2.2.直流电动机的铭牌数据直流电动机的铭牌数据 每台直流电动机的外壳上都有一个铭牌，每台直流电动机的外壳上都有一个铭牌，上面上面标有该电机的技术数据，标有该电机的技术数据，主要包括其主要包括其型号型号和和额额定值定值。型号型号 直流电动机的型号如直流电动机的型号如Z241Z241，Z Z表示直流电动机，表示直流电动机，2 2表示第二次统一设计，表示第二次统一设计，4141中的中的4 4表示机
44、座号，表示机座号，1 1表示电枢铁心的长度序表示电枢铁心的长度序号。号。直流电动机还有其他的型号表示方法，直流电动机还有其他的型号表示方法，如如Z ZF F2151121511B B、ZD21211ZD21211B B等等执行元件及控制第二章常用电动机2.2.额定电压额定电压对于电动机，对于电动机，额定电压是指电动机额定工作状额定电压是指电动机额定工作状态下电动机的输入电压；态下电动机的输入电压；对于发电机，对于发电机，额定额定电压是指电动机额定工作状态下电动机的输出电压是指电动机额定工作状态下电动机的输出电压。电压。3.3.额定电流额定电流对于电动机，对于电动机，额定电流是指电动机长期连续运
45、额定电流是指电动机长期连续运行时从电源输入的电流；行时从电源输入的电流；对于发电机，对于发电机，额定额定电流是指长期连续运行时供给负载的电流。电流是指长期连续运行时供给负载的电流。执行元件及控制第二章常用电动机4.4.额定转速额定转速电动机在额定运行时，电动机在额定运行时，转轴的转速称为额定转转轴的转速称为额定转速。速。5.5.额定功率额定功率电动机额定运行状态下，电动机额定运行状态下，电动机轴上输出的机电动机轴上输出的机械功率称为额定功率；械功率称为额定功率；发电机的额定功率是发电机的额定功率是指供给负载的电功率。指供给负载的电功率。6.6.额定励磁电流额定励磁电流电动机在额定运行的情况下，
46、通过励磁绕组的电电动机在额定运行的情况下，通过励磁绕组的电流称为额定励磁电流。流称为额定励磁电流。执行元件及控制第二章常用电动机一、速度调节和速度变化一、速度调节和速度变化1、速度调节、速度调节例如：在负载转矩一定时，若电动机工作在特性例如：在负载转矩一定时，若电动机工作在特性1 1上的上的A A点，则以点，则以nAnA转速稳定运行；若人为地增加转速稳定运行；若人为地增加电枢回路的电阻，则电动机工作在特性曲线电枢回路的电阻，则电动机工作在特性曲线2 2，速，速度将降至特性度将降至特性2 2上的上的B B点，以点，以nBnB转速稳定运行，这转速稳定运行，这种转速的变化是人为改变（或调节）电枢回路
47、的种转速的变化是人为改变（或调节）电枢回路的电阻大小所造成的，故称调速或速度调节。电阻大小所造成的，故称调速或速度调节。3.3.他励直流电动机的调速方法他励直流电动机的调速方法电动机的调速是在一定的负载条件下，人为电动机的调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定运行速度。定运行速度。执行元件及控制第二章常用电动机2 2：速度变化：速度变化定义：速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）而引定义：速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）而引起电动机转速的变化（下降或上升）。起电动机转速的变化（下降或
48、上升）。例如：当负载转矩由例如：当负载转矩由 T1 T1 增加到增加到 T2T2时，电动机的转速由时，电动机的转速由 n An A降低到降低到nBnB，它是，它是沿某一条机械特性发生的转速变化。沿某一条机械特性发生的转速变化。3 3：两者区别：两者区别：速度变化是在某条机械特性上，由于负载速度变化是在某条机械特性上，由于负载改变而引起的；而速度调节则是在某一特定改变而引起的；而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。执行元件及控制第二章常用电动机二、调速方法二、调速方法可知，改变串入电枢回路的电阻可知，改变串入电枢回路的电阻RadRad
49、，电枢供电电压，电枢供电电压U U 或主磁或主磁通通，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种：的方法有以下三种：1 1、改变电枢电路外串电阻、改变电枢电路外串电阻 RadRad从特性可看出，在一定的负载转矩从特性可看出，在一定的负载转矩TLTL下，下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为电阻分别为 RaRa、R1R1、R2R2、R3R3的情况下，可的情况下
50、，可以分别得到稳定工作点以分别得到稳定工作点A A、C C、D D和和E E，对应的，对应的转速为转速为nAnA、nBnB、nCnC和和nDnD执行元件及控制第二章常用电动机改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：1 1）机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；）机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；2 2）在空载或轻载时，调速范围不大；）在空载或轻载时，调速范围不大；3 3）实现无级调速困难；）实现无级调速困难；4 4）在调速电阻上消耗大量电能等。）在调速电阻上消耗大量电能等。正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机
