1、 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制1项目项目2 2 交流电动机的特性及电气控交流电动机的特性及电气控制原理制原理 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制2 任务任务2.1 2.1 交流电动机的概述交流电动机的概述 活动情境介绍交流电机的分类和应用领域，以及它们工作时的优劣点，重点介绍异步电动机的技术参数和结构特点。任务要求通过概述初步了解交流电动机的相关知识。基本活动交流旋转电机可分成同步电机和异步电机两大类，如果电机转子的转速n与定子旋转磁场的转速n1相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电机则称为同步电机。如果电机转子转速n不等于定子旋转磁场的转速n1，转子与定子旋转
2、磁场在空间旋转时不同步，这种电机则称为异步电机。异步电机主要用来作为电动机，它具有结构简单、制造容易、价格便宜、出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制3运行可靠、维护方便、效率较高等优点，因此，得到广泛的应用。电动机的作用是将电能转换为机械能，现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。生产机械由电动机驱动，具有很多优点：简化生产机械的结构；提高生产率和产品质量；能实现自动控制和远距离操纵；减轻繁重的体力劳动。电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。异步电动机的缺点是功率因素低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场，故其功率因素小于1，大
3、量的异步电动机在电网中运行，使电网的功率因素降低，必须用其他的办法进行补偿。异步电机也可以作为发电机使用，在电网尚未达到的山区农村，要建立小型水电站时，可以用异步电动机来发电，不过异步电动机的性能较差，只能用于要求不高的地方。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制4异步电动机型号的表示方法，一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，其中汉语拼音字母是根据电动机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母表示（见表2.1）。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制5每一台异步电动机，在其机座上都有一块铭牌，铭牌上标注着该电动机的额定参数值，它是选用、安装和维修电动机时的
4、依据。异步电动机的铭牌包含下列额定参数值：额定功率Pe。指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW。额定电压Ue。指电动机在额定运行时，定子绕组上的线电压，单位为V。额定电流Ie。指电动机在额定电压和额定频率下，输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。接法。是指电动机在额定电压下，定子三相绕组应采用的连接方式，一般有三角形和星形两种连接方式。额定频率fe。表示电动机所接的交流电源的频率，我国电力网的频率规定为50 Hz。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制6 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制7额定转速n。指电动机在额定电压、额定电流和额定输出功率情况下，电动机的
5、转速，单位r/min。绝缘等级。指电动机绕组所用的绝缘材料的绝缘等级，它决定了电动机绕组的允许温升，绝缘等级与电动机的允许温升见表2.2。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制8对于各种电动机应该了解下列几个方面的问题：基本构造；工作原理；表示转速与转矩之间关系的机械特性；启动、反转、调速及制动的基本原理和基本方法；应用场合和如何正确接用。任务任务2.2 2.2 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构活动情境三相异步电动机按转子结构的不同分为鼠笼型和绕线型转子异步电动机两类。鼠笼型和绕线型的定子部分基本相同，所不同的只是转子部分。任务要求1.了解并掌握定子的组成及结构特点。2.了解并掌握
6、转子的组成及结构特点。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制9基本活动三相异步电动机主要由定子和转子两大部件构成，定子与转子之间有一个很小的空气隙。此外，还有端盖、轴承、风扇等零部件。图2.1 鼠笼型转子异步电动机结构图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制102.2.1 2.2.1 定子定子异步电动机的定子是由基座、定子铁芯和定子绕组3个部分组成。图2.2 小型封闭式异步电动机结构图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制11（1 1）定子铁芯）定子铁芯定子铁芯是电动机磁路的组成部分，旋转磁场对定子铁芯以同步速度旋转，故对铁芯内某一点来讲，磁通是交变的。图2.3 定子铁芯及冲片
7、 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制12定子铁芯叠成后，其内圆形成可以安放定子绕组的槽型，定子槽型有半闭口槽、半开口槽和开口槽散装。图2.4 定子铁芯槽型及槽内绕组布置 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制13（2 2）定子绕组）定子绕组定子绕组有成型硬绕组和散嵌软绕组两种。（3 3）机座）机座机座的作用是支撑定子铁芯和固定端盖。在中、小型电机中，端盖兼有轴承座的作用，则机座还要支撑电机的转子部分，故机座必须有足够的刚度和强度。2.2.2 2.2.2 气隙气隙定子铁芯与转子铁芯之间的气隙：从磁路来考虑，气隙大，则磁阻大，励磁电流大，电机的功率因素降低，从这一角度来考虑，气隙应取较
8、小的数值，但气隙太小，电机带负载运行时，就可能发生定、转子相擦（甚至“闷车”）；另外，从减少高次谐波磁动势产生的磁通、减少附加损耗及改善启动性能来考虑，则气隙应大一些，所以气隙的大小应综合考虑。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制142.2.3 2.2.3 转子转子异步电动机的转子可分成两大类：一类是笼型转子；另一类是绕线转子。图2.5 异步电动机转子结构图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制15（1 1）转子铁芯）转子铁芯转子铁芯也是电机磁路的一部分，一般是用0.5 mm厚的硅钢片叠压而成。（2 2）转轴）转轴转轴是支持转子铁芯和输出转矩的零件，它必须具有足够的刚度和强度，以保
9、证负载时气隙均匀及转轴本身不致断裂。（3 3）转子绕组）转子绕组转子绕组有鼠笼型和绕线转子两种。1）鼠笼型转子绕组鼠笼型转子绕组按结构型式可分为单笼和双笼两种，按制造绕组时使用的材料可以分成铜料焊接和铝料铸造两种。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制16图2.6 鼠笼型转子绕组结构示意图2）绕线转子绕组绕线转子绕组和定子绕组一样，也是一个用绝缘导线绕成的三相对称绕组，而且其极数应与该台电机的定子绕组的极数相同，三相绕组通常接成星形，出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制17绕组的三条引出线分别接到3个集电环上，再经由一套电刷装置引出，使转子绕组与外电路接通，当启动或调速时可以串接附加
10、电阻。图2.7 绕线式转子异步电动机示意图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制18任务任务2.3 2.3 三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理活动情境三相异步电动机能旋转的原因是由定子产生旋转磁场，然后该旋转磁场在转子绕组中感应出电动势和电流，再利用电磁感应原理，转子绕组会产生力矩，带动转子运转。任务要求1.掌握旋转磁场的产生机理及注意事项。2.会利用电磁感应定律来分析转子转动的原理。基本活动三相异步电动机接上电源，就会转动。这是什么道理呢？为了说明这个转动原理，下面来做个实验。如图2.8所示是一个装有手柄的蹄形磁铁，磁极间放有可以自由转动的、由铜条组成的转子。铜条两端分别
11、用铜环连接起来，形似鼠笼，作为鼠笼式 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制19转子。磁极和转子之间没有机械联系。当摇动磁极时，发现转子跟着磁极一起转动。从这一实验得出两点启示：第一，有一个旋转的磁场；第二，转子跟着磁场转动。异步电动机转子转动的原理是与上述实验相似的。图2.8 异步电动机转子转动实验 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制202.3.1 2.3.1 旋转磁场旋转磁场（1 1）旋转磁场的产生）旋转磁场的产生三相异步电动机的定子铁芯中放有三相对称绕组AX，BY和CZ。设将三相绕组连接成星形，接在三相电源上，绕组中通入三相对称电流：对称电流如图2.9所示。取绕组始端到末端的
12、方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其值为负，其实际方向与参考方向相反。在t=0的瞬间，定子绕组中的电流方向如图2.10（a）所示。如图2.10（b）所示的是t=60时定子绕组中电流的方向和三相电流的合成磁场的方向。这时的合成磁场已在空间转过了60。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制21图2.9 三相对称电流 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制22同理可得，在t=90时的三相电流的合成磁场，它比t=60时的合成磁场在空间又转过了30，如图2.10（c）所示。由上可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流
13、的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。图2.10 三相电流产生的旋转磁场（n=1）出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制23（2 2）旋转磁场的转向）旋转磁场的转向如图2.10（c）所示的情况是A相电流iA=+Im，这时旋转磁场轴线的方向恰好与A相绕组的轴线一致。在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为ABC，因此，磁场的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关，总是从超前电流的相转向滞后电流的相。如果将同三相电源连接的3根导线的任意两根的一端对调位置（例如，对调了B与C两相），则电动机三相绕组的B相与C相对调（注意：电源三相端子的相序未变），旋转磁场因此反
14、转。（3 3）旋转磁场的极数）旋转磁场的极数三相异步电动机的极数就是旋转的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。在上述图2.11的情况下，每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120空间角，旋转磁场具有一对极，即p=1（p是磁极对数）。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制24图2.11 旋转磁场的反转 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制25如将定子绕组安排的如图2.12所示那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间差60空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即p=2，如图2.13所示。图2.12 产生四级旋转磁场的定子绕组 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制26图
15、2.13 三相电流产生的旋转磁场（p=2）出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制27（4 4）旋转磁场的转速）旋转磁场的转速至于三相异步电动机的转速，它与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速决定于磁场的极数。设电流的频率为f1，电流每秒钟交变f1次或每分钟交变60f1次，则旋转磁场的转速为n1=60f1。转速单位转每分（r/min）。推知，当转速磁场具有p对极时，磁场的转速为因此，旋转磁场的转速n。决定于电流频率f1和磁场的极对数p。在我国，工频f1=50 Hz，于是由式（2.1）可得出对应于不同极对数p的旋转磁场转速n1（r/min）。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制282.3
16、.2 2.3.2 电动机的转动原理电动机的转动原理图中N，S表示两极旋转磁场（定子产生的），转子中只显示出两根导条（铜或铝）。当旋转磁场向顺时针方向时，其磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则确定。在这里应用右手定则时，可假设磁极不动，而转子导条向逆时针方向旋转切割磁力线，这与实际上磁极顺时针方向旋转时磁力线切割转子导条是相当的。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。电流与旋转磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F。电磁力的方向可用左手定则来确定。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。图2.14 转子转动的原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制292.3
17、.3 2.3.3 转差率转差率由图2.14可知，电动机转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n1相等，即nn1。转子转速与磁场转速之间必须要有差别。这就是异步电动机名称的由来，而旋转磁场的转速n1常称为同步转速。用转差率s来表示转子转速n与磁场转速n1相差的程度，即转差率是异步电动机的一个重要的物理量。转子转速愈接近磁场转速，则转差率愈小。式（2.2）也可写为 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制30任务任务2.4 2.4 三相异步电动机的电路分析三相异步电动机的电路分析活动情境采用等效电路的方法分析异步电动机运行状态中的电动势、电流是有效的方法，而
18、且可以具体分析定子回路、转子回路中的相关电量数据以及它们彼此之间的关联和影响效果。因为异步电动机内旋转磁场的动态化，所以各个相关量也是动态的。任务要求1.会利用等效电路分析具体的定子电路和转子电路。2.能分析转子回路各种相关量的关系及影响。基本活动分析异步电动机运行状态中的电动势、电流，必须采用等效电路的方法。图2.15是三相异步电动机的每相电路图。三相异步电动机中的电磁关系同 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制31变压器类似。当定子绕组接上三相电源（相电压为u1）时，则有三相电流（相电流为i1）通过。定子三相电流产生旋转磁场，其磁通通过定子和转子铁芯而闭合。磁场不仅在转子每相绕组中要
19、感应出电动势e2（由此产生电流i2），而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e1。此外，还有漏磁通，在定子绕组和转子绕组中产生漏磁电动势e1和e2。2.4.1 2.4.1 定子电路定子电路由图2.15可得定子每相电路的电压方程，即其中，是通过每相绕组的磁通最大量，在数值上它等于旋转磁场的每 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制32图2.15 三相异步电动机的每相电路图 图2.16 定子绕组和转子绕组等效电路 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制33极磁通；f1是e1的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n1，所以 2.4.2 2.4.2 转子电路转子电路（1 1）转子频率）转子频率
20、因为旋转磁场和转子间的相对转速为（n1-n），所以转子频率为（2 2）转子电动势）转子电动势E2E2转子电动势E2的有效值为 在n=0，即s=1时，转子电动势为 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制34这时f2=f1，转子电动势最大。由上式可得出（3 3）转子感抗）转子感抗X2X2转子感抗X2与转子频率f2有关，即 在n=0，即s=1时，转子感抗为 这时f2=f1，转子感抗最大。此时（4 4）转子电流）转子电流I2I2转子每相电路的电流可由式（2.12）得出，即 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制35可见转子电流I2也与转差率s有关。I2随s变化的关系可用图2.17的曲线表示。图
21、2.17 I2和cos2与转差率的关系 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制36（5 5）转子电路的功率因数）转子电路的功率因数cos2cos2由于转子有漏磁通，相应的感抗为X2，因此，I2比E2滞后2角。因而转子电路的功率因素为 它也与转差率s有关，当s增大时，X2也增大，于是2增大，即cos2减小。由上述可知，转子电路的各个物理量，如电动势、电流、频率、感抗及功率因素等都与转差率有关，亦即与转速有关。任务任务2.5 2.5 三相异步电动机的功率及转矩三相异步电动机的功率及转矩活动情境异步电动机是通过电磁感应作用把电能送到转子再转化为轴上输出的机械能的，在能量转换的过程中电磁转矩起关键
22、作用。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制37任务要求1.理解并掌握异步电动机能量转换及功率传递的过程。2.通过机械特性的分析，掌握额定转矩、最大转矩、启动转矩的应用特点。基本活动2.5.1 2.5.1 功率及功率转换过程功率及功率转换过程当三相异步电动机稳定地负载运行时，从电源输入的功率为P1 从等效电路可以看出，在定子电阻R1上要消耗一小部分输入功率，通常称为定子铜耗Pcu1。在定子铁芯中有一小部分输入功率转变为涡流及磁滞损耗，称为定子铁耗PFe1。由于转子铁芯中的频率在正常运行时仅为13 Hz，所以转子铁耗可以忽略不计。输入功率P1扣掉Pcu1和PFe1后，余下的大部分输入功率通过
23、旋转磁场的电磁作用经过气隙送到转子，称为电磁功率PM。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制38 图2.18 异步电动机功率流程图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制39由定子和转子绕组等效电路图2.18可知，传送到转子的电磁功率有一小部分消耗在转子电阻R2上，成为转子铜耗pcu2。其余的大部分电磁功率则作为电功率输出。因此Pm在数值上为 总的机械功率不能全部输出，因为异步电动机运行时还有轴承摩擦及风阻的损耗pm以及高次谐波、转子中的横向电流等引起的附加损耗pad，故轴上输出的功率P2为 综上所述，可得 式中 称为电机的总损耗。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制402.5.
24、2 2.5.2 转矩平衡方程式转矩平衡方程式从运动学的概念可知，旋转机械的机械功率等于机械转矩与机械角速度的乘积，将功率平衡方程式除以转子的机械角速度，即得转矩平衡方程式 即 式中 T电动机所产生的电磁转矩；T2电动机输出的机械转矩；Tm机械损耗转矩；Tad附加损耗转矩；T0空载转矩，为Tm和Tad之和。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制412.5.3 2.5.3 转矩公式转矩公式对于已制造好的异步电动机，电磁转矩的大小与旋转磁场磁通的大小及转子电流大小密切相关。可用公式表示为 式中 CT电机常数；cos2转子的功率因数。2.5.4 2.5.4 机械特性曲线机械特性曲线异步电动机输出的
25、机械功率主要表现在输出转矩和转速上，因此，转速或转差率是异步电动机的基本变量之一。电磁转矩T变化规律曲线T=f（s）称为机械特性。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制42式中 p极对数;U1电动机外加定子电压；f1定子频率；r1,x1定子绕组的电阻和电抗；r2,x2转子绕组的折算电阻和电抗。当异步电机的定子电压、频率及各参数都为定值时，改变转差率s的大小，根据用参数表示的电磁转矩计算公式可算出相应的电磁转矩T，可作出机械特性T=f（s）曲线。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制43 图2.19 三相异步电动机的T=f（s）曲线图2.20 三相异步电动机的n=f（T）曲线 出版社电机
26、与机床电气控制电机与机床电气控制44通过机械特性曲线，可以得出三相异步电动机具有如下特点。在启动的瞬间，即s=1时的电磁转矩称为启动转矩Tst。启动时，电动机的启动电流较大，但转子功率因数很小，故启动转矩Tst并不是很大。如转子达到同步转速，即s=0，则转子电流I2=0，此时的电磁转矩T=0。当转差率s达到某一值时，电磁转矩达到最大值，故称为最大转矩Tm,对应于此时的转差率称为临界转差率sm，临界转差率sm和最大转矩Tm的数学表达式如下：可见，三相异步电动机的最大转矩与电网电压的平方成正比，最大转矩与转子电阻无关；临界转差率sm与转子电阻成正比。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制45转
27、子电阻对T=f（s）曲线的影响。当sm1，则说明电动机的启动转矩变小。对应额定负载时转矩称为额定转矩TN，相应转差率称为额定转差率sN。最大转矩与额定转矩之比，称为电动机的过载能力Km，它是衡量电动机过载能力的一个重要指标。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制46启动转矩与额定转矩之比，称为电动机启动转矩倍数Kst 启动转矩具有如下特点：Tst与电压U1的平方成正比；电抗X20愈大，Tst愈小；转子电阻R2适当增大时，Tst会增大。任务任务2.6 2.6 三相异步电动机的启动、反转、调速和制动三相异步电动机的启动、反转、调速和制动活动情境因为各种生产机械经常要进行启动、调速和停车，所以作
28、为原动机的异步电动机，其启动、调速和制动等性能的好坏，对生产机械的运行有很大影响，所以要针对不同的运行工况采取相对应的运行方法。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制47任务要求1.理解并掌握异步电动机启动方法及应用。2.理解并掌握异步电动机调速方法及应用。3.理解并掌握异步电动机制动、反转方法及应用。基本活动2.6.1 2.6.1 三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动三相异步电动机的启动是指从电动机接入电网开始转动，到达正常运转时的这一过程。一般衡量三相异步电动机启动性能的好坏，主要有以下4点：启动电流尽可能小；启动转矩要足够大；启动所需用的设备简单、经济、操作方便；出版社电机与机床
29、电气控制电机与机床电气控制48启动过程中的功率损耗要尽量小。具体来讲，异步电动机的启动主要有以下4种方法：（1 1）小容量电动机空载或轻载启动）小容量电动机空载或轻载启动直接启动直接启动小容量电动机空载或带轻载时，可以直接启动。为了保证电动机启动时不引起太大的电网压降，电动机应满足下列经验公式的要求：电动机能否采用直接启动方法，这不仅取决于电动机本身的容量大小，而且还与供电电网容量、供电线路长短、启动次数及其他用户的要求有关。（2 2）中、大容量电动机空载或轻载启动）中、大容量电动机空载或轻载启动降压启动降压启动凡电动机容量超过前面所述时，就不能直接启动。要降低启动电流，最有效的措施就是降压启
30、动。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制49降压启动是指电动机在启动时降低加在定子绕组上的电压，启动结束后再升至额定电压运行。降压启动可以有效地降低电动机的启动电流，但由于感应电动机的启动转矩和电压的关系为降压启动时，电动机的启动转矩也相应降低，所以，降压启动只适用于电动机空载或轻载启动。常用的降压启动方法有星三角降压启动、自耦变压器降压启动、定子绕组串电阻或电抗降压启动、延边三角形降压启动。1）星三角（Y）降压启动星三角降压启动是指在额定电压下正常运行时为三角形接法的电动机，在启动时采用星形接法从而使三相定子绕组所承受的每相相电压降低为额定电压（电源线电压）的 倍。出版社电机与机床电气
31、控制电机与机床电气控制50图2.21 星三角降压启动原理线路图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制51当定子绕组接成星形启动时，每相绕组所加电压为U13，设电动机启动时每相阻抗为Zst，则启动时的线电流为 如用三角形直接启动时，每相绕组所加电压为U1，此时线电流为两种接线方法启动电流的比值是由此可见，用星三角降压启动，启动电流为采用三角形接法直接启动时的13，对降低启动电流很有效，但由于启动转矩Tst正比于U21，因此，启动转矩也相应降低为采用三角形接法直接启动时的13，即启动转矩也相应降低，故此种方法只能用于空载或轻载启动的设备上。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制522）自
32、耦变压器降压启动自耦变压器降压启动也称启动补偿器启动，这种启动方法是利用自耦变压器来降低启动时加在定子三相绕组上的电压，它由三相自耦变压器和控制开关等组成。此时电源供给电动机的启动电流为直接启动时的 倍，因此，用自耦变压器降压启动对限制启动电流很有效。但采用此种方法降低启动电流的同时，启动转矩也会相应降低到直接启动的 倍。这种启动方法的优点是：可以按容许的启动电流和所需的启动转矩选择自耦变压器的变比从而实现降压启动，而且不论电动机定子绕组采用星形接法或三角形接法都可使用；缺点是：投资较大，设备体积大。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制53图2.22 自耦变压器降压启动原理线路图 出版社
33、电机与机床电气控制电机与机床电气控制54（3 3）小容量电动机重载启动）小容量电动机重载启动鼠笼电机的特殊型式鼠笼电机的特殊型式小容量电动机重载启动时，启动的主要问题是启动转矩不足。针对这种情况，解决的办法有两个：其一，是按启动要求，选择容量更大的电动机；其二，是选用启动转矩较高的特殊型式的电动机。（4 4）中、大容量电动机重载启动）中、大容量电动机重载启动绕线电动机启动绕线电动机启动绕线电机常用转子串接电阻或转子串接频敏变阻器的方法改善启动性能。绕线电机转子串接电阻时，如果阻值选择合适，可以既增大启动转矩，又减小启动电流，从而使两对矛盾都得到解决，当然投入设备要多一些，成本较高。2.6.2
34、2.6.2 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速调速就是在同一负载下能得到不同的转速，以满足生产过程的要求。如果采用电气调速，就可以大大简化机械变速机构。三相异步电动机的调速，出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制55图2.23 绕线式电动机启动时的接线图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制56就是人为地改变电动机的转速，以满足生产机械的需要。电动机调速的方法很多，从转速的表达式 可以看出，改变电动机的转速有3种可能，即改变电源频率f1、极对数p及转差率s。（1 1）变极调速）变极调速变极调速就是改变电动机定子绕组的极对数p来调速。如果电源频率f1固定不变，只需改变电机绕组的极
35、对数p，则同步转速和转子转速n也会随着改变。而且，电机的同步转速n1与极对数p成反比变化。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子。若为绕线式转子，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数，很不方便。变极调速常用的方法是在定子上只装一套绕组，而利用改变绕组接法来获得两种或多种极对数，称为单绕组变极。还有变极双速异步电动机采用YY接法，目前被广泛采用。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制57变极调速方法的优点是：设备简单、运行可靠。缺点是：不平滑调速，而是一级一级的分段式调速。（2 2）变频调速）变频调速变频调速就是改变供电电源的频率f1来调速的。当改变电源频率
36、f1时，旋转磁场的同步转速与电源频率f1成正比变化，于是转子转速也相应改变，达到调节转速的目的。在调节交流电源频率f1时，必须同时调节电源电压U1，并保持U1f1为常数。变频调速根据电动机输出性能的不同可分为：保持电动机过载能力不变的变频调速；保持电动机输出转矩不变的恒转矩变频调速；保持电动机输出功率不变的恒功率变频调速。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制58从调速范围、平滑性以及调速过程中电动机的性能等方面来看，频变频调速很优越，可以和直流电动机相媲美。但要使频率f1和端电压U1同时可调，需要一套专门的变频装置，使投入的设备增多，成本增大。（3 3）变转差率调速）变转差率调速变转差率
37、调速就是改变电动机的转差率s来调速。当恒转矩负载调速时，从电磁转矩的关系可知，改变转差率s有下列几种方法：在转子回路串入电阻、电感或电容，以改变转子电阻r2或转子电抗x2；改变定子绕组的端电压U1；在定子回路串入外加电阻或电抗，以改变r1或x1。改变变转差率调速常用的方法是在转子回路中串电阻，这种方法只适用于绕线转子异步电动机。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制59此种方法的缺点是：转子回路中接入附加电阻后，将使转子铜耗增加，降低了电动机效率。但由于此方法比较简单，在中、小容量的电动机中还是用的比较多。2.6.3 2.6.3 三相异步电动机的反转和制动三相异步电动机的反转和制动（1 1
38、）反转）反转三相异步电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向，且两者的方向相同。只需改变旋转磁场的方向，就能使三相异步电动机反转。因此，将三相接线端中的任意两相接线端对调，改变三相相序，就能改变旋转磁场的方向，从而使三相异步电动机反转。（2 2）制动）制动三相异步电动机的制动是指加上一个与电动机转向相反的转矩来使电动机迅速停转或限制电动机的转速。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制60三相异步电动机的制动方法有两类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械装置（来使电动机迅速停止转动。电气制动是使异步电动机所产生的电磁转矩的方向和电动机转子的旋转方向相反，电气制动通常可分为反接制动、回
39、馈制动和能耗制动。1）反接制动反接制动就是在分析异步电机工作原理时指出的制动状态,此时转子的转向与定子旋转磁场的转向相反，实现反接制动可用下述两种方法。正转反接：正接反转：2）回馈制动当异步电机作电动机运行时，因外来因素，使转子加速到超过同步转速，则异步电动机进入回馈制动（发电机运行）状态。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制61图2.24 正接反转的反接制动接线图图2.25 回馈制动原理图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制62回馈制动的优点是：经济性能好，可将负载的机械能变为电能返回电网；缺点是：应用范围窄，只有在电动机转速大于同步转速时才能实现。3）能耗制动将正在运行中的异
40、步电动的定子绕组从电网断开，再将其中一相绕组接到一个直流电源上，由直流电流励磁而在气隙中建立一个静止的磁场。这种制动方法是利用转子旋转时的惯性，使转子导体切割静止磁场的磁通而产生制动转矩，把转子的动能消耗于转子回路的电阻上成为铜耗，故称能耗制动。能耗制动的优点是：制动力强、制动平稳、对电网影响小；缺点是：需要一套直流电源装置，而且制动转矩随着电动机转速的减小而减小，不易制停。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制63图2.26 能耗制动接线图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制64项目小结项目小结三相异步电动机是通过定子加对称交流电源，形成气隙旋转磁场，依靠电磁感应作用，在转子中感
41、应电动势、产生电流，进而产生电磁力和电磁转矩，带动转子转动，从而实现电能到机械能的转换。转子转速总是与旋转磁场转速存在差异，这是异步电机运行的基本条件，也是它区别于同步电机的重要标志。从电磁感应本质看，异步电动机与变压器极为相似。因此，可以采用研究变压器的方法来分析异步电动机。异步电动机与直流电动机也有很大差别。异步电动机是一种“单边励磁”电机，即只有一边接电源，另一边靠感应产生电动势和电流。因此，从空载到负载，其气隙磁场基本不变。而直流电动机则是“双边励磁”电机，磁极和电枢两边都接电源，其气隙磁场是随负载变化的。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制65在异步电动机中，不论转子的转速和转
42、向如何，定、转子基波磁动势总是相对静止的，这是它区别于同步电动机又一重要标志。三相异步电动机的机械特性n=f（T），可用物理表达式、参数表达式及实用表达式去描述。三相笼型异步电动机的启动采取直接启动，因启动电流大，经常启动会使电机发热，所产生的大电动力会影响寿命。为了克服笼型异步电动机启动电流过大的缺点，可采取降压启动，包括定子电路串接电阻或电抗的降压启动、自耦变压器降压启动和星三角启动等。由于降压启动不但减小了启动电流，同时也减小了启动转矩，故只宜用于空载或轻载启动的生产机械。三相绕线转子异步电动机采取在转子回路中串接适当大小的电阻启动或采用以转子串频敏变阻器启动代替变电阻启动。出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制66三相异步电动机的调速有变极、变频及改变转差率3种方法。改变转差率的调速又包括：转子回路串电阻、改变定子电压及电磁转差离合器调速等方法。三相异步电动机的制动一般采用回馈制动、反接制动（转速反向反接制动与两相反接制动）、能耗制动这3种方法。
