自动控制元件-3.异步电机(3)

自动控制元件

宋宇问题说明1、驱动直流电机的功率放大器内阻对机械特性曲线有何影响？（等同于再电枢回路中串联电阻）2、控制电压恒定时，启动转矩=阻转转矩启动电流=阻转电流变压器总结变压器的用途、基本结构、原理、电路表示；线圈的主磁通和漏磁通；变压器空载时的电压平衡关系；变压器负载时的磁势平衡、电流平衡、电压平衡；变压器的变比关系；变压器的额定值；第三章异步电动机及其控制3.1异步电动机的结构特点和工作原理3.1.1异步电动机的分类及应用交流电源——交流电动机异步电动机（感应电动机）三相电机：生产中作为动力使用。两相电机：两相伺服电动机。单相电机：使用单相电源的家用电器和小设备。同步电动机3.1.1异步电动机的分类及应用优点1．没有换向器和电刷，可以消除由它引起的一系列缺点。

2．转矩、转速和功率不受电机换向条件的限制。

3．结构简单，坚固耐用。

4.电源方便。缺点：控制性能差，控制装置复杂，成本高，位置控置难。3.1.2异步电动机的结构特点定子（固定部分）定子硅钢片冲压而成，硅钢片为软磁材料，磁导率高，磁滞损耗小。定子上绕有铜质绕组。转子（旋转部分）由铁芯和绕组、转轴构成；有鼠笼式和绕线式两种。铁芯由硅钢片冲制而成。3.1.2异步电动机的结构特点定子铁心、定子绕组三相，两相，单相。转子：鼠笼式，绕线式。笼式，构造简单，工作可靠。绕线式：结构复杂，造价高。3.1.3异步电动机的工作原理旋转磁场加闭合的转子绕组旋转磁场感应电流电磁转矩，与磁场同向。转子速度小于磁场转速，异步。转子速度等于磁场转速，电流和转矩为零。转子速度大于磁场转速，转矩与磁场反向。转子相对于定子之后的速度，由负载决定。实际的异步电机，旋转磁场由多相电流产生。3.1.4旋转磁场一、几个概念两相对称电流：幅值相等，相位相差90°。3.1.4旋转磁场一相绕组：串联在一起的一组线圈。电机极数：一相绕组通直流电时形成磁场的极数。电角＝极对数p×机械角度两相电机:两相绕组轴线的夹角为90°/p,90°电角。两相对称绕组：匝数相等，均匀分布。3.1.4旋转磁场二、两相对称绕组的磁场两相两极电动机，电流变化一个周期，磁场在空中旋转一周。一相电流反相，磁场反转。3.1.4旋转磁场两相四极电动机

电流变化一个周期，

磁场转过半圈。一相电流反相，磁场反转。3.1.4旋转磁场旋转磁场的转速电流变化一个周期时，两相两极绕组磁场在空间旋转机械角——电角。两相四极绕组磁场在空间旋转机械角——电角。结论：电流变化一个周期，两相绕组磁场在空间旋转电角。设两相绕组极对数为，电源频率是Hz。

旋转磁场的转速（同步转速）3.1.4旋转磁场三、3相电动机的旋转磁场三相电动机：定子绕组是三组相同的绕组，均匀分布，相差电角—三相对称绕组。AX,BY,CZ

。3.1.4旋转磁场三相对称电流三相电流流过三相绕组产生旋转磁场。电流变化1/4周期，两极磁场转1/4周。

r/min任意二相的端子与电源的连接互换，旋转方向改变。3.2交流绕组磁场分析

3.2.1单相绕组的脉振磁场磁势与磁通绕组中通电后就会产生磁势，磁势在磁路中会产生磁通（磁通=磁势/磁阻）。由于铁磁物质存在磁饱和现象，且磁导率是变化的，因而磁阻是变化的。

结论：磁势可以叠加，符合叠加原理；但磁通不满足叠加原理（只有在磁场不饱和时近似满足）。交流异步电机的磁通由主磁通和定子、转子的漏磁通两部分构成。3.2.1单相绕组的脉振磁场概念：（1）极矩：电机定子内圆上相邻异性磁极沿内圆表面的距离；（2）节距：定子上一个绕组线圈两边的距离，即一个线圈所占槽数；（3）节距=极矩为整矩线圈；节距<极矩为短矩线圈；集中绕组：绕组的两边分别放在一个槽中。3.2.1单相绕组的脉振磁场线圈的匝数，线圈的电流为。磁路磁势气隙磁阻远大于铁心磁阻，磁势全部落入气隙。磁通两次穿过气隙，每一次穿越气隙的磁势：定义转子进入定子的磁势为正，反之为负；当线圈中通直流电，直流的磁势是位置固定的方波。3.2.1单相绕组的脉振磁场当线圈通过交流电，气隙磁势交流磁势是方波，位置固定，振幅的大小和正负随时间做周期变化，频率与电流相同。波形空间位置固定，振幅随时间变化的磁势称为脉动磁势，该磁势建立的磁场为脉动磁场。脉动磁势的频率为电流频率。3.2.1单相绕组的脉振磁场方波分解为傅里叶级数基波基波振幅第i次谐波的最大幅值是基波最大幅值的l/i倍。3.2.1单相绕组的脉振磁场脉振物理量：空间和时间的函数，空间的位置（最大值或波形对称轴的位置）固定，振幅的大小和正负随时间周期变化。交流电的磁势是脉振磁势。脉振磁势的典型表达式在任何时刻，在空间都按余弦规律分布。磁势分布曲线幅值的位置，位置始终不变。磁势幅值的大小（）和符号随时间周期变化。基波和谐波都是脉振磁势。3.2.1单相绕组的脉振磁场二、单相分布绕组的磁场分布绕组：由q个绕组串联而成,分布在q

个连续槽中。单相分布绕组的磁势为各集中绕组磁势之和。单相分布绕组的磁场是阶梯波，脉振磁场。有q个线圈分布在q

个槽中，每个槽中有匝，傅里叶级数3.2.1单相绕组的脉振磁场基波式中W为每相绕组匝数；为极对数；为基波磁势的最大值。如果绕组电流为，绕组轴线的位置（即磁势分布曲线幅值的位置）是，则磁势的基波分量为

3.2.1单相绕组的脉振磁场结论：（1）单相绕组通入交流电流产生的磁势是一个脉冲磁势。它既是时间的函数，又是空间位置的函数。（2）脉振磁势的基波在空间为余旋分布，基波幅值位置为该相绕组的轴线处，空间各点磁势大小随时间作正旋规律变化，频率为电流频率；（3）基波磁势的最大值由电机本身结构和定子电流大小决定。3.2.1单相绕组的脉振磁场三、脉振磁势分解与旋转磁势当时间一定时，是一个空间正弦波，其幅值为/2，；当空间位置一定时，是一个时间的正弦波，幅值是/2，表示某一固定点处随时间按正弦规律脉振的磁势。磁势波形幅值的点，即的点，这时有，则波形幅值的位置随时间而变化，其中x代表电角。旋转磁势。3.2.1单相绕组的脉振磁场旋转的角速度（电角）为转速为正，称为正向旋转的磁场。因为一个圆周为2πprad（电角），所以该磁势波旋转的速度可表示为

式中和f分别为电流的角频率和频率。同理可分析出是一个反向旋转的磁势波，其幅值与旋转速度值和相同。结论：脉振磁势可以分解为两个速度相同但方向相反的旋转磁势，每一旋转磁势振幅的大小不变，为原来脉振磁势最大值的一半。

3.2.2两相绕组的圆形旋转磁场用数学方法证明圆形旋转磁场。设两相绕组的匝数分别为和，电流分别为和，基波磁势为和，设c绕组轴线的位置是0°，f绕组轴线的位置是90°。若则旋转磁场，转速3.2.2两相绕组的圆形旋转磁场圆形旋转磁场：磁势向量的端点在空间描绘出一个圆。两相绕组产生圆形旋转磁场的条件两相正弦脉振磁势在空间相差90°电角，幅值在时间上相差90°，最大值相等即电流、相位差是90º且3.2.2两相绕组的圆形旋转磁场同样，对称的m相绕组（m＞2)流过对称的m相电流，合成磁势为一圆形旋转磁势，其幅值为每相脉振磁势最大值的m/2倍。转速为60f/pr/min。异步电动机在圆形磁场作用下的运行状态又称对称状态。可以证明，多相对称绕组加上多相对称电压时，产生圆形旋转磁场。3.2.3两相绕组的非圆形旋转磁场非圆形旋转磁场：脉振磁场和椭圆旋转磁场一、两相绕组的非圆形旋转磁场1.两相绕组电流相位相同，产生脉振磁场。2.两相绕组电流相位差是90º，也形成旋转磁场，但磁密向量B或磁势向量F的端点轨迹是椭圆，称为椭圆旋转磁场。3.2.3两相绕组的非圆形旋转磁场椭圆度：α越小，椭圆度越大。3.两相绕组电流相位差大于0º小于90º，产生椭圆旋转磁场。椭圆旋转磁场具有下述特点。转向与圆形旋转磁场相同。幅值磁密幅值不断变化。若α<1，幅值变化范围从至。当α＝0时变成脉振磁场，当α＝1时变成圆形旋转磁场。转速电流变化一个周期，磁场在空间旋转了360º电角，平均转速是60f/pr/min。但椭圆旋转磁场的瞬时转速是变化的。上次课总结异步电机基本原理，同步转速单相绕组的脉振磁场及分解上次课总结脉振磁势可以分解为两个速度相同但方向相反的旋转磁势，每一旋转磁势振幅的大小不变，为原来脉振磁势最大值的一半。两相两级电机的圆形旋转磁场：上次课总结圆形旋转磁场：磁势向量的端点在空间描绘出一个圆。两相绕组产生圆形旋转磁场的条件两相正弦脉振磁势在空间相差90°电角，幅值在时间上相差90°，最大值相等即电流、相位差是90º上次课总结非圆形旋转磁场：脉振磁场和椭圆旋转磁场1、两相绕组电流相位相同，产生脉振磁场；2、两相绕组电流相位差不是90º，或幅值不同形成椭圆磁场；椭圆度:α越小，椭圆度越大。3.3异步电动机的主要特性

3.3.1基本方程一、转速和转差率转速磁场（同步）转速转差率3.3.1基本方程二、磁势平衡方程式气隙磁势是定子磁势和转子磁势的和。三、气隙磁势、磁密与磁通正向圆形旋转的气隙磁势和磁密穿过一个固定的线圈的总磁通为

3.3.1基本方程四、定、转子导体中的感应电势及其频率在气隙磁场中任一位置x的导体中产生的感应电势为定子绕组感应电势的频率与电源相同。转子感应电势

转子绕组感应电势频率为电源频率的s倍。3.3.1基本方程转子电流频率为。转子电流产生的旋转磁势相对于转子的速度为

r/min。转子自身以转速n

向同方向旋转，故转子电流的旋转磁势的转速为转子电流和定子电流的旋转磁势的转速相同。3.3.1基本方程五、电压平衡方程式从物理角度看，定子和转子等效电路如图。转差率为s时感应电势和漏感抗为和，s=1时（转子不动)根据基尔霍夫电压定律可得3.3.1基本方程六、频率折算电机旋转时定子、转子的反电动势不是同频率的，难以直接求解。频率折算即将定子、转子有相对转动的情况折算为二者相对静止的状态，使得两个反电动势同频率，问题转化为静态的“变压器”问题。折算的准则：折算后，转子电流大小与相位不变，则由电流平衡方程知，折算后对定子电流无影响。3.3.1基本方程六、频率折算结论：一台以转差率s旋转的异步电机的转子电路，可以用一台静止电机的转子电路表示，只需在原电路中串接一个虚拟电阻。虚拟电阻上消耗的电功率，等于实际电机转动时输出的机械功率。3.3.2等效电路图参数对应定子一相绕组。电阻吸收的电能为定子铜耗。吸收的电能代表铁心损耗。吸收的电能称为转子铜耗。电阻吸收的电功率表示一相定子绕组产生的机械功率。为得到等效电路，还需进行绕组折算，即将绕组物理量折算到定子上，得到等效电路。3.3.3圆形旋转磁场的电磁转矩计算电磁转矩有两种方法。1）叠加。2）等效电路求机械功率，再求转矩。转矩的物理表达式电磁转矩的参数表达式3.3.3圆形旋转磁场的电磁转矩由电磁转矩的参数表达式可以看出：（1）当转差率不变时，电磁转矩与电机外加电压的平方成正比；（2）电压、频率不变时，电磁转矩仅与转差率有关；（3）转矩-转差率函数关系曲线表征异步电动机的机械特性。3.4两相电动机

3.4.1两相电动机的分类两相电机：定子具有两相绕组。驱动和伺服两大类。两相驱动电动机：大部分家用电器和小型电器中使用的异步电动机。气隙磁场接近圆形旋转磁场，转子电阻小。3.4.1两相电动机的分类两相伺服电动机：定子两相绕组，分别称为激磁绕组和控制绕组，在空间相差90°电角。特点：1.稳定运行的转速范围大，而驱动电动机稳定运行的速度范围很小。2.一相绕组电压（流）为零时，伺服电机将产生制动转矩而迅速停转，而驱动用电机在运转后，一相电压（流）为零也可能继续运转（自转）。3.快速响应，机电时间常数小。两相伺服电机采用细长转子，惯量小，转子电阻大，使堵转转矩高，起动速度快。不能用驱动电动机代替两相伺服电动机。3.4.2圆形旋转磁场时两相电机的机械特性以电压为参变量，电磁转矩T与转差率s（或转速n）之间的关系曲线，又称T-s曲线。转子电阻增大时，最大转矩不变，临界转差率增大（与电阻正比）。驱动电机要求效率高，所以转子电阻小，稳定运行的转速范围小。两相伺服电动机，要求第1象限稳定运行，机械特性下垂的，即要求转子电阻足够大，保证。转子电阻大，机械特性下垂。3.4.2圆形旋转磁场时两相电机的机械特性异步电机只能工作在稳定区（曲线下降段为稳定区）；注：稳定区，电机受到微小干扰时会偏离原工作点，而干扰消逝后能自动回到原工作点。伺服电机要求第一象限内全部为稳定区，调速范围宽；3.4.3非圆形旋转磁场的机械特性两相伺服电动机主要工作在椭圆形旋转磁场一、正反转磁场法椭圆形磁场可以分解为两个圆形旋转磁场，它们转向相反，并且正向（与椭圆磁场转向相同）磁场大于反向磁场。3.4.3非圆形旋转磁场的机械特性二、椭圆磁场的机械特性叠加法求转矩。n＝0，s＝1以椭圆度α为参变量的机械特性椭圆磁场理想空载转速低于磁场转速。当负载不变时，

α越小，转速越小。3.4.3非圆形旋转磁场的机械特性三、脉振磁场的机械特性定子绕组产生脉振磁场：两相电机一相通电，称单相运行，此时定子绕组产生脉振磁场。叠加法求转矩。曲线过原点，没有起动转矩。驱动用电机：转子电阻小。原来转动的两相或三相电机，在一相断电后仍可转动，有自转。伺服电动机：转子电阻大，机械特性在2，4象限。电磁转矩总是与转向相反，控制绕组电流（压）为零电机将很快停转，无自转。无自转是交流伺服电机的基本要求，因而转子电阻要足够大。3.4.4两相伺服电动机的控制方法与特性1．幅值控制

激磁绕组加额定电压，和控制电压的相位差始终是90°,改变控制电压的幅值来控制电机的转速，使控制电压反相来改变转向。信号系数信号系数与椭圆度近似相同。—实际控制电压—额定控制电压3.4.4两相伺服电动机的控制方法与特性2．相位控制控制电压的幅值不变，仅改变控制电压相位。相位控制时机械特性的线性度比其他控制方式好，但由于线路复杂和电机发热较严重，因此用得较少。3．双相控制

激磁电压和控制电压的幅值同样变化，电压的幅值相等，而相位差是90°。双相控制时电机始终是圆形旋转磁场，效率高，输出功率大，电机发热情况明显改善。用两套交流功率放大器。电磁转矩与电压平方成正比，这就使输出量和输入量之间呈非线性关系。用得较少。3.4.4两相伺服电动机的控制方法与特性4．幅相控制（电容控制）同时改变控制电压的幅值及其和激磁电压的相位差。电容移相。激磁绕组串联电容C后接在单相电源上。电容使激磁绕组两端电压与电源相位之差为90°左右。控制绕组两端通过交流放大器和电源相连，控制电压的幅值受控。表面上只是改变控制电压的大小，实际上控制电压和激磁绕组电压的相位差也变化。（绕组阻抗与转速有关）3.4.4两相伺服电动机的控制方法与特性厂商提供的移相电容能使起动时激磁电压与控制电压的相位差是90º，以获得最大的起动转矩。随着电机转速的增加，激磁电压和电源电压的相位差也增加，约增加10多度。与幅值控制相比，同一台电机，幅相控制时由于相位差不是90º，转矩下降，机械特性和调节特性的非线性更严重。线路简单，应用广。3.4.5两相伺服电动机的动态特性一、传递函数电动机的过渡过程包括两个方面：电磁过渡过程，机电过渡过程。认为两相伺服电动机的传递函数与直流电动机具有相同的形式。角速度Ω为输出量，控制电压U为输入量：3.4.5两相伺服电动机的动态特性推导3.4.5两相伺服电动机的动态特性二、特性的非线性对动态性能的影响体现在传递函数的机电时间常数和增益系数K上。不同的工作点具有不同的值。以对称运行时的平均值作标准，在幅值控制时可能变化到2倍，幅相（电容）控制时可能变化到4倍。因此控制设计时应留有较大裕量。性能要求高时应采用速度反馈补偿，以便减小电机非线性对控制系统性能的影响。若是常数，电机就是理想的线性系统。线性：机械特性和调节特性是平行直线3.4.6两相伺服电动机与直流电动机性能比较1．静态特性和动态特性直流电机的机械特性和调节特性均为平行直线。两相伺服电动机的特性为非线性曲线。直流电机机械特性硬，两相电机特性软。传递函数形式相同，但两相电机的机电时间常数和增益系数变化大，动态模型难以准确建立。3.4.6两相伺服电动机与直流电动机性能比较2．体积、重量和效率、功率、力矩两相伺服电动机的转子电阻大，损耗大，效率低，功率小，0.5W到100W。转矩很小。输出功率相同时，体积大、质量重。3．自转参数选择不当，或制造不良，或使用不当，两相伺服电动机会产生自转现象。4．电刷和换向器直流电机有电刷和换向器，因此具有相应缺点。两相伺服电动机无电刷。3.5单相异步电动机使用单相交流电源，结构简单，成本低，噪声小，电磁干扰小，大量应用于家用电器、小型机械。结构定子和转子。转子是鼠笼式，定子铁心上有绕组。单相绕组通交流电产生脉振磁场，没有起动转矩。为了使电机能自行起动和改善运行性能，除了有工作（主）绕组外，还常常装有起动（副）绕组，属于两相绕组电机。3.5单相异步电动机一、工作原理工作绕组是一相绕组。只有工作绕组通交流电时，是单相运行。驱动用，转子电阻小。1．单相绕组电机起动转矩为零，不能自行起动，必须解决起动问题。2．转速不为零时电磁转矩不为零，旋转方向依起动时转动方向而定。3、转速不为零时合成磁场是椭圆旋转磁场。电机接近同步转速时，合成磁场接近于圆形旋转磁场。3.5单相异步电动机二、起动方法和基本类型起动时产生旋转磁场1.分相起动两相绕组：工作绕组A和起动绕组B。单相电容起动异步电动机起动绕组、电容器C

和起动开关

K一起接在电源上。电机不转时开关接通，接近同步转速时切断。起动绕组仅在起动时起作用，按短时运行设计。3.5单相异步电动机单相电阻起动异步电动机没有电容。起动绕组回路的电阻对电抗的比值较大，而工作绕组的比值较小，所以两个绕组电流在时间上有相位差，形成椭圆旋转磁场。单相电容运转异步电动机有电容，无起动开关。实质上是两相电机。3.5单相异步电动机2.罩极起动（罩极电机）结构：定子磁极有单相工作绕组A，每个磁极的一侧有一个匝数很少的闭合绕组或短路环K，称为罩极绕组。转子为笼型结构。原理：通电后罩极线圈中将产生感应电势和电流。没有罩极绕组的极面磁通，罩极绕组的磁通，有相位差，合成磁场是椭圆旋转磁场。上次课总结两相电机的结构、分类（驱动、伺服）；圆形磁场下两相电机的机械特性（T-S曲线）1、转子电阻增大时，最大转矩不变，临界转差率增大。2、驱动电机要求效率高，所以转子电阻小，稳定运行的转速范围小。3、伺服电动机要求第1象限稳定运行，机械特性下垂，即要求转子电阻足够大，保证。上次课总结非圆形旋转磁场的机械特性1、椭圆磁场的分解;2、椭圆磁场的机械称性（转矩合成法）；以椭圆度α为参变量的机械特性椭圆磁场理想空载转速低于磁场转速。当负载不变时，α越小，转速越小。调节椭圆度就可调节转速，因而伺服电机运行于椭圆磁场；上次课总结脉振磁场的特性与自转脉振磁场的产生。曲线过原点，没有起动转矩。驱动电机：转子电阻小。原来转动的两相或三相电机，在一相断电后仍可转动，有自转。伺服动机：转子电阻大，机械特性在2，4象限。电磁转矩总是与转向相反，控制绕组电流（压）为零电机将很快停转，无自转。无自转是交流伺服电机的基本要求，因而转子电阻要足够大。上次课总结两相伺服电动机的控制方法幅值控制：控制电压改变而调节信号系数，调节磁场椭圆度；—实际控制电压幅值—额定控制电压幅值相位控制：控制电压不变，调节其相位进而改变磁场椭圆度；幅相控制（电容控制）：改变控制电压的幅值，同时相位也变化，进而改变磁场椭圆度；双相控制：控制电压和激磁电压同时改变，伺服电机工作圆形磁场。需要两套驱动器，用的很少。上次课总结两相伺服电动机的动态特性传递函数与直流电机相同；增益K和机电时间常数为变化值，与直流电机不同；两相伺服电动机与直流电动机性能比较机械特性软，电磁转矩小，功率低，体积大；转子内阻大，效率低；自转现象（转子电阻不合适时）优点：无换向器和电刷；上次课总结单相异步电动机基本原理工作绕组是一相绕组。驱动用，转子电阻小。单相绕组电机起动转矩为零，不能自行起动，必须解决起动问题。转速不为零时电磁转矩不为零，方向依起动时转动方向而定。转速不为零时合成磁场是椭圆旋转磁场。上次课总结单相异步电动机的启动方式1.分相起动两相绕组：工作绕组A和起动绕组B。单相电容起动单相电阻起动单相电容运转2.罩极起动（罩极电机）结构：定子磁极有单相工作绕组A，每个磁极的一侧有一个匝数很少的闭合绕组或短路环K，称为罩极绕组。原理：合成磁场是椭圆旋转磁场。3.6单相串励电动机一、单相串励电动机的基本结构和工作原理结构：同电磁式串励直流电动机。原理：接交流电时，电枢电流和磁场电流（主磁通）同时改变方向，转矩方向不变。交流电将产生很大的铁耗和电抗压降，直流串励电动机是不能在交流电下运行。单相串励电动机应专门设计。3.6单相串励电动机二、单相串励电动机的特性电压不变，转矩与转速平方成反比。转速和转矩变化范围大，起动转矩大。三、单相串励电动机的应用吸尘器、搅拌机、手电钻、电刨等。四、交直流两用串励电动机重新设计，可使它在交流和直流时具有相同的运行性能。电机有4个接线端子，供接不同电源及改变电动机转向时用。

3.7三相异步电动机

3.7.1三相异步电动机的基本知识定子绕组是三相对称绕组，使用三相对称电源。转子有鼠笼型和绕线式两种。鼠笼式电动机结构简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为工业生产中应用最广泛的电动机。绕线式异步电动机用于：对起动、转矩、调速有特殊要求的场合。3.7.1三相异步电动机的基本知识三相电动机：定子绕组是三组相同的绕组，均匀分布，相差120电角—三相对称绕组。AX,BY,CZ

。3.7.1三相异步电动机的基本知识三相对称电流三相电流流过三相绕组产生旋转磁场。电流变化1/4周期，两极磁场转1/4周。

r/min任意二相的端子与电源的连接互换，旋转方向改变。3.7.1三相异步电动机的基本知识一、功率与转矩电网输入功率扣除定子铜耗和铁耗后通过电磁感应传递到转子的功率称为电磁功率。输入给转子的电磁功率减去转子铜损耗后，就成为转轴上的机械功率。

3.7.1三相异步电动机的基本知识电机转轴上的机械功率为电机转矩机械功率：3.7.1三相异步电动机的基本知识二、机械特性以电压为参变量，电磁转矩T与转差率s（或转速n）之间的关系曲线，又称T-s曲线。额定转矩：额定转差率：过载倍速：一般电机：机械特性近似线性计算：3.7.1三相异步电动机的基本知识三、起动异步电动机全压起动电流约为额定电流的4~7倍。起动电流过大会引起电源电压降落过大，使其它用电设备不能正常运行。一般10kW以下的电机可直接起动。当电机容量超过规定值时，应采用限制起动电流的措施。减小起动电流的方法是降压起动。3.7.1三相异步电动机的基本知识四、绕线式异步电机转子绕组也是三相绕组，绕组的三条引线分别接到3个滑环上，用电刷装置引出。在转子回路中外串三相对称电阻，增大电动机起动转矩，减小起动电流，并提高转子电路的功率因数，因此这种电机可用在重载和频繁起动的生产机械上，如起重机。3.7.1三相异步电动机的基本知识五、力矩三相异步电动机采用电阻率较高的导电材料（如黄铜等）作为转子导条及端环，因此转子电阻比鼠笼式大得多，机械特性曲线在第1象限是下垂的。允许长期低速运转甚至堵转，应用于纺织、印染、造纸、电线电缆、冶金等具有较大的恒转矩或要求变速的机械设备上。典型应用如：卷绕，开卷，启闭闸（阀）门，阻力矩大的拖动装置，及频繁正、反转的装置.3.7.2三相异步电动机的调速一、调速方法交流调速系统正在取代直流调速系统。由常用方法

3.7.2三相异步电动机的调速二、变频调速改变供电频率的调速方法称为变频调速。调速性能好，可与直流电动机相媲美，是目前应用最广的交流调速方式。1．从基频向下调速（恒转矩）额定频率称为基频。当电机定子端电压一定时，如果降低频率，则主磁通要增大。励磁电流猛增，铁耗增加，电机过热。要降低电压，保持气隙磁通不变（不增）。3.7.2三相异步电动机的调速A.保持等于常数（虚线）

主磁通、最大转矩不变，机械特性曲线（稳定区）彼此平行，性能最好。电势是电机内部量，无法直接测量和控制。B.保持/等于常数（实线）最大转矩随频率降低而减小。常用的办法，频率较高时保持/是常数，频率低时使电压适当大。变频同时变压，称为变压变频器。3.7.2三相异步电动机的调速可以证明：当定子绕组电流不变时，E/f为常数，则电机的电磁转矩不变；U/f为常数则电磁转矩近似不变。因而称为恒转矩调速，恒磁通调速。由于转矩恒定，转速可调，因而功率变化,非恒功率工作。由基频向下调速放式适用于恒转矩负载，如起重机、印刷机等场合的调速。3.7.2三相异步电动机的调速2．从基频向上调速电机电压不允许高于额定电压，以防止绕组绝缘击穿。从基频向上调速时，电机电压只能保持额定值不变，于是主磁通几乎与频率成反比的降低。最大转矩随频率提高而下降。3.7.2三相异步电动机的调速可以证明：若定子电流不变，电机的电磁功率和输出的机械公布保持不变，则基频向上调速为恒功率调速。3.7.2三相异步电动机的调速4、变频器变频，变压。交-直-交；交-交。可控整流：交流变直流，直流大小可控。逆变器：直流变交流。斩波器：直流变矩形波电压。第三种应用多。3.7.2三相异步电动机的调速三、改变定子电压调速普通鼠笼异步电机，临界转差率小对于恒转矩负载，调速范围0-Sm小，不适用。对通风机类负载（T12），可用。注：泵类负载：转矩与转速平方正比。但对与高转差率的电机（转子电阻大）恒转矩负载，调速范围宽，可用。但机械特性软，需要速度反馈控制。注：1-额定电压机械特性曲线；

2、3-电压降低特性曲线；（U2>U3)3.7.2三相异步电动机的调速四、转子回路串电阻调速只能用于绕线型异步电动机恒压、恒转矩负载,可证明：总电阻rs+r2与St成正比；铜耗大，效率低；串入电阻后机械特性变软；电阻不连续，调速不平滑；3.7.2三相异步电动机的调速五、串级调速（简介）绕线型异步电机，以串接电压代替串接电阻；转子回路串入附加电势：交流或直流。

理论证明，定子端电压和负载转矩不变时，若转子附加电势与转子电势同频、相位相同或相反，则：：转子不转时转子相电势附加电势与转子电势同相时为+，反相为-。改变就是调节转差率s。3.7.2三相异步电动机的调速六、矢量控制（简介）异步电机难控制：磁场电流与产生转矩的电流都是定子电流，难以分开。控制思想：以转子磁场轴线为轴的旋转坐标中，将定子电流分解为激磁电流和转矩电流，它们互相垂直，可分别控制。优点：控制性能好，接近直流电动机。缺点：控制装置复杂。3.7.3异步电动机的电气控制电器:实现电路的切换、控制、保护、检测、变换和调节。手动，自动。电气控制线路：主电路和辅助电路。主电路：电机绕组及与它相串联的电器元件，主电路的电流大。辅助电路：主要是控制电路，辅助电路的电流小。3.7.3异步电动机的电气控制一、常用电器1.熔断器，隔离器，刀开关熔断器：过热融化，保护电器。当电路发生过大的电流，熔断器熔体熔断而切断电路。隔离器、刀开关：手动开关。作用是将电路和电源隔开，以保障检修人员的安全，有时也用于直接启动电动机。2.接触器用来接通或断开负载主回路的自动切换电路，它的控制容量大，并能频繁操作和远距离控制。应用最广的是电磁接触器。3.7.3异步电动机的电气控制3.继电器继电器：根据特定的输入量的值而动作的自动控制电器，用于接通或断开控制电路。按输入量的物理性质，继电器可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器等。电压继电器根据电压的大小动作，电流继电器按电流的大小动作。时间继电器按时间间隔动作。热继电器可以保护电机不过热损坏，允许启动时的大电流，又避免长时间过载过热。3.7.3异步电动机的电气控制二、电动机起、停控制线路能实现对电动机的起动、停止，远距离控制，频繁操作和几种保护。主电路：隔离开关QS，熔断器FU，接触器KM的常开主触头，热继电器FR的热元件和电动机M。控制电路：起动按钮SB2，停止按钮SB1，接触器KM的线圈和常开辅助触点，热继电器FR的常闭触点。3.7.3异步电动机的电气控制起动合上开关QS，按起动按钮SB2，接触器线圈带电，三个常开主触头闭合，电机起动。同时，KM的辅助（自锁）触点闭合。断开SB2，线圈KM继续通电，电机继续运转。停止按停止按钮SB1，接触器KM的线圈失电，其主触头和辅助触点都断开，电机脱离电源停止运转。松开停止按钮电机也不会自行起动。3.7.3异步电动机的电气控制短路保护熔断器熔体熔断，断开主电路。过载保护电机过载运行一段时间后，热继电器FR动作，它的常闭触点断开控制电路，接触器KM失电，切断电机主电路。短时过载，热继电器不动作。欠压和失压保护电机运行中，若电压过低，电磁力小，自锁触点和主触头会断开，切断电机电源。习题（1）单相绕组中通直流电，单相绕组中通交流电以及两相绕组中通入两相交流电各形成什么磁场？它们的气隙磁通密度在空间上如何分布？在时间上如何变化？答：(1)通直流电，恒定磁场，位置固定的方波，不随时间变化；

(2)通交流电，产生脉振磁场，位置固定的方波，但振幅的大小和正负随时间做周期变化，频率与电流相同。其基波在空间为余旋分布，空间各点磁势大小随时间作正旋规律变化，频率为电流频率；

(3)通入两项交流电，当两相对称电流且匝数相等时产生圆形磁场；否则产生椭圆形磁场，两相电流相同时产生脉振磁场。

习题（2）何为对称状态？何为非对称状态？交流伺服电动机通常运行时是怎样的磁场？两相绕组通上相位相同的电流能否形成旋转磁场？答：(1)异步电动机在圆形磁场作用下的运行状