电机与拖动知识要点杨天明陈杰版

1、绪 论在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，都必须通过能够进行能量(或信号)传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。变压器是用于改变电压即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能；电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。同时，随着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，是我国电工电器行业发展的重点产品。电力拖动技术，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有各种不同的运行

2、特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。凡是电流均会在其周围产生磁场，这就是电流的磁效应，即所谓“电生磁”全电流定律，磁场中沿任一闭合回路l 对磁场强度H 的线积分等于该闭合回路所包围的所有导体电流的代数和。其数学表达式为：磁场变化会在线圈中产生感应电动势，感应电动势的大小与线圈的匝数W 和线圈所交链的磁通对时间的变比率成正比，这是电磁感应定律。第1篇 直流电机直流电动机和直流发电机通称为直流电机，二者是可逆的。直流电动机与交流异步电动机相比，具有较好的启动性能、在较宽的范围内达到平滑无级地调速，同时又比较经济；所以广泛地应用于轧钢机、电

3、力机车、大型机床拖动系统以及玩具行业中加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。同一台电机，既能作电动机运行又能作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。1. 定子1) 主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。2. 转子(电枢)1) 电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损

4、耗。2) 电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。直流电机的电枢绕组按照连接规律的不同，电枢绕组分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组等多种类型单叠绕组的特点(1) 位于同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，并联支路对数等于极对数，即ap。(2) 当元件形状左右对称、电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷间的感应电动势最大，被电刷短路元件中的感应电动势最小。(3) 电刷杆数等于磁极数。单波绕组的特点(1) 上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并联支路对数恒等于1，与极对数无关。(2) 当元件形

5、状左右对称、电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大。(3) 单从支路对数来看，单波绕组可以只要两根刷杆，但在实际电机中，为缩短换向器长度，以降低成本，仍使电刷杆数等于极数，亦即所谓采用全额电刷。直流电机的励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，分为以下4类。1) 他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系2) 并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组并联。3) 串励直流电机:励磁绕组与电枢绕组串联4) 复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。直流电机不带负载(即不输出功率)时的运行状态称为空载运行直流电

6、机的换向换向是直流电机中一个非常重要问题，直流电机的换向不良，将会造成电刷与换向器之间产生电火花，严重的会使电机烧毁。附加电流对换向的影响:由于Ik 的出现，破坏了直线换向时电刷下电流密度的均匀性，从而使后刷端电流密度增大，导致过热，前刷端电流密度减小，3. 装置换向极直流电机容量在1kW以上一般均装有换向极，这是改善换向最有效的方法，换向极安装在相邻两主磁极之间的几何中性线上2.1 直流电动机基本的平衡方程式直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时，电路系统的电压平衡方程式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势，根据右手定则可

7、知，S极下的感应电动势方向为流入纸面，与电枢电流方向相反。由于电动机中的感应电动势有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此称它为反电动势。为了使电流能够从电网流入电枢绕组，电动机的端电压应该大于反电动势Ea ，即U > Ea。根据基尔霍夫第二定律，可以写出电枢回路的电势平衡方程式为Ua = Ea + Ia Rq + 2u (2.1)式中 a I 电枢电流；a r 电枢回路的电阻；s 2u 正负电刷的接触电压降落。在额定负载时1. 机械损耗机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗，它们都与转速有关2. 铁耗:是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。3. 铜耗是指电流流过电动机中

8、相关绕组所产生的损耗，包括电枢回路(包括电枢绕组、串励绕组、换向极绕组等)的铜耗a p 、电刷与换向器表面的接触压降损耗b p 以及励磁回路中的铜耗f p 。转矩平衡方程式 T = T2 + T 0(2.11)当输出功率增加时，电枢电流增加，电枢压降增加，使转速下降，同时由于电枢反应的去磁作用使转速上升。电动机的机械特性是指电动机的转速n与其转矩(电磁转矩)T 之间的关系，即n = f (T)曲线当电动机输出转矩T 时，即带负载的情况下，就存在n。所以直流他励电动机的机械特性为一条向下倾斜的直线，而且 斜率越大，n就越大，机械特性越“软”；反之，特性越平坦，机械特性越“硬”。一般直流他励电动机

9、，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。固有机械特性当直流他励电动机端电压U Un ，磁通 n ，电枢回路附加电阻Rk = 0时的机械特性称为固有机械特性。对照式(2.21)，此时的机械特性方程式为其特点是：(1) 对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条；(2) 由于Rk= 0，特性曲线的斜率 较小，n较小，特性较平坦，属于硬特性。1. 电枢串接电阻时的人为机械特性人为机械特性方程式:其机械特性如图2.10 所示。与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点：(1) 理想控制转速与固有特性时相同，且不随串接电阻K R 的

10、变化而变化；(2) 随着串接电阻Rk的加大，特性的斜率加大，转速降落n加大，特性变软，稳定性变差。第3 章 直流电动机的起动、调速和制动把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程为起动过程，起动时要求平稳慢速起动以缩短起动时间，从而提高生产效率为了限制起动电流，一般采取两种方法：一种方法是在电枢电路内串入适当的外加电阻，来限制起动瞬时的过大的起动电流，待电动机转速逐渐升高，反电动势增大，电枢电流相对减小后再逐级切除外加电阻，直到电动机达到要求的转速。但起动转矩也不能过大，因为电动机允许的最大电流，通常都是由电动机的无火花条件和生产机械的允许强度所限制。从经济上要求起动设备简单、经济和可靠

11、。为满足这样的要求，希望起动电阻的级数越少越好，但起动电阻过少会使起动过程的快速程度和平滑性变差另一种方法是降低电枢电压的降压起动。这种起动方法的基本思想是：在起动瞬间，反电动势很小，使外加电源电压很低，这样可防止产生过大的起动电流。待电动机转速升高后，反电动势增大，电流降低，这时再逐渐增加电枢两端的外加电压，直到电动机达到要求的转速，电压的调节及电流的限制靠一些环节自动实现，较为方便。这种方法适用于电动机的直流电源是可调的。当没有可调电源时，为了使起动过程平稳，则宜采用上面介绍的串电阻起动方法。直流电动机的调速调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法调速指标在选择和评价某种调速系统时，

12、应考虑下列指标：调速范围、调速的稳定性及静差度、调速的平滑性、调速的负载能力、经济性等。1) 调速范围调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速max n 与最小转速min n之比，近代机械设备制造的趋势是力图简化机械结构，减少齿轮变速机构，从而要求拖动系统能具有较大的调速范围。2) 调速的相对稳定性和静差度所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化，决定于机械特性的斜率,生产机械对机械特性的相对稳定性的程度是有要求的。如果低速时机械特性较软，相对稳定性较差，低速就不稳定，负载变化，电动机转速可能变得接近于零，甚至可能使生产机械停下来。因此，必须设法得到低

13、速硬特性，以扩大调速范围。静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落n与理想空载转速no 的比值，用百分数表示，调速的平滑性:是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平滑系数K表示直流他励电动机的调速方法及其调速性能由直流他励电动机的机械特性方程式可以看出，改变串入电枢回路的电阻Rk 、外加电枢两端的电压U 及主磁通 ，1. 电枢回路串接电阻调速，电枢回路串接电阻，不能改变理想空载转速 ，只能改变机械特性的硬度。所串的附加电阻愈大，特性愈软，在一定负载转矩 TL 下，转速也就愈低.这种调速方法，其调节区间只能是电动机的额定转速向下调节。其机械

14、特性的硬度随外串电阻的增加而减小；当负载较小时，低速时的机械特性很软，负载的微小变化将引起转速的较大波动.电枢回路串接电阻调速的优点是方法较简单。但由于调速是有级的，调速的平滑性很差2. 改变电源电压调速由直流他励电动机的机械特性方程式可以看出，升高电源电压U可以提高电动机的转速，降低电源电压U 便可以减少电动机的转速。由于电动机正常工作时已是工作在额定状态下，所以改变电源电压通常都是向下调，即降低加在电动机电枢两端的电源电压，进行降压调速。由人为机械特性可知，当降低电枢电压时，理想空载转速降低，但其机械特性斜率不变。它的调速方向是从基速(额定转速)向下调的。这种调速方法是属于恒转矩调速，适于

15、恒转矩负载的生产机械。不过公用电源电压通常总是固定不变的，为了能改变电压来调速，必须使用独立可调的直流电源，目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整流装置采用降低电枢电压调速方法的特点是调节的平滑性较高，另一特点是它的理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。还有一个特点，就是可以靠调节电枢两端电压来起动电动机而不用另外添加起动设备，这就是前节所说的靠改变电枢电压的起动方法。3. 改变电动机主磁通的调速方法改变主磁通 的调速方法，一般是指向额定磁通以下改变。因为电动机正常工作时，磁路已经接近饱和，即使励磁电流增加很大，但主磁通 也不能显著地再增加很多。所以一般所说的改变主磁通 的调速方法，都是指往额

16、定磁通以下的改变。而通常改变磁通的方法都是增加励磁电路电路，减小励磁电流，从而减小电动机的主磁通 。这种调速方法是恒功率调节，适于恒功率性质的负载。这种调速方法是改变励磁电流，所以损耗功率极小，经济效果较高。又由于控制比较容易，可以平滑调速，因而在生产中可到广泛应用。制动与电动的区别电动机的工作状态按拖动性能可分为电动及制动两大类。当电动机在外加电源的作用下，产生与系统运动方向一致的转矩，并通过传动机构拖动生产机械工作时，即为电动工作状态。在电动工作状态下，电动机的电磁转矩T 方向与转速n的方向相同，为拖动性质的转矩，电动机把由电网取得的电能变成机械能输出。通常情况下，电动机都是工作在电动状态

17、下。在某些情况下，也需要电动机工作在制动状态下。制动是指电动机从某一稳定的转速开始减速到停止或限制位能负载的下降速度时的一种运转过程。电力拖动系统之所以需要工作在制动状态，是生产机械提出的要求，主要有以下3 种情况：(1) 生产机械为加快起动和制动过程，提高生产效率； (2) 当生产机械在高速工作过程中时，根据需要迅速降为低速或者迅速由正转变为反转； (3)有些位能负载为获得稳定的下放速度。1) 能耗制动直流他励电动机原来处于正向电动状态下运行。若突然将电枢电源断掉，转而加到制动电阻Rk 上，由于机械惯性而转速n不变，从而电动势Ea 亦不变。在电枢回路中靠 E a产生电枢电流I ，其方向与电动

18、状态时相反，那么电动机转矩T 亦与电动时的转矩方向相反，也与转速n方向相反，即T 起制动作用，使系统减速，系统的动能转变为电能消耗与电枢回路的电阻上，即处于能耗制动状态。能耗制动过程中电动机与电网隔开，所以不需要从电网输入电功率，而拖动系统产生制动转矩的电功率完全由拖动系统动能转换而来，即完全消耗系统本身的动能，能耗制动的名称就是由此而来。这种制动方法的特点是比较经济，简单；在零速时没有转矩，可以准确停车。制动过程中与电源隔离，当电源断电时也可以通过保护线路换接到制动状态进行安全停车，所以在不反转以及要求准确停车的拖动系统中多采用能耗制动。能耗制动方法的缺点是其制动转矩随转速降低而减小，因而拖

19、长了制动时间。为了克服这个缺点，在有些生产机械中采用二级能耗制动的线路，2) 反接制动对位能负载而言，反接制动有两种情况：一是转速反相的反接制动，一是电压反接的反接制动。(1) 转速反向的反接制动。当电动机按某一方向接线(如正向)工作时，负载转矩L T 、电动机转矩T 及转速n的方向为正向电动状态，逐渐增加制动电阻Rk，电动机转速不断下降。由特性1 上的C n 降到特性2 上的D n ，以致降到特性3 上的nE，电动机停转。如再增大RK使电动机的起动转矩Tst < TL，(2) 电枢电压反接的反接制动。系统原来处于正向电动状态，T 、n、L T 各物理量的方向。若突然把电枢电压反接，同时

20、在电枢回路中串入一个较大的制动电阻Rk，因而电枢电流马上反向，电动机的转矩亦反向，变为与n方向相反，为制动转矩。因为这时还有电源电压U 作用在电路上，系统会自行反转而进入反向电动状态。这时如欲停车，切断电源加上抱闸，负载停止运动，电压反接制动状态到转速为零时就算结束。反接制动方法在制动过程中要消耗较大的能量，因而从经济的观点来看不够经济。但从技术的观点来看，制动效果较好，在整个制动过程中制动转矩都很大，制动时间安较短，并且在转速为零时仍有很大的制动转矩，当不需要停车时，还可以自动反转，再反向起动。3) 回馈(再生发电)制动直流电动机的起动电流决定于什么？正常工作时的电流又决定于什么？变压器的工

21、作原理下面以单相双绕组变压器为例分析其工作原理：在一个闭合的铁心上缠绕两个绕组，其匝数既可以相同，也可以不同，但一般是不同的。如图4.1 所示，两个绕组之间只有磁的耦合，而没有电的联系。三相组式变压器三相组式变压器是由 3 个磁路相互独立的单相变压器所组成的，三相之间只有电的联系而无磁的联系。第 7 章 三相交流异步电动机基本原理：把对称的三相交流电通入彼此间隔120°电角度的三相定子绕组，可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩,并随磁场同方向转动。交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。1. 旋转

22、磁场的旋转速度旋转磁场的速度也称为“同步转速”，用n1表示，其单位是“r/min”。它的大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定n1=60f/P (r/min)转子是被旋转磁场拖动而运行的，在异步电动机处于电动状态时，它的转速恒小于同步转速n1，这是因为转子转动与磁场旋转是同方向的，转子比磁场转得慢，转子绕组才可能切割磁力线，产生感生电流，转子也才能受到磁力矩的作用。所以，异步电动机正常运行时，总是n<n1，这也正是此类电动机被称作“异步”电动机的由来。4. 转差率旋转磁场的同步转速与转子转速之差与同步转速的比值，称为异步电动机的转差率，即s =(n1-n)/n1 。当异步电动机刚要起动

23、时，n = 0，s = 1；当n = n1时，s = 0。异步电动机正常使用时，电动机转速略小于但接近同步转速，额定转差率一般小于5%。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。电动机绕组排列的原则(1) 一个极距内所有导体的电流方向必须一致；(2) 相邻两个极距内所有导体的电流方向必须相反；(3) 若为双层绕组，以上层绕组为准，或以下层绕组为准。三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指电动机电磁转矩T与转速n之间的关系，即n = f(T)。因为异步电动机的转速n 与转差率s 之

24、间存在着一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常也用s=f(T)的形式表示。1. 参数表达式在第一象限，旋转磁场的转向与转子转向一致，而0<n<n1，转差率0<s<1。电磁转矩T 及转子转速n 均为正，电动机处于电动运行状态；在第二象限，旋转磁场的转向与转子转向一致，但n>n1，故s<0，T<0，n>0，电动机处于发电动机运行状态；第四象限，旋转磁场的转向与转子转向相反，n1>0，n<0，转差率s>1，此时T>0，电动机处于电磁制动运行状态。(1) 同步转速点A：是电动机的理想空载点，即转子转速达到了同步转速。(2) 最大

25、转矩点B：是机械特性曲线中线性段(AB)与非线性段(BC)的分界点，此时，电磁转矩为最大值Tmax，相应的转差率为sm。结论： 最大转矩Tmax与定子电压UI的平方成正比，而sm与UI无关； Tmax与转子电阻2 R无关，sm与2 R成正比； Tmax和sm都近似与(X1+ 2 X )成反比； 若忽略 R1，最大转矩Tmax随频率增加而减小，(3) 起动点C：在C 点s=l，n=0，电磁转矩为起动转矩Tst。三相异步电动机的人为机械特性人为改变电动机的某个参数后所得到的机械特性，称为人为机械特性，如改变U1、f1、p，改变定子回路电阻或电抗，改变转子回路电阻或电抗下面介绍几种常见的人为特性。1

26、. 降低定子端电压的人为特性电动机的其他参数都与固有特性相同，仅降低定子端电压，这样所得到的人为特性，称为降低定子端电压的人为特性，其特点如下：(1) 降压后同步转速n1不变，即不同U1的人为特性都通过固有特性上的同步转速点。(2) 降压后，最大转矩Tmax随21 U 成比例下降，但是临界转差率sm不变，为此，不同时U1的人为特性的临界点的变化规律如图7.47 所示。(3) 降压后的起动转矩 T st也随21 U 成比例下降。2. 转子回路串对称三相电阻的人为特性对于绕线转子异步电动机，如果其他参数都与固有特性时一样，仅在转子回路中串入对称三相电阻R ，所得的人为特性，称转子回路串对称三相电阻

27、的人为特性。转子串电阻的人为特性曲线如图点如下：(1) n1不变，所以不同R 的人为特性都通过固有特性的同步转速点。(2) 临界转差率sm 2 R R + ，说明sm会随转子电阻的增加而增加，但是Tmax不变。为此，不同R 时的人为特性如图7.48 所示。图 7.48 转子串接电阻的人为机械特性3. 定子回路串三相对称电阻或电抗时的人为特性三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机有直接起动和降压起动两种方法。8.2.1 直接起动直接起动是最简单的起动方法。起动时用刀开关、电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上，8.2.2 降压起动降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，

28、起动结束时加额定电压运行的起动方式。1. 定子串接电抗器或电阻的降压起动方法：起动时，电抗器或电阻接入定子电路；起动后，切除电抗器或电阻，进入正常运行2. 星形三角形(Y)降压起动方法：起动时定子绕组接成 Y 形，运行时定子绕组则接成形，对于运行时定子绕组为Y 形的笼型异步电动机则不能用Y起动方法。8.3 三相绕线式异步电动机的起动前面在分析机械特性时已经说明，适当增加转子电路的电阻可以提高起动转矩。绕线转子异步电动机正是利用这一特性，起动时在转子回路中串入电阻器或频敏变阻器来改善起动性能。 转子回路串接电阻器起动1. 起动方法起动时，在转子电路串接起动电阻器，借以提高起动转矩，同时因转子电阻

29、增大也限制了起动电流；起动结束，切除转子所串电阻。为了在整个起动过程中得到比较大的起动转矩，需分几级切除起动电阻。8.3.2 转子串频敏变阻器起动频敏变阻器的结构特点：它是一个三相铁心线圈，其铁心不用硅钢片而用厚钢板迭成。铁心中产生涡流损耗和一部分磁滞损耗，铁心损耗相当一个等值电阻，其线圈又是一个电抗，故电阻和电抗都随频率变化而变化，故称频敏变阻器三相异步电动机的调速从异步电动机的转速关系式可以看出，异步电动机的调速可分以下三大类：(1) 改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速；(2) 改变供电电源的频率f1，称为变频调速；(3) 改变电动机的转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式电动机转子串

30、电阻调速和串级调速。变极调速在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转速就会发生变化，从而改变电动机的转速。若极对数减少一半，同步转速就提高一倍，电动机转速也几乎升高一倍。通常用改变定子绕组的接法来改变极对数，这种电动机称多速电动机。变极调速主要用于各种机床及其他设备上。它所需设备简单、体积小、质量轻，但电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速。变频调速三相异步电动机的同步转速为因此，改变三相异步电动机的电源频率1 f ，可以改变旋转磁场的同步转速，达到调速的目的。在变频调速的同时，为保持磁通m 不变，就必须降低电源电压，使为常数。变频调速由于其调速性能优越，

31、即主要是能平滑调速、调速范围广、效率高，又不受直流电动机换向带来的转速与容量的限制，故已经在很多领域获得广泛应用，如轧钢机、工业水泵、鼓风机、起重机、纺织机、球磨机化工设备及家用空调器等方面。主要缺点是系统较复杂、成本较高。改变转差率调速改变定子电压调速，转子电路串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济，而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。1. 改变定子电压调速对于转子电阻大、机械特性曲线较软的笼型异步电动机而言，如加在定子绕组上的电压发生改变，则负载TL对应于不同的电源电压U1、U2、U3，可获得不同的工作点a1、a2、a3，如图8.17 所示，显然电动机的调速范围很宽。缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。改变电源电压调速，这种方法主要应用于笼型异步电