电机及拖动技术期末复习材料

《电机及拖动技术》期末复习材料

第一部分电力系统动力学基础

1、拖动：应用各种原动机使生产机械产生运动，以完成一定的生产任务。用电动机作为原

动机则称为电力拖动。

2、电力拖动的组成：电动机、控制设备、传动机构、工作机构、电源。

电力拖动系统示意图

3、运动方程

①直线运动：F-F=m—

zdt

dn

②旋转运动:四二空

zdt375~dt

其中，转动惯量J

其中GO?是飞轮转矩（N2）,G02=4gJ。

★4、运动方程式所表达的电动机工作状态：

dn

①7二丁？，丝=0；电力拖动系统处于稳定运转状态下。

dt

dn

②T>Tz，—>0；电力拖动系统处于加速状态，即处于过渡过程。

dt

dn

③T<Tz，—<0；电力拖动系统处于减速状态，即处于过渡过程。

5、转矩正负符号确定

预先规定某个方向为正，则转矩T正向取正，反向取负；阻转矩右，正向取负，反向

取正。也・电的大小与符号由转矩T与阻转矩Tz的代数和决定。

375dt

6、生产机械的负载转矩特性

（1）负载转矩特性指：Tz=/（"）

（2）负载转矩特性有三种：①恒转矩负载②通风机负载③恒功率负载

7、恒转矩负载特性

负载转矩保持常数，不随转速变化而变化。

①反抗性恒转矩负载：负载转矩大小不变，但方向总是与转速方向相反。（如金属的压延机

构、机床的平移机构等）

②位能性恒转矩负载：负载转矩大小不变，方向也保持不变。（如起重机、电梯等）

8、通风机负载特性

负载转矩随转速变化而变化，且基本为：Tz=敏。（如鼓风机、水泵等）

n

通风机负载恒功率负载

9、恒功率负载特性

负载的功率在运行过程中保持不变，则负载的转矩随转速变化而变化，且二者成反比。

Tz=67〃o（如车床等）

第二部分直流电动机的直流拖动

一、他励直流电动机的机械特性

1、机械特性方程

电磁转矩：T=g①Ia

感应电动势：瓦,=。,①〃

电动势平衡：U=E“+/“R

转速特性：nJ_[«R

Q①

2

①c,①cecTa>

其中，理想空载转速％=工；A"=—rT=pr；可见夕=―勺、

c*GG.①2yyGG①2

2、，表示机械特性的斜率

万小：表示机械特性为硬特性；夕大：表示机械特性为软特性。

3、他励直流电动机的特性曲线

实际空载转速：乩=〃。-----JT°=〃O-倒）（其中4为空载损耗转矩）

CpC7，①

D

转速降：&2=-----sT=pT

CG①一"

额定转速变化率：An,v%="。一”""100%

机械特性方程式的简单形式：〃=%-的

★二、固有机械特性与人为机械特性

1、固有机械特性是指U=UN、①=①"、R=R“时的机械特性，此时因为R“小，故机

械特性硬,即:

R.

-T

C,%①N

2、人为机械特性：通过改变电机的参数所获得的机械特性。有三种：①电枢串电阻②改

变电枢电压③减弱励磁

3、电枢串电阻时的人为机械特性

条件：U=%、0>=中八,、R=&+3

<及2

电枢串电阻的人为机械特性比固有机械特性软，但理想空载转速不变。串接不同电阻时

的机械特性为交于纵坐标一点的射线簇。

4、改变电枢电压时的机械特性

条件：①二①可、R=Ra

R“

贝ij：n=———

3

UN>U1>U2

改变电枢电压时的人为机械特性与固有机械硬度相等,但理想空载转速随电枢电压降低

而降低，不同电枢电压下的机械特性为一组平行曲线。

5、减弱电动机磁通时的人为机械特性

条件：U=UN、R=R”

①不同时的〃=/(/“)曲线

三、机械特性的绘制

两点法：理想空载及额定运行

1、理想空载点：=乌」绘制点(T=0,n0)

其中：。，①,,=%一葭风.(&可用经验公式R(1~)

nNU3)Il

2、额定运行点：TN=CT①N【N=955C,6NIN绘制点(〃・，〃N)

【练习1】他励直流电动机，PN=22&W，UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min,

试计算其固有机械特性。

四、电力拖动稳定运行的条件

1、必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点。

2、充分条件：干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来的稳定点。

★在交点所对应的转速之上保证T<Tz,在交点所对应的转速之下保证T>T7。

n

五、他励直流电动机的起动

★起动时先必须保证先加励磁，后加电枢电压。

一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：

①限制乙（/入为电机的过载倍数）；

②北“1.1~1.2兀；

③起动设备简单、可靠。

1、降压起动

起动时降低电源电压，随着转速升高，电源电压也升高。保证电流在允许范围内。（要

求电源可调）

III

+

UPEU

RPd3)C

TLT2

a）电力电子可控整流供电系统b）减压起动的机械特性

2、电枢回路串电阻起动

起动时在电枢中串接电阻，随转速的升高,分级切除电阻，保证电流在允许范围内。

b)

【练习2】他励直流电动机的UN=220V,IN=207.5A,=0.067。，试问：①直接

起动时的起动电流是额定电流的多少倍？②如限制起动电流为1.5/“，电枢回路应串入多大

的电阻？

【练习3】他励直流电动机的数据：PN=10AW，U*=220V,/N=53.4A,

“N=1500"min,R“=0.4。。求①额定电磁转矩和额定输出转矩；②空载转矩；③理

想空载转速及实际空载转速；④/〃=0.5/*时的转速；⑤"=1400r/min时的。

六、他励直流电动机制动

电动机制动运行状态时电动机的转矩与转速方向相反，电动机吸收机械能并转化为电

能。

自由停车：断开电动机的电源，拖动系统自己停车。

但生产中常需要加快电动机的停车过程，提高生产效率。故必须对电动机采取一定的制

动措施。

★他励直流电动机的制动措施主要有三种：

①能耗制动：将由机械能转化的电能消耗掉。

②反接制动：制动时使电机的电枢极性反接。

③回馈制动：将山机械能转化的电能回馈给电网。

1、能耗制动

电动时，Kl、K2闭合，K3断开，电机转矩T与转速n方向相同。

能耗制动时，KI、K2断开，再接通K3,电机的转速方向不变，但转矩T的方向改变,

电机作为发电机，将机械能转化为电能，然后在Rz上消耗掉。电枢电流与机械特性分别为

「3;一7乙

R«+Rz"挹

制动状态

①Rz越小，制动越快。但制动始时的制动电流大。

②若按制动电流不大于额定电流的两倍，贝小R>”_R

z21Na

若电机带位能性负载，则电机在转速为。后,反方向加速，则电动势、电枢电流及转矩

都反向。

能耗制动时的机械特性

2、反接制动

反接制动有两种方法：（一）转速反接的反向制动（二）电枢反接的反向制动

（-）转速反接的反向制动（适用于位能负载）

反接时不改变电路状态，但串接了一个电阻，则电动机的起动转矩小于负载转矩，电机

在负载作用下转动，电机以与电机的转矩方向相反的方向转动。即电机的转矩方向与电动状

态方向相同，但此时转速逆于电机转矩，电机为制动状态。好像是电机的电枢被反接。故也

称为反接制动状态。

电机带位能性负载的反接制动状态

★重要公式:

_R«+Ra丁_U+R。T

-CG①2①2

（二）电枢反接的反向制动（适用于反作用负载）

制动时，断开KJ接通K?、K2',即将电枢串接电阻后反接到电源上。则机械特

性为：

+R0丁-udR&+R0丁

〃=—〃0---G--g---①-721=---。--，-①-----q----g---①-72i

若按制动电流不大于额定电流的两倍，则：

N

K1

J.

K；

3、回馈制动（再生制动）

①位能负载拖动电动机

在反向制动状态时，当电机在负载拖动下的转速高于理想空载转速时：|-〃|>|-n0|；

E"〉U。电流/“由电源的正端流出，即向电机外发电，向电网回馈电能，同时电机转矩与

转动方向相反，为制动。故称为回馈制动。

★反向回馈制动运行

②他励电动机改变电枢电压

若电动机在带负载运行过程中，突然降低电枢电压，由于转速来不及变化。有：则电枢

电流也会发生改向，也是从电源正端流出，即出现回馈制动。

★正向回馈制动

在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程

★他励直流电动机的四象限运行总结:

他励直流电动机的四象限运行

七、他励直流电机的调速

(-)调速指标：技术指标、经济指标

1、技术指标

n

①调速范围：max

〃min

此处的〃max与"min指的是电机带指定负载时可能的最大转速与可能的最小转速。不是

指电机自身的转速。

n—HAn

②静差率：5=4一^-xlOO%=—xlOO%

〃。〃0

③平滑性：8（夕越接近1,平滑性越好）

④调速时的容许输出

2、经济指标

p

设备的效率：〃=一—

P2+AF

（二）调速原理及他励直流电动机的调速方法

纥=Q①〃=U"-/"(&+%)=〃=

1、电枢串电阻

调速过程：当电枢电阻突然增加时，由于转速来不及突变，则纥不能突变。由电动机

的电动势平衡方程式：Ea=C①〃=U0—la（Ra+）

可知：电枢电流减小，转矩减小，系统开始减速，随着转速下降，电流又开始回升，转

矩也跟着回升，只要转矩小于负载转矩，系统就一直减速，直到转矩回升到原来的值，系统

新的转矩平衡再次建立，系统不再减速，调速过程结束。

他励克流电动机串电网调速

特点：

①实现简单，操作方便；

②低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；

③只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般DW2；

④由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；

⑤由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。

2、降低电源电压

调速过程：电源电压降低时，由于转速不能突变，则电流减小，转矩也减小，系统开始

减速，当速度下降时，电流开始回升，转矩也随之回升，直到系统转矩重新达到平衡，转速

不再下降，调速过程结束。

若电源突然降低较大时，Ea>Ua,电流会改变方向，系统出现回馈制动。

特点是：

①由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；

②调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；

③在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10~20；

④调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；

⑤需要一套可控的直流电源。

3、改变励磁磁通：减小励磁电流

调速过程：降低磁通时，转速不突变，则电枢反电动势纥减小，则电枢电流增大，若

电枢电流增大程度超过磁通减小程度，则输出转矩增大，系统加速，则瓦，回升，电流开始

下降，转矩也开始回落，直到新的转矩平衡。调速结束。

改变磁通时的机械特性

特点：

①由于励磁电流//<</",因而控制方便，能量损耗小；

②可连续调节电阻值，以实现无级调速；

③在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为

（1.2~1.5）为，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（3~4）%v，因而调速范围窄。

（三）三种调速方法对比

①电枢串电阻：不经济，调速不平滑，为有极调速，机械特性硬度低，调速范围不大。方法

简单，控制设备不复杂。

②降低电源：设备投资大，控制复杂。调速平滑，机械硬度高，调速范围广。调速性能最好。

③弱磁：调速范围不大，一般与降压配合应用。在功率小的系统中调节方便，效率较高。

【练习4】一台他励直流电动机数据为：PN=，5kW,UN=110V,〃=79.84A,

nN=1500r/min,电枢回路电阻&=0.1014Q,求：（1）U=UN，①=①义条件下,

电枢电流/“=60A时转速是多少？（2）U=U.条件下，主磁通减少15%,负载转矩为7；

不变时，电动机电枢电流与转速是多少？（3）U=,①=①义条件下，负载转矩为0.87；,

转速为〃=-800/7min,电枢回路应串入多大电阻?

【练习5】设//不变，他励直流电动机P*=30kW,UN=220V,〃=158.4A,

〃N=WOOr/min,电枢回路电阻R”=0.1。，负载转矩乙=0.87；。求：

①电枢电路不串电阻时的转速。

②电枢回路串入0.3Q电阻后的稳态转速。

③将电源电压降至188V,求降压后瞬时的电枢电流以及达到新稳态后的转速。

④将磁通减弱至80%的额定磁通，求磁通减弱后的电枢电流以及达到新的稳态后的转速。

⑤要使〃=600r/min,工作于正向电动状态，有哪几种方法可以计算，计算有关参数。

第三部分三相异步电动机

零、基础复习

1、感应电机的基本结构

①定子——又称定子铁芯，由三相绕组组成，是一个机座。

②转子——又称转子铁芯，由三相短路绕组组成，是一个转轴。转子的结构分为：笼型转子、

绕线转子。

③气隙——励磁"«20~50%〃。

2、转差率

转差率是感应电机的一个基本变量，它表示了感应电机的各种不同运行情况。

A/?n-n

s--——=-t-----（A/?=”1—〃=）

«i«i

在正常运行范围内，转差率的数值通常都是很小的。满载时，转子转速与同步转速相差

并不大，而空载时，可以认为转子转速等于同步转速。

3、感应电机的三种工作状态

电动机运行发电机运行制动运行

0<n<n>nxn<0

0<5<15<0s>1

4、感应电机的T型等效电路

RiKmXio破

—¥

基本方程式：

“=-4+6（叫+/纾）

出'=/2'（&+阳「）

S

一、三相异步电动机机械特性的三种表达式

(-)物理表达式

1、表达式

T-①mA'COSPl'

其中:

2、特性分析曲线

转矩:

T=至=加IE/JJCOS12=>4.44-N#,,M“/JCOS°2

=CT</>mI2'cos(p2

F一"2次/p

4

又因为A

/Ri

、?2

%+，■+(X]+x21)

ISJ

1V

2

Q[鸟+今)+(x,+x21)

根据上式，算出相应的电磁转矩作出转矩随转差率而变

化的曲线，即7=/(s)曲线，它被称为感应电动机的机械特性。

此’

临界转差率：S,“=±

W+(XI+X2，)2

1

最大转矩：TMAX=±Q

24+JR:+(X]+X2)2

★由于与《(X1+X2),所以

r,Rf丁—m%

M“17^7；1MAXf

起动转矩：T、，=——----------------v

Q,(曷+&T+(X1+X2)2

★(三)实用表达式

1、机械特性实用表达式：

+"

其中：Tmx=K77；=9.55Kr生

(K7可查目录数据得到)

2、简化方程式：

当电机在额定负载以下运行时，s很小，—那么7=丝丝s；

s,“ssm

其中外=2KTSN

二、三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性

★(-)固有机械特性

1、定义：在额定电压及额定频率卜，异步电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路

中不外接电阻（电抗或电容）工作时所获得的曲线〃=/«）。

2、曲线如下图所示:

3、特殊运行点

①起始点A;

②额定工作点B-,

③同步转速点”；

④最大转矩点P和P,

A.P为电动状态最大转矩点

B.产为回馈制动最大转矩点

（-）人为机械特性

★1、降低

降低电压的影响：恒转矩负载时，电动机不能在额定值下长期运行。

★2、转子电路内串联对称电阻

max

3、定子电路串联对称电抗

该法常用于笼型机的减压起动一股1。

4、定子电路串联对称电阻

该法常用于笼型异步电动机的减压起动。

5、转子电路接入并联阻抗

由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的

转矩，在图上绘出了这样的人为机械特性。

★三、三相异步电动机的各种运转状态

（）电动运转状态

电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。

（-）制动运转状态

三种：回馈、反接、能耗

1、回馈制动

①发生条件：某种原因（例如位能负载的作用）使”＞凡。

②T与“反向。

③机械特性（下图给出位于第二象限）

人为机械特性曲线：转子串电阻时稳定转速将增高。

2、反接制动状态

①转速反向的反接制动

A、电路图

B、制动过程:

C、参数变化：

fT

5='>1,乙及T增大，直到T=心。

②定子两相反接的反接制动

A、实现方法：如下图，电源相序相反，转子串电阻。

B、制动过程，如上图。

c、参数变化:

s=—一＞1,右及T增大，直到T=Tz。

~ns

D、优缺点：制动效果强，制动迅速，但能量损耗大，制动准确度差，如要停车，还须用自

动控制线路切断电源。

3、能耗制动

①实现方法：K1断开、K2闭合接入直流电源。

②制动原理:

转子旋转

（三）运转状态小结

①在正转方向，1与1'的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性；

②在反转方向，2与2,的第二象限为反接制动特性，而第四象限则为回馈制动特性。

③能耗制动机械特性用曲线3与3,表示，第二象限部分对应于电动机正转，而第四象限则对

应于反转。

④特性1',2,及3,对应于转子有串联电阻时，而1,2及3则对应于没有串联电阻。

★四、三相异步电动机各种运转下转子附加电阻的计算

1、己知电动机铭牌数据，计算异步电动机参数公式

n0-nN

SN=---------

〃0

TN=9.55殳

s,“=+居—1）；其中K.r=}

2、人为机械特性上（转子串电阻）的临界转差率SJ

2KN

由7=2引曲，式子,化简得s；.JSk,'+52=0,计算得:

s4”

K/N（注意取舍情况）

T

3、串电阻问题

①启动转矩最大

由S,"=-/二下=1；得到R；=JM+（X1+X2）2,R；

n~“1/；v+忆.v

②恒转矩下(T=T')

即：幺二”里

ss'

五、功率问题

电磁功率：PM=P「Prui-PM=吗厅—

S

转子功率：P,“2=SPM

机械功率:Pn=(l-s)PM

附加电阻■/?2'上的电功率就是电动机所产生的机械功率P.

S

输出功率：PHw

由上式可以得出：

ZP=Peal+Ppe+P<*2+PQ+A

PM=片一—Pfe=8+七+A+P",2

Pd=P.M-£"2=2+%+A

【练习6】•台三相四极异步电动机，额定输出功率为&=150软W,Y型联法，定子额

定线电压UIN=380V,额定负载时测得转子铜耗=2.2次卬，机械损耗分=7.6必卬，

附加损耗耳=WW,其他参数八=厂2'=0。12£1,X1=X2'=0.06Q,求：

①额定条件下工作时的尸的、SN、5、TN；

②当负载转矩不变，在转子回路中串接电阻及°'=0.1。时的S、〃、Peu；

③转子串A。=0.1。和不串'时两种情况下的SM；

④欲启动时产生的转矩最大，转子应串入多大电阻。

【练习7】某绕线转子异步电动机额定值：

Pv=55kw,UlN=380V,I1N=121.1A

nN=580r/min,E2N=212V,I2N=159A,KT=2.3；电动机带一个乙=0.97；的位

能负载，当负载下降时，电动机处于回馈制动状态。试求：

①转子中未串电阻时电动机的转速.

②当转子中串入0.4。的电阻时电动机的转速

③为快速停车，采用定子两相反接的反接制动，转子中串入0.4。，则电动机刚进入制动状

态时的制动转矩（设制动前电动机工作在〃〜=520r/min的电动状态）。

【练习8】一台三相六极笼型异步电动机的数据为：UN=380V,nN=957r/min,

fN=50Hz,定子绕阻Y联结，4=2.08Q,r2=1.53Q,x,=3.120,x2=4.250,

试求G）额定转差率；（2）最大转矩；（3）过载能力；（4）最大转矩对应的转差率。

六、三相异步电动机的起动方法

（-）三相笼型异步电动机的起动方法

1、直接起动

①定义：起动时，通过一些直接起动设备，把全部电源电压（即全压）直接加到电动机的定

子绕组。

②后果：起动电流较大、产生发热、绕组变形、影响其他设备。

③条件：

A、电动机功率小于7.5kW：

B、满足下式：

K=屋1L电源总容量（kVA）-

厂工4十起动电动机容量（kV-A）_

2、减压启动

①电阻减压或电抗减压起动

优缺点：起动平稳、运行可靠、构造简单等，电阻起动时功率因素较高，但7：“随电压平方

正比下降，起动时能耗较多等。

②自耦减压起动（注：自耦变压器常为多抽头形式）

方法：自耦降压一定子电压降低

③星形一三角形（Y—A）起动

适用条件：空载或轻载起动，正常运行为A连接。

使用方法：起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。

④延边三角形起动

①限流或恒流起动方法。用电子软起动器实现起动时限制电动机起动电流或保持恒定的起动

电流，主要用于轻载软起动；

②斜坡电压起动法。用电子软起动实现电动机起动时定子电压由小到大斜坡线性上升，主要

用于重载软起动；

③转矩控制起动法。用电子软起动实现电动机起动时起动转矩由小到大线性上升，起动的平

滑性好，能够降低起动时对电网的冲击，是较好的重载软起动方法；

④转矩加脉冲突跳控制起动法。此方法与转矩控制起动法类似，其差别在于：起动瞬间加脉

冲突跳转矩以克服电动机的负载转矩，然后转矩平滑上升。此法也适用于重载软起动；

⑤电压控制起动法。用电子软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，是

较好的轻载软起动方法。

（二）三相绕线转子异步电动机的起动方法

1、转子串联电阻起动

①启动方法：起动时，变阻器应调在最大电阻位置一定子接通电源f开始转动f随着,

均匀减小电阻，直到电阻完全切除一待转速稳定后，集电环短接，同时举起电刷。

②停转过程：切断电源，电刷放下，集电环开路，变阻器调到最大位置，以便再次起动。

2、转子串联频敏变阻器起动

特点：电阻值随转速上升自动减小：铁芯由多片钢板或铁板叠成，铁芯柱上绕着Y形绕组,

如图:

七、三相异步电动机的调速

1、