机床电气控制技术第3版-第１章

１.１机床电气控制概述１.１.１本课程的性质和基本要求机床电气控制是机械专业的一门专业基础课程。本课程的主要内容是介绍机床电气控制系统中电器元件的基本结构和工作原理、机床电气线路图分析、电气线路设计和应用的基础理论和基本知识。本课程内容涉及面较广，不仅适用于金属切削机床，也适用于其他机械设备。机床是机械制造中的主要加工设备，它的质量、自动化程度以及应用先进技术的状况直接反映了机械工业的发展水平，机床加工自动化对提高生产效率、保证产品质量和减轻体力劳动起着重要的作用。下一页返回１.１机床电气控制概述现代科学技术的发展进步为生产过程自动化的进一步发展创造了有利的条件。控制技术、微电子技术和计算机技术等领域中的一些最新研究成果在机床控制系统中得到了广泛的应用。从采用的电气控制系统的先进性、复杂性来看，机床是机械制造行业的各种机械设备中最典型的代表。作为一个机械工程技术人员，必须要掌握与机床电气控制有关的基本理论。通过学习本门课程，学生应达到下列各项基本要求：①熟悉机床电气控制的基础理论及控制方法；②熟悉机床常用的电器元件及其选用；③熟悉机床控制电路的基本环节、控制逻辑及其基本的设计方法；上一页下一页返回１.１机床电气控制概述④熟悉常用的机床电路，并具备一定的机床电路故障分析及处理能力；⑤初步掌握可编程序控制器的工作原理、指令系统、编程特点和方法，能合理选择控制设置，能根据用户生产工艺过程控制的要求编制控制程序，经调试后可应用于生产过程。１.１.２机床电气控制的发展随着科学技术的发展，对生产工艺过程不断提出新的要求，机床电气控制装置也不断更新。在控制方法上，主要是从手动控制到自动控制；在控制功能上，从简单到复杂；在操作上，由笨重到轻巧；从控制原理上，由单一的有触点硬接点的继电控制系统转为以微处理器为中心的软控制系统。上一页下一页返回１.１机床电气控制概述新的控制理论和新的电器及电子器件的出现，不断地推动着机床电气控制技术的发展。在２０世纪２０年代至３０年代，主要采用继电器－接触器的控制方式。这种控制方式的优点是结构简单、价格低廉、维护方便、抗干扰能力强，因此被广泛地应用于各类机床和机械设备，采用这种控制方式不仅可以方便地实现生产工艺过程自动化，而且还可以实现集中控制和远程控制。目前，继电器－接触器控制仍然是我国机床和其他机械设备最基本的电气控制方式之一。继电器－接触器控制系统的缺点是：由于采用固定接线方式，所以在进行程序控制时，不易改变控制逻辑程序，灵活性差；由于继电控制采用有触点开关方式，所以动作频率不允许过高，触点寿命短、易损坏。上一页下一页返回１.１机床电气控制概述２０世纪４０年代至５０年代，出现了磁放大器－电动机控制系统，这是一种闭环反馈控制系统，通过反馈作用可以自动进行调整，对偏差进行纠正，系统的控制精度、控制速度等性能指标都有提高。２０世纪６０年代出现了晶体管－晶闸管控制，发展到２０世纪７０年代形成了集成电路放大器－晶闸管控制。由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅使调速性能得到较大改善，而且减少了机电设备和占地面积，减少了损耗，提高了经济性。上一页下一页返回１.１机床电气控制概述在２０世纪７０年代后期，随着大规模集成电路和微处理器技术的发展和运用，出现了采用软件手段来实现各种程序控制的功能，以微处理器为核心的新型工业控制器———可编程序控制器利用微处理器的基本逻辑运算功能来进行控制编程，这种器件完全能适应恶劣的工业环境。由于它兼备了计算机控制系统和继电控制系统两方面的优点，目前在工业控制中展现出了强劲的发展势头，已被世界各国作为一种标准化通用装置普遍用于工业控制。为了解决占机械加工总量８０％左右的单件和小批量生产自动化，以提高生产效率、提高产品质量和降低劳动强度，在２０世纪５０年代出现了数控机床，它是一种具有广泛通用性的高效率自动化机床。上一页下一页返回１.１机床电气控制概述随着计算机应用技术的迅速发展，数控机床的应用日益广泛，进一步推动了数控系统的发展，因此产生了自动编程系统、计算机控制系统（ＣＮＣ）、计算机群控系统（ＤＮＣ）和柔性制造系统（ＦＭＳ）。ＦＭＳ是把一组数控机床与工件、刀具、夹具等用自动传递连接起来，并在计算机的统一控制下形成一整套管理和制造相结合的生产体系。这就组成了计算机群控自动线，或称柔性制造系统。当今的计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）和设计制造一体化（ＣＡＤ／ＣＡＭ）代表了机械制造自动化的一个新的发展阶段，实现了从产品设计到制造的全部自动化。上一页返回１.２直流电机基础直流电机是一种能将直流电能与机械能进行相互转换的电气装置，包括直流电动机与直流发电机两大类。能将直流电能转换成机械能的称直流电动机；能将机械能转换成直流电能的则称直流发电机。直流电机的主要优点是调速范围广，平滑性、经济性及启动性能好，抗过载能力较强，广泛用于对调速性能要求较高的生产机械。因此在冶金、船舶、纺织、高精度机床加工等大中型工业企业中都大量地采用直流电机拖动。直流电机的主要缺点是存在换向问题。因此其制造工艺复杂、价格昂贵、维护技术要求较高。下一页返回１.２直流电机基础本节主要分析直流电机的结构及其原理、启动、制动和调速。１.２.１直流电机结构及其原理直流电机是一种旋转电器，主要完成直流电能与机械能的转换。能将直流电能转换成机械能的旋转电器称直流电动机或称其工作于直流电动状态；而将机械能转换成电能的旋转电器，则称为直流发电机或称其工作于直流发电状态。直流电动机和直流发电机在结构上没有根本区别，只是由于工作原理不同，从而得到相反的能量转换过程。１.直流电机的结构（１）直流电机的基本结构上一页下一页返回１.２直流电机基础直流电机在结构上可概括地分为静止和转动两大部分。其静止的部分称为定子；转动的部分称为转子（电枢），这两部分由空气隙分开，其结构如图１－１所示。①定子部分。定子由主磁极、机座、换向极、端盖及电刷等装置组成。主磁极：其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。铁芯的上部叫极身，下部叫极靴。极靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。铁芯通常用低碳钢片冲压叠成。其目的是为了减小励磁涡流损耗。上一页下一页返回１.２直流电机基础机座：其作用有两个，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电机的机械支撑。换向极：换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。电刷装置：其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电机外部直流电与内部交流电的互换。②转子部分。转子是直流电机的重要部件。上一页下一页返回１.２直流电机基础由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生的，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。电枢主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等组成。电枢铁芯：其作用有两个，一是作为磁路的一部分；二是将电枢绕组安放在铁芯的槽内。为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁芯通常采用０.３５～０.５ｍｍ硅钢片冲压叠成。电枢绕组：电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩。从而实现电能和机械能的相互转换。它是由许多形状相同的线圈按一定的排列规律连接而成。每个线圈的两个边分别嵌在电枢铁芯的槽里，在槽内的这两个边，称为有效边。上一页下一页返回１.２直流电机基础换向器：换向器是直流电机的关键部件，它与电刷配合，在直流电机中能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。２.直流电动机工作原理直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。直流电动机的工作原理是建立在电磁力基础理论上的，通过电磁关系，将电能转换成机械能。这一理论有两个基本的条件，一是要有恒定的磁场，二是在磁场中的导体要有电流。上一页下一页返回１.２直流电机基础直流电动机要想将电能转换成机械能，拖动负载工作，首先要在励磁绕组上通入直流励磁电流，产生所需要的磁场，再通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电流，提供电能，于是电枢电流在磁场的作用下产生电磁转矩，驱动电机转动。图１－２所示为直流电动机工作原理模型。把电刷Ａ、Ｂ接到一直流电源上，电刷Ａ接电源的正极，电刷Ｂ接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。根据毕－萨电磁力定律可知导体每边所受电磁力的大小为上一页下一页返回１.２直流电机基础导体受力方向由左手定则确定。在图１－２（ａ）所示情况下，位于Ｎ极下的导体ａｂ的受力方向为从右向左，而位于Ｓ极下的导体ｃｄ的受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转。当电枢旋转到图１－２（ｂ）所示位置时，原来位于Ｓ极下的导体ｃｄ转到Ｎ极下，其受力方向变为从右向左；而原来位于Ｎ极下的导体ａｂ转到Ｓ极下，导体ａｂ受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但Ｎ极下的导体受力方向和Ｓ极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。上一页下一页返回１.２直流电机基础实际直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。电动机的启动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机启动瞬间（ｎ＝０）的电磁转矩称为启动转矩，此时所对应的电流称为启动电流，分别用Ｔｓｔ、Ｉｓｔ表示。启动转矩为如果他励直流电动机在额定电压下直接启动，由于启动瞬间ｎ＝０，电枢电动势Ｅａ＝０，故启动电流为上一页下一页返回１.２直流电机基础因为电枢电阻Ｒａ很小，所以直接启动时启动电流很大，通常可达额定电流的１０～２０倍。过大的启动电流会使电网电压下降过多，影响本电网上其他用户的正常用电；使电动机的换向恶化，甚至烧坏电动机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。因此，除容量很小的电动机以外，一般不允许直接启动。对直流电动机的启动，一般有如下要求：①要有足够大的启动转矩；②启动电流要限制在一定的范围内；③启动设备要简单、可靠。上一页下一页返回１.２直流电机基础为了限制启动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串入电阻启动或降低电枢电压的启动方式。无论采用哪种启动方式，启动时都应保证磁通Φ达到最大值。因为，在同样的电流下，Φ变大则Ｔｓｔ变大；在同样的转矩下，Φ变大则Ｉｓｔ变小。１.２.２电枢回路串电阻启动１.启动过程启动前应使励磁回路的调节电阻Ｒｓｆ＝０，这样励磁电流Ｉｆ和磁通Φ最大，电枢回路串入启动电阻Ｒｓｔ，在额定电压下的启动电流为上一页下一页返回１.２直流电机基础启动电阻Ｒｓｔ的值应保证Ｉｓｔ不大于允许值，对于普通直流电动机，一般要求Ｉｓｔ≤（１.５～２）ＩＮ。在Ｔｓｔ的作用下，电动机开始转动并逐渐加速，随着转速的逐渐升高，电枢电动势（反电动势）Ｅａ逐渐增大，电枢电流逐渐减小，电磁转矩也随之减小，转速上升的加速度逐渐变缓。为了缩短启动时间，随着电动机转速的提高，应逐级切除启动电阻，最后使电动机的转速达到额定值。一般串入的启动电阻为２～５级，在启动过程中逐级切除。启动电阻的级数越多，启动过程就越平稳。但级数越多，所需的设备投资越大，设备维护的工作量越大。上一页下一页返回１.２直流电机基础图１－３是采用三级电阻启动时电动机的电路原理及其机械特性。启动开始时，接触器的触点Ｓ闭合，而Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３断开，如图１－３（ａ）所示，额定电压加在电枢回路总电阻Ｒ３（Ｒ３＝Ｒａ＋Ｒｓｔ１＋Ｒｓｔ２＋Ｒｓｔ３）上，启动电流为,此时启动电流Ｉ１和启动转矩Ｔ１均达到最大值（通常取额定值的两倍左右）。接入全部启动电阻时的机械特性如图１－３（ｂ）中的曲线１所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础启动瞬间对应于ａ点，因为启动转矩Ｔ１大于负载转矩ＴＬ，所以电动机开始加速，电动势Ｅａ逐渐增大，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，工作点沿曲线１箭头方向移动。当转速升到ｎ１、电流降至Ｉ２、转矩减至Ｔ２（图中ｂ点）时，触点Ｓ３闭合，切除电阻Ｒｓｔ３。此时所对应的电流Ｉ２称为切换电流，一般取Ｉ２＝（１.１～１.２）ＩＮ或Ｔ２＝（１.１～１.２）ＴＮ切除Ｒｓｔ３后，电枢回路电阻减小为Ｒ２（Ｒ２＝Ｒａ＋Ｒｓｔ１＋Ｒｓｔ２），与之对应的机械特性如图１－３（ｂ）中的曲线２。在切除电阻瞬间，由于机械惯性，转速不会突变，所以电动机的工作点由ｂ点沿水平方向跃变到曲线２上的ｃ点。上一页下一页返回１.２直流电机基础选择适当的各级启动电阻，可使ｃ点的电流仍为Ｉ１，这样电动机又处在最大转矩Ｔ１下进行加速，工作点沿曲线２箭头方向移动。当到达ｄ点时，转速升至ｎ２，电流又降至Ｉ２，转矩也降至Ｔ２，此时触点Ｓ２闭合，将Ｒｓｔ２切除，电枢回路电阻变为Ｒ１＋Ｒａ＋Ｒｓｔ１，工作点由ｄ点平移到人为特性曲线３上的ｅ点。Ｅ点的电流和转矩仍为最大值，电动机又处在最大转矩Ｔ１下加速，工作点在曲线３上移动。当转速升至ｎ３时，即在ｆ点切除最后一级电阻Ｒｓｔ１后，电动机将过渡到固有特性上，并加速到ｈ点处于稳定运行，启动过程结束。上一页下一页返回１.２直流电机基础分级启动电阻的计算。现以图１－３为例，推导各级启动电阻的计算公式。设图中对应于转速为ｎ１、ｎ２、ｎ３时的电枢电动势分别为Ｅａ１、Ｅａ２、Ｅａ３，则图１－３中ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ各点的电压平衡方程式如式（１－５）所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础比较式（１－５）中的六式可得将启动过程中的最大电流Ｉ１与切换电流Ｉ２之比定义为启动电流比（也称启动转矩比）β，则在已知β和电枢电阻Ｒａ的前提下，各级串联电阻值可按式（１－７）中各式计算。上一页下一页返回１.２直流电机基础若已知启动电阻的级数ｍ，启动电流比β可按式（１－８）计算若已知启动电流比β，也可利用式（１－８）求出启动电阻的级数ｍ，必要时应修改β值使ｍ为整数。计算各级启动电阻的步骤如下：①估算或查出电枢电阻Ｒａ；②根据过载倍数选取最大转矩Ｔ１对应的最大电流Ｉ１；③选取启动级数ｍ；上一页下一页返回１.２直流电机基础④计算启动电流比β；⑤计算转矩Ｔ２＝Ｔ１／β，检验Ｔ２≥（１.１～１.３）ＴＬ是否成立，如果不满足，应另选Ｔ１或ｍ值，并重新计算，直至满足该条件为止。电枢电阻Ｒａ,可用实测的方法求得，也可用式（１－９）进行估算。上一页下一页返回１.２直流电机基础过载倍数λＴ用于描述电动机的过载能力，对于直流电动机过载倍数λＴ为最大电流与额定电流之比。２.降压启动当直流电源电压可调时，可以采用降压方法启动。启动时，以较低的电源电压启动电动机，启动电流便随电压的降低而减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，从而保证电动机按需要的加速度升速。上一页下一页返回１.２直流电机基础可调压的直流电源，在过去多采用直流的发电机－电动机组，现正被晶闸管整流电源取代。降压启动虽然需要专用电源，设备投资较大，但启动平稳，启动过程中能量损耗小，因而得到了广泛应用。１.２.３直流电动机的制动根据电磁转矩Ｔｅｍ和转速ｎ方向之间的关系，可以把电机分为两种运行状态。当Ｔｅｍ与ｎ同方向时，称为电动运行状态，简称电动状态；当Ｔｅｍ与ｎ反方向时,称为制动运行状态,简称制动状态。电动状态时,电磁转矩为驱动转矩；制动状态时，电磁转矩为制动转矩。上一页下一页返回１.２直流电机基础在电力拖动系统中，电动机经常需要工作在制动状态。例如，许多生产机械工作中，往往需要快速停车或者由高速运行迅速转为低速运行，这就要求电动机进入制动运行状态；对于像起重机等位能性负载的工作机构，为了获得稳定的下放速度，电动机也必须运行在制动状态。因此，电动机的制动运行也是十分重要的。他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。１.能耗制动图１－４是能耗制动的接线图。开关Ｓ接电源侧为电动状态运行，此时电枢电流Ｉａ、电枢电动势Ｅａ、转速ｎ及驱动性质的电磁转矩Ｔｅｍ的方向如图１－４所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础当需要制动时，将开关Ｓ投向制动电阻ＲＢ上，电动机便进入能耗制动状态。初始制动时，因为磁通保持不变、电枢存在惯性，其转速ｎ不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是ｎ和Ｅａ的方向均不改变。但是，由Ｅａ在闭合的回路内产生的电枢电流ＩａＢ却与电动状态Ｉａ的方向相反，由此而产生的电磁转矩ＴｅｍＢ也与电动状态时Ｔｅｍ的方向相反，变为制动转矩，于是电机处于制动运行。制动运行时动能转换成电能，并消耗在电阻（Ｒａ＋ＲＢ）上，直动机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。上一页下一页返回１.２直流电机基础能耗制动时的机械特性，就是在Ｕ＝０、Φ＝ΦＮ、Ｒ＝Ｒａ＋ＲＢ条件下的一条人为机械特性，即可见，能耗制动时的机械特性是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，其斜率与电动状态下电枢串电阻ＲＢ时人为特性的斜率相同，如图１－５中直线ＢＣ所示。能耗制动时，电动机工作点的变化情况可用机械特性曲线说明。设制动前工作点在固有特性曲线Ａ点处，其ｎ＞０，Ｔｅｍ＞０，Ｔｅｍ为驱动转矩。上一页下一页返回１.２直流电机基础开始制动时，因ｎ不突变，工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的Ｂ点。在Ｂ点，ｎ＞０，Ｔｅｍ＜０电磁转矩为制动转矩，于是电动机开始减速，工作点沿ＢＯ方向移动。（１）反抗性负载若负载性质为反抗性负载，到达Ｏ点转速为零，制动过程结束。（２）位能性负载若负载性质为位能性负载，过Ｏ点后电动机进入反转，并且反向转速逐渐升高，到Ｃ点达到稳定运行。上一页下一页返回１.２直流电机基础改变制动电阻ＲＢ的大小，即可改变能耗制动特性曲线的斜率，从而可以改变起始制动转矩（Ｂ点所对应的电磁力矩）的大小以及下放位能负载时的稳定速度（Ｃ点所对应的转速）。ＲＢ越小，特性曲线的斜率越小，起始制动转矩越大，而下放位能负载的速度越小。减小制动电阻，可以增大制动转矩，缩短制动时间，提高工作效率。但制动电阻太小，将会造成制动电流过大，通常限制最大制动电流不超过２～２.５倍的额定电流。选择制动电阻的原则是上一页下一页返回１.２直流电机基础即其中：Ｅａ为制动瞬间（制动前电动状态时）的电枢电动势。如果制动前电动机处于额定运行，则Ｅａ＝ＵＮ－ＲａＩＮ≈ＵＮ。能耗制动操作简单，但随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。若为了使电动机能更快地停转，可以在转速降到一定程度时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。上一页下一页返回１.２直流电机基础２.反接制动反接制动分为电压反接制动和倒拉反转反接制动两种方式。（１）电压反接制动电压反接制动时的接线图如图１－６所示。开关Ｓ投向“电动”侧时，电枢接正极性的电源电压，此时电动机处于电动状态运行。进行制动时，开关Ｓ投向“制动”侧，此时电枢回路串入制动电阻ＲＢ后，接上极性相反的电源电压，即电枢电压由原来的正值变为负值。此时，在电枢回路内Ｕ与Ｅａ顺向串联，共同产生很大的反向电枢电流ＩａＢ。上一页下一页返回１.２直流电机基础反向电枢电流ＩａＢ产生很大的反向电磁转矩ＴｅｍＢ，从而产生很强的制动作用。电动状态时，电枢电流的大小由Ｕ与Ｅａ之差决定，而反接制动时，电枢电流的大小由Ｕ与Ｅａ之和决定，因此反接制动时电枢的电流是非常大的。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻ＲＢ，ＲＢ的大小应使反接制动时电枢电流不超过电动机的最大允许电流Ｉｍａｘ，Ｉｍａｘ＝（２～２.５）ＩＮ，因此应串入的制动电阻值为上一页下一页返回１.２直流电机基础电压反接制动时的机械特性曲线是在Ｕ＝－ＵＮ，Φ＝ΦＮ，Ｒ＝Ｒａ＋ＲＢ条件下的一条人为特性曲线，即或可见，其特性曲线是一条通过－ｎ０点，斜率为的直线，如图１－７中线段ＢＣ所示上一页下一页返回１.２直流电机基础电压反接制动时电动机工作点的变化情况可用图１－７说明如下：设电动机原来工作在固有特性上的Ａ点，反接制动时，由于转速不能突变，工作点沿水平方向跃变到反接制动特性上的Ｂ点，之后在制动转矩作用下，转速开始下降，工作点沿ＢＣ方向移动，当到达Ｃ点时，制动过程结束。在Ｃ点，ｎ＝０，但制动的电磁转矩Ｔｅｍ≠０根据负载性质的不同，此后工作点的变化可分为两种情况。①电动机拖动反抗性负载。②电动机拖动位能性负载。上一页下一页返回１.２直流电机基础反接制动时，从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率全部转变成电枢回路上的电功率，一起消耗在电枢回路串接的电阻（Ｒａ＋ＲＢ）上，其能量损耗是很大的。（２）倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。以起重机下放重物为例，图１－８（ａ）标出了正向电动状态（提升重物）时电动机的各物理量方向，此时电动机工作在图１－８（ｃ）固有特性上的Ａ点。如果在电枢回路中串入一个较大的电阻ＲＢ，将得到一条斜率较大的人为特性，便可实现倒拉反转反接制动，如图１－８（ｃ）中的直线ｎ０Ｄ所示。制动过程如下：上一页下一页返回１.２直流电机基础串电阻瞬间，因转速不能突变，所以工作点由固有特性上的Ａ点沿水平方向跳跃到人为特性上的Ｂ点，此时电磁转矩Ｔｅｍ（Ｔｅｍ＝ＴＢ）小于负载转矩ＴＬ，于是电动机开始减速，工作点沿人为特性由Ｂ点向Ｃ点变化，到达Ｃ点时，ｎ＝０，电磁转矩为堵转转矩ＴＫ，因ＴＫ仍小于负载转矩ＴＬ，所以在重物的重力作用下电动机将反向旋转，即下放重物。因为励磁不变，所以Ｅａ随ｎ的反向而改变方向。由图１－８（ｂ）可以看出，Ｉａ的方向不变，故Ｔｅｍ的方向也不变。这样，电动机反转后，电磁转矩为制动转矩，电动机处于制动状态，如图１－８（ｃ）中的ＣＤ段。上一页下一页返回１.２直流电机基础随着电动机反向转速的增加，Ｅａ增大，电枢电流Ｉａ和制动的电磁转矩Ｔｅｍ也相应增大，当到达Ｄ点时，电磁转矩与负载转矩平衡，电动机便以稳定的转速匀速下放重物。电动机串入的电阻ＲＢ越大，最后稳定的转速越高，下放重物的速度也越快。电枢回路串入较大的电阻后，电动机能出现反转制动运行，主要是位能负载的倒拉作用，又因为此时的Ｅａ与Ｕ也是顺向串联，共同产生电枢电流，这一点与电压反接制动相似，因此把这种制动称为倒拉反转反接制动。上一页下一页返回１.２直流电机基础３.回馈制动电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动机拖动机车下坡时）会出现运行转速ｎ高于理想空载转速ｎ０的情况，此时Ｅａ＞Ｕ，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变，由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，此时电动机处于发电状态，将机械能变换成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性曲线位于第二象限，反向回馈制动时位于第四象限，如图１－９中的ｎ０Ａ段和－ｎ０Ｂ段。上一页下一页返回１.２直流电机基础电力拖动系统出现回馈制动状态有以下几种情况：（１）电压反接制动时的回馈制动如图１－７所示，当电压反接制动时，若电动机拖动位能性负载，则电动机经过制动减速、反向电动加速，最后在重物的重力作用下，工作点将通过－ｎ０点进入第四象限，出现运行转速超过理想空载转速的反向回馈制动状态（－ｎ０Ｅ段）。当到达Ｅ点时，制动的电磁转矩与重物作用力相平衡，电力拖动系统便在回馈制动状态下稳定运行，即重物匀速下降。上一页下一页返回１.２直流电机基础（２）电车下坡时的回馈制动当电车下坡时，运行转速也可能超过理想空载转速而进入第二象限运行，如图１－９中的Ａ点，这时电动机处于正向回馈制动状态下稳定运行。（３）降低电枢电压调速时的回馈制动在图１－１０中，Ａ点是电动状态运行工作点，对应电压为Ｕ１转速为ｎＡ。当进行降压（Ｕ１降为Ｕ２）调速时，因转速不能突变，工作点由Ａ点平移到Ｂ点，此后工作点在降压人为特性曲线的Ｂｎ０２段上的变化过程即为回馈制动过程，它起到了加快电动机减速的作用。当转速降到ｎ０２时，回馈制动过程结束。上一页下一页返回１.２直流电机基础从ｎ０２降到Ｃ点转速ｎｃ为电动状态减速过程。（４）调磁调速过程中出现的回馈制动在直流电动机进行调磁调速的过程中，主磁通Φ在小于额定磁通ΦＮ范围内变化。当磁通由一个较小的磁通Φ１增大到Φ２时，其工作点在Ｂｎ０２段上变化时为回馈制动过程，如图１－１１所示。回馈制动时，由于有功率回馈到电网，因此与能耗制动和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。上一页下一页返回１.２直流电机基础４.直流电动机的反转直流电动机的转向是由电枢电流方向和主磁场方向确定的，要改变其转向，一是改变电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向（即改变主磁场的方向）。如果同时改变电枢电流和励磁电流的方向，则电动机的转向不会改变。改变直流电动机的转向，通常采用改变电枢电流方向的方法，具体就是改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接，而很少采用改变励磁电流方向的方法。上一页下一页返回１.２直流电机基础１.２.４直流电动机调速为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需要调速。例如车床切削工件时，精加工用高转速，粗加工用低转速；轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须有不同的工作速度。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合起来调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速。上一页下一页返回１.２直流电机基础根据他励直流电动机的转速公式可知当电枢电流Ｉａ不变时（即在一定的负载下），只要改变电枢电压Ｕ、电枢回路串联电阻Ｒｓ及励磁磁通Φ中三者之中的任意一个量，就可改变转速ｎ。因此，他励直流电动机具有三种调速方法：调压调速、电枢串联电阻调速和调磁调速。上一页下一页返回１.２直流电机基础为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标，称为调速指标。下面先对调速指标作一介绍，然后再讨论他励电动机的三种调速方法及其与负载类型的配合问题。１.调速指标的评价评价调速性能好坏的指标有以下四个方面。（１）调速范围调速范围是指电动机在额定负载下可能运行的最高转速ｎｍａｘ与最低转速ｎｍｉｎ之比，通常用Ｄ表示，即上一页下一页返回１.２直流电机基础不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围，必须尽可能地提高电动机的最高转速和降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受到电动机的机械强度、换向条件、电压等级方面的限制，而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。（２）静差率（相对稳定性）转速的相对稳定性是指负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，其相对稳定性好。转速的相对稳定性用静差率δ表示。当电动机在某一机械特性上运行时，由理想空载增加到额定负载，电动机的转速降落ΔｎＮ＝ｎ０－ｎＮ与理想空载转速ｎ０之比，就称为静差率。上一页下一页返回１.２直流电机基础显然，电动机的机械特性越硬，其静差率越小，转速的相对稳定性就越高。静差率与调速范围两个指标是相互制约的。若对静差率这一指标要求过高，即δ值越小，则调速范围Ｄ就越小；反之，若要求调速范围Ｄ越大，则静差率δ也越大，转速的相对稳定性也就越差。不同的生产机械，对静差率的要求不同，普通车床要求δ＜３０％，而高精度的造纸机则要求δ＜０.１％。在保证一定静差率指标的前提下，要扩大调速范围，就必须减小转速降落ΔｎＮ，即必须提高机械特性的硬度。上一页下一页返回１.２直流电机基础（３）调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，就认为调速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数，用φ表示：φ值越接近１，则平滑性越好，当φ＝１时，称为无级调速。当调速不连续，级数有限时，称为有级调速。上一页下一页返回１.２直流电机基础（４）调速的经济性调速的经济性主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。２.调速方法（１）电枢回路串接电阻调速电枢回路串接电阻调速的原理及调速过程可用图１－１２说明。设电动机拖动恒转矩负载ＴＬ在固有特性曲线上的Ａ点运行，其转速为ｎＮ。若电枢回路串入电阻Ｒｓ１，则达到新的稳态后，工作点变为人为特性曲线上的Ｂ点，转速下降到ｎ１。从图中可以看出，串入的电阻值越大，稳态转速就越低。上一页下一页返回１.２直流电机基础调速过程中转速ｎ和电流ｉa随时间的变化规律如图１－１３所示。电枢串接电阻调速的优点是设备简单，操作方便。缺点如下：①电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；②低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；③轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为Ｄ＜２；④损耗较大，效率较低。所串接电阻越大，损耗越大，效率越低，所以这种调速方法是不太经济的。因此，电枢回路串接电阻调速的方式多用于对调速性能要求不高的生产机械上，如起重机、电车等。上一页下一页返回１.２直流电机基础（２）降低电源电压调速电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降低电源电压调速的原理及调速过程如图１－１４所示。设电动机拖动恒转矩负载ＴＬ在固有特性曲线上的Ａ点运行，其转速为ｎＮ。若电源电压由ＵＮ下降至Ｕ１，则达到新的稳态后，工作点将移到对应人为特性曲线上的Ｂ点，其转速下降为ｎ１。从图中可以看出，电压越低，稳态转速越低。上一页下一页返回１.２直流电机基础调速过程分析：在电动机转速由ｎＮ下降至ｎ１的调速过程中，电动机原来在Ａ点稳定运行时Ｔｅｍ＝ＴＬ，ｎ＝ｎＮ。当电压降至Ｕ１后，电动机的机械特性曲线变为直线ｎ０１Ｂ。在降压瞬间，转速ｎ不能突变，故Ｅａ也不能突变，所以Ｉａ和Ｔｅｍ突然减小，工作点由Ａ点平移到Ａ′点。在Ａ′点Ｔｅｍ＜ＴＬ；电动机开始减速。随着ｎ减小，Ｅａ也减小，Ｉａ和Ｔｅｍ增大，工作点沿Ａ′Ｂ方向移动，到达Ｂ点时，达到了新的平衡Ｔｅｍ＝ＴＬ，此时电动机便在较低转速ｎ

下稳定运行。上一页下一页返回１.２直流电机基础降压调速的特点为：①电源电压能够平滑调节，可以实现无级调速；②调速前后机械特性曲线的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好；③无论轻载还是额定负载，调速范围相同，一般可达Ｄ＝２.５１２；④电能损耗较小；⑤需要一套电压可连续调节的直流电源，设备投资较大。上一页下一页返回１.２直流电机基础电压可连续调节的直流电源，早期常采用发电机－电动机系统，简称ＧＭ系统。目前，这种系统已被晶闸管－电动机系统（简称ＳＣＲＭ系统）所取代。（３）减弱磁通调速额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很多，磁通也增加很少，从电机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此，改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通调速即是弱磁调速。其调速原理及调速过程如图１－１５所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础设电动机拖动恒转矩负载ＴＬ在固有特性曲线上Ａ点运行，其转速为ｎＮ。若磁通由ΦＮ减小至Φ１，则达到新的稳态后，工作点将移到对应的人为特性曲线上的Ｂ点，其转速上升为ｎ１。从图中可见，磁通越小，稳态转速将越高。调速过程分析：在电动机的转速由ｎＮ上升到ｎ１的调速过程中，电动机原来在Ａ点稳定运行时，Ｔｅｍ＝ＴＬ，ｎ＝ｎＮ。当磁通减弱到Φ１后，电动机的机械特性变为直线ｎ０１Ｂ。在磁通减弱的瞬间，转速ｎ不能突变，电动势Ｅａ随Φ而减小，于是电枢电流Ｉａ增大。尽管Φ减小，但Ｉａ增大很多，所以电磁转矩Ｔｅｍ还是增大的，因此工作点移到Ａ′点。上一页下一页返回１.２直流电机基础在Ａ′点，Ｔｅｍ＞ＴＬ，电动机开始加速，随着ｎ上升，Ｅａ增大，Ｉａ和Ｔｅｍ减小，工作点沿Ａ′Ｂ方向移动，到达Ｂ点时，Ｔｅｍ＝ＴＬ，出现了新的平衡，此时电动机便在较高的转速ｎ１下稳定运行。调速过程中电枢电流和转速随时间的变化规律如图１－１６所示。对于恒转矩负载，调速前后电动机的电磁转矩不变，因磁通减小，所以调速后的稳态电枢电流大于调速前的电枢电流，这一点与前两种调速方法是不同的。当忽略电枢反应影响和较小的电阻压降ＲａＩａ时，可近似认为转速与磁通成反比变化。上一页下一页返回１.２直流电机基础减弱磁通调速的特点：①控制方便，能量损耗小，设备简单，且调速平滑性好；②虽然弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此弱磁调速的经济性比较好；③机械特性的斜率变大，特性变软；④因为升速范围不可能很大，一般Ｄ＜２上一页下一页返回１.２直流电机基础为了扩大调速范围，常常把降压和弱磁两种调速方法结合起来。在额定转速以下采用降压调速，在额定转速以上采用弱磁调速。３.调速方式与负载类型的配合（１）电动机的容许输出与充分利用电动机的容许输出是指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。容许输出的大小主要取决于电动机的发热，而电动机的发热又主要取决于电枢电流。因此，在一定的转速下，额定电流所对应的输出转矩和功率便是电动机的容许输出转矩和功率。上一页下一页返回１.２直流电机基础所谓电动机的充分利用，是指在一定的转速下，电动机的实际输出转矩和功率达到了它的容许输出值，即电枢电流达到了额定值。正确地使用电动机，应当使电动机既满足负载的要求，又使其得到充分利用，即保证电动机总是处于额定电流下工作。对于不调速的电动机，通常都工作在额定状态，电枢电流为额定值，所以恒转速运行的电动机一般都能得到充分利用。但是，当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总是保持为额定值，即电动机能否在不同的转速下都得到充分利用，这需要进一步研究。事实上，在调速状态下电动机能否充分利用与调速方式和负载类型的配合有关。上一页下一页返回１.２直流电机基础（２）恒转矩与恒功率调速方式以电动机在不同转速下都能得到充分利用为条件，可以把他励直流电动机的调速分为恒转矩调速和恒功率调速两种方式。电枢串电阻调速和降压调速属于恒转矩调速方式，而弱磁调速属于恒功率调速方式。①恒转矩调速。电枢串电阻调速和降压调速时，磁通Φ＝ΦＮ保持不变，如果在不同转速下保持电流Ｉａ＝ＩＮ不变，即电动机得到充分利用，则电动机的容许输出转矩和功率分别为：上一页下一页返回１.２直流电机基础其中：Ｃ１为常数。由此可见，电枢串接电阻和降压调速时，电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值，故称为恒转矩调速方式。②恒功率调速。恒功率调速时，磁通Φ是变化的，在不同转速下，若保持Ｉａ＝ＩＮ不变，则电动机的容许输出转矩和功率分别为：上一页下一页返回１.２直流电机基础由此可见，恒功率调速时，电动机的容许输出转矩与转速成反比，而且容许输出功率为恒值，故称之为恒功率调速方式。（３）调速方式与负载类型的配合作为一种理想情况，调速运行的电动机其实际输出的转矩和功率应按图１－１７所示的规律变化，在整个调速范围内的不同转速时，电动机都能得到充分利用。然而，电动机实际输出转矩和功率随转速如何变化，要由负载的性质来决定，即由负载的转矩特性ＴＬ＝ｆ（ｎ）和功率特性ＰＬ＝ｆ（ｎ）来决定。如果负载的转矩和功率的特性曲线能与电动机的容许输出转矩和功率的特性曲线重合，那么电动机就会在不同转速时都能得到充分利用。上一页下一页返回１.２直流电机基础①恒转矩负载配恒转矩调速方式。此时负载转矩ＴＬ和电动机的容许输出转矩Ｔ均为常数，负载功率ＰＬ和电动机的容许输出功率Ｐ均与转速ｎ成正比。因此，只要选择电动机的容许输出转矩ＴＮ与负载转矩ＴＬ相等，则负载转矩特性与电动机的容许输出转矩特性就完全重合。此时，电动机既满足了负载的要求，又得到了充分利用。因此恒转矩负载配恒转矩调速方式是一种理想的配合。需要指出的是，此时电动机的额定转速为系统的最高转速，如图１－１８（ａ）所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础②恒功率负载配恒功率调速方式。此时负载功率ＰＬ和电动机的容许输出功率Ｐ均为常数，负载转矩ＴＬ和电动机的容许输出转矩Ｔ均与转速ｎ成反比。因此，只要选择电动机的容许输出功率（额定功率）与负载功率ＰＬ相等，则负载功率特性曲线也与电动机的容许输出功率特性曲线完全重合，这也是一种理想的配合。恒功率调速时，转速是从额定转速往上调的，故电动机的额定转速为系统的最低转速，如图１－１８（ｂ）所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础③恒转矩负载配恒功率调速方式。恒转矩负载配恒功率调速方式，显然此时的负载转矩特性曲线与电动机的容许输出转矩特性曲线不可能重合。为了满足负载转矩的需要，二者的特性配合只能如图１－１９（ａ）所示，即使电动机容许输出转矩的最小值（此时转速最高）等于恒定的负载转矩。可见，恒转矩负载配恒功率调速方式时，只有在最高转速这一点上电动机才被充分利用。而在低于最高转速时，电动机的实际输出小于容许输出，电动机没有充分利用。上一页下一页返回１.２直流电机基础④恒功率负载配恒转矩调速方式。恒功率负载，其转矩与转速成反比变化；恒转矩调速方式时，电动机的容许输出转矩为常数。显然，此时的负载转矩特性曲线与电动机的容许输出转矩特性曲线也是不能重合的。为了满足负载的需要，二者的特性配合只能使恒定的容许输出转矩等于变化的负载转矩的最大值（此时转速最低）。可见，恒功率负载在恒转矩调速方式时，只有在最低转速时电动机才被充分利用，如图１－１９（ｂ）所示。⑤风机型负载与两种调速方式的配合。风机型负载和两种调速方式的特性配合如图１－２０所示。上一页下一页返回１.２直流电机基础因为负载转矩随转速ｎ的升高而增大，为了使电动机在最高转速时（所需要的转矩最大）仍能满足负载的需要，应使只有在最高转速这一点上电动机才被充分利用，而在其他转速下均是ＴＬ＜Ｔ，ＰＬ＜Ｐ，Ｉａ＜ＩＮ，电动机得不到充分利用。风机型负载配恒转矩调速方式所造成的电机容量浪费要比配恒功率调速方式小一些。上一页返回１.３交流电机基础交流电机主要分为同步电机和感应电机两大类，它们在工作原理和运行性能上有很大差别。同步电机的转速与电源频率之间有着严格的关系，感应电机的转速虽然也与电源频率有关，但不像同步电机那样严格。同步电机主要用作发电机，目前交流发电机几乎都是采用同步发电机。感应电机则主要用作电动机，大部分生产机械用感应电动机作为原动机。１.３.１三相感应电动机的工作原理及结构１.三相感应电动机的工作原理下一页返回１.３交流电机基础在图１－２１中，Ｎ极与Ｓ极是一对磁极，在两个磁极相对的空间里装有一个能够转动的圆柱形铁芯，在铁芯外圆槽内嵌放有导体，导体两端各用一圆环把它们连接成一整体。如图１－２１所示，如在某种因素的作用下，使磁极以ｎ１的速度逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而产生感应电动势ｅ。用右手定则可以判定，在转子上半部分的导体中，感应电动势的方向为，下半部分导体的感应电动势方向为⊙。在感应电动势的作用下导体中就有电流ｉ，若不计电动势与电流的相位差，则电流ｉ与电动势ｅ同方向。上一页下一页返回１.３交流电机基础载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，由左手定则可以判定电磁力ｆ的方向。电磁力ｆ所形成的电磁转矩Ｔ使转子以ｎ的速度旋转，旋转方向与磁场的旋转方向相同，这就是感应电动机的基本工作原理。旋转磁场的旋转速度ｎ１称为同步转速。由于转子转动的方向与磁场的旋转方向是一致的，所以如果ｎ＝ｎ１，则磁场与转子之间就没有相对运动，它们之间就不存在电磁感应关系，也就不能在转子导体中产生感应电动势和产生电流，也就不能产生电磁转矩。感应电动机的转子速度不可能等于磁场旋转的速度，因此，这种电动机一般称之为异步电动机。上一页下一页返回１.３交流电机基础转子转速ｎ与旋转磁场转速ｎ１之差称为转差Δｎ，转差与磁场转速ｎ１之比，称为转差率ｓ。转差率ｓ是决定感应电动机运行情况的一个基本数据，也是感应电动机一个很重要的参数。实际上感应电动机的旋转磁场是由装在定子铁芯上的三相绕组通入对称的三相电流而产生的。上一页下一页返回１.３交流电机基础２.三相感应电动机的结构和其他旋转电机一样，感应电动机也是由定子和转子两大部分组成。定子与转子之间为气隙，感应电动机的气隙比其他类型的电机要小得多，一般为０.２５～２.０ｍｍ，气隙的大小对感应电动机的性能影响很大。下面简要介绍感应电动机的主要零部件的构造、作用和材料。（１）定子部分①机座。②定子铁芯。③定子绕组。上一页下一页返回１.３交流电机基础（２）转子部分①转子铁芯。②转子绕组。绕线型转子绕组是一个三相绕组，一般接成星形，三根引出线分别接到电动机轴上的三个与其绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连接。可以在转子电路中串接电阻以改善电动机的运行性能，如图１－２２所示。上一页下一页返回１.３交流电机基础笼型绕组在转子铁芯的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一铜环（称为端环），把导条连接起来，称为铜排转子，如图１－２３（ａ）所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图１－２３（ｂ）所示。１００ｋＷ以下的感应电动机一般采用铸铝转子。笼型绕组因其结构简单、制造方便、运行可靠，得到广泛应用。包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑电动机轴。风扇则用来通风冷却。图１－２４和图１－２５分别表示笼型感应电动机和绕线型感应电动机的结构图。上一页下一页返回１.３交流电机基础１.３.２三相感应电动机的机械特性与直流电动机相同，三相感应电动机的机械特性也是指在一定条件下，电动机的转速ｎ与转矩Ｔｅｍ之间的关系ｎ＝ｆ（Ｔｅｍ）。因为感应电动机的转速与转差率存在一定的关系，所以感应电动机的机械特性也往往用Ｔｅｍ＝ｆ（ｓ）的形式表示，通常称为Ｔｓ曲线。１.固有机械特性的分析三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率条件下，按规定的接线方式接线，定、转子外接电阻为零时ｎ与Ｔｅｍ的关系。上一页下一页返回１.３交流电机基础图１－２６为感应电动机的固有特性曲线，对于一定的电动机，在某一转差率ｓｍ时，转矩有一最大值Ｔｍ，ｓｍ称为临界转差率，整个机械特性可看作由两部分组成。①Ｈ—Ｐ部分（转矩由０～Ｔｍ，转差率由０～ｓｍ）。在这一部分随着转矩Ｔ的增加，转速降低，根据电力拖动系统稳定运行的条件，称这部分为可靠稳定运行部分或称为工作部分（电动机基本上工作在这一部分）。感应电动机的机械特性的工作部分接近于一条直线，只是在转矩接近于最大值时弯曲较大，故一般在额定转矩以内，可看作直线。上一页下一页返回１.３交流电机基础②Ｐ—Ａ部分（转矩由Ｔｍ～Ｔｓｔ，转差率由ｓｍ～１）。在这一部分随着转矩的减小，转速也减小，机械特性曲线为一曲线，称为机械特性的曲线部分，只有当电动机带动通风机负载时，才能在这一部分稳定运行；而对恒转矩负载或恒功率负载，在这一部分不能稳定运行，因此有时候也称这一部分为非工作部分。２.人为机械特性的分析人为机械特性是人为地改变电机参数或电源参数而得到的机械特性，三相感应电动机的人为机械特性种类很多，本节着重讨论两种人为机械特性。上一页下一页返回１.３交流电机基础（１）降低定子电压时的人为机械特性当定子电压Ｕ１降低时，电动机的电磁转矩（包括最大转矩Ｔｍ和启动转矩Ｔｓｔ）将与Ｕ１２成正比的降低，但产生最大转矩的临界转差率ｓｍ，因与电压无关，保持不变；由于电动机的同步转速ｎ１也与电压无关，因此同步点也不变。可见降低定子电压的人为机械特性为一组通过同步点的曲线族。图１－２７绘出Ｕ１＝ＵＮ的固有机械特性曲线和Ｕ１＝０.８ＵＮ及Ｕ１＝０.５ＵＮ时的人为机械特性。上一页下一页返回１.３交流电机基础由图可见，当电动机在某一负载下运行时，若降低电压，将使电动机转速降低，转差率增大，转子电流将因此增大，从而引起定子电流的增大。若电动机电流超过额定值，则电动机最终温升将超过容许值，导致电动机寿命缩短，甚至使电动机烧坏。如果电压降低过多，致使最大转矩Ｔｍ小于总的负载转矩时，则会发生电动机停转事故。（２）转子电路中串接对称电阻时的人为机械特性在绕线转子感应电动机转子电路内，三相分别串接阻值大小相等的电阻Ｒｐａ，由以上分析可知，此时电动机的同步转速ｎ１不变，最大转矩Ｔｍ不变，而临界转差率ｓｍ则随Ｒｐａ的增大而增大，人为机械特性为一组通过同步点的曲线族，如图１－２８所示。上一页下一页返回１.３交流电机基础显然在一定范围内增加转子电阻，可以增大电动机的启动转矩Ｔｓｔ，如果串接某一数值的电阻后使Ｔｓｔ＝Ｔｍ，这时若再增大转子附加电阻，启动转矩将开始减小。转子电路串接附加电阻，适用于绕线型感应电动机的启动和调速。三相感应电动机的人为机械特性的种类很多，除了上述两种外，还有改变定子极对数、改变电源频率的人为特性等，这部分内容将在后面讨论感应电动机的各种运行状态时再进行分析。１.３.３三相感应电动机的启动１.三相笼型感应电动机的启动上一页下一页返回１.３交流电机基础三相笼型感应电动机有直接启动和降压启动两种方式。（１）直接启动直接启动也称为全压启动。启动时，电动机定子绕组直接承受额定电压。这种启动方法最简单，也不需要复杂的启动装置，但是，这时启动的电流较大，一般可达额定电流的４～７倍。过大的启动电流对电动机本身和电网电压的波动均会带来不利影响，一般直接启动只允许在小功率电动机中使用（ＰＮ≤７.５ｋＷ）。上一页下一页返回１.３交流电机基础（２）降压启动降压启动的目的是限制启动电流，通过启动装置使定子绕组承受的电压小于额定电压，待电动机转速达到某一数值时，再使定子绕组承受额定电压，使电动机在额定电压下稳定工作。①电阻降压或电抗降压启动。图１－２９为电阻降压启动的原理图，电动机启动时在定子电路中串接电阻，这样就降低了加在定子绕组上的电压，从而也就减小了启动电流。若启动瞬时加在定子绕组上的电压为1/√3ＵＮ，则启动电流Ｉ′ｓｔ将为全压启动时启动电流Ｉｓｔ的1/√3，Ｉ′ｓｔ＝1/√3Ｉｓｔ。上一页下一页返回１.３交流电机基础因为转矩与电压的平方成正比，所以启动转矩Ｔ′ｓｔ仅为全压启动时启动转矩Ｔｓｔ的1/3，Ｔ′ｓｔ＝1/３Ｔｓｔ。这种启动方法由于启动时能量损耗较多，故目前已被其他方法所代替。②星形－三角形（Y－△）启动。用这种启动方法的感应电动机，必须是定子绕组正常接法为“△”的电机。在启动时，先将三相定子绕组接成星形，待转速接近稳定时，再改接成三角形，图１－３０为星形－三角形启动线路的原理图。启动时，开关Ｓ２投向“”位置，定子绕组作星形联结，这时定子绕组承受的电压只为三角形联结时的1/√3，电动机降压启动，当电动机转速接近稳定值时，将开关Ｓ２迅速投向“△”位置，定子绕组接成三角形运行，启动过程结束。上一页下一页返回１.３交流电机基础当使电动机停机时，可直接断开电源开关Ｓ１，但必须同时把开关Ｓ２放在中间位置，以免再次启动时造成直接启动。Y－△启动时，定子电压为直接启动时定子电压的1/√3，启动转矩则为直接启动时启动转矩的１/３。由于三角形连接时绕组内的电流是线路电流的1/√3，而星形联结时，线路电流等于绕组内的电流，因此，接成星形启动时的线路电流为接成三角形直接启动时线路电流的１/３。上一页下一页返回１.３交流电机基础Y－△启动操作方便，启动设备简单，应用较广泛，但它仅适用于正常运转时定子绕组接成三角形的电动机。为此，对于一般用途的小型感应电动机，当容量大于４ｋＷ时，定子绕组的正常接法都采用三角形。２.三相绕线型感应电动机的启动（１）转子串联电阻启动在１.３.２节中分析转子串电阻的人为机械特性时，已经说明适当增加转子电路电阻，可以提高电动机的启动转矩，绕线型感应电动机正是利用了这一特性。上一页下一页返回１.３交流电机基础当启动时，在转子电路中接入启动电阻器，借以提高启动转矩，同时转子电阻增加也限制了启动电流。为了在整个启动过程中得到比较大的加速转矩，并使启动过程平滑，与直流他励电动机的启动一样，将启动电阻分成几级，在启动过程中逐步切除，以减小转子电路附加电阻。图１－３１为绕线型感应电动机启动时的接线图和特性曲线。其中曲线１对应于转子电阻为Ｒ３＝Ｒｒ＋Ｒｓｔ３＋Ｒｓｔ２＋Ｒｓｔ１的人为特性。相应的曲线２对应于转子电阻为Ｒ２＝Ｒｒ＋Ｒｓｔ２＋Ｒｓｔ１的人为特性，曲线３对应于转子电阻为Ｒ１＝Ｒｒ＋Ｒｓｔ１的人为特性，曲线４则为固有机械特性。上一页下一页返回１.３交流电机基础开始启动时，ｎ＝０，全部电阻接入，这时启动转矩为Ｔｓｔ１；随着转速上升，转矩沿曲线１变化，逐渐减小，当减小到Ｔｓｔ２时，接触器触头ＫＭ１闭合，Ｒｓｔ３被切除，电动机的运行点由曲线１（ｇ点）移到曲线２（ｆ点）上，转矩跃升为Ｔｓｔ１；电动机的转速和转矩沿曲线２变化，待转矩又减小到Ｔｓｔ２时，接触器触头ＫＭ２闭合，电阻Ｒｓｔ２被切除，电动机的运行点由曲线２（ｅ点）移到曲线３（ｄ点）上；电动机的转速和转矩沿曲线３变化，最后接触器触头ＫＭ３闭合，启动电阻全部切除，转子绕组直接短路，电动机运行点沿固有特性变化，直到电磁转矩与负载转矩平衡，电动机稳定工作。上一页下一页返回１.３交流电机基础在启动过程中，一般取启动转矩的最大值Ｔｓｔ１为（０.７～０.８５）Ｔｍ，最小值Ｔｓｔ２为（１.１～１.２）ＴＮ。启动电阻通常用高电阻系数合金或铸铁电阻片制成，在大容量电动机中，也有用水电阻的。（２）转子串接频敏变阻器启动绕线型感应电动机用转子串接启动电阻的启动方法可以增大启动转矩，减小启动电流，但是若要在启动过程中始终保持有较大的启动转矩，使启动平稳，就必须增加启动级数，这就会使启动设备复杂化。为此可以采用在转子电路中串入频敏变阻器的启动方法。上一页下一页返回１.３交流电机基础所谓频敏变阻器，实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器，从结构上看，它像一个没有二次绕组的三相芯式变压器，只是它的铁芯不是用硅钢片而是用厚３０～５０ｍｍ的钢板叠成，以增大铁芯损耗，三个绕组分别绕在三个铁芯柱上，并且接成星形，然后接到转子滑环上。如图１－３２所示。当电动机启动时，转子频率较高，ｆ２＝ｆ1，频敏变阻器的铁耗就大，因此，等效电阻Ｒｍ也较大。在启动过程中，随着转子转速的上升，转子频率逐步降低，频敏变阻器的铁耗和相应的等效电阻Ｒｍ也就随之而减小，上一页下一页返回１.３交流电机基础这就相当于在启动过程中逐渐切除转子电路串入的电阻，启动结束后，转子频率很低（ｆ２＝１～３Ｈｚ），频敏变阻器的等效电阻和电抗都很小，于是可将频敏变阻器切除，转子绕组直接短路。因为等效电阻Ｒｍ是随着频率的变化而自动变化的，因此称为频敏变阻器（相当于一种无触点的变阻器）。在启动过程中，它能够自动、无级地减小电阻，如果频敏变阻器的参数选择恰当，可以在启动过程中保持启动转矩不变，这时的机械特性如图１－３３中曲线２所示，曲线１为固有特性。上一页下一页返回１.３交流电机基础频敏变阻器结构简单，运行可靠，使用维护方便，因此应用日益广泛，但与转子串电阻的启动方法相比，由于频敏变阻器还具有一定的电抗，在同样的启动电流下，启动转矩要小些。１.３.４三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动是指在运行过程中其产生的电磁转矩与转速的方向相反的运行状态。根据能量传送关系可分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种。根据机床电气控制系统应用情况，本书仅介绍能耗制动和反接制动。上一页下一页返回１.３交流电机基础１.能耗制动将运行的三相异步电动机定子绕组断开，接入直流电源，串入适当转子电阻，这时的电动机处于能耗制动运行状态，如图１－３４所示。断开定子三相交流电源，定子旋转磁场消失。当定子输入直流电时，在电动机中产生恒磁场，由于转子在动能作用下转动，切割恒定磁场，产生转子感应电动势，从而产生感应电流（可由右手定则判断）；转子电流与磁场的作用产生电磁转矩与转速方向相反（可由左手定则判断）。其特性曲线如图１－３５所示。上一页下一页返回１.３交流电机基础三相异步电机在能耗制动过程中，利用转子的动能进行发电，并在转子的阻抗中以热的形式消耗掉。能耗过程中，由于定子磁场固定，转子转速为ｎ，所以转差Δｎ＝ｎ，转差率。定子直流励磁电流越大，磁场越强，感应电势越大，转子电流越大，制动电磁转矩越大，制动效果越好。但电流过大会使绕组过热。根据经验，对于笼型异步电动机直流励磁电流取（４～５）Ｉ０，对绕