异步电动机原理

目 录

第一章 异步电动机原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 一 异步电动机结构，额定数据与工作原理„„„„„„„„„„„„„1 二 三相异步电动机的机械特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 第二章 三相交流电动机调速„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 一 降电压调速„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 二 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速„„„„„„„„„„„„„9 三 变频调速„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 四 变级调速„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 第三章 三相异步电动机的启动与制动„„„„„„„„„„„„„„„„„14 一 异步电动机的启动性能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 二 三相异步电动机的各种运行状态„„„„„„„„„„„„„„„„16 第四章 直流电机的基本知识及工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„24 一 直流电机的结构和铭牌„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 二 直流电动机运行原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 三 他励直流电动机机械特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

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第一章 异步电动机原理

一. 异步电动机结构，额定数据与工作原理

1.异步电动机主要用途与分类

异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。例如，在农业方面，用于拖动水泵、脱粒机、粉碎机以及其它农副产品的加工机械等；在工业方面，用于拖动中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等；在民用电器方面的电扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用异步电动机拖动的。

异步电动机的特点是结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。缺点是功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。由于电网的功率因数可以用别的方法进行补偿，这并不妨碍异步电动机的广泛使用。

对那些单机容量较大、转速又恒定的生产机械一般采用通同步电动机拖动为好。因为同步电动机的功率因数是可调的。但并不是说异步电动机就不能拖动这类生产机械，而是要根据具体情况进行分析比较，以确定采用哪种电机。

异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以异步电机又叫做感应电机。

异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同分法。例如： （1） 按定子相数分 （2） 按转子结构分 （3） 按有无换相分

异步电机亦可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，有时利用异步电机会馈制动，即运行在异步发电机状态。

下面针对无换相级的三相异步电动机进行分析。

2.三相异步电动机的结构

高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，

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如图1.1(a)所示。对中、小型容量低压异步电动机，把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y型或Δ型，如图1.1(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。绕组与槽壁用绝缘隔开。

u1

v1 w1 w 2 u2 v 2 (a)

u1 v1 w1 w 2 u2 v

(b)

图 1.1 三相异步电动机的引出线

机座的作用主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和坐式轴承都固定在同一个底版上。

1)气隙

异步电动机的气隙比同容量的直流电动机的气隙小的多,在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~1.5mm左右。

异步电动机的励磁电流是由定子电源供给的。气隙大时要求的励磁电流也就大了，从而影响电动机的功率因数。为了提高功率因数，尽量让气隙小些。但也不应太小，否则定转子有可能发生摩擦或碰撞。如果从减少附加损耗以及减少高次谐波磁通势产生的磁通来看，气隙大些当然又有好处。

2)异步电动机的转子

异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的，转子铁心也

(a) (b) (c)

图 1.2 转子冲片上的槽形图

是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。图1.2是转子槽形图，其中（a）是绕线式异步电动机转子槽形，（b）是单鼠笼转子槽形，(c)是双鼠笼子槽形。整个转子铁心固定在转轴上，或固定在转子支架上，转子支架

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再套在转轴上。如果是绕线式异步电动机，则转子绕组也是三相绕组，它可以连接成Y形或Δ形。一般小容量电动机接成Δ形，中、大容量电动机都接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图1.3所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去。串联电阻的目的是改善电动机的特性或是为了调速，以后再详细介绍。

鼠笼式绕组与定子绕组大不相同，它是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，每根导体都比铁心长，在铁心的两端用两个端环把所

A1 定子绕组 A2 转子绕组 电刷 B2 C 2 滑环

B2 C2

图 1.3 绕线式异步电动机定、转子绕组接线方式

有的导条都短路起来，形成一个自己短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出剩下的绕组形状象个松鼠笼子，因此叫鼠笼转子。导条的材料有铜的，也有铝的。如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸出两端的铜条上，最后焊在一起。如果用的是铝料，就用融化了的铝液直接浇铸在转子铁心上的槽里，连同端环、风扇一次铸成。

3.异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号，额定数据等。 1)型号

电机产品的型号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组成。例如Y系列三相异步电动机表示如下：

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Y 100 L 1 2

异步电动机 级数 机座中心高 铁心长度代号

机座长度代号

2)额定值

异步电动机的额定值包含下列内容：

（1） （2） （3） （4） （5） （6） （7）

额定功率PN 额定电压UN 额定电流IN 额定频率fN 额定转速nN 绝缘等级与温升； 额定功率因数cosφ。

此外，铭牌上还标明了工作方式、连接方法等。对绕线式异步电动机还要标明转子绕组的接法、转子绕组额定电动势和转子的额定电流。

如何根据电机的铭牌进行定子的接线？如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首端、末端，分几种情况讨论。

（1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/Δ”时，究竟接成Y还是接成Δ，要看电源电压的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；如果电源电压为220V时，则接成Δ接，不可乱接。

（2）当电动机的铭牌上标明“电压380V，接法Δ”时，则只有这一种Δ接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复Δ接法。

对有些高电压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只要电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。

4.异步电动机的工作原理

三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁通势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针，如图1.4。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电

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流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力，用左手定则确定受力方向。转子受力，产生转矩，便为电磁转矩，方向与旋转磁通势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要nn1 F s e i T n二. 三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性时指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速n之间的函数关系。 1.机械特性的参数表达式

电磁转矩与转子电流的关系为

rsT2fp3I

''22异步机等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏抗大很多很多，把T型等值电路中励磁阻抗这一段认为是开路来计算电流，误差很小。故

'I2U1r2''2rxx121s

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代入上面的电磁转矩公式中去，得到

3pUT'221rs2r2''22fr1sx1x2

这就是机械特性的参数表达式。

2.固有机械特性

1)固有机械特性曲线

三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性，其T-s曲线如图1.5。其中曲线1为电源正相序时的，曲线2为电源负相序时的曲线。

从图1.5中可看出三相异步电动机固有机械特性不是一条直线，它具有以下特点：

（1）当0（2）在s<0范围内，n>n1，特性在第二象限，电磁转矩为负值，是制动性矩，电磁功率也是负值，是发电状态，如图1.6(a)所示。机械特性在s<0和s>0两个范围内近似对称。

（3）在s>1范围内，

n<0，特性在第四象限内，T>0，也是一种制动状态，其电磁量方向如图1.6（b）所示。

在第一象限电动状态的特性上，B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点n=n1，T=0，为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点。D点n=0，转矩为Ts，是起动点，如图1.5。

1)最大电磁转矩

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s n 1 -s m A n1 B sm C -Tm 1.0 0 Tn D Tm T Ts 2 -n 1 图 1.5 三相异步电动机固有机械特性 Bas专业培训教材 电机及拖动基础

正、负最大电磁转矩可以从参数表达式中求得，为

dT0ds

得到最大电磁转矩及最大转矩对应的转差率，分别为

1Tm23pU122'22frrxx1112

smr2''r12x1x22

式中+号用于电动机状态，—号用于发电机状态。

最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力，用λ表示为

TmTN一般三相异步电动机λ=1.6~2.2，起重、冶金用的异步电动机λ=2.2~2.8。

N e T i f n>n1 n1 f i e S n1 f e i T e i S N （a） （b） 图 1.6 三相异步电动机制动电磁转矩

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第二章 三相交流电动机调速

交流调速在工业应用中，大体上有三大领域：1.凡是能用直流调速的场合，都能使用交流调速；2.直流调速达不到的，如大容量、高转速、高电压以及环境十分恶劣的场所，都能使用交流调速；3.原来不调速的风机、泵类拖动，采用交流调速后，可以大幅度节能。

交流电动机中主要是同步电动机与异步电动机两种。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率改变其同步转速。由同步电动机、变频器及磁极位置检测器组成的电机系统，称为自控式同步电动机，改变其定子电压即可调节转速，并具有类似于直流电机的调速特性。

异步电动机的转速为

nn11s60f11sp

因此异步电动机有以下几种调速方式：

（1） （2） （3）

变级调速； 变频调速； 变滑差调速。

下面分别介绍交流电机的几种调速方法。

一.降电压调速

三相异步电动机降低电源电压的人为机械特性，其同步转速n1不变、电磁转矩T∝U2。若电动机拖动恒转矩负载，降低电源电压可以降低转速。如图2.1(a)所示，A点为固有机械特性上的运行点，B点为降低电压后的运行点，分别对应的转速为nA和nB，可见，nB若电动机拖动泵类负载，如通风机，降压调速有较好的调速效果，如图2.1(a)所示，C、D、E三个运行点转速相差很大。但是，应注意电动机在低速运行时存在的过电流及功率因数低的问题。

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如果要求电动机拖动恒转矩负载并有较宽的调速范围，则应该选用高转差率电动机，它具有如图2.1(b)所示的机械特性。实现图2.1(b)的机械特性，并不困难。对绕线式异步电动机，可以在其转子里串电阻；对鼠笼式异步电动机，可以采用电阻率高的黄铜条制成鼠笼转子。值得注意的是，这种软机械特性的电机，在高速运行时，由于转差率较普通电机高，运行效率要低一些；低速运行时，由于降低了供电电压，为了保持恒转矩负载，需要更大的电流，除降低效率外，还应注意过热的问题。此外，在低速运行时，还有另外的问题，如在图2.1(b)中的C点运行，由于机械特性很软，工作点不易稳定，即负载转矩或供电电压稍有波动，都会引起较大的转速变化，甚至无法

S n 1 2 n1 A C sm B D u2 u1 uN E n n1 A B C 0 U2 U1 UN 0 T T l (a) T

TL (b) 1—恒负载转矩 2—泵类负载

图 2.1 三相异步电动机降压调速

工作。为了提高调压调速机械特性的硬度，采用速度闭环控制系统。

二. 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速

改变转子回路串入电阻值的大小，例如转子绕组本身电阻为r2，分别串入电阻Rs1、Rs2、Rs3时，其机械特性如图2.2所示。当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩，即TL=TN，电动机的转差率由sN分别变成s1、s2、s3，如图2.2。显然，所串电阻越大，转速越低。

已知电磁转矩T为

TmI2cos2

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n A n1 B r C r2+Rs1 D r2+Rs2 Tl Tm 0 （Tl=TN） T r2+Rs3 图 2.2. 绕线式异步电动机转子串电阻调速 当电源电压一定时，主磁通φm基本是定值，转子电流I2可以维持在它的额定值工作。根据转子电流

I2I2NE2r2sN2x22E2r2rs2x2s2

从上式可以看出，转子串电阻调速时，如果保持电机转子电流为额定值，必有

r2r2rssNs

当转子回路串了电阻后，转子回路的功率因数为

sN cosscos2N222 r2rsr222x2x2ss N

可见，转子回路串电阻是属于恒转矩调速方式。这种调速方式的调速范围不大，负载小时，调速范围就更小了。调速的平滑性不好，基本上是属于有

r2rsr2 11

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级调速。

异步电动机采用降电压调速或串电阻调速时，欲扩大调速范围，必须增大转差率s。这样一来，将使转子回路总铜损耗增大，降低了电机的效率，转速越低，情况越严重。

这种调速方式多用于断续工作的生产机械上，在低速运行的时间不长，且要求调速性能不高的场合，如用于桥式起重机。

三.变频调速

三相异步电动机同步转速为

n1

60f1p因此，改变三相异步电动机的电源频率f1，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。

额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。

1.从基频向下变频调速

三相异步电动机每相电压为

U1E14.44f1W1kW1m

如果降低电源频率时还保持气隙每极磁通增加。电动机磁路本来就刚进入饱和状态，磁通增加，这是不能允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压。

n f1> f1’> f1’’> f1’’’ n1 f1 电源电压为额定值，则随着f1下降， n1’ f1’ n1’’ f1’’ n1’’’ 磁路过饱和，励磁电流会急剧增加， f1’’’ 降低电源电压U1，有两种控制方法。 T T 图 2.3 变频调速机械特性

E1f112

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在这种变频调速过程中，电动机的电磁转矩及对应的转差率为

pmpfE11TM11''12f1r2sx2sr2'22r2'sm'x2

保持恒磁通变频调速的机械特性如图2.3所示。这种调速方法于它励直流电动机降低电源电压调速相似，机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无级调速，平滑性好。另外电动机在正常负载运行时，转差率s较小，因此转差功率较小，效率较高。这种调速方式为恒转矩调速方式。

U1f1 n f1>f1’>f1’’>f1’’’ n1 f1 n1’ f1’ n1’’ f1’’ n1’’’ f1’’’ Tm 在这种变频调速过程中，电动机的最大电磁转矩为

Tm1m1pU22frr2xx'21111221

此种调速方法的机械特性如图2.4所示。其中虚线部分是恒磁通调速时Tm=常数时的机械特性。显然第二种方法不如第一种方法的机械特性，特别在低频低速时的机械特性变坏了。

T 图 2.4 保持恒磁通变频调速机械特性 2.从基频向上变频调速

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升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压不变，频率越高，磁通越低，是一种低磁通升速的方法，类似他励直流电动机弱磁升速情况。升高频率保持电压不变时，近似为恒功率调速方式。

f1’’’>f1’’>f1’>f1 n1’’’ f1’’’ n1’’ f1’’ n1’ f1’ n1 f1 Tm T 图 2.5 保持UN不变升频调速的机械特性

综上所述，三相异步电动机变频调速具有以下几个特点：

（1） 从基频向下调速，为恒转矩调速方式；从基频向上调速，近

似为恒功率调速方式；

（2） （3） （4） （5）

调速范围大； 转速稳定性好； 运行时s小，效率高；

频率f1可以连续调节，变频调速为无级调速。

四.变极调速

正常运行时，异步电动机的转差率很小，一般转差率S=0.01~0.06，故电动机的转速接近同步转速n1 而 n1=60f1/p，因此当电源频率 f1不变时，电动机的同步转速率n1与磁极对数p成反比。若磁极对数增加一倍，同步转速下降一半，电动机转速n跟随下降一半，即改变磁对数就可以调速。显然这种调速是不平滑的，只能一极一极地调节电动机转速。

异步电动机定子极对数必须与转子极对数相同才能进行工作。因此，在改变定子极对数时，转子磁极对数必须同时改变。对于绕线式异步电动机，在改变定子磁极对数的同时，转子绕组必须相应改变接法，以得到与定子相同的磁极对数，这是很复杂的，因此绕线型异步电动机一般都不采用变极调速。而鼠笼式异步电动机转子的磁极对数能自动地随着定子磁极对数的变化而变化，所以变极调速只适用于鼠笼式异步电动机。

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变极调速常用的方法是单绕组变极调速。所谓单绕组变极调速就是在定子铁芯中装一套绕组，通过改变绕组的接法来改变电动机的磁极对数和电动机的转速。

通过改变绕组接法，在一套定子绕组中得到两种转速的电动机单绕组双速电动机。这种电动机在通风机、水泵、起重机和各种切削机床中得到了广泛使用。

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第三章

三相异步电动机的启动与制动

一.异步电动机的启动性能

三相异步电动机定子绕组加上对称三相电压时，电动机从静止状态转动起来，然后逐渐升速的过程称为启动过程，简称启动。启动过程很短，通常只有几分之一秒到几秒。

1.启动性能指标

（1）启动转矩倍数 ：

ISTIN

（2）启动电流倍数：

MS1MN

（3）启动时间。 （4）启动设备。

启动转矩倍数和启动电流倍数是衡量启动性能好坏的两个主要指标。启动时，我们总是希望启动转矩较大，启动电流较小，启动时间短，启动设备简单可靠。因启动时，如果启动转矩小于负载转矩，电机无法启动，所以，总希望电动机有足够大的启动转矩，以带动生产机械较快的达到额定转速而正常工作。同时，又希望启动电流小，因启动电流大，变压器和输电线的电压降（△U=IZ）大，引起电网电压显著下降，影响接在同一母线上其他用电设备的正常工作。因此，总希望在启动电流较小的情况下能获得较大的启动转矩，但异步电动机启动电流大而启动转矩小，启动性能差。

不同的机械负载对启动转矩有不同的要求。各种机床、破碎机等是在空载情况下启动的，待转速上升到额定转速时在加负载。因此，只要电动机启动转矩大于空载转矩就可以启动。但有些生产机械常常是在满载情况下启动的，例如电梯、启重机、皮带运输等。对于这些满载启动的生产机械，当启动转矩大于负载转矩时方能启动，否则就无法工作了。还有些生产机械，如鼓风机是在轻载情况下启动的。为了满足不同生产机械对启动转矩和启动电流的不同要求，对于不同类型的电动机，针对拖动的具体负载选用不同的启动方法。

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2.启动电流和启动转矩

（一）启动电流IST

IST2=（5~8）I2n

IST1=（4~7）I1n

转子启动电流为其额定电流的5~8倍，定子启动电流为其额定电流的4~7倍。

（二）启动转矩MST

根据电磁转矩计算式可得启动转矩计算式为：

MST=CmфmI’ST2COSφ

异步电动机启动时，转子电流很大，但功率因数很底，因此启动转矩并不大，一般启动转矩为额定的0.9~0.8倍，即：

MST=（0.9~1.8）Mn

启动时，如果启动转矩等于或大于电动机轴上负载转矩ML的1.1倍，即MST≥1.1ML，电动机方可启动。

当电动机不是频繁启动时，虽然启动电流大，但由于启动时间短（一般在1~3s内完成），且启动后转速迅速升高，电流随之减小，电机不会因为启动过热而损坏。但当电动机频繁启动，由于热量的积累，可能使电机过热。因此在一般情况下，应尽量避免电机频繁启动。例如，在切削加工时，常用离合器将机床主轴与电机轴脱开，让主轴停下来更换加工工件而不停电机。

综上所述，启动电流对电动机本身影响不大，但会影响接在同一电网上其他用电设备的正常工作。因启动电流会在输电线上产生很大的电压降，影响接在同一母线上其他设备的正常工作，使接在同一母线上的电灯变暗；控制设备失常；电动机转速下降，电流增大，严重时可能使电机停转。

通过以上分析可知，异步电动机启动的主要问题是启动电流大。为了减小启动电流，在电机启动时，应根据供电系统的容量、负载的性能及电机启动的频繁程度而采用不同的方法。因此掌握启动方法是电力拖动中的一个重要问

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St2

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题。

二.三相异步电动机的各种运行状态

三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性遍布于坐标平面的四个象限。因此三相异步电动机可以运行在四个象限内的各个不同状态。

三相异步电动机若电磁转矩与转速方向一致，电动机运行于电动状态，若方向相反时，电动机运行于制动状态。制动运行状态中，又分为了回馈制动、反接制动、倒拉反转及能耗制动等。

1.电动运行

图3.1所示三相异步电动机机械特性，当电动机工作点在第一象限时，电动机为正向电动运行状态、当工作点在第三象限时，电动机为反向电动运行状态。电动运行状态下，电磁转矩为拖动性转矩。

2.能耗制动

如图3.2所示，三相异步电动机处于电动运行状态的转速为n。如果突然

n A B C K1 R’ + 1 n1 A 2 n1’ B -Tl Tl T 3 C -n1

k2 - R R R 图 3.1 三相异步电动机电动运行 图 3.2 能耗制动

切断电动机的三相交流电源，同时把直流电通入它的定子绕组，结果电源切换后的瞬间，三相异步电动机内形成了一个不旋转的空间固定磁通势。

在电源切换后的瞬间，电动机转子由于机械惯性其转速不能突变，而继续维持原逆时针方向旋转，转子受到顺时针方向的电磁转矩。

上述停车过程中，系统原来存储的动能消耗了，这部分能量主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中，与他励直流电动机的能耗制动过程相似。因此，上述过程也称为能耗制动过程。

显然，能耗制动时的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值的曲线。从图3.3中机械特性可以看出，改变直流励磁电流的大小，或者改变绕线式异步电动机转子回路每相所串的电阻

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值，都可以调节能耗制动时制动转矩的数值。

能耗制动停车过程中，电动机运行于第二象限的机械特性上。对拖动位能性恒转矩负载的三相异步电动机，进行能耗制动，则电动机拖着负载先减速到n=0时后，接着便反转，如图3.4所示。电动机最后稳定运行在第四象

n n1 4 2 3 1 n n1 B A 1 0 T -Tl1 Tl2 Tl1 0 T C 2 图 3.3 能耗制动机械特性

图 3.4 能耗制动

限的工作点C，这是能耗制动运行；这种稳态下，电动机电磁转矩>0，而转速<0。例如起重机低速（指转速绝对值比同步速小）下放重物时，经常运行在这种状态。改变直流励磁电流的大小，或改变转子回路所串电阻，均可以条机调节电动机运行转速。

3.反接制动

交流异步电动机电力拖动系统电气制动的方法除了能耗制动外，还有反接制动。

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处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动过程。如图3.5(a)所示，接触器触点K1闭和为正向

A B C K1 K2 n B n1 A 2 1 -Tl C R R R Tl T -n1 (a) 接线图 (b) 机械特性 图 3.5 三相绕线式异步电动机反接制动过程

电动运行，K1断开K2闭和，则改变了电源相序。

（b）图为拖动反抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。

如果电动机拖动负载转矩较小的反抗性恒转矩负载运行，或者拖动位能

n B n1 A 1 C T -TL1 T L2 T L1 D 2 -n1 E 图 3.6 三相绕线式异步电动机反接制动机械过程

性恒转矩负载运行，这两种情况下，如果进行反接制动停车，那么必须在降速到n=0时切断电动机电源并停车，否则电动机将会反向起动，见图3.6反接制动机械特性。

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4.倒拉反转运行

拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机，若在转子回路内串入一定值的电阻，电动机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值后，电动机还要反转，运行于第四象限，如图3.7的B点，称之为倒拉反转运行状态。这种运行状态与直流电动机倒拉反转运行的情况是一样的，也是位能性负

n n1 0 A 2 1 1 Tl2 Tl1 0 T B 倒拉反转运行 n n1 A 1 Tl2 Tl1 0 T -n1 B C 2 3 图 3.7 三相绕线式异步电动机倒拉反

转运行

图 3.8 三相异步电动机的正向

回馈制动

载倒过来拉着电动机反转。

5.回馈制动运行

正向会馈制动过程中，系统减少了动能而向电动机送入机械功率，扣除了转子回路电阻铜损耗后，变成了从转子送往定子的电磁功率，也就是回馈给电源了。

从有功功率传递的分析看出，这时的三相异步电动机实际上是一台发电机，它把系统减小的动能转变为电能送入交流电网。三相异步电动机也具有可逆性，与直流电机的情况相似。

当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，电源为负相序时，电动机运行在第四象限，如图3.8中的B点，称为反向回馈制动运行。

起重机高速放下重物时，经常采用反向回馈制动运行方式。若负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图3.8中的C点；串入电阻值越大，转速绝对值越高。

至此，三相异步电动机的电动运行、能耗制动、反接制动、倒拉反转及

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会馈制动四个象限的各种运行状态都叙述过了。下面来把各种运行状态的机械特性画到一张图中，如图3.9所示。实际的三相异步电动机电力拖动系统，由于生产机械的工艺要求，其电动机也必须经常改变运行状态而不能仅在某一种状态下运行。

正向会馈制动 n n1 A 正向电动运行 B 能耗制动过程 反接制动过程 -TL1 0 TL2 TL1 T C E 能耗制动运行 F 倒拉反转运行 D -n1 G 反向电动运行 H 反向回馈制动运行 图 3.9 三相绕线式异步电动机的各种运行状态

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第四章 直流电机的基本知识及工作原理

直流电机与交流电机一样是可逆的，可将机械能变成电能做发电机用，也可将电能变成机械能做电动机用。直流电机多用做电动机。

直流电机与交流电机相比，前者在调速性能上具有范围宽广、平滑性好和操作简便的优点，还具有较大的过载能力和较大的起动、制动力矩。它的缺点是耗费的材料和有色金属多、结构复杂、生产成本高、运行维护工作量大等。虽然它有如上缺点，但在某些具有特殊要求的生产机械中还必须由直流电机拖动，如电力牵引、起重设备、大型机床、造纸机、轧钢机等都广泛采用直流电机拖动。

直流发电机做为直流电源，过去广泛应用在冶炼、电解、电镀和充电等设备中，随着可控硅整流技术的日益发展，直流发电机将逐渐被可控硅整流设备取代。

一．直流电机的结构和铭牌

1．结构

直流电机是一种旋转电器。通常，把产生磁场的部分做成静止的，称为定子；把产生感应电势或电磁转矩的部分做成旋转的，称为转子（又叫电枢）。定子由主磁极、换相磁极、机座、端盖和电刷装置等组成。转子由铁芯、绕组、换相器、转轴和风扇等组成。

1.1定子部分

（1）主磁极。它的作用是产生主磁通。主磁极由铁芯和激磁绕组组成。铁芯包括极身和极靴两部分，极靴的作用是支撑激磁绕组和改善气隙磁通密度的波形。铁芯通常采用0.5~1.5mm厚的硅钢片或低碳钢板叠装二成，以减少电机旋转时因极靴表面磁通密度变化产生的涡流损耗。

（2）换相极。它又叫附加极，用于改善电机的换向，准确的装在相邻主磁极间的几何中心线上，其几何尺寸明显小于主磁极。

（3）机座和端盖。机座的作用是支撑电机、构成相邻磁极的通路，机座一般用铸钢或钢板焊成。机座的两端各有一个端盖，用于保护电机和防止触电。

（4）电刷装置。它的作用是使电枢绕组与外电路相连通。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷组个数通常与主磁极个数相同。

1.2转子部分

电机中产生感应电势或电磁转矩的部分称为电枢，故直流电机的转子又叫电枢。

（1）电枢铁芯。它的作用是构成电机磁路和安放电枢绕组。为减少磁滞和涡流损耗，电枢铁芯采用05mm厚的硅钢片叠压而成，为了加强散热能力，

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在铁芯的轴向留有通风孔。

（2）电枢绕组。它是产生感应电势或电磁转矩的。电枢绕组由绝缘通丝在专用的模具上制成一个个单独元件，然后嵌入铁芯槽中，每个元件的端头按一定的规律分别焊接到换向片上。

（3）换向器。换向器又叫整流子。对于发电机，它将电枢元件中的交流电变为电刷间的直流电输出；对于电动机，它将电刷间的直流电变为电枢元件中的交流电输入。

1.3铭牌

为正确使用电机，使电机在既安全又经济的情况下运行，电机在外壳上都装有一个铭牌，上面标有电机的型号和有关物理量的额定值。

1．型号

直 流 电 动 机 型号 z2-92 励磁方式 并激 功率 30kw 激磁电压 220V 电压 220v 工作方式 连续 电流 160.5A 绝缘等级 B级 型号表示的是电机的用途和主要的结构尺寸。 2．额定值

铭牌中的额定值有额定功率、额定电压、额定电流和额定转速等。额定值是指按规定的运行方式，在该数值情况下运行的电机既安全又经济。

对于发电机，额定功率是指电刷间输出的电功率，它等于额定电压Un乘以额定电流In的乘积

Pn=UnIn

对于电动机，额定功率是指转轴输出的机械功率，它等于额定电压Un乘以额定电流In再乘以额定效率ηn

Pn= UnInηn

电机运行时，当各物理量均处于额定值时，电机处于额定状态运行；若电流超过额定值叫过载运行；电流小于额定值叫欠载运行。电机长期过载或欠载运行都是不好的，应尽量使电机靠近额定状态运行。

二.直流电动机运行原理

从原理上讲，一台电机无论是直流电机还是交流电机，都是在某一种条件下作为发电机运行，而在另一种条件下作为电动机运行，并且这两种状态可以相互转换。这称为电机的可逆原理。 1．他励直流电动机稳态运行的基本方程

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Ea=Ceφn

U=Ea+IaRa

T=CTφIa

T=TL

If=Uf/Rf

φ=f(If、Ia)

以上方程式中前四个最为重要，是分析它励直流电动机各种特性的依据。还应该特别注意的是，采用那种正方向的惯例，都不影响对电机运行状态的分析。采用发电机惯例是电机可能运行在发电机状态也可能运行在电动机状态或其他状态，运行状态是取决于负载的性质及电机的参数，当然采用电动机惯例也是这样。

2．直流电动机的工作特性 1）转速特性

当U=UN，If=IfN时，n=f（Ia）的关系就称为转速特性。额定励磁电流的定义是，当电动机电枢两端加额定电压拖动额定负载时的励磁电流。 如果忽略电枢反应的影响，当Ia增加时，转速n要下降。不过因Ra较小，转速下降的不多，如图4.1所示。

n,T η η T 0 I0 n 图 4.1 他励直流电动机的工作特性

2）转矩特性

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当U=UN，If=IfN时，T =f（Ia）的关系就称为转矩特性。当气隙每极磁通为额定值时，电磁转矩与电枢电流成正比。如果考虑电枢反应有去磁效应，随着电枢电流的增大，电磁转矩要略微减小，如图4.1所示。 3）效率特性

当U=UN，If=IfN时， fIa的关系就称为效率特性。

总损耗中，空载损耗不随负载电流的变化而变化，电枢回路总铜耗随负载电流的平方成正比变化，曲线图如图4.1所示。

三.他励直流电动机机械特性

他励直流电动机机械特性是指电动机加上一定的电压和一定的励磁电流时，电磁转矩与转速间的关系。

它励直流电动机的机械特性 1．机械特性的一般表达式

他励直流电动机机械特性的一般表达式如下：

nn0T

式中n0称为理想空载转速； β 是机械特性的斜率。 2．固有机械特性

当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，这种情况下的机械特性，称为固有机械特性。固有机械特性曲线如图4.2

n n0 nN N 0 TN ∫∫ Ts T 图 4.2 它励直流电动机固有机械特性 所示。

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3．人为机械特性

他励直流电动机的主要参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。主要人为机械特性有三种。 1）电枢回路串电阻的人为机械特性

电枢加额定电压，每极磁通量为额定值，电枢回路串入电阻后，机械特性表达式为：

nRRUaT2CeNCeCTN

电枢串入电阻值不同时的人为机械特性如图4.3所示。

n n0 RRa+R1 Ra+R2 0 图 4.3 电枢串电阻人为机械特性 T

2）改变电枢电压的人为机械特性 保持每极磁通量为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性表达式为：

n n0 n01 UN U1 0 U=0 -n0 图4.4改变电枢电压人为机械特性 n

RaUT2CeNCeCTNT 电压的绝对值大小不能比额定值高，否则绝缘承受不住，但电压可以改变方向。改变电压的大小及方向的人为机械特性如图4.4所示。

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-UN Bas专业培训教材 电机及拖动基础

3）减少气隙磁通量的人为机械特性

减少气隙磁通量的方法是用减小励磁电流来实现的。电枢电压为额定值不变，电枢回路不串电阻，仅改变每极磁通量的人为机械特性表达式为：

RaUnT2CeCeCT显然磁通越小，理想空载转速越高，而机械特性越倾斜。改变每极磁通的人为机械特性如图4.5所示。

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n n01 n0 Ф1 ФN 0 图 4.5 减少每极磁通人为机械特性 T Bas专业培训教材 电机及拖动基础

参考文献

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[7] 杨渝钦主编，控制电机，机械工业出版社，1981

图形附录：

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