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1、第5章 电动机与拖动系统5.1 5.1 异步电动机异步电动机5.1.1 5.1.1 异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理 1旋转磁场在异步电动机的三相定子绕组中通入三相交变电流后，它们合成的磁场是一个旋转磁场，磁场旋转的转速(即同步转速)n0可用下式表示：(5-1)式中 fI 电流的频率；p 旋转磁场的磁极对数。如果频率调节成fx，则同步转速n0 x也随之调节成 (5-2)这就是变频调速的理论依据。变频器原理与应用第4章第5章 电动机与拖动系统2异步电动机的工作原理 图5-1所示为异步电动机的工作原理。定子通入交流电电流后形成旋转磁场切割转子绕组，由右手定则可判断转子绕组中的感生电流方向。
2、载流的转子绕组在磁场中受到电磁力的作用就形成电磁转矩T，根据左手定则可判断T的方向。在T的作用下转子就跟随定子的旋转磁场旋转起来。图5-1 异步电动机的工作原理 变频器原理与应用第4章3异步电动机的转速及转差率 只有旋转磁场和转子绕组之间存在相对运动，转子绕组才能切割磁力线，进而产生感应电流和形成电磁转矩。因此转子转速n与旋转磁场转速n0之间一定存在着一个差值，我们称之为转差，用n表示，即 (5-3)异步电动机的实际转速为n，n总是小于n0，异步电动机的“异步”正是来源于此。转差n0n与同步转速n0的比值称为转差率，用s表示，即 (5-4)由上式可推导出异步电动机的转速n的表达式为 (5-5)
3、变频器原理与应用第4章5.1.2 5.1.2 异步电动机的铭牌参数异步电动机的铭牌参数 1.额定电压UN：指电动机在额定情况下运行时，外加于定子绕组上 的线电压。2.额定频率fN：指使用交流电源的频率，我国规定为50Hz。3.额定功率PN：指在额定电压、额定频率下运行时，电动机轴上能够长期、安全、稳定输出的最大机械功率。4.额定电流IN：指在额定电压、额定频率下运行时，电动机定子绕组中能够长期、安全、连续通过的最大线电流。5.额定转速nN：指在额定电压、额定电流和额定频率下运行时电动机的转速。6.额定功率因数cosN：指在额定电压、额定电流状态下运行时电动机的功率因数。7.额定温升N：指电动机
4、在额定工作状态下允许的温度升高值。变频器原理与应用第4章3.电动机的工作制（1）连续工作制 连续工作制是指电动机所带的负载可以在足够长的时间内连续运行。电动机的温升足以达到稳定温升值。属于这类负载的有鼓风机、水泵等。（2）断续工作制 断续工作制是指电动机所带的负载是时而运行、时而停止，在运行期间，电动机的温升不足以达到稳定温升；在停止期间，温升也不足以降到0。属于这类负载的有起重机械等。（3）短时工作制 电动机所带的负载每次运行的时间很短，在运行期间，电动机的温升达不到稳定值；而每两次运行之间的间歇时间很长，在此期间，电动机的温升足以下降到0。变频器原理与应用第4章5.1.3 5.1.3 变频
5、运行有效输出值变频运行有效输出值 当电动机处于变频运行状态，频率调节到fx时，电动机的外加电压也会发生改变，此时的电动机已不是在额定情况下运行，也就不能再用额定功率PN和额定转矩TN等额定值来衡量电动机的带负载能力，我们将电动机在任意频率fx下能够长期、安全、稳定输出的功率和转矩称作有效功率和有效转矩。变频器原理与应用第4章5.1.4 5.1.4 电动机容量的选择原则电动机容量的选择原则 从发热方面来看，选择电动机的原则是：电动机在运行时的稳定温升不能超过其允许温升。对于连续工作的负载来说，由于电动机在运行期间能够到达稳定温升，因此不允许电动机过载。对于断续、短时工作的负载来说，由于电动机在运
6、行期间并不能到达稳定温升，因此在电动机的温升不超过其允许温升的前提下，允许电动机短时间过载，在选择电动机容量时，可以选择容量较小的电动机。变频器原理与应用第4章异步电动机折算后的等效电路 图5-3 异步电动机折算后的等效电路 变频器原理与应用第4章2.2.定子和转子的电动势平衡方程式定子和转子的电动势平衡方程式（1）定子侧的电动势平衡方程式 (5-8)由于E E1和I I（r1+jx1）用来平衡电源电压U U1，而在额定频率下I I（r1+jx1）占的比例很小，可忽略，所以电压和电动势的有效值近似相等：U1 E1（2）转子电动势平衡方程式 E E2=I I2RL+I I2r2+jI I2x2
7、(5-9)如果将上式乘以I I2，E E2I I2为通过气隙传送到转子上的电磁功率，I I22RL为转子轴上输出的总机械功率，I I22r2为转子铜耗，由于转子铜耗所占的比例很小，所以转子的功率绝大部分都转换成了机械功率。(3)电流方程 I I1=-I I2+I I0 (5-10)变频器原理与应用第4章2.电磁转矩的表达式电磁转矩的表达式 电磁转矩的表达式 1)电磁转矩基本公式 （5-16）式中 PM的单位为kW；n的单位为rmin；T的单位为Nm。2)电磁转矩的物理表达式 (5-17)式中 CT 转矩常数；M主磁通。3)电磁转矩的参数表达式 (5-18)式中 p 磁极对数；U1 电源的相电压
8、；f1x 电源频率。变频器原理与应用第4章5.2.25.2.2电动机运行电动机运行 1电动机稳定运行状态 当电动机稳定运行时：T=TL。2.电动机工作点的动态调整过程由于负载波动使负载转矩增大为TL。此时电磁转矩TTL，电动机将减速。转速的下降又使电动机的电磁转矩增大，当T=TL时，转速不再下降，电动机在图5-7中的C点稳定运行，即 T TLnTT=TL 图5-6 稳定运行时的机械特性曲线 变频器原理与应用第4章5.2.25.2.2电动机运行电动机运行 3.异步电动机的起动 电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，叫做起动过程。电动机起动时起动电流很大，可以达到额定电流的57倍，而起动转矩T
9、st却并不很大，一般Tst(1.82)TN。4.异步电动机的制动 电动机在工作过程中，如电磁转矩方向和转子的实际旋转方向相反，就称作制动状态。制动有再生制动、直流制动和反接制动。（1）再生制动 当转子转速n超过旋转磁场转速n0，此时旋转磁场切割转子绕组的方向与电动状态时相反，电磁转矩T就变成了制动转矩。实例有：起重机械在重物下降时，重物的重力加速度可能使电动机的转速超过同步转速。（2）直流制动 直流制动也叫能耗制动，是在定子绕组中通入直流电流，使电动机产生一个制动转矩。变频器原理与应用第4章5.3 5.3 负载负载的机械特性的机械特性 5.3.1 5.3.1 恒恒转转矩矩负载负载 恒转矩负载是
10、指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关的负载。带式输送机和起重机械都是恒转矩负载的典型例子。a)b)图5-11 恒转矩负载的机械特性和功率特性 a)机械特性 b)功率特性 变频器原理与应用第4章5.3.1 5.3.1 恒恒转转矩矩负载负载 恒转矩负载的基本特点 1)恒转矩 由于F和r都和转速的快慢无关，所以在调节转速nL的过程中负载的阻转矩TL保持不变，即具有恒转矩的特点：TL 常数 2)负载功率与转速成正比 根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系，有：(5-26)变频器原理与应用第4章5.3.2 5.3.2 恒功率恒功率负载负载 恒功率负载是指负载转矩TL
11、的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。属于这类负载的有：1）各种卷取机械 2）轧机在轧制小件时用高速轧制，但转矩小；轧制大件时轧制量大需较大转矩，但速度低，故总的轧制功率不变。3）车床加工零件，在精加工时切削力小，但切削速度高；相反，粗加工时切削力大，切削速度低，故总的切削功率不变。a）机械特性 b)功率特性图5-13 恒功率负载的机械特性和功率特性变频器原理与应用第4章恒功率负载的特点恒功率负载的特点 （1）功率恒定 恒功率负载的力F必须保持恒定，且线速度v保持恒定。所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定：PL=F v常数 （2）负载阻转矩的大小与转速成反比 负载阻转矩的大小决
12、定于：TL=F r (5-27)式中 F 卷取物的张力；r 卷取物的卷取半径。根据负载的机械功率PL和转矩PL、转速nL之间的关系，有：(5-28)即，负载阻转矩的大小与转速成反比。变频器原理与应用第4章5.3.3 5.3.3 二次方律二次方律负载负载 二次方律负载机械在低速时由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，负载转矩TL和功率PL可用下式表示：(5-29)(5-30)式中 T 0、P 0 分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；KT、KP 分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数变频器原理与应用第4章5.4.2 5.4.2 传动传动机构
13、的作用及系机构的作用及系统统参数参数 1.传动比 大多数的传动机构都具有变速的功能，如图5-17所示。图5-17 电动机与负载的联接 变速的多少由传动比来衡量,常用表示：(5-31)式中 nmax 电动机的最高转速；nLmax 负载的最高转速。2.拖动系统的参数折算 TMTL nLnM 1 变频器原理与应用第4章本本 章章 小小 结结 异步电动机的转速n的表达式为：可见改变f1即可实现电动机的速度调节。由于电动机结构参数及其所带负载的特性对变频器的正常工作有着极大的影响，所以应掌握以下的原理与概念：1.异步电动机运行时定子、转子电动势平衡方程，电流方程及功率传递过程。2.异步电动机的机械特性，调速时的机械特性。3.电动机的制动方式。4.电动机的工作制及容量选择。5.负载类型，恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点和对应的机械特性。6.了解电力拖动系统的构成和传动机构的作用。变频器原理与应用第4章