机电设备传动与控制(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：贾贵玺

出版社：机械工业出版社

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机电设备传动与控制试读：

前言

本书作者是多年从事机电控制教学的资深教师，具有丰富的教学与实践经验，本书所有内容都经过作者精心选编，具有很强的实用性和指导性。本书力求做到讲述清楚、语言流畅、图文并茂、便于自学、理论和实践并重。

为了适应教学和自学的要求，本书在编写过程中，遵循少而精的原则，具有以下特色：

①精选内容，突出基本要求。对基本概念、基本原理和基本方法的阐述简明，使自学者对机电设备控制技术的基本理论、基本知识和基本技能有明确、系统的认识。

②在概念阐述上避免过深的论述，通过例题讲解使自学者加深对机电设备工作原理及其控制技术的理解。

③本书每章都有小结，便于自学者复习和总结；并配有足够数量的思考题与习题供自学者练习。

本书由贾贵玺任主编，其中，第1～5章由贾贵玺编写，第6、7章由贾亦真编写，第8章由肖宝兴编写。

由于编者水平有限，书中难免存在一些不足之处，恳请读者批评指正，以便进一步修改和完善。编者2015年12月

第1章 电动机

电机是实现电能与机械能相互转换的机电设备。将机械能转换成电能的电机称为发电机，将电能转换成机械能的电机称为电动机。

在现代化生产中广泛使用电动机拖动各种生产机械。

电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机的特点是调速性能好，起动转矩大，适用于对调速性能要求高或需要起动转矩大的生产机械，如起重机、电力机车、大型龙门刨床、轧钢机等。直流电动机需要由直流电源供电。

交流电动机有同步电动机和异步电动机两种。同步电动机的特点是转速恒定，其转速与交流电源的频率同步，不受电源电压和负载变化的影响。同步电动机的另一特点是运行功率因数可调。因此同步电动机适用于需要转速恒定、功率较大、长期工作的生产机械，如通风机、水泵等。直流电动机和同步电动机的结构都比较复杂，运行和维护工作量大。

1.1 三相异步电动机

异步电动机又称为感应电动机，它具有结构简单、制造容易、价格低廉、维护方便等优点，因此，大多数生产机械都采用异步电动机拖动，尤其是三相异步电动机的使用最为广泛。近年来，随着交流变频调速技术的不断发展，使得异步电动机的调速性能有了很大提高，完全可以和直流电动机相媲美。据统计，目前在电力拖动中90%以上采用的是异步电动机，在电力系统总负荷中，三相异步电动机占50%以上，因此，本节重点介绍三相异步电动机。

1.1.1 三相异步电动机的结构

三相异步电动机的结构分为定子和转子两大部分。图1-1为三相异步电动机的结构。定子由机座、定子铁心、定子绕组和端盖等部件组成。定子铁心一般用厚0.5mm的环形硅钢图1-1 三相异步电动机的结构

片叠成，呈圆筒形，固定在机座里面。在定子铁心的内圆侧冲有间隔均匀的槽，如图1-2所示。定子三相绕组对称地嵌放在这些槽中，这对称三相绕组的首、末端U、U，V、V，W、W分别引出，接121212到机座的接线盒上，如图1-3a所示。根据电动机额定电压和供电电源电压的不同，可以用短接铜排将三相定子绕组的联结方式定为三角形联结，如图1-3b所示；也可以为星形联结，如图1-3c所示。图1-2 定子和转子铁心图1-3 三相定子绕组的联结方式

端盖固定在机座上，端盖中央孔上装有轴承，支撑转子。转子拖动机械负载。

转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成，转子铁心也用硅钢片叠成，转子铁心固定在转轴上，呈圆柱形，外圆侧表面冲有均匀分布的槽，见图1-2，槽内嵌放转子绕组。转子绕组有笼型和绕线型两种。

笼型转子绕组的制作方法有两种：一种是将铜条嵌入转子铁心槽中，两端用铜环将铜条一一短接构成闭合回路，如图1-4a所示。另一种方法是将熔化的铝液浇铸到转子铁心槽内，并同时铸出两端短路环和散热风扇叶片，如图1-4b所示。后一种制造方法成本较低，中小型笼型异步电动机转子一般都采用铸铝法制造。图1-4 笼型转子绕组

绕线转子绕组的结构如图1-5所示。它同定子绕组一样，也是三相对称绕组。转子绕组为星形联结，即三相绕组的末端接在一起，三个始端分别接到彼此相互绝缘的三个铜制集电环上。集电环固定在转轴上，并与转轴绝缘。集电环随轴旋转，与固定的电刷滑动接触。电刷安装在电刷架上，电刷的引出线与外接三相变阻器连接。通过集电环、电刷将转子绕组与外接变阻器构成闭合回路。后面会讲到，绕线转子异步电动机可以通过调节外接变阻器改变转子电路电阻，达到改变电动机运行特性的目的。图1-5 绕线转子绕组的结构

1.1.2 三相异步电动机的工作原理

为了便于理解三相异步电动机的转动原理，先假设用一对旋转着的永久磁铁作为旋转磁场，如图1-6所示。设这个两极磁场顺时针方向旋转，旋转磁场中间是简化的、只有一匝绕组的转子，闭合的转子绕组受到旋转磁场的切割，在转子绕组中会产生感应电动势，由于转子绕组是闭合回路，所以在感应电动势的作用下出现感应电流，感应电流的方向如图1-6中所示。图中☉表示电流从该端流出，Ⓧ表示电流从该端流入。感应电流同旋转磁场相互作用产生电磁力F，电磁力的方向根据左手定则判定，在电磁力的作用下转子和旋转磁场同方向旋转。但是转子速度必然低于旋转磁场的转速，否则，转子绕组不受旋转磁场切割而不能产生感应电动势和电流，当然也就不能产生电磁力和转矩。通常称旋转磁场的转速为同步转速n，转子的转速即异步电1动机的转速为n。图1-6 异步电动机的工作原理

三相异步电动机的旋转磁场是由三相交流电产生的。当给三相异步电动机的定子绕组通入三相对称电流后，随电流变化会合成产生一空间旋转磁场。

一、一对极（两极）的旋转磁场

一对极（两极）三相异步电动机的每相定子绕组只有一个线圈，这三个线圈的结构完全相同，对称地嵌放在定子铁心线槽中，绕组的首端与首端、末端与末端都互相间隔120°，如图1-7所示。为了清楚起见，三相对称绕组每相只用一匝线圈表示。设三相绕组为星形联结，如图1-8所示。当三相绕组的首端接通三相交流电源时，绕组中的三相对称电流分别为

i=IsinωtL1m

i=Isin（ωt-120°）L2m

i=Isin（ωt+120°）L3m图1-7 三相异步电动机绕组图1-8 三相对称绕组

其波形如图1-9所示。其中T为电流的周期。设从线圈首端流入1的电流为正，从末端流入的为负，则在t～t各瞬间三相绕组中的电14流产生的合成磁场如图1-9所示。对照图1-9与图1-10分析如下：

在t时刻，即ωt=90°时，1用右手螺旋法则判定，三相电流产生的合成磁场为一个两极磁场，如图1-10a所示。

经过的时间，在t时刻，即ωt=210°时，i=I，2L2m，三相电流产生的合成磁场如图1-10b所示。此刻两极磁场在空间的位置较ωt=90°时沿顺时针方向旋转了120°。图1-9 三相对称电流波形图1-10 三相电流产生的旋转磁场（一对磁极）

再经过的时间，在t时刻，即ωt=330°时，i=I，3L3m，三相电流产生的合成磁场如图1-10c所示。两极磁场较ωt=210°时又沿顺时针方向旋转了120°。再经过的时间，在t时刻，两极磁场沿顺时针方向又转到图1-10a4所示的位置。

可见，三相电流经过一个周期，相位变化了360°，产生的合成磁场在空间也旋转了一周；磁场旋转的速度与电流的变化同步。

上述每相绕组节距（即每个绕组首、末端之间的几何角）为180°几何角，产生的旋转磁场是一对极（两极）磁场。其转速为

式中，f为定子电流的频率；n的单位为转/分（r/min）。11

从图1-10中还可以观察到旋转磁场的旋转方向与通入定子三相绕组的电流相序有关。设将电流i从U相线圈的U端通入，i、i分别L11L2L3从V端和W端通入，相序的排列顺序为顺时针方向，磁场顺时针方11向旋转；反之，磁场逆时针方向旋转。

二、同步转速与磁极对数的关系

若绕组采用90°几何角的节距，每相绕组由两个线圈串联组成，线圈的首端与首端，末端与末端都互隔60°几何角。给三相绕组通入三相对称正弦电流，则可产生两对极（四极）的旋转磁场，如图1-11所示。两对极的磁场旋转一周需要2T时间，旋转的速度为1图1-11 三相电流产生的磁场（两对磁极）

同理，节距为60°的几何角的三相对称绕组，通入三相对称正弦电流，可以产生三对极（六极）的旋转磁场。三对磁极的旋转磁场旋转一周需要3T时间，依次类推，p对磁极的旋转磁场旋转一周需要1pT时间。所以，同步转速的表达式为1

在工频f=50Hz时，同步转速n与磁极对数p的关系见表1-1。11表1-1 工频下同步转速n与磁极对数p的关系1

三、转速与转差率

如前所述，异步电动机的转子绕组受到旋转磁场的切割时，产生电磁转矩，使电动机转动起来。因此，异步电动机的转速n必然低于同步转速n，即n＜n。11

异步机的同步转速n与转速n之差Δn称为转差，即1

Δn=n-n （1-2）1

转差Δn与同步转速n的比值称为转差率s，即1

转速n=（1-s）n （1-4）1

在电动机起动瞬间，电动机的转速n=0，即s=1。随着转速的提高，转差率s减小。正常运行时，异步电动机的转差率s在0与1之间，即0＜s≤1。一般异步电动机的额定转速n很接近同步转速n，所以N1额定转差率s数值很小，在0.01～0.06之间。N

转差率s是异步电动机的一个重要参数，在分析电动机的运行特性时经常用到。

1.1.3 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性

一、等效电路参数

在三相异步电动机中，旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势E为1

E=4.44fNΦ （1-5）111

式中，f为定子电流频率；N为定子每相每极绕组的等效匝数；11Φ为旋转磁场每个磁极的磁通。

正常工作时，定子绕组阻抗上的电压降很小，可以忽略，故E1约等于电源电压U。在电源电压U和频率f不变时，Φ基本保持不变。111

旋转磁场通过转子绕组产生的感应电动势E为2

E=4.44fNΦ （1-6）222

式中，N为转子绕组每相每极匝数；f为转子电流频率。f与转222差率s有关，因为旋转磁场是以转差Δn=n-n的速度切割转子绕组的，1所以

转子的每相绕组的等效电抗

X=2πfL=2πsfL （1-8）22212

也和转差率s有关。

在n=0，s=1，即转子静止不动时，f=f，转子感应电动势最21大，用E表示，有20

E=4.44fNΦ （1-9）2012

此时的转子等效电抗也最大，表示为X，有20

X=2πfL （1-10）2012

则

E=4.44sfNΦ=sE （1-11）21220

X=2πsfL=sX （1-12）21220

于是，可以得到转子绕组中的电流为

式中，R为转子每相绕组的等效电阻。2

转子电路的功率因数λ为2

I、λ随转差率s变化的关系曲线如图1-12所示。22

二、电磁转矩

三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的。可以证明，转矩T与磁通Φ及转子电流I的关系为2

T=CΦIcosφ （1-15）22

式中，C为与电动机结构有关的常数；Φ为旋转磁场每极磁通；I为转子电流有效值；λ=cosφ为转子电路功率因数；T的单位为牛·222米（N·m）。图1-12 I、λ随转差率s变化的关系曲线22

将式（1-13）和式（1-14）代入式（1-15），整理后得

又因为

所以（当电源频率f一定时，C为一常数。）可见，三相异步电动机的1T电磁转矩不仅与转差率s、转子电路参数R和X有关，而且还与电源22电压U的二次方成正比。因此，电源电压的波动对电动机的转矩影1响很大。这是异步电动机的不足之处。

当电源电压U和频率f一定，且电动机参数不变时，异步电动机11转矩T与转差率s的关系T=f（s）称为转矩特性，其曲线如图1-13所示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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