&Copyright (C) . &&基于FreeBSD及云计算. &&鄂ICP备号-2.第1节 三相异步电动机的工作原理
一、旋转磁场
1. 旋转磁场的产生
三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组AX，BY和CZ。设将三相绕组联接成星形，接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流。
i A = I m sin⁡(ωt) i B = I m sin⁡( ωt&120° ) i C
= I m sin⁡( ωt+120° )
图8-1-1-1 定子三相对称绕组与电流
其波形如图8-1-1-1所示。取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其值为负，其实际方向与参考方向相反。
在 ωt＝0 的瞬间，定子绕组中的电流方向如图8-1-1-1所示。这时 i A =0 ； i B
为负，其方向与参考方向相反，即自Y到B； i C
为正，其方向与参考方向相同，即自C到Z。将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。在图8-1-1-2中，合成磁场轴线的方向是自上而下。
图8-1-1-2 ωt＝0 时，三相电流产生的旋转磁场(p＝1)
图8-1-1-3 ωt＝6 0 ° , 120 ° , 180 ° 时，三相电流产生的旋转磁场(p＝1)
由上可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。
2. 旋转磁场的转向
在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为 A→B→C
，因此磁场的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关。
如果将同三相电源联接的三根导线中的任意两根的一端对调位置(例如对调了B与C两相)，则电动机三相绕组的B相与C相对调(注意：电源三相端子的相序未变)，旋转磁场因此反转（如图8-1-1-4所示）。
图8-1-1-4 旋转磁场的反转
3. 旋转磁场的极数
三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。如定子绕组安排得如图8-1-1-5那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间相差60o空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即P＝2，如图8-1-1-6所示。
图8-1-1-5 产生四极旋转磁场的定子绕组
图8-1-1-6 三相电流产生的旋转磁场(p=2)
同理，如果要产生三对极，即 p＝3
的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40o（= 120 o p
）空间角。
4. 旋转磁场的转速
至于三相异步电动机的转速，它与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速取决于磁场的极数。在一对磁极的情况下，当电流从
ωt＝0 到 ωt＝ 60 o
经历了60o时，磁场在空间也旋转了60o。当电流交变了一次（一个周期）时，磁场恰好在空间旋转了一圈。设电流的频率为
f 1 ，即电流每秒钟交变 f 1 次或每分钟交变 60 f 1 次，则旋转磁场的转速为 n 0 ＝60 f 1
。转速的单位为转每分（r／min）。
在旋转磁场具有两对磁极的情况下，当电流也从 ωt＝0 到 ωt＝ 60 o
经历了60o时，而磁场在空间仅旋转了30o。就是说，当电流交变了一次时，磁场仅旋转了半转，比
p＝1 情况下的转速慢了一半，即 n 0 = 60 f 1 2 。
由此推知，当旋转磁场具有 对极时，磁场的转速为
n 0 = 60 f 1 p (8&1&1&1)
因此，旋转磁场的转速 n 0 决定于电流频率 f 1
和磁场的极对数 p ，而后者又决定于三相绕组的安排情况。对某一异步电动机讲， f 1 和 p
通常是一定的，所以磁场转速 n 0 是个常数。
二、电动机的转动原理
电动机是一种把电能转换成机械能的电气设备，如接通电源，其转子便带动生产机械一同旋转。图8-1-1-7是异步电动机工作原理示意图，当定子绕组通以三相对称电流后，产生的合成磁场是两极旋转磁场，并以
速度按顺时针方向旋转。静止的转子导体因切割磁力线而产生感应电动势。由于旋转磁场是顺时针旋转，相当于转子导体以逆时针切割磁力线，用右手定则确定转子上半部导体中感应电动势方向是从里向外，用
⊙ 表示，转子下半部导体中感应电动势方向是从外向里，用 &
表示。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。该电流与旋转磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力。电磁力的方向可应用左手定则来确定。由电磁力产生电磁转短，转子就转动起来。由图8-1-1-7可见，转子转动的方向和磁极技转的方向相同。当旋转磁场反转时，电动机也跟着反转。
图8-1-1-7 产生四极旋转磁场的定子绕组
三、转差率
电动机转速 n 总是小于旋转磁场的转速 n 0
。如果两者相等，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁通就不能切割转子导条，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。这样，转子就不可能继续以
n 0 的转速转动。因此，转子转速与磁场转速之间必须要有差别，这就是异步电动机名称的由来。而旋转磁场的转速 n 0
常称为同步转速。
我们用转差率 s 来表示转子转速 n 与磁场转速 n 0 相差的程度，即
s= n 0 &n n 0 或 s= n 0 &n n 0 &100％ (8&1&1&2)
式(8-1-1-2)也可写为
n=(1&s) n 0 (8&1&1&3)
异步电动机在起动瞬间，因转子转速 n=0 ，所以 s=1 ，这时转差率最大。
第2节 三相异步电动机的电路分析
一、定子电路
旋转磁场以同步转速在空间旋转，同时与定子绕组和转子绕组交链。由于定子绕组是静止的，在定子电路产生的感应电动势频率就是电源频率。与变压器原边电路分析相似，感应电动势的有效值为
E 1 = K 1 &4.44 f 1 N 1 φ m (8&2&1&1)
式中，K1为定子绕组系数，是考虑定子绕组在空间位置不同而引入的系数； Φ m
是通过每相绕组的磁通最大值，在数值上它等于旋转磁场的每极磁通；N1为定子绕组每相的匝数；f1为电源频率。
和变压器一样，也可得出
U 1 & ≈& E & 1
E 1 = K 1 4.44 f 1 N 1 Φ m ≈ U 1 (8&2&1&2)
由式（8-2-1-2）可知，当电源电压、频率不变时，磁通最大值是基本不变的。
因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以
f 1 = p n 0 60 (8&2&1&3)
即等于电源或定子电流的频率。
二、转子电路
1. 转子频率 f 2
因为旋转磁场和转子间的相对转速为（ n 0 &n ），所以转子频率
f 2 = p( n 0 &n ) 60 (8&2&1&4)
式（8-2-1-4）也可写成
f 2 = ( n 0 &n ) n 0 & p n 0 60 =s f 1
可见转子频率 f 2 与转差率 s
有关，也就是与转速 n 有关。
2. 转子电动势E2
转子电动势 e 2 的有效值为
E 2 =4.44 f 2 N 2 Φ m ＝4.44s f 1 N 2 Φ m
在 n=0 ，即 s=1 时，转子电动势为
E 20 ＝4.44 f 1 N 2 Φ m (8&2&1&7)
这时，转子电动势最大。
由上两式可得出
E 2 =s E 20 (8&2&1&8)
可见转子电动势 E 2 与转差率 s 有关。
3. 转子感抗X2
转子感抗 X 2 与转子频率 f 2 有关，即
X 2 =2π& f 2 L σ2 =2π&s f 1 L σ2 (8&2&1&9)
在 n=0 ，即 s=1 时，转子感抗为
X 20 =2π& f 1 L σ2 (8&2&1&10)
这时 f 2 = f 1 ，转子感抗最大。
由上两式可得出
X 2 =s X 20 (8&2&1&11)
4. 转子电流I2和转子电路的功率因数 COS ϕ 2
转子每相电路的电流和转子电路的功率因数可由下列公式得出，即
I 2 = E 2 R 2 2 + X 2 2 = s E 20 R 2 2 + (s X 20
) 2 (8&2&1&12)
cos⁡ ϕ 2 = R 2 R 2 2 + X 2 2 = R 2 R 2 2 + ( s X
20 ) 2 (8&2&1&13)
图8-2-1-1 I2及 cos⁡ ϕ 2 与s的关系曲线
由上述分析可知，异步电动机在运行过程中，其物理量参数均是转差率s的函数。转子电流I2及功率因数 cos⁡
ϕ 2 与转差率s的关系曲线如图8-2-1-1所示。
第3节 三相异步电动机的转矩与机械特性
电磁转矩T（以下简称转矩）是三相异步电动机的最重要的物理量之一，机械特性是它的主要特性。
一、电磁转矩特性（T-s曲线）
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而产生的。但因转子电路是感性的，转子电流比转子感应电动势滞后
ϕ 2 角。故电动机转轴上的电磁转矩应是旋转磁场磁通 Φ m 与转子电流的有功分量 I 2 cos⁡ φ 2
成正比。所以电磁转矩表达式为
T= K T φ m I 2 cos⁡ φ 2 (8&3&1&1)
式中 K T 为与电动机结构有关的常数， Φ m 为旋转磁场每极磁通， I 2 为转子电流有效值， cos⁡ ϕ 2
为转子电路功率因数， T 的单位为牛·米（N·m）。
将式（8-3-1-1），整理后得
T= K T φ m s E 20 R 2 2 + (s X 20 ) 2 & R 2 R 2 2
+ ( s X 20 ) 2 (8&3&1&2)
Φ m = U 1 4.44 f 1 N 1
E 20 =4.44 f 1 N 2 Φ m ≈ N 2 N 1 U 1
T= C T U 1 2 s R 2 R 2 2 + ( s X 20 ) 2
（当电源频率 f 1 一定时， K T 为一常数）可见，三相异步电动机的电磁转矩不仅与转差率 s 、转子电路参数 R 2 、 X
2 有关，而且还与电源电压 U 1
的平方成正比。因此，电源电压的波动对电动机的转矩影响很大。例如电源电压降低至额定电压的80%时，则转矩只为原来的64%。过低的电压常使电动机不能起动或被迫停转，此种现象一旦发生就会引起电流剧增，若不及时切断电源，在短时间内就会使电动机烧毁，故在运行中必须注意。
图8-3-1-1 异步电动机 T=f( s ) 特性曲线
当电源电压 U 1 和频率 f 1 一定，且电机参数不变时，异步电动机转矩 T 与转差率 s 的关系 T=f( s )
称为转矩特性，其曲线如图8-3-1-1所示。
二、机械特性（n-T曲线）
电磁转矩特性曲线（ T=f( s )
）间接地表示了电磁转矩与转速之间的关系。而人们关心的是电动机的电磁转矩与转速的关系，称为机械特性。若将 T=f( s )
曲线的s坐标变换成n 坐标，并顺时针旋转90o，再将表示T的横轴移下，便得到机械特性 n=f( T )
曲线，如图8-3-1-2所示。
图8-3-1-2 异步电动机 n=f( T ) 特性曲线
研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能。现就机械特性曲线讨论三个转矩。
1. 额定转距
异步机的额定转矩是指其工作在额定状态下产生的电磁转矩。在忽略电动机本身的机械损耗阻力矩时，可认为电磁转矩近似等于电动机轴上的输出机械转矩，即
T= P 2 & 10 3 2πn 60 =9550 P 2 n (8&3&1&4)
为电动机输出功率，单位为kW；n为异步电动机的转速，单位为r／min；T为异步电动机的输出转矩，单位为N·m。
在额定转速 n N 下输出额定输出功率 P N ，电动机的转矩为额定转矩。应用式（9-20）可得
T=9550 P N n (8&3&1&5)
式中， P N 为电动机额定输出功率，单位为kW； n N 为电动机额定转速，单位为r／min。
2. 起动转矩
电动机起动瞬间， n=0,s=1 ，这时产生的电磁转矩为起动转矩 T st 。将 s=1 代入式（8-3-1-3）求得
T st = C T U 1 2 R 2 R 2 2 + X 20 2 (8&3&1&6)
改变 R 2 和 U 1 都会对 T st 有影响，如图8-3-1-3、图
8-3-1-4所示。在绕线转子异步电动机中，转子三相绕组通过外接电阻器来适当增加转子电阻，就可提高其起动转矩见图9-14，改善电动机的起动性能。
图8-3-1-3 不同转子电阻下的 T=f( s ) 曲线
图8-3-1-4 不同电压下的 T=f( s ) 曲线
电动机的起动转矩 T st 与额定转矩 T N 的比值 K st = T st T N
表示电动机的起动能力。一般异步电动机的值在在1.4～2.2之间。
3. 最大转矩
从 T=f( s ) 曲线上可以看出，在 s=0 时 T=0 ，为理想空载工作状态，实际中不存在。在
0&s& s c 区间，转矩 T 随 s 的增大而增大；在 s= s c
时，转矩达到最大值 T m ；在 s c &s&1 区间，转矩 T
随转差率 s 的增大而减小。通常 s c 称为临界转差率。
将式对 s 求导，并令 dT ds =0 ，求得临界转差率
s c = R 2 X 20 (8&3&1&7)
将式代入式，可得最大转矩
T M = C T U 1 2 1 2 X 20 (8&3&1&8)
从式（8-3-1-7）、（8-3-1-8）可以看出，临界转差率 s c 与转子电阻 R 2 成正比，但最大转矩 T m 与 R
2 无关。 R 2 增大， T m 不变， s c
增大，这就使电动机发生最大转矩时的转速降低。因此，在绕线型异步电动机转子回路外接变阻器可实现调速的目的。
电动机的最大转矩与额定转矩之比称为过载系数，用 λ m 表示。
λ m = T m T N (8&3&1&9)
表示电动机短时过载能力。一般三相异步电动机 λ m 在1.8～2.2之间，而冶金、起重等特殊电动机 λ m
在2.2～3之间。
应该指出，电功机 T N & T L & T m
运行时，为过载状态。过载状态下，电动机只能短时间内运行，否则电流太大，温升过高致使电动机绝缘老化，寿命缩短。因此，中、大容量的电功机均应装配热保护继电器，共目的就是避免电动机长时间过载运行。
第4节 三相异步电动机的起动、调速与制动
一、三相异步电动机的起动
异步电动机的起动性能包括起动电流、起动转矩、起动时间及绕组发热等。其中起动电流和起动转矩是主要的。一般中小型笼型三相异步电动机的起动电流约为额定电流的5～7倍。通常情况下，电动机的起动时间很短(中小型电动机约为1s～3s)，电流随转速上升而很快下降，因此，只要不是频繁起动的电动机，不会因起动而过热。但是过大的起动电流会在电源线路上产生较大的电压降落，影响同一变压器供电的其他负载的正常工作，例如，电灯突然变暗，电动机的电磁转矩突然下降等。
异步电动机正常的起动转矩约为额定转矩的1.0～2.2倍。起动转矩小，会使电动机起动过长，有时甚至不能起动。起动时间过长，消耗能量多，对电动机也不利。
综上所述，实际中应根据电动机的起动转矩，起动电流和电网电源的要求，采用适当的起动方法。常用的起动方法有：
1. 直接起动（全压起动）
直接起动就是采用刀闸或接触器，将电动机直接加上额定电压使之运行，也称为全压起动。这种起动方法的优点是简单、经济和起动快。缺点是由于起动电流很大，起动瞬间会造成电网电压的突然下降。
一台电动机能否直接起动，要根据电力管理部门的规定，如果电动机和照明负载共用一台变压器供电，则规定电动机起动时引起的电网电压降不能超过额定电压的5％；若电动机由独立的变压器供电，如果电动机起动频繁，则其功率不能超过变压器容量20％，如果电动机不经常起动，则其功率只要不超过变压器容量的30％即可。
适用于容量小，不频繁起动的电动机。例如一般30kw以下的笼型异步电动机常采用直接起动。
2. 降压起动
如果电动机直接起动时所引起的线路压降较大，应采用降压起动，即起动时降低加在定子绕组上的电压，以减少起动电流；当电动机转速接近同步转速后再加上额定电压运行。常用的降压起动方法有如下几种：
(1) 星形—三角形转换起动法
星形—三角形转换起动法简记为Y—Δ起动法。Y—Δ转换起动法适用于正常时定子绕阻是三角形接法的笼型异步电动机，在起动时先联结成星形，待转速接近额定值时再换成三角形，如图
8-4-1-1所示。
图8-4-1-1 Y—Δ转换起动控制电路
Y—Δ转换起动的优点：在起动时，每相定子绕组所承受的电压降低，为线电压的 1 3
，而起动电流却减少为原来的1/3。换言之，星形连接时的线电流只有三角形连接起动时的线电流的1/3。
Y—Δ转换起动可采用Y—Δ起动器来实现，其电路如图所示。起动前，先将开关Q2扳到“Y起动”位置，然后合电源开关Q1，于是电动机在Y形联结下起动。待转速上升接近额定值时，再将Q2从“Y起动”位置扳向“Δ运转”位置，电动机在三角形联结下进入正常运行。
采用Y—Δ转换起动可以使起动电流减小至直接起动值，但由于转矩和电压的平方成正比，所以起动转矩也减小到直接起动时的1/3。因此，Y—Δ起动方法只适合于空载或轻载。
(2) 自耦降压起动
自耦降压起动是利用三相自耦变压器降压起动，自耦变压器上备有2～3组抽头，输出不同的电压（例如为电源电压的80％、60％、40％），供用户选用。这种方法的优点是使用灵活，不受定子绕组接线方式的限制，缺点是设备笨重、投资大。降压起动的专用设备称为起动补偿器。图
8-4-1-2为自耦降压起动电路示意图。
图8-4-1-2 自耦降压起动电路
应该指出，采用自耦变压器降压起动，在减少起动电流的同时，起动转矩也会减小。如果选择的自耦变压器的降压比为 K & ( K &
&1) ，则起动电流和起动转矩都为直接起动的 ( K & ) 2 倍。
自耦降压起动，常用来起动容量较大或正常运行时为星形联结的笼型转子电动机。
(3) 软起动法
前面介绍的几种起动方法，如Y—Δ转换起动、自耦降压起动等，较大地缓解了在供电变压器容量相对不够大时电动机起动的矛盾。但它们还存在着明显的不足之处，如没解决电动机起动瞬间电流冲击问题，而且上述起动设备在起动过程中需要进行电压切换，电动机也将有瞬间大电流冲击问题，另外起动设备的触点多，发生故障也多，维护工作量大等。随着电力电子技术和微机控制的发展，目前，一种性能优良的软起动控制器已经问世，并得到迅速推广。这种软起动器使电动机起动平稳，对电网冲击小，并且具有电动机过载、缺相等保护功能，能实现电动机轻载节能运行。同时还可以实现电动机软停车、软起动。
3. 转子回路串电阻起动
在转子回路中串电阻的起动方法，就是在转子回路中串联大小适当的起动电阻，达到减小起动电流的目的，如图8-4-1-3所示，此种方法只适用于绕线型电动机。三相笼型异步电动机采用降压起动的方法来限制起动电流过大，简单可行，其缺点是起动转矩也相应大大减少。因此，对要求满载起动或重载起动的生产机械，不能应用三相笼型异步电动机拖动。如起重机、锻压机等常采用绕线型电动机拖动，起动后随着转速的上升将起动电阻逐段切除。
图8-4-1-3 绕线转子回路串电阻起动方法
二、三相异步电动机的调速
异步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，但在调速性能上比不上直流电动机。近年来，随着电力电子技术和数控技术的不断发展，交流调速技术日益成熟，交流调速装置的容量不断扩大，性能不断提高。交流调速已显示出逐步取代直流调速的趋势。
电动机的调速是保持电动机的转矩一定的情况下，人为地改变电动机的转动速度。
由异步电动机的转速公式
n=(1&s) n 1 =(1&s) 60 f 1 p (8&4&1&1)
式（8-4-1-1）表明，可以通过改变极对数P、电源频率f1或转差率s三种基本方法来改变异步电动机的转速。
1. 变极对数调速
由式（8-4-1-1）可知，f1一定时，改变电动机定子绕组通电后所形成的磁极对数p，可达到调速的目的。异步电动机的磁极对数取决于定子绕组的布置和联结方式。能够用改变极对数的方法调节转速的电动机，称为多速电动机。笼型多速异步电动机的定子绕组是特殊设计和制造的。可以通过改变外部联结方式来改变磁极对数，使异步机的同步转速改变，达到调节转速的目的。常见的多速电动机有双速、三速、四速几种。多速电动机目前已普遍应用在机床上，采用多速电动机后，可以使机床的传动机构简化。
变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，由于电动机的极对数的改变只能是1、2、3等的变化，因此，用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节，只能实现有极调速。
2. 变频率调速
用改变电动机电源频率的方法达到调速的目的，称为变频调速。由于电力电子技术的发展。目前可制造出各种规格，频率能够连续调节的大功率三相电源供变频调速电动机使用。
由 U 1 ≈ E 1 =4.44 f 1 N 1 φ m 可以看出，当降低电源频率 f 1
调速时，若电源电压U1 不变，则磁通 ϕ m
将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电机温升过高等问题，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通 ϕ m
不变，就必须降低电源电压，使 U 1 f 1 为常数。
变频调速根据电动机输出性能的不同可分为：①保持电动机过载能力不变；②保持电动机恒转矩输出；③保持电动机恒功率输出。
变频调速的优点是调速范围大，平滑性好，变频时可实现恒转矩调速或恒功率调速，以适应不同负载的要求。这是异步电动机最有前途的一种调速方式，其缺点是目前控制装置价格仍比较昂贵。
3. 改变转差率调速
只有绕线型电动机才能采用改变转差率调速。绕线型电动机通常采用转子串附加电阻的方法进行调速。转子绕组串入不同的电阻值后，电动机的机械特性曲线发生变化，因此在一定负载转矩下，对应着不同的转速，达到调速的目的。
由于附加电阻消耗许多电能，因此，只适用于小功率的电动机。绕线式电动机除采用转子串电阻调速外，还应用电力电子技术进行双馈调速和串极调速，这些调速方法可减小转子电路能量损耗，提高调速性能。
三、三相异步电动机的制动
阻止电动机转动，使之减速或停车的措施称为制动。异步电动机制动的目的是使电力拖动系统快速停车或者使拖动系统尽快减速，对于位能性负载，制动运行可获得稳定的下降速度(如起吊的重物下降时)。
异步电动机制动的方法有能耗制动、反接制动和发电回馈制动、机械抱闸四种。
1. 能耗制动（动力制动）
方法：当电动机与交流电源断开后，立即给定于绕组通入直流电流，如图8-4-1-4所示，用断开Q1，闭合Q2来实现。
图8-4-1-4 能耗制动原理图
当定子绕组通入直流电源时，在电机中将产生一个恒定磁场。转子因机械惯性继续旋转时，转子导体切割恒定磁场，在转子绕组中产生感应电动势和电流，转子电流和恒定磁场作用产生电磁转矩，根据右手定则可以判定出电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，为制动转矩。在制动转矩作用下，转子转速迅速下降，当n＝0
时制动过程结束。这种方法是将转子的动能转变为电能，消耗在转子回路的电阻上，所以称能耗制动。
能耗制动的优点是制动准确、平稳，缺点是需要一套专门直流电源供制动用。
2. 反接制动
图8-4-1-5 反接制动原理图
反接制动是在电动机停车时，将其所接的三根电源线中任意两根对调，如图8-4-1-5所示，断开Q1接通Q2即可。这时电动机产生的旋转磁场改变方向，电动机的转矩方向随之改变，这对由于惯性作用仍沿原方向旋转的电动机起到制动作用。反接制动的制动效果较好，但当电动机转速接近零时，应及时将电源自动切断，否则电动机将反转。
3. 发电反馈制动
图8-4-1-6 回馈制动原理图
a) n& n 1 电动运行
b) n& n 1 回馈制动
使电动机在外力（如起重机下放重物）作用下，其电机的转速超过旋转磁场的同步转速，如图8-4-1-6所示。起动机下放重物，在下放开始时，
n& n 1 ，电动机处于电动状态，如图8-4-1-6 a)所示。在位能转矩作用下，
电机的转速大于同步转速时，转子中感应电动势、电流和转矩的方向都发生了变化，如图8-4-1-6
b)，转矩方向与转子转向相反，成制动转矩。此时电动机将机械能转变为电能馈送电网，所以称回馈制动。
4. 机械抱闸（机械制动）
上述三种制动方法又称为电气制动。电机制动时，除使用电气制动外有时还需要机械抱闸相配合。机械制动是利用机械摩擦力给电动机施加制动转矩，使电动机停车。常用的方法是采用电磁制动器。
第5节 三相异步电动机的型号和技术数据
电动机的型号和额定数据都标记在铭牌上，要正确使用电动机，必须看懂铭牌。这里以Y132M－4型电动机为例，来说明铭牌上各个数据的意义。
为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用各种型号表示。异步电动机的型号意义如下：
图8-5-1-1 Y132M－4型电动机铭牌
产品代号表示电动机的种类。如Y表示异步电动机（异）；T表示同步起动机（同）；Z表示表示直流电动机（直）；YR表示绕线式异步电动机（异绕）；YB表示隔爆异步电动机（异爆）；YD表示多速异步电动机（异多）等等。
二、额定数据
1. 额定功率 P N
电动机在额定状态下运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW。
2. 额定电压 U N
电动机在规定接法下，定子绕组应加的线电压，单位为V。有的电动机（一般为3kW以下）额定电压为380／220
V，接法为Y／Δ，表示当线电压为380V时．电动机应接成星形；而当线电压为220V时．应接成三角形。
3. 额定电流 I N
电动机在额定状态下运行的线电流，单位为A。当电动机定子绕组有两种接法时，便有两个相对应的额定电流。
4. 额定频率 f N
电动机定子绕组所接交流电源的频率，单位为Hz。
5. 额定转速 n N
电动机在额定状态下运行时的转子转速，单位为r／mim。
6. 额定功率因数 cos⁡ ϕ N
电动机在额定状态下运行时定子电路的功率因数。异步电动机的额定功率因数约为0.7～0.9，空载时功率因数只有0.2～0.3。
7. 额定效率 η N
电动机在额定状态下运行时的效率。
8. 绝缘等级
电动机的绝缘等级按电动机所用绝缘材料的容许温升或容许极限温度划分的等级。
除上述额定数据外，对绕线式电动机，铭牌上还标有转子开路电压和转子额定电流等数据。此外，铭牌上的工作方式是指电动机的运行方式，一般分为连续、短时和断续三种。
第6节 单相异步电动机
单相异步电动机由单相交流电源供电，使用方便，常用于功率小（750W以下）的电动工具和众多的家用电器、医疗仪器和自动控制系统中。
一、单相异步电动机的结构
单相异步电动机的结构和三相异步电动机类似，也由定子和转子两部分组成。定子上装有绕组，用以建立磁场，转子是笼型的。
在实际应用中，单相异步电动机有一个特殊问题，就是在单相定子绕组中通入单相交流电流时，产生的磁场不是旋转磁场，而是—个位置固定不变、大小随时间按正弦规律变化的脉动磁场。对于静止的转于来说，该磁场与转子电流相互作用产生的电磁转矩刚好互相抵消，使起动转矩为零，故电动机不能自行起动。目前用于解决单相异步电动机起动问题的常用方法有两种，即电容分相法和罩极法。与之对应，单相异步电动机也分为电容分相式和罩极式两种类型。
二、单相异步电动机的工作原理
1. 电容分相式
由于电动机的工作绕组电路为感性电路，起动绕组串联电容后成了容性电路，若电容器的容量适当，可使两个电流的相位差恰好为90o，两相电流的波形，如图8-6-1-1所示。这样两个具有90o相位差的电流，通入到两个空间相差90o的绕组后，所产生的合成磁场也是一个旋转磁场，如图8-6-1-2所示。在此旋转磁场作用下，转子上便有了起动转矩，电动机就能转动起来。
图8-6-1-1 两相电流波形
图8-6-1-2 两相旋转磁场的产生
电动机起动后可以有两种运行方式。如果在起动绕组中串联—个开关，当电动机起动完毕后，将开关断开，电动机只在工作绕组通电的情况下继续运行，这种运行方式的电动机称为电容起动电动机。如果电动机起动后不断开起动绕组，若要电动机反转，只需将起动绕组或工作绕组接到电源的两个端子对调即可。
罩极式电动机的定子制成凸极式磁极，定子绕组套装在这个磁极上，并在每个磁极表面约1/3部分开有一个凹槽，将磁极分成大小两部分，在磁极的小部分上套着一个短路铜环，如图8-6-1-3所示。
图8-6-1-3 罩极式单相异步电动机结构
当定子绕组交流电而产生脉动磁场时，由于短路环中感应电流的作用，使磁极的磁通分成两个部分，这两部分磁通在数量上不相等，在相位上也不同，通过短路环这一部分磁通滞后于另一部分磁通。这两个磁通在空间上也相差一个角度，这相当于在电动机内形成一个向被罩部分移动的磁场。笼型转子在这个磁场的作用下就产生电磁转矩而旋转。
第7节 控制电机
控制电机是一种功能特殊的精密电机。它在自动控制系统中作为检测、放大、执行和解算元件，用于对运动物体的位置或速度进行快速和准确的控制。控制电机被广泛地应用于国民经济和国防建设的各个领域，成为连接信息处理与实物控制的不可缺少的中间环节。例如，在导弹、火箭、人造卫星和航天飞机、雷达等尖端武器装备中，有许多复杂过程的控制都是通过控制电机实现的。而在民用领域，例如计算机外围设备、数控机床、家用电器、仪器仪表、医疗器械和机器人等，也大量使用了各种各样的控制电机。
一、伺服电动机
伺服电动机也被称为执行电动机，它将控制电信号转换为机械系统的实际动作。按照控制系统的要求，伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和响应速度快等基本性能。在运动形式上，伺服电动机既可以实现旋转运动，例如雷达的目标跟踪机构；也可以直接实现直线运动，例如数控机床的进给装置。从工作原理上看，常用的伺服电动机主要有直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。它们分别来源于典型的他励直流电动机和两相异步电动机。近年来，由于永磁材料和微处理器性能的大幅度提高，基于同步电动机工作原理的永磁交流伺服电动机也开始得到推广应用。
伺服电动机的性能可以从两个方面来衡量。在选用一台伺服电动机时，我们首先关心的是它的带负载能力，也就是电动机的机械特性。机械特性是指控制信号一定时，电磁转矩随转速变化的关系。另一方面，我们还需要知道这台电机控制起来是否方便，即电动机的调节特性。调节特性是指保持输出的电磁转矩不变时，转速随控制信号变化的关系。除了上述两条基本特性之外，电机控制回路的电气参数和运动部分的机械惯量的大小也对控制系统的动态性能有较大的影响。
1. 直流伺服电动机
直流伺服电动机的结构与普通的他励直流电动机类似，一般具有励磁绕组和电枢绕组两套绕组。在有些场合下，为了减小体积、提高效率，也可用永磁体代替励磁绕组。由于直流电动机的电磁转矩是电枢电流和励磁磁场共同作用的结果，因此，通过控制励磁绕组和电枢绕组中的任何一套绕组，都可以改变电机的特性。但不同的控制方式所导致的电机特性却有很大的差别。
2. 交流伺服电动机
交流伺服电动机一般采用两相异步电动机结构。它的定子上有两套空间上互差90o电角度的绕组，图8-7-1-1是交流伺服电动机的接线图。励磁绕组1与电容C串联后接到交流电源上，其电压为
U & 。控制绕组2常接在电子放大器的输出端，控制电压 U 2 & 即为放大器的输出电压。
根据交流电机理论，电机定子的磁通势是由两套绕组中的电流共同产生的，一般为一个椭圆旋转磁通势。椭圆旋转磁通势由一个正序旋转圆磁通势分量和一个负序旋转圆磁通势分量组成，它们的旋转速度大小相同，方向相反。通过改变控制绕组上的电压的幅值和相位，可以调节这两个分量各自的大小，从而影响电动机的机械特性。
图8-7-1-1 交流伺服电机的接线图
二、测速发电机
测速发电机是一种机电感应式测速元件，它将输入的机械转速变换为电压信号输出。
作为转速传感器，要求测速发电机的输出电压与转速成正比，即：
U 2 =Kn 或 U 2 = K & dθ dt
式中， θ 为测速发电机转子的转角， K、 K &
为比例系数。由于测速发电机的输出电压正比于转子转角对时间的微分，它也可以在模拟运算电路中被当作微分或积分器件使用。
与其他类型电机相比，测速发电机的转动惯量应尽量小，以免影响被测系统的参数，而且希望其测量灵敏度高，能够正确反映转速的变化。
测速发电机也可分为直流和交流两种类型。其中，直流测速发电机包括永磁励磁和电励磁两种形式；交流测速发电机则包括同步测速发电机和异步测速发电机两种形式。近年来，光电码盘和霍尔元件测速传感器也得到了广泛的应用。下面以交流测速发电机中的永磁同步测速发电机为例进行简单的介绍。
永磁同步测速发电机是基于同步发电机工作原理的一类交流测速发电机。在其定子铁心槽内嵌置了分布的单相或三相对称输出绕组，转子则由多对极的永久磁钢构成。当发电机的转子以转速n旋转时，定子绕组因切割永久磁钢的磁场产生交变的感应电动势，频率f和其有效值E分别为：
E=4.44f K W W Φ m = 4.44pn K W W Φ m 60
其中，p为电机的极对数，W和KW为绕组的匝为每极数和绕组系磁通量。
当永磁同步测速发电机的绕组输出端接一定的负载时，随着转速的变化，感应电动势的幅值和频率相应变化。但与此同时，负载阻抗中的感抗或容抗也会随频率改变。因此，绕组输出的端电压与转速不再为严格的正比关系。所以，永磁同步测速发电机一般不用于要求较高的控制系统。
三、步进电动机
步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统。在这种系统中，执行元件是步进电动机，它在驱动电路的控制下将进给脉冲转换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过传动环节带动工作台移动。进给脉冲的频率决定了驱动速度，进给脉冲的数量决定了位移量。由于系统没有位置检测环节，因此控制精度主要取决于步进电动机及其驱动，同时还要考虑传动环节的误差。
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