电机和拖动基本知识第一讲
第一讲电机和拖动的基本知识
一、电机的基本知识
1．电机的分类
由于电能的生产、输送和使用都比较方便，因而电能被广泛的使用。在电能的生产，输送和使用过程中，电机起着重要的作用。电机主要有发电机、电动机和变压器：发电机：生产电能的设备；
变压器：（静止电机）输送电能的设备；
电动机：使用电能的设备。
而电动机又可以分为：
直流电动机
电动机同步电动机
交流电动机绕线式
异步（感应）电动机
鼠笼式
2．异步电动机的机械特性
(1) 固有机械特性
n0(同步转速)：60.f/p；
n1(额定转速)：n1=n0(1-Se)；
Se(额定转差率)：Se=(n0-n1)/n0；
Te(额定转矩)：Te=9550*Pe(kW)/n e；
Ts(起动转矩)：Ts / Te < 1；
Tm(最大转矩)：Tm/Te > 1 过载倍数。
图1-1 电动机的固有机械特性
（2）人为机械特性
O
0.25Tm
0.64Tm
O
S
n T
1.0
Sm
Sm1
Sm2n1
r2
(r2+R1)
(r2+R2)
a. 降低定子电压
b. 转子回路串电阻
O
n T
Tn
Tm n1'
n1''
n1'''
n1
fn>f1'>f1''>f1'''
fn f1'
f1''
f1'''
O
n T
Tn
Tm n1'
n1''n1'''
n1fn>f1'>f1''>f1'''
fn f1'f1''f1'''
c-1 恒转矩负载 c-2 恒功率负载
c. 变频调速机械特性
图1-2 电动机的人为机械特性
3．电动机的拖动转矩
Ne W Pe Ne W Pe e W Pe Tn )
(55.960
2)()(===
π? （N ·m ） 式中： Pe —电动机额定功率（W ）；
Ne —电动机额定转速（r/min ），ωe---电动机额定角转速（rad/s ）。
* 旋转体的机械功率等于转矩及转速的乘积！
二、电力拖动的基本知识
1. 直线运动的运动方程式
dt
dv
m
F F z =-…… ( F=ma) 牛顿第二定律 式中：F — 拖动力（N ） Fz —阻力（N ）
dt
dv
m
— 惯性力（N ） 2. 转动惯量
g
GD mr J 422
==……（kg ·m 2
） 式中：m 或G —旋转部分的质量（kg ）或重量（N ） R 或D — 惯性（旋转）半径或直径（m ） g —重力加速度，g=9.81m/s 2
，G=mg GD 2
—称为飞轮矩（N ·m 2
）
GD 2=4g ·J
3. 旋转运动的运动方程式
dt
d J
T T z d ?
=- 式中：Td — 电动机产出的拖动转矩（N ·m ） Tz — 负载（阻力）转矩（N ·m ） J ·d ω/dt — 惯性转矩，或称加速转矩
（ω：旋转运动的角速度rad/s ）
若以 ω=2πn/60代入，则可得运动方程的实用形式：
dt
dn
GD T T z d *3752=-…… ( 4g ·60/2π=375具有加速度量纲 )
可见： 1）当Td=Tz ，dn/dt=0，则n=0或n=常数，电动机静止或等速旋转，电机拖动
系统处于稳定运转状态；
2）当Td>Tz ，du/dt>0，则电机拖动系统处于加速状态； 3）当Td 4. 拖动电动机出力校验 起动时间： 秒） () (4**2z d e z d e T T g n GD T T n J t -=-= < 22秒！ 若t <22秒，则电动机可以拖动风机起动，不会因为发热而烧毁；否则，要选大一档的电机。 5. 拖动负载的转矩特性 n Tz n Tz a) 反抗性恒转矩特性 b) 位能性恒转矩特性 n Tz T0 1 2 n Tz c) 通风机负载特性（平方率负载） d) 恒功率负载特性 ( 1、理想的 2、实际的 ) n Tz e.) 机床平移机构实际的负载特性 图1-3 拖动负载的转矩特性 三、 电动机的起动 1. 三相笼型异步电动机的起动方法 （1）直接起动 直接起动也就是全压起动，是一种最简单的起动方法。显然，这时起动电流比较大，可达额定电流的4～7倍，根据对国产电动机的实际测量，某些笼形异步电动机甚至可达到8～12倍！同时，起动电流的大小及电动机起动时所带的负载的大小有直接的关系。 对于需经常起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机发热，使绝缘老化，影响电动机的寿命；同时电动机绕组（特别是端部）在电动力的作用下，会发生变形，可能造成短路而烧坏电动机，甚至会使转子笼条断裂和及端环的焊接处开裂；过大的起动电流，也会使线路压降增大，造成电网电压显著下降而影响到接在同一电网的其他异步电动机的工作，有时甚至会使它们停下来或无法带负载起动，这是因为电动机的起动转矩 Tst 及最大转矩 Tm 均及电网电压的平方成正比，若电网电压降低太多，会使Tst 和 Tm 降到低于Tz ，电动机就会停转。 一般规定，异步电动机的功率低于7.5 kW 时允许直接起动，当电动机功率大于 7.5 kW ，而电源的总容量较大，能符合下式的要求时，电动机也允许直接起动。 ?? ? ???+≤= ))34111kVA kVA I I K n st Z 起动电动机容量（电源总容量（ 如果不能满足上式的要求，则必须采用降压起动的方法，将起动电流 I 1st 限制到允许的数值。 （2）降压起动 由于电动机的起动转矩 Tst 及最大转矩 Tm 都及定子所加电压的平方成正比，任何降压起动的方法都只适合于可轻载起动的电动机，一般允许的起动转矩为额定转矩的60%以下。对于需重载起动的电动机，则只能采用如变频起动等能保证足够起动转矩的起动方法。 a) 定子串电阻（包括水电阻）降压起动方法: 电阻上有能量消耗，但起动阶段的功率因素较高。 b) 定子串电抗器降压起动方法: 电抗器本身的功率消耗较小，但有励磁或控制的功率消耗，且功率因数较低，成本较高。 c) 自耦变压器降压起动方法: 是有级的，一般有0.65Un ，0. 80Un 抽头。（见图1-4） d) 星形—三角形（Y —D ）起动方法: （见图1-5） ～"运行" "启动" A B C 图1-4 电动机自耦变压器降压起动 图1-5 电动机星形—三角形起动 只适用于空载或轻载起动的负载，且只适用于△接法运行的电动机。因为当电动机的定子绕组由△接法改为Y 型接法以后，加在绕组上的电压为原来的1/√3，则电动机产生的转矩为原来的1/3，所以只适用于起动转矩为额定转矩的1/3以下的负载，且通过开关控制，有二次冲击。 e) 延边三角形起动方法:（见图1-6） 图1-6 电动机延边三角形起动 f) 电子式晶闸管移相控制软起动器 （见图1-7） 图1-7 电子式晶闸管移相控制软起动 3. 变频软起动： 是电动机最好的软起动方式，它的优越性有： a) 可实现平滑的连续升频软起动； b)可实现无起动过电流； c)对电网和生产机械无冲击； d)可减小电路容量，在同样的电源容量下即可增加电动机的装机容量,节省电网投 资。 2. 三相绕线转子异步电动机的起动方法 (1) 转子串联电阻起动 绕线转子异步电动机转子串电阻起动，不仅可以达到减小起动电流的目的，还可以增大起动转矩，减少起动时间。因此，绕线转子电动机比笼型异步电动机有较好的起动特性，适用于功率较大的需重载起动的场合，如球磨机等。 (2) 转子绕组串联频敏变阻器起动 转子串联电阻起动时，电阻上有功率损耗，转子串联频敏变阻器起动就象定子串联电抗器起动一样，损耗很小，且具有结构简单、价格便宜、制造容易、运行可靠、维护方便、能自动操作等多种优点，已获得大量应用。 (3) 同步电动机的起动方法 同步电动机相对于异步电动机来说有很多的优点，但是同步电动机起动困难。为了解决同步电动机的起动问题，在同步电动机的结构上采取了一些措施，把类似于异步电动机的鼠笼型转子绕组，装到了同步机的极靴上，鼠笼式绕组的导条用的是电阻率较高的的黄铜或铝青铜，在异条的两端用端环联成一体，叫做起动绕组。有了起动绕组以后，当定子绕组接上电源，便能产生异步转矩，使同步电动机转起来，这个过程及鼠笼式异步电动机的起动过程是一样的。