三相異步電動機及其控制電路

89 第 5章 三相異步電動機及其控制線路 5.1 三相異步電動機 實現(xiàn)電能與機械能相互轉換的電工設備總稱為電機。 電機是利用電磁感應原理實現(xiàn)電能與機械能的相互轉換 。把機械能轉換成電能的設備稱為發(fā)電機，而把電能轉換成機械能的設備叫做電動機。 在生產上主要用的是交流電動機，特別三相異步電動機，因為它具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優(yōu)點。它被廣泛地用來驅動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳送帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水泵等。 對于各種電動機我們應該了解下列幾個方面的問題：（ 1）基本構造；（ 2）工作原 理；（ 3）表示轉速與轉矩之間關系的機械特性；（ 4）起動、調速及制動的基本原理和基本方法；（ 5）應用場合和如何正確 使 用。 5.1.1 三相異步電動機的結構與工作原理 1三相異步電動機的構造 三相異步電動機的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。此外還有端蓋、風扇等附屬部分 ，如圖 5-1 所示 。 圖 5-1 三相電動機的結構示意圖 1） 定子 三相異步電動機的定子由三部分組成： 定子 定子鐵心 由厚度為 0.5mm 的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片內圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放定子三相繞組90 AX、 BY、 CZ。 定子繞組 三組用漆包線繞制好的，對稱地嵌入定子鐵心槽內的相同的線圈。這三相繞組可接成星形或三角形。 機座 機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組 2） 轉子 三相異步電動機的轉子由三部分組成： 轉子 轉子鐵心 由厚度為 0.5mm 的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片外圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放轉子三相繞組。 轉子繞組 轉子繞組有兩種形式： 鼠籠式 - 鼠籠式異步電動機。 繞線式 - 繞線式異步電動機。 轉軸 轉軸上加機械負載 鼠籠式電動機由 于構造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產上應用得最廣泛的一種電動機。 為了保證轉子能夠自由旋轉，在定子與轉子之間必須留有一定的空氣隙，中小型電動機的空氣隙約在 0.21.0mm 之間。 2 三相異步電動機的轉動原理 1） 基本原理 為了說明三相異步電動機的工作原理，我們做如下演示實驗，如圖 5-2 所示。 圖 5-2 三相異步電動機工作原理 91 (1)演示實驗：在裝有手柄的蹄形磁鐵的兩極間放置一個 閉合 導體，當轉動手柄帶動蹄形磁鐵旋轉時，將發(fā)現(xiàn)導體也跟著旋；若改變磁鐵的轉向，則導體的轉向也跟著改變。 (2)現(xiàn)象解釋：當磁鐵旋轉時，磁鐵與閉合的導體發(fā)生相對運動，鼠籠式導體切割磁力線而在其內部產生感應電動勢和感應電流。感應電流又使導體受到一個電磁力的作用，于是導體就沿磁鐵的旋轉方向轉動起來，這就是異步電動機的基本原理。 轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同。 (3)結論：欲使異步電動機旋轉，必須有旋轉的磁場和閉合的轉子繞組。 2） 旋轉磁場 （ 1） 產生 圖 5-3 表示最簡單的三相定子繞組 AX、 BY、 CZ，它們在空間按互差 1200 的規(guī)律對稱排列。并接成星形與三相電源 U、 V、 W 相聯(lián)。則三相定子 繞組便通過三相對稱電流：隨著電流在定子繞組中通過，在三相定子繞組中就會產生旋轉磁場 (圖 5-4)。 00s i ns i n ( 1 2 0 )s i n ( 1 2 0 )UmVmWmi I ti I ti I t 圖 5-3 三相異步電動機定子接線 當 t=00 時， 0Ai ， AX 繞組中無電流；Bi為負， BY 繞組中的電流從 Y 流入 B1 流出；Ci為正， CZ 繞組中的電流從 C 流入 Z 流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖 5-4（ a）所示。 當 t=1200 時， 0Bi ， BY 繞組中無電流；Ai為正， AX 繞組中的電流從 A 流入 X流出；Ci為負， CZ 繞組中的電流從 Z 流入 C 流出；由右手螺旋定則可 得 合成磁場的方向如圖 5-4（ b）所示。 當 t=2400 時， 0Ci ， CZ 繞組中無電流；Ai為 負 ， AX 繞組中的電流從 X 流入 A流出；Bi為 正 ， BY 繞組中的電流從 B 流入 Y 流出；由右手螺旋定則可 得 合成磁場的方向如圖 5-4（ c）所示。 可見，當定子繞組中的電流變化一個周期時，合成磁場也按電流的相序方向在空間旋轉一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化，產生的 合 成磁場也不斷地AiAi Bi CXBYCZ92 旋，因此稱為旋轉磁場。 圖 5-4 旋轉磁場的形成 （ 2） 旋轉磁場的方向 旋轉磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調即可。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變。 3） 三相異步電動機的極數(shù)與轉速 （ 1） 極數(shù)（磁極對數(shù) p） 三相異步電動機的極數(shù)就是旋轉磁場的極數(shù)。旋轉磁場的極數(shù)和三相繞組的安排有關。 當每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差 1200 空間角時，產生的旋轉磁場具有一對極，即 p=1； 當每相繞組 為 兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端之 間相差 600 空間角時，產生的旋轉磁場具有兩對極，即 p=2； 同理，如果要產生三對極，即 p=3 的旋轉磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯(lián)的三個線圈，繞組的始端之間相差 400（ =1200/p）空間角。 極數(shù) p 與繞組的始端之間的空間角 的關系為： 0120 p ti i A i B i CO 120 240 36 0 ( a ) t = 0 ( b ) t = 1 2 0 ( c ) t = 2 4 0 A A AXXXB B BYYYCC CZZZ93 （ 2） 轉速 n 三相異步電動機旋轉磁場的轉速 n0 與 電動機 磁極對數(shù) p 有關，它們的關系是： 1060 fnp （ 5-1） 由（ 5-1）可知，旋轉磁場的轉速 n0 決定于電流頻率 f1 和磁場的極數(shù) p。對某一異步電動機而言， f1 和 p 通常是一定的，所以磁場轉速 n0 是個常數(shù)。 在我國，工頻 f1=50Hz，因此對應于不同極對數(shù) p 的旋轉磁場轉速 n0，見表 5-1 表 5-1 p 1 2 3 4 5 6 n0 3000 1500 1000 750 600 500 （ 3） 轉差率 s 電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向相同，但轉子的轉速 n 不可能達到與旋轉磁場的轉速 n0 相等，否則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，因而磁力線就不切割轉子導體，轉子 電動勢、轉子電流以及轉矩也就都不存在。也就是說旋轉磁場與轉子之間存在轉速差，因此我們把這種電動機稱為 異步 電動機，又因為這種電動機的轉動原理是建立在電磁感應基礎上的，故又稱為感應電動機。 旋轉磁場的轉速 n0 常稱為同步轉速。 轉差率 s 用來表示轉子轉速 n 與磁場轉速 n0 相差的程度的物理量。即： 000nn ns (5-2) 轉差率是異步電動機的一個重要的物理量。 當旋轉磁場以同步轉速 n0 開始旋轉時，轉子則因機械慣性尚未轉動，轉子的瞬間轉速 n=0，這時轉差率 S=1。轉子轉動起來之后， n0，（ n0-n）差值減小，電動機的轉差率 Sn0，重物受到制 動 而等速下降。 5.2.4三相異步電動機的控制 1直接啟動控制電路 直接啟動 即啟動時把電動機直接接入電網，加上額定電壓，一般來說，電動機的容量不大于直接供電變壓器容量的 20 30 時，都可以直接啟動。 1）點動控制 合上開關 S，三相電源被引入控制電路，但電動機還不能起動。按下按鈕SB，接觸器 KM 線圈通電，銜鐵吸合，常開主觸點接通，電動機定子接入三相電源起動運轉。松開按鈕 SB， 圖 5-13 點動控制 接觸器 KM 線圈斷電，銜鐵松開，常開主觸點斷開，電動機因斷電而停轉。 ( a ) 接線示意圖 ( b ) 電氣原理圖 M 3 SB S FU KM M 3 S FU KM KM SB 109 2).直接起動控制 （ 1）起動過程。按下起動按鈕 SB1，接觸器 KM 線圈通電，與 SB1 并聯(lián)的 KM 的輔助常開觸點閉合，以保證松開按鈕 SBl 后 KM 線圈持續(xù)通電，串聯(lián)在電動機回路中的 KM 的主觸點持續(xù)閉合，電動機連續(xù)運轉，從而實現(xiàn)連續(xù)運轉控制。 （ 2）停止過程。按下停止按鈕 SB2，接觸器 KM 線圈斷電，與 SB1 并聯(lián)的 KM 的輔助常開觸點斷開，以保證松開按鈕 SB2 后 KM 線圈持續(xù)失電，串聯(lián)在電動機回路中的 KM 的主觸點持續(xù)斷開，電動 機停轉。 與 SB1并聯(lián)的 KM的輔助常開觸點的這種作用稱為自鎖 。 圖示控制電路還可實現(xiàn)短路保護、過載保護和零壓保護。 圖 5-14 直接起動控制 起短路保護的是串接在主電路中的熔斷器 FU。一旦電路發(fā)生短路故障，熔體立即熔斷，電動機立即停轉。 起過載保護的是熱繼電器 FR。當過載時，熱繼電器的發(fā)熱元件發(fā)熱，將其常閉觸點斷開，使接觸器 KM 線圈斷電，串聯(lián)在電動機回路中的 KM 的主觸點斷開，電動機停轉。同時 KM 輔助觸點也斷開，解除自鎖。 故障排除后若要重新起動，需按下 FR的復位按鈕，使 FR 的常閉觸點復位（閉合）即可。 起零壓（或欠壓）保護的是接觸器 KM 本身。當電源暫時斷電或電壓嚴重下降時，接觸器 KM 線圈的電磁吸力不足，銜鐵自行釋放，使主、輔觸點自行復位，切斷電源，電動機停轉，同時解除自鎖。 2正反轉控制 1）簡單的 正反轉控制 （ 1）正向起動過程。按下起動按鈕SB1，接觸器 KM1 線圈通電，與 SB1 并聯(lián)的 KM1 的輔助常開觸點閉合，以保證 KM1線圈持續(xù)通電，串聯(lián)在電動機回路中的KM1 的主觸點持續(xù)閉合，電動機連續(xù)正向運轉。 （ 2）停止過程。按 下停止按鈕 SB3，接觸器 KM1 線圈斷電，與 SB1 并聯(lián)的 KM1的輔助觸點斷開，以保證 KM1 線圈持續(xù)失電，串聯(lián)在電動機回路中的 KM1 的主觸點 圖 5-15 簡單的 正反轉控制 持續(xù)斷開，切斷電動機定子電源，電動機停轉。 （ 3）反向起動過程。按下起動按鈕 SB2，接觸器 KM2 線圈通電，與 SB2 并聯(lián)的 KM2的輔助常開觸點閉合，以保證線圈持續(xù)通電，串聯(lián)在電動機回路中的 KM2 的主觸點持續(xù)閉合，電動機連續(xù)反向運轉。 M3 SFUKM KMSB 2SB1KMFRFRM3 SFUKM1SB3SB1KM2SB2KM1KM1KM2KM2FRFR110 缺點： KM1 和 KM2 線圈不能同時通電，因此不能同時按下 SB1 和 SB2，也不能在電動機正轉時 按下反轉起動按鈕，或在電動機反轉時按下正轉起動按鈕。如果操作錯誤，將引起主回路電源短路。 2） 帶電氣 互 鎖的正反轉控制電路 將接觸器 KM1 的輔助常閉觸點串入 KM2 的線圈回路中，從而保證在 KM1 線圈通電時 KM2 線圈回路總是斷開的；將接觸器 KM2 的輔助常閉觸點串入KM1 的線圈回路中，從而保證在 KM2 線圈通電時KM1 線圈回路總是斷開的。這樣接觸器的輔助常閉觸點 KM1 和 KM2 保證了兩個接觸器線圈不能同時通電，這種控制方式稱為 互鎖 或者 聯(lián)鎖 ，這兩個輔助常開觸點稱為 互鎖 或者 聯(lián)鎖 觸點。 圖 5-16 帶電氣互 鎖的正反轉控制 缺點： 電路在具體操作時，若電動機處于正轉狀態(tài)要反轉時必須先按停止按鈕 SB3，使 互 鎖觸點 KM1 閉合后按下反轉起動按鈕 SB2 才能使電動機反轉；若電動機處于反轉狀態(tài)要正轉時必須先按停止按鈕 SB3，使 互 鎖觸點 KM2 閉合后按下正轉起動按鈕 SB1 才能使電動機正轉。 SB 3SB 1SB 2KM 1KM 1KM 2KM 2KM 2KM 1FR111 5.2.4三相異步電動機的控制 上一節(jié)課我們講了電動機的點動與長動控制，這一節(jié)課我們在此基礎上進一步講述電動機的繼電器 接觸器控制系 統(tǒng)。 2正反轉控制 3） 同時具有電氣 互 鎖和機械 互 鎖的正反轉控制電路 采用復式按鈕，將 SB1 按鈕的常閉觸點串接在 KM2 的線圈電路中；將 SB2 的常閉觸點串接在 KM1 的線圈電路中；這樣，無論何時，只要按下反轉起動按鈕，在 KM2 線圈通電之前就首先使 KM1 斷電，從而保證 KM1 和 KM2 不同時通電；從反轉到正轉的情況也是一樣。這種由機械按鈕實現(xiàn)的 互 鎖也叫機械或按鈕 互 鎖 。 圖 5-17 具有電氣 互鎖和機械互 鎖的正反轉控制 3 Y 降壓 起 動 控制 按 下起動按鈕 SB1，時間繼電器 KT 和接觸器 KM2 同時通電吸合， KM2 的常開主觸點閉合，把定子繞組連接成星形，其常開輔助觸點閉合，接通接觸器KM1。 KM1 的常開主觸點閉合，將定子接入電源，電動機在星形連接下起動。 KM1 的一對常開輔助觸點閉合，進行自鎖。經一定延時， KT 的常閉觸點斷開， KM2斷電復位，接觸器 KM3 通電吸合。 KM3 的常開主觸點將定子繞組接成三角形， 使電動機在額定 圖 5-18 Y 降壓起動控制 電壓 下正常運行。與按鈕 SB1 串聯(lián)的 KM3 的常閉輔助觸點的作用是：當電動機正常運 行時，該常閉觸點斷開，切斷了 KT、 KM2 的通路，即使誤按 SB1， KT 和 KM2 也不會通電，以免影響電路正常運行。若要停車，則按下停止按鈕 SB3，接觸器 KM1、 KM2 同時斷電釋放，電動機脫離電源停止轉動。 4行程控制 1）限位控制 （圖 5-19） 當生產機械的運動部件到達預定的位置時壓下行程開關的觸桿，將常閉觸點斷開，接觸器線圈斷電，使電動機斷電而停止運行。 M 3 S FU KM 1 KM 2 KM 3 U 1 V 2 V 1 W 2 W 1 U 2 SB 3 KM 1 SB 1 KM 1 KM 2 KM 3 KM 3 KM 1 KM 2 KT KM 2 KT FR FR SB 3SB 1SB 2KM 1KM 2KM 2KM 2KM 1KM 1FR112 圖 5-19 限位控制 圖 5-20 行程往返控制 2）行 程往返控制 （圖 5-20） 按下正向起動按鈕 SB1，電動機正向起動運行，帶動工作臺向前運動。當運行到 SQ2位置時，擋塊壓下 SQ2，接觸器 KM1 斷電釋放， KM2 通電吸合，電動機反向起動運行，使工作臺后退。工作臺退到 SQ1 位置時，擋塊壓下 SQ1， KM2 斷電釋放， KM1 通電吸合，電動機又正向起動運行，工作臺又向前進，如此一直循環(huán)下去，直到需要停止時按下 SB3，KM1 和 KM2 線圈同時斷電釋放，電動機脫離電源停止轉動。 總結 ： 1、 異步電動機有兩種直接起動方法：直接起動和降壓起動。直接起動簡單、經濟，應盡量采用；電機 容量較大時應采用降壓起動以限制起動電流，常用的降壓起動方法有Y 降壓起動、 自耦變壓器降壓起動和定子串電阻降壓起動等。 2、 異步電動機的直接起動和正反轉控制電路時控制的基本環(huán)節(jié)，應掌握它們的工作原理和分析方法，明確自鎖和互鎖的含義和思想方法。 3、首先了解工藝過程及控制要求； 4、搞清控制系統(tǒng)中各電機、電器的作用以及它們的控制關系； 5、主電路、控制電路分開閱讀或設計； 6、控制電路中，根據(jù)控制要求按自上而下、自左而右的順序進行讀圖或設計； 7、同一個電器的所有線圈、觸頭不論在什么位置都叫相同的名字； 8、 原理圖上所有電器，必須按國家統(tǒng)一符號標注，且均按未通電狀態(tài)表示； 9、繼電器、接觸器的線圈只能并聯(lián)，不能串聯(lián)； 10、控制順序只能由控制電路實現(xiàn)，不能由主電路實現(xiàn) M3 SFUKM KMSB2 SB1KMSQFRFRSB3SB1SB2KM1KM1KM2KM2KM1( b ) 自動往返控制電路SQ1SQ 2KM2SQ2SQ1SQ2SQ1( a ) 往返運動圖FR113 習題： 1、有一臺四極三相異步電動機，電源電壓的頻率為 50Hz，滿載時電動機的轉差率為 0.02。求電動機的同步轉速、轉子轉速和轉子電流頻率。 2、穩(wěn)定運行的三相異步電動機，當負載轉矩增加，為什么電磁轉矩相應增大；當負載轉矩超過電動機的最大磁轉矩時，會產生什么現(xiàn)象？ 3、已知某三相異步電動機的技術數(shù)據(jù)為： PN=2.8KW， UN=220V/380V， IN=10A/5.8A，nN=2890r/min,cosN=0.89,f1=50Hz.求： 電動機的磁極對數(shù) p 額定 轉矩 TN 和 額定效率 N。 4、試設計一臺異步電動機既能連續(xù)長動工作，又能點動工作的繼電器 接觸器控制線路。 5、一臺三相交流電動機，額定相電壓為 220v，工作時每相負載 Z=(50+j25) 。 (1)當電源線電壓為 380V 時，繞組應如何連接 ？ (2)當電源線電壓為 220v 時，繞組應如何連接 ? (3)分別求上述兩種情況下的負載相電流和線電流。 6、某三相交流電 動機，額定相電壓為 380V，工作時每相阻抗 Z=(40+j10) ，接在 220V三相交流電源中，正常工作時，各相負載星形聯(lián)結。但當起動時，為防止起動時電流過大燒壞電動機，改為三角形聯(lián)結。試分別計算電動機 正 常工作時和起動時的功率。 114 實驗八 三相異步電動機的正、反轉控制 一、實驗目的 1了解交流接觸器、熱繼電器的結構，并掌握其工作原理。 2掌握電動機實現(xiàn)正、反轉控制的原理。 3掌握電動機正、反轉控制線路正確的接線方法和操作方法。 二、實驗原理 1直接起動的正反轉 不少生產機械，例如吊車、刨床等都需要上下、左右等兩個方向的運動，這就要求拖動它的電動機必須能實現(xiàn)正、反轉控制。 由三相異步電動機工作原理可知，電動機的轉動方向與旋轉磁場的方向一致，要改變電動機的轉向只要改變旋轉磁場的方向即可，而旋轉磁場的方向由三相電源的相