三相異步電動機及其控制電路

1、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(zhuǎn)換的電工設(shè)備總稱為電機。 電機是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn) 電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。把機械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備稱為發(fā)電機，而把電能轉(zhuǎn)換成機 械能的設(shè)備叫做電動機。在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(qū)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(yīng)該了解下列幾個方面的問題： （1）基本構(gòu)造；（ 2）工作原理； （3）表示轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的機械特性； （4）起動、調(diào)速及制動的基

2、本原理和基本 方法；（5）應(yīng)用場合和如何正確使用。5.1.1 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理此外1三相異步電動機的構(gòu)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(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分） 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(jié)構(gòu)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(nèi)圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放定子三相繞組89AX 、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(nèi)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）

3、轉(zhuǎn)子三相異步電動機的轉(zhuǎn)子由三部分組成：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子三相繞組。轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸上加機械負載鼠籠式電動機由于構(gòu)造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產(chǎn)上應(yīng)用 得最廣泛的一種電動機。為了保證轉(zhuǎn)子能夠自由旋轉(zhuǎn)，在定子與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。90圖 5

4、-2 三相異步電動機工作原理（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(zhuǎn)動手柄帶 動蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)時，將發(fā)現(xiàn)導體也跟著旋；若改變磁鐵的轉(zhuǎn)向，則導體的轉(zhuǎn)向也跟著改 變。（2）現(xiàn)象解釋：當磁鐵旋轉(zhuǎn)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(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。 感應(yīng)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(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動起來，這就是異步電動機的基本原理。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向和磁極旋轉(zhuǎn)的方向相同。（3）結(jié)論：欲使異步電動機旋轉(zhuǎn)，必須有旋轉(zhuǎn)的磁場和閉合的轉(zhuǎn)子繞組2）旋轉(zhuǎn)磁場（1）產(chǎn)生圖 5-3 表示最簡單的三相定子繞組 AX 、BY 、CZ，它們在空

5、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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 （圖 5-4）。iU iV iWIm sinIm sin(Im sin(當 t=00時，iA 0，AX 繞組中無電流； iB為負， BY 繞組中的電流從 Y 流入 B1流出； iC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， iB 0，BY 繞組中無電流； iA為正， AX 繞組中的電流從 A 流入 X 流出； iC為負， CZ繞組中的電

6、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， iC 0，CZ 繞組中無電流； iA為負， AX 繞組中的電流從 X 流入 A 流出； iB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(zhuǎn)一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化，產(chǎn)生的合成磁場也不斷地91旋，因此稱為旋轉(zhuǎn)磁場AAAXX(a) t = 0(b) t = 120X(c) t = 240圖 5-4 旋轉(zhuǎn)磁場的形成2）旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)磁

7、場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)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(diào)即可。這時，轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。3）三相異步電動機的極數(shù)與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場的極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)和三相繞組的安排有 關(guān)。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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場 具有兩對極，即 p=2；同理，如果要產(chǎn)生三對極，即 p=3 的旋轉(zhuǎn)磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯(lián)的三個

8、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(guān)系為：92（ 2）轉(zhuǎn)速 n三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0 與電動機磁極對數(shù) p 有關(guān)，它們的關(guān)系是：n060 f1p5-1)由（5-1）可知，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 n0是個常數(shù)。在我國，工頻 f1=50Hz，因此對應(yīng)于不同極對數(shù) p 的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 n0，見表 5-1表 5-1p123456n03000150010007506005003）轉(zhuǎn)差率 s電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同， 但

9、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 不可能達到與旋轉(zhuǎn)磁 場的轉(zhuǎn)速 n0 相等，否則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間就沒有相對運動， 因而磁力線就不切割轉(zhuǎn)子 導體，轉(zhuǎn)子電動勢、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩也就都不存在。也就是說旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間存 在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動原理是建 立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，故又稱為感應(yīng)電動機。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0 常稱為同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差率 s用來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與磁場轉(zhuǎn)速 n0相差的程度的物理量。即：(5-2)n0 n n sn0n0轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個重要的物理量當旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速 n0 開始旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子則因機械慣性尚未轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的瞬間轉(zhuǎn) 速 n=0，這時轉(zhuǎn)差

10、率 S=1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來之后， n0，（n0-n）差值減小，電動機的轉(zhuǎn)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圖 5-13 點動控制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(wǎng)，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(guān) 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(zhuǎn)。松開按鈕 SB，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(zhuǎn)1082）. 直

11、接起動控制圖 5-14 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(zhuǎn)，從而 實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。 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、

12、過載保護和零壓 保護。? 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(zhuǎn)。? 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(zhuǎn)。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(zhuǎn)

13、，同時解除自鎖。圖 5-15 簡單的正反轉(zhuǎn)控制2正反轉(zhuǎn)控制1）簡單的正反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。（ 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 的主觸點持續(xù)斷開，切斷電動機定子電源，電動機停轉(zhuǎn)（3）反向起動過程。按下起動按鈕 SB2，接觸器KM 2線圈通電，與SB2并聯(lián)

14、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(zhuǎn)。109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(zhuǎn)時按下反轉(zhuǎn)起動按鈕，或在電動機反轉(zhuǎn)時按下正轉(zhuǎn)起動按鈕。如果操作錯誤，將 引起主回路電源短路。圖 5-16 帶電氣互鎖的正反轉(zhuǎn)控制2）帶電氣互鎖的正反轉(zhuǎn)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

15、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。缺點：電路在具體操作時， 若電動機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)要反轉(zhuǎn)時必須先按停止按鈕 SB3， 使互鎖觸點 KM1閉合后按下反轉(zhuǎn)起動按鈕 SB2 才能使電動機反轉(zhuǎn)； 若電動機處于反轉(zhuǎn)狀 態(tài)要正轉(zhuǎn)時必須先按停止按鈕 SB3，使互鎖觸點 KM2 閉合后按下正轉(zhuǎn)起動按鈕 SB1 才能 使電動機正轉(zhuǎn)。1105.2.4三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， 電動機的繼電器接觸器控制系統(tǒng)。2正反轉(zhuǎn)控制 3）同

16、時具有電氣互鎖和機械互鎖的正反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 KM 2不同時通 電；從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)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。這一節(jié)課我們在此基礎(chǔ)上進一步講述SB3SB11KMSB2KM 2FRKM 2 KM 1圖 5-17 具有電氣互鎖和機械互鎖的正反轉(zhuǎn)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

17、， 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。KM 1的一對常開輔 助觸點閉合， 進行自鎖。經(jīng)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圖 5-18 Y 降壓起動控制組接成三角形，使電動機在額定電壓下正常運行。 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

18、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(zhuǎn)動。4行程控制1）限位控制（圖 5-19） 當生產(chǎn)機械的運動部件到達預(yù)定的位置時壓下行程開關(guān)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。111圖 5-20 行程往返控制圖 5-19 限位控制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，

19、 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(zhuǎn)動?？偨Y(jié) ：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(jīng)濟， 應(yīng)盡量采用；電機容量較大時應(yīng)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(zhuǎn)控制電路時控制的基本環(huán)節(jié)，應(yīng)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(guān)系；5、主電路、控制電路分

20、開閱讀或設(shè)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(shè)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)112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(zhuǎn)差率為 0.02。 求電動機的同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子電流頻率。2、穩(wěn)定運行的三相異步電動機，當負載轉(zhuǎn)矩增加，為什么電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增大；當負載 轉(zhuǎn)矩超過電動機的最大磁轉(zhuǎn)矩時，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？3、已知某三相異步

21、電動機的技術(shù)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(zhuǎn)矩 TN 和額定效率 N 。4、試設(shè)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(yīng)如何連接？(2) 當電源線電壓為 220v 時，繞組應(yīng)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

22、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(jié)。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(jié)。試分別計算電動機正常工作時和起動時的功率。113實驗八 三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)控制、實驗?zāi)康?了解交流接觸器、熱繼電器的結(jié)構(gòu)，并掌握其工作原理。2掌握電動機實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制的原理。3掌握電動機正、反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)不少生產(chǎn)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(zhuǎn)控制。由三相異步電動機工作原理可知，電動機的轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，要改 變電動機的轉(zhuǎn)向只要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向即可， 而旋轉(zhuǎn)磁場的方向由三相電源的相序決 定。因此將電動機的三根