第1章三相異步電動機及其控制電路

1、 三相異步電動機概述三相異步電動機概述任務任務1常用電壓電器及三相異步電常用電壓電器及三相異步電動機的選用方法動機的選用方法 任務任務2三相異步電動機的啟動與控三相異步電動機的啟動與控制制 任務任務3階段階段1 三相異步電動機的結構與工作原理三相異步電動機的結構與工作原理1.三相異步電動機的結構 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1-1所示。 (1)定子。三相異步電動機的定子由以下3部分組成：定子鐵芯。定子鐵芯由厚度為0.5mm、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。定子繞組。定子繞組是

2、指3組用漆包線繞制好并對稱地嵌入定子鐵芯槽內的相同的線圈。三相繞組共有6個接線端，分別用U1、V1、W1表示3個繞組的首端，用U2、V2、W2表示對應的末端。 根據(jù)電動機的額定電壓和電源電壓，將三相定子繞組連接成星形或三角形(見圖1-2)。機座。機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵芯和繞組。 圖1-1三相異步電動機的構造1軸承蓋；2端蓋；3接線盒；4定子鐵芯；5定子繞組；6轉軸；7轉子；8風扇；9罩籠；10機座圖1-2三相定子繞組的接法 (2)轉子。三相異步電動機的轉子由以下3部分組成： 轉子鐵芯。轉子鐵芯由厚度為0.5mm、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

3、相繞組。轉子繞組。轉子繞組有兩種形式，即鼠籠式與繞線式，分別如圖1-3、圖1-4所示。采用鼠籠式轉子繞組的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(chǎn)上應用得最廣泛的一種電動機。轉軸。轉軸用于承受機械負載。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0.21.0mm。圖1-3籠形轉子圖1鑄鋁條；2風葉；3轉子鐵芯 圖1-4繞線轉子1鐵芯；2集電環(huán)；3轉子繞組 2.三相異步電動機的轉動原理 為了說明三相異步電動機的工作原理，進行如下演示實驗：如圖1-5所示，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，

4、將發(fā)現(xiàn)導體也跟著旋轉；若改變磁鐵的轉向，則導體的轉向也跟著改變。 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(chǎn)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，轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同，這就是異步電動機的基本原理。 由上述分析得到如下結論：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。圖1-5三相異步電動機工作原理 (1)旋轉磁場。 旋轉磁場的產(chǎn)生。圖1-6為最簡單的三相定子繞組AX、BY、CZ，它們在空間按互差120的規(guī)律對稱排列，并接成星形，與三相電源U、V、W相連。 iU=Imsint iV

5、=Imsin(t-120) iW=Imsin(t+120)圖1-6三相異步電動機定子接線 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)生旋轉磁場，如圖1-7所示。 圖1-7旋轉磁場的形成 (a)t=0；(b)t=120；(c)t=240 當t=0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1-7(a)所示。 當t=120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繞組中的電流從Z流入，C流出；由右手螺

6、旋定則可得合成磁場的方向如圖1-7(b)所示。 當t=240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1-7(c)所示?？梢姡敹ㄗ永@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做周期性變化，產(chǎn)生的合成磁場也不斷地旋轉，因此稱為旋轉磁場。 旋轉磁場的方向。旋轉磁場的方向是由三相繞組中的電流相序確定的，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。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變。 (2)三

7、相異步電動機的極數(shù)與轉速。 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)和三相繞組的形式有關。當每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差120空間角時，產(chǎn)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60空間角時，產(chǎn)生的旋轉磁場具有兩對極，即p=2。 同理，如果要產(chǎn)生3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3個線圈，繞組的始端之間相差40(120p)空間角。 極數(shù)p與繞組的始端之間的空間角的關系為=120p 旋轉磁場轉速n0。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，它們的關系為n0=60f

8、1p(1-1) 由式(1-1)可知，旋轉磁場的轉速n0取決于電流頻率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為常數(shù)。 轉差率s。電動機轉子的轉動方向與磁場旋轉的方向相同，但轉子的轉速n不可能與旋轉磁場的轉速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是用來表示轉子轉速n與磁場轉速n0相差程度的物理量

9、，即s=n0-nn0100%(1-2) 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，轉子則由于機械慣性而尚未轉動，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的值減小，電動機的轉差率sTN， 一般的三相異步電動機有Tst/TN=12.2。 3.電動機的自適應負載能力 電動機在工作時，它所產(chǎn)生的電磁轉矩T的大小能夠在一定的范圍內自動調整以適應負載的變化，這種特性稱為自適應負載能力。 當TL增加時，n減小，s增加，從而I2增加，T相應地增加至新的平衡。此過程中，I2增加時，I1增加，電源提供的功率也自動增加。 階段階段1 常用低壓電器常用

10、低壓電器 電動機或其他電氣設備電路的接通或斷開，目前普遍采用按鈕、開關、接觸器、繼電器等控制電器來組成控制系統(tǒng)進行控制，這種控制系統(tǒng)一般稱為繼電接觸器控制系統(tǒng)。 任何復雜的控制電路，都是由一些基本的單元電路組成的。因此，本階段主要討論繼電接觸器控制系統(tǒng)中的一些基本電壓電器。電器的種類繁多，可分為手動的和自動的兩類。手動電器是由工作人員手動操縱的，如刀開關、點火開關等。而自動電器則是按照指令、信號或某個物理量的變化而自動動作的，如各種繼電器、接觸器、電磁閥等。 1.手動電器 (1)刀開關。刀開關又稱為閘刀開關，一般用于不頻繁操作的低壓電路中，主要用于接通和切斷電源，有時也用來控制小容量電動機的直

11、接啟動與停機，其電路符號如圖1-9所示。刀開關由閘刀(動觸點)、靜插座(靜觸點)、手柄和絕緣底板等組成。 刀開關的種類很多，按極數(shù)(刀片數(shù))不同可分為單極刀開關、雙極刀開關和三極刀開關，按結構不同可分為平板式刀開關和條架式刀開關，按操作方式不同可分為直接手柄操作式刀開關、杠桿操作機構式刀開關和電動操作機構式刀開關，按轉換方向不同可分為單投刀開關和雙投刀開關。刀開關一般與熔斷器串聯(lián)使用，以便在短路或過負荷時熔斷器熔斷而自動切斷電路。刀開關的額定電壓通常為250V和500V，額定電流在1500A以下。 考慮到電機較大的啟動電流，刀閘的額定電流值應為異步電機額定電流的35倍。圖1-9刀開關的電路符號

12、 (2)按鈕。按鈕常用于接通、斷開控制電路，一般有常開按鈕、常閉按鈕和復合按鈕3種類型，其電路符號如圖1-10所示。其中，復合按鈕即常開按鈕與常閉按鈕做在一起。由于按鈕的結構特點，按鈕只起發(fā)出接通和斷開信號的作用。圖1-10按鈕的電路符號（a）常開按鈕；(b)常閉按鈕；(c)復合按鈕 2.自動電器 (1)熔斷器。熔斷器主要于短路或過載保護，串聯(lián)在被保護的電路中。電路正常工作時如同一根導線，起通路作用；當電路短路或過載時熔斷器熔斷，起到保護電路上其他電器設備的作用。其電路符號如圖1-11所示。 熔斷器的結構有管式、磁插式、螺旋式等幾種。其核心部分熔體(熔絲或熔片)是用電阻率較高的易熔合金(如鉛錫

13、合金)或截面積較小的導體制成的。圖1-11刀開關的電路符號熔體額定電流IF的選擇如下。 無沖擊電流的場合(如電燈、電爐)，其熔體額定電流IF為IFIL一臺電動機的場合，其熔體額定電流IF為IF=Ist2.5如果電動機啟動頻繁，則IF=Ist2Ist1.6式中Ist電動機的啟動電流。幾臺電動機合用的的場合中，其熔體額定電流IF為IF=(1.52.5)Im+Im 式中Im容量最大電動機的額定電流；Im其余電動機的額定電流之和。 (2)交流接觸器。接觸器是一種自動開關，是電力拖動中主要的控制電器之一，它分為直流和交流兩類。其中，交流接觸器常用來接通和斷開電動機或其他設備的主電路。圖1-12為交流接觸

14、器的基本結構圖。接觸器主要由電磁鐵和觸頭兩部分組成，它是利用電磁鐵的吸引力而動作的。 圖1-12交流接觸器的基本結構1彈簧；2主觸頭；3輔助觸頭；4銜鐵；5鐵芯；6線圈 根據(jù)用途不同，接觸器的觸頭分主觸頭和輔助觸頭兩種。主觸頭能通過較大電流，常接在電動機的主電路中。例如，CJ10-20型交流接觸器有3個常開主觸頭和4個輔助觸頭(其中兩個常開，兩個常閉)。 當主觸頭斷開時，其間產(chǎn)生電弧，會燒壞觸頭，并使電路分斷時間拉長，因此，必須采取滅弧措施。通常交流接觸器的觸頭都做成橋式結構，它有兩個斷點，以降低觸頭斷開時加在斷點上的電壓，使電弧容易熄滅，同時各相間裝有絕緣隔板，可防止短路。在電流較大的接觸器

15、中還專門設有滅弧裝置。接觸器的電路符號如圖1-13所示。 在選用接觸器時，應注意它的額定電流、線圈電壓及觸頭數(shù)量等。CJ10系列接觸器的主觸頭額定電流有5A、10A、20A、40A、75A、120A等數(shù)種。 圖1-13接觸器電路符號(a)接觸器線圈；(b)主觸頭；(c)輔助觸頭 (3)中間繼電器。中間繼電器的結構與接觸器基本相同，只是體積較小，觸點較多，通常用來傳遞信號和同時控制多個電路，也可以用來控制小容量的電動機或其他執(zhí)行元件。常用的中間繼電器有JZ7系列，觸點的額定電流為5A，選用時應考慮線圈的電壓。 (4)熱繼電器。熱繼電器是指用來保護電動機，使其避免由于長期過載而帶來危害的繼電器。

16、熱繼電器是利用電流的熱效應而動作的，它的工作原理如圖1-14所示。圖中熱元件是一段阻值不大的電阻絲，接在電動機主電路中的雙金屬片上，由兩種具有不同線膨脹系數(shù)的金屬用壓力輾壓而成，也可采用冷結合，其中，下層金屬的膨脹系數(shù)大，上層的小。當主電路中的電流超過容許值時，雙金屬片受熱向上彎曲致使脫扣，扣板在彈簧的拉力下將常閉觸頭斷開。 觸頭是接在電動機的控制電路中的，控制電路斷開，使接觸器的線圈斷電，從而斷開電動機的主電路。由于熱慣性，熱繼電器不能用于短路保護，因為發(fā)生短路事故時，要求電路立即斷開，而熱繼電器是不能立即動作的。但是這個熱慣性又是合乎要求的。例如，在電動機啟動或短時過載時，由于熱慣性熱繼電

17、器不會動作，這可避免電動機的不必要的停車。如果要熱繼電器復位，按下復位按鈕即可。 常用的熱繼電器有JR0、JR10及JR16等系列。熱繼電器的主要技術數(shù)據(jù)是整定電流。所謂整定電流，就是熱元件通過的電流超過此值的20%時，熱繼電器應當在20min內動作。JR0-40型的整定電流從0.640A有9種規(guī)格。選用熱繼電器時，應使其整定電流與電動機的額定電流基本上一致。 圖1-14熱繼電器工作原理圖1發(fā)熱元件；2雙金屬片；3扣板；4常閉觸頭 (5)行程開關。如圖1-15所示，行程開關的結構與按鈕類似，但其動作主要由機械撞擊完成，主要用于電路的限位保護、行程控制和自動切換等。 圖1-15行程開關結構示意圖

18、和電路符號 (a)結構示意圖； (b)電路符號 階段階段2 三相異步電動機技術數(shù)據(jù)及選擇三相異步電動機技術數(shù)據(jù)及選擇 2.三相異步電動機的選擇 (1)功率的選擇。 電動機的功率主要應根據(jù)負載的情況進行選擇，選得過大，雖然能保證正常運行，但是不經(jīng)濟，電動機的效率和功率因數(shù)都不高；選得過小，則不能保證電動機和生產(chǎn)機械的正常運行，不能充分發(fā)揮生產(chǎn)機械的效能，并使電動機由于過載而損壞。 連續(xù)運行電動機功率的選擇。對連續(xù)運行的電動機，應先算出生產(chǎn)機械的功率，所選電動機的額定功率等于或稍大于生產(chǎn)機械的功率即可。短時運行電動機功率的選擇。 如果沒有合適的專門為短時運行設計的電動機，可選用連續(xù)運行的電動機。由

19、于發(fā)熱慣性，所以 在短時運行時可以容許過載。工作時間越短，過載可以越大。但電動機的過載是受到限制的，通常是根據(jù)過載系數(shù)來選擇短時運行電動機的功率。電動機的額定功率可以是生產(chǎn)機械所要求功率的1/2。 (2)種類和結構形式的選擇。 種類的選擇。選擇電動機的種類應從交流或直流、機械特性、調速與啟動性能、維護及價格等方面來考慮。a.交、直流電動機的選擇。如沒有特殊要求，一般都應采用交流電動機。b.鼠籠式與繞線式的選擇。三相鼠籠式異步電動機結構簡單，堅固耐用，工作可靠，價格低廉，維護方便，但調速困難，功率因數(shù)較低，啟動性能較差。因此在要求機械特性較硬而無特殊調速要求的一般生產(chǎn)機械的拖動應盡可能采用鼠籠式

20、電動機。只有在不方便采用鼠籠式異步電動機時才采用繞線式電動機。 結構形式的選擇。電動機常用的結構形式如下： a.開啟式。在構造上無特殊防護裝置，用于干燥無灰塵的場所。通風非常良好。b.防護式。在機殼或端蓋下面有通風罩，以防止鐵屑等雜物掉入。也可將外殼做成擋板狀，以防止在一定角度內有雨水滴濺入其中。c.封閉式。外殼嚴密封閉，靠自身風扇或外部風扇冷卻，并在外殼帶有散熱片，常用于灰塵多、潮濕或含有酸性氣體的場所。d.防爆式。整個電機嚴密封閉，用于有爆炸性氣體的場所。 安裝結構形式的選擇。電動機常用的安裝結構形式如下： a.機座帶底腳，端蓋無凸緣。b.機座不帶底腳，端蓋有凸緣。c.機座帶底腳，端蓋有凸

21、緣。 電壓和轉速的選擇。 a.電壓的選擇。電動機電壓等級要根據(jù)電動機類型、功率以及使用地點的電源電壓確定。Y系列鼠籠式電動機的額定電壓只有380V一個等級，只有大功率異步電動機才采用3 000V和6 000V。b.轉速的選擇。電動機的額定轉速是根據(jù)生產(chǎn)機械的要求而選定的，但通常轉速不低于500r/min。因為當功率一定時，電動機的轉速越低，其尺寸越大，價格越貴，且效率也較低。異步電動機通常采用4個極的，即同步轉速n0=1 500r/min。階段階段1 異步電動機的啟動與調速分析異步電動機的啟動與調速分析 1.啟動特性分析 (1)啟動電流Ist。 在剛啟動時，由于旋轉磁場對靜止的轉子有著很大的相

22、對轉速，磁力線切割轉子導體的速度很快，因此轉子繞組中感應出的電動勢和產(chǎn)生的轉子電流均很大，同時，定子電流必然也很大。一般中小型鼠籠式電動機定子的啟動電流可達額定電流的57倍。 (2)啟動轉矩Tst。 電動機啟動時，轉子電流I2雖然很大，但轉子的功率因數(shù)cos2很低，由公式T=CMI2cos2可知，電動機的啟動轉矩T較小，通常TstTN為1.12.0。啟動轉矩小可能會延長啟動時間，或不能在滿載下啟動，因此應設法提高。但啟動轉矩如果過大，會使傳動機構受到?jīng)_擊而損壞，所以一般機床的主電動機都是空載啟動(啟動后再切削)，對啟動轉矩不做要求。綜上所述，異步電機的主要缺點是啟動電流大而啟動轉矩小。因此必須

23、采取適當?shù)膯臃椒?，以減小啟動電流并保證足夠的啟動轉矩。 2.三相異步電動機的啟動方法 (1)直接啟動。直接啟動又稱為全壓啟動，就是利用閘刀開關或接觸器將電動機的定子繞組直接加到額定電壓下啟動。 這種方法只用于小容量的電動機或電動機容量遠小于供電變壓器容量的場合。 (2)降壓啟動。降壓啟動是指在啟動時降低加在定子繞組上的電壓，以減小啟動電流，待轉速上升到接近額定轉速時，再恢復到全壓運行。此方法適用于大中型鼠籠式異步電動機的輕載或空載啟動。 星形三角形(Y)換接啟動。星形三角形換接啟動是指啟動時，將三相定子繞組接成Y形，待轉速上升到接近額定轉速時，再換成。這樣，在啟動時就把定子每相繞組上的電壓降

24、到正常工作電壓的13。此方法只能用于正常工作時定子繞組為形連接的電動機。 這種換接啟動可采用Y啟動器來實現(xiàn)。Y啟動器體積小、成本低、壽命長、動作可靠。 自耦降壓啟動。 自耦降壓啟動是利用三相自耦變壓器將電動機在啟動過程中的端電壓降低。啟動時，先把開關扳到啟動位置，當轉速接近額定值時，再扳向工作位置，切除自耦變壓器。采用自耦降壓啟動，也同時能使啟動電流和啟動轉矩減小。正常運行作Y形連接或容量較大的鼠籠式異步電動機，常用自耦降壓啟動。 3.三相異步電動機的調速 調速是指在同一負載下能得到不同的轉速，以滿足生產(chǎn)過程的要求。由轉差率公式s=n0-nn0可得n=(1-s)n0=(1-s)60fp. 因此

25、，可通過3個途徑進行調速，即改變電源頻率f，改變磁極對數(shù)p，改變轉差率s。前兩者為鼠籠式電動機的調速方法，后者為繞線式電動機的調速方法。 (1)變頻調速。 此方法可獲得平滑且范圍較大的調速效果，且具有硬的機械特性，但須有專門的變頻裝置由可控硅整流器和可控硅逆變器組成。變頻調速工作精確，應用范圍廣，是本書的重點。(2)變極調速。此方法不能實現(xiàn)無極調速，但它簡單方便，常用于金屬切割機床或其他生產(chǎn)機械上。 (3)轉子電路串電阻調速。 在繞線式異步電動機的轉子電路中，串入一個三相調速變阻器進行調速，稱為轉子電路串電阻調速。此方法能平滑地調節(jié)繞線式電動機的轉速，且設備簡單、投資少，但變阻器增加了損耗，故

26、常用于短時調速或調速范圍不太大的場合。 4.三相異步電動機的制動 制動是給電動機一個與轉動方向相反的轉矩，促使它在斷開電源后很快地減速或停轉。對電動機制動，也就是要求它的轉矩與轉子的轉動方向相反，這時的轉矩稱為制動轉矩。 常見的電氣制動方法有以下幾種。 (1)反接制動。反接制動是指當電動機快速轉動而需停轉時，改變電源相序，使轉子受一個與原轉動方向相反的轉矩而迅速停轉。注意當轉子轉速接近零時，應及時切斷電源，以免電機反轉。為了限制電流，對功率較大的電動機進行制動時必須在定子電路(鼠籠式)或轉子電路(繞線式)中接入電阻。這種方法比較簡單，制動力強，效果較好，但制動過程中的沖擊也強烈，易損壞傳動器件

27、，且能量消耗較大，頻繁反接制動會使電機過熱。有些中型車床和銑床主軸的制動采用此種方法。 (2)能耗制動。能耗制動是指電動機脫離三相電源的同時，給定子繞組接入一直流電源，使直流電流通入定子繞組，于是在電動機中產(chǎn)生一方向恒定的磁場，使轉子受到一個與轉子轉動方向相反的力的作用，于是產(chǎn)生制動轉矩，實現(xiàn)制動。 直流電流的大小一般為電動機額定電流的0.51倍。由于這種方法是用消耗轉子的動能(轉換為電能)來進行制動的，所以稱為能耗制動。這種制動能量消耗小，制動準確而平穩(wěn)，無沖擊，但需要直流電流。 (3)發(fā)電反饋制動。當轉子的轉速n超過旋轉磁場的轉速n0時，這時的轉矩也是制動的。例如，當起重機快速下放重物時，重物拖動轉子，使其轉速n