電動(dòng)機(jī)及其基本控制電路

1、第五章電動(dòng)機(jī)及其基本控制電路教學(xué)重點(diǎn)1能利用變壓器的電壓變換、電流變換和阻抗變換的關(guān)系，做相應(yīng)的計(jì)算。2. 三相異步電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制、單向運(yùn)行控制、正反轉(zhuǎn)控制。3會(huì)進(jìn)行三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、制動(dòng)的操作。 教學(xué)難點(diǎn)1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。2. 三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路3三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動(dòng)的方法。 學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi) 容學(xué)時(shí)1第一節(jié) 磁路與變壓器12第二節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理23第三節(jié) 常用控制電器14第四節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)基本控制電路25第五節(jié) 正反轉(zhuǎn)控制電路（實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)）26本章總學(xué)時(shí)8第一節(jié) 磁路與變壓器圖5-1 變壓器的符號(hào) 變壓器一.變壓器是

2、利用互感原理工作的電磁裝置，它的符號(hào)如圖5-1所示，T是它的文字符號(hào)。1變壓器的用途：變壓器除可變換電壓外，還可變換電流、變換阻抗、改變相位。2變壓器的種類：按照使用的場合，變壓器有電力變壓器、整流變壓器、調(diào)壓變壓器輸入、輸出變壓器等。二.變壓器的構(gòu)造變壓器主要由鐵心和線圈兩部分構(gòu)成。鐵心是變壓器的磁路通道，是用磁導(dǎo)率較高且相互絕緣的硅鋼片制成，以便減少渦流和磁滯損耗。按其構(gòu)造形式可分為心式和殼式兩種，如圖5-2(a)、(b)所示。圖5-2 心式和殼式變壓器 線圈是變壓器的電路部分，是用漆色線、沙包線或絲包線繞成。其中和電源相連的線圈叫原線圈(初級(jí)繞組)，和負(fù)載相連的線圈叫副線圈(次級(jí)繞組)。

3、三.基本工作原理 變壓器是按電磁感應(yīng)原理工作的，原線圈接在交流電源上，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，從而在原、副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖5-3所示。1變換交流電壓 圖5-3 變壓器空載運(yùn)行原理圖原線圈接上交流電壓，鐵心中產(chǎn)生的交變磁通同時(shí)通過原、副線圈，原、副線圈中交變的磁通可視為相同。設(shè)原線圈匝數(shù)為N1，副線圈匝數(shù)為N2，磁通為F ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為由此得 忽略線圈內(nèi)阻得上式中K稱為變壓比。由此可見：變壓器原副線圈的端電壓之比等于匝數(shù)比。如果N1 N2，K N2，K 1，電壓下降，稱為降壓變壓器。2變換交流電流 根據(jù)能量守恒定律，變壓器輸出功率與從電網(wǎng)中獲得功率相等，即P1 = P2，由交流電功率的公式

4、可得 U1I1 cosj1= U2I2 cosj2 式中cosj1原線圈電路的功率因數(shù)； cosj2副線圈電路的功率因數(shù)。 j1，j2相差很小，可認(rèn)為相等，因此得到 U1I1 = U2I2 可見，變壓器工作時(shí)原、副線圈的電流跟線圈的匝數(shù)成反比。高壓線圈通過的電流小，用較細(xì)的導(dǎo)線繞制；低壓線圈通過的電流大，用較粗的導(dǎo)線繞制。這是在外觀上區(qū)別變壓器高、低壓饒組的方法。 3變換交流阻抗設(shè)變壓器初級(jí)輸入阻抗為|Z1|，次級(jí)負(fù)載阻抗為|Z2|，則將代入，得因?yàn)?所以 可見，次級(jí)接上負(fù)載|Z2|時(shí)，相當(dāng)于電源接上阻抗為K2|Z2|的負(fù)載。變壓器的這種阻抗變換特性，在電子線路中常用來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和信號(hào)源內(nèi)阻

5、相等，使負(fù)載上獲得最大功率。【例5-1】有一電壓比為220/110 V的降壓變壓器，如果次級(jí)接上55 W 的電阻，求變壓器初級(jí)的輸入阻抗。解1：次級(jí)電流 初級(jí)電流 輸入阻抗 解2：變壓比 輸入阻抗 第二節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成，如圖5-4所示。圖5-4 三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造圖5-5定子繞組的星形和三角形連接圖1定子三相異步電動(dòng)機(jī)的定子由機(jī)座、鐵心和定子繞組組成。定子繞組是電動(dòng)機(jī)的電路部分，由三相對(duì)稱繞組組成，按一定規(guī)則連接，有六個(gè)出線端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到機(jī)座的接線盒中，定子繞組接成星形或三角形。圖

6、5-5 (a)是定子繞組的星形連接圖；圖5-5 (b)是定子繞組的三角形連接圖。2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組三部分組成，其作用是輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩。跟據(jù)構(gòu)造的不同，轉(zhuǎn)子繞組分為繞線式和籠型兩種，圖5-6(a)所示為籠型繞組，(b)為鑄鋁的籠型轉(zhuǎn)子。圖5-6 籠型繞組及轉(zhuǎn)子圖5-7 三相繞組電流的波形圖三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1旋轉(zhuǎn)磁場的概念將對(duì)稱三相電流通入在空間彼此相差120的作星形連接的三線圈。設(shè)三相電流為： i1=Imsin(w t)i2 = Imsin(w t 120)i3 = Imsin(w t + 120)其波形如圖5-7所示。 根據(jù)電流的磁效應(yīng)，在三相繞

7、組的空間上就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如圖5-8所示，為方便分析，規(guī)定電流為正值時(shí)，電流從線圈的首端(即U1、V1和W1)流向末端(即U2、V2和W2)。圖中首端用 表示，末端用 表示，反之電流由末端流向首端。取w t = 0、90、180、270和360五個(gè)瞬間，依次的標(biāo)出電流的方向，由右手螺旋法則確定磁場的方向。w t = 0時(shí)，磁場方向由右指向左；w t = 90時(shí)，磁場的方向垂直向上；w t = 180、270和360時(shí)，磁場的方向分別向右、向下和向左，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周，分別如圖5-8(a)、(b)、(c)、(d)和(e)所示。圖5-8 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生由圖可見，當(dāng)空間彼此相差120的三個(gè)相同線圈通

8、入對(duì)稱三相交流電，就能產(chǎn)生與電流有相同角速度的旋轉(zhuǎn)磁場(即交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場在空間也旋轉(zhuǎn)一周)。當(dāng)我們i1使通入V相，i2通過U相時(shí)，分析可見，旋轉(zhuǎn)磁場逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，只要把接到三相繞組上的兩根電源線任意對(duì)調(diào)，即改變電源的相序，就可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場的反轉(zhuǎn)。2旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速上述旋轉(zhuǎn)磁場具有一對(duì)磁極，若用p表示磁極對(duì)數(shù)，則p = 1。磁極對(duì)數(shù)p = 1的旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速與正弦電流同步。若交流電的頻率為f，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0 = 60 f (r/min)當(dāng)磁極對(duì)數(shù)p = 2時(shí)，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)周，依次類推當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有p對(duì)磁極時(shí)，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)周。因此交流電頻率為f，

9、磁極對(duì)數(shù)為p，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為式中n0又稱為同步轉(zhuǎn)速3.三相異步電動(dòng)機(jī)的極數(shù)與轉(zhuǎn)速圖5-9 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理電動(dòng)機(jī)總是以低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。即n n0異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)率n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差，即n0 n稱為轉(zhuǎn)速差。轉(zhuǎn)速差(n0 n)與n之比稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s表示也可寫成 n = (1 s) n0轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。4.異步電動(dòng)機(jī)的銘牌在電動(dòng)機(jī)的銘牌上標(biāo)有其主要技術(shù)數(shù)據(jù)，使用時(shí)應(yīng)多加注意，表5-1就是一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌。表5-1 三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào) Y132M4 功率 7.5KW 頻率 50HZ電壓 380V 電流 15.4A 接法

10、 轉(zhuǎn)速 1440r/min 絕緣等級(jí) B 工作方式 連續(xù) 年 月 日 編號(hào) 電機(jī)廠 第三節(jié) 常用控制電器 刀開關(guān)刀開關(guān)，我們俗稱閘刀。閘刀開關(guān)沒有滅弧裝置，僅以膠蓋為遮護(hù)以防止電弧傷人。通常作為隔離開關(guān)，用于不頻繁地接通或斷開的電路中。一般將保險(xiǎn)絲接在刀開關(guān)上做短路保護(hù)作用的。 按鈕按鈕主要控制接觸器和繼電器，也可作為電路中的電氣聯(lián)鎖。常態(tài)(未受外力)時(shí)，動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，動(dòng)合觸點(diǎn)分?jǐn)唷．?dāng)按下按鈕帽時(shí)，橋式動(dòng)觸點(diǎn)在外力的作用下向下運(yùn)動(dòng)， 使常閉觸點(diǎn)分?jǐn)啵ｉ_觸點(diǎn)閉合。此時(shí)，復(fù)位彈簧為受壓狀態(tài)。當(dāng)外力撤消后，橋式動(dòng)觸點(diǎn)在彈簧的作用下回到原位，此過程為復(fù)位。熔斷器熔斷器俗稱保險(xiǎn)絲。它主要由熔體和放置熔

11、斷體的絕緣管或絕緣座組成，熔斷體(熔絲)是熔斷器的核心部分。熔斷器應(yīng)與電路串聯(lián)，它的主要作用是作短路或嚴(yán)重過載保護(hù)。 交流接觸器接觸器具有遙控功能，同時(shí)還具有欠電壓、失電壓保護(hù)的功能，但卻不具備短路保護(hù)和過載保護(hù)功能。接觸器的主要控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī) 主觸頭由三對(duì)常開觸頭組成，主要用于通斷較大電流的電路(此電路稱主電路)。輔助觸頭主要用于通斷較小電流的電路(此電路稱控制電路)，有常開觸頭和常閉觸頭之分。交流接觸器的外形和結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)給交流接觸器的線圈通入交流電時(shí)，在鐵心上會(huì)產(chǎn)生電磁吸力， 克服彈簧的反作用力，將動(dòng)鐵心吸合，并帶動(dòng)主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，使之閉合。當(dāng)電磁線圈斷電后，鐵心上的電磁吸力

12、消失，銜鐵在彈簧的作用下回到原位，各觸點(diǎn)也隨之回到原始狀態(tài)。 熱繼電器熱繼電器是利用發(fā)熱元件感受到的熱量而動(dòng)作的一種保護(hù)繼電器。主要對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡運(yùn)行保護(hù)。 熱繼電器的外形和結(jié)構(gòu)如圖 發(fā)熱元件繞在雙金屬片上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，過大的電流產(chǎn)生熱量，使雙金屬片彎曲，再通過動(dòng)作機(jī)構(gòu)使常閉觸點(diǎn)斷開，從而斷開控制電路，達(dá)到保護(hù)的目的1.點(diǎn)動(dòng)控制點(diǎn)動(dòng)控制：按下按鈕，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；松開按鈕，電動(dòng)機(jī)停車。演示實(shí)物。提問：存在不足之處。要使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須通過手來按按鈕，極不方便。 如何改進(jìn)？引出單向運(yùn)行控制。2.單向連續(xù)運(yùn)行控制工作過程：按下SBST KM得電電動(dòng)機(jī)起動(dòng)按下SBSTP

13、KM斷電電動(dòng)機(jī)停止。 用接觸器本身的觸點(diǎn)使其線圈保持通電的環(huán)節(jié)稱自鎖環(huán)節(jié)。 工作過程：按下按鈕SBST，KM線圈通電，會(huì)使主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)均閉合。主觸點(diǎn)閉合電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；輔助觸點(diǎn)閉合可形成自鎖。此時(shí)即使松開SBST電動(dòng)機(jī)也不會(huì)停車。 按下按鈕SBSTP，電動(dòng)機(jī)KM線圈斷電，使主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)均斷開。主觸點(diǎn)斷開電動(dòng)機(jī)停車；輔助觸點(diǎn)斷開自鎖消失。自鎖：將交流接觸器的常開輔助觸點(diǎn)并聯(lián)在起動(dòng)按鈕的兩端。實(shí)物演示。第四節(jié) 三相異步電動(dòng)機(jī)的基本控制電路三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)可分為全壓起動(dòng)和降壓起動(dòng)兩種。1全壓起動(dòng)加在定子繞組的起動(dòng)電壓是電動(dòng)機(jī)的額定電壓，這樣的起動(dòng)叫全壓起動(dòng)。全壓起動(dòng)在剛接

14、通電源的瞬間，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)轉(zhuǎn)速較大，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電流和變壓器的原理一樣，定子電流必然很大，一般為額定電流的4 7倍。過大的起動(dòng)電流會(huì)在線路上造成較大的電壓降，影響供電線路上其他設(shè)備的正常工作。此外，當(dāng)起動(dòng)頻繁時(shí)，過大的起動(dòng)電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)過熱，影響其使用壽命。只有二、三十千瓦以下的異步電動(dòng)機(jī)采用全壓起動(dòng)。2降壓起動(dòng)在起動(dòng)時(shí)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓，待起動(dòng)結(jié)束時(shí)恢復(fù)到額定值運(yùn)行?；\型電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)常用串電阻降壓起動(dòng)、星形-三角形換接起動(dòng)和自耦降壓起動(dòng)等方法。(1) 串電阻降壓起動(dòng)串電阻降壓起動(dòng)，就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)將電阻串聯(lián)在定子繞組與電源之間的起動(dòng)方法，如圖5-10所示。圖5

15、-11 星三角降壓起動(dòng)圖5-10 定子繞組串電阻降壓起動(dòng)(2) 星形-三角形換接起動(dòng)星形-三角形換接起動(dòng)，就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)把定子繞組連成星形，等到轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)再換接成三角形的起動(dòng)方法。圖5-11是一種星三角起動(dòng)器的連接簡圖，起動(dòng)時(shí)，將手柄指向右，定子繞組連成星形降壓起動(dòng)。等電動(dòng)機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將手柄指向左，定子繞組換接成三角形，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。(3) 自耦降壓起動(dòng)自耦降壓起動(dòng)，是利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的端電壓降低的起動(dòng)方法，如圖5-12所示。圖5-12 自耦變壓器降壓起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速在負(fù)載不變的條件下改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n叫調(diào)速。由轉(zhuǎn)速公式可知，調(diào)速有下面三種方法

16、：1變頻調(diào)速 變頻調(diào)速采用晶閘管整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再由逆變器變換為頻率，電壓有效值可調(diào)的三相交流電，為三相異步電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速。2變轉(zhuǎn)差率調(diào)速此種調(diào)速方法，只適用于繞線式電動(dòng)機(jī)。通過改變接在轉(zhuǎn)子電路中調(diào)速電阻的大小，就可平滑調(diào)速。3變級(jí)調(diào)速設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)機(jī)具有不同的磁極對(duì)數(shù)，根據(jù)需要改變定子繞組的連接方式，就能改變磁極對(duì)數(shù)，使電動(dòng)機(jī)得到不同的轉(zhuǎn)速。三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，而旋轉(zhuǎn)磁場的方向取決于三相電源的相序。所以，只要將三根相線中任意兩根對(duì)調(diào)即可使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。圖5-13是電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的原理圖。圖5-13正反轉(zhuǎn)控制原理圖5-14 電動(dòng)

17、機(jī)的能耗制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)為克服慣性，保證電動(dòng)機(jī)在斷電時(shí)迅速停車，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)常采用反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。1反轉(zhuǎn)制動(dòng)在電動(dòng)機(jī)停車時(shí)，將三根電線中的任意兩根對(duì)調(diào)，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，起到制動(dòng)作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)切斷電源，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)。2能耗制動(dòng)在斷電的同時(shí)，接通直流電源，如圖5-14所示。直流電源產(chǎn)生的磁場是固定的，而轉(zhuǎn)子由于慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流與直流電磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向，恰好與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向相反，起到制動(dòng)的作用。本 章 小 結(jié)一、變壓器的用途是變換電壓、變換電流、變換阻抗、改變相位，由鐵心和線圈兩部分構(gòu)成，它是按電磁感應(yīng)原理工作的。二、變壓器原副線圈的端電壓之比等于匝數(shù)比，變壓器工作時(shí)原線圈的電流跟線圈的匝數(shù)成反比，即三、三相異步電動(dòng)機(jī)的基本控