電動機及其基本控制電路

1、第五章電動機及其基本控制電路教學重點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，做相應的計算。2. 三相異步電動機點動控制、單向運行控制、正反轉(zhuǎn)控制。3會進行三相異步電動機起動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、制動的操作。 教學難點1三相異步電動機的工作原理。2. 三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路3三相異步電動機起動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動的方法。 學時分配序號內(nèi) 容學時1第一節(jié) 磁路與變壓器12第二節(jié)三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理23第三節(jié) 常用控制電器14第四節(jié) 三相異步電動機基本控制電路25第五節(jié) 正反轉(zhuǎn)控制電路（實驗2學時）26本章總學時8第一節(jié) 磁路與變壓器圖5-1 變壓器的符號 變壓器一.變壓器是

2、利用互感原理工作的電磁裝置，它的符號如圖5-1所示，T是它的文字符號。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(初級繞組)，和負載相連的線圈叫副線圈(次級繞組)。

3、三.基本工作原理 變壓器是按電磁感應原理工作的，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)生感應電動勢，如圖5-3所示。1變換交流電壓 圖5-3 變壓器空載運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 ，感應電動勢為由此得 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，可認為相等，因此得到 U1I1 = U2I2 可見，變壓器工作時原、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，用較細的導線繞制；低壓線圈通過的電流大，用較粗的導線繞制。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)變壓器初級輸入阻抗為|Z1|，次級負載阻抗為|Z2|，則將代入，得因為 所以 可見，次級接上負載|Z2|時，相當于電源接上阻抗為K2|Z2|的負載。變壓器的這種阻抗變換特性，在電子線路中常用來實現(xiàn)阻抗匹配和信號源內(nèi)阻

5、相等，使負載上獲得最大功率?！纠?-1】有一電壓比為220/110 V的降壓變壓器，如果次級接上55 W 的電阻，求變壓器初級的輸入阻抗。解1：次級電流 初級電流 輸入阻抗 解2：變壓比 輸入阻抗 第二節(jié) 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 三相異步電動機的基本構(gòu)造電動機由定子和轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成，如圖5-4所示。圖5-4 三相異步電動機的構(gòu)造圖5-5定子繞組的星形和三角形連接圖1定子三相異步電動機的定子由機座、鐵心和定子繞組組成。定子繞組是電動機的電路部分，由三相對稱繞組組成，按一定規(guī)則連接，有六個出線端。即U1-U2、V1-V2、W1-W2接到機座的接線盒中，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)子是異步電動機的旋轉(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機的工作原理1旋轉(zhuǎn)磁場的概念將對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，在三相繞

7、組的空間上就會產(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，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360五個瞬間，依次的標出電流的方向，由右手螺旋法則確定磁場的方向。w t = 0時，磁場方向由右指向左；w t = 90時，磁場的方向垂直向上；w t = 180、270和360時，磁場的方向分別向右、向下和向左，順時針旋轉(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，當空間彼此相差120的三個相同線圈通

8、入對稱三相交流電，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)。當我們i1使通入V相，i2通過U相時，分析可見，旋轉(zhuǎn)磁場逆時針旋轉(zhuǎn)。因此，只要把接到三相繞組上的兩根電源線任意對調(diào)，即改變電源的相序，就可實現(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)磁場具有一對磁極，若用p表示磁極對數(shù)，則p = 1。磁極對數(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)當磁極對數(shù)p = 2時，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動周，依次類推當旋轉(zhuǎn)磁場具有p對磁極時，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動周。因此交流電頻率為f，

9、磁極對數(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3.三相異步電動機的極數(shù)與轉(zhuǎn)速圖5-9 三相異步電動機的工作原理電動機總是以低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。即n n0異步電動機的同步轉(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之比稱為異步電動機的轉(zhuǎn)差率，用s表示也可寫成 n = (1 s) n0轉(zhuǎn)差率是異步電動機的一個重要參數(shù)。4.異步電動機的銘牌在電動機的銘牌上標有其主要技術(shù)數(shù)據(jù)，使用時應多加注意，表5-1就是一臺三相異步電動機的銘牌。表5-1 三相異步電動機的銘牌三相異步電動機型號 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 B 工作方式 連續(xù) 年 月 日 編號 電機廠 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。一般將保險絲接在刀開關(guān)上做短路保護作用的。 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，動斷觸點閉合，動合觸點分斷。當按下按鈕帽時，橋式動觸點在外力的作用下向下運動， 使常閉觸點分斷，常開觸點閉合。此時，復位彈簧為受壓狀態(tài)。當外力撤消后，橋式動觸點在彈簧的作用下回到原位，此過程為復位。熔斷器熔斷器俗稱保險絲。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。熔斷器應與電路串聯(lián)，它的主要作用是作短路或嚴重過載保護。 交流接觸器接觸器具有遙控功能，同時還具有欠電壓、失電壓保護的功能，但卻不具備短路保護和過載保護功能。接觸器的主要控制對象是電動機 主觸頭由三對常開觸頭組成，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。當給交流接觸器的線圈通入交流電時，在鐵心上會產(chǎn)生電磁吸力， 克服彈簧的反作用力，將動鐵心吸合，并帶動主觸點和輔助觸點運動，使之閉合。當電磁線圈斷電后，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作的一種保護繼電器。主要對電動機實現(xiàn)過載保護、斷相保護、電流不平衡運行保護。 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，當電動機過載時，過大的電流產(chǎn)生熱量，使雙金屬片彎曲，再通過動作機構(gòu)使常閉觸點斷開，從而斷開控制電路，達到保護的目的1.點動控制點動控制：按下按鈕，電動機運轉(zhuǎn)；松開按鈕，電動機停車。演示實物。提問：存在不足之處。要使電動機運轉(zhuǎn)，必須通過手來按按鈕，極不方便。 如何改進？引出單向運行控制。2.單向連續(xù)運行控制工作過程：按下SBST KM得電電動機起動按下SBSTP

13、KM斷電電動機停止。 用接觸器本身的觸點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，會使主觸點和輔助觸點均閉合。主觸點閉合電動機運轉(zhuǎn)；輔助觸點閉合可形成自鎖。此時即使松開SBST電動機也不會停車。 按下按鈕SBSTP，電動機KM線圈斷電，使主觸點和輔助觸點均斷開。主觸點斷開電動機停車；輔助觸點斷開自鎖消失。自鎖：將交流接觸器的常開輔助觸點并聯(lián)在起動按鈕的兩端。實物演示。第四節(jié) 三相異步電動機的基本控制電路三相異步電動機的起動三相異步電動機的起動可分為全壓起動和降壓起動兩種。1全壓起動加在定子繞組的起動電壓是電動機的額定電壓，這樣的起動叫全壓起動。全壓起動在剛接

14、通電源的瞬間，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間的相對轉(zhuǎn)速較大，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應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。過大的起動電流會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，當起動頻繁時，過大的起動電流會使電動機過熱，影響其使用壽命。只有二、三十千瓦以下的異步電動機采用全壓起動。2降壓起動在起動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，待起動結(jié)束時恢復到額定值運行。籠型電動機的降壓起動常用串電阻降壓起動、星形-三角形換接起動和自耦降壓起動等方法。(1) 串電阻降壓起動串電阻降壓起動，就是電動機起動時將電阻串聯(lián)在定子繞組與電源之間的起動方法，如圖5-10所示。圖5

15、-11 星三角降壓起動圖5-10 定子繞組串電阻降壓起動(2) 星形-三角形換接起動星形-三角形換接起動，就是電動機起動時把定子繞組連成星形，等到轉(zhuǎn)速接近額定值時再換接成三角形的起動方法。圖5-11是一種星三角起動器的連接簡圖，起動時，將手柄指向右，定子繞組連成星形降壓起動。等電動機接近額定轉(zhuǎn)速時，將手柄指向左，定子繞組換接成三角形，電動機正常運行。(3) 自耦降壓起動自耦降壓起動，是利用三相自耦變壓器將電動機在起動過程中的端電壓降低的起動方法，如圖5-12所示。圖5-12 自耦變壓器降壓起動三相異步電動機的調(diào)速在負載不變的條件下改變異步電動機的轉(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，為三相異步電動機供電，實現(xiàn)電動機無級調(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機。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變級調(diào)速設(shè)計制造的電動機具有不同的磁極對數(shù)，根據(jù)需要改變定子繞組的連接方式，就能改變磁極對數(shù)，使電動機得到不同的轉(zhuǎn)速。三相異步電動機的反轉(zhuǎn)異步電動機的轉(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調(diào)即可使電動機反轉(zhuǎn)。圖5-13是電動機正反轉(zhuǎn)控制的原理圖。圖5-13正反轉(zhuǎn)控制原理圖5-14 電動

17、機的能耗制動三相異步電動機的制動為克服慣性，保證電動機在斷電時迅速停車，需要對電動機進行制動。異步電動機的制動常采用反接制動和能耗制動。1反轉(zhuǎn)制動在電動機停車時，將三根電線中的任意兩根對調(diào)，產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，起到制動作用。當轉(zhuǎn)速接近零時切斷電源，否則電動機會反轉(zhuǎn)。2能耗制動在斷電的同時，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)動產(chǎn)生的感應電流與直流電磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向，恰好與電動機的轉(zhuǎn)向相反，起到制動的作用。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，變壓器工作時原線圈的電流跟線圈的匝數(shù)成反比，即三、三相異步電動機的基本控