電路與電工技術(shù) 第6章 電動(dòng)機(jī)及控制基礎(chǔ)

1第6章電動(dòng)機(jī)及控制基礎(chǔ)6.1三相交流異步電動(dòng)機(jī) 6.2常用低壓電器及繼電接觸控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)目的：1.了解電動(dòng)機(jī)原理2.熟悉電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3.了解常用低壓電器的結(jié)構(gòu)、功能和用途。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：三相交流異步電動(dòng)機(jī)原理及結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)難點(diǎn)：三相異步電動(dòng)機(jī)的拆裝第6章電動(dòng)機(jī)及控制基礎(chǔ)異步電機(jī)同步電機(jī)異步與同步的概念：所謂異步及同步是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向及速度是否相同，相同即稱(chēng)為同步反之就是異步。交流電機(jī)6.1.1三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及銘牌數(shù)據(jù)異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，去拖動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械。異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行效率較高和具有適用的工作特征。異步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn):功率因數(shù)較差。異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須從電網(wǎng)里吸收落后性的無(wú)功功率，它的功率因數(shù)總是小于１。下面是它主要部件的拆分圖。右圖是一臺(tái)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的外形圖。1）三相交流異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（1）定子部分定子是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。三相電動(dòng)機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。外殼：三相電動(dòng)機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線(xiàn)盒及吊環(huán)等部件。機(jī)座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護(hù)和固定三相電動(dòng)機(jī)的定子繞組。中、小型三相電動(dòng)機(jī)的機(jī)座還有兩個(gè)端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機(jī)座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋：用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動(dòng)，另外起存放潤(rùn)滑油和保護(hù)軸承的作用。接線(xiàn)盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護(hù)和固定繞組的引出線(xiàn)端子。吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機(jī)座的上端，用來(lái)起吊、搬抬三相電動(dòng)機(jī)。（2）定子鐵心異步電動(dòng)機(jī)定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過(guò)而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來(lái)嵌放定子繞圈。（a）定子鐵心（b）定子沖片定子鐵心及沖片示意圖（3）定子繞組定子繞組是三相電動(dòng)機(jī)的電路部分，三相電動(dòng)機(jī)有三相繞組，通入三相對(duì)稱(chēng)電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個(gè)繞組又由若干線(xiàn)圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)繞組在空間相差120°電角度。線(xiàn)圈由絕緣銅導(dǎo)線(xiàn)或絕緣鋁導(dǎo)線(xiàn)繞制。中、小型三相電動(dòng)機(jī)多采用圓漆包線(xiàn)，大、中型三相電動(dòng)機(jī)的定子線(xiàn)圈則用較大截面的絕緣扁銅線(xiàn)或扁鋁線(xiàn)繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個(gè)出線(xiàn)端都引至接線(xiàn)盒上，首端分別標(biāo)為U1,V1,W1，末端分別標(biāo)為U2,V2,W2。這六個(gè)出線(xiàn)端在接線(xiàn)盒里的排列如圖所示，可以接成星形或三角形。（a）星形連接（b）三角形連接定子繞組的聯(lián)結(jié)定子繞組:是電路重要的組成部分定子繞組用絕緣的銅（或鋁）導(dǎo)線(xiàn)繞成，嵌在定子槽內(nèi)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成的。（1）轉(zhuǎn)子鐵心：是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。（2）轉(zhuǎn)子繞組：分為籠型和繞線(xiàn)型兩類(lèi)。

轉(zhuǎn)子部分

籠型轉(zhuǎn)子：籠型繞組是一個(gè)自己短路的繞組。在轉(zhuǎn)子的每個(gè)槽里放上一根導(dǎo)體，在鐵心的兩端用端環(huán)連接起來(lái)，形成一個(gè)短路的繞組。如果把轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，剩下來(lái)的繞組形狀像個(gè)松鼠籠子，因此又叫鼠籠轉(zhuǎn)子。導(dǎo)條的材料有用銅的，也有用鋁的。如果用的是銅料，就需要把事先做好的裸銅條插入轉(zhuǎn)子鐵心上的槽里，再用銅端環(huán)套在伸了兩端的銅條上，最后焊在一起，如圖(b)所示。如果用的是鑄鋁，就連同端環(huán)、風(fēng)扇一次鑄成，如圖(c)所示?；\型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、是一種經(jīng)濟(jì)、耐用的電機(jī)，所以應(yīng)用極廣。其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則用來(lái)通風(fēng)冷卻電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm～1.5mm。氣隙太大，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使啟動(dòng)性能變差。其他部分

三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過(guò)。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，且某時(shí)刻為上為北極N下為南極S，如圖所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)和電流方向由里向外，用⊙表示；在下半部則由外向里，用⊕表示。圖

三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理iAiBiC

tiO6.1.2三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以速度n0切

割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動(dòng)勢(shì)（發(fā)電機(jī)

右手定則），在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中形成

電流，使導(dǎo)體受電磁力作用形成

電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順n0

方向旋轉(zhuǎn)（電動(dòng)機(jī)左手定則），

并從軸上輸出一定大小的機(jī)械功

率。(n不能等于n0)

特點(diǎn)：·電動(dòng)機(jī)內(nèi)必須有一個(gè)以

n0旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。－實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)

換的前提；電動(dòng)運(yùn)行時(shí)n恒不等

于n0（異步）－必要條件n<n0；

建立轉(zhuǎn)矩的電流由感應(yīng)產(chǎn)生。

－感應(yīng)名稱(chēng)的來(lái)源。

流過(guò)電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖3.8所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)，轉(zhuǎn)速為n。三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會(huì)加速到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1。因?yàn)橹挥羞@樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間才會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁力線(xiàn)，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)，且，是異步電動(dòng)機(jī)工作的必要條件，“異步”的名稱(chēng)也由此而來(lái)。轉(zhuǎn)差率旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，即

轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本參數(shù)，對(duì)分析和計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及其機(jī)械特性有著重要的意義。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速n同向。轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，n=0,；當(dāng)時(shí)，，可知異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率的變化范圍總在0和1之間，即0＜s＜1。一般情況下，額定運(yùn)行時(shí)=1%～5%。定子繞組通入三相交流電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)iAiBiCABCXYZiA=ImsintiB=Imsin(t–120)iC=Imsin(t+120)iAiBiC相序A-B-C

對(duì)稱(chēng)三相電流流入對(duì)稱(chēng)三相繞組。tiO空間相差120o角的三相繞組，通入對(duì)稱(chēng)三相電流時(shí)，產(chǎn)生的是一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)一個(gè)周期變化時(shí)，磁場(chǎng)也沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)了一周(在空間旋轉(zhuǎn)的角度為360o)。綜上分析可以得出：要正確使用電動(dòng)機(jī)，必須要看懂銘牌。今以Y132M-4型電動(dòng)機(jī)為例，來(lái)說(shuō)明銘牌上各個(gè)數(shù)據(jù)的意義。三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)Y132M-4功率7.5KW頻率50Hz電壓380V電流15.4A接法△轉(zhuǎn)速1440r/min絕緣等級(jí)B工作方式連續(xù)年月編號(hào)××電機(jī)廠(chǎng)此外，還有功率因數(shù)0.85，效率87%。6.1.3電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)為了適應(yīng)不同用途和不同工作環(huán)境的需要，電動(dòng)機(jī)制成不同的系列，每種系列用各種型號(hào)表示。型號(hào)說(shuō)明：Y132M-4三相異步電動(dòng)機(jī)磁極數(shù)機(jī)座中心高機(jī)座長(zhǎng)度代號(hào)（S-短機(jī)座；M-中機(jī)座；L-長(zhǎng)機(jī)座）1)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)-型號(hào)U1U2V1V2W1W2U1U2V1V2W1W2U1V1W1W2U2V2接電源U1V1W1W2U2V2接電源2)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)-接法電壓銘牌上所標(biāo)的電壓值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組上應(yīng)加的線(xiàn)電壓。電流銘牌上所標(biāo)的電流值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線(xiàn)電流。功率與效率銘牌上所標(biāo)的功率值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)軸上輸出的機(jī)械功率值。所謂效率就是輸出功率與輸入功率的比值。3)電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)-其他參數(shù)功率因數(shù)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)是電感性負(fù)載，定子相電流比相電壓滯后一個(gè)角。cos就是功率因數(shù)。轉(zhuǎn)速由于生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速的要求不同，需要生產(chǎn)不同磁極數(shù)的異步電動(dòng)機(jī)，因此有不同的轉(zhuǎn)速等級(jí)。最常用的是四磁極的（n0=1500r/min)。絕緣等級(jí)絕緣等級(jí)是按電動(dòng)機(jī)繞組所用的絕緣材料在使用時(shí)容許的極限溫度來(lái)分級(jí)的。所謂極限溫度，是指電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中最熱點(diǎn)的最高容許溫度。絕緣等級(jí)極限溫度（0C）AEB105120130YFHC90155180大于1801）組合開(kāi)關(guān)

組合開(kāi)關(guān)又稱(chēng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，由數(shù)層動(dòng)、靜觸片組裝在絕緣盒而成的。動(dòng)觸點(diǎn)裝在轉(zhuǎn)軸上，用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸使動(dòng)觸片與靜觸片接通與斷開(kāi)。可實(shí)現(xiàn)多條線(xiàn)路、不同聯(lián)接方式的轉(zhuǎn)換。下圖圖為用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)三相電動(dòng)機(jī)起?？刂频慕泳€(xiàn)圖。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)中的彈簧可使動(dòng)、靜觸片快速斷開(kāi)，利于熄滅電弧。但轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的觸片通流能力有限，一般用于交流380V、直流220V，電流100A以下的電路中做電源開(kāi)關(guān)。6.2常用低壓電器及繼電接觸控制系統(tǒng)按鈕(手動(dòng)切換電器)(b)結(jié)構(gòu)按鈕常用于接通和斷開(kāi)控制電路。按鈕的外形圖和結(jié)構(gòu)如圖所示。按鈕開(kāi)關(guān)的外形和符號(hào)(a)外形圖常閉觸點(diǎn)常開(kāi)觸點(diǎn)復(fù)位彈簧支柱連桿常閉靜觸頭橋式靜觸頭常開(kāi)靜觸頭外殼4SBSBSB結(jié)構(gòu)符號(hào)名稱(chēng)常閉按鈕(停止按鈕)常開(kāi)按鈕(起動(dòng)按鈕)復(fù)合按鈕1234123按鈕帽交流接觸器的外形與結(jié)構(gòu)2）

接觸器用于頻繁地接通和斷開(kāi)大電流電路的開(kāi)關(guān)電器。(a)外形(b)結(jié)構(gòu)3）

繼電器繼電器和接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同。主要區(qū)別在于：

接觸器的主觸點(diǎn)可以通過(guò)大電流；

繼電器的體積和觸點(diǎn)容量小，觸點(diǎn)數(shù)目多，且只能通過(guò)小電流。所以，繼電器一般用于控制電路中。電流及電壓繼電器電流繼電器：可用于過(guò)載保護(hù)，電壓繼電器：主要作為欠壓、失壓保護(hù)。4）

中間繼電器

中間繼電器觸頭容量小，觸點(diǎn)數(shù)目多，用于控制線(xiàn)路。通常用于傳遞信號(hào)和同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用它來(lái)控制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件。(b)符號(hào)KA線(xiàn)圈常開(kāi)觸頭KA常閉觸頭KA(a)外形中間繼電器外形與符號(hào)5）熱繼電器用于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。熱繼電器外形與結(jié)構(gòu)(a)外形(b)結(jié)構(gòu)

發(fā)熱元件接入電機(jī)主電路，若長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，雙金屬片被加熱。因雙金屬片的下層膨脹系數(shù)大，使其向上彎曲，杠桿被彈簧拉回，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。工作原理用于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。6）

熔斷器符號(hào)FU熔斷器額定電流IF的選擇(1)電燈、電爐等電阻性負(fù)載IF>IL(3)頻繁起動(dòng)的電機(jī)(2)單臺(tái)電機(jī)用于低壓