單元五交流電動機及控制

單元五交流電動機及控制5.1三相異步電動機的構造5.2三相異步電動機的工作原理5.3三相異步電動機銘牌和技術數據5.4三相異步電動機的起動、調速和制動5.5控制和保護器件5.6基本控制電路1.理解三相交流異步電動機的基本構造和轉動原理。本章要求：3.理解三相交流異步電動機的機械特性，掌握起動和反轉的基本方法,了解調速和制動的方法。2.理解三相交流異步電動機銘牌數據的意義。電動機的分類：電動機交流電動機直流電動機三相電動機單相電動機同步電動機異步電動機他勵、并勵電動機串勵、復勵電動機1.定子1三相異步電動機的結構鐵心：由內周有槽的硅鋼片疊成。U1----U2V1----V2

W1----W2三相繞組機座：鑄鋼或鑄鐵定子三相繞組的連接方法W2U2V2V1W1U1接線盒W1U1V1W2U2V2U1V1W1W2U2V2Y連接連接三相異步交流電工機原理視頻

轉子:在旋轉磁場作用下，產生感應電動勢或電流。2.轉子鼠籠轉子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。(1)

鼠籠式轉子鐵芯槽內放銅條，端部用短路環(huán)形成一體?；蜩T鋁形成轉子繞組。(2)

繞線式轉子同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式繞線式鼠籠式電動機與繞線式電動機的比較：鼠籠式：

結構簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。繞線式：結構復雜、價格較貴、維護工作量大；轉子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。一、旋轉磁場

定子三相繞組通入三相交流電(星形連接)U1U2V1V2W1W21.旋轉磁場的產生o2

三相異步電動機的轉動原理o規(guī)定

i:“+”首端流入，尾端流出。

i:“–”尾端流入，首端流出。U1V2W1V1W2U2(?)電流出()電流入U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2三相電流合成磁

場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°U1U2V2W1V1W2合成磁場旋轉90°600

toU1U1U2W2V1W1V2U1U1U2W2V1W1V2分析可知：三相電流產生的合成磁場是一旋轉的磁場

即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°取決于三相電流的相序2.旋轉磁場的旋轉方向結論：任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。任意調換兩根電源進線(電路如圖)U1U2W1W2V1V20to3.旋轉磁場的極對數P當三相定子繞組按圖示排列時，產生一對磁極的旋轉磁場，即：otU1U2V1V2W1W2U1U2V2W1V1W2

若定子每相繞組由兩個線圈串聯

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉磁場。W1'V2'U1V1W1U2V2W2U1'U2'V1'W2'極對數旋轉磁場的磁極對數與三相繞組的排列有關4.旋轉磁場的轉速工頻：旋轉磁場的轉速取決于磁場的磁極對數p=1時0toU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2p=2時0旋轉磁場轉速(同步轉速)n1與極對數p的關系極對數每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速旋轉磁場轉速n1與頻率f1和極對數p有關?？梢?

當三相異步電動機的三相定子繞組接通三相交流電源，流過三相對稱電流后，就能在電動機的氣隙中產生轉速為n1的旋轉磁場。靜止的轉子繞組便相對磁場運動而切割磁感線，感應出電動勢。由于轉子繞組自成閉合回路，在轉子導體中便有電流流過，如忽略轉子電路的感抗，感應電流方向與電動勢方向相同，該電流再與旋轉磁場相互作用，便在轉子繞組中產生電磁力，形成電磁轉矩，帶動異步電動機的轉子順著旋轉磁場的方向，以n(n＜n1)的轉速轉動起來。如使旋轉磁場的方向改變，則轉子的轉動方向也跟著改變。轉動原理轉差率:異步電動機轉子轉向與旋轉磁場轉向相同,一般情況下，異步電動機轉子的轉速低于旋轉磁場的轉速。因為假如n=n1，則轉子繞組與旋轉磁場之間就沒有相對運動，就不會切割磁力線，就不會感應電動勢并產生電流，也不會產生電磁轉矩使轉子繼續(xù)轉動，所以通常轉子轉速小于同步轉速，這就是異步電動機的“異步”由來。轉速差(—)是異步電動機運行的必要條件。此值與同步轉速之比，稱之為轉差率，用符號s表示異步電動機在額定狀態(tài)下運行的轉差率，稱為額定轉差率，用表示SN。異步電動機的額定轉速nN接近同步轉速n1，因此SN很小，一般為0.01～0.06。3

三相異步電動機銘牌和技術數據1.型號

例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數。磁極數(極對數p=2)機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機2.連接方式：Y、△3.電壓：電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。例如：380/220V、Y/是指線電壓為380V時采用Y連接；線電壓為220V時采用連接。說明：一般規(guī)定，電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5%。因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值,從而使電動機過熱。4.電流：電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。例如：Y/6.73/11.64A表示星形連接下電機的線電流為6.73A；三角形連接下線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。

5.功率與效率鼠籠電機

=72％~93％額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。6.功率因數三相異步電動機的功率因數較低，在額定負載時約為0.7~0.9。空載時功率因數很低，只有

0.2~0.3。額定負載時，功率因數最高。

7.額定轉速電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉速。如：n

N=1440轉/分

sN=0.049.絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為A、E、B、F、H五級，A級最低(105oC)，H級最(180oC)。8.額定轉差率例：一臺Y225M-4型的三相異步電動機，定子繞組△型連接，其額定數據為：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

1)額定電流IN?起動電流Ist2)額定轉差率sN?3)額定轉矩

TN、最大轉矩Tmax、和起動轉矩TSt

。

1)解:

2）由nN=1480r/min，可知p=2（四極電動機）3）4三相異步電動機的起動、調速、制動一、起動1.起動性能起動：

n=0，s=1,接通電源。起動問題：起動電流大，起動轉矩小。

一般中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍;電動機的起動轉矩為額定轉矩的(1.0~2.2)倍。原因：大電流使電網電壓降低，影響鄰近負載的工作頻繁起動時造成熱量積累，使電機過熱后果：起動時，n=0，轉子導體切割磁力線速度很大，轉子感應電勢轉子電流定子電流

2.起動方法(1)直接起動

二、三十千瓦以下的異步電動機一般都采用直接起動。(2)降壓起動：星形-三角形(Y－)

換接起動自耦降壓起動（適用于鼠籠式電動機）(3)轉子串電阻起動（適用于繞線式電動機）L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△動觸點Y動觸點靜觸點1.降壓起動(降壓限流)(1)Y－換接起動Y－起動器接線簡圖

降壓起動時的電流為直接起動時的Y－起動器接線簡圖Y起動L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起動UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－起動器接線簡圖

工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常運行Ul+＿U1V1V2W1W2(a)僅適用于正常運行為三角形連接的電機。

(b)Y－起動Y－換接起動適合于空載或輕載起動的場合Y-換接起動應注意的問題正常運行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起動+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1(2)自耦降壓起動

Q2下合：接入自耦變壓器，降壓起動。

Q2上合：切除自耦變壓器，全壓工作。合刀閘開關QL1L3L2FUQQ2

自耦降壓起動適合于容量較大的或正常運行時聯成Y形不能采用Y－起動的鼠籠式異步電動機。RRR滑環(huán)電刷定子轉子起動時將適當的R串入轉子電路中，起動后將R短路。起動電阻

2.繞線式電動機轉子電路串電阻起動?

方法：任意調換電源的兩根進線，電動機反轉。電動機正轉電動機反轉二、三相異步電動機的正、反轉電源~UVWM3~UVW電源~M3~1變頻調速(無級調速)

f=50Hz逆變器M3~整流器f1、U1可調+–~變頻調速方法恒轉距調速（f1<f1N）恒功率調速（f1>f1N）頻率調節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲三種電氣調速方法三、三相異步電動機的調速2變極調速

(有級調速)

變頻調速方法可實現無級平滑調速,調速性能優(yōu)異，因而正獲得越來越廣泛的應用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii??P=1采用變極調速方法的電動機稱作雙速電機，由于調速時其轉速呈跳躍性變化，因而只用在對調速性能要求不高的場合，如銑床、鏜床、磨床等機床上。A1··A2X1X2SN四、三相異步電動機的制動1

能耗制動

在斷開三相電源的同時，給電動機其中兩相繞組通入直流電流，直流電流形成的固定磁場與旋轉的轉子作用，產生了與轉子旋轉方向相反的轉距（制動轉距），使轉子迅速停止轉動。制動方法機械制動電氣制動能耗制動反接制動發(fā)電反饋制動nF轉子Tn0=02

反接制動停車時，將接入電動機的三相電源線中的任意兩相對調，使電動機定子產生一個與轉子轉動方向相反的旋轉磁場，從而獲得所需的制動轉矩，使轉子迅速停止轉動。

M3~+-運轉制動?RPM3~運轉制動?nF轉子Tn03

發(fā)電反饋制動

當電動機轉子的轉速大于旋轉磁場的轉速時，旋轉磁場產生的電磁轉距作用方向發(fā)生變化，由驅動轉距變?yōu)橹苿愚D距。電動機進入制動狀態(tài)，同時將外力作用于轉子的能量轉換成電能回送給電網。nF轉子Tn0n>n0解：

在例1中(1)如果負載轉矩為510.2N?m,試問在U=UN和U′=0.9UN兩種情況下電動機能否起動？（2）采用Y-

換接起動時，求起動電流和起動轉矩。又當負載轉矩為額定轉矩的80%和50%時，電動機能否起動？

(1)在U=UN時

Tst=551.8N?m>510.2N.m不能起動

(2)Ist=7IN=784.2=589.4A

在U′=0.9UN時能起動例2:在80%額定負載時不能起動在50%額定負載時可以起動(3)5常用控制和保護電器

實現繼電接觸控制的電氣設備，統(tǒng)稱為控制電器，如刀閘、按鈕、繼電器、接觸器等。下面介紹常用控制電器的用途及電工表示符號。電動機的控制包括電動機的起動、制動、反轉等電動機的自動保護：

短路保護是因短路電流會引起電器設備絕緣損壞產生強大的電動力，使電動機和電器設備產生機械性損壞，故要求迅速、可靠切斷電源。通常采用熔斷器FU和過流繼電器等。(瞬時性)

過載保護是為防止三相電動機在運行中電流超過額定值而設置的保護。常采用熱繼電器FR保護，也可采用自動開關和電流繼電器保護。(判斷性、延時性）

欠壓是指電動機工作時，引起電流增加甚至使電動機停轉，失壓(零壓)是指電源電壓消失而使電動機停轉，在電源電壓恢復時，電動機可能自動重新起動(亦稱自起動)，易造成人身或設備故障。常用的失壓和欠壓保護有：對接觸器實行自鎖；用低電壓繼電器組成失壓、欠壓保護。一、常用手動控制電器1、刀開關：一般用于不頻繁操作的低壓電路中,用作接通和切斷電源。由閘刀（動觸點）、靜插座（靜觸點）、手柄和絕緣底板等組成。刀開關一般與熔斷器串聯使用，以便在短路或過載時熔斷器熔斷而自動切斷電路。安裝時電源線應接在靜觸點上，負荷線接在與閘刀相連的端子上。垂直安裝時，手柄向上合為接通電源，向下拉為斷開電源，不能接反，否則會因為閘刀松動落下而誤將電源接通。刀開關的額定電流應大于其所控制的最大負荷電流。2.組合開關組合開關又稱轉換開關，由數層動、靜觸片組裝在絕緣盒而成的。動觸點裝在轉軸上，用手柄轉動轉軸使動觸片與靜觸片接通與斷開?？蓪崿F多條線路、不同連接方式的轉換。

轉換開關中的彈簧可使動、靜觸片快速斷開，利于熄滅電弧。但轉換開關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關。M3~用組合開關起停電動機的接線圖3.按鈕(手動切換電器)(b)結構按鈕常用于接通和斷開控制電路。按鈕的外形圖和結構如圖所示。按鈕開關的外形和符號(a)外形圖常閉觸點常開觸點復位彈簧支柱連桿常閉靜觸頭橋式動觸頭常開靜觸頭外殼4SBSB結構符號名稱常閉按鈕(停止按鈕)常開按鈕(起動按鈕)復合按鈕SB1234123按鈕帽1.熔斷器符號FU熔斷器額定電流IF的選擇(1)電燈、電爐等電阻性負載IF>IL(3)頻繁起動的電機(2)單臺電機用于低壓線路中的短路保護。常用的熔斷器有插入式熔斷器、螺旋式熔斷器、管式熔斷器和有填料式熔斷器。二、自動電器可實現短路、過載、失壓保護。2.自動空氣斷路器(自動開關)主觸點手動閉合銜鐵釋放鎖鉤過流脫扣器欠壓脫扣器自動空氣斷路器原理圖連桿裝置釋放彈簧用于自動往復控制或限位保護等。3.行程開關(限位開關)(b)示意圖結構與按鈕類似，但其動作要由機械撞擊。未撞擊撞擊(a)外形圖ST常開觸點常閉觸點ST(c)符號行程開關的外形符號交流接觸器的外形與結構用于頻繁地接通和斷開大電流電路的開關電器。(a)外形(b)結構4.交流接觸器原理圖彈簧常開輔觸點常閉輔觸點線圈銜鐵常開主觸點KMKM線圈KM常閉觸點常開觸點符號鐵芯工作原理:交流接觸器廣泛用作電力拖動的開斷和控制電路。它利用主觸點來開閉電路，用輔助觸點來執(zhí)行控制指令。主觸點一般只有常開觸點，而輔助觸點常有兩對具有常開和常閉功能的觸點。當線圈通電時,靜鐵芯產生電磁吸力,將動鐵芯吸合,由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯動的,因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行,觸點閉合,從而接通電源。當線圈斷電時,吸力消失,動鐵芯聯動部分依靠彈簧的反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。

5.繼電器

繼電器和接觸器的結構和工作原理大致相同。主要區(qū)別在于：

接觸器的主觸點可以通過大電流；

繼電器的體積和觸點容量小，觸點數目多，且只能通過小電流。所以，繼電器一般用于控制電路中。電流繼電器：可用于過載或過載保護。電壓繼電器：主要作為欠壓、失壓保護。（一）中間繼電器

中間繼電器觸頭容量小，觸點數目多，用于控制線路。通常用于傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。(b)符號KA線圈常開觸頭KA常閉觸頭KA(a)外形中間繼電器外形與符號（二）熱繼電器用于電動機的過載保護。熱繼電器外形與結構(a)外形(b)結構發(fā)熱元件接入電機主電路，若長時間過載，雙金屬片被加熱。因雙金屬片的下層膨脹系數大，使其向上彎曲，杠桿被彈簧拉回，常閉觸點斷開。工作原理發(fā)熱元件~杠桿結構原理圖雙金屬片常閉觸頭用于電動機的過載保護。發(fā)熱元件常閉觸點符號FR通電延時的空氣式時間繼電器結構示意圖常開觸頭延時閉合常閉觸頭延時打開微動開關2微動開關1常開觸頭常閉觸頭線圈通電銜鐵向下吸合連桿動作觸頭動作工作原理調節(jié)螺絲進氣孔托板線圈動鐵芯恢復彈簧擋塊釋放彈簧活塞桿橡皮膜排氣孔(三)空氣式時間繼電器斷電延時的空氣式時間繼電器結構示意圖常閉延時閉合常閉延時斷開常開觸頭常閉觸頭空氣式時間繼電器的延時范圍大(