第四章 電動異步機及其控制

第四章電動異步機及其控制第一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五第4章異步電動機及其控制

電動機的作用是將電能轉化為機械能。生產機械由電動機驅動有很多優(yōu)點：

簡化生產機械結構、提高生產率和產品質量，能實現(xiàn)自動控制和遠程操縱，減輕體力勞動等。第二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五三相異步電動機的構造：定子和轉子。第一節(jié)三相異步電動機的構造定子部分轉子部分第三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五一、定子第一節(jié)三相異步電動機的構造機座：起固定和支撐定子鐵心的作用，一般用鑄鐵制造。定子鐵心：由硅鋼片沖疊而成，鐵心內開有均勻的槽，用以嵌放定子繞組。定子繞組：完全相同的三相定子繞組是由銅導線繞制而成，空間互差120度，可接成Y或Δ。第四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五二、轉子轉子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成，嵌放轉子繞組。轉子繞組：有鼠籠式和繞線式兩種。(1)鼠籠式轉子

在轉子鐵心槽內放銅條，兩端部用短路環(huán)形成一體，或在槽中澆鑄鋁液，形成轉子繞組。第一節(jié)三相異步電動機的構造第五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五(2)繞線式轉子

同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。三相繞組端線連接到裝在轉軸上的三個銅滑環(huán)上，通過一組電刷與外電路相連接，便于串入電阻改善電動機的運行性能。

鼠籠式和繞線式只是在轉子構造上不同，它們的工作原理是一樣的。滑環(huán)第六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式電動機應用：無特殊要求的一般生產機械的拖動，如水泵、通風機、運輸機、傳送帶和機床等都采用鼠籠式異步電動機。缺點：是調速困難，起動性能較差，不能人為改變電動機的機械特性。優(yōu)點：結構簡單、價格低廉、工作可靠。第七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：繞線式電動機缺點：結構復雜、價格較貴、維護工作量大。優(yōu)點：起動性能較好，可在不大的范圍內平滑調速；轉子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。應用：重載和頻繁起動的生產機械，如起重機、鍛壓機等。第八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作基于電磁感應的兩個基本現(xiàn)象：1、通電導體周圍產生感應磁場2、磁場中載流導體受電磁力作用第九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)一、旋轉磁場的產生AXBYCZABCo1、旋轉磁場的產生第十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五

i“+”：首端流入，尾端流出。

i“–”：尾端流入，首端流出。

AYCBZX(?)電流出電流參考方向：取繞組始端到末端的方向為電流的參考方向，AX。電流實際方向：o()電流入第十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五AXYCBZAXYCBZAXYCBZ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°合成磁場旋轉90°600900o第十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五AXYCBZAXYCBZAXYCBZ合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°分析可知：當定子繞組中通入三相電流后，它們產生的合成磁場是隨著電流的交變在空間不斷地旋轉著。

即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°第十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五o2、旋轉磁場的旋轉方向

如果任意調換兩根電源進線，旋轉磁場還會順時針旋轉嗎？繞組中電流出現(xiàn)正幅值的相序：

ABCAXBYCZABC第十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五oAAXYCBZAAXYCBZ2、旋轉磁場的旋轉方向任意調換兩根電源進線(電路如圖)600繞組中電流出現(xiàn)正幅值的相序：

ACB合成磁場逆時針旋轉60°AXBYCZABCBCiAiC

iB第十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五旋轉方向：取決于三相繞組電流的相序。改變電動機旋轉方向的方法：改變相序（換接其中兩相）2、旋轉磁場的旋轉方向oo第十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五方法：將與電源相接的任意兩相互換(改變相序)，

就可實現(xiàn)反轉。

三相異步電動機的正、反轉正轉反轉ABCM3~電源ABCM3~電源第十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五3、旋轉磁場的轉速p=1時

旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數(shù)AXYCBZAXYCBZAXYCBZ18003600o工頻：第十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五op=2時600第十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五旋轉磁場轉速n0與極對數(shù)p的關系旋轉磁場轉速n0與頻率f1和極對數(shù)p有關?？梢?極對數(shù)每個電流周期磁場轉過的空間角度旋轉磁場轉速n0第二十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五二、轉子的轉動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉子導體右手定則

感應電動勢E20旋轉磁場感應電流I2旋轉磁場左手定則電磁力FF電磁轉矩TnF第二十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五

轉差率：

由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速n0相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。旋轉磁場轉速n0常稱為同步轉速。第二十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五

轉差率為旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比。即：

轉差率：

上式也可寫為：轉差率s電動機起動瞬間:n＝0，s＝1（轉差率最大）異步電動機額定運行時，轉速n小于n0

，并且接近n0

第二十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)異步電動機的機械特性一、異步電動機的電磁轉矩

轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉矩之總和。常數(shù)，與電機結構有關旋轉磁場每極磁通轉子電流轉子電路的功率因數(shù)第二十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五由公式可知電磁轉矩公式1.T與定子每相繞組電壓成正比。U1T2.當電源電壓U1一定時，T是

s的函數(shù)。3.R2

的大小對

T有影響。繞線式異步電動機可外接電阻來改變轉子電阻R2，從而改變轉距。第二十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。

自適應負載能力是電動機區(qū)別于其它動力機械的重要特點（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載）。第二十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)

異步電動機的起動和調速一、異步電動機的起動起動問題：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。大電流使電網(wǎng)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：原因：起動：

n=0，s=1,接通電源。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

第二十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五異步電動機的起動方法(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）以下介紹降壓起動和轉子串電阻起動。

異步電動機起動時的主要問題是：起動電流較大。第二十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五設：電機每相阻抗為1.降壓起動（鼠籠式異步電動機）(1)Y－換接起動

降壓起動時的電流為直接起動時的+－

起動U1U2V1V1W1W2+－正常運行U1U2V1V2W1W2第二十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五Y－

起動器接線簡圖L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△動觸點Y動觸點靜觸點第三十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五Y起動L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起動UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－

起動器接線簡圖第三十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常運行Ul+＿U1V1V2W1W2Y－

起動器接線簡圖第三十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五(a)僅適用于正常運行為三角形聯(lián)結的電機。

(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第三十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五(2)自耦降壓起動L1L3L2FUQ

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QQ2

自耦降壓起動適合于容量較大的或正常運行時聯(lián)成Y形不能采用Y－起動的鼠籠式異步電動機。第三十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五

依據(jù)變壓器的一次、二次側電壓電流關系，可求得線路起動電流Ist′′。不用變壓器時：電動機的電壓為UN電動機的起動電流為Ist，和線路電流相同采用自偶變壓器時：電動機的電壓為U'，U'＝xUN電動機的起動電流為Ist，Ist＝x

Ist電動機的起動轉矩為Tst電動機的起動轉矩為第三十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五采用自耦降壓法起動時，若加到電動機上的電壓與額定電壓之比為x，則線路起動電流Ist"

為電動機的起動轉距Tst′為結論：第三十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五RRR滑環(huán)電刷定子轉子起動時將適當?shù)腞串入轉子電路中，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?第三十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五

若R2選得適當，轉子電路串電阻起動既可以降低起動電流，又可以增加起動轉矩。常用于要求起動轉矩較大的生產機械上。R2-TTst

-TO轉子電路串電阻起動的特點第三十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五1.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恒功率調速頻率調節(jié)范圍：0.5~幾百赫茲三種電氣調速方法二、三相異步電動機的調速第三十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五2.變極調速

(有級調速)

變頻調速方法可實現(xiàn)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··NNSS第四十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五A1X1A2X2ii??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第四十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五To3.變轉差率調速

(無級調速)

變轉差率調速是繞線式電動機特有的一種調速方法。其優(yōu)點是調速平滑、設備簡單投資少，缺點是能耗較大。這種調速方式廣泛應用于各種提升、起重設備中。nn'??TLTLs

′s??Tso第四十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)和選擇第四十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五1.型號

磁極數(shù)(極對數(shù)p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機教材表7.8.1中列出了各種電動機的系列代號。一、異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)第四十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五異步電動機產品名稱代號產品名稱異步電動機繞線式異步電動機防爆型異步電動機高起動轉矩異步電動機新代號漢字意義老代號Y異異繞異爆異起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO第四十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五2.接法接線盒定子三相繞組的聯(lián)接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y聯(lián)結W1U1V1W2U2V2聯(lián)結第四十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五3.電壓例如：380/220V、Y/是指線電壓為380V時采用Y聯(lián)結；線電壓為220V時采用

聯(lián)結。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。電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V,

及6000V等多種。第四十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五4.電流例如：Y/6.73/11.64A

表示星形聯(lián)結下電機的線電流為6.73A；三角形聯(lián)結下線電流為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％電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。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。第四十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五注意：實用中應選擇容量合適的電機，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。6.功率因數(shù)PN三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負載時約為0.7~0.9。空載時功率因數(shù)很低，只有0.2~0.3。額定負載時，功率因數(shù)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。P2cosO第四十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五如：n

N=1440轉/分

sN=0.048.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級最高(180oC)。9.工作方式電機的工作方式分為八類，用S1－S8表示。有連續(xù)工作方式，短時工作方式，斷續(xù)工作方式等。第五十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五1、功率的選擇功率選得過大不經(jīng)濟，功率選得過小電動機容易因過載而損壞。1）對于連續(xù)運行的電動機，所選功率應等于或略大于生產機械的功率。2）對于短時工作的電動機，允許在運行中有短暫的過載，故所選功率可等于或略小于生產機械的功率。三、異步電動機的選擇第五十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五2、種類和型式的選擇1）種類的選擇一般應用場合應盡可能選用鼠籠式電動機。只有在需要調速、不能采用鼠籠式電動機的場合才選用繞線式電動機。2）結構型式的選擇根據(jù)工作環(huán)境的條件選擇不同的結構型式，如開啟式、防護式、封閉式電動機。3、電壓和轉速的選擇根據(jù)電動機的類型、功率以及使用地點的電源電壓來決定。

Y系列鼠籠電動機的額定電壓只有380V一個等級。大功率電動機才采用3000V和6000V。第五十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五第六節(jié)常用低壓電器一、組合開關（常用于接通和斷開電源路）組合開關又稱轉換開關，由數(shù)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。OQOO電路符號

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。第五十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五刀閘開關控制對象：380V，5.5kW以下小電機電路符號QS返回

刀閘開關適用于不頻繁接通和斷開電路；組合開關適用于機床設備的電源引入開關。第五十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五二、按鈕(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。(a)外形圖常閉觸點常開觸點第五十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五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4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1234123按鈕帽SBSBSB第五十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五三、交流接觸器用于頻繁地接通和斷開大電流電路的開關電器。(a)外形(b)結構構成：主要由電磁鐵和觸點兩部分組成，觸點又可分為主觸點和輔助觸點。第五十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五M3~三、交流接觸器動作過程線圈通電銜鐵被吸合觸頭閉合電機接通電源~380~~線圈輔助觸點鐵心銜鐵主觸點常閉常開彈簧電機第五十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五M3~三、交流接觸器動作過程線圈通電銜鐵被吸合觸頭閉合電機接通電源~220~380~~動畫第五十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五接觸器有關符號：接觸器主觸頭－－用于主電路（流過的電流大，需加滅弧裝置）接觸器輔助觸頭－－用于控制電路（流過的電流小，無需加滅弧裝置）接觸器控制對象：電動機及其它電力負載接觸器技術指標：額定工作電壓、電流、觸點數(shù)目等。KM常開常閉KMKM接觸器線圈KM第六十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五四、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(shù)目多，且只能通過小電流。所以，繼電器一般用于控制電路中。中間繼電器電流繼電器電壓繼電器時間繼電器（具有延時功能）熱繼電器（做過載保護）…...繼電器類型：第六十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五五、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)結構第六十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五~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(shù)大，使其向上彎曲，杠桿被彈簧拉回，常閉觸點斷開。發(fā)熱元件扣板五、熱繼電器工作原理結構原理圖雙金屬片常閉觸頭第六十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五熱繼電器的符號串聯(lián)在主電路中串聯(lián)在控制電路中常閉觸頭FR發(fā)熱元件FR第六十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五六、熔斷器用于低壓線路中的短路保護。熔斷器簡稱保險絲，是最簡單有效的短路保護裝置。

熔斷器中的熔絲和熔片是用易熔合金制成的，當流過熔體的電流大于它的整定值時，熔體立刻熔斷，切斷電源，起到保護作用。熔斷器產品外形圖電路符號FU第六十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五六、熔斷器熔斷器額定電流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)單臺電機第六十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五可實現(xiàn)短路、過載、失壓保護。七、自動空氣斷路器(自動開關)鎖鉤主觸點手動閉合過流脫扣器欠壓脫扣器銜鐵釋放自動空氣斷路器原理圖連桿裝置釋放彈簧第六十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五主電路控制電路第七節(jié)常用電動機控制電路1.電路SB1KMSB2FRKM

FRKMFUQ3~M..保險絲熱繼電器發(fā)熱元件開關接觸器主觸點起動按鈕停止按鈕接觸器線圈接觸器輔助觸點熱繼電器動斷觸點原理圖一、單向旋轉控制電路第六十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五控制電路電動機的保護SB1KMSB2FRKM

FRKMFUQ3~M..熱繼電器過載保護保險絲短路保護接觸器零壓、欠壓保護熱繼電器動斷觸點主電路控制電路第六十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五電動機的保護

短路保護:

通常采用熔斷器FU。一旦發(fā)生短路事故，熔絲立即熔斷，電動機立即停車。

失壓(零壓)保護:

是指電源電壓消失或電壓嚴重下降時，電動機停轉；在電源電壓恢復正常時，電動機不能自行起動。常用的失壓保護：采用繼電器、接觸器控制。

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。第七十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五KMFRKM..KMSB1SB2..控制電路合上開關Q起動2.控制原理KM輔助觸點閉合自鎖。按下起動按鈕SB2

,KM線圈通電，KM主觸點閉合，電動機運轉。通電轉動KM主電路

FR3~MFUQQ第七十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五合上開關Q2.控制原理FRKM..KMSB1SB2..控制電路KM輔助觸點閉合自鎖。按下起動按鈕SB2,KM線圈通電，KM主觸點閉合，電動機運轉。通電起動KM轉動主電路

FR3~MFUQQ松開起動按鈕SB2利用自身輔助觸點，維持線圈通電的作用稱自鎖自鎖第七十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五2.控制原理FRKM..KMSB1SB2..控制電路通電主電路

FRFUQ3~MQ轉動KM自鎖停車

按下停止按鈕SB1,

KM線圈斷電KM主觸點斷開,電動機停轉。KM輔助觸點斷開，取消自鎖。第七十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五2.控制原理轉動停車

按下停止按鈕SB1,

KM線圈斷電KM主觸點斷開,電動機停轉。KM輔助觸點斷開，取消自鎖。

停轉FRKM..KMSB1SB2..控制電路通電主電路

FRFUQ3~MQ斷電KM去掉KM輔助觸點,實現(xiàn)點動控制。第七十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期五3.點動控制FR..控制電路主電路

FRFUQ3~MQKMSB2KM第七十